Najambicióznejšia vedecká konštrukcia našej doby. Slnko zabalíme do donutu. Fúzny reaktor: ITER

Najambicióznejšia vedecká konštrukcia našej doby. Ako sa vo Francúzsku stavia fúzny reaktor ITER

Riadená termonukleárna fúzia je modrým snom fyzikov a energetických spoločností, o ktorý sa starajú už desaťročia. Umiestniť do klietky umelé slnko je skvelý nápad. "Problém je však v tom, že nevieme, ako vytvoriť taký box,"- povedal kandidát na Nobelovu cenu Pierre Gilles de Gennes v roku 1991. V polovici roka 2018 však už vieme ako. A dokonca staviame. Najlepšie mozgy sveta pracujú na projekte medzinárodného experimentálneho termonukleárneho reaktora ITER – najambicióznejšieho a najdrahšieho experimentu modernej vedy.

Takýto reaktor stojí päťkrát viac ako Veľký hadrónový urýchľovač. Na projekte pracujú stovky vedcov z celého sveta. Jeho financovanie by pokojne mohlo presiahnuť 19 miliárd eur a prvá plazma bude do reaktora uvoľnená až v decembri 2025. A napriek neustálym oneskoreniam, technologickým ťažkostiam a nedostatočnému financovaniu od jednotlivých zúčastnených krajín sa stavia najväčší termonukleárny „stroj perpetum mobile“ na svete. Má oveľa viac výhod ako nevýhod. Ktoré? Príbeh o najambicióznejšom vedeckom stavebnom projekte súčasnosti začíname teóriou.

Čo je tokamak?

Vplyvom obrovských teplôt a gravitácie dochádza v hĺbkach nášho Slnka a iných hviezd k termonukleárnej fúzii. Jadrá vodíka sa zrážajú, vytvárajú ťažšie atómy hélia a súčasne uvoľňujú neutróny a veľké množstvo energie.

Moderná veda dospela k záveru, že pri najnižšej počiatočnej teplote najväčší počet energia vzniká reakciou medzi izotopmi vodíka – deutériom a tríciom. Na to sú však dôležité tri podmienky: teplo(okolo 150 miliónov stupňov Celzia), vysoká hustota plazmy a vysoký retenčný čas v plazme.

Faktom je, že nebudeme schopní vytvoriť takú kolosálnu hustotu, akú má Slnko. Zostáva už len zohriať plyn do stavu plazmy pomocou ultra vysokých teplôt. Žiadny materiál však nevydrží kontakt s tak horúcou plazmou. Na tento účel akademik Andrej Sacharov (na návrh Olega Lavrentyeva) v 50. rokoch minulého storočia navrhol použiť toroidné (duté donutovité) komory s magnetickým poľom, ktoré by udržalo plazmu. Neskôr sa objavil termín - tokamak.

Moderné elektrárne, spaľujúce fosílne palivá, premieňajú mechanická sila(napríklad krútiace turbíny) na elektrinu. Tokamaky budú využívať energiu fúzie, absorbovanú ako teplo stenami zariadenia, na ohrev a výrobu pary, ktorá roztočí turbíny.

Prvý tokamak na svete. Sovietsky T-1. 1954

Malé experimentálne tokamaky sa stavali po celom svete. A úspešne dokázali, že človek dokáže vytvoriť vysokoteplotnú plazmu a nejaký čas ju udržať stabilný stav. No priemyselné vzory sú ešte ďaleko.

Inštalácia T-15. 80. roky 20. storočia

Výhody a nevýhody fúznych reaktorov

Typické jadrové reaktory bežia na desiatkach ton rádioaktívneho paliva (ktoré sa nakoniec zmení na desiatky ton rádioaktívneho odpadu), zatiaľ čo fúzny reaktor vyžaduje len stovky gramov trícia a deutéria. Prvý môže byť vyrobený v samotnom reaktore: neutróny uvoľnené počas syntézy ovplyvnia steny reaktora nečistotami lítia, z ktorých sa objavuje trícium. Zásoby lítia vydržia tisíce rokov. Chýbať nebude ani deutérium – vo svete sa ho vyprodukuje v desiatkach tisíc ton ročne.

Fúzny reaktor neprodukuje žiadne emisie skleníkových plynov, čo je typické pre fosílne palivá. A vedľajším produktom vo forme hélia-4 je neškodný inertný plyn.

Termonukleárne reaktory sú navyše bezpečné. Pri akejkoľvek katastrofe sa termonukleárna reakcia jednoducho zastaví bez akejkoľvek vážne následky pre životné prostredie alebo personál, pretože syntéznu reakciu nebude podporovať nič: vyžaduje si to príliš skleníkové podmienky.

Termonukleárne reaktory však majú aj nevýhody. V prvom rade ide o banálnu obtiažnosť začať samoudržiavaciu reakciu. Potrebuje hlboké vákuum. Komplexné magnetické systémy vyžadujú obrovské supravodivé magnetické cievky.

A nezabudnite na radiáciu. Napriek niektorým stereotypom o neškodnosti termonukleárnych reaktorov nie je možné zrušiť bombardovanie ich okolia neutrónmi vznikajúcimi pri fúzii. Výsledkom tohto bombardovania je radiácia. Údržba reaktora sa preto musí vykonávať na diaľku. Pri pohľade do budúcnosti povedzme, že po spustení budú roboty priamo udržiavať tokamak ITER.

Okrem toho môže byť rádioaktívne trícium nebezpečné, ak sa dostane do tela. Pravda, bude stačiť postarať sa o jeho správne uloženie a vôbec vytvárať bezpečnostné zábrany možné spôsoby jeho distribúciu v prípade havárie. Okrem toho je polčas trícia 12 rokov.

Keď je položený nevyhnutný minimálny základ teórie, môžete prejsť k hrdinovi článku.

Najambicióznejší projekt našej doby

V roku 1985 sa v Ženeve uskutočnilo prvé osobné stretnutie hláv ZSSR a USA po mnohých rokoch. Predtým dosiahla studená vojna svoj vrchol: superveľmoci bojkotovali olympijské hry, vybudovali svoj jadrový potenciál a neplánovali vstupovať do žiadnych rokovaní. Tento summit oboch krajín na neutrálnom území je pozoruhodný ďalšou dôležitou okolnosťou. Generálny tajomník ÚV KSSZ Michail Gorbačov počas nej navrhol realizovať spoločný medzinárodný projekt rozvoja termonukleárnej energie na mierové účely.

O rok neskôr došlo k dohode o projekte medzi americkými, sovietskymi, európskymi a japonskými vedcami a začal sa vývoj koncepčného návrhu veľkého termonukleárneho komplexu ITER. Vývoj technických detailov sa oneskoril, USA neustále odchádzali a potom sa k projektu vracali, nakoniec sa k nemu pridala aj Čína, Južná Kórea a Indiou. Účastníci si rozdelili zodpovednosť za financovanie a priame práce a v roku 2010 sa konečne začala príprava jamy na založenie budúceho komplexu. Rozhodli sa ho postaviť na juhu Francúzska neďaleko mesta Aix-en-Provence.

Čo je teda ITER? Ide o obrovský vedecký experiment a ambiciózny energetický projekt na vybudovanie najväčšieho tokamaku na svete. Stavba musí preukázať možnosť komerčného využitia fúzneho reaktora, ako aj vyriešiť vznikajúce fyzikálne a technologické problémy na ceste.

Z čoho pozostáva reaktor ITER?

Tokamak je toroidná vákuová komora s magnetickými cievkami a kryostatom s hmotnosťou 23 tisíc ton. Ako je už zrejmé z definície, máme fotoaparát. Hlboká vákuová komora. V prípade ITER to bude 850 metrov kubických voľného objemu komory, v ktorej bude na začiatku len 0,1 gramu zmesi deutéria a trícia.

1. Vákuová komora, kde žije plazma. 2. Injektor neutrálneho lúča a rádiofrekvenčný ohrev plazmy až na 150 miliónov stupňov. 3. Supravodivé magnety, ktoré využívajú plazmu. 4. Prikrývky chrániace kameru a magnety pred neutrónovým bombardovaním a zahrievaním. 5. Diverter, ktorý odvádza teplo a produkty termonukleárnej reakcie. 6. Diagnostické nástroje na štúdium fyziky plazmy. Zahŕňa tlakomery a neutrónové komory. 7. Kryostat - obrovská termoska s hlbokým vákuom, ktorá chráni magnety a vákuovú komoru pred zahrievaním

A takto vyzerá „malá“ vákuová komora s modelmi robotníkov vo vnútri. Je vysoký 11,4 metra a spolu s prikrývkami a divertorom bude vážiť 8,5 tisíc ton

Na vnútorných stenách komory sú špeciálne moduly nazývané prikrývky. V ich vnútri cirkuluje voda. Voľné neutróny unikajúce z plazmy padajú do týchto prikrývok a sú spomaľované vodou. Čo spôsobuje jeho zahrievanie? Samotné prikrývky chránia zvyšok kolosu pred tepelným, röntgenovým a už spomínaným neutrónovým žiarením plazmy.

Takýto systém je potrebný na predĺženie životnosti reaktora. Každá prikrývka váži asi 4,5 tony, približne každých 5-10 rokov ich nahradí robotické rameno, keďže táto prvá obranná línia bude vystavená vyparovaniu a neutrónovému žiareniu.

To však nie je všetko. Na komoru je napojené vnútrokomorové zariadenie, termočlánky, akcelerometre, už spomínaných 440 blokov dekového systému, chladiace systémy, tieniaci blok, divertor, magnetický systém 48 prvkov, vysokofrekvenčné plazmové ohrievače, neutrálny atóm injektor atď. A to všetko sa nachádza vo vnútri obrovského kryostatu vysokého 30 metrov s rovnakým priemerom a objemom 16 tisíc metrov kubických. Kryostat zaručuje hlboké vákuum a ultrachladné teploty pre komoru tokamaku a supravodivé magnety, ktoré sú chladené tekutým héliom na teplotu -269 stupňov Celzia.

Spodná časť. Jedna tretina základne kryostatu. Celkovo bude táto „termoska“ pozostávať z 54 prvkov

A takto vyzerá kryostat v renderi. Jeho výroba je zverená Indii. Reaktor bude zostavený vo vnútri „termosky“

Kryostat sa už montuje. Tu môžete napríklad vidieť okno, cez ktoré budú častice vrhané do reaktora, aby zohriali plazmu

Výroba všetkých týchto zariadení je rozdelená medzi zúčastnené krajiny. Napríklad pracujú na niektorých prikrývkach v Rusku, na tele kryostatu v Indii a na segmentoch vákuovej komory v Európe a Kórei.

Ale toto nie je v žiadnom prípade rýchly proces. Navyše dizajnéri nemajú priestor na chyby. Tím ITER najprv modeluje zaťaženie a požiadavky na konštrukčné prvky, testuje sa na laviciach (napríklad pod vplyvom plazmových pištolí, ako divertor), zlepšuje a upravuje, zostavuje prototypy a pred uvoľnením konečného prvku znova testuje.

Prvé teleso toroidnej cievky. Prvý z 18 obrovských magnetov. Jedna polovica bola vyrobená v Japonsku, druhá v Kórei

18 obrovských magnetov D-tvar, umiestnené v kruhu tak, aby vytvorili nepreniknuteľnú magnetickú stenu. Vo vnútri každého z nich je 134 závitov supravodivého kábla.

Každý takýto kotúč váži približne 310 ton

Ale dať to dokopy je jedna vec. A úplne iná vec je toto všetko udržiavať. Kvôli vysokej úrovni radiácie je prístup do reaktora zakázaný. Na jeho obsluhu bola vyvinutá celá rodina robotických systémov. Niektoré budú meniť prikrývky a preklápacie kazety (s hmotnosťou do 10 ton), niektoré budú diaľkovo ovládané na elimináciu nehôd, niektoré budú založené vo vreckách vákuovej komory s HD kamerami a laserovými skenermi pre rýchlu kontrolu. A to všetko sa musí robiť vo vákuu, v úzkom priestore, s vysokou presnosťou a v jasnej interakcii so všetkými systémami. Úloha je náročnejšia ako oprava ISS ITER Tokamak bude prvým termonukleárnym reaktorom, ktorý vyrobí viac energie, než je potrebné na ohrev samotnej plazmy. Navyše ho teraz bude môcť udržiavať v stabilnom stave oveľa dlhšie existujúce inštalácie. Vedci tvrdia, že práve preto je potrebný takýto rozsiahly projekt.

S pomocou takéhoto reaktora sa odborníci chystajú preklenúť priepasť medzi dnešnými malými experimentálnymi zariadeniami a fúznymi elektrárňami budúcnosti. Napríklad rekord pre termonukleárnu energiu bol stanovený v roku 1997 na tokamaku v Británii - 16 MW so spotrebou 24 MW, zatiaľ čo ITER bol navrhnutý s ohľadom na 500 MW termonukleárnej energie z 50 MW príkonu tepelnej energie.

Tokamak bude testovať technológie ohrevu, riadenia, diagnostiky, kryogeniky a diaľkovej údržby, teda všetky techniky potrebné pre priemyselný prototyp termonukleárneho reaktora.

Globálna produkcia trícia nebude pre elektrárne budúcnosti postačovať. ITER preto vyvinie aj technológiu množiacej sa pokrývky obsahujúcej lítium. Trícium sa z neho bude syntetizovať vplyvom termonukleárnych neutrónov.

Nemali by sme však zabúdať, že toto, aj keď drahé, je experiment. Tokamak nebude vybavený turbínami ani inými systémami na premenu tepla na elektrinu. To znamená, že nebude dochádzať k komerčným výfukovým plynom vo forme priamej výroby energie. prečo? Pretože to by projekt z inžinierskeho hľadiska len skomplikovalo a ešte viac predražilo.

Schéma financovania je dosť neprehľadná. Vo fáze výstavby, vytvárania reaktora a iných systémov komplexu približne 45 % nákladov znášajú krajiny EÚ, zvyšní účastníci po 9 %. Väčšina príspevkov je však „nepeňažných“. Väčšina komponentov sa do ITER dodáva priamo zo zúčastnených krajín.

Do Francúzska prichádzajú po mori a z prístavu na stavenisko sa dodávajú po ceste špeciálne upravenej francúzskou vládou. Krajina minula 110 miliónov eur a 4 roky práce na 104 km cesty ITER. Trasa bola rozšírená a spevnená. Faktom je, že do roku 2021 ním prejde 250 konvojov s obrovským nákladom. Najťažšie časti dosahujú 900 ton, najvyššie - 10 metrov, najdlhšie - 33 metrov.

ITER ešte nebol uvedený do prevádzky. Existuje však už projekt DEMO jadrovej fúznej elektrárne, ktorej účelom je demonštrovať atraktivitu komerčného využitia technológie. Tento komplex bude musieť nepretržite (a nie pulzovať, ako ITER) generovať 2 GW energie.

Načasovanie nového globálneho projektu závisí od úspechu ITER, ale podľa plánu na rok 2012 sa prvé spustenie DEMO uskutoční najskôr v roku 2044.

Ľudstvo sa postupne blíži k hranici nezvratného vyčerpania zásob uhľovodíkov Zeme. Ropu, plyn a uhlie ťažíme z útrob planéty takmer dve storočia a už teraz je jasné, že ich zásoby sa vyčerpávajú obrovskou rýchlosťou. Popredné krajiny sveta už dlho uvažujú o vytvorení nového zdroja energie, šetrného k životnému prostrediu, bezpečného z hľadiska prevádzky, s obrovskými zásobami paliva.

Fúzny reaktor

Dnes sa veľa hovorí o využívaní tzv alternatívne typy energie – obnoviteľné zdroje v podobe fotovoltaiky, veternej energie a vodnej energie. Je zrejmé, že tieto smery môžu svojimi vlastnosťami pôsobiť len ako pomocné zdroje dodávky energie.

Ako dlhodobú perspektívu pre ľudstvo možno uvažovať len o energii založenej na jadrových reakciách.

Na jednej strane čoraz viac štátov prejavuje záujem o výstavbu jadrových reaktorov na svojom území. Naliehavým problémom jadrovej energetiky je však stále spracovanie a likvidácia rádioaktívneho odpadu, čo ovplyvňuje ekonomické a environmentálne ukazovatele. Ešte v polovici 20. storočia sa poprední svetoví fyzici pri hľadaní nových druhov energie obrátili na zdroj života na Zemi - Slnko, v hĺbke ktorého pri teplote asi 20 miliónov stupňov prebiehajú reakcie syntéza (fúzia) svetelných prvkov prebieha za uvoľnenia kolosálnej energie.

S úlohou vyvinúť zariadenie na realizáciu reakcií jadrovej fúzie v pozemských podmienkach sa najlepšie popasovali domáci špecialisti. Poznatky a skúsenosti v oblasti riadenej termonukleárnej fúzie (CTF), získané v Rusku, tvorili základ projektu, ktorý je bez preháňania energetickou nádejou ľudstva - Medzinárodný experimentálny termonukleárny reaktor (ITER), ktorý sa postavený v Cadarache (Francúzsko).

História termonukleárnej fúzie

Prvý termonukleárny výskum sa začal v krajinách, ktoré pracujú na svojich programoch atómovej obrany. To nie je prekvapujúce, pretože na úsvite atómového veku hlavný cieľ Nástup deutériových plazmových reaktorov bol skúmaním fyzikálnych procesov v horúcej plazme, ktorých znalosť bola potrebná okrem iného aj na vytvorenie termonukleárnych zbraní. Podľa odtajnených údajov začali ZSSR a USA takmer súčasne v 50. rokoch. práca na UTS. Zároveň však existujú historické dôkazy, že ešte v roku 1932 starý revolucionár a blízky priateľ vodcu svetového proletariátu Nikolaja Bucharina, ktorý v tom čase zastával post predsedu výboru Najvyššej hospodárskej rady rozvoj sovietskej vedy, navrhol spustiť v krajine projekt na štúdium riadených termonukleárnych reakcií.

História sovietskeho termonukleárneho projektu nie je bez zábavného faktu. Budúci slávny akademik a tvorca vodíkovej bomby Andrei Dmitrievich Sacharov sa inšpiroval myšlienkou magnetickej tepelnej izolácie vysokoteplotnej plazmy z listu vojaka sovietskej armády. V roku 1950 poslal seržant Oleg Lavrentyev, ktorý slúžil na Sachaline, do Ústredného výboru All-Union Komunistická strana list, v ktorom navrhol použiť v vodíková bomba deuterid lítny-6 namiesto skvapalneného deutéria a trícia a tiež vytvoriť systém s elektrostatickým zadržiavaním horúcej plazmy pre riadenú termonukleárnu fúziu. List posúdil vtedajší mladý vedec Andrej Sacharov, ktorý vo svojej recenzii napísal, že „považuje za potrebné podrobne prediskutovať projekt súdruha Lavrentieva“.

Už v októbri 1950 Andrei Sacharov a jeho kolega Igor Tamm urobili prvé odhady magnetického termonukleárneho reaktora (MTR). Prvá toroidná inštalácia so silným pozdĺžnym magnetickým poľom podľa predstáv I. Tamma a A. Sacharova bola postavená v roku 1955 v LIPAN. Volal sa TMP – torus s magnetickým poľom. Následné inštalácie sa už nazývali TOKAMAK, podľa spojenia začiatočných slabík vo fráze „TORIDÁLNA KOMOROVÁ MAGNETICKÁ CIEVKA“. V klasickej verzii je tokamak toroidná komora v tvare šišky umiestnená v toroidnom magnetickom poli. V rokoch 1955 až 1966 V Kurchatovskom inštitúte bolo postavených 8 takýchto zariadení, na ktorých sa vykonalo množstvo rôznych štúdií. Ak pred rokom 1969 bol tokamak postavený mimo ZSSR iba v Austrálii, potom sa v nasledujúcich rokoch postavil v 29 krajinách vrátane USA, Japonska, európskych krajín, Indie, Číny, Kanady, Líbye, Egypta. Celkovo bolo doteraz vo svete vyrobených asi 300 tokamakov, z toho 31 v ZSSR a Rusku, 30 v USA, 32 v Európe a 27 v Japonsku. V skutočnosti sa tri krajiny - ZSSR, Veľká Británia a USA - zapojili do nevyslovenej súťaže o to, kto ako prvý využije plazmu a skutočne začne vyrábať energiu „z vody“.

Najdôležitejšou výhodou termonukleárneho reaktora je približne tisícnásobné zníženie radiačného biologického nebezpečenstva v porovnaní so všetkými modernými jadrovými reaktormi.

Termonukleárny reaktor nevypúšťa CO2 a neprodukuje „ťažký“ rádioaktívny odpad. Tento reaktor môže byť umiestnený kdekoľvek a kdekoľvek.

Krok o pol storočia

V roku 1985 akademik Evgeniy Velikhov v mene ZSSR navrhol, aby vedci z Európy, USA a Japonska spolupracovali na vytvorení termonukleárneho reaktora a už v roku 1986 sa v Ženeve dosiahla dohoda o projekte zariadenia, ktoré sa neskôr dostal názov ITER. V roku 1992 partneri podpísali štvorstrannú dohodu o vývoji konštrukčného návrhu reaktora. Prvá etapa výstavby má byť dokončená do roku 2020, kedy sa plánuje dostať prvú plazmu. V roku 2011 sa v areáli ITER začala skutočná výstavba.

Dizajn ITER vychádza z klasického ruského tokamaku, ktorý bol vyvinutý v 60. rokoch minulého storočia. Plánuje sa, že v prvej etape bude reaktor pracovať v pulznom režime s výkonom termonukleárnych reakcií 400–500 MW, v druhej etape sa otestuje nepretržitá prevádzka reaktora, ako aj systém reprodukcie trícia. .

Nie nadarmo sa reaktoru ITER hovorí energetická budúcnosť ľudstva. Po prvé, ide o najväčší vedecký projekt na svete, pretože vo Francúzsku ho buduje takmer celý svet: zúčastňuje sa EÚ + Švajčiarsko, Čína, India, Japonsko, Južná Kórea, Rusko a USA. Dohoda o výstavbe inštalácie bola podpísaná v roku 2006. Európske krajiny sa na financovaní projektu podieľajú približne 50 %, Rusko tvorí približne 10 % z celkovej sumy, ktorá bude investovaná vo forme high-tech zariadení. Najdôležitejším príspevkom Ruska je však samotná technológia tokamaku, ktorá tvorila základ reaktora ITER.

Po druhé, pôjde o prvý rozsiahly pokus využiť termonukleárnu reakciu na Slnku na výrobu elektriny. Po tretie, táto vedecká práca by mala priniesť veľmi praktické výsledky a do konca storočia svet očakáva objavenie sa prvého prototypu komerčnej termonukleárnej elektrárne.

Vedci predpokladajú, že prvá plazma v medzinárodnom experimentálnom termonukleárnom reaktore bude vyrobená v decembri 2025.

Prečo doslova celá svetová vedecká komunita začala stavať takýto reaktor? Faktom je, že mnohé technológie, ktoré sa plánujú použiť pri výstavbe ITER, nepatria do všetkých krajín naraz. Jeden štát, dokonca aj ten najrozvinutejší z vedeckého a technického hľadiska, nemôže mať okamžite sto technológií najvyššej svetovej úrovne vo všetkých oblastiach techniky používaných v takom technologicky vyspelom a prelomovom projekte, akým je termonukleárny reaktor. ITER však pozostáva zo stoviek podobných technológií.

Rusko prevyšuje globálnu úroveň v mnohých technológiách termonukleárnej fúzie. Ale napríklad japonskí jadroví vedci majú v tejto oblasti aj jedinečné kompetencie, ktoré sú v ITER-e celkom použiteľné.

Hneď na začiatku projektu preto partnerské krajiny dospeli k dohode o tom, kto a čo bude do lokality dodávať, a že to nemá byť len spolupráca v oblasti inžinierstva, ale príležitosť pre každého z partnerov získať nové technológie. od ostatných účastníkov, aby ste ich v budúcnosti sami rozvíjali.

Andrey Retinger, medzinárodný novinár

Nedávno sa na Moskovskom inštitúte fyziky a technológie uskutočnila ruská prezentácia projektu ITER, v rámci ktorej sa plánuje vytvorenie termonukleárneho reaktora fungujúceho na princípe tokamaku. Skupina vedcov z Ruska hovorila o medzinárodnom projekte a účasti ruských fyzikov na vytvorení tohto objektu. Lenta.ru sa zúčastnila prezentácie ITER a hovorila s jedným z účastníkov projektu.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) je projekt termonukleárneho reaktora, ktorý umožňuje demonštráciu a výskum termonukleárnych technológií pre ich ďalšie využitie na mierové a komerčné účely. Tvorcovia projektu veria, že riadená termonukleárna fúzia sa môže stať energiou budúcnosti a slúžiť ako alternatíva moderného plynu, ropy a uhlia. Výskumníci si všímajú bezpečnosť, šetrnosť k životnému prostrediu a dostupnosť technológie ITER v porovnaní s konvenčnou energiou. Komplexnosť projektu je porovnateľná s Veľkým hadrónovým urýchľovačom; Zariadenie reaktora obsahuje viac ako desať miliónov konštrukčných prvkov.

O projekte ITER

Tokamak toroidné magnety vyžadujú 80-tisíc kilometrov supravodivých vlákien; ich celková hmotnosť dosahuje 400 ton. Samotný reaktor bude vážiť asi 23-tisíc ton. Pre porovnanie, hmotnosť Eiffelovej veže v Paríži je len 7,3 tisíc ton. Objem plazmy v tokamaku dosiahne 840 metrov kubických, pričom napríklad v najväčšom reaktore tohto typu fungujúcom v Spojenom kráľovstve - JET - je objem rovných sto metrov kubických.

Výška tokamaku bude 73 metrov, z toho 60 metrov nad zemou a 13 metrov pod ňou. Pre porovnanie, výška Spasskej veže moskovského Kremľa je 71 metrov. Hlavná reaktorová platforma bude mať rozlohu 42 hektárov, čo je porovnateľná plocha s rozlohou 60 futbalových ihrísk. Teplota v plazme tokamaku dosiahne 150 miliónov stupňov Celzia, čo je desaťkrát viac ako teplota v strede Slnka.

Do výstavby ITERu v druhej polovici roku 2010 sa plánuje zapojiť až päťtisíc ľudí súčasne – to bude zahŕňať robotníkov a inžinierov, ako aj administratívny personál. Mnohé z komponentov ITER sa budú prepravovať z prístavu v blízkosti Stredozemného mora po špeciálne vybudovanej ceste dlhej približne 104 kilometrov. Po nej sa bude prepravovať najmä najťažší fragment zariadenia, ktorého hmotnosť bude viac ako 900 ton a dĺžka bude asi desať metrov. Zo staveniska zariadenia ITER sa odstráni viac ako 2,5 milióna kubických metrov zeminy.

Celkové náklady na dizajn a stavebné práce sa odhaduje na 13 miliárd eur. Tieto prostriedky prideľuje sedem hlavných účastníkov projektu, ktorí zastupujú záujmy 35 krajín. Pre porovnanie, celkové náklady na výstavbu a údržbu Veľkého hadrónového urýchľovača sú takmer polovičné a výstavba a údržba Medzinárodnej vesmírnej stanice stojí takmer jeden a pol krát viac.

Tokamak

Dnes vo svete existujú dva sľubné projekty termonukleárnych reaktorov: tokamak ( To roidálny ka merať s ma hnilé Komu atushki) a stelarátor. V oboch inštaláciách je plazma obsiahnutá magnetickým poľom, ale v tokamaku je vo forme toroidnej šnúry, cez ktorú prechádza elektrický prúd, zatiaľ čo v stelarátore je magnetické pole indukované vonkajšími cievkami. V termonukleárnych reaktoroch dochádza k reakciám syntézy ťažkých prvkov z ľahkých (hélium z izotopov vodíka - deutérium a trícium), na rozdiel od konvenčných reaktorov, kde sa iniciujú procesy rozpadu ťažkých jadier na ľahšie.

Foto: Národné výskumné centrum „Kurčatov inštitút“ / nrcki.ru

Elektrický prúd v tokamaku sa používa aj na počiatočné zahriatie plazmy na teplotu asi 30 miliónov stupňov Celzia; ďalšie zahrievanie sa vykonáva špeciálnymi zariadeniami.

Teoretický návrh tokamaku navrhli v roku 1951 sovietski fyzici Andrej Sacharov a Igor Tamm a prvá inštalácia bola postavená v ZSSR v roku 1954. Vedci však nedokázali dlhodobo udržať plazmu v rovnovážnom stave a v polovici 60. rokov bol svet presvedčený, že riadená termonukleárna fúzia na báze tokamaku je nemožná.

Ale len o tri roky neskôr, v inštalácii T-3 v Kurchatovovom inštitúte atómovej energie, pod vedením Leva Artsimoviča, bolo možné zahriať plazmu na teplotu viac ako päť miliónov stupňov Celzia a krátko ju udržať. čas; Vedci z Veľkej Británie, ktorí boli pri experimente prítomní, zaznamenali na svojich zariadeniach teplotu okolo desať miliónov stupňov. Potom sa vo svete začal skutočný boom tokamaku, takže vo svete bolo postavených asi 300 zariadení, z ktorých najväčšie sa nachádzajú v Európe, Japonsku, USA a Rusku.

Obrázok: Rfassbind/ wikipedia.org

Riadenie ITER

Čo je základom dôvery, že ITER bude funkčný o 5 až 10 rokov? Aký praktický a teoretický vývoj?

Na ruskej strane uvedený harmonogram prác plníme a nechystáme sa ho porušovať. Žiaľ, vidíme určité oneskorenia v práci, ktorú vykonávajú iní, najmä v Európe; V Amerike došlo k čiastočnému oneskoreniu a existuje tendencia, že projekt bude trochu oneskorený. Zadržaný, ale nezastavený. Existuje dôvera, že to bude fungovať. Samotný koncept projektu je úplne teoretický a prakticky vypočítaný a spoľahlivý, takže si myslím, že bude fungovať. Či to dá naplno deklarované výsledky... počkáme a uvidíme.

Je projekt skôr výskumným projektom?

určite. Uvedený výsledok nie je získaným výsledkom. Ak bude prijatý v plnom rozsahu, budem nesmierne šťastný.

Aké nové technológie sa objavili, objavujú alebo sa objavia v projekte ITER?

Projekt ITER nie je len superkomplexný, ale aj superstresujúci projekt. Stresujúce z hľadiska energetickej záťaže, prevádzkových podmienok niektorých prvkov, vrátane našich systémov. Preto sa v tomto projekte jednoducho musia zrodiť nové technológie.

Existuje nejaký príklad?

Priestor. Napríklad naše detektory diamantov. Diskutovali sme o možnosti použitia našich diamantových detektorov na vesmírnych nákladných vozidlách, čo sú jadrové vozidlá, ktoré prepravujú určité objekty, ako sú satelity alebo stanice, z obežnej dráhy na obežnú dráhu. Existuje taký projekt pre vesmírne nákladné auto. Keďže ide o zariadenie s jadrovým reaktorom na palube, zložité prevádzkové podmienky si vyžadujú analýzu a kontrolu, takže naše detektory to jednoducho dokážu. Momentálne téma tvorby takejto diagnostiky ešte nie je financovaná. Ak vznikne, dá sa aplikovať a potom do nej nebude potrebné investovať peniaze v štádiu vývoja, ale až v štádiu vývoja a implementácie.

Aký je podiel moderného ruského vývoja v rokoch 2000 a 1990 v porovnaní so sovietskym a západným vývojom?

Podiel ruského vedeckého príspevku na ITER v porovnaní s globálnym je veľmi veľký. Neviem to presne, ale je to veľmi dôležité. Jednoznačne to nie je menšie ako ruské percento finančnej účasti na projekte, pretože mnohé iné tímy tak urobili veľké množstvo Rusi, ktorí odišli do zahraničia pracovať do iných ústavov. V Japonsku a Amerike, všade, komunikujeme a spolupracujeme s nimi veľmi dobre, niektorí reprezentujú Európu, iní Ameriku. Okrem toho sú tam aj vedecké školy. Preto o tom, či vyvíjame viac alebo viac toho, čo sme robili predtým... Jeden z velikánov povedal, že „stojíme na ramenách titanov“, preto základ, ktorý sa vyvinul v sovietskych časoch, je nepopierateľne skvelý a bez neho sme nič, čo by sme nemohli. Ale ani momentálne nestojíme na mieste, hýbeme sa.

Čo presne robí vaša skupina v ITER?

Na oddelení mám sektor. Katedra vyvíja viaceré diagnostiky, náš sektor konkrétne vyvíja vertikálnu neutrónovú komoru, neutrónovú diagnostiku ITER a rozhoduje veľký kruhúlohy od návrhu až po výrobu a tiež vykonáva súvisiaci výskum súvisiaci s vývojom, najmä detektorov diamantov. Diamantový detektor je unikátne zariadenie, pôvodne vytvorené v našom laboratóriu. Predtým sa používal v mnohých termonukleárnych zariadeniach, teraz ho pomerne široko používajú mnohé laboratóriá od Ameriky po Japonsko; oni, povedzme, nás nasledovali, ale my naďalej zostávame na vrchole. Teraz vyrábame detektory diamantov a ideme sa dostať na úroveň priemyselnej výroby (malovýroba).

V akých odvetviach môžu byť tieto detektory použité?

V tomto prípade ide o termonukleárne výskumy, v budúcnosti predpokladáme, že budú žiadané v jadrovej energetike.

Čo presne detektory robia, čo merajú?

Neutróny. Neexistuje cennejší produkt ako neutrón. Vy a ja tiež pozostávame z neutrónov.

Aké vlastnosti neutrónov merajú?

Spektrálny. Po prvé, bezprostrednou úlohou, ktorá sa rieši v ITER, je meranie energetických spektier neutrónov. Okrem toho sledujú počet a energiu neutrónov. Druhá, dodatočná úloha, sa týka jadrovej energie: máme paralelný vývoj, ktorý dokáže merať aj tepelné neutróny, ktoré sú základom jadrových reaktorov. To je pre nás druhoradá úloha, ale aj tá sa vyvíja, to znamená, že tu môžeme pracovať a zároveň robiť vývoj, ktorý sa dá celkom úspešne aplikovať v jadrovej energetike.

Aké metódy používate vo svojom výskume: teoretické, praktické, počítačové modelovanie?

Všetci: od komplexnej matematiky (metód matematickej fyziky) a matematického modelovania až po experimenty. Všetky rôzne typy výpočtov, ktoré realizujeme, sú potvrdené a overené experimentmi, pretože máme priamo experimentálne laboratórium s niekoľkými fungujúcimi neutrónovými generátormi, na ktorých testujeme systémy, ktoré sami vyvíjame.

Máte vo svojom laboratóriu funkčný reaktor?

Nie reaktor, ale neutrónový generátor. Neutrónový generátor je v skutočnosti mini-modelom predmetných termonukleárnych reakcií. Všetko je tam rovnaké, len proces je tam trochu iný. Funguje na princípe urýchľovača – ide o lúč určitých iónov, ktorý zasiahne cieľ. To znamená, že v prípade plazmy máme horúci objekt, v ktorom má každý atóm vysokú energiu a v našom prípade špeciálne zrýchlený ión zasiahne cieľ nasýtený podobnými iónmi. Podľa toho dochádza k reakcii. Povedzme, že toto je jeden zo spôsobov, ako môžete urobiť rovnakú fúznu reakciu; jediné, čo sa dokázalo, je, že táto metóda nemá vysokú účinnosť, to znamená, že nezískate pozitívny energetický výdaj, ale dostanete samotnú reakciu - priamo pozorujeme túto reakciu a častice a všetko, čo do nej vstupuje .

fúzny reaktor

fúzny reaktor

V súčasnosti sa vyvíja. (80. roky) zariadenie na získavanie energie reakciami syntézy svetla pri. jadrá vyskytujúce sa pri veľmi vysokých teplotách (=108 K). Základné Požiadavka, ktorú musia termonukleárne reakcie spĺňať, je, aby uvoľnená energia v dôsledku termonukleárnych reakcií viac než kompenzovala náklady na energiu z externých zdrojov. zdrojov na udržanie reakcie.

Existujú dva typy T. r. Prvý typ zahŕňa TR, do-Krymu je potrebné z externého. zdroje len na zapálenie termonukleárnych fúzií. reakcie. Ďalšie reakcie sú podporované energiou uvoľnenou v plazme počas fúzie. reakcie; napríklad v zmesi deutérium-trícium sa energia a-častíc vytvorených počas reakcií spotrebováva na udržanie vysokej teploty plazmy. V stacionárnom prevádzkovom režime T.r. energia prenášaná a-časticami kompenzuje energiu. straty z plazmy, najmä v dôsledku tepelnej vodivosti plazmy a žiarenia. K tomuto typu T. r. platí napríklad .

K inému typu T. r. Reaktory zahŕňajú reaktory, v ktorých energia uvoľnená vo forme a-častíc nestačí na udržanie spaľovania reakcií, ale je potrebná energia z vonkajších zdrojov. zdrojov. Stáva sa to v tých reaktoroch, v ktorých sú úrovne energie vysoké. straty, napr. otvorte magnetickú pascu.

T.r. môžu byť postavené na báze systémov s magnetickým. zadržiavanie plazmy, ako je tokamak, otvorené magnetické. pasce a pod., alebo systémy s inerciálnym zadržiavaním plazmy, keď je plazma krátky čas(10-8-10-7 s) sa zavádza energia (buď pomocou laserového žiarenia, alebo pomocou zväzkov relativistických elektrónov alebo iónov), dostatočná na vznik a udržiavanie reakcií. T.r. s magnetickým zadržiavanie plazmy môže fungovať v kvázistacionárnom alebo stacionárnom režime. V prípade inerciálneho plazmového obmedzenia T. r. musí pracovať v režime krátkych impulzov.

T.r. charakterizované koeficientom. zosilnenie výkonu (faktor kvality) Q, ktorý sa rovná pomeru tepelného výkonu získaného v reaktore k energetickým nákladom na jeho výrobu. Thermal T.r. pozostáva z výkonu uvoľneného počas fúzie. reakcie v plazme, a výkon uvoľnený v tzv. TR deka - špeciálny obal obklopujúci plazmu, ktorý využíva energiu termonukleárnych jadier a neutrónov. Ako najsľubnejšia sa javí technológia, ktorá pracuje so zmesou deutéria a trícia vďaka vyššej reakčnej rýchlosti ako iné fúzne reakcie.

T.r. na deutériovo-tríciovom palive, v závislosti od zloženia oblasti plodenia môže byť „čisté“ alebo hybridné. Deka „čistého“ T. r. obsahuje Li; v ňom pod vplyvom neutrónov vzniká „horenie“ v plazme deutérium-trícium a energia termonukleárnych jadier sa zvyšuje. reakcie od 17,6 do 22,4 MeV. V deke kríženca T. r. Nielenže sa vyrába trícium, ale existujú zóny, v ktorých je možné získať 239Pu, keď sa do nich umiestni 238U (pozri JADROVÝ REAKTOR). Súčasne sa v prikrývke uvoľní energia rovnajúca sa cca. 140 MeV na jeden termonukleár. . Teda v hybride T. r. je možné získať približne šesťkrát viac energie ako v „čistom“ jadrovom reaktore, ale v prvom z nich pôsobí prítomnosť štiepnych rádioaktívnych látok. in-in vytvára prostredie blízke tomu, v ktorom je jed. štiepne reaktory.

Fyzické encyklopedický slovník. - M.: Sovietska encyklopédia. Hlavný editor A. M. Prochorov. 1983 .

fúzny reaktor

Vyvinutý v 90. rokoch 20. storočia. zariadenie na získavanie energie fúznymi reakciami ľahkých atómových jadier vyskytujúcich sa v plazme pri veľmi vysokých teplotách (10 8 K). Základné Požiadavka, ktorú musí T.R. spĺňať, je, aby sa v dôsledku toho uvoľnila energia termonukleárne reakcie(TP) viac ako kompenzovali náklady na energiu z externých zdrojov. zdrojov na udržanie reakcie.

Existujú dva typy T. r. Prvá zahŕňa reaktory, ktoré vyrábajú energiu z externých zdrojov. zdrojov je potrebný len na zapálenie TP. Ďalšie reakcie podporuje napríklad energia uvoľnená v plazme pri TP. v zmesi deutérium-trícium sa energia a-častíc vznikajúcich pri reakciách spotrebúva na udržanie vysokej teploty. V zmesi deutéria s 3 He sa energia všetkých reakčných produktov, teda a-častíc a protónov, vynakladá na udržanie požadovanej teploty plazmy. V stacionárnom prevádzkovom režime T.r. energia, ktorá nesie náboj. produkty reakcie, kompenzuje energiu. straty z plazmy spôsobené najmä tepelná vodivosť a žiarenie plazmy. Takéto reaktory sú tzv reaktory so zapálením samoudržiavacej termonukleárnej reakcie (pozri. kritérium vznietenia). Príklad takého T.r.: tokamak, stelarátor.

K iným typom T. r. Reaktory zahŕňajú reaktory, v ktorých energia uvoľnená v plazme vo forme nábojov nestačí na udržanie spaľovania reakcií. produkty reakcie, ale energia je potrebná z vonkajších zdrojov. zdrojov. Takéto reaktory sa zvyčajne nazývajú reaktory podporujúce spaľovanie termonukleárnych reakcií. To sa deje v tých riekach T., kde je energia vysoká. straty, napr. otvorený mag. pasca, tokamak, pracujúci v režime s hustotou plazmy a teplotou pod krivkou vznietenia TP. Tieto dva typy reaktorov zahŕňajú všetky možné typy T. r., ktoré môžu byť postavené na báze systémov s magnetickým. zadržiavanie plazmy (tokamak, stelarátor, otvorená magnetická pasca a pod.) alebo systémy s zotrvačné držanie plazma.

Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor ITER: 1 - centrálny; 2 - deka - ; 3 - plazma; 4 - vákuová stena; 5 - čerpacie potrubie; 6- kryostat; 7- aktívne riadiace cievky; 8 - toroidná cievka magnetické pole; 9 - prvá stena; 10 - odvádzacie dosky; 11 - cievky poloidného magnetického poľa.

Reaktor s inerciálnym obmedzením plazmy sa vyznačuje tým, že v krátkom čase (10 -8 -10 -7 s) je doňho pomocou laserového žiarenia alebo zväzkov relativistických elektrónov alebo iónov vnesená energia postačujúca na vznik a udržanie TP. Takýto reaktor bude na rozdiel od reaktora s magnetom fungovať iba v režime krátkych impulzov. plazmové zadržiavanie, ktoré môže fungovať v kvázistacionárnom alebo dokonca stacionárnom režime.

T.r. charakterizované koeficientom. príkon (faktor kvality) Q, rovný pomeru tepelného výkonu reaktora k energetickým nákladom na jeho výrobu. Tepelný výkon reaktora pozostáva z výkonu uvoľneného počas TP v plazme, výkonu zavedeného do plazmy na udržanie teploty spaľovania TP alebo udržanie stacionárneho prúdu v plazme v prípade tokamaku a výkonu uvoľneného v plazme. plazma.

Vývoj T.r. s magnetickým retencia je pokročilejšia ako inerciálne retenčné systémy. Schéma medzinárodného termonukleárneho experimentu. Na obrázku je znázornený tokamakový reaktor ITER, projekt, ktorý od roku 1988 vyvíjali štyri strany - ZSSR (od roku 1992 Rusko), USA, krajiny Euratomu a Japonsko. T.r. Má . parametre: veľký polomer plazmy 8,1 m; malý polomer plazmy v priem. rovina 3 m; predĺženie plazmového prierezu 1,6; toroidný mag. na osi 5,7 Tesla; hodnotená plazma 21 MA; nominálny termonukleárna energia s DT palivom 1500 MW. Reaktor obsahuje stopu. základné uzly: stred. solenoid ja, elektrický pole, ktoré vykonáva, reguluje zvýšenie prúdu a udržuje ho spolu so špeciálnymi. systém bude doplnený plazmový ohrev; prvá stena 9, okraje sú priamo obrátené k plazme a vnímajú tepelné toky vo forme žiarenia a neutrálnych častíc; prikrývka - ochrana 2, ktoré javy neoddeliteľnou súčasťou T. r. na deutérium-tri-tiové (DT) palivo, pretože trícium spálené v plazme sa reprodukuje v oblasti plodenia. T.r. na DT palivo, v závislosti od materiálu oblasti plodenia, môže byť „čisté“ alebo hybridné. Deka "čistého" T. r. obsahuje Li; v ňom vplyvom termonukleárnych neutrónov vzniká trícium: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV a energia TP sa zvýši zo 17,6 MeV na 22,4 MeV. V prázdnote hybridný fúzny reaktor Nielenže sa vyrába trícium, ale existujú zóny, v ktorých sa umiestňuje odpad 238 U na výrobu 239 Pu. Súčasne sa v prikrývke uvoľňuje energia rovnajúca sa 140 MeV na jeden termonukleárny neutrón. T. o., v hybride T. r. je možné získať približne šesťkrát viac energie na počiatočnú fúznu udalosť ako pri „čistom“ T.R., ale prítomnosť v prvom prípade štiepnych rádioaktov. látky vytvárajú žiarenie. prostredie podobné nebeskému, ktoré existuje jadrové reaktory divízie.

V T.r. s palivom na zmesi D s 3 He nevzniká prikrývka, pretože nie je potrebné reprodukovať trícium: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) a všetka energia sa uvoľní v forma poplatku. reakčné produkty. Žiarenie Ochrana je navrhnutá tak, aby absorbovala energiu neutrónov a rádioaktívnych aktov. žiarenia a redukcie tokov tepla a žiarenia do supravodivého magnetu. systém na úroveň prijateľnú pre stacionárnu prevádzku. Toroidné magnetické cievky poliach 8 slúžia na vytvorenie toroidného magnetu. polia a sú vyrobené ako supravodivé pomocou supravodiča Nb 3 Sn a medenej matrice pracujúcej pri teplote tekutého hélia (4,2 K). Vývoj technológie na získanie vysokoteplotnej supravodivosti môže umožniť eliminovať chladenie cievok tekutým héliom a prejsť na viac lacný spôsob chladenie, napr. tekutý dusík. Konštrukcia reaktora sa výrazne meniť nebude. Cievky poloidného poľa 11 sú tiež supravodivé a spolu s horčíkom. pole plazmového prúdu vytvára rovnovážnu konfiguráciu poloidálneho magnetického poľa. polia s jedno alebo dvojnulovým poloidálnym d i v e r t o r 10, slúžiace na odvádzanie tepla z plazmy vo forme toku nábojov. častice a na odčerpávanie reakčných produktov neutralizovaných na divertorových doskách: hélia a protia. V T.r. s palivom D 3 He môžu odvádzacie dosky slúžiť ako jeden z prvkov systému priamej premeny energie náboja. produkty reakcie na elektrinu. Kryostat 6 slúži na chladenie supravodivých cievok na teplotu kvapalného hélia alebo vyššie teploty pri použití pokročilejších vysokoteplotných supravodičov. Vákuová komora 4 a čerpacie prostriedky 5 sú určené na získanie vysokého vákua v pracovnej komore reaktora, v ktorom sa vytvára plazma 3, a vo všetkých pomocných objemoch vrátane kryostatu.

Ako prvý krok k vytvoreniu termonukleárnej energie sa navrhuje termonukleárny reaktor, ktorý pracuje s DT zmesou kvôli vyššej reakčnej rýchlosti ako iné fúzne reakcie. V budúcnosti sa uvažuje o možnosti vytvorenia nízkorádioaktívneho T. r. na zmesi D s 3 He, v ktorej zákl. energia nesie náboj. reakčné produkty a neutróny sa objavujú iba v DD a DT reakciách počas vyhorenia trícia generovaného pri DD reakciách. V dôsledku toho biol. nebezpečenstvo T. r. možno zredukovať o štyri až päť rádov v porovnaní s jadrovými štiepnymi reaktormi, nie sú potrebné priemyselné rádioaktívne spracovanie materiálov a ich prepravy sa kvalitatívne zjednodušuje likvidácia rádioaktívnych materiálov. mrhať. Avšak vyhliadky na vytvorenie ekologického TR v budúcnosti. na zmes D s 3 Nekomplikované problémom surovín: prírodné. koncentrácie izotopu 3 He na Zemi sú časti na milión izotopu 4 He. Preto vyvstáva zložitá otázka získavania surovín, napr. jeho dodaním z Mesiaca.

ITER - Medzinárodný termonukleárny reaktor (ITER)

Spotreba energie ľudstva každým rokom rastie, čo tlačí energetický sektor k aktívnemu rozvoju. So vznikom jadrových elektrární sa teda výrazne zvýšilo množstvo vyrobenej energie na celom svete, čo umožnilo bezpečne využívať energiu pre všetky potreby ľudstva. Napríklad 72,3% elektriny vyrobenej vo Francúzsku pochádza z jadrových elektrární, na Ukrajine - 52,3%, vo Švédsku - 40,0%, vo Veľkej Británii - 20,4%, v Rusku - 17,1%. Technológie však nestoja a s cieľom pokryť ďalšie energetické potreby budúcich krajín vedci pracujú na množstve inovatívnych projektov, jedným z nich je ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Hoci je ziskovosť tohto zariadenia stále otázna, podľa práce mnohých výskumníkov môže vytvorenie a následný vývoj technológie riadenej termonukleárnej fúzie viesť k výkonnému a bezpečnému zdroju energie. Pozrime sa na niektoré pozitívne stránky podobná inštalácia:

• Hlavným palivom termonukleárneho reaktora je vodík, čo znamená prakticky nevyčerpateľné zásoby jadrového paliva.
• K produkcii vodíka môže dôjsť spracovaním morská voda, ktorý je dostupný vo väčšine krajín. Z toho vyplýva, že nemôže vzniknúť monopol zdrojov palív.
• Pravdepodobnosť núdzového výbuchu počas prevádzky termonukleárneho reaktora je oveľa menšia ako pri prevádzke jadrového reaktora. Podľa výskumníkov ani v prípade havárie nebudú emisie žiarenia predstavovať nebezpečenstvo pre obyvateľstvo, čo znamená, že nie je potrebná evakuácia.
• Na rozdiel od jadrových reaktorov, fúzne reaktory produkujú rádioaktívny odpad, ktorý má krátky polčas rozpadu, čo znamená, že sa rýchlejšie rozkladá. V termonukleárnych reaktoroch tiež nie sú žiadne produkty spaľovania.
• Fúzny reaktor nevyžaduje materiály, ktoré sa používajú aj na jadrové zbrane. Odpadá tak možnosť kryť výrobu jadrových zbraní spracovaním materiálov pre potreby jadrového reaktora.

Termonukleárny reaktor - pohľad zvnútra

Existuje však aj množstvo technických nedostatkov, s ktorými sa výskumníci neustále stretávajú.

Napríklad súčasná verzia paliva, prezentovaná vo forme zmesi deutéria a trícia, si vyžaduje vývoj nových technológií. Napríklad na konci prvej série testov v doteraz najväčšom termonukleárnom reaktore JET sa reaktor stal natoľko rádioaktívnym, že na dokončenie experimentu bol potrebný ďalší vývoj špeciálneho systému robotickej údržby. Ďalším sklamaním pri prevádzke termonukleárneho reaktora je jeho účinnosť - 20%, zatiaľ čo účinnosť jadrovej elektrárne je 33-34% a tepelnej elektrárne 40%.

Vytvorenie projektu ITER a spustenie reaktora

Projekt ITER sa datuje do roku 1985, kedy Sovietsky zväz navrhol spoločné vytvorenie tokamaku - toroidnej komory s magnetickými cievkami, ktorá je schopná držať plazmu pomocou magnetov, čím sa vytvárajú podmienky potrebné na uskutočnenie termonukleárnej fúznej reakcie. V roku 1992 bola podpísaná štvorstranná dohoda o vývoji ITER, ktorej zmluvnými stranami boli EÚ, USA, Rusko a Japonsko. V roku 1994 sa do projektu zapojila Kazašská republika, v roku 2001 - Kanada, v roku 2003 - Južná Kórea a Čína, v roku 2005 - India. V roku 2005 bolo určené miesto pre výstavbu reaktora - Výskumné stredisko Jadrová energia Cadarache, Francúzsko.

Výstavba reaktora sa začala prípravou jamy na zakladanie. Takže parametre jamy boli 130 x 90 x 17 metrov. Celý komplex tokamaku bude vážiť 360 000 ton, z toho 23 000 ton samotný tokamak.

Rôzne prvky komplexu ITER budú vyvinuté a dodané na stavenisko z celého sveta. Takže v roku 2016 bola v Rusku vyvinutá časť vodičov pre poloidné cievky, ktoré boli následne odoslané do Číny, ktorá si cievky sama vyrobí.

Je zrejmé, že takéto rozsiahle dielo nie je vôbec ľahké zorganizovať, množstvo krajín opakovane nedokázalo dodržať harmonogram projektu, v dôsledku čoho sa spustenie reaktora neustále odkladalo. Takže podľa minuloročnej (2016) júnovej správy: „príjem prvej plazmy je plánovaný na december 2025“.

Operačný mechanizmus tokamaku ITER

Výraz „tokamak“ pochádza z ruskej skratky, ktorá znamená „toroidná komora s magnetickými cievkami“.

Srdcom tokamaku je jeho vákuová komora v tvare torusu. Vo vnútri sa vodíkový palivový plyn pod extrémnou teplotou a tlakom stáva plazmou – horúcim, elektricky nabitým plynom. Ako je známe, hviezdna hmota je reprezentovaná plazmou a termonukleárne reakcie v slnečnom jadre prebiehajú práve v podmienkach zvýšenej teploty a tlaku. Podobné podmienky pre vznik, zadržiavanie, stláčanie a zahrievanie plazmy vytvárajú masívne magnetické cievky, ktoré sú umiestnené okolo vákuovej nádoby. Vplyv magnetov obmedzí horúcu plazmu zo stien nádoby.

Pred začatím procesu sa z vákuovej komory odstráni vzduch a nečistoty. Magnetické systémy, ktoré pomôžu kontrolovať plazmu, sa potom nabijú a zavádza sa plynné palivo. Keď nádobou prechádza silný elektrický prúd, plyn sa elektricky štiepi a stáva sa ionizovaným (to znamená, že elektróny opúšťajú atómy) a vytvára plazmu.

Keď sa častice plazmy aktivujú a zrazia, začnú sa tiež zahrievať. Pomocné metódy zahrievanie pomáha dostať plazmu na teplotu topenia (150 až 300 miliónov °C). Častice „vzrušené“ do tohto stupňa môžu pri zrážke prekonať svoje prirodzené elektromagnetické odpudzovanie a v dôsledku takýchto zrážok uvoľnia obrovské množstvo energie.

Dizajn tokamaku pozostáva z nasledujúcich prvkov:

Vákuová nádoba

(“šiška”) je toroidná komora vyrobená z nehrdzavejúcej ocele. Jej veľký priemer je 19 m, malá 6 m a výška 11 m. Objem komory je 1 400 m 3 a jej hmotnosť je viac ako 5 000 ton. Steny vákuovej nádoby sú dvojité; medzi stenami bude cirkulovať chladiaca kvapalina, ktorou bude destilovaná voda.voda. Aby sa zabránilo kontaminácii vody, vnútorná stena komory je chránená pred rádioaktívne žiarenie pomocou prikrývky.

Deka

(„prikrývka“) – pozostáva zo 440 úlomkov pokrývajúcich vnútorný povrch komory. Celková plocha banketu je 700 m2. Každý fragment je druh kazety, ktorej telo je vyrobené z medi a predná stena je odnímateľná a vyrobená z berýlia. Parametre kaziet sú 1x1,5 m a hmotnosť nie je väčšia ako 4,6 tony Takéto berýliové kazety spomaľujú vysokoenergetické neutróny vznikajúce počas reakcie. Počas moderovania neutrónov sa teplo uvoľňuje a odstraňuje chladiacim systémom. Treba poznamenať, že berýliový prach vznikajúci v dôsledku prevádzky reaktora môže spôsobiť vážne ochorenie nazývané berýlium a má tiež karcinogénny účinok. Z tohto dôvodu sa v areáli vyvíjajú prísne bezpečnostné opatrenia.

Tokamak v sekcii. Žltý - solenoid, oranžový - magnety toroidného poľa (TF) a poloidného poľa (PF), modrá - deka, svetlomodrá - VV - vákuová nádoba, fialová - divertor

(„popolník“) poloidného typu je zariadenie, ktorého hlavnou úlohou je „očistiť“ plazmu od nečistôt vznikajúcich zohrievaním a interakciou stien komory pokrytých prikrývkou s ňou. Keď sa takéto kontaminanty dostanú do plazmy, začnú intenzívne vyžarovať, čo má za následok ďalšie straty žiarenia. Nachádza sa v spodnej časti tokomaku a pomocou magnetov smeruje horné vrstvy plazmy (ktoré sú najviac kontaminované) do chladiacej komory. Tu sa plazma ochladí a premení sa na plyn, po ktorom sa odčerpá späť z komory. Prach berýlia sa po vstupe do komory prakticky nedokáže vrátiť späť do plazmy. Plazmová kontaminácia teda zostáva len na povrchu a nepreniká hlbšie.

Kryostat

- najväčší komponent tokomaku, ktorým je nerezový plášť s objemom 16 000 m 2 (29,3 x 28,6 m) a hmotnosťou 3 850 ton Ďalšie prvky systému budú umiestnené vo vnútri kryostatu a ten sám slúži ako bariéra medzi tokamakom a vonkajšie prostredie. Na jeho vnútorných stenách budú tepelné clony chladené cirkulujúcim dusíkom na teplotu 80 K (-193,15 °C).

Magnetický systém

– súbor prvkov, ktoré slúžia na zadržiavanie a riadenie plazmy vo vákuovej nádobe. Ide o súbor 48 prvkov:

• Toroidné cievky poľa sú umiestnené mimo vákuovej komory a vo vnútri kryostatu. Sú prezentované v 18 kusoch, každý s rozmermi 15 x 9 m a hmotnosťou približne 300 ton Tieto cievky spolu vytvárajú magnetické pole 11,8 Tesla okolo torusu plazmy a uchovávajú energiu 41 GJ.
• Cievky poloidného poľa – umiestnené na vrchu cievok toroidného poľa a vo vnútri kryostatu. Tieto cievky sú zodpovedné za generovanie magnetického poľa, ktoré oddeľuje hmotu plazmy od stien komory a stláča plazmu na adiabatický ohrev. Počet takýchto zvitkov je 6. Dva z nich majú priemer 24 ma hmotnosť 400 ton, zvyšné štyri sú o niečo menšie.
• Centrálny solenoid je umiestnený vo vnútornej časti toroidnej komory, alebo skôr v „dierke na šišku“. Princíp jeho činnosti je podobný transformátoru a hlavnou úlohou je vybudiť indukčný prúd v plazme.
• Korekčné cievky sú umiestnené vo vákuovej nádobe, medzi prikrývkou a stenou komory. Ich úlohou je udržiavať tvar plazmy, schopnú lokálne „vydutie“ a dokonca sa dotýkať stien cievy. Umožňuje znížiť úroveň interakcie stien komory s plazmou, a tým aj úroveň jej kontaminácie, a tiež znižuje opotrebenie samotnej komory.

Štruktúra komplexu ITER

Vyššie opísaný dizajn tokamaku „v kocke“ je vysoko komplexný inovatívny mechanizmus zostavený vďaka snahám niekoľkých krajín. Na jeho plnú prevádzku je však potrebný celý komplex budov umiestnených v blízkosti tokamaku. Medzi nimi:

• Systém riadenia, prístupu k údajom a komunikácie – CODAC. Nachádza sa v niekoľkých budovách komplexu ITER.
• Sklad paliva a palivový systém – slúži na dodávanie paliva do tokamaku.
• Vákuový systém – pozostáva z viac ako štyristo vákuových čerpadiel, ktorých úlohou je odčerpávať produkty termonukleárnej reakcie, ale aj rôzne nečistoty z vákuovej komory.
• Kryogénny systém – reprezentovaný okruhom dusíka a hélia. Héliový okruh bude normalizovať teplotu v tokamaku, ktorého práca (a teda aj teplota) neprebieha nepretržite, ale v impulzoch. Okruh dusíka bude chladiť tepelné štíty kryostatu a samotný okruh hélia. Chýbať nebude ani systém vodného chladenia, ktorý je zameraný na zníženie teploty stien prikrývky.
• Zdroj. Tokamak bude vyžadovať približne 110 MW energie trvalé zamestnanie. Aby sa to dosiahlo, budú inštalované kilometre dlhé elektrické vedenia a pripojené k francúzskej priemyselnej sieti. Je potrebné pripomenúť, že experimentálne zariadenie ITER nezabezpečuje výrobu energie, ale funguje len vo vedeckých záujmoch.

financovanie projektu ITER

Medzinárodný termonukleárny reaktor ITER je pomerne drahý podnik, ktorý sa pôvodne odhadoval na 12 miliárd USD, pričom Rusko, USA, Kórea, Čína a India predstavujú 1/11 sumy, Japonsko 2/11 a EÚ 4. /11 . Táto suma sa neskôr zvýšila na 15 miliárd dolárov. Je pozoruhodné, že financovanie prebieha prostredníctvom dodávky vybavenia potrebného pre komplex, ktorý je vyvinutý v každej krajine. Rusko teda dodáva prikrývky, plazmové vykurovacie zariadenia a supravodivé magnety.

Perspektíva projektu

Momentálne prebieha výstavba komplexu ITER a výroba všetkých potrebných komponentov pre tokamak. Po plánovanom spustení tokamaku v roku 2025 sa začne séria experimentov, na základe ktorých sa zaznamenajú aspekty vyžadujúce zlepšenie. Po úspešnom uvedení ITERu do prevádzky sa plánuje výstavba elektrárne na báze termonukleárnej fúzie s názvom DEMO (DEMOnstration Power Plant). Cieľom DEMo je demonštrovať takzvanú „komerčnú príťažlivosť“ energie jadrovej syntézy. Ak je ITER schopný generovať iba 500 MW energie, potom DEMO bude schopné nepretržite generovať energiu 2 GW.

Treba však mať na pamäti, že experimentálne zariadenie ITER nebude produkovať energiu a jeho účelom je získať čisto vedecké výhody. A ako viete, ten či onen fyzikálny experiment môže nielen naplniť očakávania, ale priniesť ľudstvu aj nové poznatky a skúsenosti.