Термоядерный реактор: ITER. Самая грандиозная научная стройка современности

Человечество постепенно подходит к границе необратимого истощения углеводородных ресурсов Земли. Мы почти два столетия добываем из недр планеты нефть, газ и уголь, и уже понятно, что их запасы истощаются с огромной скоростью. Ведущие страны мира давно задумались над созданием нового источника энергии, экологически чистого, безопасного с точки зрения эксплуатации, с колоссальными топливными запасами.

Термоядерный реактор

Сегодня много говорят об использовании так называемых альтернативных видов энергии – возобновляемых источников в виде фотовольтаики, ветроэнергетики и гидроэнергетики. Очевидно, что в силу своих свойств данные направления могут выступить лишь в роли вспомогательных источников энергоснабжения.

В качестве долгосрочной перспективы человечества можно рассматривать только энергетику на основе ядерных реакций.

С одной стороны, интерес к строительству ядерных реакторов на своей территории проявляет все больше государств. Но все же насущной проблемой для ядерной энергетики является переработка и захоронение радиоактивных отходов, а это сказывается на экономических и экологических показателях. Еще в середине XX века ведущие мировые ученые-физики в поисках новых видов энергии обратились к источнику жизни на Земле – Солнцу, в недрах которого при температуре около 20 миллионов градусов протекают реакции синтеза (слияния) легких элементов с выделением колоссальной энергии.

Лучше всех с задачей разработки установки для реализации ядерных реакций синтеза в земных условиях справились отечественные специалисты. Знания и опыт в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), полученные в России, легли в основу проекта, являющегося без преувеличения энергетической надеждой человечества – Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, ITER), который возводится в Кадараше (Франция).

История термоядерного синтеза

Первые термоядерные исследования начались в странах, работавших над своей атомной оборонной программой. Это не удивительно, ведь на заре атомной эры главной целью появления реакторов с дейтериевой плазмой было исследование физических процессов в горячей плазме, знание которых было необходимо в том числе и для создания термоядерного оружия. Согласно рассекреченным данным, СССР и США практически одновременно начали в 1950-х гг. работы по УТС. Но, в тоже время, есть исторические свидетельства, что еще в 1932 г. старый революционер и близкий друг вождя мирового пролетариата Николай Бухарин, занимавший в тот период пост председателя комитета ВСНХ и следивший за развитием советской науки, предлагал развернуть в стране проект по исследованию контролируемых термоядерных реакций.

История советского термоядерного проекта не обошлась без забавного факта. Будущего знаменитого академика и создателя водородной бомбы Андрея Дмитриевича Сахарова натолкнуло на идею магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы письмо солдата советской армии. В 1950 г. служивший на Сахалине сержант Олег Лаврентьев направил в Центральный комитет Всесоюзной коммунистической партии письмо, в котором предложил использовать в водородной бомбе дейтерид лития-6 вместо сжиженного дейтерия и трития, а также создать систему с электростатическим удержанием горячей плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Письмо попало на отзыв к тогда еще молодому ученому Андрею Сахарову, который в своем отзыве написал, что «считает необходимым детальное обсуждение проекта товарища Лаврентьева».

Уже к октябрю 1950 г. Андрей Сахаров и его коллега Игорь Тамм сделали первые оценки магнитного термоядерного реактора (МТР). Первая тороидальная установка с сильным продольным магнитным полем, основанная на идеях И. Тамма и А. Сахарова, была построена в 1955 г. в ЛИПАНе. Ее назвали ТМП – тор с магнитным полем. Последующие установки уже назывались ТОКАМАК, по комбинации начальных слогов в словосочетании «ТОроидальная КАмера МАгнитная Катушка». В своем классическом варианте токамак - это тороидальная камера в виде бублика, помещенная в тороидальное магнитное поле. С 1955 по 1966 гг. в Курчатовском институте было построено 8 таких установок, на которых проводилась масса различных исследований. Если до 1969 г. вне СССР был построен токамак только в Австралии, то в последующие годы их возвели в 29 странах, включая США, Японию, страны Европы, Индию, Китай, Канаду, Ливию, Египет. Всего в мире до настоящего времени было построено около 300 токамаков, в том числе 31 в СССР и России, 30 в США, 32 в Европе и 27 в Японии. Фактически три страны – СССР, Великобритания и США вели негласное соревнование, кто первым сумеет обуздать плазму и фактически начать производство энергии «из воды».

Важнейший плюс термоядерного реактора - снижение радиационной биологической опасности примерно в тысячу раз в сравнении со всеми современными атомными энергореакторами.

Термоядерный реактор не выбрасывает СО2 и не нарабатывает «тяжелые» радиоактивные отходы. Этот реактор можно ставить где угодно, в любом месте.

Шаг длиной в полвека

В 1985 г. академик Евгений Велихов от имени СССР предложил ученым Европы, США и Японии вместе создать термоядерный реактор, и уже в 1986 г. в Женеве было достигнуто соглашение о проектировании установки, получившей в дальнейшем имя ИТЭР. В 1992 г. партнеры подписали четырехстороннее соглашение о разработке инженерного проекта реактора. Первый этап строительства по плану должен завершиться к 2020 г., когда запланировано получить первую плазму. В 2011 г. на площадке ИТЭР началось реальное строительство.

Схема ИТЭРа повторяет классический российский токамак, разработанный еще в 1960-х гг. Планируется, что на первом этапе реактор будет работать в импульсном режиме при мощности термоядерных реакций 400–500 МВт, на втором этапе будет отрабатываться режим непрерывной работы реактора, а также система воспроизводства трития.

Реактор ИТЭР не зря называют энергетическим будущим человечества. Во-первых, это крупнейший мировой научный проект, ведь на территории Франции его строят практически всем миром: участвуют ЕС+Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Соглашение о сооружении установки было подписано в 2006 г. Страны Европы вносят около 50% объема финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Но самый главный вклад России – сама технология токамака, легшая в основу реактора ИТЭР.

Во-вторых, это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, которая происходит на Солнце. В-третьих, эта научная работа должна принести вполне практические плоды, и к концу века мир ожидает появления первого прототипа коммерческой термоядерной электростанции.

Ученые предполагают, что первую плазму на международном экспериментальном термоядерном реакторе удастся получить в декабре 2025 г.

Почему такой реактор стали строить буквально всем мировым научным сообществом? Дело в том, что многие технологии, которые планируется использовать при возведении ИТЭРа, не принадлежат сразу всем странам. Не может одно, даже самое высокоразвитое в научно-техническом плане государство иметь сразу сотню технологий высшего мирового уровня во всех областях техники, применяемой в таком высокотехнологичном и прорывном проекте, как термоядерный реактор. А ведь ИТЭР – это сотни подобных технологий.

Россия по многим технологиям термоядерного синтеза превосходит общемировой уровень. Но, к примеру, и японские атомщики также обладают уникальными компетенциями в этой области, вполне применимыми в ИТЭРе.

Поэтому еще в самом начале проекта страны-партнеры пришли к договоренностям о том, кто и что будет поставлять на площадку, и что это должна быть не просто кооперация в инжиниринге, а возможность для каждого из партнеров получить новые технологии от других участников, чтобы в будущем развивать их у себя самостоятельно.

Андрей Ретингер, журналист-международник

Термоядерный реактор, еще не работает и заработает нескоро. Но ученые уже точно знают, как он устроен.

Теория

В качестве топлива для термоядерного реактора может выступать Гелий-3 , один из изотопов гелия. Он редко встречается на Земле, но его очень много на Луне. На этом строится сюжет одноименного фильма Дункана Джонса . Если вы читаете эту статью, то фильм вам точно понравится.

Реакция ядерного синтеза - это когда два маленьких атомных ядра слепляются в одно большое. Это реакция, обратная . Например, можно столкнуть два ядра водорода, чтобы получить гелий.

При такой реакции выделяется огромное количество энергии благодаря разности масс: масса частиц до реакции больше, чем масса полученного большого ядра. Эта масса и превращается в энергию благодаря .

Но для того, чтобы произошло слияние двух ядер, надо преодолеть их силу электростатического отталкивания и сильно прижать друг к другу. А на маленьких расстояниях, порядка размера ядер, действуют уже гораздо большие ядерные силы , благодаря которым ядра притягиваются друг к другу и объединяются в одно большое ядро.

Поэтому реакция термоядерного синтеза может проходить только при очень больших температурах, чтобы скорость ядер была такой, что при столкновении им хватило энергии настолько приблизиться друг к другу, чтобы заработали ядерные силы и произошла реакция. Вот откуда в названии взялось «термо-».

Практика

Где энергия, там и оружие. Во время холодной войны СССР и США разработали термоядерные (или водородные) бомбы. Это самое разрушительное оружие, созданное человечеством, в теории оно может уничтожить Землю .

Как раз температура и является основным препятствием использовать термоядерную энергию на практике. Не существует материалов, которые смогут удержать такую температуру и не расплавиться.

Но выход есть, можно удерживать плазму благодаря сильному . В специальных устройствах токамаках плазму могут удержать в форме бублика огромные мощные магниты.

Термоядерная электростанция безопасна, экологически чиста и очень экономична. Она может решить все энергетические проблемы человечества. Дело за малым - научиться строить термоядерные электростанции.

Международный экспериментальный термоядерный реактор

Построить термоядерный реактор очень сложно, и очень дорого. Для решения такой грандиозной задачи объединились усилия ученых нескольких стран: России, США, стран ЕС, Японии, Индии, Китая, Республики Корея и Канады.

Сейчас строится экспериментальный токамак во Франции, стоить он будет примерно 15 миллиардов долларов, по планам он будет закончен к 2019 году и до 2037 на нем будут проводиться эксперименты. Если они будут успешными, то, может, мы еще успеем пожить в счастливую эпоху термоядерной энергии.

Так что сосредоточьтесь посильнее и начинайте с нетерпением ждать результатов экспериментов, это вам не второй iPad ждать - на кону будущее человечества.

Нужна ли термоядерная энергия?

На данном этапе развития цивилизации можно смело заявить, что перед человечеством стоит «энергетический вызов». Он обусловлен сразу несколькими фундаментальными факторами:

— Человечество сейчас потребляет огромное количество энергии .

В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить себе. Потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24-х 100-ваттных электрических ламп.

— Мировое потребление энергии быстро возрастает .

По прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год), мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%.

— В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ ), использование которых потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений.

У жителей Саудовской Аравии популярна следующая шутка: «Мой отец ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже управляет самолетом. Но вот его сын вновь пересядет на верблюда».

Похоже, что дела обстоят именно так, поскольку, по всем серьезным прогнозам, запасы нефти в мире закончатся в основном примерно через 50 лет.

Даже на основании оценок Геологической службы США (этот прогноз значительно оптимистичнее остальных), рост мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет (другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже через 5-10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со скоростью около 3% в год. Перспективы добычи природного газа выглядят ненамного лучше. Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но этот прогноз основан на сохранении существующего уровня добычи и расхода. Между тем потребление угля сейчас возрастает на 4,5% в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет.

Таким образом, уже сейчас следует готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего.

К сожалению, существующие сейчас альтернативные источники энергии не в состоянии покрыть растущих потребностей человечества. По самым оптимистичным оценкам, максимальное количество энергии (в указанном тепловом эквиваленте), создаваемое перечисленными источниками, составляет всего 3 ТВт (ветер), 1 ТВт (гидростанции), 1 ТВт (биологические источники) и 100 ГВт (геотермальные и морские установки). Суммарное количество дополнительной энергии (даже в этом, самом оптимальном прогнозе) составляет лишь около 6 ТВт. При этом стоит отметить, что разработка новых источников энергии является очень сложной технической задачей, так что стоимость производимой ими энергии будет в любом случае выше, чем при привычном сжигании угля и т. п. Представляется совершенно очевидным, что

человечество должно искать какие-то иные источники энергии, в качестве которых в настоящее время реально можно рассматривать только Солнце и реакции термоядерного синтеза.

Потенциально Солнце представляет собой практически неистощимый источник энергии. Количество энергии, попадающей всего на 0,1% поверхности планеты, эквивалентно 3,8 ТВт (даже при условии его преобразования с эффективностью всего 15%). Проблема заключается в нашем неумении улавливать и преобразовывать эту энергию, что связано как с высокой стоимостью солнечных батарей, так и с проблемами накопления, хранения и дальнейшей передачи получаемой энергии в требуемые регионы.

В настоящее время на атомных электростанциях в широких масштабах получают энергию, выделяющуюся при реакциях деления атомных ядер. Я полагаю, что следует всячески поощрять создание и развитие таких станций, однако при этом необходимо учитывать, что запасы одного из важнейших для их работы материала (дешевого урана) также могут быть полностью израсходованы в течение ближайших 50 лет.

Еще одним важным направлением развития является использование ядерного синтеза (слияния ядер), которое выступает сейчас в качестве основной надежды на спасение, хотя время создания первых термоядерных электростанций пока остается неопределенным. Именно этой теме посвящена данная лекция.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звёзд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной вообще. Эксперименты, проводимые в России (Россия - родина термоядерной установки Токамак), США, Японии, Германии, а также в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и гораздо большее количество энергии.

Энергия ядерного синтеза является совершенно реальной, и основной вопрос состоит в том, сможем ли мы создать достаточно надежные и экономически выгодные термоядерные установки.

Процессами ядерного синтеза называют реакции слияния легких атомных ядер в более тяжелые с выделением некоторого количества энергии.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в следующем виде:

D + T = 4 He + n + энергия (17,6 MэВ).

Выделенная энергия, возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи, переходит в обычную кинетическую энергию, распределяемую между нейтроном и ядром гелия-4 в пропорции 14,1 MэВ/3,5 MэВ.

Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо полностью ионизовать и нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов по Цельсию (будем обозначать ее через M градусов), что примерно в пять раз выше температуры в центре Солнца. Уже при температуре несколько тысяч градусов межатомные столкновения приводят к выбиванию электронов из атомов, в результате чего формируется смесь из разделенных ядер и электронов, известная под названием плазмы, в которой положительно заряженные и высокоэнергичные дейтроны и тритоны (то есть ядра дейтерия и трития) испытывают сильное взаимное отталкивание. Тем не менее высокая температура плазмы (и связанная с этим высокая энергия ионов) позволяют этим ионам дейтерия и трития преодолевать кулоновское отталкивание и сталкиваться друг с другом. При температуре выше 100 M градусов наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление этого процесса в лаборатории связано с тремя очень сложными проблемами. Прежде всего, газовую смесь ядер D и T следует нагреть до температур выше 100 M градусов, каким-то образом предотвращая его охлаждение и загрязнение (из-за реакций со стенками сосуда).

Для решения этой задачи были придуманы «магнитные ловушки», получившие название Токамак, которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора.

В описываемом методе плазма нагревается электрическим током, протекающим внутри тора, примерно до 3 M градусов, что, однако, оказывается еще недостаточным для инициирования реакции. Для дополнительного нагрева плазмы в неё либо «вкачивают» энергию радиочастотным излучением (как в микроволновой печке), либо инжектируют пучки нейтральных частиц с высокой энергией, которые при столкновениях передают свою энергию плазме. Кроме того, выделение тепла происходит за счет, собственно, термоядерных реакций (как будет рассказано ниже), в результате чего в достаточно большой установке должно происходить «зажигание» плазмы.

В настоящее время во Франции начинается строительство описываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который будет первым Токамаком, способным «зажечь» плазму.

В наиболее передовых существующих установках типа Токамак давно достигнуты температуры порядка 150 M градусов, близкие к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, однако реактор ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. В дальнейшем необходимо будет существенно улучшить параметры её работы, что потребует в первую очередь повышения давления в плазме, так как скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления.

Основная научная проблема при этом связана с тем, что при повышении давления в плазме возникают очень сложные и опасные неустойчивости, то есть нестабильные режимы работы.

Возникающие при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются внутри «магнитной ловушки», где постепенно тормозятся за счет столкновений с другими частицами, причем выделяющаяся при столкновениях энергия помогает поддерживать высокую температуру плазменного шнура. Нейтральные (не имеющие электрического заряда) нейтроны покидают систему и передают свою энергию стенкам реактора, а отбираемое от стен тепло и является источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергичных нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и могут разрушить материалы, из которых он создан.

Из-за этого конструкция термоядерных установок является очень сложной. Перед физиками и инженерами стоит задача обеспечения высокой надежности их работы. Проектирование и строительство термоядерных станций требуют от них решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Устройство термоядерной электростанции

На рисунке представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объемом ~ 2000 м 3 , заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную ловушку» и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м. 1

Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий = гелий + тритий.

Кроме того, в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счет введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки.

Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.

Нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно «обычные» конструкционные материалы) примерно до температуры 400 градусов. В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 градусов, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.

Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ.

Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаватт (ГВт), составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 кг смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого взрыва Вселенной). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет нарабатываться прямо внутри термоядерной установки в процессе работы за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода.

Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов, например). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития исследований по разработке термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) даже при долгосрочной перспективе создания экономически эффективного термоядерного реактора.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легкодобываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет.

Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств.

1 ) Высокая внутренняя безопасность.

Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий.

Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.

В чем состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому

даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

2 ) Стоимость энергии.

Ожидается, что так называемая «внутренняя» цена получаемой электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. «Приемлемость» в данном случае означает, что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых углеводородных топлив. «Внешняя» цена (побочные эффекты, воздействие на здоровье населения, климат, экологию и т. п.) будет, по существу, равной нулю.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Основной следующий шаг состоит в построении реактора ITER, спроектированного с целью демонстрации самой возможности зажигания плазмы и получения на этой основе хотя бы десятикратного выигрыша в энергии (по отношению к энергии, затрачиваемой на разогрев плазмы). Реактор ITER будет представлять собой экспериментальное устройство, которое даже не будет снабжено турбинами для производства электроэнергии и устройствами для её использования. Целью его создания является изучение условий, которые должны выполняться при работе таких энергетических установок, а также создание на этой основе настоящих, экономически выгодных электростанций, которые по размерам, по-видимому, должны превосходить ITER. Создание реальных прототипов термоядерных электростанций (то есть станций, полностью оборудованных турбинами и т. д.) требует решения двух следующих задач. Во-первых, необходимо продолжить разработку новых материалов (способных выдерживать очень суровые условия эксплуатации в описанных условиях) и провести их испытания в соответствии со специальными правилами для аппаратуры системы IFMIF (International Fusion Irradiation Facility), описанной ниже. Во-вторых, необходимо решить много чисто технических задач и развить новые технологии, относящиеся к дистанционному управлению, нагреву, конструкции оболочек, топливным циклам и т. д. 2

На рисунке показан реактор ITER, превосходящий крупнейшую на сегодня установку JET не только по всем линейным размерам (примерно вдвое), но и по величине используемых в нем магнитных полей и протекающих через плазму токов.

Целью создания этого реактора является демонстрация возможностей объединенных усилий физиков и инженеров при конструировании крупномасштабной термоядерной электростанции.

Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего около 50 МВт). 3

Установка ITER создается консорциумом, в который входят ЕC, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2020 год, а получение дейтерий-тритиевой плазмы - на 2027 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из дейтерия и трития.

Магнитные катушки реактора ITER созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут. Понятно, что наличие сверхпроводящих магнитных катушек является принципиально важным для непрерывной работы реальной термоядерной электростанции. Сверхпроводящие катушки уже применялись в устройствах типа Токамак, однако ранее они не использовались в столь крупномасштабных установках, рассчитанных на тритиевую плазму. Кроме этого, в установке ITER будут впервые использованы и испытаны разные модули оболочки, предназначенные для работы в реальных станциях, где могут генерироваться или «восстанавливаться» ядра трития.

Основной целью постройки установки является демонстрация успешного управления горением плазмы и возможности реального получения энергии в термоядерных устройствах при существующем уровне развития технологий.

Дальнейшее развитие в этом направлении, конечно, потребует многих усилий для повышения эффективности работы устройств, особенно с точки зрения их экономической целесообразности, что связано с серьезными и длительными исследованиями, как на реакторе ITER, так и на других устройствах. Среди поставленных задач следует особо выделить три следующие:

1) Необходимо показать, что существующий уровень науки и техники уже позволяет получать 10-кратный выигрыш в энергии (по сравнению с затрачиваемой для поддержания процесса) при контролируемом процессе ядерного синтеза. Реакция должна протекать без возникновения опасных неустойчивых режимов, без перегрева и повреждения материалов конструкции и без загрязнения плазмы примесями. При мощностях термоядерной энергии порядка 50 % от мощности нагрева плазмы эти цели уже были достигнуты в экспериментах на небольших установках, однако создание реактора ITER позволит проверить надежность методов управления на гораздо более крупной установке, производящей гораздо больше энергии в течение длительного времени. Реактор ITER проектируется для проверки и согласования требований к будущему термоядерному реактору, и его создание является весьма сложной и интересной задачей.

2) Необходимо изучить методы повышения давления в плазме (напомним, что скорость реакции при заданной температуре пропорциональна квадрату давления) для предотвращения возникновения опасных неустойчивых режимов поведения плазмы. Успех исследований в этом направлении позволит либо обеспечить работу реактора при более высокой плотности плазмы, либо понизить требования к напряженности создаваемых магнитных полей, что существенно уменьшит стоимость производимой реактором электроэнергии.

3) Испытания должны подтвердить, что непрерывная работа реактора в устойчивом режиме может быть обеспечена реально (с экономической и технической точек зрения это требование представляется очень важным, если не основным), а запуск установки можно будет осуществлять без огромных затрат энергии. Исследователи и проектировщики очень надеются, что «непрерывное» течение электромагнитного тока по плазме может быть обеспечено его генерацией в плазме (за счёт высокочастотного излучения и инжекции быстрых атомов).

Современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим вызовом, который более точно можно назвать «неопределенным энергетическим кризисом».

В настоящее время почти вся потребляемая человечеством энергия создается сжиганием ископаемых топлив, а решение проблемы может быть связано с использованием солнечной энергии или ядерной энергетики (созданием реакторов на быстрых нейтронах и т. п.). Глобальная проблема, обусловленная ростом населения развивающихся стран и их потребностью в повышении уровня жизни и увеличении объема производимой энергии, не может быть решена только на основе рассматриваемых подходов, хотя, конечно, следует поощрять любые попытки развития альтернативных методов выработки энергии.

Если никаких крупных и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет, то при соблюдении выработанной разумной и упорядоченной программы действий, которая (разумеется, при условии хорошей организации работ и достаточного их финансирования) должна привести к созданию прототипа термоядерной электростанции. В этом случае примерно через 30 лет мы сумеем впервые подать электрический ток от неё в энергетические сети, а еще через 10 с небольшим лет начнет работать первая коммерческая термоядерная электростанция. Возможно, что во второй половине нашего столетия энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые топлива и постепенно станет играть все более важную роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», - это начало одной из «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.

Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение - это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.

У них есть только одна большая проблема - промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов - горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.

Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.

ITER

ITER - cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак - то роидальная ка мера с ма гнитными к атушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода - дейтерия и трития.

Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X - крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, - «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.

Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.

National Ignition Facility

Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.

Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.

«Ядерные технологии » - один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.

ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER)

Потребление энергии человечеством растет с каждым годом, что подталкивает сферу энергетики к активному развитию. Так с возникновением атомных станций количество вырабатываемой энергии по всему миру значительно возросло, что позволило благополучно расходовать энергию на все потребности человечества. К примеру, 72,3 % от вырабатываемой электроэнергии во Франции приходится на атомные станции, в Украине — 52,3 %, в Швеции — 40,0 %, в Великобритании — 20,4 %, в России — 17,1 %. Однако, технологии не стоят на месте, и чтобы угодить дальнейшим энергетическим потребностям стран будущего, ученые работают над рядом инновационных проектов, одним из которых является ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor).

Хотя рентабельность данной установки еще находится под вопросом, согласно работам многих исследователей – создание и последующее развитие технологии управляемого термоядерного синтеза может в результате дать мощный и безопасный источник энергии. Рассмотрим некоторые положительные стороны подобной установки:

• Основным топливом термоядерного реактора является водород, а это означает – практически неисчерпаемые запасы ядерного топлива.
• Добыча водорода может происходить посредством переработки морской воды, которая доступна большинству стран. Из этого следует невозможность возникновения монополии топливных ресурсов.
• Вероятность аварийного взрыва в процессе работы термоядерного реактора значительно меньше, чем в процессе работы ядерного реактора. Согласно оценкам исследователей, даже в случае аварии выбросы радиации не будут представлять опасности для населения, а значит отпадает и надобность в эвакуации.
• В отличие от ядерных реакторов, термоядерные реакторы вырабатывают радиоактивные отходы, которые имеют короткий период полураспада, то есть быстрее распадаются. Также в термоядерных реакторах отсутствуют продукты сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуются материалы, которые используются также для ядерного оружия. Это позволяет исключить возможность прикрытия производства ядерного оружия путем оформления материалов для нужд ядерного реактора.

Термоядерный реактор — вид изнутри

Однако, существует также ряд технических недоработок, с которыми постоянно сталкиваются исследователи.

Например, нынешний вариант топлива, представленный в виде смеси дейтерия и трития, требует разработки новых технологий. Например, по окончанию первой серии тестов на крупнейшем на сегодняшней день термоядерном реакторе ДЖЕТ, реактор стал настолько радиоактивным, что далее потребовалась разработка специальной роботизированной системы обслуживания для завершения эксперимента. Другим неутешительным фактором работы термоядерного реактора является его КПД – 20%, в то время как КПД АЭС – 33-34%, а ТЭС — 40%.

Создание проекта ИТЭР и запуск реактора

Проект ITER берет свое начало в 1985-м году, когда Советский Союз предложил совместное создание токамака — тороидальной камеры с магнитными катушками, которая способно удерживать плазму при помощи магнитов, тем самым создавая условия, требуемые для протекания реакции термоядерного синтеза. В 1992-м году было подписано четырехстороннее соглашение о разработке ИТЕР, сторонами которого выступили ЕС, США, Россия и Япония. В 1994-м году к проекту присоединилась Республика Казахстан, в 2001-м – Канада, в 2003-м – Южная Корея и Китай, в 2005-м — Индия. В 2005-м году было определено место для постройки реактора – исследовательский центр ядерной энергетики Кадараш, Франция.

Строительство реактора началось с подготовки котлована для фундамента. Так параметры котлована составили 130 х 90 х 17 метров. Весь комплекс с токамаком будет весить 360 000 тонн, из которых 23 000 тонн приходится на сам токамак.

Различные элементы комплекса ИТЕР будут разрабатываться и доставляться на место строительства со всех уголков мира. Так в 2016-м году в России была разработана часть проводников для полоидальных катушек, которые далее отправились в Китай, который будет производить сами катушки.

Очевидно, столь масштабную работу совсем непросто организовать, ряд стран неоднократно не поспевали за поставленным графиком проекта, в результате чего запуск реактора постоянно переносился. Так, согласно прошлогоднему (2016 г.) июньскому сообщению: «получение первой плазмы запланировано на декабрь 2025-го года».

Механизм работы токамака ITER

Термин «токамак» происходит из русского акронима, который обозначает «тороидальная камера с магнитными катушками».

Сердцем токамака является его вакуумная камера в форме тора. Внутри, под воздействием экстремальной температуры и давления, газообразное водородное топливо становится плазмой — горячим электрически заряженным газом. Как известно, звездное вещество представлено плазмой, а термоядерные реакции в ядре Солнца протекают как раз в условиях повышенной температуры и давления. Подобные условия для формирования, удержания, сжатия и разогрева плазмы создаются посредством массивных магнитных катушек, которые расположены вокруг вакуумного сосуда. Воздействие магнитов позволит ограничить горячую плазму от стен сосуда.

Перед началом процесса воздух и примеси удаляются из вакуумной камеры. Затем заряжаются магнитные системы, которые помогут контролировать плазму, и вводится газообразное топливо. Когда через сосуд проходит мощный электрический ток, газ электрически расщепляется и становится ионизированным (то есть электроны покидают атомы) и образует плазму.

По мере того, как частицы плазмы активируются и сталкиваются, они также начинают нагреваться. Вспомогательные методы нагрева помогают привести плазму к температурам плавления (от 150 до 300 миллионов ° C). Частицы, «возбужденные» до такой степени, могут преодолеть свое естественное электромагнитное отталкивание при столкновении, в результате таких столкновений высвобождается огромное количество энергии.

Конструкция токамака состоит из таких элементов:

Вакуумный сосуд

(«пончик») – тороидальная камера, выполненная из нержавеющей стали. Ее большой диаметр составляет 19 м, малый – 6 м, а высота – 11 м. Объем камеры составляет 1 400 м 3 , а масса – более 5 000 т. Стенки вакуумного сосуда двойные, между стенками будет циркулировать теплоноситель, в роли которого выступит дистиллированная вода. Во избежание загрязнения воды, внутренняя стенка камеры защищена от радиоактивного излучения при помощи бланкета.

Бланкет

(«одеяло») – состоит из 440 фрагментов, укрывающих внутреннюю поверхность камеры. Общая площадь банкета составляет 700м 2 . Каждый фрагмент представляет собой нечто вроде кассеты, корпус которой сделан из меди, а передняя стенка является съемной и сделана из бериллия. Параметры кассет 1х1,5 м, а масса — не более 4,6 т. Подобные бериллиевые кассеты будут замедлять высокоэнергетические нейтроны, образованные в процессе реакции. Во время замедления нейтронов будет выделяться тепло, отводимое системой охлаждения. Следует отметить, что бериллиевая пыль, образуемая в результате работы реактора, может вызвать тяжелое заболевание под названием бериллиоз, также несет канцерогенное воздействие. По этой причине в комплексе разрабатываются строгие меры безопасности.

Токамак в разрезе. Желтым — соленоид, оранжевым — магниты тороидального поля (TF) и полоидального поля (PF), синим — бланкет, светло-синим — VV — вакуумный сосуд, фиолетовым — дивертор

(«пепельница») полоидального типа – устройство, основной задачей которого является «очищение» плазмы от грязи, возникающей в результате нагрева и взаимодействия с ней стенок камеры, покрытых бланкетом. При попадании подобных загрязнений в плазму, они начинают интенсивно излучать, вследствие чего возникают дополнительные радиационные потери. Располагается в нижней части токомака и при помощи магнитов направляет верхние слои плазмы (которые являются наиболее загрязненными) в охлаждающую камеру. Здесь плазма охлаждается и превращается в газ, после чего откачивается из камеры обратно. Бериллиевая пыль, после попадания в камеру – практически неспособна вернуться обратно в плазму. Таким образом загрязнение плазмы остается лишь на поверхности и не проникает вглубь.

Криостат

– крупнейший компонент токомака, который представляет собой оболочку из нержавеющей стали объемом 16 000 м 2 (29,3 х 28,6 м) и массой 3 850 т. Внутри криостата будут располагаться прочие элементы системы, а сам он служит барьером между токамаком и внешней средой. На его внутренних стенках будут расположены тепловые экраны, охлаждаемые циркулирующим азотом при температуре 80 К (-193,15 °C).

Магнитная система

– комплекс элементов, служащих для удержания и контроля плазмы внутри вакуумного сосуда. Представляет собой набор из 48 элементов:

• Катушки тороидального поля – находятся снаружи вакуумной камеры и внутри криостата. Представлены в количестве 18-ти штук, каждая из которых размером 15 х 9 м и весит примерно 300 т. Вместе эти катушки генерируют вокруг плазменного тора магнитное поле напряженностью 11,8 Тл и запасают энергию в 41 ГДж.
• Катушки полоидального поля – находятся поверх катушек тороидального поля и внутри криостата. Данные катушки отвечают за формирование магнитного поля, отделяющего массу плазмы от стенок камеры и сжимающего плазму для адиабатического нагрева. Количество таких катушек составляет 6. Две из катушек имеют диаметр 24 м, а массу – 400 т. Остальные четыре – несколько меньше.
• Центральный соленоид – находится во внутренней части тороидальной камеры, вернее в «дырке бублика». Принцип его работы схож с трансформатором, а основная задача – возбуждение индуктивного тока в плазме.
• Корректирующие катушки – находятся внутри вакуумного сосуда, между бланкетом и стенкой камеры. Их задача состоит в сохранении формы плазмы, способной локально «выпучиваться» и даже прикасаться к стенкам сосуда. Позволяет понизить уровень взаимодействия стенок камеры с плазмой, а следовательно – уровень ее загрязнения, а также понижает износ самой камеры.

Структура комплекса ИТЕР

Вышеописанная «в двух словах» конструкция токамака представляет собой сложнейший инновационный механизм, собираемый усилиями нескольких стран. Однако, для ее полноценной работы требуется целый комплекс построек, расположенных вблизи токамака. В их числе:

• Система управления, связи и доступа к данным (Control, Data Access and Communication) – CODAC. Находится в ряде зданий комплекса ИТЕР.
• Хранилища топлива и топливная система – служит для доставки топлива в токамак.
• Вакуумная система – состоит из более чем четырехсот вакуумных насосов, задача которых – выкачка продуктов термоядерной реакции, а также различных загрязнений из вакуумной камеры.
• Криогенная система – представлена азотным и гелиевым контуром. Гелиевый контур будет нормализировать температуру в токамаке, работа (а значит и температура) которого протекает не непрерывно, а импульсно. Азотный контур будет охлаждать тепловые экраны криостата и сам гелиевый контур. Также будет присутствовать водяная система охлаждения, которая направлена на понижение температуры стенок бланкета.
• Электропитание. Токамаку потребуется примерно 110 МВт энергии для постоянной работы. Для этого будут проведены линии электропередач в километр, которые будут подключены к французской промышленной сети. Стоит напомнить, что экспериментальная установка ИТЭР – не предусматривает выработку энергии, а работает лишь в научных интересах.

Финансирование ИТЭР

Международный термоядерный реактор ITER – достаточно дорогое мероприятие, которое изначально оценивалось в 12 миллиардов долларов, где на Россию, США, Корею, Китай и Индию приходится в 1/11 части суммы, на Японию – 2/11, а на ЕС — 4/11. Позже эта сумма возросла до 15 миллиардов долларов. Примечательно, что финансирование происходит посредством поставки требуемого для комплекса оборудования, которое развито в каждой из стран. Так, Россия поставляет бланкеты, устройства нагрева плазмы и сверхпроводящие магниты.

Перспектива проекта

В данный момент происходит постройка комплекса ИТЭР и производство всех требуемых компонентов для токамака. После запланированного запуска токамака в 2025-м году начнется проведение ряда экспериментов, на основе результатов которых будут отмечены аспекты, требующие доработки. После успешного ввода в строй ИТЭР планируется постройка электростанции на основе термоядерного синтеза под названием DEMO (DEMOnstration Power Plant). Задача DEMo состоит в демонстрации так называемой «коммерческой привлекательности» термоядерной энергетики. Если ITER способен вырабатывать всего 500 МВт энергии, то DEMO позволит непрерывно генерировать энергию в 2 ГВт.

Однако, следует иметь ввиду, что экспериментальная установка ИТЭР не будет вырабатывать энергию, а ее предназначение состоит в получении чисто научной выгоды. А как известно, тот или иной физический эксперимент может не только оправдать ожидания, но также и принести человечеству новые знания и опыт.