ENERGOSMI (ЭНЕРГОСМИ). Номер свидетельства СМИ ЭЛ № ФС 77 - 63300

Жарче солнца: ИТЭР и стремление к ядерному синтезу

Жарче солнца: ИТЭР и стремление к ядерному синтезу

Ходят шутки, что до ядерного синтеза всегда 30 лет. Однако это может быть достигнуто раньше, когда проекты начнут прогрессировать. Лидирует ИТЭР, крупнейший в мире научный эксперимент, который недавно начал свою фазу сборки машин. Мы смотрим на последние разработки ИТЭР и их влияние на энергетику.

Ядерный синтез считается Святым Граалем производства энергии, обеспечивая неограниченную мощность без выбросов CO2. И все же она оказалась неуловимой для многих поколений ученых. Постоянное препятствие заключается в том, что для создания реакций слияния требуется значительно больше энергии, чем произведенное количество. Но это не помешало многим странам по всему миру потратить миллиарды долларов и значительные ресурсы на развитие этой технологии.

Самый громкий в мире проект ядерного синтеза — это ИТЭР, расположенный недалеко от Прованса, на юге Франции. ИТЭР — это многонациональное, многомиллиардное развитие. Тридцать пять стран отказались от торговых войн и дипломатических споров ради достижения общей цели. Партнерство включает в себя Китай, ЕС, Индию, Японию, Россию, Южную Корею и США.

Те, кто работает над ITER, подсчитали, что если все пойдет по плану, вход 50 МВт приведет к выходу 500 МВт. Это решило бы проблему ввода большего количества энергии, и помогло бы доказать жизнеспособность технологии.

«Термоядерный синтез может стать технологией, меняющей правила игры. Долгосрочной заменой ископаемого топлива на энергетическом рынке будущего. Это был бы гораздо более чистый способ производства электроэнергии, без выбросов парниковых газов. Эти виды топлива встречаются во всем мире и практически безграничны. Всего несколько литров топлива могут обеспечить энергетические потребности одного человека в течение десятилетий», — объясняет профессор Иэн Чэпмен, генеральный директор британского Управления по атомной энергии. — «Термоядерный синтез по своей сути безопаснее ядерного деления – авария вроде Фукусимы или Чернобыля невозможна. Таким образом, это был бы отличный вариант наряду с возобновляемыми источниками энергии, и если бы мы могли коммерциализировать термоядерный синтез, он действительно изменил бы мир, дав нам обильную низкоуглеродистую энергию».

Как работает ядерный синтез

Упрощенное описание искусственного ядерного синтеза состоит в том, что он создает мини-солнце в реакторе. Два атома водорода соединяются на предельных скоростях, чтобы создать атом гелия, наряду с нейтронами и высвобождением существенной энергии. Слияние происходит в гораздо больших масштабах на солнце. При температуре ядра 15 миллионов градусов Цельсия его чистая гравитационная сила сжимает протоны вместе, чтобы достичь ядерного синтеза. В искусственном реакторе, лишенном таких гравитационных сил, был найден наиболее эффективный метод термоядерного синтеза для нагрева изотопов водорода дейтерия и трития до еще более высоких температур — 150 миллионов градусов Цельсия. Внутри вакуумной камеры нагретый газообразный водород превращается в плазму, и создаются условия для слияния двух положительно заряженных протонов и высвобождения тепловой энергии.

В то время как нагрев газа до необходимой температуры достижим, возникают проблемы при попытке ограничить плазму и сохранить ее стабильной. ИТЭР строится по проекту реактора «Токамак», который по существу будет содержать плазму в магнитном поле в форме пончика, создаваемом пропусканием тока через сверхпрочные металлические катушки. Вакуумные камеры и системы охлаждения также необходимы, чтобы избежать интенсивных температур, вызывающих горение реактора.

«Токамак — по существу кольцевая магнитная камера, в которой мы сплавляем частицы, чтобы высвободить большое количество энергии – это лучшая конструкция для термоядерного реактора, которую мы знаем. Это самая передовая концепция, над которой работают многие исследователи по всему миру», — добавляет Чепмен. «ITER tokamak во Франции, который стартует в 2025 году, будет нацелен на то, чтобы впервые продемонстрировать термоядерную энергию на промышленном уровне, что проложит путь для первых электростанций».

Сборка машины на ИТЭР

После более чем трех десятилетий планирования и развития ИТЭР начала свою фазу сборки машин в начале этого года. Чтобы получить представление о том, как долго ИТЭР находится в разработке, проект был первоначально предложен генеральным секретарем Советского Союза Михаилом Горбачевым президенту США Рональду Рейгану в 1985 году.

Масштаб ITER огромен и сопоставим по размерам с английским стадионом «Уэмбли», состоящим из 150000 м3 бетона и 7500 тонн стали. Он будет иметь высоту и ширину 80 м, а длину — 120 м. Строительство началось в 2007 году.

По оценке представителей ИТЭР, общая стоимость проекта составляет около 22 миллиардов долларов. В то время как Министерство энергетики США подсчитало, что затраты будут в три раза выше, на уровне $65 млрд, команда ITER отвергла эту цифру и утверждает, что их оценка верна.

Производство компонентов ИТЭР распределяется между странами-партнерами, которые затем объединяются на площадке близ Прованса. Тесное сотрудничество и обмен планами между странами крайне важны; если спецификации не будут строго соблюдаться, то это может серьезно задержать весь проект.

7 августа Корея поставила первый из девяти секторов вакуумных судов. Стальной блок весит 440 тонн и занял десятилетие для проектирования, производства и испытаний. Девять из этих блоков составят вакуумную камеру ИТЭР в форме пончика. Корея отвечает за производство четырех, в то время как Европа обеспечит оставшиеся пять.

ИТЭР также будет включать в себя 18 тороидальных катушек возбуждения – сверхпроводящих магнитов D-образной формы – каждая высотой с шестиэтажное здание и общим весом около 6400 тонн. Это самые мощные магниты, когда-либо построенные, и они будут использоваться для подачи чрезвычайно горячей плазмы в сдерживающее поле в форме пончика. Тороидальные катушки поля будут способны генерировать 11,8 Тл в магнитных полях и сохранять 41 ГДж. Чтобы поддерживать их сверхпроводимость, кабели для магнитов будут заключены в металлические оболочки, внутри которых будет циркулировать жидкий гелий при температуре -269°C. Японская MHI предоставит девять тороидальных катушек поля, а Европа поставит десять, включая одну запасную.

А для того, чтобы выдержать такую экстремальную жару, необходима гигантская система охлаждения, поддерживающая стабильную температуру. Разработанный и построенный в Индии в течение восьми лет компанией Larsen & Toubro Heavy Engineering Ltd, криостат весит 3800 тонн и имеет объем 16 000 м3. Он будет окружать сверхпроводящие магниты ИТЭР и вакуумный сосуд внутри токамака и достигать температуры до -193°C. Он состоит из 54 единиц и отправлен во Францию ​​в четырех секциях для сборки. Основание криостата весом 1250 тонн было опущено на место в конце мая. Кроме того, тепловые экраны обеспечат еще один важный слой защиты.

Сборка машины должна завершиться до конца 2024 года, а первая плазма ITER запланирована на 2025 год. В 2035 году он начнет работать с использованием дейтерия и трития. И его команда уверена в успехе.

«ИТЭР — это кульминация 60-летнего Научно-исследовательского успеха для ИТЭР, который означает демонстрацию технической и научной осуществимости термоядерного синтеза путем получения чистого прироста энергии», — говорит представитель ИТЭР. «Несмотря на огромные трудности, не только команды, работающие над проектом, но и правительства 35 стран, которые финансируют ИТЭР, уверены, что это будет достигнуто».

Будущее ядерного синтеза

ИТЭР действительно представляет собой только начало ядерного синтеза. Он не был разработан, чтобы действовать как электростанция; намерение состоит в том, чтобы обеспечить доказательство принципа. Страны по всему миру уже планируют свои собственные ядерные термоядерные проекты, а результаты ИТЭР используются для дальнейшего их развития. В Великобритании существует долгая история развития термоядерного синтеза. В настоящее время страна работает над программой, направленной на то, чтобы сделать ядерный синтез менее масштабным и более эффективным с точки зрения затрат. Британское правительство поддерживает это и недавно объявило об инвестициях в размере 220 млн фунтов стерлингов. В следующем году страна предоставит испытания топлива для ИТЭР.

«В Великобритании нам посчастливилось принять крупнейший в мире эксперимент по термоядерному синтезу, JET, от имени Европейского термоядерного сообщества, в научном центре Калхэма близ Оксфорда. В 1991 году реактивный двигатель стал первым устройством для производства термоядерной энергии на Земле – он все еще работает сегодня и играет важную роль в подготовке к международному проекту ИТЭР. В следующем году JET проведет «генеральную репетицию» для ITER с использованием высокоэффективного топлива, которое будут использовать будущие термоядерные электростанции», — говорит Чепмен.

«Наряду с этим, в Великобритании есть одна из самых передовых программ исследований термоядерного синтеза среди всех стран. В Управлении по атомной энергии Великобритании мы разрабатываем проекты компактных термоядерных реакторов, которые могли бы предложить меньший и более дешевый путь к термоядерной энергии. Наша последняя установка, MAST Upgrade, вот-вот будет запущена, и мы недавно приступили к программе предварительного проектирования реактора стоимостью 220 миллионов фунтов стерлингов — STEP — по которой Великобритания может ввести термоядерную электроэнергию в сеть к 2040 году, что потенциально может стать первой в мире».

Однако следует отметить, что остается неясным, будет ли Великобритания по-прежнему частью ИТЭР, если страна не сможет заключить торговую сделку с ЕС после Brexit.

И хотя Австралия является довольно недавним дополнением к ИТЭР, ее проект HB11, разработанный командой профессора Генриха Гора из Университета Нового Южного Уэльса, может открыть всевозможные дополнительные возможности для ядерного синтеза. Вместо того, чтобы нагревать газы до экстремальных температур, два мощных лазера управляют синтезом, используя водород и бор B-11 в качестве топлива. 

Возможно, прошло 100 лет с тех пор, как Артур Эддингтон объявил о своей теории высвобождения огромного количества энергии путем дробления небольших ядер, но ядерная термоядерная энергия медленно движется к тому, чтобы стать реальностью.

Горячее