Термоядерный реактор нагреет плазму до150 000 000 градусов
Этим летом нашлось сходу пара веских обстоятельств освежить в памяти технические детали проекта ITER. Во-первых, грандиозное начинание, официальным стартом которого считается встреча Рональда Рейгана и Михаила Горбачева в далеком 1985 году, на отечественных глазах принимает материальное воплощение. Проектирование реактора нового поколения при участии России, США, Японии, Китая, Индии, Евросоюза и южной Кореи заняло более 20 лет.
Сейчас ITER — это уже не килограммы техдокументации, а 42 га (1 км на 420 м) идеально ровной поверхности одной из наибольших в мире рукотворных платформ, расположенной во французском городе Кадараш, в 60 км севернее Марселя. И фундамент будущего 360 000-тонного реактора, складывающийся из 150 000 кубов бетона, 16 000 т колонн и 493 арматуры с резинометаллическим антисейсмическим покрытием. И, конечно же, тысячи сложнейших научных исследовательских установок и инструментов, разбросанных по университетам всей земли.
Производство главных компонентов реактора идет полным ходом. Весной Франция отрапортовала об изготовлении 70 каркасов для D-образных катушек тороидального поля, а в июне началась намотка первых катушек из сверхпроводящих кабелей, поступивших из России от Университета кабельной индустрии в Подольске.
Вторая веская обстоятельство отыскать в памяти об ITER как раз на данный момент — политическая. Реактор нового поколения — опробование не только для ученых, но и для дипломатов. Это такой дорогостоящий и технически сложный проект, что ни одной стране мира не потянуть его в одиночку.
От способности стран договариваться между собой как в научной, так и в денежной сфере зависит, удастся ли закончить.
На 18 июня был запланирован Совет ITER в Петербурге, но Госдеп в рамках санкций запретил американским ученым посещать Россию. Принимая к сведенью тот факт, что сама мысль токамака (тороидальной камеры с магнитными катушками, лежащей в базе ITER) в собственности советскому физику Олегу Лаврентьеву, участники проекта отнеслись к данному ответу как к курьезу и попросту перенесли совет в Кадараш на ту же дату. Эти события лишний раз напомнили всему миру о том, что Российская Федерация (наровне с Республикой Корея) самый ответственно относится к выполнению собственных обязательств перед проектом ITER.
Ученые жгут
Словосочетание «термоядерный реактор» у большинства людей приводит к насторожЁнности. Ассоциативная цепочка понятна: термоядерная бомба ужаснее легко ядерной, соответственно, термоядерный реактор страшнее Чернобыля.
В действительности ядерный синтез, на котором основывается принцип работы токамака, намного надёжнее и действеннее ядерного деления, используемого в современных АЭС. Синтез употребляется самой природой: Солнце представляет собой не что иное, как естественный термоядерный реактор.
В реакции задействованы трития изотопов и ядра — дейтерия водорода. Ядро дейтерия складывается из нейтрона и протона, а ядро трития — из протона и двух нейтронов. В простых условиях одинаково заряженные ядра отталкиваются друг от друга, но при высоких температурах они смогут сталкиваться. При соударении в игру вступает сильное сотрудничество, которое несёт ответственность за объединение нейтронов и протонов в ядра.
Появляется ядро нового химического элемента — гелия.
Наряду с этим образуется один вольный нейтрон и выделяется много энергии. Энергия сильного сотрудничества в ядре гелия меньше, чем в ядрах исходных элементов. За счет этого результирующее ядро кроме того теряет в массе (в соответствии с теории относительности масса и энергия эквивалентны).
Отыскав в памяти известное уравнение E = mc2, где c — это скорость света, возможно представить себе, какой большой энергетический потенциал содержит ядерный синтез.
Дабы преодолеть силу обоюдного отталкивания, исходные ядра должны двигаться весьма скоро, исходя из этого важную роль в ядерном синтезе играется температура. В центре Солнца процесс протекает при температуре 15 млн градусов Цельсия, но ему содействует большая плотность вещества, обусловленная действием гравитации. Большая масса светила делает его действенным термоядерным реактором.
- Токамак ASDEX, выстроенный в первой половине 90-ых годов двадцатого века в германском Университете Макса Планка, употребляется для опробования разных материалов первой стены реактора, в частности бериллия и вольфрама. Количество плазмы в ASDEX — 13 м³, практически в 65 раз меньше, чем в ITER.
Высокотемпературная плазма глазами живописца.
Создать такую плотность на Земле не представляется вероятным. Нам остается только наращивать температуру. Дабы изотопы водорода отдали землянам энергию собственных ядер, нужна температура 150 млн градусов, другими словами вдесятеро выше, чем на Солнце.
Ни один жёсткий материал во Вселенной не имеет возможности напрямую общаться с таковой температурой. Так что печку для изготовление гелия не окажется. Решить проблему оказывает помощь та самая тороидальная камера с магнитными катушками, либо токамак.
Мысль создания токамака осенила яркие головы ученых из различных государств в начале 1950-х, наряду с этим первенство конкретно приписывается советскому физику Олегу Лаврентьеву и его именитым сотрудникам Андрею Игорю и Сахарову Тамму.
Вакуумная камера в форме тора (пустотелого «бублика») окружается сверхпроводящими электромагнитами, каковые создают в ней тороидальное магнитное поле. Именно это поле удерживает раскаленную до десяти солнц плазму на некоем расстоянии от стенок камеры. Вместе с центральным электромагнитом (индуктором) токамак является трансформатором .
Изменяя ток в индукторе, порождают течение тока в плазме — перемещение частиц, нужное для синтеза.
Токамак возможно по праву вычислять примером технологического изящества. Электрический ток, протекающий в плазме, формирует полоидальное магнитное поле, опоясывающее плазменный шнур и поддерживающее его форму. Плазма существует при строго определенных условиях, и при их мельчайшем трансформации реакция срочно заканчивается.
В отличие от реактора АЭС, токамак не имеет возможности «пойти вразнос» и неконтролируемо наращивать температуру.
В маловероятном случае разрушения токамака не происходит радиоактивного заражения. В отличие от АЭС, термоядерный реактор не создаёт радиоактивных отходов, а единственный продукт реакции синтеза — гелий — не есть парниковым газом и нужен в хозяйстве. Наконец, токамак весьма аккуратно расходует горючее: на протяжении синтеза в вакуумной камере находится всего пара сотен граммов вещества, а расчетный годовой запас горючего для промышленной электростанции образовывает всего 250 кг.
- Март 2007 Первая фотография будущей платформы ITER с воздуха
Март 2009 42 га разровненной площадки ожидают начала строительства научного комплекса
Февраль 2011 Более 500 отверстий просверлено в сейсмоизолирующей шахте, все подземные полости заполнены бетоном
Август 2011 Начата заливка монолитной бетонной сейсмоизолирующей плиты
Февраль 2012 Установлено 493 1,7-метровых колонны с сейсмоизолирующими подушками из резинометаллического сэндвича
Апрель 2014 Завершено строительство строения криостата, залиты стены фундамента токамака 1,5-метровой толщины
Для чего нам ITER?
Токамаки хорошей схемы, обрисованные выше, строились на западе, России и Казахстане, Японии и Китае. С их помощью удалось доказать принципиальную возможность создания высокотемпературной плазмы. Но постройка промышленного реактора, талантливого отдавать больше энергии, чем потреблять, — задача принципиально иного масштаба.
В хорошем токамаке течение тока в плазме создается за счет трансформации тока в индукторе, а данный процесс не может быть нескончаемым. Так, время существования плазмы ограничено, и реактор может трудиться лишь в импульсном режиме. На разжигание плазмы требуется большая энергия — шутка ли, нагреть что-либо до температуры в 150 000 000 °C.
Соответственно, нужно добиться для того чтобы времени судьбе плазмы, которое даст выработку энергии, окупающую розжиг.
К примеру, в 2009 году на протяжении опыта на китайском токамаке EAST (части проекта ITER) удалось удержать плазму с температурой 107 К в течение 400 секунд и 108 К в течение 60 секунд.
Дабы продолжительнее удерживать плазму, нужны дополнительные нагреватели нескольких видов. Все они будут испытаны на ITER. Первый метод — инжекция нейтральных атомов дейтерия — предполагает, что атомы будут поступать в плазму предварительно разогнанными до кинетической энергии в 1 МэВ посредством дополнительного ускорителя.
Данный процесс изначально противоречив: ускорять возможно лишь заряженные частицы (на них действует электромагнитное поле), а вводить в плазму — лишь нейтральные (в другом случае они повлияют на течение тока в плазменного шнура). Исходя из этого от атомов дейтерия предварительно отнимается электрон, и положительно заряженные ионы попадают в ускоритель.
После этого частицы попадают в нейтрализатор, где восстанавливаются до нейтральных атомов, взаимодействуя с ионизированным газом, и вводятся в плазму. На данный момент мегавольтный инжектор ITER разрабатывается в итальянской Падуе.
- Совершенный токамак Термоядерный реактор — это элегантная техническая концепция с минимумом негативных побочных эффектов. Течение тока в плазме само собой образует полоидальное магнитное поле, поддерживающее форму плазменного шнура, а образующиеся высокоэнергетические нейтроны в сочетании с литием производят драгоценный тритий.
Второй способ нагрева имеет что-то общее с разогревом продуктов в микроволновке. Он предполагает действие на плазму электромагнитным излучением с частотой, соответствующей скорости перемещения частиц (циклотронной частотой). Для хороших ионов эта частота равняется 40−50 МГц, а для электронов — 170 ГГц. Для замечательного излучения столь высокой частоты употребляется прибор называющиеся гиротрон.
Девять из 24 гиротронов ITER производятся на предприятии Gycom в Нижнем Новгороде.
Хорошая концепция токамака предполагает, что форма плазменного шнура поддерживается полоидальным магнитным полем, которое само собой образуется при течении тока в плазме. Для долгого удержания плазмы таковой подход неприменим. В токамаке ITER предусмотрены особые катушки полоидального поля, назначение которых — держать раскаленную плазму подальше от стенок реактора.
Эти катушки относятся к самым массивным и сложным элементам конструкции.
Дабы иметь возможность деятельно руководить формой плазмы, вовремя ликвидируя колебания по краям шнура, разработчики предусмотрели маленькие маломощные электромагнитные контуры, расположенные конкретно в вакуумной камере, под обшивкой.
Топливная инфраструктура для термоядерного синтеза — это отдельная увлекательная тема. Дейтерий содержится фактически в любой воде, и его запасы можно считать неограниченными. А вот мировые запасы трития исчисляются от силы десятками килограммов. 1 кг трития стоит порядка $30 млн. Для первых запусков ITER пригодится 3 кг трития.
Для сравнения, около двух килограмм трития в год нужно для поддержания ядерного потенциала армии Соединенных Штатов.
Но в возможности реактор будет сам снабжать себя тритием. В ходе главной реакции синтеза образуются высокоэнергетические нейтроны, каковые способны превращать ядра лития в тритий. испытание и Разработка первой стены реактора, содержащей литий, — одна из наиболее значимых целей ITER.
В первых опробованиях будут употребляться бериллиево-бронзовые обшивки, цель которых сводится к защите механизмов реактора от тепла.
В соответствии с расчетам, даже в том случае, если перевести всю энергетику планеты на токамаки, мировых запасов лития хватит на тысячу лет эксплуатации.
С миру по токамаку
Для прецизионного управления термоядерным реактором нужны правильные диагностические инструменты. Одна из главных задач ITER — выбрать самые подходящие из пяти десятков инструментов, каковые сейчас проходят опробования, и дать старт разработке новых.
не меньше девяти диагностических аппаратов будет создано в Российской Федерации. Три — в столичном Курчатовском университете, в их числе нейтронно-лучевой анализатор. Ускоритель отправляет через плазму сфокусированный поток нейтронов, что претерпевает спектральные трансформации и улавливается приемной совокупностью.
Спектрометрия с частотой 250 измерений в секунду показывает плотность и температуру плазмы, силу электрического поля и скорость вращения частиц — параметры, нужные для управления реактором с целью продолжительного удержания плазмы.
- Фото Подготовка 104-километрового «Пути ITER» обошлась Франции в ?110 млн и четыре года работы. Дорога от порта Фос-Сюр-Мер до Кадараша была расширена и усилена, дабы по ней возможно было доставить на площадку самые тяжелые и габаритные подробности токамака.На фото: транспортер с тестовым грузом массой 800 т.
Три инструмента готовит НИИ имени Иоффе, а также анализатор нейтральных частиц, что захватывает атомы из токамака и оказывает помощь осуществлять контроль концентрацию трития и дейтерия в реакторе. Оставшиеся аппараты будут сделаны в университете Тринити, где на данный момент изготавливаются алмазные детекторы для вертикальной нейтронной камеры ITER. Во всех перечисленных университетах для опробований употребляются личные токамаки.
А в тепловой камере НИИЭФА имени Ефремова проходят опробования фрагменты мишени дивертора и первой стенки будущего реактора ITER.
К сожалению, тот факт, что множество компонентов будущего мегареактора уже существует в металле, не обязательно свидетельствует, что реактор будет выстроен. За последнее десятилетие оценочная цена проекта выросла с 5 до 16 млрд евро, а плановый первый запуск перенесся с 2010 на 2020 год. Будущее ITER целиком и полностью зависит от реалий отечественного настоящего, в первую очередь экономических и политических.
В это же время любой ученый, занятый в проекте, честно верит, что его успех способен до неузнаваемости поменять отечественное будущее.
Статья «Десять солнц в печи» размещена в издании «Популярная механика» (№142, август 2014).
<
h4>