ИТЭР; международный термоядерный реактор (ITER)

ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER)

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).

Компьютерная модель ITER

Ученые жгут

Словосочетание «термоядерный реактор» у многих людей вызывает настороженность. Ассоциативная цепочка понятна: термоядерная бомба страшнее просто ядерной, а значит, термоядерный реактор опаснее Чернобыля.

На самом деле ядерный синтез, на котором основывается принцип работы токамака, намного безопаснее и эффективнее ядерного деления, применяемого в современных АЭС. Синтез используется самой природой: Солнце представляет собой не что иное, как естественный термоядерный реактор.

В реакции задействованы ядра дейтерия и трития — изотопов водорода. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, а ядро трития — из протона и двух нейтронов. В обычных условиях одинаково заряженные ядра отталкиваются друг от друга, однако при очень высоких температурах они могут сталкиваться.

При соударении в игру вступает сильное взаимодействие, которое отвечает за объединение протонов и нейтронов в ядра. Возникает ядро нового химического элемента — гелия. При этом образуется один свободный нейтрон и выделяется большое количество энергии. Энергия сильного взаимодействия в ядре гелия меньше, чем в ядрах исходных элементов. За счет этого результирующее ядро даже теряет в массе (согласно теории относительности энергия и масса эквивалентны). Вспомнив знаменитое уравнение E = mc 2 , где c — это скорость света, можно представить себе, какой колоссальный энергетический потенциал таит в себе ядерный синтез.

Чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания, исходные ядра должны двигаться очень быстро, поэтому ключевую роль в ядерном синтезе играет температура. В центре Солнца процесс протекает при температуре 15 млн градусов Цельсия, но ему способствует колоссальная плотность вещества, обусловленная действием гравитации. Колоссальная масса светила делает его эффективным термоядерным реактором.

Создать такую плотность на Земле не представляется возможным. Нам остается лишь наращивать температуру. Чтобы изотопы водорода отдали землянам энергию своих ядер, необходима температура 150 млн градусов, то есть в десять раз выше, чем на Солнце.

Ни один твердый материал во Вселенной не может напрямую контактировать с такой температурой. Так что просто построить печку для приготовления гелия не получится. Решить проблему помогает та самая тороидальная камера с магнитными катушками, или токамак. Идея создания токамака осенила светлые головы ученых из разных стран в начале 1950-х, при этом первенство однозначно приписывается советскому физику Олегу Лаврентьеву и его именитым коллегам Андрею Сахарову и Игорю Тамму.

Вакуумная камера в форме тора (пустотелого «бублика») окружается сверхпроводящими электромагнитами, которые создают в ней тороидальное магнитное поле. Именно это поле удерживает раскаленную до десяти солнц плазму на некотором расстоянии от стенок камеры. Вместе с центральным электромагнитом (индуктором) токамак представляет собой трансформатор. Изменяя ток в индукторе, порождают течение тока в плазме — движение частиц, необходимое для синтеза.

Токамак можно по праву считать образцом технологического изящества. Электрический ток, протекающий в плазме, создает полоидальное магнитное поле, опоясывающее плазменный шнур и поддерживающее его форму. Плазма существует при строго определенных условиях, и при их малейшем изменении реакция немедленно прекращается. В отличие от реактора АЭС, токамак не может «пойти вразнос» и неконтролируемо наращивать температуру.

В маловероятном случае разрушения токамака не происходит радиоактивного заражения. В отличие от АЭС, термоядерный реактор не производит радиоактивных отходов, а единственный продукт реакции синтеза — гелий — не является парниковым газом и полезен в хозяйстве. Наконец, токамак очень бережно расходует топливо: во время синтеза в вакуумной камере находится всего несколько сотен граммов вещества, а расчетный годовой запас горючего для промышленной электростанции составляет всего 250 кг.

Зачем нам ITER?

Токамаки классической схемы, описанные выше, строились в США и Европе, России и Казахстане, Японии и Китае. С их помощью удалось доказать принципиальную возможность создания высокотемпературной плазмы. Однако постройка промышленного реактора, способного отдавать больше энергии, чем потреблять, — задача принципиально иного масштаба.

В классическом токамаке течение тока в плазме создается за счет изменения тока в индукторе, а этот процесс не может быть бесконечным. Таким образом, время существования плазмы ограничено, и реактор может работать только в импульсном режиме. На разжигание плазмы требуется колоссальная энергия — шутка ли, нагреть что-либо до температуры в 150 000 000 °C. А значит, необходимо добиться такого времени жизни плазмы, которое даст выработку энергии, окупающую розжиг.

К примеру, в 2009 году в ходе эксперимента на китайском токамаке EAST (части проекта ITER) удалось удержать плазму с температурой 10 7 К в течение 400 секунд и 10 8 К в течение 60 секунд.

Чтобы дольше удерживать плазму, необходимы дополнительные нагреватели нескольких видов. Все они будут испытаны на ITER. Первый способ — инжекция нейтральных атомов дейтерия — предполагает, что атомы будут поступать в плазму предварительно разогнанными до кинетической энергии в 1 МэВ с помощью дополнительного ускорителя.

Этот процесс изначально противоречив: ускорять можно только заряженные частицы (на них действует электромагнитное поле), а вводить в плазму — только нейтральные (в противном случае они повлияют на течение тока внутри плазменного шнура). Поэтому от атомов дейтерия предварительно отнимается электрон, и положительно заряженные ионы попадают в ускоритель. Затем частицы попадают в нейтрализатор, где восстанавливаются до нейтральных атомов, взаимодействуя с ионизированным газом, и вводятся в плазму. В настоящее время мегавольтный инжектор ITER разрабатывается в итальянской Падуе.

Второй метод нагрева имеет что-то общее с разогревом продуктов в микроволновке. Он предполагает воздействие на плазму электромагнитным излучением с частотой, соответствующей скорости движения частиц (циклотронной частотой). Для положительных ионов эта частота равняется 40−50 МГц, а для электронов — 170 ГГц. Для создания мощного излучения столь высокой частоты используется прибор под названием гиротрон. Девять из 24 гиротронов ITER производятся на предприятии Gycom в Нижнем Новгороде.

Классическая концепция токамака предполагает, что форма плазменного шнура поддерживается полоидальным магнитным полем, которое само собой образуется при течении тока в плазме. Для длительного удержания плазмы такой подход неприменим. В токамаке ITER предусмотрены специальные катушки полоидального поля, назначение которых — держать раскаленную плазму подальше от стенок реактора. Эти катушки относятся к самым массивным и сложным элементам конструкции.

Чтобы иметь возможность активно управлять формой плазмы, своевременно устраняя колебания по краям шнура, разработчики предусмотрели небольшие маломощные электромагнитные контуры, расположенные непосредственно в вакуумной камере, под обшивкой.

Топливная инфраструктура для термоядерного синтеза — это отдельная интересная тема. Дейтерий содержится практически 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 понадобится 3 кг трития. Для сравнения, около 2 кг трития в год необходимо для поддержания ядерного потенциала армии Соединенных Штатов.

Однако в перспективе реактор будет сам обеспечивать себя тритием. В процессе основной реакции синтеза образуются высокоэнергетические нейтроны, которые способны превращать ядра лития в тритий. Разработка и испытание первой стенки реактора, содержащей литий, — одна из важнейших целей ITER. В первых испытаниях будут использоваться бериллиево-медные обшивки, цель которых сводится к защите механизмов реактора от тепла. Согласно расчетам, даже если перевести всю энергетику планеты на токамаки, мировых запасов лития хватит на тысячу лет эксплуатации.

Создать термоядерный реактор на Земле реально. Какие будут последствия?

Ученые, разрабатывающие компактную версию термоядерного реактора, показали в серии исследовательских работ, что он все-таки может работать. В семи рецензируемых статьях, опубликованных во вторник в специальном выпуске The Journal of Plasma Physics, исследователи изложили доказательства того, что проект SPARC добьется успеха и будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет. Это возродило надежды, что у людей получится имитировать процесс выработки энергии Солнцем. Рассказываем, почему человечеству необходим термоядерный синтез и спасет ли человечество этот проект.

Читайте «Хайтек» в

Зачем нужна термоядерная энергия?

Чтобы предотвратить повышение глобальной температуры более чем на 1,5 градуса по Цельсию в этом веке, международному сообществу придется сократить выбросы углерода на 45% к 2030 году и до нуля к середине века. Между тем, количество выбросов продолжает расти с каждым годом, и процесс этот лишь ускоряется. Сухие цифры: в 2017 рост составил 1,6%, а в 2018 году достиг рекордного уровня, увеличившись на на 2,7%. Что еще хуже — глобальный спрос на энергию, по прогнозам, вырастет примерно на 27% к 2040 году, или на 3 743 млн тонн нефтяного эквивалента (мтнэ). Тонна нефтяного эквивалента является единицей энергии и определяется как количество энергии, выделяющейся при сжигании одной тонны из сырой нефти.

А что, если бы было одно энергетическое решение, которое могло бы решить все эти насущные проблемы? Хотя это звучит фантастически, оно существует.

Одна из самых мощных форм энергии, которую мы используем сегодня, — это ядерная энергия. Хотя современная атомная энергетика чрезвычайно эффективна и создает нулевые выбросы углерода, у нее есть много недостатков, и они серьезные: потенциальные ядерные расплавы и радиоактивные отходы, которые остаются опасными в течение тысяч лет.

Но есть способ получше.

Что такое термоядерный синтез и как его применить на Земле?

Все нынешние ядерные реакторы работают с использованием ядерного деления, процесса расщепления атомов для получения энергии. В течение многих лет ученые задавались вопросом, как мы можем использовать обратный процесс — ядерный синтез, который «приводит в действие» Солнце, соединяя атомы вместе — для удовлетворения растущих потребностей в энергии на Земле. Сам термоядерный синтез является сверхмощным процессом, в несколько раз более мощным, чем деление, и не приводит к образованию ядерных отходов, поскольку его топливом является не уран или плутоний, а водород. По сути, в случае успеха разработки термоядерного реактора, ученые создадут «мини-солнце» на Земле.

«Достижение контролируемых термоядерных реакций, которые потребляют больше энергии, чем требуется для их генерации, и в промышленных масштабах рассматривается как потенциальный ответ на изменение климата», — объясняет научный корреспондент Натаниэль Гроневольд для Scientific American. «Энергия термоядерного синтеза устранит потребность в ископаемом топливе и решит проблемы прерывистости и надежности, присущие возобновляемым источникам энергии. Энергия будет генерироваться без опасного количества излучения, которое вызывает беспокойство по поводу ядерной энергии деления».

Официальные лица Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), многонационального проекта, базирующегося на юге Франции, объявили, что теперь они находятся всего в 6,5 лет от «Первой плазмы», что является исторической вехой. Согласно пресс-релизу на этой неделе, проект ИТЭР, поддерживаемый консорциумом из 35 стран, в настоящее время завершен на 65%. Недавно установленная секция — основание криостата и нижний цилиндр — прокладывает путь для установки токамака, технологической конструкции, выбранной для размещения мощного магнитного поля, которое будет окружать ядро ​​термоядерного синтеза сверхгорячей плазмы.

Проблемы ядерного синтеза

Ядерный синтез так трудно осуществить из-за экстремальных условий — например, в ядре Солнца — которые требуется воспроизвести здесь, на Земле. Как пояснили в Министерстве энергетики США, «термоядерные реакции изучаются учеными, но их трудно поддерживать в течение длительных периодов времени из-за огромного давления и температуры, необходимых для соединения ядер».

Энергия термоядерного синтеза требует удержания очень горячей плазмы под высоким давлением. Для магнитного удержания очень горячей — во много раз более горячей, чем центр Солнца — плазмы требуются сильные магнитные поля. Они должны в 10 раз превышать атмосферное давление на поверхности Земли. Сила магнитного поля является критическим параметром в достижении этих условий, поскольку оно обеспечивает как изоляцию, чтобы поддерживать плазму горячей, так и внешнее давление, чтобы стабильно удерживать ее — и все это без физического контакта между плазмой и поверхностью материала.

Несмотря на то, что ядерный синтез дает невероятные перспективы для решения некоторых из самых сложных проблем современного мира, время идет, и многие эксперты говорят, что даже если синтез не за горами, время не на нашей стороне. Хотя есть надежда, что ИТЭР будет запущен к 2025 году и полностью введен в эксплуатацию примерно к 2035 году, это может быть слишком поздно. Еще в 2019 году эксперты по климату утверждали, что 12-летний срок, который Межправительственная группа экспертов дала миру, чтобы обратить изменение ситуации на планете вспять, возможно, придется сократить до 18 месяцев. Ганс Иоахим Шелльнхубер из Потсдамского института климата год назад объяснил это так: «Математика климата предельно ясна: хотя мир не может быть исцелен в ближайшие несколько лет, он может быть смертельно ранен из-за халатности до 2020 года».

Однако на этой неделе надежда на получение чистой энергии снова зажлась.

Проект SPARC

Ученые, разрабатывающие компактную версию ядерного термоядерного реактора, показали в серии исследовательских работ: он должен работать, возродив надежды на то, что давно неуловимая цель имитации произведения Солнцем энергии может быть достигнута и в конечном итоге будет способствовать борьбе с климатом.

Центр плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института в сотрудничестве с частным стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) разрабатывает концептуальный проект SPARC. Это компактный высоковольтный эксперимент с чистой термоядерной энергией. Как ожидается, SPARC будет размером с существующие термоядерные устройства среднего масштаба, но с гораздо более сильным магнитным полем. Опираясь на законы физики, ученые надеются, что устройство будет производить 50–100 МВт термоядерной мощности. Такой эксперимент станет первой демонстрацией создания чистой энергии и возможностью создания устройства, построенного с использованием новой сверхпроводящей технологии. SPARC вписывается в общую стратегию ускорения разработки термоядерного синтеза за счет использования новых высокополевых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) магнитов.

Сроки строительства

Ожидается, что строительство реактора под названием SPARC, который разрабатывается исследователями из Массачусетского технологического института и дочерней компанией Commonwealth Fusion Systems, начнется весной следующего года и займет три или четыре года, заявили исследователи и представители компании.

Хотя остается еще много серьезных проблем, компания заявила, что за строительством последуют испытания и в случае успеха строительство электростанции, которая могла бы использовать термоядерную энергию для выработки электроэнергии, начиная с следующего десятилетия.

Этот амбициозный график намного быстрее, чем у крупнейшего в мире проекта по созданию термоядерной энергии, многонационального проекта на юге Франции под названием ИТЭР. Этот реактор строится с 2013 года, и хотя он не предназначен для выработки электроэнергии, ожидается, что к 2035 году он будет давать реакцию синтеза.

Боб Мамгаард, генеральный директор Commonwealth Fusion и один из основателей компании, сказал, что цель проекта SPARC — вовремя разработать термоядерный синтез, чтобы он сыграл роль в смягчении последствий глобального потепления. «Мы сосредоточены на том, чтобы как можно быстрее получить термоядерную энергию», — сказал он.

Термоядерный синтез, в котором легкие атомы собираются вместе при температурах в десятки миллионов градусов для высвобождения энергии, стал для всего мира способом преодоления последствий производства электроэнергии для изменения климата.

Подобно обычной ядерной электростанции деления, которая расщепляет атомы, термоядерная установка не будет сжигать ископаемое топливо и не будет производить выбросы парниковых газов.

Критика проекта

Несмотря на амбиции проекта, препятствия на пути создания машины, способной создавать термоядерную плазму и управлять клубящимся сверхгорячим облаком атомов, которое повреждает или разрушает все, к чему прикасаются, огромны.

Некоторые ученые, которые десятилетиями работали над термоядерной энергией, говорят, что хотя они с энтузиазмом относятся к перспективам Sparc, график может быть попросту нереальным.

«Чтение этих документов (исследовательских работ — прим. ред.) дает мне ощущение, что у разработчиков будет контролируемая термоядерная термоядерная плазма, о которой мы все мечтаем», — заявил Кэри Форест, физик из Университета Висконсина, который не участвует в проекте. Однако он не уверен, что сроки выполнения проекта реальны.

По словам доктора Мумгаарда, SPARC будет намного меньше, чем ITER — размером с теннисный корт, по сравнению с футбольным полем, — и намного дешевле, чем международный проект, который, по официальным оценкам, обойдется примерно в 22 млрд долларов, но и эта цифра — не предел. Компания Commonwealth Fusion, основанная в 2018 году и насчитывающая около 100 сотрудников, на данный момент привлекла 200 млн долларов на свой проект.

Отличия Sparc от ITER

С тех пор как почти столетие назад начались эксперименты по термоядерному синтезу, перспектива создания практического термоядерного устройства, которое может производить больше энергии, чем используется, оставалась неуловимой.

Но, если верить выводам ученых в The Journal of Plasma Physics проект SPARC добьется успеха и будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет.

Исследование «подтверждает, что проект, над которым мы работаем, скорее всего, будет работать», — заявил Мартин Гринвальд, заместитель директора Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и один из ведущих ученых проекта. Доктор Гринвальд является основателем Commonwealth Fusion, но в настоящее время не связан с компанией.

SPARC использует тот же тип устройства, что и ITER: токамак, или камера в форме пончика, внутри которой происходит реакция синтеза. Поскольку облако плазмы такое горячее — горячее, чем Солнце, — его необходимо удерживать магнитными силами.

ИТЭР делает это с помощью огромных электромагнитных катушек, содержащих сверхпроводящие провода, которые необходимо охлаждать жидким гелием.

По словам Гринвальда, SPARC использует преимущества новой электромагнитной технологии, в которой используются так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые могут создавать гораздо более сильное магнитное поле. В результате плазма намного меньше.

Документы показывают, что «этот путь с высоким полем все еще выглядит жизнеспособным», — сказал доктор Гринвальд. «Если мы сможем преодолеть инженерные проблемы, эта машина будет работать так, как мы прогнозируем».

Commonwealth Fusion заявила, что объявит о местонахождении SPARC через несколько месяцев.

Кто еще работает над термоядерной энергией и есть ли надежда?

Commonwealth Fusion — лишь одна из многих компаний, работающих над разработкой и коммерциализацией термоядерной энергии в партнерстве с исследовательскими учреждениями, при поддержке сотен миллионов долларов инвестиций.

Например, компания TAE Technologies, базирующаяся в Южной Калифорнии, работает над конструкцией, в которой используется линейное устройство, которое стреляет двумя облаками плазмы друг в друга для получения термоядерного синтеза.

First Light Fusion, дочерняя компания Оксфордского университета в Англии, использует энергию для сжатия и сжатия термоядерного топлива.

Доктор Форест сказал: используя более сильные магнитные поля, SPARC можно назвать более «консервативным». «Это полностью отличает его от всех стартапов, которые по определению являются более рискованными», — подчеркивает он.

Уильям Дорланд, физик из Университета Мэриленда и редактор журнала The Journal of Plasma Physics, сказал, что журнал попросил представителей некоторых из этих термоядерных проектов «рассказать об их физических основах». По его словам, группа MIT и Commonwealth Fusion быстро согласилась.

«С моей точки зрения, это первая из этих групп, у которой есть частные деньги, которая на самом деле очень ясно говорит о том, что они делают, — сказал доктор Дорланд. — Разумные люди расходятся во мнениях о том, работает ли это. Но я просто счастлив, что они активизировались и рассказывают нам, используя нормальную науку, что происходит», — заключает он.

В конечном итоге каких последствий ждать от разработки термоядерного реактора? Если технологические процессы будут отлажены и контролируемы, это спасет человечество. Чистая энергия от синтеза атомов вместо их деления как минимум обезопасит планету от ядерных отходов.

Что в итоге?

Несмотря на всю опасность и сложность проектов по разработке термоядерного синтеза, непохоже, что у человечества есть какие-то альтернативы. Предел возможностей планеты ограничен, в отличие от потребностей человека. Выполнят ли свои обещания SPARC, ITER или какой-нибудь стартап, покажет время.