Термоядерный реактор

Если объяснять на пальцах, термоядерный реактор это когда в магнитном поле удерживают плазму с температурой в 150 раз выше, чем на Солнце, а в трех метрах от нее находится охлаждающий контур гигантских катушек с температурой почти абсолютный ноль по Кельвину. По факту получаем самую горячую и самую холодную точки в галактике под одним колпаком. В реакторе два изотопа водорода сплавляются в гелий, высвобождая нейтрон, обладающий огромной энергией. По сути, это Солнце на Земле.


ITER международный проект по строительству опытного реактора мощностью 500 МВт, который официально перешел из стадии строительства на стадию сборки.

Виталий Красильников наш рассказчик, работает на проекте уже семь лет.

Виталий родом из Троицка. Закончил троцикую школу 3 (теперь это лицей), отучился на физтехе в МИФИ, выбрав по примеру отца и друзей семьи тему токамаков, а после работал в научном центре ТРИНИТИ. Откликнулся на интересную вакансию в ITER и в данный момент участвует в строительстве самого большого токамака из когда-либо спроектированных человеком. С конца прошлого года Виталий вместе с коллегами курирует разработку нейтронных диагностик.

В августе при поддержке троицкой Точки Кипения он провел вебинар Когда будет термояд?. Эту статью мы сделали вместе с Виталием на основе его лекции и сессии вопросов ответов, которая за ней последовала.


Итак, давайте поговорим о термоядерном синтезе.

Была такая шутка: в каком бы году вы ни спросили, вам отвечают, что термояд будет через 10 лет. Сегодня эти прогнозы по срокам мы формулируем на основе проекта ITER International Thermonuclear Experimental Reactor (Международного экспериментального термоядерного реактора). Сейчас это знамя, под которым ведутся все основные разработки в данной области.

В пике ITER должен производить 500 МВт ядерной мощности в 10 раз больше, чем требуется для его работы. Это один из самых амбициозных энергетических проектов. Сегодня в нем участвуют семь стран-партнеров, представляющих больше 50% населения планеты: страны ЕС (выступают как единый участник), Китай, Индия, Япония, Россия, Корея и США. Со стороны проект поддерживают Австралия и Казахстан.

Базовые принципы работы термоядерной установки

Для неподготовленной части аудитории сделаю небольшое отступление об основных идеях, заложенных в ITER.

Экспериментальный реактор строится для изотопов водорода дейтерия и трития. Если у обычного водорода ядро состоит из одного протона, то ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, а ядро трития один протон и два нейтрона. В результате реакции дейтерия и трития получается сложное ядро из пяти элементов, которое разваливается на гелий и нейтрон.


Ядерная реакция дейтерия и трития с образованием гелия и свободного нейтрона

Гелий инертный газ, который ничем не вредит. У свободного нейтрона короткое время жизни, он сам по себе не опасен. Но он обладает большой энергией, поэтому нейтрон необходимо каким-то образом поймать и затормозить, а его кинетическую энергию применить с пользой. Один из вариантов нагреть воду, создать турбину и преобразовать эту энергию в электричество.

Чтобы соединить дейтерий и тритий, их нужно разогнать навстречу друг другу. В больших объемах это можно сделать, нагрев смесь двух газов. Но чтобы реализовать эту реакцию в масштабах ITER (получив заданное отношение затрачиваемой и полезной мощности), по предварительным расчетам, придется нагреть смесь до 100200 млн градусов (по Кельвину или Цельсию уже не важно). Для сравнения: на Солнце всего 10 млн градусов, т.е. температура внутри экспериментального реактора должна быть в 1020 раз выше.

Чтобы удержать плазму такой температуры в замкнутом объеме, можно использовать электрические и магнитные поля.

Один из подходящих инструментов предложили еще в Советском Союзе это тороидальная камера, получившая название токамак.

Термоядерный реактор ITER в разрезе

Токамак представляют собой магнитную катушку, где магнитные поля сформированы таким образом, что удерживают плазму в неком объеме внутри бублика.

Огромные перспективы термоядерного синтеза стоят на трех столпах.

• Топливо для описанной реакции, по сути, бесконечно, существующих запасов землянам хватит на миллионы лет: дейтерий доступен в Мировом океане, а тритий можно производить в неограниченном количестве из лития.
• Взрыв или ядерное разрушение в результате неконтролируемой термоядерной реакции невозможны в принципе. Если что-то идет не так, реакция просто затухает.
• И третий это отсутствие выбросов. На выходе мы имеем гелий, который остается в плазме и подогревает ее, а также нейтрон с большой кинетической энергией, который нужно просто поймать. Сама установка, конечно, облучается нейтронами, но не производит ядерные отходы.

Токамаки строились и раньше, в том числе в России. Но даже самый крупный токамак, находящийся в Англии (Jet), пока потребляет больше энергии, чем производит: сейчас отношение полученной мощности к затраченной от 0,8 до 0,9. В ITER планируют улучшить результаты на порядок, добившись отношения 10 за счет другой физики плазмы, которая должна сама себя подпитывать. Правда, предстоит еще понять, как управлять этими процессами.

С ростом масштабов и температур инженерные проблемы растут нелинейно. Увеличился объем плазмы в два раза катушка нужна в четыре раза больше. Нужны сверхпроводники, которые придется обернуть в некий термос и обеспечить внутри температуру -270 градусов. Все это нетривиальные инженерные задачи.


ITER: диаметр 28 метров, высота 30 метров. Масса 30 тысяч тонн

Вот так выглядит ITER. Токамак размещен в колбе, она называется криостат. Это внешняя оболочка, которая охлаждает сверхпроводники катушек, создающих магнитное поле.

Внутри токамака необходимо создать температуру в 100 раз выше температуры Солнца это будет самая горячая точка нашей Галактики. А снаружи будет одна из самых холодных точек 4 градуса по Кельвину.

Расстояние между самой горячей и самой холодной точками всего несколько метров.

Когда технологии не поспевают за теорией

Практически по всем направлениям разработки ITER мы сталкиваемся с проблемами, которые еще никто никогда не решал.

К примеру возьмем электронику, предназначенную для работы в вакууме и использующуюся для космических целей. Однако у нее нет защиты от радиации, которой в космосе почти нет. Существуют радиационно стойкая сталь и электроника для атомных реакторов, но они неспособны работать в вакууме (таких требований в реакторах просто не было). А значит, нужны новые, устойчивые и к вакууму, и к радиации материалы.

Еще пример нейтронные детекторы, которыми я занимаюсь. Для ITER нам нужно несколько сотен детекторов, по 10 кристаллов в каждом. Нынешними темпами мир выращивает примерно 1050 кристаллов в год, а к 2025-му нужно будет получить около 2000 кристаллов. Этот спрос неспособны удовлетворить имеющиеся установки. Несколько западных лабораторий работают над тем, чтобы доработать технологию.

И подобные примеры можно приводить бесконечно.

Краткая история ITER

Впервые о проекте ITER публично заговорили в 1985 году на саммите в Женеве на пике оттепели международных отношений. США и СССР в лице Горбачева и Рейгана договорились о совместных разработках в области термоядерного синтеза. А крестным отцом ITER, пожалуй, можно назвать Е.П. Велихова советского ученого, который предложил эту идею Горбачеву.


Встреча Рейгана и Горбачева на саммите в Женеве, 1985 г.

Некоторое время достигнутая договоренность существовала в эдаком вакууме, но в начале 2000-х к ней вернулись.

Когда в ноябре 2006 года в Елисейском дворце было подписано соглашение между семью странами-участниками, стало понятно, что проект ITER будет реализован.

Строительные работы на площадке начались в 2007 году. К 2010-му на территории уже вырубили лес, выровняли землю, построили несколько зданий. Начали рыть котлован под токамак-комплекс. На фото видны автомобили и домики. Площадь вырытого котлована размером с городской квартал.



В 2011-м начали заливать фундамент.


Ниже на фото активные сейсмические подставки. Они заменяемые: если одна из них выйдет из строя, специальный робот залезет под здание и произведет замену.


Сверху бетонной плиты специальная противосейсмическая раскладка арматуры, которая будет заливаться бетоном.


Я приехал на проект в 2013 году. Тогда все строительство шло под землей и выглядело примерно так:


С конца 2014 года началось возведение стен над землей. На фото ниже Assembly Building. В него для предварительной сборки будут попадать все крупные компоненты системы, а в здание токамака их перенесут с помощью большого крана.



А это подстанция высокого напряжения и трансформаторы.


В 2015 году Assembly Building обернули во внешние стены.


А это фото 2016 года:


А на фото ниже хорошо виден прогресс с 2014 года по весну 2020-го. Фото сделаны с разных ракурсов, но на них заметны существенные улучшения.



А вот так проект выглядит сегодня:


Здание токамака из бетона со стенами толщиной 1-1,5 м закончили 18 июня 2020-го (металлическая конструкция сверху временная)

Еще несколько фото прогресса. Первый кадр снят внутри токамак-здания. Под этой крышкой будет размещаться токамак ITER. Вдали видно здание сборки и перемещаемый кран.


А это основание криостата. Оно уже установлено туда, где будет собираться токамак.


В начале лета 2020-го проект ITER официально перешел из стадии строительства на стадию сборки. Мы чуть ли не каждую неделю принимаем на стройплощадке большие элементы токамака: катушки, части вакуумной камеры. И это новый вызов. Огромные компоненты предстоит подгонять с точностью часового механизма. К примеру, допуски изготовления вакуумной камеры (30-метровой конструкции весом чуть меньше килотонны) 1 мм. Возможно, оборудование придется подгонять под неточные размеры компонентов.

А параллельно идет постоянное уточнение конструкции, переделка чертежей.

Например, электрики выяснили, что нужно использовать более толстые провода. Те, в свою очередь, не помещаются в трубопроводы, плюс придется увеличивать отверстия в стенах. А значит, вырастет поток нейтронов наружу. Итог: придется разрабатывать более стойкую к радиации электронику.

Есть такая шутка, что каждые два года проект строят заново. Но при этом ни один шаг нельзя пропустить: нельзя восемь лет ничего не делать, включившись только на финальном этапе. Необходимо пройти весь путь от начала и до конца.

Структура проекта

Как я сказал, в проекте семь участников. В соответствии с базовой договоренностью Европейский союз вкладывает 45%, остальные страны по 9%. Вкладывают деньги в центральную организацию на юге Франции. А также оборудование (части установки) и лучшие умы.

На гистограмме ниже показано, как страны-участницы вкладываются в отдельные направления.


Под восьмой аббревиатурой JF, по всей видимости, скрывается доля других стран (Казахстан и Австралия). Это распределение довольно плоское. Направления не разделены между странами, и это осознанный шаг, чтобы знания в каждой из областей не концентрировались в одних руках. Все делают понемногу. Например, Россия отвечает за верхние патрубки вакуумной камеры. Также она делает несколько диагностических систем.


Тут видно, что Россия поставляет катушки тороидального поля, часть диверторов, несколько модулей термозащиты, часть вакуумной камеры

Важный момент, на котором я хотел бы остановиться, это организация процессов в ITER.


В центре структуры генеральный директор ITER Organization, над ним совет ITER, в который входят представители всех партнеров, участвующих в проекте. Правительства стран участниц проекта на схеме показаны зеленым.

Совет управляет всем процессом, диктуя свои решения директору. Тот, в свою очередь, воплощает их в реальность, управляя рядом департаментов. На схеме их всего три, в реальности же их намного больше.

Департаменты общаются с локальными агентствами стран-участниц (иногда их называют домашними агентствами), а те взаимодействуют с лабораториями и индустрией именно они строят компоненты токамака и поддерживающих систем.

Некоторые подсистемы изготавливает ITER напрямую, но большая часть все же проходит через всю цепочку от директора до завода в конкретной стране.

Как видно из схемы, линейное управление проектом отсутствует. Локальные агентства имеют выход на свои правительства, и цепь замыкается. Эта нелинейность важная особенность ITER: в любом вопросе участвуют разные стороны.

Для ITER определено четыре основных этапа.


Таймлайн проекта. Выход на полную мощность запланирован на 2035 год. После система будет использоваться только в научных целях и для обкатки технологий

Так называемая Stage Approach Configuration должна дать первую плазму к декабрю 2025 года. Эту дату установили несколько лет назад, и она не сдвигается, несмотря на коронавирус и политические изменения.

В этой конфигурации ITER будет функционировать всего полгода. Мы называем эту стадию политической плазмой: на малой мощности она поможет нам проверить вакуумную камеру, систему нагрева, магниты. В итоге мы должны понять, что вакуумная камера работает и плазма создается.

Далее начнется досборка тонких систем, в том числе системы нагрева плазмы. По мере сборки запланированы Prefusion power operation 1 и 2 на 2028 и 2032 годы соответственно.

Выход на максимальную мощность в декабре 2035 года. После 2035 года ITER будет функционировать в научных целях еще 10 лет. Планируется 5,5 тыс. разрядов в 500 МВт по 500 секунд.

Вместо итогов

На данном этапе речь не идет о коммерческом производстве электроэнергии путем термоядерного синтеза. Нейтроны не будут захватываться, а их энергия не будет преобразовываться в электричество. Нейтроны будут выходить из установки, и их будут задерживать бетонные стены здания. Частицы будут проникать в комнаты и ячейки, поэтому во время работы установки людей в здании не будет. А механические свойства материалов, подвергающихся постоянной бомбардировке нейтронами, конечно, рассчитывают с учетом планируемого срока эксплуатации установки (полный выход нейтронов за все время работы установки порядка 10²¹).

В теории есть несколько способов использовать кинетическую энергию нейтронов во благо. Один я уже упоминал нагреть воду и поставить турбину. Второй путь гибридный. Небольшой токамак можно обложить ураном-238 и использовать нейтроны для поддержания реакции распада урана. Масса урана при этом может быть много меньше критической, т.е. взрыва не произойдет ни при каких условиях. Если что-то пойдет не так в такой гибридной установке, реакция просто затухнет. Уран будет работать только за счет того, что его бомбардируют нейтроны, которые появляются, когда идет термоядерная реакция. И хотя такая станция производит радиоактивные отходы, она безопасна не может взорваться.

Но финальная цель это, конечно, чистый термояд, где нет урана и ядерных отходов. Это единственно правильная цель, но путь к ней долгий и сложный. Если ITER выполнит свою функцию и к 20352045 годам ответит на вопрос, можно ли получить выход энергии в 10 раз больше, чем затрачено, мы начнем строить демонстрационную станцию. В лучшем случае к 2050-му она даст ответ, будет ли коммерческий старт у проекта.

Однако двигаться в этом направлении надо. И ITER это выгодная сделка. Каждый участник вкладывает 9%, но получает 100% разработок. По сути, это большой учебный проект для всех стран, который стоит намного дороже, чем любые коммерческие разработки. Но, несмотря на это, проект идет согласно графику и не обманывает ожидания. С каждым годом ему все больше доверяют, а значит, дальше работа должна пойти лучше и быстрее.


Основной этап строительства ITER завершен. Настал черед сборки реактора (фото март 2020-го)

В общем, это будет подарок нашим внукам. О том, как продвигается проект, рассказывают на YouTube-канале ITER Organization.

Прошедший год, безусловно, сильно выделяется силе слома привычного течения вещей и по количеству внезапно возникших проблем. Особенно сильно эти проблемы могли бы проявиться для большого индустриального проекта, раскинутого на 35 стран и зависящего от государственного финансирования. Тем не менее, можно сказать, что ИТЭР прошел пандемические ограничения и трудности с честью.



Строительство, монтаж, производство, координация и связь участников из разных стран все это быстро перестраивалось по мере изменения обстановки, и в итоге прогресс проекта в 2020 году вышел весьма впечатляющим. Везло проекту и с финансированием, так, главные отстающие США, в 2020 финансовом нарастили вливания в проект даже выше своих прямых обязательств, покрывая накопленные за предыдущие годы долги. Все это привело к впечатляющему техническому прогрессу, в который мы и окунемся.

Строительство

Рубрика строительство раньше занимала не менее половины всего годового текста, однако теперь ее время явно уходит, вслед за завершением строительной части проекта. На конец 2020 года было сдано 16 из 18 зданий пускового минимума 2025 года и началось строительство 17 здания управления, где будет находится ЦУП ИТЭР и ИТ инфраструктура. Тем не менее, надо отметить главное событие, произошедшее в 2020 году завершение здания токамака.


8 января 2020 года строители заканчивают металлоконструкции надстройки здания токамака и приступают к облицовке. Отставание от графика 2015 в итоге составило ~6 месяцев.


Это здание центр всего комплекса, самый тяжелый и сложный построенный объект. 120х90 метров в плане, 7 этажей в вертикали, ~300 тысяч тонн весом, ~250 млн евро стоимостью, сооружение которого заняло около 7 лет.


Декабрь 2013 начало заливки пола нижнего подвального этажа комплекса зданий токамака.

Финальная металлоконструкция, накрывающая реакторный зал и предоставляющая путь для грандиозных мостовых кранов была собрана всего за полгода, и в феврале 2020 года началась разборка временной стенки между залом предварительной сборки и зданием токамака. 30 марта, за сутки до дедлайна спарка мостовых кранов грузоподьемностью 1500 тонн вошла в здание токамака, официально соединив его с соседом.


Краны с ~1000 тонн тестовой нагрузки первый раз въезжают из здания предварительной сборки в реакторный зал.

Надо отметить, что к зданию токамака плотно пристроены 2 крыла диагностическое здание с юго-запада и здание фабрики трития с северо-востока. Первое было достроено еще в 2018 и с тех пор обживается, а вот здание трития замерло на уровне пола этажа L2 примерно тогда же, в 2018. Причины этого не озвучиваются, но подозреваю, что виноват очередной редизайн систем. Впрочем, тритий в проекте ИТЭР понадобится не раньше 2030, так что время для достройки еще есть.

Сборка и монтаж

В 2020 году на площадке в Кадараше заметно увеличились работы по сборке и монтажу элементов систем ИТЭР, от банальной электрики до весьма специфических частей будущего реактора например криоэкранов. Но обо всем по порядку.


Рендер здания токамака со всем (или большей частью) насыщения. Видны бежевые линии кабельных лотков, желтые шинопроводов и коммутации, голубые охлаждающей воды, синие криогеники, бледно-зеленые вентиляции, темно-зеленые научного оборудования, красные систем нагрева и т.п.

Все специализированные системы ИТЭР, типа конвертеров магнитной энергии, микроволнового электрон-циклотронного нагрева или диагностических сборок зависят от более базовых сервисных систем, коих можно выделить четыре штуки: электропитание, отведение тепла, снабжение криожидкостями и вакуумом. Довольно очевидно, без ввода этих подсистем невозможна пусконаладка всего остального. Самым базовым, очевидно, является электропитание, без которого не заработают ни отвод тепла, ни криокомбинат, ни вакуумные насосы. Еще в 2019 году в строй было введено распределительное устройства 22 киловольт, отвечающее за ~110 мегаватт потребителей в основном сервисных нагрузок.


Самую большую часть площадки занимает электрочасть ИТЭР. Ближе всего к нам открытое распределительное устройство (ОРУ) 400 киловольт, за ней 7 вводных цепей ИТЭР справа 4 постоянных нагрузок, слева 3 импульсных. ВРУ 22 киловольта находится справа за трансформаторами, слева за трансами ОРУ 66 киловольт и за ним здания магнитных конвертеров. Вдали слева система компенсации реактивной мощности.


Load Center 14, сданный в 2020 году отвечает за питание низковольтных потребителей систем радиочастотного нагрева.

В 2020 году создание этой подсистемы продолжилось строительством и монтажом load centerов локальных вводных распределительных устройств, расположенных возле основных потребителей (криокомбината, системы сброса тепла, здания радиочастотного нагрева и предварительной сборки). Выполнялась так же и затяжка кабелей потребителей.


Мрачноватое фото из подземного канала в котором видны множество уложенных кабелей 66 киловольт, идущих к потребителям. Вообще в ИТЭР порядка 3 км таких подземных галерей.

Второй частью системы электропитания является система питания переменных нагрузок PPEN к коим в основном относятся системы нагрева и управления током в магнитах. В момент плазменного выстрела эта часть будет забирать из национальной сети до 500 мегаватт мощности, при этом внутри магнитной системы будет циркулировать до 2 гигаватт мгновенной мощности. Здесь в 2020 году монтировалось крупное открытое распределительное устройство 66 киловольт, затягивались кабели к основным потребителям (магнитным конвертерам и зданию радиочастотного нагрева) а также монтировалось оборудование станции контроля реактивной мощности, фактически набора коммутируемых конденсаторов и индуктивностей, которые будут обмениваться энергией с гигантскими катушками сверхпроводящих магнитов ИТЭР, снижая нагрузку на национальную электросеть Франции.


Здания магнитных конверторов в процессе монтажа оборудования.


Аллея измерительных трансформаторов тока и конденсаторных сборок активных фильтров системы компенсации реактивной мощности.

Готовность подсистемы питания позволило в течении 2020 года сильно продвинуться в монтаже крупнейшего потребителя электроэнергии системы сброса тепла.



В момент мощнейших термоядерных экспериментов эта система будет принимать до 1150 мегаватт как термоядерного тепла, так и тепла механизмов и систем. Тепло будет сбрасываться темпом 500-600 мегаватт через 10 вентиляторных градирен, а разница буферизоваться в горячем и холодном бассейне. На всей площадке ИТЭР уже протянуты трубы трех петель теплоносителя, обеспечивающих примерно ~10 точек теплообмена холодной водой.

Как год назад весьма радовали фотографии первых единиц смонтированного оборудования, то в конце года радуют глаза с функциональных тестов этого оборудования. На фото бассейн холодной воды под градирнями.



В ноябре успешно были проверены бассейны воды на утечки и в декабре началась пусконаладка довольно сложного комплекса из 27 насосов, 20 теплообменников, системы подготовки воды, сотен датчиков, десятков приводов арматуры общим потреблением до 67 мегаватт. Ожидается, что в 1 полугодии 2021 эта система будет готова обслуживать некоторых потребителей, в частности криокомбинат другую важную сервисную систему ИТЭР.



Криокомбинат ИТЭР будет самой большой сосредоточенной криоустановкой в мире (криосистема БАК еще больше, однако она разнесена на несколько блоков). Он состоит из парка газгольдеров и баков криожидкостей, генератора азота, 2 азотных компрессоров, 2 колонн ожижения азота, 18 компрессоров гелия, организованных в 3 линии, систем очистки гелия от масла и воды и как вершины всего этого трех вакуумных боксов для ожижения гелия.



2 из 4 холодных ящиков криокомбината вакуумных сосудов с размещенным внутри оборудованием для ожижения гелия теплообменниками, циркуляторами, испарителями, турбодетандерами и т.п.

Из одного перечисления основных блоков становится понятно, что количество соединительных трубопроводов будет зашкаливать, а пусконаладка будет не быстрой. В частности, в 2020 году монтажники установили в криокомбинате ~800 секций только криогенных трубопроводов (для теплых трубопроводов точной информации нет, но думаю их никак не меньше). Так же в 2020 шла затяжка силовых и управляющих кабелей, установка силовой электроники. Во второй половине 2021 года можно ожидать начало пусконаладки криокомбината как раз в тот момент, когда система сброса тепла сможет принимать тепло работающих компрессоров (до 30 мегаватт в пике).


Интересная деталь на переднем плане 5 электрических нагревателей общей мощностью 800 киловатт, которые нужны для того, что бы побыстрее отогреть сверхпроводящие магниты до комнатной температуры, когда установка будет останавливаться на обслуживание.

Есть правда одно но между криокомбинатом и зданием токамака должна быть проложена эстакада, где пройдут трубопроводы с криотеплоносителями. Но, ее строительство еще даже не начиналось, да и потребителей в здании токамака пока нет. Так что раньше ~2023 года никакой пользы от криокомбината мы не увидим.


Несмотря на видимость запредельной сложности весь криокомбинат собран из уже индустриально готовых систем, т.е. здесь просто МНОГО всего, но хотя бы не на грани фантастики.


Одним из ключевых потребителей криотемператур будет вакуумная система ИТЭР. Это четвертый сервисный кит, на котором лежит функционирование токамака. Например, с вакуумирования начнется комплексная приемка и сверхпроводящих магнитов и всего реакторного оборудования. К сожалению, на конец 2020 года это была наиболее отстающая в плане монтажа система. Осенью 2020 только начались примерочные установки трубопроводов вакуума, в основном же все ее элементы находятся на разных этапах производства. В частности, активно производятся трубопроводы, задвижки, клапана, заказаны распределительные коробки и шкафы, часть стандартных вакуумных насосов. Идет производство и нестандартных насосов крисорбционных насосов первой линии, криоконденсационных насосов, которые будут разделять изотопы водорода и гелий. Идет разработка важнейшей системы контроля и поиска неплотностей, контракт на которую в 2020 получили компании IDOM, 40-30 и Gutmar


Набор из газоанализаторов остаточных газов вакуумного объема и установленных снаружи источников гелия/внутри детекторов гелия должен обнаруживать и локализовывать неплотности вакуума.

Однако, хватит о банальном. Давайте поглядим на более уникальные вещи. В 2020 году начался монтаж шинопроводов системы питания сверхпроводящих магнитов. Это алюминиевые шины сечением от 100х160 до 400х700 мм с активным водяным охлаждением, всего из двух зданий магнитной конверсии до вводов в токамак надо протянуть 24 сдвоенные линии шинопроводов. Надо отметить, что эти шинопроводы, их соединения и опоры, коммутационная аппаратура производятся в России, в рамках вклада в проект. Отрадно видеть живое железо, да еще и такое наглядное :)





Последние три фотографии линии шинопроводов в подвальном этаже здания диагностики (пристройка к зданию токамака), где будет находится часть коммутационного оборудования.

В 2020 году был практически закончен монтаж шинопроводов в здании конверторов и на нижнем этаже здания токамака. Впереди монтаж вертикальных секций в шахтах здания токамака, на верхнем этаже и на двух мостах, которые соединят все воедино.


А вот так начинаются линии шинопроводов в здании магнитной конверсии от преобразователей (видны только развязывающие индукторы и активная перемычка) и через мост в здание диагностики.

Кроме того, в здании токамака в 2020 году шел монтаж секций криолиний, вентиляции и кондиционирования, труб водяного охлаждения, кабельных лотков и сотен опор под это все. В общем, монтаж систем в здании токамака официально стартовал.


Без вентиляции и кондиционирования не получится запустить как минимум шкафы электроники управления, так что установка этой системы заранее радует.

Еще одной маленькой, но важной вехой стала передача ИТЭР полностью функционирующего вспомогательного цеха (здания B61). Здесь располагаются системы подготовки деминерализованной воды, сжатого воздуха и азота, чиллеры выдающие воду с температурой 10 градусов и т.п. Это здание было первым готовым на площадке (еще в 2016 году), было и первым, в котором смонтировали все системы (в начале 2019), и теперь вот оно полностью передано в эксплуатацию.


B61 в верхнем левом углу кадра. А справа по центру можно увидеть недоведенную на 4 этажа пристройку здание трития.

Ну и наконец к главному монтажному событию 2020 года. Конечно, речь идет про начало сборки самого реактора в его шахте. Посмотрите этот ролик, где показаны основные стадии сборки токамака ИТЭР:



25-26 мая, после ~месяца подготовки, самая тяжелая часть реактора основание криостата (1250 тонн!) была перенесена в шахту и опущена в предпроектное положение, на домкраты.


В середине апреля основание криостата было затащено внутрь здания предварительной сборки.





Дальше была измерена реальная геометрия зазора до бетонного основания и изготовлена ~100 прокладок для выравнивания основания с точностью до 2 мм от горизонта. И, наконец, в июне месяце первая деталь официальной реакторной части была установлена на место опоры, которые будут воспринимать вертикальные, горизонтальные и касательные к окружности нагрузки, которыми щедро будет делиться электромагнитная часть реактора.



Интересно, что монтажом тяжеленной по всем мировым канонам детали управляли инженеры из китайского росатома компании CNNC, в кооперации с европейцами получившие контракт на монтаж реакторной части ИТЭР.





31 августа прошла операция переноса и установки нижнего цилиндра криостата, а в октябре 2 детали криостата начали сваривать друг с другом 90 метровым швом сечением 60 мм.



Тем временем в зале предварительной сборки нарастала активность по подготовке следующих элементов токамака. В сентябре для подготовки был установлен первый из 9 секторов вакуумной камеры. До конца 2020 года шла работа по снятию прецизионной геометрии сектора, повторной проверки его на вакуумную плотность, приварки опор сотни датчиков систем технической и научной диагностики, установки самих датчиков и их кабелей.



В начале 2020 года планируется кантование сектора (весом 440 тонн) в вертикальное положение и установка на стенд сборки, где его окружат вакуумными криоэкранами а затем соединят с двумя тороидальными катушками.



Ах да! Криоэкраны. Если бы их не было в проекте ИТЭР, стоило бы придумать что-то такое. Огромные посеребренные конструкции с загадочными рисунками на них что может быть лучшей иллюстрацией грандиозного научно-фантастического проекта?


Нижняя цилиндрическая секция внешнего криоэкрана. Справа видны коллекторы, с которых раздается и собирается гелий при температуре 80К.


Элемент криоэкрана, отделяющего горячую вакуумную камеру от холодного магнита

В 2020 году была подготовлена 2 из четырех секций криоэкрана вакуумной камеры (и установлена на стенд сборки) и практически закончен нижняя циллиндрическая сборка, которая встанет внутрь основания криостата и будет экранировать сверхпроводящие магниты от тепла внешнего мира. В начале 2021 должна произойти установка этой цилиндрической секции внутрь криостата, для чего в нем уже установлена оснастка.


Замотанная секция криоэкрана на стенде сборки, с помощью которого она будет надета на сектор вакуумной камеры. Кроме этой части будет еще внутренняя секция экрана и две таких же слева.

В конце 2020 года также началась установка криофидеров магнитной системы многометровых изделий, через которые происходит ввод тока, теплоносителей, измерительных и управляющих сигналов в вакуумно-криогенную среду.


Система криофидеров ИТЭР на рендере


И элемент фидера в реальности.

Наконец, хочу добавить маленькую ложку дегтя в этот бассейн меда. Уже невооруженным документацией глазом видно отставание от намеченных планов. Так, изначально к концу 2020 года планировалось установить 18 опор тороидальных магнитов (как и все в ИТЭР сложных устройств с активным охлаждением и хитрой характеристикой жесткости) китайского производства.


Тороидальная опора на возле шахты реактора во время проверки на герметичность.

Еще в 2019 году китайцы изготовили 6 первых опор и обещали к началу 2020 прислать 12 оставшихся. Однако, сейчас этот срок сдвинулся на февраль 2021 и уже напрямую влияет на график монтажа.

Так же отстает катушка PF5, которую производили на площадке ИТЭР в специальном заводе аж с 2017 года. В декабре 2020 ее только установили тестовый криогенный стенд, а значит раньше мая 2021 в проектном положении мы ее не увидим, при изначальном сроке в февраль.


Установка PF5 в криостат, начало декабря 2020. Интересня для меня деталь целый шкаф разнообразных электрических подключений к PF5, использующийся для теста.

Так что пока монтаж идет лучше пессимистичных ожиданий, но хуже оптимистичных, и дата первой плазмы в декабре 2025 пока остается труднодостижимой.

Продолжение про производство компонентов и R&D во второй части.

Продолжение. начало в первой части.


Российские шинопроводы и корейские преобразователи (слева) в здании магнитных конверторов.

Производство

2020 год отметился передачей с производства на монтаж сразу нескольких важнейших компонентов международного токамака. Речь идет про первый сектор вакуумной камеры, сразу несколько магнитов тороидального поля, первую катушку полоидального поля, основание криостата и множество более мелких, но от этого не менее важных элементов.

Южная Корея в конце 2019 года закончила сварку-сборку первого сектора вакуумной камеры (из 4, изготавливаемых в Корее). Это сложнейшее изделие весом в 440 тонн двухстеночный сосуд со стенками толщиной до 60 мм (в среднем 40) и сложной структурой между стенок (здесь находятся элементы крепления первой стенки и сборки стальной биозащиты).


Первый в своем роде сектор вакуумной камеры токамака ИТЭР


Кстати элементы защиты представляют собой вот такие блочки из борированной стали, производство 9000 единиц которых Индия закончила в 2020 году.

Задачу производства сильно осложняет геометрия сектора, с повсеместными поверхностями двойной кривизны, на фоне высочайших требований к точности изготовления.

Корейский производитель выпустил неплохой ролик, в котором видна титаническая работа по созданию этого изделия.


Впрочем, чудо производственных цепочек на подходе уже второй корейский сектор, который должны сдать в первом полугодии 2021, а затем и 2 заключительных, ожидаемых в Кадараше до конца 2022.

В процессе сборки токамака в единую камеру необходимо множество всякой тяжелой оснастки (нужной для сохранения геометрии), также изготавливаемой в Корее. В частности нужны центральная колонна и активные радиальные подвесы, на картинке ниже покрашенные зеленым.



Так вот, в 2020 году эти элементы были произведены и протестированы, и уже в 2021 они должны пойти в дело.





Вместе с каждым сектором вакуумной камеры в шахту устанавливается и по две 320 тонные катушки тороидального поля мощнейшие, на сегодня, магниты в мире. Производство 18 этих магнитов началось аж в 2009 году и включало в себя 6 больших этапа: производство сверхпроводящих кабелей, радиальных плат, сборка сверхпроводящих длинн, сборка намоточных пакетов, производство корпусов катушек, сборка катушек. И вот, наконец, в 2020 году с Японского и Европейского конвееров начали сходить готовые катушки, коих к концу года набралось уже 5 штук готовых.


Первые две готовые тороидальные катушки на площадке в Кадараше в процессе подготовки к сборке с первым сектором тороидальной камеры.



И чуть раньше в процессе заварки проема, через который намоточный пакет сверхпроводящего кабеля вставлялся в силовой корпус катушки.



И еще одно фото этого же процесса для лучшего понимания масштаба.



А вот тут другой техпроцесс заливки внутренностей катушки эпоксидной смолой, для чего ее приходится подогревать и наклонить на 10 градусов.

Удивительно, но на старте проекта эти магниты считались одним из главных технологических вызовов, во многом определяющих его сроки и стоимость. Однако промышленность в блеском справилась с этой задачей. В том числе необходимо отметить российский ВНИИКП, изготовивший 22 километра сверхпроводяшего кабеля из стрендов ТВЭЛ, находящегося сейчас внутри готовых магнитов.

Кроме тороидальных магнитов, в токамаке есть еще 4 других типа: центральный соленоид, полоидальные, корректирующие и внутрикамерные теплые магниты вертикальной стабилизации и подавления ELM. С точки зрения графика сборки самыми важными являются полоидальные катушки PF6 и PF5 а также набор из 6 нижних корректирующих магнитов.


18 корректирующих магнитов будут расположены вот в такой конфигурации. Это маленькие магниты с 32 или 40 витками сверхпроводящего кабеля с током 10 кА нужны для управляемой коррекции поля основных магнитов.

PF6 была изготовлена еще в 2019 году в Китае, однако добралась до Кадараша только к сентябрю месяцу, причем, подозреваю, пандемия была только отговоркой и речь шла о каких-то устранимых косяках. С октября по конец декабря было проведено холодное тестирование PF6 и наконец, 400-тонная красавица практически готова к установке в нижней части основания криостата (из которой она потом перекочует на крепления внизу бублика, когда он будет собран в шахте).


Катушка PF6. По клику картинку можно открыть в полный размер и поразглядывать ее детали соденинения слоев между собой, коллекторы охлаждающего гелия и кабели от датчиков температуры и напряжения

Другая катушка PF5, диаметром 17 метров, изготавливалась сразу на площадке ИТЭР, наряду с другими 4 полоидальными, размеры которых не позволяют их транспортировать. В середине декабря она была установлена в тестовый стенд и через несколько месяцев можно ожидать сдачи.



Ситуация с сверхпроводящими корректирующими катушками заметно печальнее. Ответственный за их изготовление Китай еще в в 2018 году рапортовал об окончании изготовления первого магнита, и отправки первых магнитов в конце 2019. В конце 2019 года речь шла о тестировании магнита и отправке первых 4 штук в начале 2020. Однако на сегодня поставка так и не произошла, во всяком случае нигде публично это озвучено не было. К сожалению, корректирующие катушки невозможно установить после начала сборки вакуумной камеры, так что если китайцы не хотят нарушить график сборки им надо поторопиться и с этим элементом.


Процесс вставки сверхпроводящей обмотки нижней корректирующей катушки в силовой стальной корпус, 2018 год.

В 2020 активно производились и устанавливались элементы системы электропитания магнитов ИТЭР. Напомню, что хотя магниты и сверхпроводящие, и их вроде как можно не подпитывать, физика токамаков требует в процессе запуска менять (порой очень резко) напряженность поля и соответственно ток. Учитывая физические размеры магнитов и запасенную в них энергию поля, мощность преобразователей, управляющих током, получается грандиозная. В 2020 году на площадку Кадараша начали поступать серийные тиристорные синхронные выпрямители мощностью от 10 до 50 мегаватт, производства Южной Кореи и Китая. Еще одним важным элементом, отгрузка которого начата в прошлом году стали российские коммутирующие модули: первые 10 из 150 единиц оборудования уехали во Францию в ноябре. Продолжалась и производство и поставка алюминиевых шинопроводов для 20 линий питания магнитов.


Первые конверторы (12-пульсные тиристорные синхронные выпрямители) в здании


а так же их сглаживащие индуктивности, выключатели и прочая машинерия.


Быстрые пневматические выключатели FMS на ~50 килоампер тока и несколько киловольт напряжения. Если у вас возникает вопрос, что же тут коммутируются то приглядитесь к алюминиевому листу на столе это один провод, а второй находится под столом (подробнее про устройство)

Несколько интересных производственных историй касаются силового каркаса магнитной системы. Сочетание 15 мегаампер тока плазмы и полей в 6-13 Тесла рождает в магнитах совершенно разнообразные по направлению силы величиной до десятков тысяч тонн. Чтобы удержать геометрию магнитной системы используется множество хитрой механики, гибкой в одном направлении и жесткой в другом.

Давайте попробуем тут нырнуть совсем в детали и посмотреть на одно устройство, отвечающее за преднатяжение центрального соленоида.


Очень подробное изображение центрального соленоида со всеми его механическими структурами.


А вот и одна из деталей структуры ЦС. Наблюдательные читатели скажут какая.

Центральный соленоид, 6 магнитных модулей которого находятся на разных стадиях изготовления (в частности 1 уже полностью готов) будет стянут в продольном направлении с усилием 21000 тонн.


Для понимания цифр в футбольных полях для такого усилия вам понадобится как раз 2 таких пресса.

Зачем это надо? Дело в том, что в процессе запуска в ЦС ток будет быстро снижаться до нуля и до сильно отрицательных значений, причем в разным модулях с разной скоростью. В какие-то моменты они начнут расталкивать друг друга, и чтобы стабилизировать стуктуру и нужна система преднатяжения.


Практически готовый модуль ЦС в процессе проверки геометрии. Вес этого изделия 109 тонн.

Для этого используются продольные стальные пластины и специальные блоки-натяжители, 9 комплектов на весь ЦС. В каждом блоке-натяжителе есть 5 болтов, которые упираются в верхний модуль ЦС и тянут за продольные пластины нижнюю часть ЦС, таким образом создавая компрессию.


Upper Key Block упирается в синий элемент под собой и через Tie Plate'ы тянет нижнюю часть соленоида к себе.

А теперь перейдем от абстрактных десятков тысяч тонн к конкретным 467 тоннам, которые должен создать каждый из болтов. Много это или мало? Затягивая стандартным ключем болт мы можем создать осевое усилие в нем примерно в 70-80 раз больше усилия на обычном ключе, и в 200-400 раз на хорошо удлиненном ключе. В данном случае было бы приложить усилие в 1,2-1,5 тонны на 9-метровом ключе. Это нереальные значения, поэтому возникает идея использования гидравлических натяжителей. К сожалению, на магнитах ИТЭР запрещено использование маслонаполненного инструмента, да и места под гидроголовку стандартного инструмента маловато. Поэтому сегодня рассматривается 2 варианта либо специально спроектированный под задачу гидронатяжитель с водой, либо специальные болты, называемые Multi Jackbolt Tensioner. Это очень интересные механические натяжители, активно использующиеся там, где требуется слишком большое натяжение.


Рекламный ролик, подробно рассказывающий о MJT. Коротко маленькие болтики упираются в шайбу и вытягивают тело основного болта.

Для рассматриваемого случая нужно было бы MJT с 24 болтами-вставками, натяжение в 20 шагов и всего ~120000 операций докручивания болтов-вставок, что заняло бы 1,5 месяца работы нескольких бригад. Такая вот мелочь.


Опытный MJT для ЦС ИТЭР устанавливается в устройство для измерения создаваемого натяжения.

Можно еще отметить хитрые опоры ЦС, на которых он снизу прикрепляется к тороидальным катушкам таким образом, чтобы радиальные движения ТК не смещали ось ЦС. Еще этому будет способствовать комплект преднапряженных стеклопластиковых колец, которые будут распирать ТК снизу и сверху. Эти кольца были изготовлены во Франции в 2019-2020 году и совсем скоро пойдут в шахту реактора.





Парочка производственных новостей касаются внутренних устройств вакуумной камеры. Устройства эти понадобяться не скоро, но это одна из самых сложных частей ИТЭР высокий вакуум, радиация, мощнейшие тепловые нагрузки от плазмы, сложная геометрия. К этим устройствам можно отнести первую стенкку активно охлаждаемые панели, облицованные берилием, которые будут обращены непосредственно к плазме


Прототип одной из 440 панелей первой стенки

защитные блоки, представляющие собой ~5 тонные стальные изделия, наполненные водой, задача которых принять в себя нейтронное и частично гамма-излучение от термоядерной реакции. Именно на них будут крепиться панели первой стенки.


Первый серийный корейский защитный блок (Корея отвечает за производство 220 блоков)

И, наконец, дивертор, устройство, на которое будет стекать термоядерная плазма (после чего она охлаждается и откачиватся, тем самым обеспечивая циркуляционную очистку плазмы). Дивертор будет устанавливаться в вакуумную камеру ~2030 году, но производство его главных рабочих поверхностей, облицованных вольфрамом, индустрия пробудет уже сейчас, пытаясь понять глубину технологической пропасти, в которую придется опуститься.


Европейский элемент дивертора


и российский элемент дивертора

Еще из реакторной части проекта в 2020 году была закончена крышка криостата, конечно, поражающая своим абсурдным размером (напомню ее диаметр 30 метров).



Среди внешних систем можно отметить продолжающееся производство гиротронов Японского и Российского производства. Удивительно, конечно, как неровно выходит производство компонент в таком проекте. Сложнейшие высокотехнологичные радиолампы, которые способны производить 3 фирмы в мире, сделаны уже с запасом к первоначальным планам, а простые опоры для тороидальных магнитов отстают от сроков на 2 года.


Японские гиротроны скучают в ожидании монтажа. Кстати, белые фланцы, обращенные к нам это выход микроволнового излучения, и окно в них сделано из алмаза.

Индия продолжала поставки сегментов криолиний, представляющих из себя вакуумируемые трубы приличного диаметра, внутри которых проложены трубы с жидкостями и газами, а также установлены криоэкраны.


Сварка трубопроводов криолиний в глубине подвального этажа B1 здания токамака.

В заключение раздела производство хочу показать еще один момент, скорее про монтаж, но тем не менее радиационно-защитные двери ИТЭР. В силу того, что в бублике вакуумной камеры организовано аж 45 больших проходок портов, шахту реактора окружает 45 порт-камер помещений, в которых расположено продолжение оборудования, заходящего в данный порт. Для организации биозащиты в этих проемах от нейтронного и гамма-излучения реактора, мощность дозы которого на стенке реактора будет достигать ~100000 рентген в час, организутся пробки нейтронной защиты из карбида бора, стали и воды и биозащиты от гамма-излучения в виде бетонной пробки. Однако чтобы погасить все, что прошло вдоль элементов оборудования и защитить окружающие здания в конце каждой порт-камеры установлена 100-тонная дверь с заполнением тяжелым бетоном. В целом в здании реактора нужно было установить 60 таких дверей, что и было завершено осенью 2020 года.

Исследования и разработка

ИТЭР в целом потребовал и требует невероятного объема работы ученых, исследователей, разработчиков и инженеров даже без индустриальных партнеров эти затраты превышают 10000 человеко-лет. Однако немаленький кусок все еще остается. В 2020 году был опубликован план поддерживающих R&D (в 120 пунктов), в физической части которой будут задействованы все современные токамаки мира и множество специализированных установок и стендов.


Стенд SPIDER представляет из себя радиочастотный ионизатор газа низкого давления с вытягивающей отрицательные ионы электростатитческой системой. Все это сложновато разглядеть за сплетением труб охлаждения, медных шин и прочих штанг.

Самым большим блоком остается создание инжекторов нейтралов, под которые в Германии создан крупный стенд ELISE, в Италии построена сразу большая лаборатория с двумя большими установками SPIDER и MITICA. Наукоемкость и сложность этой системы, пожалуй, самая высокая во всем ИТЭР, и несмотря на уже 10 лет разработки, нужные удельные показатели по току ионов и доле электронов в этом токе пока не достигнуты.


MITICA это не просто стенд, это целый комплекс установок.

Важной частью исследований является подавление срывов плазмы с помощью ввдувов газов и стрельбы замороженными льдинками (льдинки на скорости 200-400 м/с лучше всего доносят холодное вещество до центра плазменного шнура). Эти исследования ведутся на американском токамаке DIII-D и корейском KSTAR.


Интересная развертка стенки токамака DIII-D где подписаны порты всех систем диагностики, нагрева и т.п.

Громадный объем R&D касается диагностических систем ИТЭР т.е. его научных приборов. Чтобы не множить общие слова, предлагаю заглянуть внутрь разработки российских систем диагностики например первых зеркал прибора спектроскопии водородных линий или нейтронного коллиматора анализатора нейтральных частиц плазмы. Можно посмотреть на инженерию и вроде бы более приземленных вещей, например, роботосовместимых болтов крепления первой стенки к защитным блокам или посмотреть как тестируют вакуумно-плотных разъемов для ИТЭР на термоциклы.



Надо отметить, что вложения в людей и технологии, которые происходят в рамках этой масштабной разработки термоядерного реактора, безусловно дают и дадут положительный эффект в других, не связанных с ИТЭР полях. Знания, технологии, инженерные решения, квалификация кадров можно считать все эти расходы инвестициями в длинном ряду отраслей и направлений.

Заключение

Еще один год принес для проекта международного термоядерного экспериментального реактора множество положительных сдвигов в части монтажа систем и элементов. Более того, робко стартовавшие в 2019 году первые функциональные тесты начали шириться и разрастаться и можно ожидать в 2021 готовности первых больших сервисных систем. Мы постепенно подходим к моменту, когда идеи, заложенные в машину, качество исполнения и организация проекта будут проходить суровый экзамен сдачи в эксплуатацию, и именно он будет определять кто же прав критики проекта или его поклонники. Но, как мне кажется, успехи 2020 года позволяют поддерживать умеренный оптимизм по поводу будущего ИТЭР.

Похоже на то, что термояд становится все более реальным китайским физикам, разработавшим токамак EAST, удалось установить рекорд продолжительности удержания сверх горячей плазмы. Так, плазму с температурой в 120 млн К установка удерживала 101 секунду. Плазму, нагретую до 160 млн К на EAST удалось удерживать 20 секунд.

Установка не новая термоядерный реактор EAST собрали в 2006 году. С тех пор его команда сумела установить сразу несколько рекордов по продолжительности удержания сверх горячей плазмы.

Ранее рекорд продолжительности удержания плазмы принадлежал корейскому токамаку KSTAR. Его рекорд удержание плазмы с температурой в примерно 100 млн К в течение 20 секунд. К 2025 году корейцы собирались достичь времени в 300 секунд. Но вполне возможно, что теперь рекордные показатели достичь китайцам.

EAST, китайская установка, смогла довести температуру плазмы до 120 млн К в центре плазменного шнура. И продолжительность удержания составила 101 секунду при токе в плазме 500 килоампер. Убедившись в достижении рекордных показателей, китайцы решили пойти дальше и нагрели плазму уже до 160 К, удерживая ее в течение 20 секунд.

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) термоядерная установка, оснащенная полностью сверхпроводящей магнитной системой на базе ниобий-титановых проводников. Группа ученых, которая работает с установкой, проводит изучение возможности длительного удержания высокотемпературной плазмы в магнитном поле, что является одним из условий начала термоядерного синтеза. В число прочих экспериментов, которые выполняют ученые, входят разработка методики безындукционного нагрева плазмы, диагностики и контроля плазменных неустойчивостей, плюс разработки материалов для компонентов, которые обращены к плазме. Это, в первую очередь, дивертор и первая стенка.

Результаты экспериментов ученые планируют задействовать для разработки еще одного реактора термоядерной установки CFETR. Что касается текущего реактора, то большой радиус камеры составляет 1,7 метра, малый 0,4 метра. Внутренняя облицовка реактора выполнена полностью из металла. В нижней части установлен вольфрамовый дивертор. Нагревают плазму системы волнового нагрева, включая LHCD, ICRF и ECRH. По оценке ученых, максимальное значение тороидального магнитного поля составляет 3,5 тесла.



Несмотря на полученные результаты, результаты пока не подходят для старта промышленной эксплуатации реактора с получением энергии. Возможно, этого удастся добиться на установке ITER ее создатели планируют довести время удержания плазмы, нагретой до 150 млн К до 400 секунд.

Похоже на то, что термояд становится все более реальным китайским физикам, разработавшим токамак EAST, удалось установить рекорд продолжительности удержания сверхгорячей плазмы. Так, плазму с температурой в 120 млн К установка удерживала 101 секунду. Плазму, нагретую до 160 млн К на EAST удалось удерживать 20 секунд.

Установка не новая термоядерный реактор EAST собрали в 2006 году. С тех пор его команда сумела установить сразу несколько рекордов по продолжительности удержания сверхгорячей плазмы.

Ранее рекорд продолжительности удержания плазмы принадлежал корейскому токамаку KSTAR. Его рекорд удержание плазмы с температурой в примерно 100 млн К в течение 20 секунд. К 2025 году корейцы собирались достичь времени в 300 секунд. Но вполне возможно, что теперь рекордные показатели удастся достичь китайцам.

EAST, китайская установка, смогла довести температуру плазмы до 120 млн К в центре плазменного шнура. И продолжительность удержания составила 101 секунду при токе в плазме 500 килоампер. Убедившись в достижении рекордных показателей, китайцы решили пойти дальше и нагрели плазму уже до 160 млн К, удерживая ее в течение 20 секунд.

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) термоядерная установка, оснащенная полностью сверхпроводящей магнитной системой на базе ниобий-титановых проводников. Группа ученых, которая работает с установкой, проводит изучение возможности длительного удержания высокотемпературной плазмы в магнитном поле, что является одним из условий начала термоядерного синтеза. В число прочих экспериментов, которые выполняют ученые, входят разработка методики безындукционного нагрева плазмы, диагностики и контроля плазменных неустойчивостей, плюс разработки материалов для компонентов, которые обращены к плазме. Это, в первую очередь, дивертор и первая стенка.

Результаты экспериментов ученые планируют задействовать для разработки еще одного реактора термоядерной установки CFETR. Что касается текущего реактора, то большой радиус камеры составляет 1,7 метра, малый 0,4 метра. Внутренняя облицовка реактора выполнена полностью из металла. В нижней части установлен вольфрамовый дивертор. Нагревают плазму системы волнового нагрева, включая LHCD, ICRF и ECRH. По оценке ученых, максимальное значение тороидального магнитного поля составляет 3,5 тесла.



Несмотря на успехи, текущие параметры пока не подходят для старта промышленной эксплуатации реактора с получением энергии. Возможно, этого удастся добиться на установке ITER ее создатели планируют довести время удержания плазмы, нагретой до 150 млн К до 400 секунд.