Термоядерный синтез

Когда будет термояд 500-мегаваттный проект ITER глазами участника

02.09.2020 16:16:09 |

Автор: admin

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.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Блог компании leader-id , Энергия и элементы питания , Термоядерный реактор , Термоядерный синтез , Термоядерная установка , Термоядерная энергетика , Iter

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен?

19.11.2020 16:18:00 |

Автор: admin

Мы уже писали о неожиданных и примечательных идеях и разработках в области получения энергии от ядерного распада. А также о том, что приходится делать, когда с ядерными реакторами что-то идёт не так. Свобода, как известно, лучше несвободы, а синтез лучше распада. Именно так подумали учёные ещё сто лет назад, когда сделали первые шаги по укрощению термоядерного синтеза. В этой статье мы кратко расскажем, что такое термоядерный синтез, на каком этапе находятся научные разработки и когда стоит ждать внедрения нового способа добычи энергии. В конце концов, именно за этим он и нужен человечеству.

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

С развитием науки человечество начало задаваться вопросом о том, как работает Солнце, почему не гаснет и продолжает выделять тепло и свет. Ещё в двадцатых годах прошлого века почти сто лет назад британский учёный Артур Стэнли Эддингтон выступал с идеями протон-протонного цикла, то есть совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород в звёздах превращается в гелий. И сопутствует этой реакции выделение колоссальных объёмов энергии, что легко можно ощутить, просто выйдя на улицу в солнечный день.

Чуть позже, уже в тридцатые годы, учёные из Кембриджского университета под руководством австралийца Марка Олифанта в результате ряда экспериментов обнаружили нуклоны (общее название составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) гелия-3 и трития, принимающие участие в этих реакциях, а их немецкий коллега, Ханс Бете, получил Нобелевскую премию по физике за вклад в теорию ядерных реакций и, особенно, за открытия, касающиеся источников энергии звёзд. Уже в 1946 году сэр Джордж Паджет Томсон и Моисей Блэкман описали и запатентовали идею Z-pinch, то есть системы удержания плазмы при помощи магнитного поля или магнитной ловушки, которая легла в основу дальнейших экспериментов по созданию первых устройств управляемого термоядерного синтеза.

Лабораторная магнитная ловушка, фото: Sandpiper / Wikimedia Commons

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

От истории перейдём к общей теории. Управляемый термоядерный синтез это процесс получения более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью (в теории) использования выделяемой энергии для добычи электричества. По своей сути он противоположен реакции распада, которая применяется в традиционной ядерной энергетике. В основном для проведения реакции термоядерного синтеза используются дейтерий и тритий (так называемая реакция D-T), хотя также возможны варианты с дейтерием и гелием-3, между ядрами дейтерия (D-D) и другими сочетаниями изотопов.

Сами по себе атомные ядра взаимодействуют не особо охотно из-за кулоновского барьера, то есть силы электростатического отталкивания между ними. Чтобы преодолеть её и начать реакцию в земных условиях, вещество необходимо нагреть до достаточно высокой температуры, причём речь в данном случае идёт о сотнях миллионов градусов. Именно от этого процесса термоядерный синтез и получил своё название. Сочетание дейтерия и трития в данном случае требует минимальной температуры для начала реакции (тех самых 100 млн градусов), поэтому в экспериментальных установках оно используется чаще всего.

Реакция термоядерного синтеза D-T. Источник: Toshiba Energy Systems &Solutions Corporation

Также в ходе реакции появляется большое количество нейтронов, но об их значении поговорим чуть ниже, а сперва постараемся пояснить, почему коммерческое применение этого процесса вообще будоражит умы человечества последние 70 лет. Итак, преимущества управляемого термоядерного синтеза:

Сравнительная доступность изотопов для реакции. Дейтерий достаточно легко можно получить из морской воды, запасов которой на Земле более чем достаточно. Тритий в природе не встречается, так как имеет период полураспада всего в 12,3 года, но его получают из лития-6 и тяжёлой воды ядерных реакторов, от использования которых мы в ближайшие годы отказаться не готовы.
Колоссальная энергоэффективность реакции при сжигании, например, 1 грамма угля выделяется 34 тысячи джоулей энергии, а газа или нефти 44 тысячи. Слияние атомов дейтерия и трития даёт 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), то есть около 170 млрд джоулей тепла в пересчёте на 1 грамм массы вещества.
Электростанции на базе управляемой термоядерной реакции из-за особенностей конструкции не должны способствовать увеличению парникового эффекта, то есть производить парниковые газы, угарный газ и пылевые облака выгодное отличие от, например, ТЭС.
Так же выгодно эти электростанции должны отличаться от АЭС, так как термоядерный реактор намного безопаснее. Реакция синтеза требует огромных затрат энергии и в земных условиях не может бесконечно длиться без подпитки извне. Это значит, что даже в случае аварии и повреждения оболочки мы не столкнёмся с расплавлением, радиоактивным заражением всего и вся на многие километры вокруг, а также с цепной реакцией или взрывом.

К тому же, при термоядерном синтезе не выделяются вещества, которые впоследствии возможно использовать для изготовления грязного оружия.

Токамак JET, фото: EFDA JET / Wikimedia Commons

Но почему же тогда сам принцип управляемого термоядерного синтеза, разработанный в середине прошлого века, до сих пор не реализован на практике либо реализован только в качестве экспериментальных установок, которые так и не начали производить электроэнергию? Давайте рассмотрим недостатки и ограничения этого процесса.

Сперва вернёмся к нашим нейтронам. В процессе реакции с применением D-T образуется нейтронный поток, который бомбардирует стенки защитной оболочки реактора. В результате мы имеем дело с так называемой наведённой радиацией, которая сильно усложняет обслуживание оборудования и, вполне возможно, приведёт к необходимости его периодической замены, так как со временем от бомбардировки нейтронами материалы становятся не только радиоактивными, но и хрупкими. Для решения этой проблемы предлагается использовать малочувствительные к радиации материалы, которые прослужат дольше, но их применение увеличит и без того колоссальные расходы на постройку электростанций термоядерного синтеза. Также рассматривается применение других действующих веществ, чтобы получить безнейтронные реакции, но о требованиях к плотности и температуре реакции для них мы уже говорили выше.

Ещё при текущем уровне развития технологий учёные и инженеры не могут добиться того, чтобы расход энергии на нагрев и доведение вещества в реакторе до состояния плазмы, а затем на поддержание его в этом состоянии, несмотря на постоянную потерю тепла (а также на охлаждение системы, работу электромагнитов и других подсистем), упал ниже, чем количество выделяемой в ходе реакции энергии. Например, британский токамак JET достиг соотношения между поступающей и отдаваемой энергией всего в 67%, то есть 0,67 Q. Q показатель, который выражает отношение количеств затраченной и полученной в такой системе энергии, и для того, чтобы реакция термоядерного синтеза считалась самоподдерживающейся, он должен быть равен хотя бы 5, а для выработки полезных мощностей намного выше. На сегодняшний день реакторов с таким значением в мире не существует.

Финальным вопросом, конечно, является окупаемость и стоимость. Чтобы добиться точной имитации реакций внутри Солнца, недостаточно просто взять тритий и дейтерий и поднести к ним условную спичку. Реактор термоядерного синтеза это невероятно сложная, громоздкая и дорогая конструкция, в которой нашлось место массивной системе охлаждения, огромному количеству электромагнитов разных типов и даже собственным электростанциям.

По оценкам, расходы на строительство экспериментального токамака ITER (о нём ниже), которое ещё не завершено, могут превысить 20 млрд долларов. При этом реактор вообще не рассчитан на производство электроэнергии, то есть единственной прибылью от эксплуатации ITER будет опыт совместной работы учёных и экспериментальные данные.

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Условно установки для управляемого термоядерного синтеза можно разделить на четыре типа: токамаки, стеллараторы, зеркальные ловушки и импульсные системы. На их примере мы предлагаем рассмотреть как развитие идей, которые в дальнейшем могут привести к производству электроэнергии при помощи термоядерного синтеза, так и тупиковые ветви, которые по тем или иным причинам в ближайшие годы (или никогда) не выйдут за рамки теории и экспериментов.

Токамак это сокращение от тороидальная камера с магнитными катушками, каковая камера главный элемент реактора, который служит для удержания плазмы. Намотанные вокруг камеры реактора магнитные катушки в данном случае применяются для того, чтобы создать специальное поле, удерживающее плазму от соприкосновения с её стенками, чего современные теплоизолирующие материалы просто не выдержали бы. В то же время через саму плазму также пропускается ток, который служит и для её нагрева, и для создания полоидального магнитного поля. В современных условиях это поле не может существовать дольше нескольких секунд, а без него плазма теряет свою стабильность, поэтому говорить о применении токамаков для постоянного производства электроэнергии ещё рано, хотя поддерживать ток более длительное время можно при помощи микроволнового излучения или введения в плазму нейтральных атомов дейтерия/трития.

Токамак KSTAR, Южная Корея, фото: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons

Идеи токамаков впервые описали в Советском Союзе ещё в 50-х годах прошлого века, а первый такой реактор был построен в Курчатовском институте в 1954 году. Долгое время токамаки оставались чисто советской разработкой, но в 1970-х британские учёные подтвердили рекордные результаты разогрева плазмы, достигнутые на советском токамаке Т-3, и технологией заинтересовались по всему миру.

На сегодняшний день токамаки считаются наиболее перспективной разработкой, и в мире их количество превышает количество установок других типов. Среди достижений в этой сфере стоит отметить китайский EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, построен при поддержке РФ), который достиг в 2018 году температуры плазмы в 100 млн градусов, европейский JET (Joint European Toru), который находится в Великобритании и считается крупнейшим токамаком в мире, а также уже упомянутый выше ITER, на котором остановимся более подробно.

Схема токамака ITER. Источник: Oak Ridge National Laboratory ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons

Идея постройки ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, международный термоядерный экспериментальный реактор) обсуждалась ещё в 1985 году, на встрече Рональда Рейгана и Михаила Горбачева, но реальное строительство началось только в 2010 году. В работе над реактором принимают участие множество стран, включая Японию, государства ЕС, Россию, США, Южную Корею, Китай и Индию. Итогом совместного проекта станет гигантское сооружение весом в 23 000 тонн, которое сместит JET с пьедестала самого крупного токамака на планете и теоретически будет способно довести показатель Q до 30, хотя создатели ITER не ставят перед собой цель добиться выработки электроэнергии задача токамака окончательно доказать саму возможность использования термоядерного синтеза в этой сфере и проложить путь (именно так переводится с латыни сокращённое название реактора) для DEMO, первого токамака с положительным балансом, который запустится не раньше середины XXI века.

На долю Японии в проекте ITER выпали разработка и производство одного из важнейших элементов сверхпроводящих катушек, необходимых для формирования магнитного поля вокруг камеры реактора. В частности, компания Toshiba занимается разработкой конструкции гигантских 16,5-метровых катушек для тороидального поля, которые весят около 300 тонн. При этом необходимо соблюдать крайне строгие допуски на размеры каждой детали всего в несколько миллиметров поэтому большим подспорьем становятся технологии и методы, изобретённые во время работы над японскими экспериментальными токамаками, JT-60 и JT-60SA.

Стеллараторы (от лат. stella звезда) получили своё название из-за схожести процессов в реакторе с теми, что происходят внутри звёзд. Первый образец был построен в 1951 году в США под руководством его изобретателя, Лаймана Спитцера. Основное отличие стеллараторов от токамаков заключается в конструкции магнитной ловушки: в стеллараторах для удержания плазмы в камере применяется только внешние катушки, которые создают силовые линии, вращающиеся вокруг камеры. Такая конструкция теоретически позволяет использовать магнитную ловушку в непрерывном режиме. В стеллараторах, как и в токамаках практически всегда применяется смесь дейтерия и трития, которая вводится в вакуумный сосуд камеры. В современных вариантах конструкции отказались от камеры в форме обычного тора в пользу сложных моделей, созданных с применением компьютерного моделирования. Их цель добиться максимальной эффективности удержания плазмы.

Стелларатор Wendelstein 7-X. Источник: Max-Planck-Institut fr Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons

Несмотря на возможность непрерывного воздействия на плазму и изменённую конструкцию камеры стеллараторы не получили такого широкого распространения, как токамаки. В первую очередь это связано с большей сложностью конструкции и меньшей их эффективностью в современных условиях. Wendelstein 7-X, построенный в г. Грайфсвальд в Германии в 2015 году стал крупнейшим стелларатором в мире и своеобразной эпитафией этой разработке. По расчётам учёных он должен был довести время непрерывного воздействия электромагнитов на плазму до 30 минут, чтобы продемонстрировать возможность использования стеллараторов для долгосрочной генерации электроэнергии. При этом в 2018 году в ходе эксперимента температуру плазмы удалось поднять только до 40 000 градусов Цельсия, а время работы довести до 100 секунд. Следующие испытания запланированы на 2021 год.

Импульсные системы этот тип установок для управляемого термоядерного синтеза остаётся по большей части теоретической разработкой. Ещё академик Андрей Сахаров в 1960 году доказал, что термоядерный синтез возможен без использования магнитных ловушек, предложив противоположный классическому подход. В данном случае речь идёт не о сверхразреженной плазме, которую электромагнитные поля удерживают на месте долгое время, а о сверхплотном (и крайне недолговечном) её варианте. Миниатюрные мишени с замороженным D-T составом в импульсных системах предлагается взрывать при помощи мощных лазеров или пучков излучения, чтобы добиться своеобразного аналога взрывов топлива в бензиновых двигателях, только на уровне термоядерных реакций. Такая система с периодическими взрывами может обеспечить почти непрерывную цепочку из термоядерных реакций, вырабатывающих энергию, при этом (в теории) не повреждая оболочку реактора.

Лазерный ангар NIF/ Источник: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy National Ignition Facility / Wikimedia Commons

Из существующих разработок в этой сфере стоит упомянуть проект MagLIF и установки NIF (National Ignition Facility, или Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии. Несмотря на сохраняющийся потенциал этой идеи в 2012 году правительство США планировало прекратить финансирование программы из-за мизерных практических результатов. По состоянию на сегодняшний день эксперименты продолжаются, но сложность самих мишеней и необходимость регулярной доставки их в камеру, в которой затем происходит взрыв, эквивалентный тонне тротила, оставляют этот тип установок далеко позади токамаков и стеллараторов по уровню практичности.

Зеркальные ловушки первый эксперимент с использованием открытых магнитных ловушек был проведен ещё в 1955 году во всё той же Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Идея ловушек заключалась в том, чтобы использовать не закрытый тор, а магнитный сосуд вытянутой формы, открытый с двух противоположных концов. Новая плазма в этом случае должна была разогреваться до нужной температуры, отдавать энергию и выходить через боковые отверстия (либо отбиваться магнитным полем обратно, как от зеркал отсюда и название). Благодаря такой форме и механизму их стоимость оказалась намного ниже, чем у конкурирующих разработок, так что какое-то время зеркальные ловушки казались крайне перспективной разработкой. Но со временем экспериментаторы столкнулись с нестабильностью плазмы, плохо изученной на момент начала разработок, что привело к проблемам и невозможности достичь необходимых для термоядерного синтеза температур. В дальнейшем в конструкцию неоднократно вносились изменения, но амбициозная американская установка MFTF, например, была закрыта ещё до начала пробных запусков, так как токамаки в итоге оказались проще, мощнее и дешевле.

Из интересных разработок этого типа стоит отметить российский ГДЛ (газодинамическая ловушка) из Новосибирска, который создаётся на базе советского проекта 50-х годов, открытой ловушки пробкотрон Будкера. По состоянию на 2018 год учёным Новосибирского Института ядерной физики СО РАН удалось достичь температуры в 10 млн градусов, а в 2020 году они получили грант от Минобрнауки РФ на закупку нового оборудования для продолжения экспериментов.

Красивое завтра: вместо выводов

Среди учёных, занимающихся проблемами термоядерного синтеза, ходит шутливое высказывание, что до успеха исследований и начала коммерческого применения реакторов осталось всего-то лет 30, причём отвечают они так уже далеко не первый десяток лет (стабильность!). Тем не менее, технологии продолжат развиваться, а человечество искать способы приручить термоядерный синтез и создать миниатюрное искусственное Солнце, которое обеспечит наши потребности в электроэнергии без риска повторить Чернобыльскую катастрофу и без постоянного вреда для экологии планеты. Прямое влияние на эти исследования могут оказать такие разработки, как ITER, и мы рады, что Япония и корпорация Toshiba принимают в них непосредственное участие. А что будет дальше посмотрим через 30 лет.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Читальный зал , Будущее здесь , Энергетика , Энергия и элементы питания , Технологии , Энергия , Термоядерный синтез , Iter , Блог компании toshiba , Toshiba , Тошиба , Синтез , Токамак , Стелларатор , Импульсные системы , Зеркальные ловушки

ИТЭР в 2020 году, часть вторая

10.01.2021 14:07:00 |

Автор: admin

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.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Термоядерный реактор , Термоядерный синтез , Итэр

Энергетика от мха до плазмы

22.03.2021 00:17:09 |

Автор: admin

Мы часто слышим, что за последние годы использование энергии человечеством увеличилось настолько, что ископаемые ресурсы закончатся через пару десятков лет. Но то же самое говорили и в 70-х годах прошлого века. Откуда мы тогда сегодня берем энергию для существования и что нам делать дальше? Для развития технологий необходимо понимать, как эффективно преобразовывать ее в работу, ведь энергия - ресурс даже в астрономических масштабах не бесконечный. Практически вся энергия, которая существует на Земле и которую люди могут извлечь из солнечной системы - энергия Солнца, у которого конечное время жизни, а вся энергия во Вселенной ограничена тем, что дал нам Большой Взрыв. Но что такое энергия?

Никто не может дать четкого определения, так как нет более общего класса понятий, которым мы можем описать энергию. Все, что мы можем - изучать ее свойства и характеристики. Ричард Фейнман в своих знаменитых лекциях по физике говорил: Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления об энергии. Мы не можем сказать, что энергия поступает в маленьких сгустках определенного количества. Мы точно знаем: вся материя в конечном счете является энергией, сумма которой во Вселенной никогда не изменится, поэтому рассуждать мы будем о способах изменения ее формы.

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и конденсация всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).

По сути вся жизнь человека - постоянный поиск энергии. Это может быть громким заявлением, но вы только подумайте: мы ведь кушаем только чтобы получать энергию для функционирования мозга и движения. Жизнь человечества строится на способах добычи энергии. Поэтому энергетика является одним из важнейших аспектов жизни людей и всего во Вселенной.

Почему современная энергетика неэффективна?

Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?

Первый и самый популярный способ - что-нибудь сжечь: дерево, нефть, газ. В процессе образуется много лишнего, а все ископаемые ресурсы очень скоро закончатся. Второй - извлечь работу из гравитации: ГЭС, приливные станции, - но проблема тут в размерах и в расположении станций, к тому же не везде есть вода. Еще можно подумать о солнечной энергетике: тут вроде все хорошо, но роль играет расположение и низкая плотность энергетического потока.

Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.

Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:

Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников

Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:

Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году

Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.

Энергия в человеческом эквиваленте

Что вы представляете, когда слышите слова альтернативная энергетика? Большинство людей сразу представляют себе солнечные панели и ветряные мельницы, но редко думают о ядерной и термоядерной энергии. Ядерная энергетика получает меньше внимания из-за громких аварий, которые страшны людям скорее не из-за катастрофических последствий, а из-за неправильной трактовки СМИ и всеобщего незнания базовых аспектов этой энергетики. Теоретическое обоснование эффективности добычи энергии таким способом известно уже как минимум полвека.

За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:

Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от European green party кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.

WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.

Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.

Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств "беспорогового" воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.

А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.

Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.

Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от ископаемого топлива. Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, всвою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.

Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики

Так какой же способ самый лучший на сегодняшний день? Судя по графику, атомная энергетика - самый чистый источник энергии. Плюс АЭС построить можно где угодно, даже на подводной лодке, а выделенной энергии топлива из одного реактора хватит, чтобы заменить 3 миллиона солнечных панелей.

Атомная энергетика и ее проблемы

Что это такое? Основа энергетики - распад атомного ядра (в основном тяжелых ядер урана). Все изотопы урана радиоактивные, но чуть-чуть, из-за их огромного периода полураспада: у урана-235 и урана-238 0.7 млрд лет и 4.4 млрд лет соответственно. Почему используют именно уран? Все дело в его уникальной способности делиться при взаимодействии с нейтронами сколь угодно малой кинетической энергии. Такие элементы называют делящимися. К этой группе относятся ядра с нечетным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон чётный): 233U, 235U, 239Pu. Реакция деления ядер экзотермическая. Это значит, что при ее протекании выделяется некоторое количество теплоты. В реакторе эта теплота служит источником энергии для нагрева воды.

Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.

Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.

В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.

Для работы реактора его необходимо сначала запустить. Этот процесс немного отличается от работы реактора, когда он уже запущен. Изначально, когда ТВЭЛы погружаются в реактор, он подкритичен. Для количественной оценки того, как эффективно делятся ядра в реакторе, придумали понятие коэффициента размножения нейтронов - критичность. Физически это просто отношение количества выделенных нейтронов в момент деления ядер к количеству нейтронов, которые выделились в предыдущий момент распада ядер. Все просто: если коэффициент больше одного идет цепная ядерная реакция с увеличением мощности реактора (ректор надкритичен), если равен 1 количество делящихся ядер в каждый момент времени одинаково (реактор критичен), а если меньше 1 идет уменьшение мощности реактора (реактор подкритичен). Для начала цепной реакции необходима пороговая масса урана, то есть достаточное количество спонтанно делящегося вещества. При выполнении этого условия реактор переходит в надкритическое состояние.

В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.

Рисунок 5. Цепное деление ядра

Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен захватывать и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.

Рисунок 6. Захват нейтронов ураном. Барн - единица поперечного сечения площади захвата нейтронов атомом. Чем больше площадь захвата нейтронов элементом - тем больше нейтронов он поглощает.

Самое важное в работе АЭС - поддержание скорости цепной реакции. При ее выходе из-под контроля (отключения системы охлаждения, например) может произойти то же самое, что происходит внутри атомной бомбы при взрыве в самом его начале - неконтролируемая цепная реакция. Но волноваться из-за этого не стоит, все реакторы сейчас оборудованы настолько большим количеством защитных механизмов, что катастрофа очень маловероятна.

К сожалению, ядерное топливо - ресурс исчерпаемый, его на Земле намного меньше, чем угля или нефти, а создавать его мы не научились (тяжелые элементы появляются в экстремальных условиях в результате взрывов сверхновых). Да и отходы куда-то девать надо - их сейчас либо обогащают, либо, как маленькие дети прячут игрушки под кровать (закапывают под землю). Еще существуют быстрые реакторы (сейчас есть БН-600 и БН-800 в России) и так называемые реакторы-размножители. Они позволяют вовлечь в использование уран 238 и отходы АЭС, использующих уран 235. Таким образом ресурсная база атомной энергетики увеличивается с сотен и тысяч лет, до миллионов лет. С экономикой быстрых реакторов пока есть вопросы, но технически они уже давно реализуемы.

Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?

Да, оказывается вариант есть, и он намного лучше всего, что человечество научилось делать до этого. Имя ему - ядерный синтез.

Атомная энергетика наоборот

В 50-х годах советские и британские ученые придумали использовать не распад ядер (как на АЭС), а синтез. Распад ядер - тяжелые элементы делятся с выделением энергии, а синтез - легкие элементы слипаются с образованием более тяжелых, выделяя энергию.

При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.

Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная наведенная радиация зачастую бывает опасной.

Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.

Для того, чтобы произвести слияние ядер, нужно чтобы положительно заряженные ядра атомов преодолели кулоновский барьер - силу электростатического отталкивания между ними. То есть расстояние между ядрами должно быть такое, чтобы сильное взаимодействие начало преобладать над кулоновскими силами (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).

Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.

Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.

Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.

К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.

Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

соблюдение критерия Лоусона.Критерию Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.

скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Следует пояснить, что понятие температуры здесь не то, что мы привыкли видеть. Температура - это мера средней кинетической энергии частиц. Из-за столкновений с большим импульсом возможно их слияние.

На самом деле, чтобы пошла самая простая реакция синтеза с изотопами водорода, нужна температура порядка миллиарда Кельвинов (водород - самый легкий элемент, а чем тяжелее элемент - тем большая нужна температура). Решение этой проблемы было найдено самой природой. Существует так называемый максвелловский хвост. Из-за максвелловского распределения, какие-то частицы будут двигаться быстрее, а какие-то медленнее, поэтому уже в районе 100 млн Кельвинов найдутся частицы, которые будут слипаться. Также есть еще туннельный эффект. Если кратко, то благодаря квантовым эффектам, даже если ядра имеют энергию немного меньше барьера, они смогут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Рисунок 8. Распределение энергии частиц.

Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.

Варианты удержания плазмы

Начнем с самого простого способа удержания плазмы: не удерживать, а просто выстрелить. Такие системы называются импульсными. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц .Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Но этот вариант довольно плохо изучен по сравнению со вторым - магнитным удержанием.

Советские физики Тамм и Сахаров придумали магнитное удержание плазмы еще в 50-х годах. Они руководствовались тем, что плазма - ионизированное вещество, поэтому магнитным полем мы можем создать ловушку. Желательно, чтобы она была замкнутой, чтобы ионы могли бесконечно кружиться. Тут на помощь прикатился бублик(тор). Эту конструкцию обматывают электромагнитными катушками, получается тор с пружинкой поверх него - это не дает плазме ударяться о стенки. Также сверху и снизу устанавливают обкладки, которые позволяют сжимать/разжимать плазму и передвигать ее. Такое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Для выработки электроэнергии вода циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар. Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.

Стоит заметить, что токамак - не единственный способ удержания плазмы, есть вариант еще с закрученным тором - стелларатор. С такой конструкцией даже пытались проводить эксперименты: W7-X. Wendelstein 7-X сложнейшая экспериментальная система. Цель экспериментов с такими установками - доказать, что управляемый термоядерный синтез способен давать энергию. Пока что некоторые ученые ставят это под сомнение. Но проблема в том, что форма для таких электромагнитных катушек очень сложная, а в 60-х годах, когда это придумали, не хватало мощности для расчетов.

Рисунок 9. Слева токамак, справа стелларатор. Серые кольца - магниты, желтым показана термоядерная камера.

Что такое ITER. Какие цели у проекта

ITER(International experimental Thermonuclear Reactor) - Экспериментальный международный термоядерный реактор . ITER относится к термоядерным реакторам типа токамак.

История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.

В токамаках возможно осуществить несколько типовреакций слияния. Тип реакции зависит от вида применяемого топлива.Токамак ITER с самого начала проектировался под DT-топливо (дейтерий - тритиевое). Дваядра дейтерия и тритиясливаются с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона.

Рисунок 10. ITER Токамак.

Грубо говоря, задача установки - продемонстрировать возможность коммерческого использования термояда, а для этого нужно, чтобы отношение выработанной энергии к затраченной составило хотя бы 10:1. Также целью является отработка разных решений по управлению и т.д., а дальнейшим шагом должно стать строительство установки - DEMO - следующая итерация ИТЕРа.

У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.

На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.

Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?

Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.

Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.

Энергетика будущего

Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.

Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос где взять столько энергии? находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.

Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы захватить ее энергию.

Рисунок 10. Конструкции сфер Дайсона автор - https://kurzgesagt.org/

Существует много способов ее постройки, один из них - рой сфер, которые будут крутиться вокруг Солнца, собирать энергию и передавать ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить ее не так просто, есть 3 основные проблемы: материал, конструкция и энергозатраты. Кратко пройдем по каждой проблеме.

Для постройки сферы Дайсона потребуется столько материала, что придется разобрать целую планету или даже больше. Лучший кандидат на эту роль - Меркурий, так как он ближе всего расположен к Солнцу, а еще и богат металлом.

Чем проще и надежнее будет конструкция - тем лучше. Солнечные батареи не совсем то, что нужно(маленькое время жизни, дорого, и требуют починки). Проще и надежнее всего - гигантские зеркала, которые будут отражать солнечный свет на центральную станцию.

Однако даже если максимально эффективно использовать все земные ресурсы, нам не хватит энергии, чтобы организовать такую масштабную стройку. Это может быть возможно только в далеком будущем, когда люди смогут успешно осваивать хотя бы планеты солнечной системы. По мнению известного популяризатора науки Карла Сагана, наш уровень по шкале Кардашева равен примерно 0,72. Мы потребляем всего 0,17% от общего энергетического потенциала планеты. Шкала Кардашева - один из способов оценки уровня развития цивилизации по количеству используемой энергии. По ней у цивилизации есть 7 ступеней развития, а человечеству далеко даже до первого типа (цивилизация, которая использует всю энергию своей планеты). Однако это не значит, что нам нужно уничтожать планету для своих нужд. Есть множество способов извлечь энергию из всего, что есть во Вселенной.

Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.

В заключение отметим: мы рассмотрели только самую верхушку айсберга термоядерной и ядерной энергетики, которые по многим параметрам являются самыми перспективными, однако, на данный момент не так важно перейти на них, как научиться эффективно использовать возобновляемые источники энергии и полностью отказаться от ископаемого топлива. Ведь Земля для нас - единственный дом, который не может бесконечно удовлетворять потребности людей. Даже сейчас постройка термоядерной станции несет за собой огромные потери ископаемых ресурсов, так как практически вся энергия на ее постройку будет добыта с помощью них. Нужно лишь научиться использовать ту энергию, которую Земля сможет восстановить по мере ее использования.

Полезные материалы:

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Энергетика , Аэс , Энергия , Атомная энергетика , Термоядерный синтез , Iter , Токамак , Ядерная энергия

Термоядерный синтез все реальнее MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения

06.06.2021 02:04:52 |

Автор: admin

Термоядерные реакторы существуют десятки лет, но управляемая термоядерная реакция все это время оставалась недостижимой. Она постоянно находилась в ближайшем будущем, ученые говорили: Через 10 лет, скорее всего, мы достигнем успеха. Но проходило десять лет, и ничего не менялось по-прежнему публиковались научно-популярные статьи, где говорилось все о том же сроке в 10 лет.

Сейчас, насколько можно судить, многое изменилось разработчики термоядерных установок достигли действительно заметных успехов. Речь идет как о новых реакторах, так и об уже существующих. В целом, вероятность того, что управляемый термоядерный синтез станет реальностью в течение ближайших нескольких лет, достаточно высокая. Давайте оценим успехи ученых последних лет и посмотрим, что там планируется.

Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу

В конце мая снова начал работу сферический токамак MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak). Камера у этой установки не очень большая диаметр 4 метра. Последние несколько месяцев систему модифицировали, включая оптимизацию систему охлаждения плазмы до ее сброса. Возможно, этот реактор послужит прототипом для небольших, но эффективных систем будущего.

К слову, сам токамак из Британии совсем не нов его сборка стартовала в 1997 году, а работать он начал два года спустя. Проблемой стал небольшой размер камеры из-за этого разогретая свыше сотни млн кельвинов плазма разрушала вольфрамовые плитки.

В 2013 году команда поняла, что установку нужно модернизировать. Правительство выделило деньги, около 55 млн фунтов, и началась реконструкция. Завершена она была лишь в октябре 2020 года, после чего последовал период тестирования. Токамак подвергся многочисленным проверкам, и лишь в 2021 году его приняли в эксплуатацию.

В итоге проблемы разрушения плиток удалось избежать. А плазма теперь при сбросе понижает температуру с сотни млн C до всего 300 C.

В прошлом году британские физики начали работу над еще одним проектом токамаком STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).

Проект ITER продвигается к завершению

В прошлом году в исследовательском центре Кадараш во Франции стартовало строительство экспериментальной термоядерной установки ITER. Это масштабный проект, в котором принимают участие специалисты из самых разных стран, включая ЕС, Индию, Китай, Южную Корею, Россию, США и Японию.

Реактор представляет собой цилиндр диаметром 28 метров, высотой 29 метров и весом 23 000 тонн. Размещается система в железобетонном объекте с длиной 120 метров, шириной 80 метров и высотой 80 метров.

Несмотря на некоторые проблемы, проект постепенно продвигается к завершению. Через четыре года разработчики планируют получить первую плазму. В течение десяти лет ученые будут проводить эксперименты, подводя работу к главному результату получению управляемой термоядерной реакции.

Если все пройдет хорошо, то где-то в 2035 году появятся первые коммерческие реакторы DEMO.

Этим летом (т.е. 2021 г.) проводятся эксперименты с новой смесью для термоядерного реактора ITER. Речь идет о дейтерий-тритиевой смеси, которая будет использоваться в качестве основного топлива для реактора". Испытания смеси будут проходить в Великобритании на площадке JET (Joint European Torus Объединенный европейский токамак).

Этот реактор работающая модель ITER с размером в 1/10 от размера полномасштабной установки. Если все пройдет хорошо с JET значит, не должно быть проблем и с его старшим братом. Эксперименты JET позволят увидеть, как будет вести себя плазма и какие сложности могут возникнуть. В ходе испытаний ученые используют не более 60 гр трития при температуре плазмы в 150 млн К именно такая температура требуется для старта синтеза.

У JET весьма неплохие показатели отношение затраченной на разогрев плазмы энергии к полученной энергии составляет 0,67. Для того, чтобы получить коммерческую систему, этот коэффициент, Q, должен быть больше единицы. Для того, чтобы отбить затраты и стать экономически выгодным проектом, Q должен быть равным или превышать 25. Авторы проекта ITER считают, что его Q будет не менее 10.

EAST ставит рекорды

Как уже писали на Хабре, китайским ученым удалось побить рекорд корейцев по удержанию сверхгорячей плазмы. Команда термоядерного реактора EAST смогла добиться невиданных доселе результатов удержания плазмы с температурой 160 млн К в течение 20 секунд. Плазму с температурой в 120 млн К они удерживали 101 секунду. Это уже очень близко к порогу термоядерного синтеза речь идет не о долях секунды, а о десятках секунд.

Для того, чтобы началась реакция термоядерного синтеза в установке, плазму температурой в 150 млн К нужно удерживать около 300-400 секунд.

EAST тоже токамак, отличающийся от большинства похожих конструкций наличием полностью сверхпроводящей магнитной системы на основе ниобий-титановых проводников. При этом большой радиус камеры составляет всего 1,7 метра, то есть диаметр даже меньше, чем у британской установки, о которой говорилось выше 3,4 метра вместо 4. И проблем с разрушением вольфрамовых плиток, насколько можно судить, у китайцев нет.

Стелларатор W7-X

Кроме токамаков, есть и термоядерные установки с иной конфигурацией. Например, стеллараторы. Форма магнитной катушки таких установок как бы повторяет конфигурацию нагретой плазмы, что позволяет не бороться с плазмой, а просто использовать ее особенности.

Установка Wendelstein 7-X (W7-X) современный стелларатор, построенный по последнему слову термоядерных технологий. Конструкция стелларатора постепенно оптимизируется, в планах создателей обеспечить работу системы вплоть до 30 минут, что, конечно, гораздо лучше любых рекордов токамаков.

Wendelstein 7-X (W7-X) предназначен, в первую очередь, быть proof of concept, показав жизнеспособность конструкции получать энергию с его помощью не планируется. К сожалению, из-за пандемии эксперименты с системой отложены минимум на год. Работа возобновится не ранее следующего года.

Осторожный оптимизм

Несмотря на все эти успехи, все равно не стоит считать, что термояд уже у человечества в кармане. Предстоит решить еще очень много проблем, причем в будущем могут возникнуть новые.

Тем не менее, сейчас ученые достигли немалых успехов, изучением возможностей термоядерного синтеза заняты ученые многих стран. Это уже не парочка проектов, как пару десятков лет назад. При этом регулярно появляются новые системы как токамаки, так и альтернативы.

Китайская установка вселяет уверенность в том, что цели, которые ставят перед собой ученые, будут решены в ближайшем будущем. При этом есть надежда и на ITER с его дейтерий-тритиевым топливом.

Если W7-X покажет хорошие результаты кто знает, может, именно стеллараторы вырвут победу, а токамаки останутся позади.

В любом случае, термоядерный синтез привлек внимание не только ученых, но и правительств крупнейших государств мира. И вряд ли это внимание, интерес, ослабнут. Скорее наоборот будут лишь усиливаться.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Блог компании selectel , Будущее здесь , Энергетика , Энергия и элементы питания , Будущее , Термоядерный синтез

	Русский
	English

Термоядерный синтез

Когда будет термояд 500-мегаваттный проект ITER глазами участника

Базовые принципы работы термоядерной установки

Когда технологии не поспевают за теорией

Краткая история ITER

Структура проекта

Вместо итогов

Как укротить термоядерный синтез и зачем он нам нужен?

Staring at the Sun: история открытия термоядерного синтеза

Бесконечная мощь: преимущества, недостатки и препятствия для реализации

Практическая магия: основные типы конструкции и вехи их развития

Красивое завтра: вместо выводов

ИТЭР в 2020 году, часть вторая

Производство

Исследования и разработка

Заключение

Энергетика от мха до плазмы

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

Почему современная энергетика неэффективна?

Энергия в человеческом эквиваленте

Атомная энергетика и ее проблемы

Атомная энергетика наоборот

Что такое ITER. Какие цели у проекта

Энергетика будущего

Термоядерный синтез все реальнее MAST, EAST и ITER, дейтерий-тритиевые эксперименты и другие достижения

Модернизированный сферический токамак MAST возобновил работу

Проект ITER продвигается к завершению

EAST ставит рекорды

Стелларатор W7-X

Осторожный оптимизм

Категории

Последние комментарии