?

Log in

No account? Create an account

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER - Дмитрий Горчаков. Немного атома и радио

янв. 19, 2017

10:14 am - Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Previous Entry Поделиться Next Entry


Строительная площадка термоядерного реактора ITER в октябре 2016 года. Сам реактор будет там в центре, где круг с краном.

Итак, это первый пост с записью и коротким описанием того что мы обсуждали в моей рубрике на Серебряном дожде. Темой вчерашнего выпуска стала термоядерная энергетика и самая дорогая научная установка в мире - ITER.

20-минутную запись рубрики без музыки и рекламных пауз можно полушать и скачать ТУТ. Обратная связь приветствуется, хотя самому мне это и так слушать тяжело - настолько местами ужасным кажется)

Итак, что такое ITER?
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - международный экспериментальный термоядерный реактор. Он строится усилиями десятков стран во французском ядерном центре Кадараш. Планирование его началось еще в 1980-е, проект разрабатывался с 1992 по 2007, строительство началось в 2009 году. Первую плазму рассчитывают получить в 2025 году, а окончательное завершение и выход на максимальные запланированные параметры работы согласно проекту будет в районе 2035 года. Почему это важно и интересно? Во-первых, ITER – это самая дорогая и сложная научная и экспериментальная установка в мире. Его стоимость оценивается уже более чем в 20 млрд. евро. Большой адронный коллайдер, для сравнения, обощёлся в 6 млрд. евро и строился 7 лет. Во-вторых, ITER - это самое главное, что делается сейчас на пути освоения термоядерной энергии, которая потенциально может решить все энергетические проблемы человечества в будущем. Задача установки - демонстрация возможности управляемого термоядерного синтеза с мощностями промышленного масштаба и накопление опыта для строительства первой термоядерной электростанции. Так что сам ITER еще вырабатывать электричество не будет.



В термоядерном реакторе, в отличие от обычного атомного реактора, используется не реакция деления тяжелых ядер урана или плутония, а реакция синтеза легких ядер гелия из изотопов водорода - дейтерия и трития. Похожая реакция синтеза идет и на Солнце, так что "альтернативная" солнечная и ветровая энергетика - это в некотором роде косвенное использование термоядерной энергии нашей звезды.

В то же время создать управляемую термоядерную реакцию синтеза очень сложно. Неуправляемую термоядерную реакцию на земле производить научились - в виде водородных термоядерных бомб, самых мощных из созданных человеком. А вот в мирных целях ее пока использовать не могут. Сложностей тут несколько. Во-первых, для реакции синтеза нужна высокая температура. Она необходима чтобы разогнать и столкнуть два легких ядра с одинаковым положительным зарядом, которые при меньших скоростях просто будут отталкиваться. Поэтому температура Солнца достигает 15 млн градусов, а в реакторе ITER будет и того больше - 150 млн. градусов.

Вещество при такой температуре существует лишь в форме плазмы – четвертого агрегатного состояния вещества после твердого, жидкого и газообразного, где уже нет атомов, а есть лишь отдельные заряженные частицы - ядра, протоны и электроны. Поэтому вторая сложность термоядерной установки – удержание этой плазмы внутри реактора. Ни один материал не выдержит контакта с этой плазмой, поэтому удерживать ее придется не веществом, а магнитным полем. Если придать полю замкнутую форму, то заряженные частицы будут находиться внутри него. Однако создать сферическое замкнутое магнитное поле даже теоретически невозможно (в силу теоремы о причесывании ежа), поэтому для удержания плазмы была предложена форма поля в виде тора. Бублика, проще говоря. И придумали, и реализовали ее впервые советские ученые. Поэтому название такой конструкции - Токамак (Тороидальная камера с магнитными катушками), вошло мир науки из русского языка. ITER будет самым большим и мощным токамаком в мире, хотя их на планете уже более 300.

Ну и еще одна сложность - для создания необходимого магнитного поля нужны огромные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием до температур ниже -270 градусов Цельсия. Так что получается, что токамак - это устройство, где в полном вакууме (поскольку кроме топлива, дейтерия и трития, никакие примеси газов внутри не допускаются) внутри катушек с минусовой температурой будет происходить реакция при температуре 150 млн градусов. Такой вот тепловой бутерброд. Точнее бублик.


Размеры и сложность установки можно оценить по этой схеме


А вот какого размера в реальности те кольца магнита, из которых будет собрана показанная на схеме выше камера токамака. Больше захватывающих фото тут.

Подробнее о физике токамака и его устройстве на пальцах рассказано вот тут.

В одиночку такой проект было бы сложно потянуть даже самым развитым странам. Из-за сложности установки пришлось объединять знания и опыт всех стран, занимающихся исследованиями термоядерного синтеза. В проекте ITER участвует объединенный Евросоюз, США, Россия, Япония, Южная Корея, Китай, Индия. Позже к нему присоединились Казахстан, а недавно даже Иран. Кто-то вкладывается в проект деньгами, а кто-то в форме постройки оборудования. Россия, например, строит многие важные компоненты, как указано на рисунке ниже. А подробнее об участии России можно почитать на сайте российского проектного центра ITER.


Части конструкции ITER, которые делаются в России. Их стоимость - несколько миллиардов евро.

Объединение усилий выгодно всем – вкладывая свою часть, страны затем получают доступ ко всей полученной на экспериментальной установке информации. Термоядерная энергетика действительно может стать достоянием всего человечества. Другая возможная причина того что проект реализуется в виде международной кооперации – разделение рисков. До появления коммерческих установок еще очень далеко (сам ITER даже еще не будет вырабатывать энергию, после него это будет делать следующий реактор DEMO), это все понимают, а тянуть в одиночку такой дорогостоящий эксперимент накладно. Страны грубо говоря вкладываются в далекое будущее и сохраняют научный потенциал в области термоядерной энергетики, но при этом разделяют риски того, что продукт появится нескоро и не в том виде, в котором его можно будет применять.

Хоть я и занимался изучением ядерной энергетики, но термоядерный реактор - это настолько отдельная и далекая от традиционных АЭС тема, что лишь сейчас я достаточно глубоко в нее погрузился. Сейчас мне кажется, что технически проблема мирного использования управляемой термоядерной энергии будет решена. Вот только насколько она будет востребована к моменту создания и когда именно это произойдет пока сказать сложно.

Из того что почитать по теме могу порекомендовать лучший блог о термоядерной энергетике на руском языке - tnenergy.livejournal.com
Собственно первоисточник информации об ITER, сайт проекта с массой наглядных графических и фотоматериалов - http://www.iter.org/

Comments:

[User Picture]
From:stgrdoproduct
Date:Январь 19, 2017 08:47 am
(Link)

Проект заморожен по причине отсутствия подходящего тугоплавкого материала для строительства внутренней стенки реактора. Кроме того проект под санкцими на данный момент и Россия в нем не принимает участие. Зато, на скололько мне известно, есть планы по строительству собственгого ТЯРа. На сегодншний момент российскими учеными разрабатывается полимер способный выдержать такие высокие температуры...

(Ответить) (Thread)
[User Picture]
From:nucl0id
Date:Январь 19, 2017 09:23 am
(Link)
Интересно как это так Россия не принимает участия в замороженном проекте и одновременно из под санкций поставляет туда оборудование? - http://rosatom.ru/journalist/news/rossiya-otpravila-vtoruyu-partiyu-kommutiruyushchey-apparatury-dlya-reaktora-iter/?sphrase_id=53893
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]
From:tnenergy
Date:Май 18, 2017 02:53 pm
(Link)
Для внутренней стенки не нужен тугоплавкий материал (ровно по той же причине, как в жидкосных ракетных двигателях внутренняя стенка сделана из меди, а не из вольфрама или тантала).
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]
From:stgrdoproduct
Date:Январь 20, 2017 10:03 am
(Link)

Признаю...запустил дезу...ссылался на устаревшую информацию с 2015 года проект действительно разморожен. Но был в заморозке с 2003 года. Очень радует, что проект будущего снова в работе. Ещё раз приношу свои извинения.

(Ответить) (Thread)