Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника

в 12:53, , рубрики: ITER, Блог компании Leader-ID, Научно-популярное, термоядерная установка, термоядерная энергетика, термоядерный реактор, термоядерный синтез, физика, Энергия и элементы питания

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 1

ITER — международный проект по созданию 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 троицкую 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 нашей троицкой Точки Кипения он провел вебинар «Когда будет термояд?». В основе этой статьи обработанная расшифровка его лекции и последующей сессии вопросов — ответов.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 2

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 3

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 100–200 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 10–20 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».

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 4

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 5

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 10–50 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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 6

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 7

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 8

В 2011-м начали заливать фундамент.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 9

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

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 10

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

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 11

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

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 12

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 13

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 14

А это подстанция высокого напряжения и трансформаторы.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 15

В 2015 году Assembly Building обернули во внешние стены.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 16

А это фото 2016 года:

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 17

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 18

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 19

А вот так проект выглядит сегодня:

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 20

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 21

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

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 22

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 23

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 24

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 25

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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 26

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 2035–2045 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.

Когда будет термояд: 500-мегаваттный проект ITER глазами участника - 27

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.

Автор: Светлана Болгова

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js