На этой неделе произошло важное событие, потенциально способное произвести революцию в энергетике — 28 июля на юге Франции ученые приступили к сборке международного экспериментального токамака ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), который должен доказать на практике жизнеспособность концепции коммерческого термоядерного реактора, способного выделять больше энергии, чем затрачивать. В официальной церемонии начала сборки ITER 28 июля, которая транслировалась в YouTube, приняли участие президент Франции Эммануэль Макрон и первые лица стран-партнеров ITER.
Управляемый термоядерный синтез — это Святой Грааль устойчивой энергетики, потенциально неограниченный источник экологически чистой энергии. Технология рассматривается в качестве более эффективной и безопасной альтернативы АЭС, на которые приходится около 10% всемирной генерации электричества. Современные АЭС, как известно, преобразуют тепловую энергию, выделяющуюся при распаде радиоактивных изотопов, в электрический ток. Термоядерные реакторы же работают по совершенно другому принципу, основанном не на расщеплении, а на синтезе более тяжелых элементов из более легких. Такая схема в самом общем смысле аналогична происходящим в ядрах звезд реакциям. Основными концепциями являются токамак и стелларатор. Основной проблемой таких установок является создание и поддержание подходящих условий.
ITER — не первый экспериментальный реактор, но самый крупный проект такого рода. Всего в нем участвует 35 стран, в том числе США, Китай, Великобритания, Швейцария, Индия, Япония, Южная Корея и 27 стран-участников Европейского союза. Конструкция ITER считается одной из сложнейших, когда-либо разработанных человеком. Общая масса реактора оценивается в 23 тысячи тонн. Сама установка займет целое здание. Работы над этим проектом начались еще в 1992 году, а разрешение на строительство было получено 14 лет назад. Подготовительные работы стартовали в 2007 году в исследовательском центре Кадараш, а в конце мая 2020 года в шахту реактора опустили основание криостата общей массой 1250 тонн, что, по сути, является отправной точкой процесса создания самого реактора.
Как рассказывает научное издание N+1, ITER представляет собой магнитную ловушку типа токамак, в которой шнур из разогретой до нескольких сотен миллионов кельвинов дейтерий-тритиевой плазмы, находящийся внутри вакуумной камеры, удерживается от разлета и касания стенок магнитным полем определенной конфигурации, создаваемой системой сверхпроводящих катушек. Перед началом работы вакуумная камера откачивается системой насосов, после чего в нее закачивается рабочая смесь газов. Затем при помощи индуктора создается пробой газовой смеси и зажигается разряд, после чего начинается повышение температуры плазмы (увеличение энергии ионов и электронов) при помощи целого ряда методов.
В ходе реакции ядра дейтерия и трития сливаются вместе с образованием альфа-частицы и нейтрона, при этом выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии, которая распределяется между продуктами реакции. Альфа-частицы, постепенно диффундируя из центра плазменного шнура на его периферию, в конечном итоге попадают в область дивертора, откуда удаляются из плазмы. Нейтроны же попадают в бланкет, где замедляются, нагревая теплоноситель (воду) или участвуют в наработке трития из лития. Вся вакуумная камера вместе с магнитными катушками, индуктором, системами откачки, подачи топлива, нагрева плазмы и диагностики ее параметров заключены в криостат, который играет роль опорной конструкции и своеобразного вакуумного термоса. Криостат, в свою очередь, окружен бетонной биозащитой, толщиной несколько метров, для обеспечения радиационной безопасности.
По плану, завершение работ и получение первой плазмы в ITER состоится в декабре 2025 года. При этом лишь в 2035 году начнутся полномасштабные эксперименты с дейтерий-тритиевой плазмой, в ходе которых реактор должен будет удерживать высокотемпературную плазму в течение 400 секунд и выйти на полную тепловую мощность 500 мегаватт.
ITER уже на пять лет отстает от графика, а текущая оценка стоимости проекта втрое превышает первоначальную и составляет 20 млрд евро.
Важно отметить, что установка ITER не будет электростанцией — она предназначена сугубо для отработки технологий, а вырабатываемое ею тепло планируется рассеивать. Первой настоящей термоядерной электростанцией может стать следующий токамак DEMO, но его постройка завершится не раньше 2040 года.
В последние годы наблюдается всплеск исследований в области термоядерной энергетики. Термоядерные реакторы разных конструкций есть во многих странах мира, включая США, Германию, Китай и Южную Корею. Если же говорить о достижениях, их тоже немало. В 2016 году команде экспериментального реактора KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research) удалось установить новый мировой рекорд удержания плазмы – 70 секунд. Затем в 2017 году команде китайского экспериментального токамака EAST удалось превзойти этот результат, удержав плазменный шнур дольше 100 с. Разработкой собственного проекта STEP (Spherical Tokamak for Energy Production — сферический токамак для производства энергии) занимаются и британцы, но его постройка планируется только к 2040 году.
Источник: Science Alert и N+1