Введение
Реактор ИТЭР называют энергетическим будущим человечества и символом международного научного сотрудничества. Термоядерный синтез имеет глобальное значение как потенциальный источник чистой, безопасной и доступной энергии.
Преимущества термоядерного синтеза в качестве источника энергии:
- Термоядерный синтез не производит парниковые газы и долгоживущие радиоактивные отходы. Предполагается, что материалы первой стенки тороидальной камеры термоядерного реактора должны периодически заменяться (раз в ~5 лет), а отработанные – храниться ~ 50 лет до спада активности до уровня низкоактивных отходов. Это значительно лучше, чем у классических ядерных реакторов на основе реакции деления (миллионы лет для образующихся актиноидов), поэтому термояд называют “экологически предпочтительным”.
- Термоядерная реакция не может выйти из-под контроля и привести к цепной реакции, поскольку для синтеза необходимы точные условия, которые трудно поддерживать.
- Для термоядерного синтеза используют смесь дейтерия и трития. Дейтерий содержится в морской воде, его запасы практически неисчерпаемы. Тритий на Земле практически не встречается, но его можно производить внутри термоядерного реактора - для этого нужен литий, запасы которого на планете огромны.
- Термоядерный синтез также представляет низкие риски распространения по сравнению с радиоактивным делением, поскольку нет необходимости в уране или плутонии в системе термоядерного синтеза.
Немного физики
То, что мы воспринимаем как солнечный свет и ощущаем как тепло, — это результат термоядерной реакции в ядре нашего Солнца: ядра водорода сталкиваются, превращаются в более тяжёлые атомы гелия и при этом выделяют огромное количество энергии. За миллиарды лет под действием гравитационных сил водородные облака ранней Вселенной собрались в массивные звёздные тела. В условиях экстремальной плотности и температуры звёзд, в том числе нашего Солнца, происходит термоядерный синтез.
Однако масса получившегося атома гелия не является точной суммой масс исходных атомов — часть массы исходных ядер теряется и этот, так называемый, «дефект» массы преобразуется в энергию. Это и описывает знаменитая формула Эйнштейна E=mc²: крошечная потерянная масса (m), умноженная на квадрат скорости света (c²), даёт очень большое значение (E), которое представляет собой количество энергии, выделяемой в результате термоядерной реакции. Каждую секунду наше Солнце превращает 600 миллионов тонн водорода в гелий, высвобождая огромное количество энергии. Но без гравитационных сил, действующих в нашей Вселенной, для осуществления термоядерного синтеза на Земле требуется другой подход.
XX веке ученые определили, что наиболее эффективной реакцией синтеза в лабораторных условиях является реакция между двумя изотопами водорода: дейтерием (D) и тритием (T), поскольку реакция синтеза D+T даёт наибольший прирост энергии при «самых низких» температурах. В результате слияния этих лёгких ядер водорода образуется более тяжёлый элемент — гелий — и один нейтрон. Тем не менее, для неё требуются температуры в 150 000 000 градусов по Цельсию — в десять раз выше, чем для водородной реакции, происходящей на Солнце.
В целом для осуществления искусственного термоядерного синтеза в земных условиях необходимо соблюдение трёх условий: чрезвычайно высокая температура (порядка 150 000 000 °C); достаточная плотность частиц плазмы (для повышения вероятности столкновений); достаточное время удержания (чтобы плазма, имеющая свойство расширяться, оставалась в определённом объёме).
Основным типом установки для осуществления термоядерного синтеза считается ТОКАМАК. Это аббревиатура от слов - «тороидальная камера с магнитными катушками». Термин «токамак» придумал Игорь Николаевич Головин, ученик академика Игоря Васильевича Курчатова, в 1957 году. Таким образом, токамак — это тороидальная вакуумная камера (форма пончика), внутри которой формируется магнитная ловушка, предназначенная для удержания плазмы и осуществления в ней управляемого термоядерного синтеза. Массивные магнитные катушки, расположенные вокруг камеры, позволяют придавать плазме нужную форму и управлять ею. Физики используют это важное свойство, чтобы удерживать горячую плазму вдали от стенок камеры. Внутри магнитной ловушки под воздействием экстремально высокой температуры и давления газообразное водородное топливо превращается в плазму — среду, в которой атомы водорода могут сливаться и выделять энергию. Энергия, вырабатываемая в результате термоядерного синтеза, поглощается стенками камеры в виде тепла - нейтральные нейтроны, возникающие при реакции синтеза, могут проходить сквозь магнитную ловушку и передают свою энергию стенкам камеры, а отбираемое от стен тепло служит источником энергии для работы турбин, вырабатывающих электричество. Как и на обычной электростанции, на термоядерной электростанции это тепло используется для производства пара, а затем и электричества с помощью турбин и генераторов. В рамках проекта ИТЭР строится крупнейший в настоящее время токамак в мире.
Чтобы запустить процесс термоядерного синтеза, сначала из вакуумной камеры откачивают воздух и примеси. Затем запускают магнитные системы, которые будут удерживать плазму и контролировать её, и подают газообразное топливо. Когда через камеру пропускают мощный электрический ток, газ в ней подвергается электрическому пробою, ионизируется (электроны отделяются от ядер) и образует плазму. Методы нагрева плазмы помогают довести ее температуру от 150 до 300 миллионов °C. Ядра изотопов водорода, получившие такую энергию, могут преодолеть естественное электромагнитное отталкивание при столкновении и сливаться, высвобождая огромное количество энергии.
Токамак, впервые разработанный советскими учёными в конце 1960-х годов, стал самой перспективной конфигурацией устройства для магнитного термоядерного синтеза. ИТЭР станет крупнейшим в мире токамаком — он в два раза больше самой большой действующей установки (JT-60SA в Японии) и в шесть раз превосходит её по объёму плазменной камеры. Для сравнения JT-60SA — крупнейший в мире на сегодняшний день экспериментальный реактор термоядерного синтеза, совместный проект Японии и Европы. Расположен в Нака, префектура Ибараки, в 95 км к северу от Токио. Некоторые характеристики JT-60SA:
- высота камеры — 15,5 метра;
- для генерации и удержания плазмы используются мощные сверхпроводящие катушки, охлаждённые до –269 °C;
- способен удерживать плазму температурой 200 млн °C на протяжении приблизительно 100 секунд.
В конце 2023 года JT-60SA достиг объёма плазмы 160 кубических метров, что было занесено в Книгу рекордов Гиннесса.
Вклад СССР/России в исследование термоядерного синтеза
Необходимо отметить значительный вклад советских и российских ученых в исследованиях и решении проблематики термоядерного синтеза.
29 июля 1950 года молодой советский военный техник Олег Лаврентьев направляет с Сахалина, где проходил срочную службу, в ЦК ВКП(б) письмо с предложением схемы получения энергии за счет контролируемого термоядерного синтеза, используя магнитное удержание плазмы. Инициатива Лаврентьева привела к тому, что академики И. Тамм и А. Сахаров получили задачу оценить идею; Сахаров охарактеризовал предложение как «очень важное» и начал разрабатывать собственную концепцию магнитного термоизоляционного реактора.
Уже 5 мая 1951 в СССР выходит секретное Постановление Совета Министров №1463-732сс/оп «О проведении НИР и экспериментальных работ по выяснению возможности создания магнитного термоядерного реактора» – официальный старт советской программы исследований управляемого термояда. Под руководством Игоря Васильевича Курчатова формируются группы в Институте атомной энергии (в настоящее время Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва) и других центрах для экспериментальных работ с плазмой.
В период с 1953 по 1956 в ИАЭ для изучения горячей плазмы созданы установки типа ТМП – прототипы токамаков с тороидальными камерами из диэлектрика (стекла, фарфора) и соленоидальными магнитами.
В апреле 1956 года состоялось выступление Игоря Курчатова в лаборатории Харуэлл (Великобритания) с сенсационным докладом о советских исследованиях мощных импульсных разрядов в плазме – фактически первая публикация ранее засекреченных работ. Это ознаменовало начало снятия завесы секретности: вскоре и другие державы стали раскрывать данные о своих установках.
В сентябре проходила Международная конференция по мирному использованию атомной энергии в Женеве (Женева-2) – первый глобальный обмен результатами по управляемому термоядерному синтезу. Представлено 105 докладов от США, СССР, Великобритании, Франции и др., подробно раскрывающих параллельно и независимо проведенные эксперименты 1950-х годов. СССР впервые официально сообщает о создании и успешной работе установки Т-1 – первого в мире токамака (тороидальная установка с магнитными катушками), которая в 1958 г. получила плазму при токе ~30–100 кА.
В 1964 в СССР в ИАЭ им. И.В. Курчатова вводится в строй усовершенствованный токамак Т-3. Он оснащен металлическим вакуумным корпусом и способен поддерживать плазму с током >200 кА. В течение нескольких лет на Т-3 накапливаются аномально высокие (по меркам того времени) параметры плазмы – температуры порядка миллионов градусов, что вызывает скепсис за рубежом.
Однако на в августе 1968 года на 3-й Международной конференции по плазме и управляемому термоядерному синтезу в Новосибирске советская команда физиков под руководством Льва Ациимовича докладывает прорыв: на токамаке T-3 достигнута температура электронов ~10 млн K (~1 кеВ) и удержание порядка нескольких миллисекунд. Для проверки этих поразительных результатов в Москву приглашаются западные ученые. В ноябре 1968 г. группа из Великобритании выполняет на T-3 независимые измерения температуры методом лазерной томсоновской рассейки: подтверждены T_e ≈ 1 кеВ. Это событие стало поворотным – «революция 1968 года»: мировое сообщество признало превосходство схемы токамак по параметрам плазмы. Вскоре во всех ведущих странах стартует «бум токамаков» – массовое строительство тороидальных установок нового типа. В 1973 году в Европе принят беспрецедентный совместный проект: начало проектирования Joint European Torus (JET) – крупного токамака общими усилиями Европейского сообщества. Одновременно СССР запускает серию усовершенствованных токамаков: Т-4, Т-6. В США стартует проект крупнейшего токамака TFTR (Принстон), а в Японии – JT-60 (Naka). В 1975 году СССР в ИАЭ им. И.В. Курчатова введен в строй крупный токамак Т-10 (радиус 1,5 м) с мультиполюсными магнитами – на нем до сих пор изучают улучшение удержания за счет сильного магнитного поля и охлаждения стенок (по информации на 2024 год, установка после модернизации достигла температуры плазмы в 30 миллионов градусов по Цельсию).
В 1982 году в СССР начато строительство крупнейшего токамака Т-15 (диаметр плазмы ~2 м) – первый советский проект реакторного масштаба с сверхпроводящими магнитами. Реактор достиг получения первой плазмы в 1988 году. С января 2005 года из-за нехватки финансов эксперименты были приостановлены.
Модернизированный реактор Т-15МД был запущен в декабре 2020 года, торжественная церемония состоялась 18 мая 2021 года в Курчатовском институте. Установка предназначена для получения и исследования плазмы с термоядерными параметрами и решения инженерных задач, связанных с созданием термоядерного энергетического реактора. Новый токамак был запущен в мае 2021 года, а первая плазма была получена весной 2023 года. Т-15МД входит в структуру международного термоядерного проекта ИТЭР и должен стать одной из установок, на которой будет решаться ряд исследовательских задач этого мегапроекта.
Для чего нужен ИТЭР?
Количество термоядерной энергии, которое способен выработать токамак, напрямую зависит от количества термоядерных реакций, происходящих в его плазме. Учёные знают, что чем больше объем камеры токамака, тем больше объём плазмы и, следовательно, тем выше потенциал термоядерной энергии.
Токамак ИТЭР, объём плазмы которого в пять раз превышает объём плазмы самого крупного из действующих сегодня токамака - JT-60SA, станет уникальным экспериментальным инструментом, способным удерживать плазму в течение более длительного времени. Аппарат был спроектирован для достижения следующих результатов:
- Получить дейтериево-тритиевую плазму, в которой условия термоядерного синтеза поддерживаются в основном за счёт внутреннего термоядерного нагрева. Современные исследования в области термоядерного синтеза находятся на пороге изучения «горящей плазмы» — плазмы, в которой тепло от термоядерной реакции удерживается внутри достаточно эффективно, чтобы эффект самонагревания преобладал над другими формами нагрева. Ученые уверены, что плазма в ИТЭР будет не только вырабатывать гораздо больше термоядерной энергии, но и оставаться стабильной в течение более длительного времени.
- Выработать в плазме 500 МВт термоядерной энергии. Мировой рекорд по мощности термоядерного синтеза в устройстве с магнитным удержанием плазмы принадлежит европейскому токамаку JET. В 1997 году JET выработал 16 МВт термоядерной энергии при общей входной мощности нагрева 24 МВт (Q = 0,67). ITER спроектирован таким образом, чтобы в его плазме мощность термоядерного синтеза увеличивалась в десять раз (Q = 10), или 500 МВт термоядерной энергии при 50 МВт входной мощности нагрева. ИТЭР не будет преобразовывать вырабатываемую им тепловую энергию в электричество, но — как первый в истории термоядерный эксперимент, в ходе которого в плазме происходит чистый прирост энергии, — он подготовит почву для создания таких термоядерных энергетических установок.
- Способствовать демонстрации комплексной работы технологий для термоядерной электростанции. ИТЭР позволит преодолеть разрыв между современными экспериментальными термоядерными установками меньшего масштаба и демонстрационными термоядерными электростанциями будущего. Ученые смогут изучать плазму в условиях, приближенных к тем, которые будут на электростанциях будущего, и тестировать такие технологии, как нагрев, управление, диагностика, криогеника и дистанционное обслуживание.
- Испытание тритиевого реактора. Одна из задач на более поздних этапах работы ИТЭР — продемонстрировать возможность получения трития из лития в вакуумной камере. Мирового запаса трития (который используется вместе с дейтерием для запуска термоядерной реакции) недостаточно для удовлетворения потребностей будущих электростанций. ИТЭР предоставит уникальную возможность протестировать макеты внутрикамерных тритиевых размножителей в условиях реального термоядерного синтеза.
- Демонстрация безопасности термоядерного синтеза. В 2012 году организация ИТЭР достигла важной вехи в истории термоядерного синтеза, получив во Франции лицензию на деятельность в ядерной сфере на основании тщательного и беспристрастного изучения документов по безопасности. Одной из основных целей работы ИТЭР является демонстрация возможности управления плазмой и термоядерными реакциями с минимальными последствиями для окружающей среды.
Краткая история проекта ИТЭР
На советско-американском саммите в Женеве Генеральный секретарь СССР Михаил Горбачёв предлагает президенту США Рональду Рейгану объединить усилия для создания крупной международной термоядерной установки для мирных целей.
Инициатива получает поддержку: стартует проектирование. В 1988–1990 гг. СССР, США, Европейское сообщество и Япония совместно готовят эскизный проект. Проект получил название ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, по-латински «путь») и имел целью продемонстрировать достижение горящего плазменного режима с десятикратной выработкой термоядерной энергии по сравнению с затраченной электроэнергией и выработку тепловой мощности ~0,5 ГВт. Ориентировочная стоимость реализации в ценах 1988 г. составляла примерно 6 млрд $. В 1990 г. стороны подписали соглашение о Conceptual Design Activities (CDA).
1990-е годы стали десятилетием детального проектирования ИТЭР. В 1992–1996 гг. шла фаза Engineering Design Activities (EDA), по итогам которой в 1998 г. представили детальный проект ITER. Он предусматривал гигантскую машину (общий вес ~30 тыс. тонн, вакуумная камера Ø 8 м) с бюджетом ~10 млрд $. В 1999 г. США, сославшись на высокую стоимость, вышли из проекта, и ITER был сокращен (проект ITER-FEAT 2001 г. – уменьшенный масштаб токамака с R=6,2 м, цена ~5 млрд €).
В новом тысячелетии после ревизии проекта, ИТЭР искал место размещения. В 2003 г. в проект вернулись США. Китайская Народная Республика и Республика Корея присоединились к проекту в 2003 году, а Индия — в 2005 году. Выбор места для строительства ИТЭР был длительным процессом, который завершился в 2005 году, когда участники проекта единогласно одобрили место во Франции, в Кадараше, предложенное Европейским союзом. При этом Япония (второй основной кандидат на размещение ИТЭР) получила право на ряд ключевых постов и проектов в обмен на отказ от размещения.
На церемонии, организованной президентом Франции Жаком Шираком и председателем Европейской комиссии Жозе Мануэлом Дурау Баррозу в Елисейском дворце в Париже, 21 ноября 2006 года министрами семи стран-участниц ИТЕР (Китай, Европейский союз, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США) было подписано Соглашение о создании Международной организации ИТЭР по термоядерной энергии для совместной реализации проекта ИТЭР. Этот документ определил основание международной организации ИТЭР, которая отвечает за строительство, эксплуатацию и вывод из эксплуатации проекта ИТЭР. После ратификации международного договора всеми участниками 24 октября 2007 года организация ИТЭР была официально учреждена.
Первые команды прибыли на место в Сен-Поль-ле-Дюрсан во Франции в конце 2005 года после принятия решения о месте строительства ИТЭР (подготовка площадки строительства началась в 2007 году). С 2005 года и до начала строительства в 2010 году штат сотрудников был увеличен примерно до 500 человек, был начат процесс получения лицензии на ядерную деятельность, проведены подготовительные работы на месте строительства и созданы соответствующие национальные структуры в каждой стране-участнице ИТЭР.
[Часть 2 I Пост статьи в канале MAХ]
Источники информации
1. Крупнейший в мире термоядерный реактор запущен в Японии: https://3dnews.ru/1095427/v-yaponii-zapustili-krupneyshiy-v-mire-termoyaderniy-reaktor?ysclid=mhi6n46xzf615519446
2. Официальный сайт международного проекта ITER: https://www.iter.org/
3. Рождение термоядерной энергетики: https://dzen.ru/a/XzJDNg6yTC7kdCVE
4. Проект ITER как энергетическая надежда человечества | Эксперт: https://expert.ru/nauka/proekt-iter-kak-energeticheskaya-nadezhda-chelovechestva/
5. Российское поколение ТОКАМАКов: http://www.iterru.ru/FusionCentre/FCMain/FCHistory/russian_tokamaks.html