Общие сведения
ITER должен стать крупнейшим в мире токамаком с внешний радиусом плазмы 6,3 и объемом плазмы 840 м3.
В 39 зданиях и технических сооружениях располагается токамак ИТЭР и его системы. Активная фаза строительства ИТЭР стартовала в 2010 году.
Сердце комплекса - здание токамака (здание 11) - представляет собой семиэтажное железобетонное сооружение, расположенное на 13 метров ниже уровня площадки и на 60 метров выше. Предварительная сборка компонентов токамака происходит в соседнем сборочном цехе (здание 13). Другие вспомогательные здания, расположенные рядом со зданием токамака, включают в себя градирни, электроустановки, диспетчерскую, помещения для утилизации отходов и криогенную установку, которая будет производить жидкий гелий для охлаждения магнитов ИТЭР.
Обзор конструкции токамака ИТЭР
Сверхпроводящие магниты
Магнитная система ИТЭР станет самой большой и интегрированной системой сверхпроводящих магнитов из когда-либо созданных.
Десять тысяч тонн магнитов с суммарной накопленной магнитной энергией 51 гигаджоуль (ГДж) будут создавать магнитные поля, которые будут инициировать, удерживать, формировать и контролировать плазму ИТЭР. Магниты, изготовленные из ниобия-олова (Nb3Sn) или ниобия-титана (Nb-Ti), становятся сверхпроводящими при охлаждении сверхкритическим гелием до температуры 4 Кельвина (-269 °C).
Сверхпроводящие магниты способны пропускать более высокий ток и создавать более сильное магнитное поле, чем обычные аналоги. Они также потребляют меньше энергии и дешевле в эксплуатации, что делает технологию сверхпроводящих магнитов единственным вариантом для создания огромных магнитных систем в ИТЭР.
В ИТЭР используются высокопроизводительные сверхпроводники с внутренним охлаждением, так называемые «кабельные сверхпроводники», в которых пучки сверхпроводящих нитей, смешанных с медью, объединены в кабель и заключены в конструкционную стальную оболочку.
Система Тороидального поля
Восемнадцать тороидальных магнитов в форме буквы «D», расположенных вокруг вакуумной камеры, создают магнитное поле, основная функция которого — удерживать частицы плазмы. Тороидальные катушки рассчитаны на общую магнитную энергию в 41 гигаджоуль и максимальное магнитное поле в 11,8 тесла. Они весят по 330 тонн каждая и имеют размеры 9 х 17 м. Это одни из самых крупных компонентов установки ITER.
Тороидальные катушки поля намотаны в виде «двойных блинов» — слоёв спиралевидного сверхпроводника, встроенных в радиальные пластины и заключённых в крупные конструкции из нержавеющей стали.
Система Полоидального поля
Шесть кольцевых катушек полоидального поля расположены снаружи тороидальной магнитной структуры, чтобы формировать плазму и обеспечивать её стабильность, «отталкивая» её от стенок. Самая большая катушка имеет диаметр 24 метра, а самая тяжёлая весит 400 тонн. Катушки полоидального поля рассчитаны на общую магнитную энергию в 4 гигаджоуля и максимальное магнитное поле в 6 тесла.
Центральный Соленоид
Центральный соленоид является «основой» магнитной системы ИТЭР, позволяющей индуцировать мощный ток в плазме ИТЭР и поддерживать его во время длительных плазменных импульсов. Центральный соленоид высотой 13 метров (18 метров с конструкцией), шириной 4 метра и весом 1000 тонн состоит из шести независимых катушек, намотанных из ниобий-оловянного сверхпроводящего кабеля.
Накопленная магнитная энергия в 6,4 ГДж в центральном соленоиде позволит создать и поддерживать плазменный ток в 15 МА в течение 300–500 секунд. Максимальное поле в 13 тесла будет достигнуто в центре сложенных друг на друга модулей, что сделает центральный соленоид самой мощной из всех магнитных систем ИТЭР.
Корректирующие катушки
Вос
емнадцать сверхпроводящих корректирующих катушек, установленных между тороидальными и полоидальными катушками, компенсируют погрешности поля, вызванные геометрическими отклонениями из-за производственных и монтажных допусков. Несмотря на то, что корректирующие катушки намного легче и тоньше тороидальных и полоидальных катушек и пропускают меньший ток (10 кА), их ширина достигает 8 метров, что создаёт особые трудности при сборке и установке.
Магнитные питатели
Магнитные питатели необходимы для работы токамака ИТЭР. Они транспортируют и регулируют подачу криогенных жидкостей для охлаждения и контроля температуры магнитов, а также соединяют магниты с источниками питания. В общей сложности 31 сверхпроводящий питатель будет передавать электроэнергию и криогены через барьер «тепло-холод» к магнитам ИТЭР.
Расчётный рабочий ток фидеров составляет 68 кА. Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) токовые провода передают мощные токи от источников питания комнатной температуры к низкотемпературным сверхпроводящим катушкам 4K (-269 °C) с минимальной тепловой нагрузкой.
Сверхпроводящие шины, изготовленные из стального трубопровода, содержащего ниобий-титановый сверхпроводящий кабель, предназначены для компенсации значительных перепадов температуры во время охлаждения машины.
Катушки в вакуумной камере
Вакуумная камера
Эксперименты в ИТЭР будут проводиться внутри вакуумной камеры — герметичного стального контейнера с двойными стенками, в котором происходят термоядерные реакции и который служит первым защитным барьером. В камере в форме пончика, или тора, частицы плазмы непрерывно движутся по спирали, не касаясь стенок.
Вакуумная камера обеспечивает высоковакуумную среду для плазмы, улучшает радиационную защиту и стабильность плазмы, служит первичным барьером для удержания радиоактивных веществ и обеспечивает поддержку компонентов внутри камеры, таких как дивертор. Охлаждающая вода, циркулирующая между двойными стальными стенками камеры, отводит тепло, выделяющееся во время работы. Сорок четыре отверстия, или порта, в вакуумной камере обеспечивают доступ для дистанционного управления, диагностики, нагрева, подачи дейтерия и работы вакуумных систем.
Бланкеты
440 бланкетов защитной оболочки, полностью покрывающих внутренние стенки вакуумной камеры, защищают стальную конструкцию и сверхпроводящие тороидальные магниты от тепла и высокоэнергетических нейтронов, образующихся в результате термоядерных реакций. Когда нейтроны замедляются в оболочке, их кинетическая энергия преобразуется в тепловую и улавливается водяным теплоносителем. В термоядерной электростанции эта энергия будет использоваться для производства электроэнергии.
Каждый модуль оболочки имеет размеры 1 х 1,5 метра и весит до 4,6 тонны. Существует более 180 вариантов конструкции (в зависимости от расположения модулей в вакуумной камере), но все они имеют съёмную первую стенку, которая непосредственно контактирует с плазмой и принимает на себя тепловую нагрузку, а также основной защитный блок, предназначенный для защиты от нейтронов. Модули оболочки также служат проходами для систем диагностики и нагрева плазмы.
Теплозащитный экран ИТЭР, занимающий площадь 600 м², является одним из наиболее важных и технически сложных компонентов ИТЭР: вместе с дивертором он непосредственно контактирует с горячей плазмой. Из-за высокого тепловыделения, ожидаемого во время работы с плазмой, ИТЭР станет первым термоядерным реактором с активно охлаждаемым теплозащитным экраном. Охлаждающая вода, подаваемая под давлением 4 МПа и температурой 70 °C, предназначена для отвода тепловой энергии мощностью до 736 МВт.
На более поздних этапах работы ИТЭР некоторые модули оболочки будут заменены специализированными модулями для тестирования материалов в рамках концепции выведения трития. Будущая термоядерная электростанция, вырабатывающая большое количество энергии, должна будет самостоятельно производить тритий. ИТЭР будет тестировать эту важнейшую концепцию самообеспечения тритием.
Защитные блоки (более тяжёлый из двух элементов, слева) обеспечивают ядерную защиту вакуумной камеры и систем катушек, а также служат опорой для первых стеновых панелей. Охлаждающая вода будет поступать в защитные блоки и выходить из них через коллекторы и патрубки, чтобы отводить высокую тепловую нагрузку, ожидаемую во время работы ИТЭР.
Каждый защитный блок будет прикреплён болтами непосредственно к вакуумной камере в четырёх точках. Установка 440 модулей будет непростой задачей, так как они должны быть выровнены с допуском примерно в 10 мм по всему периметру и с номинальным зазором между соседними модулями (как по вертикали, так и по горизонтали) в +/-4 мм. По мере установки настраиваемые компоненты будут обрабатываться индивидуально для достижения этих параметров допуска.
Дивертор
Дивертор, расположенный в нижней части вакуумной камеры, отводит тепло и гелий, образующиеся в результате термоядерной реакции, минимизирует загрязнение плазмы и защищает окружающие стенки от тепловых и нейтронных нагрузок.
Каждый из 54 «кассетных блоков» дивертора имеет опорную конструкцию из нержавеющей стали и три компонента, обращённых к плазме: внутреннюю и внешнюю вертикальные мишени и купол. В кассетных блоках также находится ряд диагностических компонентов для управления плазмой, а также для оценки и оптимизации физических параметров.
54 десятитонных кассетных узла дивертора ITER будут установлены — а также заменены по крайней мере один раз в течение срока службы ИТЭР — с помощью дистанционного управления.
Криостат
Криостат ИТЭР — самая большая из когда-либо построенных высоковакуумных камер из нержавеющей стали (объёмом 16 000 м³) — обеспечивает высоковакуумную и сверххолодную среду для вакуумной камеры ИТЭР и сверхпроводящих магнитов.
Внутренний диаметр криостата (28 метров) составляет почти 30 метров в ширину и столько же в высоту и определяется размером самых крупных компонентов, которые он окружает: двух самых больших катушек полоидального поля. Криостат, изготовленный из нержавеющей стали, весит 3850 тонн. Его нижняя часть — 1250 тонн — будет самой тяжёлой частью установки токамака ИТЭР.
Криостат имеет 23 отверстия для доступа при техническом обслуживании, а также более 200 отверстий - некоторые из них достигают четырёх метров в диаметре — для доступа к системам охлаждения, магнитным питателям, вспомогательному нагреву, средствам диагностики, а также для снятия секций защитного слоя и частей дивертора.
Роль России в проекте ИТЭР
По информации на сентябрь 2025 года, роль России в проекте не изменилась, несмотря на геополитическую напряжённость. Учёные и предприятия госкорпорации «Росатом» продолжают участвовать в реализации ИТЭР, изготавливая и поставляя на площадку сооружения реактора компоненты будущей установки. Российским специалистам поручено изготовление 25 систем будущей термоядерной установки. В этом процессе задействовано более 50 ведущих научно-технических учреждений, предприятий и комплексов во многих городах РФ. Российские предприятия изготавливают девять диагностических систем для измерения широкого спектра параметров плазмы в ходе работы установки ИТЭР. Участие в проекте ИТЭР позволило России, в числе прочего, создать собственную промышленность сверхпроводниковых материалов.
Заключение
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) задумывался как революционный проект, способный обеспечить человечество чистой и практически неисчерпаемой энергией. В его разработке участвуют 35 стран, включая европейские государства, Китай, Россию и США. Изначально планировалось, что строительство реактора в Сен-Поль-ле-Дюранс на юге Франции обойдется в 6 миллиардов долларов, а к 2020 году удастся получить первые энергетические реакции.
Однако реальность оказалась куда сложнее. Проект столкнулся с множеством препятствий, которые привели к значительному увеличению сроков и бюджета. Среди основных проблем - перерасход средств, пандемия COVID-19, коррозия ключевых компонентов, необходимость внесения изменений в конструкцию в последний момент и разногласия с органами ядерной безопасности. Пандемия коронавируса нанесла серьезный удар по проекту ИТЭР. Генеральный директор Пьетро Барабаски признал, что COVID-19 привел к закрытию заводов-поставщиков, сокращению рабочей силы и вызвал множество сопутствующих проблем, таких как задержки в поставках и трудности с проведением проверок контроля качества.
Кроме того, обнаружились проблемы с совместимостью огромных секций токамака, изготовленных в Корее. Опасения по поводу возможных утечек радиоактивных материалов привели к приостановке строительства французскими ядерными регуляторами.
Последние новости о проекте ИТЭР неутешительны. Согласно недавним заявлениям, реактор не будет готов еще как минимум десятилетие. Более того, генерация энергетических термоядерных реакций теперь ожидается не ранее 2039 года. Бюджет проекта уже вырос до 20 миллиардов долларов, и ожидается его дальнейшее увеличение еще на 5 миллиардов.
Некоторые эксперты предполагают, что итоговая стоимость может оказаться значительно выше. Журнал Scientific American предупреждает, что ИТЭР рискует стать "самым отложенным и самым дорогим научным проектом в истории". Другие авторитетные издания, такие как Science и Nature, также выражают серьезную обеспокоенность состоянием проекта, отмечая "большие проблемы" и "череду задержек, перерасходов и проблем с управлением". Кроме того, за время реализации проекта ИТЭР появилось множество новых технологий, что создало дополнительные проблемы для международного консорциума.
Несмотря на множество проблем, большинство ученых считают, что у проекта ИТЭР все еще есть потенциал для проведения важных исследований. Например, одним из ключевых направлений является изучение способов получения трития - редкого изотопа водорода, необходимого для термоядерных реакторов. Предполагается, что тритий можно будет производить непосредственно на месте, используя нейтроны, генерируемые реактором, для бомбардировки образцов лития.
Представители ИТЭР отвергают утверждения о том, что проект находится в "больших проблемах" и является рекордсменом по перерасходу средств и задержкам. Они указывают на другие крупные научные проекты, такие как Международная космическая станция, которые также сталкивались с подобными трудностями.
В заключение можно сказать, что, несмотря на многочисленные трудности и задержки, проект ИТЭР остается одним из самых амбициозных научных начинаний в истории человечества. Его успех или неудача могут оказать значительное влияние на будущее мировой энергетики и нашу способность противостоять глобальным вызовам, таким как изменение климата. Важно продолжать следить за развитием событий вокруг ИТЭР и других проектов в области термоядерного синтеза, так как они могут определить траекторию развития человечества на десятилетия вперед.
[Часть 1 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
6. Российская катушка полоидального поля PF1 для термоядерного реактора ИТЭР прошла завершающую проверку | Атомная энергия 2.0: https://www.atomic-energy.ru/news/2022/03/30/123275
7. "Это нереалистично": запуск главного термоядерного проекта откладывается - РИА Новости, 11.01.2023: https://ria.ru/20230111/termoyad-1843928755.html
8. Будущее термоядерной энергетики под угрозой: проблемы и перспективы международного экспериментального реактора | Наука в заметках со всего мира | Дзен: https://dzen.ru/a/Zq8oOQur1ikLJxp_