О термояде вообще, об ИТЭРе в частности...
9 ноя в 11:08
Термоядерная мощь: насколько люди близки к созданию неисчерпаемого источника энергии
В начале 2023 года появилась новость, что сроки запуска Международного экспериментального ядерного реактора (ИТЭР) переносятся с 2025 года на неопределенный срок из-за выявленных технических проблем. Кажется, мы пока далеки от повсеместного применения практически неисчерпаемой термоядерной энергии, но последние успехи ученых из США, которые побили свой рекорд по выходу в термоядерном синтезе, оставляют надежду на революцию в энергетической сфере.
ИТЭР — это проект планетарного масштаба, существующий вне политики. Над ним совместно работают десятки стран: Евросоюз (с Великобританией и Швейцарией), США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея. Также проекту помогают Казахстан, Австралия, Канада, Таиланд. И, разумеется, Россия — на долю нашей страны приходятся 9% стоимости сооружения. Сегодня мы поговорим об этом уникальном проекте и заглянем за кулисы ядра, скрывающего неисчерпаемую мощь.
Как покоряют атомное ядро
Ядро атома, как мы знаем из физики и химии, состоит из положительно заряженных протонов. Вокруг них — отрицательно заряженные электроны. Силы, удерживающие систему в балансе, как раз и являются объектом изучения ядерных физиков. При этом существуют два принципиально разных подхода к высвобождению скрытой энергии:
Атомная энергетика. Здесь за основу берется тяжелый элемент (как правило, уран или плутоний), который расщепляется на составляющие с выделением энергии. То есть ключевой процесс — распад ядра. Первая в мире атомная электростанция была запущена еще в 1954 году — ей стала Обнинская АЭС в Калужской области. Человечество хорошо освоило расщепление, хотя проблемы пока остаются.
Управляемый термоядерный синтез (УТС). В термоядерном синтезе используется обратный принцип: вместо расщепления тяжелых элементов соединяются (синтезируются) легкие — водород и гелий. Точно такие же процессы протекают в центре звезд. Синтез сопровождается выделением огромного количества энергии, но чтобы он осуществился, требуются уникальные условия.
Почему же ученые так упорно ищут подходы к УТС, когда у них уже есть атомная энергетика? Потому что у термоядерного синтеза есть главное неоспоримое преимущество — близкая к идеалу теоретическая энергоэффективность.
Ключевая сложность — условия, которые требуется создать, чтобы атомы водорода соединились друг с другом. В ядре Солнца они подвергаются колоссальному давлению вкупе с огромной температурой. Создать такую гравитацию в лабораторных условиях невозможно, поэтому приходится разогревать среду еще сильнее. Так, если в центре нашего светила температура составляет около 15 млн градусов Цельсия, то в термоядерном реакторе — около 150 млн. Разумеется, никакое вещество не способно выдержать подобного жара, поэтому основная задача, над которой сегодня бьются ученые — удержание плазмы как можно дальше от стенок реактора, чтобы они не расплавились.
Насколько это опасноЭксперты Курчатовского института замечают, что термоядерный синтез не является цепной реакцией. То есть при нарушениях в работе установки процесс попросту остановится. Максимум, какая опасность поджидает обслуживающий персонал и окружающих — расплавление токамака (установки удержания плазмы с помощью мощных магнитов). В этом плане УТС гораздо безопаснее классической атомной энергетики, где реакция как раз является цепной и угрожает загрязнением обширных площадей.
Чем еще хорош термоядерный синтез
Высокая энергоэффективность и относительная безопасность — далеко не все плюсы. Есть как минимум еще четыре:
Отсутствие эмиссии парниковых газов.
Возможность размещения станции вблизи населенных пунктов из-за отсутствия выделяемых в окружающую среду вредных веществ.
Согласно расчетам, до 80% используемых конструктивных материалов пригодны для повторной переработки.
Практически неограниченные запасы топлива. Например, изотоп водорода дейтерий легко получается из обычной воды, да и требуется его немного.
В теории, УТС — неисчерпаемый источник «чистой» энергии, топливо для которого есть у всех без исключения стран (что снижает риски политической напряженности). К тому же термоядерный синтез лишен всех недостатков классической атомной энергетики.
ITER — миф или реальностьВпервые об УТС заговорили в 1960-х, первопроходцами были ученые из СССР. Так, первое теоретическое обоснование в своих работах дал Лаврентьев (1950), чуть позже с аналогичными трудами выступил Спицер из США (1951). После запуска Обнинской АЭС и публикации научных работ по УТС от Курчатова (1956) за СССР закрепилось звание лидера в ядерной энергетике. Первый токамак, ТМП, был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте. Сегодня самый большой и мощный действующий токамак — JET (Joint European Torus), расположенный в английском Оксфордшире. Здесь мы плавно переходим к ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор). По расчетам, его мощность будет в 30 раз выше аналогичного показателя у JET.
ИТЭР был согласован в 1992 году, строительство началось в 2010-ом. Экспериментальный реактор выполнен, как и JET, по типу «токамак». То есть внутри раскаленная плазма удерживается на расстоянии от стенок установки мощнейшей магнитной системой. Кстати, сам термин «токамак» — это акроним от советских ученых, обозначающий «тороидальную камеру с магнитными катушками».
Первоначальная дата завершения строительства — 2016 год. Но запуск многократно переносился. Рассмотрим даты согласования, новые даты завершения строительства и причины переноса сроков:
2009 - 2018 — финансовые трудности у европейских участников проекта,
2010 - 2019 — предельно негативный отчет об управленческой структуре проекта,
2015 - 2025 — очередные финансовые трудности и привлечение новых стран для участия,
2022 - неизвестно — скорость монтажа оказалась медленнее, чем то, что раньше планировали на бумаге,
2023 - неизвестно — технические проблемы.
За годы строительства смета выросла с 5 до 20 млрд евро, новый срок запуска пока не называется. Как утверждают эксперты Частного учреждения «ИТЭР-Центр», ситуация окончательно прояснится только в 2024 году — тогда и стоит ожидать новой даты. Показателен также момент, насколько часто меняются руководители:
2005—2010: Канамэ Икэда;
2010-2015: Осаму Мотодзима;
2015-2022: Бернар Биго;
2022: Эйсуке Тада;
2022-н. в.: Пьетро Барабаски.
Безусловно, для уникального мегапроекта такого уровня перенос сроков и разрастание сметы — нормальная ситуация. Именно поэтому ИТЭР существует вне политики и требует усилий лучших умов и производств всех ведущих стран.
Какие проблемы вскрылись в 2023 году
Информация о технических проблемах появилась уже в конце 2022-го, но впервые официально ее озвучили в январе 2023 года. Что пошло не так:
Размеры секторов вакуумной камеры не соответствуют проектным. Их производством занимались страны ЕС и Южная Корея. Руководство ИТЭР не уточняет, кем именно допущена ошибка.
Появились признаки коррозии на теплозащитном экране. Дефект возник после приваривания трубок охлаждения к корпусу. Исправить на месте не получится — придется разбирать объект.
Нынешний руководитель проекта ИТЭР Пьетро Барабаски утверждает, что на восстановление уйдут годы.
Чем занимается РоссияРоссия (СССР) — один из трех основателей Международного термоядерного реактора наряду с Францией и США. Всего отечественные ученые должны передать проекту ИТЭР 25 систем. Пока полностью поставили три из них — сверхпроводники ниобий-три-олово и ниобий-титан, а также катушку PF-1. Представители Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Ефремова (НИИЭФА) и Средне-Невского судостроительного завода (СНСЗ) утверждают, что без «больших успехов России» мировой прогресс в сфере термоядерного синтеза отставал бы минимум на три-четыре года.
Успехи последних летОтметим, что практически все существующие сегодня токамаки и их разработчики так или иначе поставляют технологии для ИТЭР. Чего удалось достичь за последние 5 лет:
2018 — запуск российского сферического токамака нового поколения «Глобус М2»;
2021 — в рамках китайского проекта EAST токамак разогрел плазму до температуры почти в семь раз выше, чем в недрах природного светила, и удерживал ее на протяжении более чем полутора минут;
2022 — В США лазерная термоядерная установка выделила больше энергии, чем было передано на дейтерий-тритиевую мишень;
2023 — китайские ученые заявили, что на токамаке EAST им удалось создать более эффективный режим удержания энергии.
Как видно, активное участие в разработке принимают Китай, США и Россия. Недавно представители «Росатома» заявили, что продолжают поставлять ИТЭР специалистов, оборудование и технологии.
ПрогнозыОсвоение термоядерной энергии даст миру возможность никогда больше не страдать от недостатка воды или продовольствия благодаря опреснению и вертикальным фермам — так считают аналитики Saxo Bank и «Росатома». Между тем, в общественной и профессиональной среде существуют три мнения насчет ИТЭР:
Ждать еще очень долго. Михаил Драбинский, младший научный сотрудник отдела токамаков Курчатовского института, считает, что практические результаты мы получим не раньше, чем через 100 лет. Аналогичные прогнозы дают и в Ливерморской национальной лаборатории США, но воздерживаются от точных дат — просто отмечают «очень и очень долгий срок».
Мы близки к цели. Ученые американской компании General Atomics утверждают, что ИТЭР готов на 75%, и его планируют впервые запустить уже в 2026-ом даже с учетом новых выявленных недостатков. А большинство частных компаний, участвующих в инвестировании, ожидают распространения экономически оправданных термоядерных реакторов в 2030-х гг.
УТС нам не нужен. Наименее популярное мнение, но стоящее упоминания. Например, его придерживается
Илон Маск: «Думаю, современные атомные электростанции безопасны, вопреки тому, что думают люди. Я говорю о делении. Вам не нужен термоядерный синтез». По словам американского изобретателя и бизнесмена, компаниям стоит вкладываться в более понятную атомную энергетику.
Если в ближайшие десятилетия человечеству все-таки удастся запустить ИТЭР и получить положительные результаты, это будет революция, сравнимая с открытием электричества или запуском первого космического аппарата. Ученые еще никогда не были так близки к источнику неисчерпаемой мощи, подобной солнечной.
https://vc.ru/future/908683-termoyadernaya-moshch-naskolko-lyudi-blizki-k-sozdaniyu-neischerpaemogo-istochnika-energii.
В дополнение...
Почему до осуществления управляемого термоядерного синтеза всегда остаётся 20 лет?
6 декабря 2023г.
https://dzen.ru/a/ZXBx02lT_H3loZE1.
P.S. Статьи заказные. Призваны хоть как-то вызвать интерес к пресловутому термояду. Потуги тщетны, и Илон Маск прав: термояд не нужен, "компаниям стоит вкладываться в более понятную атомную энергетику".
Об этом же и здесь: "Илон Маск прав: термояд не нужен. Будущее, которого у нас не будет":
http://www.termoyadu.net/index.php?topic=6.msg3532#msg3532.
P.P.S. В нашей стране в приоритете двухкомпонентная атомная энергетика с замкнутым ядерно-топливным циклом (ЗЯТЦ): "Энергоблок с реактором БН-800 Белоярской АЭС вышел на номинальный уровень мощности. Эксплуатация энергоблока с реактором БН-800, помимо производства электроэнергии, обеспечивает отработку элементов замкнутого ядерно-топливного цикла в промышленных масштабах":
https://energyland.info/news-show-tek-atom-250196,
http://www.atominfo.ru/newsz06/a0953.htm,
http://www.termoyadu.net/index.php?topic=10.msg3611#msg3611.
Наиболее значимые итоги года...
- Объединённый европейский токамак Joint European Torus (JET) в декабре 2023 года провёл свои последние эксперименты за свою 40-летнюю историю (после первого импульса, выданного 25 июня 1983 года) и
окончательно остановлен:
https://www.atomic-energy.ru/news/2023/12/22/141776.
-- Ему на смену пришел японский токамак JT-60SA:
http://www.termoyadu.net/index.php?topic=6.msg3612#msg3612.
--- Это совместный проект Европейского Союза и Японии:
https://lenta.ru/news/2023/12/04/v-yaponii-otkrylsya-krupneyshiy-termoyadernyy-reaktor/.
- Наибольших успехов в теме термояда в прошедшем году добились китайцы. Им принадлежат рекорды и по времени удержания плазмы в токамаке (17 минут), и по её температуре (160 млн градусов). На их же токамаке HL-3 была
впервые получена плазма с силой тока 1 миллион ампер. Это событие произошло 25 августа 2023 года:
http://atominfo.ru/newsz06/a0750.htm.
- Куда более скромные результаты у нас. В конце декабря в токамаке Т-15МД получен разряд с током плазмы 260 кА, длительностью более 2 секунд. Эти показатели — рекорд для российских токамаков по длительности импульса:
https://www.atomic-energy.ru/news/2023/12/26/141818,
http://nrcki.ru/product/press-nrcki/-48669.shtml.
