Путь к энергии — Naked Science
28 минут
Редакция
6

Путь к энергии

3.3

Раз в несколько недель на юго-востоке Франции местные жители и приезжие наблюдают за тем, как движется очередная большегрузная колонна. Транспортер размером с дом в сопровождении дорожной полиции на скорости 5 км/ч преодолевает сотню километров, отделяющих город Кадараш от порта Этан-де-Берр. На строительство международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР прибыл очередной агрегат.

Энергетика
©Wikipedia

О том, что грядущая энергетика будет термоядерной, в последние лет шестьдесят не писал только ленивый. Однако нехитрая на бумаге реакция по-прежнему далека от промышленного освоения. Построенные до этого дня установки дали возможность физикам узнать многое о раскаленной плазме и процессах в ней, но пока не позволили воспроизвести звездные реалии на Земле. И это неудивительно, поскольку действующая техника, по сути, представляет собой лабораторные образцы — ее задача, грубо говоря, заключается в том, чтобы посмотреть, до какой отметки мы сможем нагреть плазму и что с ней при этом произойдет.

ИТЭР строится для экспериментальной проверки пригодности существующих на сегодня технологий для промышленного термоядерного синтеза. Выражаясь проще, его задача в том, чтобы нагреть плазму до нужной температуры, провести термоядерную реакцию и убедиться, что при этом получено энергии больше, чем потрачено, причем настолько, насколько планировали. Это коротко пишется, но на самом деле речь идет об исследовательской программе длиною в годы.

Чтобы рассказать о новой установке, нам потребуется начать издалека. Всякая энергетика начинается с горючего, термоядерная — не исключение.

Горючее

Физики знают много термоядерных реакций, но ключевое значение для нас сейчас имеет одна: слияние ядер дейтерия и трития с образованием альфа-частицы (т. е. ядра гелия) и нейтрона. Энергетический выход реакции распределяется между ее продуктами как их кинетическая энергия. Нейтрон покидает «сцену» и по пути взаимодействует с веществом, из которого состоят стенки камеры, разогревая его. Потом избыточное тепло снимается со стенок теплоносителем и отправляется для дальнейшего использования. Точнее, будет отправляться — работающих термоядерных АЭС пока нет.

Дейтерий и тритий — изотопы водорода, отличающиеся количеством нейтронов: один и два соответственно. Первый из них стабилен и встречается в природе в относительном изобилии. Технология его добычи отлажена с 40-х годов, годовой объем исчисляется тысячами тонн, никаких затруднений с ним не предвидится.

Тритий радиоактивен. Период его полураспада составляет всего-навсего дюжину лет. Это означает, что в природе этот изотоп практически не встречается. Исследователи научились производить его искусственно — из лития, бомбардируемого нейтронами, получая по одному атому трития и гелия из каждого атома лития. Промышленное производство по этой схеме приносит в масштабах всей Земли несколько килограммов трития в год. Как ни удивительно, но это очень небольшое количество имеет массу применений, включая неожиданные. Так, например, тритий применяется в часовой промышленности для раскраски стрелок и циферблатов — покрывающий его на метках люминофор светится в темноте, улавливая образующиеся при распаде электроны.

Такие разные бублики

Чтобы осуществить реакцию слияния двух атомных ядер, их нужно сблизить на расстояние, при котором внутриатомные силы (сильное взаимодействие) окажутся существенно сильнее кулоновского отталкивания. Единственный реализуемый на данном этапе развития человечества способ это сделать — разогнать частицы посильнее, то есть, выражаясь проще, нагреть. Нагретые газы быстро ионизуются: температура становится слишком большой, чтобы атомное ядро могло удержать свои электроны, и те отправляются в самостоятельное путешествие. Образуется плазма, в составе которой нас дальше интересуют только атомные ядра. Ее температура в современных установках достигает десятков миллионов K, плазма ИТЭРа будет разогрета до 150 миллионов K. Это в 10 раз выше температуры Солнца, ядро которого, по современным представлениям, нагрето «всего» до 13–16 миллионов K. В недрах звезд на протекание реакции влияют гравитация и вызванное ею давление. В земных условиях тем и другим можно пренебречь, соответственно, «запас» не будет лишним.

Зато любые манипуляции с объектом, имеющим такую температуру, на Земле немедленно упираются в проблему его удержания в замкнутом объеме. Никакое вещество, конечно, миллионов K не выдержит, поэтому главная «стенка», отделяющая плазму от окружающего мира, состоит не из него. Эту роль в термоядерном реакторе играет сильное магнитное поле.

Стелларатор HSX с квазисимметричным магнитным полем. США, 2006 год. © University of Wisconsin-Madison

Вообще, существует несколько концепций проведения термоядерной реакции и получения энергии, но вариантов установок, которые, скорее всего, могут быть доведены до работоспособного состояния за разумное время, всего два: стелларатор и токамак. В обоих случаях магнитное поле играет ключевую роль, но его конфигурация и способы создания различны. В случае стелларатора поле полностью создается внешними электромагнитами. Когда-то давно их система была относительно простой и результат ее применения напоминал бублик, только очень горячий. Современные компьютеры позволяют рассчитывать весьма замысловатые конфигурации и за счет этого оптимизировать систему, поэтому разглядеть в изгибах установок черты тора довольно сложно, хотя он там по-прежнему есть.

Сравнение токамаков и стеллараторов нового поколения. © Economist.com

Логично спросить, почему рабочая камера не сферическая, ведь так вроде бы проще. Дело в том, что заключенное в сферу поле (и магнитное тоже) хотя бы в одной точке обязательно окажется направлено перпендикулярно ее поверхности. Как шутят математики, свернувшегося ежа невозможно гладко причесать — хотя бы одна иголка всегда будет стоять дыбом. Тороидальная поверхность от такой неприятности избавлена.

Примерно так выглядело бы заключенное в сферу поле. © Википедия

Токамак устроен иначе. Объем плазмы в нем тоже имеет форму тора, но помимо основной функции — быть вместилищем термоядерной реакции, — плазма исполняет также роль проводника. В середину «бублика» ставят индуктор, или центральный соленоид, «обмоткой» которого и служит плазма в камере. Через «бублик» пропускают индуцирующий ток, который, изменяясь, возбуждает электродвижущую силу в плазме, совсем как на обмотке трансформатора.

Возбужденный в плазме ток играет немаловажную роль в ее разогреве, но, главное, он генерирует основную часть полоидального магнитного поля. На долю полоидальных обмоток остается лишь внесение относительно небольшого «довеска», имеющего регулирующее значение. Без этого плазменный жгут оказывается нестабильным.

Суммарно магнитное поле токамака состоит таким образом из трех составляющих:

– тороидальной, возбуждаемой катушками;

– полоидальной, возбуждаемой током в плазме;

– полоидальной, возбуждаемой дополнительными катушками.

В результате их сложения плазма оказывается заключенной в ограниченном объеме в форме кольцеобразного жгута относительно небольшой толщины — несколько десятков сантиметров.

Принципиальная схема магнитного поля токамака 

Принципиально важно то, что ток в плазме создается за счет изменения параметров индуцирующего тока, которое не может быть бесконечным. Поэтому токамак — машина временного действия. Сейчас максимальное время жизни плазмы на действующих токамаках составляет порядка десятков секунд. Стеллараторный рекорд — 54 минуты. Тем не менее, по совокупности технических параметров, токамак считается более готовым к штурму будущих энергетических высот.

Токамак JET, рабочая камера.  © euro-fusion.org

Своим названием установка обязана конструкции, токамак — это тороидальная камера с магнитными катушками. Принцип предложили в СССР в 1951 году Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а реализовали в виде работающей установки несколькими годами позже. Примерно тогда же появилось и название. Можно думать, что, случись авторам идеи в тот момент знать об американских разработках по первому стелларатору (запущен в 1951 году), в котором роль магнитных катушек была еще бóльшей, и название было бы выбрано какое-то другое. Но в начале пятидесятых термоядерная энергетика еще воспринималась как пространство гонки великих держав и все разработки по ней были засекречены.

Первый в своем роде

Реактор ИТЭР — токамак, но не простой, а самый большой. Достаточно сказать, что объем плазмы в нем составляет 840 м3. У наиболее совершенного на данный момент токамака, английского JET, этот показатель почти в восемь с половиной раз меньше — ровно 100 м3.

Слово ITER (ИТЭР) изначально было сокращением от International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter — «путь».

Сердце установки — вакуумная рабочая камера. У ИТЭРа она будет сделана двустенной. Между наружной и внутренней стенками будет циркулировать теплоноситель (дистиллированная вода), отводящий лишнее тепло. Внутренняя стенка изнутри будет облицована защитным покрытием (бланкетом) из бериллия, выдерживающим мощное нейтронное излучение. Кроме того, бериллий вообще химически малоактивен.

ИТЭР в разрезе. Сбоку обозначено, кто из участников проекта изготавливает соответствующую систему. © iter.org

Несколько секций бланкета имеют особую усложненную конструкцию — с внутренними полостями, системами забора продуктов реакции и т. п. Их используют для получения трития из соединений лития. Вы еще не забыли, что наш реактор излучает нейтроны? Именно они и потребуются для производства трития, а тритий нужен для термоядерной реакции. Следует заметить, что топливного самообеспечения не получится даже в самом благоприятном случае: одно ядро трития, соединяясь с дейтерием, даст нам всего один нейтрон, а тот, присоединяясь к литию, — всего один атом трития. Добавим к этому, что нейтроны надо «поймать», — и вероятность успеха в любом случае будет отличаться от 100%.

Тем не менее, ученые настроены провести соответствующие эксперименты. На данный момент на победу претендуют аж шесть технологий, для каждой из который нужно свое оборудование. Оно заказано и скоро будет изготовлено и смонтировано.

Секция бланкета ИТЭР.  © iter.org

Бериллий, упоминавшийся выше, при контакте с плазмой (какие-то ее количества неизбежно долетают до стенок) испаряется, порождая микрочастицы. Они токсичны, но в нашем случае гораздо важнее то, что, попав в плазму, увеличивают ее светимость, расходуя драгоценную кинетическую энергию (то есть температуру) на бесполезные внешние эффекты. Для противодействия этому физиками придуман дивертор — своего рода «карман», образуемый магнитным полем и рабочей камерой токамака внизу системы и служащий для аккуратного сбора мусора: обогащенная им часть плазмы попадает в ловушку, охлаждается, превращаясь в обычную газовую смесь, и выводится из зоны реакции. Надо заметить, что дивертор не изобретен специально для ИТЭРа, ему под сорок лет.

Дивертор (внизу) в рабочей камере токамака.  © iter.org

Корпус секции дивертора весит 4 тонны. Всего в установке их будет 54 штуки, но изготавливаются 60, чтобы иметь запас, требуемый для бесперебойной работы. Проект ИТЭР предусматривает даже возможность замены секций в «безлюдном» режиме специальным манипулятором.

Роботизированные системы ИТЭР.  © iter.org

Сходные решения предусмотрены и для других узлов установки, непосредственно соприкасающихся с плазмой и, соответственно, радиоактивных. Специалисты насчитывают семь роботизированных систем, которые будут задействованы в текущем обслуживании сооружения и замене его модулей.

Кстати, о величине. В увеличенном токамаке любая погрешность в расположении обмоток означает крайне неприятные отклонения магнитного поля от проектной конфигурации. А эти погрешности в реальной жизни неизбежны. Для их исправления в конструкцию установки введены корректирующие катушки. Как пишут участники проекта, поскольку магнитное поле этих катушек невелико, то и они сами не впечатляют размерами: всего-навсего 8,3 метра в диаметре при массе 4,5 тонны.

То ли дело полоидальные обмотки! Их придется наматывать непосредственно на месте — ни на каком транспорте перевезти их невозможно. Всего в создании магнитного поля задействуют примерно 100 тыс. км проводов из сплавов ниобия с титаном и оловом. Эти материалы выбрали из-за способности сохранять сверхпроводимость в сильном магнитном поле. Разумеется, их для этого надо охлаждать — до 4 К (–269 градусов Цельсия). Поэтому в сообщениях об испытании очередных агрегатов ИТЭР часто встречаются фразы о поиске протечек жидкого гелия.

Сверхпроводящий кабель ИТЭРа в разрезе

На данный момент в проекте участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония. Получение первой плазмы намечено на 2025 год, переход к осуществлению термоядерной реакции слияния дейтерия с тритием — на 2035 год. Предполагается, что первый полноценный (то есть вырабатывающий электрический ток) термоядерный реактор к тому времени будет, по крайней мере, спроектирован.

Зачем это все?

Критерием успешности для термоядерного реактора является энергетическая рентабельность — отношение полученной энергии к потраченной на осуществление реакции, включая разогрев плазмы и ее удержание в магнитной ловушке. Наиболее продвинутые из ныне действующих токамаков добиваются соотношений порядка 1.05, да и это происходит не каждый день. Разумеется, при реальной эксплуатации соотношение окажется хуже. До экономической эффективности тут довольно далеко.

ИТЭР рассчитан на то, чтобы энерговыделение при реакции превысило затраты на ее осуществление в десять раз. При проектной тепловой мощности 500 МВт реактор будет «кушать» полсотни. Достигнув этой цели, можно будет не торопясь испытать установку и ее отдельные узлы.

Как изящно выразился некоторое время назад генеральный директор международной организации ИТЭР Бертран Биго, строящийся реактор, в силу своего международного характера, до некоторой степени похож на МКС. Но если с МКС что-то пойдет не так, то на перспективах человечества это никак не отразится. А вот если не получится построить ИТЭР, то человечеству придется в недалеком будущем решать проблему энергоснабжения.

Реактор ИТЭР — техническое устройство, предназначенное для экспериментальной отработки половины будущей концепции. Его задача — «зажечь» термоядерную реакцию и убедиться в том, что к этому у человечества все готово. Конструкция не предусматривает утилизацию выделяющегося в ходе реакции тепла, это оставлено будущим специалистам. Нынешние просто не имеют в своем распоряжении материалов, способных выдержать промышленную эксплуатацию в условиях мощнейшего нагрева и сильнейшего нейтронного облучения.

Еще одна самостоятельная и важная цель — обмен опытом создания задействованных в программе агрегатов. Реактор строят в буквальном смысле всем миром. Центральный соленоид — из США, криогенные насосы — из Германии, сверхпроводники — из России и т. д. При этом все, что можно, заказано в нескольких местах — везде, где делают подобные вещи, а все участники проекта имеют полный доступ ко всему массиву проектной документации.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
3 марта
5 минут
Илья Ведмеденко

В Японии провели церемонию спуска на воду фрегата типа Mogami. В перспективе страна намерена построить несколько десятков таких кораблей.

10 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

9 часов назад
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Вчера, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

6 Комментариев

Семен Курсаков
12.09.2020
-
0
+
Хм, по моему, плазма без подпитки сразу угасает. Нет никакой цепной реакции плазмы, это же не ядерное деление.
альфред френкель
21.12.2019
-
0
+
Если это произойдёт, то будет означать конец нашему нефтегазовому "благополучию". Нетаньяху (лидер Израиля) сказал, не дословно, что торговать надо, не нефтью и газом, а продуктами мозговой деятельности. Ему, в этом плане есть чем торговать, а у нас наука в загоне. Радуемся достижениям Китая и Израиля, но не забываем, что ТОКОМАК всё же Российское изобретение и сделано оно было в далёкие советские времена, при всех недостатков которого, наука и сами учёные была в почёте. PS Помним, что Россия, заслуженно, уже несколько лет принимает участие в строительстве международного проекта ТОКОМАК на юге Франции, но это участие могло бы быть гораздо более существенным, чтобы, хотя бы морально, компенсировать экономические убытки нашей страны от успешной реализации этого проекта. PSS Так не должно быть, чтобы прогресс науки наносил стране экономический ущерб. Это не логично и, конечно, не способствует престижу Государства. PSSS Такой ущерб уже был нанесён экономике нашей страны с внедрением в практику светодиодного освещения значительно снизившего потребление электроэнергии, а значит нанёсшего ущерб нашему нефтегазодобывающему комплексу. PSSSS Только не представляйте меня врагом углеводородных ресурсов нашей страны. Трудно представить себе Россию без них. Тем более, что на заре туманной юности (18 лет) я сам работал, с энтузиазмом, рабочим в геологической партии по разведке этих самых углеводородов в западной Сибири (Берёзово). Использовать эти ресурсы желательно по направлению указанному Менделеевым. PSSSSS Не удивлюсь, если китайский проект опередит европейский, в котором и мы принимаем участие. Они бурно развиваются не только в производстве ширпотреба, но и по инвестициям в науку они теперь на втором месте после США, а мы на 5 или 6, да у нас Академией наук, с недавних пор, управляют, сами знаете какие, чиновники, будущий «прогресс» нашей науки не вызывает сомнения.
    Семен Курсаков
    12.09.2020
    -
    0
    +
    Не волнуйтесь. Это гигант (магниты и прочие подсистемы) потребляет энергии в разы больше, чем выдает. Нейть еще долго будет нужна. Есть же еще и химич синтез.
Кирилл Силин
22.06.2017
-
0
+
Немало этот, вне всяких сомнений, значимый проект уже настрадался от политических дрязг, надеюсь, мир простоит до его успешной реализации в относительном здравии.
    Евгений Тихомиров
    12.09.2020
    -
    0
    +
    Достоит, достоит, а когда этот проект реализуется, то мир исчезнет. Никто не представляет, что это за температура 150 -300 миллионов градусов (всё равно по какой шкале). При аварии, если плазма попадёт в атмосферу (а плазмы 840 кубометров) возможна цепная реакция атмосферы с переработкой её в плазму. Цепная реакция не кончается, пока всё топливо не сгорит, а у нас топливо - вся атмосфера. Если аварии никакой не случится, то ИТЭР будет генератором торнадо, т.к. торнадо это электромагнитное явление. Вот магнитное поле токамака и будет формировать для Франции торнадо. Потом скажут, что Россия специально хочет замучить Францию торнадо. Между стенками плазменной камере вода? Что за идиоты. Мало им Чернобыля. Надо два, или три контура теплообмена и первый - жидкий азот. Зачем нам эта головная боль? Есть же генератор Росси. Где аппарат, размером с курицу, даёт столько же энергии, сколько тепловая электростанция средней руки. Надо у Трампа требовать, чтобы рассекретил его работы с генератором Росси.
    +
      ещё комментарии
      Семен Курсаков
      12.09.2020
      -
      0
      +
      Хм, по моему, плазма без подпитки внешней сразу угасает. Это же не ядерная реакция, цепное развитие ее невозможно. Если бы без обмоток шел процесс, давно бы уже в туманность Андромеды летали.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: