ИТЭР: строительство миниатюрного Солнца на Земле

ИТЭР, путь к ядерному синтезу

ИТЭР (аббревиатура от International Thermonuclear Experimental Reactor, что в переводе с латыни означает «Путь») — крупнейшая в мире попытка освоить производство энергии на основе ядерного синтеза.

ИТЭР финансируется и управляется семью сторонами: Европейским Союзом (27 стран), Китаем, Индией, Японией, Россией, Южной Кореей и США. Также имеются соглашения о сотрудничестве с Австралией, Канадой, Казахстаном и Таиландом.

Великобритания участвовала в программе, когда была в составе ЕС, и прекратила свое участие в 2023 году.

Источник: Научно-техническая газета

Теоретически ИТЭР может стать прототипом и экспериментальной демонстрацией коммерческого термоядерного синтеза, открыв человечеству практически неограниченный доступ к дешевой энергии.

Это сделало бы такие задачи, как озеленение пустынь, борьба с выбросами CO2 или создание космической цивилизации, почти тривиальными.

Таким образом, хотя для того, чтобы этот проект принес плоды, может потребоваться некоторое время, его потенциал настолько колоссален, что его можно будет вспомнить как один из самых важных мегапроектов, когда-либо созданных.

Термоядерная реакция

Беспредельная власть

Ядерный синтез отличается от классической ядерной энергии (деления) тем, что он использует очень легкие элементы. Вместо того, чтобы расщеплять тяжелые атомы, такие как уран, он объединяет очень легкие атомы, как правило, водород.

Это теоретически делает ядерный синтез источником неограниченной энергии, поскольку водород является наиболее распространенной формой материи во Вселенной.

В этом процессе вырабатывается огромное количество энергии, в 3–10 раз больше, чем при ядерном делении — источнике энергии, питающем звезды.

Источник: Природа

Один грамм дейтерий-тритий топливная смесь в процессе ядерный синтез эквивалентно 11 тоннам угля. Потребление энергии за всю жизнь человека может быть покрыто немногим большим, чем бутылкой топлива, которую он держит в руке.

Преимущества ядерного синтеза

Ядерный синтез не только дает много энергии, но и имеет несколько ключевых преимуществ, которыми не может похвастаться ни один другой источник энергии:

• Дейтерий настолько распространен в океанах и поверхностных водах Земли, что его запасы практически неограниченны и одинаково доступны для каждой страны на Земле.
• В результате ядерной реакции не образуется радиоактивных отходов, а только химически безвредный гелий.
  • В результате реакции не образуется CO2 или другие вредные для окружающей среды продукты.
• Поскольку ядерный синтез не производит обогащенный уран, плутоний или другие радиоактивные материалы, он не несет в себе риска распространения ядерного оружия (материалов, пригодных для создания ядерного оружия).
  • Это сделало бы принятие ядерного синтеза нейтральной технологией без ограничений, налагаемых на ядерную технологию деления.
• Никакого риска расплавления или неконтролируемой цепной реакции. Реакцию на самом деле так трудно поддерживать, что любой сбой немедленно приведет к разрушению плазмы и прерыванию ядерной реакции и производства энергии.
• Если ядерный синтез будет самоподдерживающимся и будет иметь высокую энергетическую ценность, то ожидается, что он будет таким же дешевым или даже более дешёвым в эксплуатации, чем атомные электростанции, работающие на основе деления.
  • Дальнейший технологический прогресс и экономия за счет масштаба за счет многократного строительства реакторов одной и той же конструкции должны со временем привести к снижению затрат.

Слияние — это сложно

Учитывая все это, почему мы до сих пор не обеспечили человеческую цивилизацию энергией ядерного синтеза?

Ну, дело в том, что ядерный синтез трудно осуществить. Ядра атомов водорода имеют положительный электрический заряд и естественным образом отталкиваются друг от друга. Поэтому может быть очень сложно расположить их достаточно близко друг к другу для синтеза, как два сверхмощных магнита, отталкивающихся друг от друга.

В природе только сокрушительная гравитация целой звезды достаточна, чтобы сблизить атомы водорода и вызвать термоядерный синтез. Даже что-то столь большое, как Юпитер, все еще «слишком мало», чтобы достичь этого. Поэтому заставить атомы водорода сблизиться на Земле очень, очень сложно.

Однако это было сделано, и впервые это было достигнуто с помощью термоядерной машины в 1950-х годах. Эти машины продемонстрировали возможность создания термоядерной реакции, но не смогли вернуть достаточно энергии по сравнению с энергией, использованной для ее запуска.

(TС технической точки зрения крупномасштабный ядерный синтез был достигнут еще в 1952 году с созданием первой термоядерной бомбы, но вряд ли этот метод можно использовать для создания безопасного источника энергии.).

Другая проблема с термоядерным синтезом заключается в том, что плазма ядерного синтеза чрезвычайно горячая, обычно выше 100 миллионов градусов по Цельсию. Поэтому ее нужно идеально удерживать, иначе она расплавит реактор.

Из-за всех этих проблем, которые необходимо решить, ядерный синтез был медленно развивающейся областью, с саркастическим комментарием: «Fusion всегда на 30 лет вперед».

Создание термоядерного синтеза на Земле

Ученые управляли ядерным синтезом в экспериментальных реакторах в течение многих лет. Используются две основные конструкции:

• Один полагается на лазеры, концентрируя огромное количество энергии, чтобы поразить крошечную водородную гранулу и вызвать термоядерный синтез.
• В другом варианте используется машина в форме бублика, называемая токамаком, и сверхмощные магниты для удержания и сжатия водорода в самовоспламеняющуюся плазму.

Проблема с термоядерным синтезом в том, что создание правильных условий с десятками миллионов градусов требует очень много энергии. Поэтому даже если мы сможем это осуществить, реакция термоядерного синтеза, как правило, не производит достаточно энергии обратно и оказывается чистым потребителем энергии.

Плазма также очень нестабильна, поэтому поддерживать реакцию синтеза дольше нескольких секунд сложно.

Первый токамак был построен в 1958 году, и его конструкция считается наиболее подходящей для поддержания термоядерного синтеза в течение нескольких минут, а в идеале — часов, и получения положительной отдачи энергии.

Источник: DOE

ITER представляет собой конструкцию токамака и станет крупнейшим из когда-либо созданных термоядерных реакторов, с объемом плазмы в 10 раз большим, чем у самого большого на сегодняшний день (ДЖТ-60СА в Японии) — 830 кубических метров (29,000 XNUMX кубических футов).

Источник: ИТЭР

Хронология ИТЭР

ИТЭР является наследником Международного реактора-токамака (ИНТОР), плодом сотрудничества Запада, Японии и Советского Союза, начатого в 1978 году.

Сотрудничество продолжалось даже в разгар Холодной войны. Первая цель была определена в 1992 году, а первые инженерно-конструкторские работы (EDA) были завершены в 1998 году, а проект был утвержден в 2001 году.

Бурные дискуссии по поводу окончательного проекта, того, какая страна будет финансировать строительство реактора и где он должен быть построен, на некоторое время задержали реализацию проекта, пока в 2005 году не было выбрано место в Кадараше во Франции.

Источник: Википедия.

За это время к проекту присоединились Китай и Южная Корея (в 2003 году), а также Индия (в 2005 году). Первые строительные работы начались в 2007 году.

Сборка машины началась в 2020 году, при этом монтаж основания криостата весом 1,250 тонн в мае 2020 г.. Строительные работы (строительство) на объекте завершены в 2023 году.

Закрытие криостата должно быть завершено к 2033 году. Полная магнитная энергия должна быть достигнута к 2036 году, а начало фазы эксплуатации дейтерия-трития — в 2039 году.

Бюджет ИТЭР

Первоначальный бюджет ИТЭР предполагался в размере «всего» 6 млрд евро на строительство, но, как это часто бывает, научные мегапроекты, он резко возрос до текущей оценки $25.2 миллиард, в то время как другие, по оценкам США, Министерство энергетики оценили ее в 65 млрд долларов, что ITER категорически отрицает.

На данный момент проект сгенерировал 34,000 74,000 «рабочих лет» и сгенерирует еще XNUMX XNUMX рабочих лет до завершения строительства.

Цели ИТЭР

Чем больше плазменная камера, тем больше вероятность, что она будет достаточно стабильной для получения положительной отдачи энергии.

Но, конечно, чем он больше, тем он дороже и сложнее.

Заявленная цель ИТЭР — добиться выработки тепловой энергии в 10 раз большей, чем введенная тепловая мощностьДлительность импульса слияния должна составлять до 8 минут.

Объединившись вместе, это означало бы создание 500 МВт тепла всего за 400-6000 секунд.. Она должна достичь 150 миллионов °C, что в 10 раз превышает температуру в ядре Солнца.

Для достижения этих результатов ИТЭРу необходимо будет достичь так называемой «горящей плазмы», где более половины энергии, получаемой плазмой, поступает из реакций синтеза (а не от внешних стимулов). Горящая плазма является обязательным условием для любой энергетической положительной коммерческой электростанции, использующей ядерный синтез.

Вырабатываемая ИТЭР энергия не будет преобразовываться в электричество, поскольку это технологический демонстратор, а преобразование этого тепла в электроэнергию — хорошо известная технология, уже регулярно применяемая на коммерческих атомных электростанциях деления, использующих уран.

Еще одной целью реактора является испытание в реальных условиях ключевых технологий, которые пока еще не доказаны, таких как сверхпроводящие магниты, дистанционное управление (обслуживание роботом), нейтронная защита, преобразование тепла и концепция воспроизводства трития (см. ниже).

Термоядерные реакторы DEMO

За ИТЭР последует Реактор класса ДЕМОs, повторное использование конструкции ИТЭР (с потенциальным улучшением за счет экспериментальной обратной связи), и они сформируют 1^st создание коммерческих термоядерных электростанций.

Ожидается, что реакторы DEMO будут вырабатывать от 300 до 500 мегаватт чистой электроэнергии, которая будет поставляться в сеть.

Среди основных демонстрационных проектов:

• Китай: TКитайский испытательный реактор термоядерной инженерии (CFETR) Проектирование было завершено в 2020 году, а строительство должно быть завершено к 2040 году.
• Европа: Электростанция DEMO должен быть построен к 2050 году. Предшественником этого проекта станет строительство плазменный объемный источник нейтронов (VNS) для тестирования технологий, рассматриваемых для ДЕМО.
• Япония: Проект JA-DEMO, который будет завершен в 2040–2050-х годах, будет нацелен на стабильную генерацию электроэнергии мощностью свыше нескольких сотен МВт и термоядерную мощность в 1500 МВт или выше.
• Южная Корея: K-DEMO будет построен после 2050 года, а ему будет предшествовать Virtual DEMO (V-DEMO), основанный на суперкомпьютерах, искусственном интеллекте и технологии цифровых двойников.
• Россия: DEMO-RF должен быть построен к 2055 году. Также рассматривается возможность создания гибридной установки на основе термоядерного синтеза и деления.
• Индия: страна сначала сосредоточится на пилотной термоядерной установке мощностью 200–300 МВт, а затем приступит к строительству реактора DEMO.
• США: Министерство энергетики США все еще рассматривает следующие шаги, включая партнерство с частными компаниями для реализации мер, которые последуют за ИТЭР.

Разведение трития

Поскольку проект находится на самом переднем крае науки, существует множество концепций, которые необходимо продемонстрировать экспериментально.

Критически важным является производство трития, поскольку конструкция ИТЭР основана на синтезе дейтерия и трития (оба изотопа водорода).

Источник: Климат и надежда

Идеальным вариантом был бы дейтерий-дейтерий, поскольку дейтерий является природным элементом, но это значительно затруднит искусственный синтез из-за необходимости еще более высоких температур.

Проблема в том, что тритий не существует в природе и его необходимо производить искусственно на атомных электростанциях (20 кг в год по всему миру). Но ИТЭР поглотит весь тритий, производимый на Земле.

В любом случае, будущие термоядерные реакторы не будут иметь достаточного количества трития для производства энергии, поскольку каждому термоядерному реактору потребуется от 100 до 200 килограммов в год.

Итак, тритий необходимо производить непосредственно внутри реактора. Это задача «бланкета для воспроизводства трития».

Это покрытие площадью 600 м² над стенами реактора, содержащее литий, имеет двойную задачу: вырабатывать энергию при столкновении с нейтронами (основа для будущего производства электроэнергии), а также производить тритий путем распада атомов лития.

Источник: C&EN

Следует отметить, что промежуточные элементы, такие как бериллий, обеспечивают «регенерацию» по крайней мере 1 трития для каждой реакции ядерного синтеза, умножая число нейтронов.

Всего в ИТЭР будет испытано 6 различных систем воспроизводства трития для определения оптимальной структуры материала, систем охлаждения, жидкого и твердого лития, метода извлечения лития и т. д.

Проект ИТЭР

Само здание

Хотя интересная часть инженерной мысли ИТЭР заключается в передовых технологиях, используемых для ядерного синтеза, само здание огромно и вмещает в себя не только высокотехнологичные элементы, но и все вспомогательные конструкции, системы энергоснабжения, охлаждения, обслуживания и т. д.

Источник: ИТЭР

Сам реактор ИТЭР также огромен, его вес составляет 23,000 3 тонн, что в 400,000 раза больше веса Эйфелевой башни. В общей сложности на нижнем основании комплекса Токамак будет лежать XNUMX XNUMX тонн, что больше веса Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке.

Источник: ИТЭР

Для обработки всего этого на этапе строительных работ по возведению комплекса токамак было использовано около 120,000 XNUMX кубометров бетона, при этом непосредственно на месте был построен крупный бетонный завод для производства широкого спектра бетонных формул, каждая из которых была адаптирована к конкретным требованиям зданий и сооружений ИТЭР.

Здание также построено с использованием сейсмоизоляторов и защищено конструкцией из железобетона, рассчитанной на ядерную эксплуатацию.

Логистика и инфраструктура

Еще одной «основной» проблемой проекта ИТЭР была логистика доставки на место всех крупных компонентов, изготовленных в специализированных научно-исследовательских институтах по всему миру.

Например, каждая из 18 D-образных тороидальных катушек поля токамака ИТЭР весит 310 тонн, а самые тяжелые элементы, включая транспортное средство, весят до 900 тонн. Таким образом, их необходимо перевозить по морю, а не по воздуху.

Затем их перевозят по специально модифицированной дороге протяженностью 104 км (64 мили), поскольку некоторые элементы будут иметь длину до 33 метров (108 футов).

Для установки также потребовалось расширение линии электропередачи на 400 кВ и обширные помещения для офисов, мастерских, хранения оборудования и создания комфортных условий.

Источник: ИТЭР

Сама конструкция, часто требующая размещения в ограниченном пространстве, привела к разработке более 100 специальных устройств для сборки оборудования и зданий ИТЭР.

Источник: ИТЭР

Сборка токамака, с его более чем 1,000,000 XNUMX XNUMX компонентов, сам по себе был проектом.

Сверхпроводящие магниты

В основе оборудования ИТЭР магниты будут использовать сверхпроводящие нити из ниобия-олова (Nb3Sn). Всего понадобится 100,000 62,000 километров (XNUMX XNUMX миль) таких нитей, что достаточно, чтобы дважды обернуть экватор Земли.

Источник: ИТЭР

Это потребовало огромных усилий промышленного производства. До масштабирования ИТЭР мировое производство ниобий-олово-скрученных нитей составляло всего 15 тонн/год. Китай, Европа, Япония, Корея, Россия и США увеличили его до 150 тонн/год.

Криоустановки и градирни

Сверхпроводящие магниты являются сверхпроводящими (не имеют электрического сопротивления) только в ультрахолодном состоянии. Это настолько холодно, что всего на 4.5 градуса Цельсия выше абсолютного нуля.

Поэтому им требуется криоустановка — установка размером с футбольное поле, в которой хранятся гелий и азот для их охлаждения и преобразования этих газов в сверххолодные жидкости.

Источник: ИТЭР

50 тонн/день жидкого азота используются в качестве предварительного охладителя для завода по производству жидкого гелия, а жидкий гелий используется для охлаждения магнитов. Около 25 тонн жидкого гелия при температуре минус 269 °C будут циркулировать в установке ИТЭР во время работы.

В то время как магнит должен быть ультрахолодным, ядерный синтез даст пиковую тепловую нагрузку в 1150 МВт, которую необходимо отводить. Это задача градирни.

Химикаты впрыскиваются для минимизации коррозии трубопровода и поддержания желаемого pH воды. Система генерации озона поддерживает непрерывную инъекцию озона, который потребляет органический материал и предотвращает рост бактерий.

Здания для преобразования магнитной энергии

Другая система, поддерживающая работу магнитов, преобразует переменный ток сети в постоянный, пригодный для использования сверхпроводящими магнитами.

Из-за огромной силы тока традиционные кабели не могут использоваться для передачи энергии к магнитам.

Вместо этого используются алюминиевые стержни в стальной оболочке, называемые «шинами» — активно охлаждаемые постоянным потоком воды под давлением. По сути, это шнуры питания, но толще рельсов поезда.

Источник: ИТЭР

Всего по комплексу ИТЭР будет проложено 5 км (3.1 мили) биполярных шин.

Инжекторы нейтрального луча

После того, как источник питания и магниты заработают, ИТЭР необходимо будет ввести дейтерий, который будет питать реакцию термоядерного синтеза.

Пучок будет использовать электрический ток для ускорения частиц до очень высоких скоростей и вводить 33 МВт из необходимых 50 МВт входной мощности. Затем он «нейтрализует» их, позволяя им проходить через магнитное поле и передавать свою энергию плазме.

Это будет использовать более 1 МВт постоянного тока, что является исключительным значением. Это потребует изготовленных на заказ компонентов, выходящих за рамки «современного уровня» и вписывающихся в здание площадью 11,700 126,000 м² (XNUMX XNUMX квадратных футов).

Источник: ИТЭР

Поскольку это ключевой компонент, Испытательная установка нейтрального пучка (NBTF) был построен в Падуе, Италия. Это должно помочь устранить несколько технических препятствий, например, то, что пучок частиц, используемый в ИТЭР, намного толще, чем в предыдущих опытах ядерного синтеза.

Нейтрализация ионов в таких масштабах также может оказаться сложной задачей, и перед установкой в ​​ИТЭР необходимо будет проверить реальные результаты.

Источник: ИТЭР

Циклотронный нагрев

Другими источниками тепла для воздействия на плазму являются электронные и ионные циклотронные системы нагрева. Сюда входят электронно-циклотронный резонансный нагрев (ECRH) и ионно-циклотронный резонансный нагрев (ICRH).

Они используют высокочастотные электромагнитные волны для создания резонансного эффекта на частицах в плазме, дистанционно передавая энергию/тепло в активную зону реактора. ECHR заставляет электроны резонировать с частотой 170 ГГц, в то время как ICRH заставляет ионы в плазме резонировать с частотой 40-55 ГГц.

Конкуренты ИТЭР

ИТЭР — настолько масштабный проект, что многие ученые, участвовавшие в его первоначальном проектировании, вероятно, уже не увидят его в работе.

Эта амбиция также может быть ограничением проекта. Он в основном основан на дизайне технологии термоядерного синтеза конца 1990-х и начала 2000-х годов, без предположений и выбора технологий.

Это связано с тем, что с тех пор появились новые концепции термоядерного синтеза, и несколько частных компаний изучают способы воплощения ядерного синтеза в реальность с использованием гораздо менее массивного оборудования.

Это даже привело к тому, что некоторые критики ИТЭР назвали его «устаревшим». Международный характер ИТЭР, приводящий к некоторому количеству бюрократии и политики, вмешивающихся в науку, также был описан как проблема.

Мы обсудили многие из этих компаний слияния (в основном зарегистрированных на частных биржах), такие как Генерал Фьюжн, ТАЕ Технологии, Гелион и Корпорация Локхид Мартин в нашей статье «Ядерный синтез – идеальное решение в области чистой энергии на горизонте“, в котором также обсуждаются альтернативы конструкциям токамаков для достижения ядерного синтеза.

Среди потенциальных технологических прорывов этих компаний, которые не будут представлены в проекте ИТЭР, можно упомянуть:

• Технология слияния намагниченных мишеней (MTF).
• 3D-печать компонентов реактора.
• Плазменная пушка, возможно, больше для создания термоядерного космического двигателя, чем для производства энергии.
• Прямой захват электричества из плазмы с использованием закона Фарадея для индукции тока вместо сбора тепла.

В декабре 2024, Компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) объявила, что планирует использовать свой реактор ARC для генерации 400 МВт для энергосистемы Вирджинии., что достаточно для обеспечения электроэнергией 150,000 2030 домов, запуск запланирован на начало XNUMX-х годов (CFS использует высокотемпературные сверхпроводящие магниты).

Другие технологии также могут помочь. Одна из основных — ИИ, который может быть использован для обнаружения и исправления нестабильности плазмы в режиме реального времени.

Еще один потенциальные сверхпроводящие материалы при комнатной температуре, которые сейчас ближе, чем когда-либо. Это радикально изменило бы энергопотребление термоядерного реактора, сделав его магниты гораздо более энергоэффективными и надежными.

Вывод

ИТЭР может стать одним из важнейших проектов, когда-либо предпринятых человечеством, по масштабу сопоставимым или даже более важным, чем программа «Аполлон».

И хотя частные инициативы, возможно, осуществят коммерческий термоядерный синтез раньше ИТЭР, это также далеко не гарантировано.

Если ядерный синтез — это технология, требующая от мегареакторов положительной энергетики и экономической жизнеспособности, то, скорее всего, ее можно реализовать только с помощью международных усилий, таких как ИТЭР.

Даже если он потерпит неудачу, он разовьет промышленную базу и обучит научный талант, необходимый для поиска ключа к ядерному синтезу через другие варианты дизайна. Так что в любом случае его вряд ли можно считать пустой тратой; особенно если учесть влияние, которое ядерная энергия синтеза окажет на человечество.

В будущем можно ожидать, что конструкция, подобная ИТЭР, будет усовершенствована с помощью новых технологий, включая искусственный интеллект, сверхпроводники комнатной температуры, прямой захват электроэнергии и т. д.

Однако пройдет еще более десятилетия, прежде чем ИТЭР начнет проводить свои эксперименты, что сделает его одним из самых ожидаемых и ожидаемых научных проектов этого тысячелетия.

Компания, связанная с ИТЭР

Мицубиси Хэви Индастри

Многие из компонентов, созданных для ИТЭР, являются уникальными и разработаны ядерными научно-исследовательскими институтами. Но многие другие были созданы лидерами отрасли в странах-участницах, которые привнесли свой производственный и инженерный опыт в научный мегапроект.

Важным участником является Mitsubishi Heavy Industry.

История компании восходит к 1884 году, когда она занималась судостроением. Позже она начала производить тяжелую технику, самолеты, поезда и автомобили.

В 1995 году в конгломерат вошла компания Mitsubishi Atomic Power Industry, построившая в Японии 24 реактора.

Сегодня основным источником дохода компании являются энергетические системы (атомные, газовые и паровые системы), а также логистика и тепло (ОВКВ, двигатели, турбокомпрессоры). Это компания №1 в мире по газовым турбинам и системам улавливания CO₂. В ней работает более 77,000 300 человек в XNUMX точках по всему миру.

Источник: Мицубиси Хэви Индастри

Компания Mitsubishi внесла свой вклад во многие основные компоненты ИТЭР, включая катушку тороидального поля (магнит), дивертор (удержание плазмы) и компоненты с высоким тепловым потоком, включая систему нагрева плазмы.

Источник: Мицубиси Хэви Индастри

Помимо ИТЭР, компания намерена извлечь выгоду из перезапуска ядерной промышленности в Японии и растущего потока ядерных проектов по всему миру. Компания также планирует разработать собственную технологию SMR, а также технологии быстрых реакторов (сжигающих ядерные отходы) и высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.

Растущие оборонные бюджеты также должны принести пользу аэрокосмическому и судостроительному сегментам компании.

В сфере технологий будущего компания Mitsubishi работает над производством экологически чистого водорода и аммиака, включая первый в мире проект по бункеровке аммиаком в Сингапуре для использования аммиака в качестве топлива для судов и газовых турбин вместо топлива и природного газа.

Растущим направлением экологичной деятельности может стать улавливание углерода и высокоэффективное охлаждение центров обработки данных.

Источник: Мицубиси Хэви Индастри

В целом компания Mitsubishi Heavy Industry является лидером во многих ключевых технологиях будущего, особенно в области охлаждения, производства энергии (газовой и ядерной) и судостроения, о чем свидетельствует тот факт, что она была выбрана для строительства многих важнейших компонентов ИТЭР.