HOMO SCIENCE
|
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Научно-просветительский проект, в котором физики, химики, биологи и другие ученые рассказывают о практическом применении открытий и исследований, их настоящем и будущем. На основе этих дискуссий мы подготовили цикл мультимедийных материалов с актуальной информацией о пяти направлениях наукоемких технологий.
ЗА ИСКУССТВЕННЫМ СОЛНЦЕМ: ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
ТЕМА ТРЕТЬЯ
ПРОЧИТАТЬ ЗА 13 МИНУТ
ПОСМОТРЕТЬ ЗА 26 МИНУТ
Человечество давно пытается найти экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии. Один из путей — научиться управлять термоядерным синтезом и спроектировать реактор. Для этого был создан международный проект первого в мире термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Смогут ли люди построить искусственное Солнце на Земле — разбираемся с экспертами:
Леонид Химченко
Диана Бачурина
заместитель директора по техническим вопросам Частного учреждения «ИТЭР-Центр»
инженер и старший преподаватель Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ
В «обычном» ядерном реакторе энергия выделяется в процессе реакции распада — тяжелые ядра радиоактивных элементов распадаются, выделяя энергию и образуя в процессе ядра более легких элементов (они называются осколками распада) и нейтроны. Когда нейтроны попадают в соседние тяжелые ядра, например урана, те также распадаются с выделением энергии и образованием двух ядер более легких элементов — и новых нейтронов, которые снова попадают в ядра урана. Если цепочка этих событий не прерывается — для этого нужна достаточная концентрация тяжелых элементов и достаточно плотный поток нейтронов, — процесс и поток энергии самоподдерживается, и такая реакция называется «цепной ядерной реакцией».
Термоядерная реакция, наоборот, объединяет атомные ядра. В наиболее изученной термоядерной реакции участвуют изотопы водорода — газы дейтерий и тритий: они требуют наименьшего разогрева для начала процесса слияния. В обычных условиях их атомы, встречаясь, отталкиваются друг от друга. Но при высоких температурах — от 150 миллионов градусов по Цельсию — они переходят в состояние плазмы, их ядра движутся очень быстро и несут достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное отталкивание. В таком случае эти легкие ядра сливаются в более крупные и тяжелые, также выделяя энергию. Слияние легких ядер и называется синтезом, а выделяющаяся при этом энергия — термоядерной. Подобные процессы в условиях огромных температур и давлений постоянно происходят в недрах звезд, например внутри Солнца.
Термоядерная реакция, наоборот, объединяет атомные ядра. В наиболее изученной термоядерной реакции участвуют изотопы водорода — газы дейтерий и тритий: они требуют наименьшего разогрева для начала процесса слияния. В обычных условиях их атомы, встречаясь, отталкиваются друг от друга. Но при высоких температурах — от 150 миллионов градусов по Цельсию — они переходят в состояние плазмы, их ядра движутся очень быстро и несут достаточно энергии, чтобы преодолеть взаимное отталкивание. В таком случае эти легкие ядра сливаются в более крупные и тяжелые, также выделяя энергию. Слияние легких ядер и называется синтезом, а выделяющаяся при этом энергия — термоядерной. Подобные процессы в условиях огромных температур и давлений постоянно происходят в недрах звезд, например внутри Солнца.
|
Неуправляемую термоядерную реакцию человечество освоило в 1950-х — итогом ее изучения стало появление водородной бомбы. Но использование этой энергии в мирных целях в полной мере не освоено до сих пор — управлять процессом термоядерного синтеза так же, как и процессом ядерного распада, получая его энергию не в виде разрушительного взрыва, а в виде стабильного и контролируемого потока, человечество только учится, и это, возможно, одна из самых перспективных технологических отраслей науки.
"
Согласно разведданным, запасов полезных ископаемых для производства энергии в недрах Земли осталось всего лет на сто. «Зеленая» энергетика, на которую многие надеялись, не решает всех проблем. А термоядерный реактор не производит выбросы в атмосферу, в принципе не может взорваться, как реактор в Чернобыле, радиационно он не так опасен, как ядерные отходы. И самое главное, дейтерия в Мировом океане хватит на миллионы лет, и он легко извлекается, а трития в природе нет, но он нарабатывается в ядерных и самих термоядерных реакторах.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
Чтобы использовать энергию реакции термоядерного синтеза, плазму необходимо поместить в реактор — устройство, способное контролировать термоядерный синтез. Там дейтерий и тритий разогревается до звездных температур. Но материалов для изготовления самого реактора, выдерживающих такой нагрев, в природе не существует — и поэтому конструкцию приходится всеми возможными способами изолировать от самой плазмы и выделяемой ей энергии. Чтобы раскаленная плазма не касалась стенок реактора, ее помещают в магнитное поле в вакууме.
Сегодня самым перспективным типом термоядерного реактора считается токамак — тороидальная, в форме бублика, камера с надетыми на нее магнитными катушками, поле которых удерживает плазму на оси его внутреннего пространства, формируя плазменное кольцо в середине.
На юге Франции с 2010 года строится Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) — это как раз токамак.
На юге Франции с 2010 года строится Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) — это как раз токамак.
"
В Провансе, рядом с самым крупным французским ядерным центром, типа нашего Сарова, срыли гору и на вершине построили всю инфраструктуру. В центре находится здание токамака, его начали монтировать два года назад. Диаметр вакуумной камеры около 15 метров, детали конструкции подгоняются с точностью до полутора миллиметров. Диаметр всей установки будет около 60 метров.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
Хотя основной поток раскаленной плазмы в токамаке удерживается в форме кольца линиями магнитного поля, небольшая ее часть в виде высокоэнергетического потока заряженных частиц все же может прорываться к стенкам камеры — и они должны быть, насколько это возможно, устойчивы к высоким температурам и химически неактивны, иначе внутреннее пространство токамака будет быстро загрязняться брызгами расплава и парами его стенок от утечек плазмы.
"
Обращенный к плазме материал в ИТЭР — бериллий. Он легкий, у него высокая температура плавления, высокая теплопроводность, малая масса атома, то есть он не будет сильно загрязнять плазму, он слабо захватывает изотопы водорода топлива, и у него хорошая радиационная стойкость. Следующий слой из бронзы — она оттягивает тепло, быстро охлаждает бериллий. Дальше всю конструкцию удобней всего сделать из стали, которая хорошо освоена промышленностью, прочна, пластична и тоже устойчива к радиации.
ДИАНА БАЧУРИНА
"
Инфраструктура ИТЭР уже построена — криогенные мощности, заводы, охлаждение, электричество подведено. Сейчас в шахте монтируется уже сам токамак. Предполагалось, что он заработает в 2016 году, но сроки запуска передвинули на 2025-й.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
Реактор ИТЭР строят 34 страны, и почти половина — около 46% — всех расходов приходится на 27 стран Евросоюза. Оставшиеся 54% примерно поровну делятся между другими участниками: США, Японией, Южной Кореей, Китаем, Индией и Казахстаном. На долю России приходится менее 10% всего бюджета. Страны участвуют в проекте не только финансово — в первую очередь, они поставляют высокотехнологичное оборудование для реактора. И по условиям соглашений все те наработки, научные открытия, технологии, которые создаются в рамках ИТЭР, потом достаются каждой из стран-участниц. Поэтому на выходе мы получаем в пользование 100% технологий.
"
Россия поставляет для строительства ИТЭР отдельные системы. Например, мы сделали гиротроны для нагрева плазмы. В ноябре мы отправили из Питера катушку PF-1 верхнюю полоидального поля — одну из тех шести, которая удерживает плазму в реакторе. Мы планировали в мае отправить ее на барже по морю в Марсель. Но, когда все отказались заходить в наш порт и пускать к себе, появился другой план: наше судно забирает катушку в Питере, доставляет до Амстердама, не швартуясь, подходит к пирсу — по правилам это не прием судна, — краны осторожно перекидывают катушку, и наше судно уходит. Договорились с Евросоюзом, что это не будет являться никаким нарушением. И так очень многие проблемы такого типа решаются, на удивление. Наше термоядерное сообщество очень сплоченное. Не потому, что необходимо получить деньги, нет. Все понимают, что надо помогать друг другу. И поэтому конкуренции нет, есть помощь совершенно четкая, что бы ни было.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
ИТЭР — не единственный экспериментальный термоядерный редактор в мире, таких установок много, их строят с 50-х годов ХХ века.
"
Токамак — это идея Сахарова и Тамма. Но, например, мало кто знает, что уже через год Сахаров на основе этого токамака предложил Сталину термоядерный реактор и рассчитал параметры его токамака, которые сейчас на удивление близки к итэровским. Но, по разным причинам, он не пошел. В 1970 году на основании этой идеи рассматривался план постройки реактора в Шатуре. В России начался бум токамакостроения, который перекинулся потом и на весь мир. То есть весь мир от своих термоядерных установок перешел к токамакам.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
При этом разные страны и институты сотрудничают, создавая базу для интернационального проекта: проверяя предположения, «обкатывая» те или иные элементы конструкции на своих установках или измеряя и изучая эффекты, которые могут возникнуть в работе ИТЭР.
"
Китайский, корейский токамаки лидируют по температуре и длительности. Например, китайский токамак получил 160 миллионов градусов за 20 секунд. И уменьшив немного, до 70 миллионов градусов, растянул время реакции до 17 минут. Европейский токамак JET в Англии — самый крупный — взялся за самую трудную задачу — запустить в токамак дейтерий-тритиевую смесь. Это радиоактивность, неудобство — но и возможность показать, что при разогреве плазмы полученная мощность действительно выше вложенной. Показали.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
Устройство современного токамака — грандиозная технологическая задача. Реактор ИТЭР — это еще не промышленная энергоустановка и даже не ее прототип, это экспериментальный реактор, необходимый для проверки гипотез и демонстрации возможностей (включая «размножение» энергии — возможности получить в разы большую в сравнении с затраченной на разогрев плазмы мощность). И даже для этих лабораторных целей токамак в Провансе должен быть полностью погружен в криостат — устройство для поддержания крайне низких температур, необходимых для сверхпроводимости в удерживающих плазму в кольце магнитных катушках: требования к магнитной напряженности поля реактора таковы, что обычные соленоиды просто сгорят, но не смогут ее обеспечить.
И это только мизерная часть технологических проблем, связанных с управлением плазменным кольцом с температурой звезды, «подвешенным» в магнитном поле в многослойной металлической кольцевой трубе, в которой поддерживается вакуум и на которую нанизаны охлаждаемые управляющие магнитные катушки. Выяснилось, что в присутствии плазменного кольца течет и вообще довольно необычно себя ведет даже вольфрам — один из самых тугоплавких материалов в мире, из которого делаются нити ламп накаливания.
И это только мизерная часть технологических проблем, связанных с управлением плазменным кольцом с температурой звезды, «подвешенным» в магнитном поле в многослойной металлической кольцевой трубе, в которой поддерживается вакуум и на которую нанизаны охлаждаемые управляющие магнитные катушки. Выяснилось, что в присутствии плазменного кольца течет и вообще довольно необычно себя ведет даже вольфрам — один из самых тугоплавких материалов в мире, из которого делаются нити ламп накаливания.
"
Мы обнаружили вихревой вольфрамовый поток. Этот эффект — течение вольфрама — до нас никто в мире не видел. И еще мы получили так называемое фрактальное вещество. Вольфрам у нас подвергается таким нагрузкам, что фактически испаряется. И при переосаждении мы ожидали, что получим обычную пленку. Но оказалось, что поверхность, на которую оседает вольфрам, покрывается фрактальными глобулами типа цветной капусты.
ЛЕОНИД ХИМЧЕНКО
Отдельной задачей является разделение самого плазменного кольца и «продуктов его горения», включая образующийся в результате термоядерной реакции гелий, который надо как-то отводить из трубы, не нарушая магнитного, электрического и температурного равновесия, а также испаренные звездным огнем металлы с внутренней поверхности токамака.
Поскольку в плазму все-таки попадают загрязнения, например, частицы, «сдуваемые» с внутренних стенок установки, плазму пропускают через дивертор — специальное магнитное устройство, которое «сплющивает» и разделяет плазменный шнур, фактически отводя «загрязненную» плазму от основного ее потока, — это позволяет очищать его и выводить загрязнения из рабочей зоны.
И все это — только начало мирного «термояда»: если будет освоено управление устойчивым горением плазмы, начнется этап совершенствования его энергетической части. В ту же, уже, кажется, нагруженную сверх всякой меры, «трубу» придется встроить агрегаты для отвода получаемой энергии — ради чего ее, собственно, и создавали.
Поскольку в плазму все-таки попадают загрязнения, например, частицы, «сдуваемые» с внутренних стенок установки, плазму пропускают через дивертор — специальное магнитное устройство, которое «сплющивает» и разделяет плазменный шнур, фактически отводя «загрязненную» плазму от основного ее потока, — это позволяет очищать его и выводить загрязнения из рабочей зоны.
И все это — только начало мирного «термояда»: если будет освоено управление устойчивым горением плазмы, начнется этап совершенствования его энергетической части. В ту же, уже, кажется, нагруженную сверх всякой меры, «трубу» придется встроить агрегаты для отвода получаемой энергии — ради чего ее, собственно, и создавали.
Просветительская программа, реализуемая при поддержке Госкорпорации «Росатом» для молодых людей, которые интересуются наукой и технологиями. В фокусе проекта — достоверная информация из мира современной науки, представленная понятным адаптивным языком в виде подкастов, эксплейнеров, курсов и публикаций в актуальном для молодежи интерактивном формате. Контент готовит научная редакция, привлекая ученых, экспертов и популяризаторов науки. В контур программы входят также флагманские проекты: «Ледокол Знаний. Homo Science project» и «Атомный урок» для педагогов и школьников.
