Мечта человечества о бесконечной энергии: как ITER может изменить будущее энергетики

В южной Франции команды из 35 стран начинают собирать ядро огромного эксперимента по термоядерному синтезу под названием Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). Этот проект ставит перед учеными вопрос, смогут ли люди контролировать энергию, которая питает Солнце, внутри машины на Земле? Работы идут на холмах недалеко от Сен-Поль-ле-Дюранса, на юге Франции. Главный реакторный зал уже содержит частично построенное металлическое кольцо, которое станет сердцем устройства.

Проект ITER использует уникальное устройство — токамак. Это камера в форме пончика, которая использует магнитные поля для удержания плазмы с температурой, значительно превышающей температуру ядра Солнца. Этот этап строительных работ и сборки решит, сможет ли термоядерный синтез перейти от теории и небольших экспериментов к практическому варианту для будущих электростанций. Технологии термоядерного синтеза могут кардинально изменить будущее энергетики.

Строительство термоядерного реактора ITER

ITER использует тип термоядерного устройства, называемого токамаком — это камера в форме пончика, которая с помощью магнитных полей удерживает чрезвычайно горячий газ достаточно долго, чтобы произошло слияние. В центре камеры находится стальная вакуумная труба диаметром около 19 метров, масса которой составляет почти 4500 тонн. Эти сектора поступают с заводов в Европе и Южной Корее, затем поднимаются на место и свариваются в одно кольцо. Американская компания Westinghouse получила контракт на выравнивание и сварку этих сегментов, чтобы учесть смещение и расширение стали при нагреве и охлаждении.

"Каждая деталь требует абсолютной точности, чтобы реактор мог успешно удерживать плазму", — говорит Пьетро Барабаски, генеральный директор ITER.

Как работает токамак

Внутри ITER плазма будет достигать температуры около 150 миллионов градусов по Цельсию, что значительно горячее, чем ядро Солнца. Эта плазма представляет собой смесь атомных ядер и свободных электронов, которые могут нести электрический ток и реагировать на магнитные поля. В процессе синтеза используются особые формы водорода — дейтерий и тритий. Когда эти изотопы соединяются, они образуют гелий, выделяя значительное количество энергии, которая переносится быстро движущимися нейтронами. Для успешной реакции синтеза три условия должны совпасть одновременно: высокая температура, достаточная плотность плазмы и достаточно длительное время для поддержания реакции.

ITER планирует произвести около 500 мегаватт энергии при потребности в 50 мегаватт на нагрев топлива. Это будет десятикратное увеличение эффективности, что ученые называют Q равным 10. Данный показатель значительно превысит результаты всех предыдущих экспериментов с магнитным синтезом и продемонстрирует, что термоядерный синтез может работать на масштабе, необходимом для будущих электростанций.

"Этот проект — это не просто эксперимент, это шаг к созданию реальной и эффективной энергетической системы будущего", — отмечает Пьетро Барабаски.

Магниты, металлы и крайности

Окружая токамак, установлены сверхпроводящие магниты, которые формируют и удерживают плазму на месте. Эти катушки проводят электрический ток почти без сопротивления, что позволяет работать в условиях сверхнизких температур. Общая масса этих катушек составит около 10 000 тонн, а магнитные поля будут работать при силе до 12 тесла. Системы охлаждения, использующие сверхкритический гелий, охладят катушки до температуры в 4 Кельвина, что практически равняется -269 градусов по Цельсию.

Эти сверхпроводящие магниты находятся в непосредственной близости от плазмы, температура которой во много раз превышает температуру на поверхности Солнца. Чтобы защитить оборудование от таких экстремальных условий, установлены защитные экраны и охлаждающие каналы.

Дорожная карта слияния ITER

Первоначальный план предусматривал запуск экспериментов в 2016 году, однако пандемия и задержки с поставками и производством деталей привели к пересмотру сроков. Теперь новый план предусматривает начало исследований в 2024 году, с полным запуском в 2034 году. Первые эксперименты с дейтерием и тритием ожидаются в 2039 году. В этот период реактор будет работать с водородом, а затем с дейтерием, тестируя важнейшие системы, такие как дивертор и защитные стенки.

Уроки термоядерного синтеза от ITER

Сегодня большинство атомных электростанций используют деление, в котором тяжелые элементы, такие как уран, разлагаются, оставляя радиоактивные отходы. В отличие от этого, термоядерный синтез соединяет легкие атомы водорода, и, как ожидается, будет производить минимальные долгоживущие радиоактивные отходы. Однако синтез по-прежнему будет создавать радиоактивные материалы, активируя сталь и другие конструкции, окружающие плазму.

Анализ показывает, что в будущем термоядерные реакторы будут создавать значительно меньше долгоживущих отходов, чем традиционные атомные электростанции. Исследования ITER направлены на разработку безопасного, экологически чистого и почти неограниченного источника энергии для будущих поколений.

"ITER — это шаг к созданию экологически чистой и безопасной энергетики, способной заменить традиционные источники энергии", — утверждают в ITER.

Популярные вопросы о проекте ITER

1. Что такое термоядерный синтез?
   Это процесс слияния атомных ядер, который происходит при высоких температурах и приводит к выделению большого количества энергии, аналогичного тому, что происходит на Солнце.

2. Как работает токамак?
   Это специальная камера, в которой с помощью магнитных полей удерживается плазма при высоких температурах, достаточных для термоядерного синтеза.

3. Когда начнутся эксперименты с дейтерием и тритием?
   Первые эксперименты с использованием дейтерия и трития планируются в 2039 году, когда ITER начнет полную работу с синтезом этих изотопов.