Термоядерные реакторы в мире. Первый термоядерный реактор. Итэр проект

Проект ИТЭР в 2017 году / Хабр

Проект

Правила драматургии долгоиграющих сериалов подразумевают, что исток будущих драматических событий должен закладываться в момент триумфальной победы над проблемой предыдущей. Похоже, история проекта международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) пишется сценаристами, знакомыми с этим правилом — на фоне триумфального преодоления сложностей, чуть не погубивших самую дорогую научную стройку мира в 2015 появляются тени новых, будущих, проблем, которые еще могут сыграть свою роковую роль.

В частности, новый виток изоляционизма США в 2016 году сложился с отрицанием новым президентом США пользы от длинных вложений в науку, и в итоге США запланировали расходы в 2018 на ИТЭР в размере ~65 млн долларов против необходимых 175. Если такая ситуация продлится еще пару лет, то неизбежен новый перенос даты пуска международного токамака, а за ним — и новый виток охлаждения интереса к проекту.

Для контраста, Европейский Парламент, наоборот, решил выделить ИТЭР все запрошенные деньги (порядка 6 млрд евро до 2025 года).

Тем не менее, все эти сложности если и выльются в реальное сползание сроков — то только через несколько лет. Пока менеджмент ИТЭР открывает шампанское, отмечая пройденные в ноябре 2017 50% затрат человеко-часов от запланированных до первой плазмы (в 2025).

Строительство зданий на площадке постепенно подходит к концу — в 2018 году будет готово под монтаж оборудования 85% сооружений, необходимых для первой плазмы. Собственно, следующий год станет годом широкого развертывания монтажа оборудования проекта — в том числе первые трубопроводы и опоры будут смонтированы в здании токамака. Однако, обо всем по порядку, и самым первым я хотел бы напомнить о том, что у меня есть статья с ответами на самые часто задаваемые вопросы по ИТЭР.

Строительство и монтаж оборудования

Основное здание реактора (виртуально поделенное на здания Трития, Токамака и Диагностик) в 2017 году выросло на 2 этажа. Этот комплекс тоже прошел свой экватор трудозатрат летом 2017 года, и на нижних этажах уже в начале 2018 года должен начаться монтаж многочисленных систем ИТЭР.

Построенная часть комплекса зданий токамака показана красной линией

За 2017 год здания выпрямителей магнитной системы прошли путь от фундаментов до сданных под отделку. Здесь уже появились первые из трансформаторов, которые будут питать грандиозные активные выпрямители.

Активные тиристорные выпрямители нужны для управления током в магнитах ИТЭР

Здание криокомбината, задача которого в обеспечении комплекса жидким азотом и гелием (это будет второй в мире по производительности завод жидкого гелия после расположенного на Большом адронном коллайдере) было сдано строителями осенью 2017 года — в нем ведется монтаж оборудования.

Здание криокомбината. Слева от него видна площадка с фундаментами под массивное криогенное оборудование типа баков и ректификационных колонн, которые будут установлены в следующем году.

Установка «холодных объемов» с гелиевыми ожижителями в здание криокомбината летом 2017 года

Активно строились электрические сети комплекса и трубопроводы с охлаждающей водой

На фото выше трубы системы охлаждения токамака и компонентов комплекса. Диаметр труб — 2 метра

На заднем плане видно открытое распределительное устройство и центр распределения электроэнергии постоянных нагрузок на 110 мегаватт

В здании предварительной сборки практически в 2017 году закончены и испытаны все мостовые краны (в т.ч. рекордной грузоподьемности по 750 тонн, могущие работать в спарке) и в декабре начат монтаж первого стенда сборки секторов токамака.

В 2017 году была построена бетонная основа системы сброса тепла (мощностью в 1150 мегаватт) — и в 2018 году мы увидим монтаж 10 вентиляторных градирен и 40 насосов общей мощностью около 70 мегаватт на этом комплексе.

В 2017 году после заводской приемки в Корее был начат монтаж грандиозных стендов сборки секторов токамака уже в здании предварительной сборки

Сборка первого стенда для сборки. Забавно, но вот эти кольцевые рельсы точно очерчивают размеры плазменного «бублика», который через 7 лет должен загореться в ИТЭР.

Производство оборудования

Первым элементом, с которого начнется в 2020 году сборка токамака должно быть основание криостата, уложенное на опорное кольцо на дне шахты реактора. Эта деталь насколько большая и тяжелая (30 метров диаметром, 6 метров высотой и 1280 тонн весом), что ее сваривают на стапеле прямо на площадке ИТЭР в 200 метрах от места установки. Сварка первых элементов торжественно началась еще в сентябре 2016 года, но индусско-немецкий коллектив, который занимается этой работой, делает ее в темпе улитки. В настоящее время элементы основания полностью выставлены на стапеле, но не завершена даже сварка основных элементов, а впереди еще проверка швов и наварка сотен мелких элементов.

Квадрат, образованный стенками кольца — это опорная конструкция реактора, поэтому здесь используется сталь толщиной до 120 мм.

На соседнем стапеле тем временем собирается следующая деталь криостата — нижний цилиндр. Здесь пока все идет веселей, сборка начата летом, и к концу года выставлены все элементы этой конструкции 30 метров диаметром, 10 метров высотой и 500 тонн весом. По плану этот элемент устанавливается вторым — сразу после основания и сваривается с ним в единое целое. А уже в эту половинку криостата начинается монтаж всех внутренностей реактора.

Секции «второго» этажа нижнего цилиндра на фоне стапеля, где сваривается эта конструкция.

Интересно, что весь криостат и находящийся в нем токамак всеми своими 23000 тоннами будет опираться на бетонное основание через 18 полусферических подшипников. Первый серийный подшипник такого рода был изготовлен в Испании в 2017 году, а на установку обойм этих подшипников в бетон можно будет посмотреть уже в феврале-марте 2018.

Другой, еще более грандиозной и дорогой подсистемой токамака являются его сверхпроводящие магниты. Магниты ИТЭР во много раз превосходят по своим параметрам все, что было создано до этого проекта, поэтому потребовали строительства множества производств, что было начато сильно заранее (еще до начала строительства собственно ИТЭР). Однако этот запас времени хорошо сыграл — в 2017 году из полуфабрикатов наконец начали появлятся первые штатные магниты ИТЭР, в том числе:

Намотаны первые 2 галеты одной из самых больших (диаметром 14 метров) катушки PF5, она также изготавливается на площадке ИТЭР.

В США изготовлен первый модуль (из 7) центрального соленоида ИТЭР, который в будущем перехватит рекорд самого мощного магнита у тороидальной катушки ИТЭР

В Китае из российского сверхпроводника намотаны первые 3 галеты самой тяжелой катушки PF6: она же, несмотря на номер, тоже является одним из самых первых устанавливаемых элементов реактора.

В Италии был сдан намоточный пакет первой тороидальной катушки (всего в Италии их будет изготовлено 10 и еще 10 — в Японии). В настоящее время это самый большой и мощный (в плане запасаемой энергии) магнит в мире. Этот пакет в настоящее время перевезен на предприятие SIMIC, где ему предстоит пройти холодные испытания и заварку в 200 тонный корпус из нержавеющей стали.

Изготовленный в Японии первый внутренний полукорпус в августе 2017 был отправлен в Южную Корею для стыковки с изготовленным там внешним полукорпусом. Вместе корпус будет свариваться уже при сборке магнита.

На фото выше — опора тороидального магнита, изготовленная в Китае. Размер данного изделия — 2х1х1 метр, а такая конструкция обеспечивает подвижность магнита относительно основания в одном направлении. Это нужно для того, что бы конструкция не разрушалась от сжатия при захолаживании.

В этом году французско-немецкой командой была собрана первая криосорбционная помпа, ответственная за поддержание свервысокого вакуума в вакуумной камере ИТЭР.

На фото выше — сорбирующие пластины с активированным углем, охлаждаемые изнутри жидким гелием. А это корпус криопомпы со стороны ее «атмосферного» фланца.

Одним из важнейших событий, на мой взгляд, стало прибытие на площадку ИТЭР в октябре 2017 года криомагнитного фидера катушки PF4. Это изделие представляет собой вакуумированную трубу в которой проложены гидравлические и электрические (в т.ч. сверхпроводящие) коммуникации идущие к соответствующему магниту. Криофидер PF4 намного опережает другие подобные изделия по той простой причине что он будет замурован в бетон. Важность этого события в том, что это первое высокотехнологичное и изготовленное специально для ИТЭР изделие на площадке и под приемку подобных вещей необходимо создать специальную инфраструктуру, которая и будет проходить проверку данной поставкой.

В России, тем временем, успешно прошли заводские приемочные испытания первого (из 8) серийного гиротрона — мегаваттной микроволновой радиолампы для разогрева плазмы и управления током в ней, без которых невозможен запуск токамака. Гиротроны — одна из высокотехнологичных технологий (правда, весьма узкоспециализированная), в которых Россия остается одним из мировых лидеров. В следующем году гиротрон должен быть отгружен на площадку ИТЭР.

Стенд приемочных испытания гиротронов. На переднем плане гиротрон в защите, согласующий резонатор. На заднем плане — нагрузка на мегаватт микроволнового излучения

Еще одной продукцией, которую поставляла Россия в 2017 стали алюминиевые шины, по которым пойдет ток от выпрямителей магнитной системы до криофидеров. В прошедшем году было отгружено 80 тонн 12-метровых шин (сечением до 200х240мм) и множество сопутствующих элементов системы охлаждения шин и термокомпенсирующих вставок.

Вместе с шинопроводами Россия должна поставить и гораздо более интеллектуальное оборудование — быстродействующие выключатели и переключатели на ток до 70 килоампер и напряжение до 8,5 киловольт. Испытания серийного прототипа одного такого переключателя прошло в мае этого года в Санкт-Петербурге.

Завершая обзор производственных достижений проекта в 2017 году следует сказать о стенде SPIDER и шире — подсистеме инжекторов нейтральных пучков (NBI). Эта подсистема является критически важной для ИТЭР и одновременно, пожалуй, самой высокотехнологичной. За ее создание и поставку отвечает Евросоюз и делает он это путем строительства серии постепенно увеличивающихся прототипов (ELISE->BATMAN->SPIDER->MITICA->штатный инжектор). В октябре 2017 было закончено производство “сердца” стенда SPIDER — ионного источника на полный ток, практически аналогичного тому, что будет использован в инжекторе ИТЭР.

Источник ионов SPIDER представляет собой 8 радиочастотных генераторов плазмы и электростатическую вытягивающую систему, разгоняющую отрицательные ионы в ускоритель. Вид со стороны вытягивающей системы. Подробнее.

На этой поставке высвечивается одна из важных особенностей/проблем сверхбольших и длинных научных проектов — размыкание обратных связей по результативности решений. Дело в том, что данный ионный источник был спроектирован еще ~15 лет назад и заложен как основа инжекторов нейтралов. За прошедшее время стало ясно, что предложенная схема может и не заработать с теми характеристиками, которые нужны — некоторые эксперты считают, что ток пучка будет в два раза меньше номинального.

Стенд SPIDER. Внутри бетонного бункера биозащиты видна центральная часть вакуумной камеры стенда, к которой сверху подходит линия питания различных составляющих ионного источника, вывешенная на -100 кВ.

Однако сложившаяся схема организации больших НИОКР и распределения ответственности в мегапроектах не дает шансов переделки имеющихся решений — остается надеятся, что возможные будущие проблемы NBI ИТЭР можно будет решить тонкой настройкой и минорной модернизацией без кардинальных изменений.

Заключение

Большие научно-исследовательские работы имеют одно внутренне неразрешимое противоречие: с одной стороны для выделения миллиардов долларов работы по проекту должны быть расписаны, обоснованы и ответственно розданы исполнителям, с другой стороны — начиная такой проект, создатели зачастую не еще знают его конечного облика, на то он и научно-исследовательский. Единственным работающим рецептом по решению этого конфликта является уменьшение масштаба единичного проекта. Однако, на пути прогресса по многим направлениям на сегодня исчерпаны простые и дешевые варианты создания чего-то нового. Человечество вынуждено все чаще встречаться с разработкой машин таких масштабов, что не укладываются ни в одну голову, и так растянутых во времени, что они не укладываются в типичную карьеру специалиста. Как бы нам не хотелось, но необходимо учится работать и с такими задачами, и ИТЭР является тут хорошей учебной скамьей. Но, будем надеятся, не тем проектом, про который будут говорить “оказалось, что это было невозможно построить”.

habr.com

Международный экспериментальный термоядерный реактор — Википедия

Макет термоядерного реактора (сечение)

ITER (ИТЭР, изначально аббр. от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, в настоящее время название связывается с латинским словом iter — путь) — проект международного экспериментального термоядерного реактора. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.

Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя. Подготовка строительной площадки в Кадараш на юге Франции началась в январе 2007 года. Сооружения ITER расположены на 180 га земли коммуны Сен-Поль-ле-Дюранс (Прованс-Альпы-Лазурный Берег, регион южной Франции), которая уже стала домом для французского ядерного научно-исследовательского центра СЕА (Commissariat à l'énergie atomique, Комиссариат атомной энергетики).

Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов, и затем срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году[1].

Страны-участники[править]

Наибольшую роль в реализации российской доли обязанностей по проекту ИТЭР играют[2]Курчатовский институт, госкорпорация Росатом, НИИ ЭФА им. Д. В. Ефремова, НИКИЭТ, Институт прикладной физики РАН, ТРИНИТИ, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ВНИИНМ, ВНИИКП, управляющая компания «Наука и инновации», ИЯФ СО РАН.

Участие Казахстана в проекте ИТЭР[3] представляет[4]Национальный Ядерный Центр Республики Казахстан (НЯЦ РК), Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби, Институт Ядерной Физики (ИЯФ), Ульбинский металлургический завод, КазНИПИЭнергопром[5], Казэлектромаш, Кольчуга.

Место расположения исследовательского центра «Кадараш»

1985—2012 годы[править]

Ноябрь 1985 года — СССР предложил создать токамак нового поколения с участием стран, наиболее продвинувшихся в изучении термоядерных реакций.
1988—1990 годы — силами советских, американских, японских и европейских учёных и инженеров была проведена успешная концептуальная проработка проекта термоядерного реактора, получившего современное обозначение ITER.
21 июля 1992 года в Вашингтоне было подписано четырёхстороннее (ЕС, Россия, США, Япония) межправительственное соглашение о разработке инженерного проекта ITER.
28 июля 1994 года в рамках Решения 6 сессии Совета ITER по квоте Российской Федерации в проект присоединилась Республика Казахстан.
1996 год — США вышли из проекта.
2001 год — технический проект реактора ITER был успешно завершён.
2001—2003 годы — к участию в проекте присоединяется Канада.
2003 год — США вернулись к участию в проекте, а также к ним присоединились Китай и Южная Корея.
28 июня 2005 года в Москве министры шести сторон-участниц проекта ИТЭР подписали протокол, который определяет место строительства. Международный экспериментальный термоядерный реактор будет построен на юге Франции в исследовательском центре Кадараш (43°41′ с. ш. 5°45′ в. д. / 43.68750° с. ш. 5.7617° в. д. / 43.68750; 5.7617 (G) (O))[6]
6 декабря 2005 года к консорциуму присоединилась Индия.
25 мая 2006 года в Брюсселе участниками консорциума подписано соглашение о начале практической реализации проекта в 2007 году.
1 сентября 2006 года правительство России приняло решение подписать соглашение о создании Международной организации по реализации проекта исследовательского термоядерного экспериментального реактора (ITER), которая будет обладать правами юридического лица способного заключать соглашения с государствами и международными организациями.
Декабрь 2006 года — подписано 40 первых контрактов с персоналом, объявлено о ещё 56 открытых рабочих местах.
С 2010 года по май 2011 года — начало подготовки котлована под фундамент[7]. Работы по подготовке котлована под реакторный комплекс. Длина котлована 130 метров, ширина 90 метров, глубина 17 метров. Извлечено 210 000 кубических метров скальной породы. Общая масса будущего комплекса токамака 360 000 тонн, включая 23 000 тонный токамак.
С мая 2011 года по апрель 2012 года уложен первый слой стальной арматуры, площадка залита слоем бетона толщиной 1,5 м. На этом слое сформировано 493 железобетонных колонны, каждая высотой 1,7 метра[8]. На вершине каждой колонны установлена антисейсмическая прокладка[9][10][11]. Поверх этих колонн будет сформирована ещё одна плита толщиной 1,5 м. Эту плиту на сайте ITER называют Slab B2. На этой плите и будет покоиться токамак.
В декабре 2012 года руководством ITER был подписан гражданско-правовой договор с французско-испанским консорциумом VFR на строительство комплекса зданий токамака.

2013 год[править]

Февраль 2013 года — начало работ по формированию нижней опалубки плиты Slab B2[12]. Возводятся стены котлована[13].
С 19 по 20 июня в Токио состоялось очередное — двенадцатое — заседание Совета ИТЭР, руководящего органа Международной организации ИТЭР, в котором приняли участие представители всех семи участников Проекта ИТЭР: ЕС, Китая, Индии, Японии, Республики Корея, России и США. Делегаты Совета отметили, что Проект ИТЭР полностью перешёл на стадию сооружения.
К августу построены два вспомогательных здания и энергетическая подстанция.
Сентябрь — появились сведения о первой успешной репетиции по транспортировке крупногабаритных частей токамака из порта Бере l’Etang[14] (порт на озере Этан-де-Берр, озеро соединено 4-километровым каналом со Средиземным морем) до строительной площадки в Кадараше. Общая длина пути 104 километра[15]. Для транспортировки была расширена и модернизирована автомобильная дорога, в частности, построено несколько новых мостов, а некоторые мосты были разобраны[16], и на их месте построены более прочные. Транспортировка будет осуществляться на специально сконструированном для этой задачи 352-колесном автотрейлере[17]. Эта машина[18] способна перемещать груз массой 800 тонн, длиной 40 метров, высотой 11 метров, шириной 9 метров со скоростью 3.5 км/ч. Репетиция заключалась в перевозке весогабаритного макета (бетонные блоки плюс стальная рама)[19] наиболее впечатляющих компонентов реактора из точки назначения в точку прибытия.
В ноябре были сформированы дренажные и вспомогательные туннели, окружающие комплекс токамака[20].
В начале декабря началась заливка бетоном 1,5 метровой плиты (Slab B2) основания реакторного здания (на сайте ITER его называют Зданием трития — Tritium Building)[21]. Заливка ведётся секциями размером 21 × 26 метров и продлится шесть месяцев. Всего секций пятнадцать, из них три на юго-западной стороне и три на северо-восточной. Заливка секции длится десять часов, затем месяц идет схватывание и отвердевание бетона[22].

2014 год[править]

Февраль 2014 года — залито три секции фундамента будущего Здания трития. Таким образом, фундамент на юго-западной стороне Здания трития готов[23].
С февраля на сайте проекта стали появляться фотографии изготовленных странами-участницами проекта отдельных частей токамака. Европа приступила к изготовлению 70 больших D-образных каркасов для катушек тороидального поля[24]. Россия в марте отправила[25] в Италию сверхпроводящие кабели[26], из которых будут наматываться эти катушки. Корея изготавливает секции вакуумной камеры[27]. Китай представил фотографии смонтированных стативов с автоматикой управления магнитным полем[28]. Индия приступила к изготовлению оболочки криостата[29][30].
19 марта начата[31] заливка первой из трёх секций на северо-восточной стороне Здания трития. Этот этап планируется завершить в июле 2014-го.
Март — начата вторая репетиция транспортировки весогабаритного макета от порта Бере на строительную площадку ITER. Мероприятие успешно закончилось рано утром 8 апреля, когда трейлер с макетом прибыл на строительную площадку. Это последняя репетиция: уже в этом году ожидается прибытие первых крупногабаритных деталей.
Март — полным ходом идет строительство Здания криостата[32] (Cryostat Building).
14 апреля один из менеджеров проекта (Site, Buildings and Power Supplies project manager), Лоран Шмидер (Laurent Schmieder), на сайте ITER дал интервью, в котором рассказал, какие изменения будут происходить на строительной площадке в ближайшее время. По его словам, число рабочих, занятых на строительстве, возрастёт с 600 до 1000 человек. В этом месяце на северо-восточном углу строительной площади начнётся возведение Служебного здания (Services Building). Через три месяца, в июле, начнётся возведение Сборочного цеха (Assembly Building) высотой 60 метров. Скоро начнётся строительство очистных сооружений (Cleaning Facility), Здания радиочастотного нагревателя (Radio Frequency Heating Building), Здания управления (Control Building), Здания управления магнитной системой и Здания компрессорной станции. В июле начнётся строительство охлаждающих бассейнов и градирен. В сентябре планируется начать работы на цокольном этаже Комплекса токамака, а к концу года работы перейдут на следующий этаж[33].
24 апреля инспекторы из французского Агентства Ядерной безопасности (French Nuclear Safety Authority — ASN) произвели осмотр монтажа арматуры будущей «пяты» под токамаком. Это круглая площадка должна быть выполнена из железобетона толщиной 1,5 метра.
29 апреля появились фотографии работ по укладке арматуры в «пяту» токамака[34]. На фото хорошо видно, что четыре секции из пятнадцати уже залиты, а две практически готовы к заливке. К концу года планируется завершить заливку всех пятнадцати секций и приступить к возведению стен Здания Трития.
В конце апреля появилось сообщение, что завершен монтаж 18-метрового тяжёлого мостового крана в Здании криостата[35].
25 мая завод в Тулоне (Франция) отчитался о изготовлении 70 каркасов для D-образных катушек (размерами примерно 9×14 метров) тороидального магнитного поля[36]. В июне на эти каркасы начнётся намотка сверхпроводящих кабелей, которые поступили из России. В США объявили об успешных испытания высокочастотных нагревателей[37] плазмы.
4 июня подписан контракт между European Domestic Agency и корпорацией Air Liquide. Air Liquide будет производить проектирование, закупку комплектующих, монтаж и тестирование системы охлаждения токамака. Система охлаждения будет обеспечивать три уровня охлаждения сверхпроводящих магнитов (80К, 50К и 4К) и включает теплообменники, крионасосы, несколько десятков километров трубопроводов.
18 июня китайский Институт физики плазмы представил для испытаний полномасштабный прототип одного из самых тяжёлых компонентов фидерной системы питания сверхпроводящих магнитов — вакуумную камеру CTB/SBB (coil terminal box / S-bend box)[38] весом 27 тонн. Эта камера обеспечивает теплоизоляцию 31 сверхпроводящего коммутатора, управляющего подключением катушек токамака к источнику питания. Камера CTB/SBB является барьером между окружающей средой и холодной средой криостата, передавая токи до 68 килоампер[39].
18 июня Институт электрофизической аппаратуры в Санкт-Петербурге (НИИЭФА им. Д. В. Ефремова) закончил испытания натурных прототипов сильноточных (от 10 до 68 килоампер) шин постоянного тока, предназначенных для питания сверхпроводящих магнитных систем токамака. Тем самым были подтверждены расчёты, сделанные на этапе проектирования. Испытания дают «зелёный свет» производству рабочих образцов шин, с общей массой 500 тонн и общей длиной 5,4 километра.
19 июня была залита ещё одна секция фундамента будущего Здания трития. Заливка началась в 6:45, осуществлялась четырьмя слоями, закончилась в полночь. Общий объём поданного бетонного раствора составил 1155 м3. Подача осуществлялась мобильными бетононасосами[40] с вылетом стрелы 47 метров, способными перекачивать 50 м3/час. Секция простоит 10 дней под слоем воды для предотвращения «обезвоживания» и растрескивания поверхности. Это пятая заливка, осталось десять. Заливка следующей секции ожидается в течение недели[41].
26 июня залита шестая и последняя секция фундамента будущего Здания трития[42]. Осталось залить девять секций — «пяту» под токамак, боковые секции, фундамент под первый теплообменник. Слева на фото можно разглядеть, как идет монтаж арматуры для фундамента токамака. На заднем плане видно, что начались работы под фундамент первого теплообменника. Ещё одно фото[43], сделанное с другого ракурса (с северного угла комплекса токамака), показывает состояние центральной «пяты» под токамак. Рабочие монтируют арматуру «стульев», на которых будет покоиться поддон криостата. На заднем плане хорошо видно, что только залитая шестая секция стоит под слоем воды.
8 июля Россия (Курчатовский институт) и Япония (местное агентство ITER) отправили часть своей доли сверхпроводящих кабелей соответственно в Ла Специю (Италия) и Сан-Диего (США). Из этих кабелей будут наматываться в Ла Специи — катушки тороидального поля, в Сан-Диего — секции центрального соленоида.
10 июля был залит первый из центральных сегментов «пяты» токамака[44], которую на сайте ITER называют «Slab B2» или просто «B2». Уровни Здания Трития отсчитываются от вакуумной камеры и обозначаются снизу вверх: «B2» (который сейчас формируется), «B1», «L1», «L2», «L3», «L4»[45]. На двух фото: до[46] и после заливки[47] можно увидеть, как изменилась строительная площадка в течение суток. Площадь сегмента 627 м2. Было залито 940 м3 специально приготовленного бетона. Остальные семь сегментов будут заливаться по аналогичному сценарию.
24 июля в Санкт-Петербурге, в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова прошли испытания гасящих резисторов защиты D-образных катушек тороидального поля. Эти резисторы должны быстро (в течение минуты) рассеять энергию 41 ГДж, запасенную в катушках, в случае внезапной потери этими катушками состояния сверхпроводимости. Испытания прошли в присутствии представителей ASN (французское Агентство ядерной безопасности), IRSN (французский Институт радиационной защиты и ядерной безопасности) и самой ITER[48].
31 июля поступило сообщение, что залито ещё два сегмента[49]. Таким образом, остаётся пять участков.
22 августа на сайте ITER появилось фото[50] состояния площадки токамака. Залиты все сегменты, кроме круглого центрального участка. Площадь этого участка 580 м2. Для его заливки потребуется 865 м3 бетона. Это последний сегмент плиты В2 (Slab B2) — «пола» первого этажа Здания Трития.
25 августа на сайте ITER размещена статья, посвящённая проекту WEST («Tungsten (W) Environment in Steady-State Tokamak»). Этот проект был запущен ещё в марте 2013 года. Цель этого проекта — снятие неопределённостей при использовании в ITER вольфрамового дивертора. Для этого на другом европейском экспериментальном токамаке — TST (Tore Supra tokamak), будут испытаны прототипы кассет дивертора ITER. Рабочие поверхности горячей стенки дивертора подвергнутся длительному нейтронному облучению с интенсивностью до 20 МВт/м2. Такое испытание позволит подтвердить верность конструкторских решений и выработать четкий план промышленного производства элементов дивертора[51].
27 августа произведена заливка последнего, пятнадцатого сегмента в самом центре плиты Slab B2[52][53]. Таким образом, завершен важнейший этап строительстве токамака ITER, начатый в сентябре 2010 г. Было задействовано 150 рабочих, которые уложили 3600 тонн арматуры и использовали 14 000 м3 специального бетона. Высокие требования к прочности B2 заставили использовать очень сложный ортогонально-радиа

wp.wiki-wiki.ru

Проект ИТЭР в 2017 году

Экология потребления. Технологии: ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) - экспериментальный термоядерный реактор на базе концепции токамака. Проектирование шло в несколько подходов с 1992 по 2007 год, сооружение - с 2009 по настоящее время (и продолжается).

Правила драматургии долгоиграющих сериалов подразумевают, что исток будущих драматических событий должен закладываться в момент триумфальной победы над проблемой предыдущей. Похоже, история проекта международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) пишется сценаристами, знакомыми с этим правилом — на фоне триумфального преодоления сложностей, чуть не погубивших самую дорогую научную стройку мира в 2015 появляются тени новых, будущих, проблем, которые еще могут сыграть свою роковую роль.

В частности, новый виток изоляционизма США в 2016 году сложился с отрицанием новым президентом США пользы от длинных вложений в науку, и в итоге США запланировали расходы в 2018 на ИТЭР в размере ~65 млн долларов против необходимых 175. Если такая ситуация продлится еще пару лет, то неизбежен новый перенос даты пуска международного токамака, а за ним — и новый виток охлаждения интереса к проекту.
Для контраста, Европейский Парламент, наоборот, решил выделить ИТЭР все запрошенные деньги (порядка 6 млрд евро до 2025 года).
Тем не менее, все эти сложности если и выльются в реальное сползание сроков — то только через несколько лет. Пока менеджмент ИТЭР открывает шампанское, отмечая пройденные в ноябре 2017 50% затрат человеко-часов от запланированных до первой плазмы (в 2025).
Строительство зданий на площадке постепенно подходит к концу — в 2018 году будет готово под монтаж оборудования 85% сооружений, необходимых для первой плазмы. Собственно, следующий год станет годом широкого развертывания монтажа оборудования проекта — в том числе первые трубопроводы и опоры будут смонтированы в здании токамака.

Строительство и монтаж оборудования

Основное здание реактора (виртуально поделенное на здания Трития, Токамака и Диагностик) в 2017 году выросло на 2 этажа. Этот комплекс тоже прошел свой экватор трудозатрат летом 2017 года, и на нижних этажах уже в начале 2018 года должен начаться монтаж многочисленных систем ИТЭР.

Построенная часть комплекса зданий токамака показана красной линией

За 2017 год здания выпрямителей магнитной системы прошли путь от фундаментов до сданных под отделку. Здесь уже появились первые из трансформаторов, которые будут питать грандиозные активные выпрямители.

Активные тиристорные выпрямители нужны для управления током в магнитах ИТЭР

Здание криокомбината, задача которого в обеспечении комплекса жидким азотом и гелием (это будет второй в мире по производительности завод жидкого гелия после расположенного на Большом адронном коллайдере) было сдано строителями осенью 2017 года — в нем ведется монтаж оборудования.

Установка «холодных объемов» с гелиевыми ожижителями в здание криокомбината летом 2017 года

Активно строились электрические сети комплекса и трубопроводы с охлаждающей водой

В здании предварительной сборки практически в 2017 году закончены и испытаны все мостовые краны (в т.ч. рекордной грузоподьемности по 750 тонн, могущие работать в спарке) и в декабре начат монтаж первого стенда сборки секторов токамака.

В 2017 году была построена бетонная основа системы сброса тепла (мощностью в 1150 мегаватт) — и в 2018 году мы увидим монтаж 10 вентиляторных градирен и 40 насосов общей мощностью около 70 мегаватт на этом комплексе.

В 2017 году после заводской приемки в Корее был начат монтаж грандиозных стендов сборки секторов токамака уже в здании предварительной сборки

Производство оборудования

Первым элементом, с которого начнется в 2020 году сборка токамака должно быть основание криостата, уложенное на опорное кольцо на дне шахты реактора. Эта деталь насколько большая и тяжелая (30 метров диаметром, 6 метров высотой и 1280 тонн весом), что ее сваривают на стапеле прямо на площадке ИТЭР в 200 метрах от места установки. Сварка первых элементов торжественно началась еще в сентябре 2016 года, но индусско-немецкий коллектив, который занимается этой работой, делает ее в темпе улитки. В настоящее время элементы основания полностью выставлены на стапеле, но не завершена даже сварка основных элементов, а впереди еще проверка швов и наварка сотен мелких элементов.

На соседнем стапеле тем временем собирается следующая деталь криостата — нижний цилиндр. Здесь пока все идет веселей, сборка начата летом, и к концу года выставлены все элементы этой конструкции 30 метров диаметром, 10 метров высотой и 500 тонн весом. По плану этот элемент устанавливается вторым — сразу после основания и сваривается с ним в единое целое. А уже в эту половинку криостата начинается монтаж всех внутренностей реактора.

Секции «второго» этажа нижнего цилиндра на фоне стапеля, где сваривается эта конструкция.

Интересно, что весь криостат и находящийся в нем токамак всеми своими 23000 тоннами будет опираться на бетонное основание через 18 полусферических подшипников. Первый серийный подшипник такого рода был изготовлен в Испании в 2017 году, а на установку обойм этих подшипников в бетон можно будет посмотреть уже в феврале-марте 2018.

Другой, еще более грандиозной и дорогой подсистемой токамака являются его сверхпроводящие магниты. Магниты ИТЭР во много раз превосходят по своим параметрам все, что было создано до этого проекта, поэтому потребовали строительства множества производств, что было начато сильно заранее (еще до начала строительства собственно ИТЭР). Однако этот запас времени хорошо сыграл — в 2017 году из полуфабрикатов наконец начали появлятся первые штатные магниты ИТЭР, в том числе:

Намотаны первые 2 галеты одной из самых больших (диаметром 14 метров) катушки PF5, она также изготавливается на площадке ИТЭР.

В США изготовлен первый модуль (из 7) центрального соленоида ИТЭР, который в будущем перехватит рекорд самого мощного магнита у тороидальной катушки ИТЭР

В Китае из российского сверхпроводника намотаны первые 3 галеты самой тяжелой катушки PF6: она же, несмотря на номер, тоже является одним из самых первых устанавливаемых элементов реактора.

В Италии был сдан намоточный пакет первой тороидальной катушки (всего в Италии их будет изготовлено 10 и еще 10 — в Японии). В настоящее время это самый большой и мощный (в плане запасаемой энергии) магнит в мире. Этот пакет в настоящее время перевезен на предприятие SIMIC, где ему предстоит пройти холодные испытания и заварку в 200 тонный корпус из нержавеющей стали.

В этом году французско-немецкой командой была собрана первая криосорбционная помпа, ответственная за поддержание свервысокого вакуума в вакуумной камере ИТЭР.

На фото выше — сорбирующие пластины с активированным углем, охлаждаемые изнутри жидким гелием.

А это корпус криопомпы со стороны ее «атмосферного» фланца.

Одним из важнейших событий, на мой взгляд, стало прибытие на площадку ИТЭР в октябре 2017 года криомагнитного фидера катушки PF4. Это изделие представляет собой вакуумированную трубу в которой проложены гидравлические и электрические (в т.ч. сверхпроводящие) коммуникации идущие к соответствующему магниту. Криофидер PF4 намного опережает другие подобные изделия по той простой причине что он будет замурован в бетон. Важность этого события в том, что это первое высокотехнологичное и изготовленное специально для ИТЭР изделие на площадке и под приемку подобных вещей необходимо создать специальную инфраструктуру, которая и будет проходить проверку данной поставкой.

В России, тем временем, успешно прошли заводские приемочные испытания первого (из 8) серийного гиротрона — мегаваттной микроволновой радиолампы для разогрева плазмы и управления током в ней, без которых невозможен запуск токамака. Гиротроны — одна из высокотехнологичных технологий (правда, весьма узкоспециализированная), в которых Россия остается одним из мировых лидеров. В следующем году гиротрон должен быть отгружен на площадку ИТЭР.

Еще одной продукцией, которую поставляла Россия в 2017 стали алюминиевые шины, по которым пойдет ток от выпрямителей магнитной системы до криофидеров. В прошедшем году было отгружено 80 тонн 12-метровых шин (сечением до 200х240мм) и множество сопутствующих элементов системы охлаждения шин и термокомпенсирующих вставок.

Вместе с шинопроводами Россия должна поставить и гораздо более интеллектуальное оборудование — быстродействующие выключатели и переключатели на ток до 70 килоампер и напряжение до 8,5 киловольт. Испытания серийного прототипа одного такого переключателя прошло в мае этого года в Санкт-Петербурге.

Завершая обзор производственных достижений проекта в 2017 году следует сказать о стенде SPIDER и шире — подсистеме инжекторов нейтральных пучков (NBI). Эта подсистема является критически важной для ИТЭР и одновременно, пожалуй, самой высокотехнологичной. За ее создание и поставку отвечает Евросоюз и делает он это путем строительства серии постепенно увеличивающихся прототипов (ELISE->BATMAN->SPIDER->MITICA->штатный инжектор). В октябре 2017 было закончено производство “сердца” стенда SPIDER — ионного источника на полный ток, практически аналогичного тому, что будет использован в инжекторе ИТЭР.

Заключение

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

econet.ru

Россия предложит альтернативный ИТЭР проект термоядерного реактора

15:3702.01.2016

(обновлено: 05:46 09.01.2016)

295771503

В основе создаваемого в Европе реактора лежит использование системы токамак. Ученые Института ядерной физики СО РАН сообщили, что разрабатывают новую схему удержания термоядерной плазмы с помощью открытых ловушек.

НОВОСИБИРСК, 2 янв – РИА Новости. Ученые Института ядерной физики СО РАН планируют разработать и предложить к реализации другим странам мира альтернативный, более привлекательный международному термоядерному экспериментальному реактору (ИТЭР) в коммерческом отношении проект, сообщил РИА Новости замдиректора ИЯФ по научной работе Александр Иванов.

Строительство международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) неподалеку от Марселя, Франция. Архивное фото

Дорога к Солнцу - всемирная стройка термоядерного реактора во ФранцииИТЭР строится во Франции совместно Евросоюзом, Россией, Китаем, Индией, Японией, Южной Кореей и США. В основе создаваемого реактора лежит использование термоядерной системы токамак – установки для магнитного удержания плазмы, имеющей вид кольца. Это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, происходящую, в частности, на солнце. В случае успеха это даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

"Мы фактически развиваем новое направление, которое должно привести к созданию коммерчески успешного термоядерного реактора. Дело в том, что абсолютно непонятно, является ли токамак наилучшей схемой для коммерческого реактора. Это большой вопрос. У него целый ряд параметров, которые выглядят для этого совершенно неприемлемыми", — сказал ученый.

Иванов сообщил, что ИЯФ разрабатывает новую схему удержания термоядерной плазмы с помощью открытых ловушек. Речь, по его словам идет о том, чтобы создать задел для сооружения в институте в Новосибирске установки с условным названием ГДМЛ (газодинамической ловушки), которая станет последним шагом перед созданием демонстрационного реактора, способного быть коммерчески успешным, то есть тиражируемым проектом для получения электроэнергии.

Строительство международного термоядерного экспериментального реактора. Архивное фото

Россия полностью завершила поставки сверхпроводников для проекта ИТЭР"Совершенно очевидно, что эта установка – mega-science. В этом смысле, я думаю, что сооружение должно вестись в коллаборации с другими странами. Пока мы занимаемся тем, что создаем технический и научный базис для ее сооружения. Вообще, есть планы по созданию полного проекта", — сказал ученый, отметив, что большой интерес к созданию такой установки проявляют в Японии, США и Китае.

В ИЯФ добавили, что окончательно оформить технический проект и технико-экономические основания для проекта-предшественника прототипу нового термоядерного реактора ГДМЛ институт планирует в рамках программы Института с финансированием Российского научного фонда (РНФ), которая рассчитана до 2018 года.

ria.ru

Проект ИТЭР в 2017 году

Проект

Правила драматургии долгоиграющих сериалов подразумевают, что исток будущих драматических событий должен закладываться в момент триумфальной победы над проблемой предыдущей. Похоже, история проекта международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) пишется сценаристами, знакомыми с этим правилом - на фоне триумфального преодоления сложностей, чуть не погубивших самую дорогую научную стройку мира в 2015 появляются тени новых, будущих, проблем, которые еще могут сыграть свою роковую роль.

В частности, новый виток изоляционизма США в 2016 году сложился с отрицанием новым президентом США пользы от длинных вложений в науку, и в итоге США запланировали расходы в 2018 на ИТЭР в размере ~65 млн долларов против необходимых 175. Если такая ситуация продлится еще пару лет, то неизбежен новый перенос даты пуска международного токамака, а за ним - и новый виток охлаждения интереса к проекту.

Тем не менее, все эти сложности если и выльются в реальное сползание сроков - то только через несколько лет. Пока менеджмент ИТЭР открывает шампанское, отмечая пройденные в ноябре 2017 50% затрат человеко-часов от запланированных до первой плазмы (в 2025).

Строительство зданий на площадке постепенно подходит к концу - в 2018 году будет готово под монтаж оборудования 85% сооружений, необходимых для первой плазмы. Собственно, следующий год станет годом широкого развертывания монтажа оборудования проекта - в том числе первые трубопроводы и опоры будут смонтированы в здании токамака. Однако, обо всем по порядку, и самым первым я хотел бы напомнить о том, что у меня есть статья с ответами на самые часто задаваемые вопросы по ИТЭР.

Строительство и монтаж оборудования

В 2017 году после заводской приемки в Корее был начат монтаж грандиозных стендов сборки секторов токамака уже в здании предварительной сборки
Сборка первого стенда для сборки. Забавно, но вот эти кольцевые рельсы точно очерчивают размеры плазменного "бублика", который через 7 лет должен загореться в ИТЭР.

Производство оборудования

Первым элементом, с которого начнется в 2020 году сборка токамака должно быть основание криостата, уложенное на опорное кольцо на дне шахты реактора. Эта деталь насколько большая и тяжелая (30 метров диаметром, 6 метров высотой и 1280 тонн весом), то ее сваривают на стапеле прямо на площадке ИТЭР в 200 метрах от места установки. Сварка первых элементов торжественно началась еще в сентябре 2016 года, но индусско-немецкий коллектив, который занимается этой работой, делает ее в темпе улитки. В настоящее время элементы основания полностью выставлены на стапеле, но не завершена даже сварка основных элементов, а впереди еще проверка швов и наварка сотен мелких элементов.Квадрат, образованный стенками кольца - это опорная конструкция реактора, поэтому здесь используется сталь толщиной до 120 мм.
На соседнем стапеле тем временем собирается следующая деталь криостата - нижний цилиндр. Здесь пока все идет веселей, сборка начата летом, и к концу года выставлены все элементы этой конструкции 30 метров диаметром, 10 метров высотой и 500 тонн весом. По плану этот элемент устанавливается вторым - сразу после основания и сваривается с ним в единое целое. А уже в эту половинку криостата начинается монтаж всех внутренностей реактора.Секции "второго" этажа нижнего цилиндра на фоне стапеля, где сваривается эта конструкция.
Интересно, что весь криостат и находящийся в нем токамак всеми своими 23000 тоннами будет опираться на бетонное основание через 18 полусферических подшипников. Первый серийный подшипник такого рода был изготовлен в испании в 2017 году, а на установку обойм этих подшипников в бетон можно будет посмотреть уже в феврале-марте 2018.
Другой, еще более грандиозной и дорогой подсистемой токамака являются его сверхпроводящие магниты. Магниты ИТЭР во много раз превосходят по своим параметрам все, что было создано до этого проекта, поэтому потребовали строительства множества производств, что было начато сильно заранее (еще до начала строительства собственно ИТЭР). Однако этот запас времени хорошо сыграл - в 2017 году из полуфабрикатов наконец начали появлятся первые штатные магниты ИТЭР, в том числе:
Намотаны первые 4 галеты (из 8) катушки PF1, изготавливаемой на Средненевском судостроительном заводе.
Намотаны первые 2 галеты одной из самых больших (диаметром 14 метров) катушки PF5, она также изготавливается на площадке ИТЭР.
В США изготовлен первый модуль (из 7) центрального соленоида ИТЭР

В Китае из российского сверхпроводника намотаны первые 3 галеты самой тяжелой катушки PF6 - она же, не смотря на номер тоже является одним из самых первых устанавливаемых элементов реактора.
В Италии был сдан намоточный пакет первой тороидальной катушки (всего в Италии их будет изготовлено 10 и еще 10 - в Японии). В настоящее время это самый большой и мощный (в плане запасаемой энергии) магнит в мире. Этот пакет в настоящее время перевезен на предприятие SIMIC, где ему предстоит пройти холодные испытания и заварку в 200 тонный корпус из нержавеющей стали.

Изготовленный в японии первый внутренний полукорпус в августе 2017 был отправлен в Южную Корею для стыковки с изготовленным там внешним полукорпусом. Вместе корпус будет свариваться уже при сборке магнита.

На фото выше - опора тороидального магнита, изготовленная в Китае. Размер данного изделия - 2х1х1 метр, а такая конструкция обеспечивает подвижность магнита относительно основания в одном направлении. Это нужно для того, что бы конструкция не разрушалась от сжатия при захолаживании.

В этом году французско-немецкой командой была собрана первая криосорбционная помпа, отвественная за поддержание свервысокого вакуума в вакуумной камере ИТЭР.

На фото выше - сорбирующие пластины с активированным углем, охлаждаемые изнутри жидким гелием.

А это корпус криопомпы со стороны ее "атмосферного" фланца.

Одним из важнейших событий, на мой взгляд, стало прибытие на площадку ИТЭР в октябре 2017 года криомагнитного фидера катушки PF4. Это изделие представляет собой вакуумированную трубу в которой проложены гидравлические и электрические (в т.ч. сверхпроводящие) коммуникации идущие к соответствующему магниту. Криофидер PF4 намного опережает другие подобные изделия по той простой причине что он будет замурован в бетон. Важность этого события в том, что это первое высокотехнологичное и изготовленное специально для ИТЭР изделие на площадке и под приемку подобных вещей необходимо создать специальную инфраструктуру, которая и будет проходить проверку данной поставкой.
В России, тем временем, успешно прошли заводские приемочные испытания первого (из 8) серийного гиротрона - мегаваттной микроволновой радиолампы для разогрева плазмы и управления током в ней, без которых невозможен запуск токамака. Гиротроны - одна из высокотехнологичных технологий (правда, весьма узкоспециализированная), в которых Россия остается одним из мировых лидеров. В следующем году гиротрон должен быть отгружен на площадку ИТЭР.Стенд приемочных испытания гиротронов. На переднем плане гиротрон в защите, согласующий резонатор. На заднем плане - нагрузка на мегаватт микроволнового излучения
Еще одной продукцией, которую поставляла Россия в 2017 стали алюминиевые шины, по которым пойдет ток от выпрямителей магнитной системы до криофидеров. В прошедшем году было отгружено 80 тонн 12-метровых шин (сечением до 200х240мм) и множество сопутствующих элементов системы охлаждения шин и термокомпенсирующих вставок.
Вместе с шинопроводами Россия должна поставить и гораздо более интеллектуальное оборудование - быстродействующие выключатели и переключатели на ток до 70 килоампер и напряжение до 8,5 киловольт. Испытания серийного прототипа одного такого переключателя прошло в мае этого года в Санкт-Петербурге.
Завершая обзор производственных достижений проекта в 2017 году следует сказать о стенде SPIDER и шире - подсистеме инжекторов нейтральных пучков (NBI). Эта подсистема является критически важной для ИТЭР и одновременно, пожалуй, самой высокотехнологичной. За ее создание и поставку отвечает Евросоюз и делает он это путем строительства серии постепенно увеличивающихся прототипов (ELISE->BATMAN->SPIDER->MITICA->штатный инжектор). В октябре 2017 было закончено производство “сердца” стенда SPIDER - ионного источника на полный ток, практически аналогичного тому, что будет использован в инжекторе ИТЭР.
Источник ионов SPIDER представляет собой 8 радиочастотных генераторов плазмы и электростатическую вытягивающую систему, разгоняющую отрицательные ионы в ускоритель. Подробнее.
На этой поставке высвечивается одна из важных особенностей/проблем сверхбольших и длинных научных проектов - размыкание обратных связей по результативности решений. Дело в том, что данный ионный источник был спроектирован еще ~15 лет назад и заложен как основа инжекторов нейтралов. За прошедшее время стало ясно, что предложенная схема может и не заработать с теми характеристиками, которые нужны - некоторые эксперты считают, что ток пучка будет в два раза меньше номинального.
Стенд SPIDER. Внутри бетонного бункера биозащиты видна центральная часть вакуумной камеры стенда, к которой сверху подходит линия питания различных составляющих ионного источника, вывешенная на -100 кВ.
Однако сложившаяся схема организации больших НИОКР и распределения ответственности в мегапроектах не дает шансов переделки имеющихся решений - остается надеятся, что возможные будущие проблемы NBI ИТЭР можно будет решить тонкой настройкой и минорной модернизацией без кардинальных изменений.

Заключение

Большие научно-исследовательские работы имеют одно внутренне неразрешимое противоречие: с одной стороны для выделения миллиардов долларов работы по проекту должны быть расписаны, обоснованы и ответственно розданы исполнителям, с другой стороны - начиная такой проект, создатели зачастую не еще знают его конечного облика, на то он и научно-исследовательский. Единственным работающим рецептом по решению этого конфликта является уменьшение масштаба единичного проекта. Однако, на пути прогресса по многим направлениям на сегодня исчерпаны простые и дешевые варианты создания чего-то нового. Человечество вынуждено все чаще встречаться с разработкой машин таких масштабов, что не укладываются ни в одну голову, и так растянутых во времени, что они не укладываются в типичную карьеру специалиста. Как бы нам не хотелось, но необходимо учится работать и с такими задачами, и ИТЭР является тут хорошей учебной скамьей. Но, будем надеятся, не тем проектом, про который будут говорить “оказалось, что это было невозможно построить”.

tnenergy.livejournal.com

Термоядерные реакторы в мире. Первый термоядерный реактор

Сегодня многие страны принимают участие в термоядерных исследованиях. Лидерами являются Европейский союз, США, Россия и Япония, а программы Китая, Бразилии, Канады и Кореи стремительно наращиваются. Первоначально термоядерные реакторы в США и СССР были связаны с разработкой ядерного оружия и оставались засекреченными до конференции «Атомы для мира», которая состоялась в Женеве в 1958 году. После создания советского токамака исследования ядерного синтеза в 1970 годы стали «большой наукой». Но стоимость и сложность устройств увеличивалась до точки, когда международное сотрудничество стало единственной возможностью продвигаться вперед.

Термоядерные реакторы в мире

Начиная с 1970 годов, начало коммерческого использования энергии синтеза постоянно отодвигалось на 40 лет. Однако в последние годы произошло многое, благодаря чему этот срок может быть сокращен.

Построено несколько токамаков, в том числе европейский JET, британский MAST и экспериментальный термоядерный реактор TFTR в Принстоне, США. Международный проект ITER в настоящее время находится в стадии строительства в Кадараше, Франция. Он станет самым крупным токамаком, когда заработает в 2020 годах. В 2030 г. в Китае будет построен CFETR, который превзойдет ITER. Тем временем КНР проводит исследования на экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST.

Термоядерные реакторы другого типа – стеллаторы – также популярны у исследователей. Один из крупнейших, LHD, начал работу в японском Национальном институте термоядерного синтеза в 1998 году. Он используется для поиска наилучшей магнитной конфигурации удержания плазмы. Немецкий Институт Макса Планка в период с 1988 по 2002 год проводил исследования на реакторе Wendelstein 7-AS в Гархинге, а в настоящее время – на Wendelstein 7-X, строительство которого длилось более 19 лет. Другой стелларатор TJII эксплуатируется в Мадриде, Испания. В США Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), где был построен первый термоядерный реактор данного типа в 1951 году, в 2008 году остановила строительство NCSX из-за перерасхода средств и отсутствия финансирования.

Кроме того, достигнуты значительные успехи в исследованиях инерциального термоядерного синтеза. Строительство National Ignition Facility (NIF) стоимостью 7 млрд $ в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), финансируемое Национальной администрацией по ядерной безопасности, было завершено в марте 2009 г. Французский Laser Mégajoule (LMJ) начал работу в октябре 2014 года. Термоядерные реакторы используют доставленные лазерами в течение нескольких миллиардных долей секунды около 2 млн джоулей световой энергии в цель размером в несколько миллиметров для запуска реакции ядерного синтеза. Основной задачей NIF и LMJ являются исследования по поддержке национальных военных ядерных программ.

термоядерные реакторы

ITER

В 1985 г. Советский Союз предложил построить токамак следующего поколения совместно с Европой, Японией и США. Работа велась под эгидой МАГАТЭ. В период с 1988 по 1990 год были созданы первые проекты Международного термоядерного экспериментального реактора ITER, что также означает «путь» или «путешествие» на латыни, с целью доказать, что синтез может вырабатывать больше энергии, чем поглощать. Канада и Казахстан также приняли участие при посредничестве Евратома и России соответственно.

Через 6 лет совет ITER одобрил первый комплексный проект реактора на основе устоявшейся физики и технологии стоимостью 6 млрд $. Тогда США вышли из консорциума, что вынудило вдвое сократить затраты и изменить проект. Результатом стал ITER-FEAT стоимостью 3 млрд долл., но позволяющий достичь самоподдерживающей реакции и положительного баланса мощности.

В 2003 г. США вновь присоединились к консорциуму, а Китай объявил о своем желании в нем участвовать. В результате в середине 2005 года партнеры договорились о строительстве ITER в Кадараше на юге Франции. ЕС и Франция вносили половину от 12,8 млрд евро, а Япония, Китай, Южная Корея, США и Россия – по 10% каждый. Япония предоставляла высокотехнологичные компоненты, содержала установку IFMIF стоимостью 1 млрд евро, предназначенную для испытания материалов, и имела право на возведение следующего тестового реактора. Общая стоимость ITER включает половину затрат на 10-летнее строительство и половину – на 20 лет эксплуатации. Индия стала седьмым членом ИТЭР в конце 2005 г.

Эксперименты должны начаться в 2018 г. с использованием водорода, чтобы избежать активации магнитов. Использование D-T плазмы не ожидается ранее 2026 г.

Цель ITER – выработать 500 МВт (хотя бы в течение 400 с), используя менее 50 МВт входной мощности без генерации электроэнергии.

Двухгигаваттная демонстрационная электростанция Demo будет производить крупномасштабное производство электроэнергии на постоянной основе. Концептуальный дизайн Demo будет завершен к 2017 году, а его строительство начнется в 2024 году. Пуск состоится в 2033 году.

экспериментальный термоядерный реактор

JET

В 1978 г. ЕС (Евратом, Швеция и Швейцария) начали совместный европейский проект JET в Великобритании. JET сегодня является крупнейшим работающим токамаком в мире. Подобный реактор JT-60 работает в японском Национальном институте термоядерного синтеза, но только JET может использовать дейтерий-тритиевое топливо.

Реактор был запущен в 1983 году, и стал первым экспериментом, в результате которого в ноябре 1991 года был проведен управляемый термоядерный синтез мощностью до 16 МВт в течение одной секунды и 5 МВт стабильной мощности на дейтерий-тритиевой плазме. Было проведено множество экспериментов с целью изучения различных схем нагрева и других техник.

Дальнейшие усовершенствования JET касаются повышения его мощности. Компактный реактор MAST разрабатывается вместе с JET и является частью проекта ITER.

первый термоядерный реактор

K-STAR

K-STAR – корейский сверхпроводящий токамак Национального института термоядерных исследований (NFRI) в Тэджоне, который произвел свою первую плазму в середине 2008 года. Это пилотный проект ITER, являющийся результатом международного сотрудничества. Токамак радиусом 1,8 м – первый реактор, использующий сверхпроводящие магниты Nb3Sn, такие же, которые планируется использовать в ITER. В ходе первого этапа, завершившегося к 2012 году, K-STAR должен был доказать жизнеспособность базовых технологий и достигнуть плазменных импульсов длительностью до 20 с. На втором этапе (2013–2017) проводится его модернизация для изучения длинных импульсов до 300 с в режиме H и перехода к высокопроизводительному AT-режиму. Целью третьей фазы (2018–2023) является достижение высокой производительности и эффективности в режиме длительных импульсов. На 4 этапе (2023–2025) будут испытываться технологии DEMO. Устройство не способно работать с тритием и D-T топливо не использует.

K-DEMO

Разработанный в сотрудничестве с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и южно-корейским институтом NFRI, K-DEMO должен стать следующим шагом на пути создания коммерческих реакторов после ITER, и будет первой электростанцией, способной генерировать мощность в электрическую сеть, а именно 1 млн кВт в течение нескольких недель. Его диаметр составит 6,65 м, и он будет иметь модуль зоны воспроизводства, создаваемый в рамках проекта DEMO. Министерство образования, науки и технологий Кореи планирует инвестировать в него около триллиона корейских вон (941 млн $).

термоядерный реактор с водородной плазмой

EAST

Китайский экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в Институте физики Китая в Хефее создал водородную плазму температурой 50 млн °C и удерживал ее в течение 102 с.

TFTR

В американской лаборатории PPPL экспериментальный термоядерный реактор TFTR работал с 1982 по 1997 годы. В декабре 1993 г. TFTR стал первым магнитным токамаком, на котором производились обширные эксперименты с плазмой из дейтерий-трития. В следующем году реактор произвел рекордные в то время 10,7 МВт управляемой мощности, а в 1995 году был достигнут рекорд температуры ионизированного газа в 510 млн °C. Однако установка не достигла цели безубыточности энергии термоядерного синтеза, но с успехом выполнила цели проектирования аппаратных средств, сделав значительный вклад в развитие ITER.

запуск термоядерного реактора

LHD

LHD в японском Национальном институте термоядерного синтеза в Токи, префектура Гифу, был самым большим стелларатором в мире. Запуск термоядерного реактора состоялся в 1998 г., и он продемонстрировал качества удержания плазмы, сравнимые с другими крупными установками. Была достигнута температура ионов 13,5 кэВ (около 160 млн °C) и энергия 1,44 МДж.

Wendelstein 7-X

После года испытаний, начавшихся в конце 2015 года, температура гелия на короткое время достигла 1 млн °C. В 2016 г. термоядерный реактор с водородной плазмой, используя 2 МВт мощности, достиг температуры 80 млн °C в течение четверти секунды. W7-X является крупнейшим стелларатором в мире и планируется его непрерывная работа в течение 30 минут. Стоимость реактора составила 1 млрд €.

термоядерные реакторы в мире

NIF

National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) был завершен в марте 2009 года. Используя свои 192 лазерных лучей, NIF способен сконцентрировать в 60 раз больше энергии, чем любая предыдущая лазерная система.

Холодный ядерный синтез

В марте 1989 года два исследователя, американец Стенли Понс и британец Мартин Флейшман, заявили, что они запустили простой настольный холодный термоядерный реактор, работающий при комнатной температуре. Процесс заключался в электролизе тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия концентрировались с высокой плотностью. Исследователи утверждают, что производилось тепло, которое можно было объяснить только с точки зрения ядерных процессов, а также имелись побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось повторить этот опыт. Большая часть научного сообщества не считает, что холодные термоядерные реакторы реальны.

холодный термоядерный реактор

Низкоэнергетические ядерные реакции

Инициированные претензиями на «холодный термоядерный синтез», исследования продолжились в области низкоэнергетических ядерных реакций, имеющих некоторую эмпирическую поддержку, но не общепринятое научное объяснение. По-видимому, для создания и захвата нейтронов используются слабые ядерные взаимодействия (а не мощная сила, как при делении ядер или их синтезе). Эксперименты включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают о наблюдаемом высвобождении энергии. Основным практическим примером является взаимодействие водорода с порошком никеля с выделением тепла, количество которого больше, чем может дать любая химическая реакция.

fb.ru

первый шаг в термоядерное будущее планеты

С каждым годом население нашей планеты увеличивается, соответственно энергетических источников, которые обеспечивают человечество, становится все меньше. Энергетическая проблема сегодня актуальна как никогда. Даже самые оптимистичные прогнозы говорят о том, что нефти нам хватит лет на 20. Запасы газа несколько больше, их можно будет использовать около 50 лет. Природные ресурсы обеспечивают 80% выработки электроэнергии. Стоит ли описывать в данном случае все последствия для человечества и планеты, вызванные их исчезновением.

Но как бы страшно не звучала суть проблемы, энергетический кризис в любом случае для нас неизбежен и вопросы, связанные с ним решать надо в срочном порядке. Ученые со всего мира, пытаясь спасти человечество, изобретают различные новые источники и способы получения энергии. Уже известные нам энергия ветра, воды, солнца в определенной степени сглаживают ситуацию, но вряд ли они способны решить проблему полностью. Надежда людей – безопасная и эффективная термоядерная энергетика.

Не так давно использование термоядерной энергии считалось абсолютно невозможным. Конечно, процессы, протекающие в недрах звезд, сопровождаются огромным выбросом почти нескончаемого числа энергии, но чтобы ее пустить в дело, нужна высокая температура, исчисляемая миллионами градусов. Термоядерные реакции, которые образуются внутри Солнца, происходят посредством превращения водорода сначала в тяжелые изотопы дейтерия, а потом – гелия. Источник термоядерной энергии – разница в массе гелия и водорода. Но учеными реакции превращения водорода в дейтерий не применяются, по причине того, что этот процесс происходит миллиарды лет.

В науке используются атомы дейтерия, которые существуют в природе. Данный элемент на нашей планете имеет уже готовый вид. Так, каждый кубический метр воды содержит 110 кг. водорода и 33 гр. дейтерия. На первый взгляд цифра не впечатляющая, но это только для незнающих людей. Такое количества данного элемента может дать энергию, которая вырабатывается при сжигании 200 тонн бензина. Еще один компонент рассматриваемой реакции – тритий. Его на нашей планете нет, но ученые нашли способ добывать тритий из лития, запасов которого предостаточно. Можно сделать вывод, что топливо для термоядерного реактора неисчерпаемо и очень доступно. В создавшейся ситуации кризиса энергетических ресурсов ученые уже приступили к разработке такого реактора. Долгое время человечество, анализируя сферу термоядерной энергетики, ставило вопросы из разряда «а возможно ли вообще?». Сейчас они звучат в несколько иной формулировке: «возможно ли создание конкурентоспособного реактора, который сможет дать энергию по той цене, которую люди способны заплатить?»

В середине 20 века физики начали рассуждать над созданием «солнца в коробке». Так нобелевский лауреат Пьер Жиль де Жен определил главную проблему данной технологии: «Идея отличная, но мы не придумали, как сделать коробку». Для того чтобы решить этот вопрос объединились ученые со всего мира. Уже сегодня во Франции строят международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР. Он может дать человечеству шанс в получении безопасного, неисчерпаемого источника энергии, которая заставляет звезды гореть миллиарды лет.

ИТЭР – международный проект строительства экспериментального термоядерного реактора. Он призван показать возможности применения такого реактора в промышленных целях. Проект можно назвать практически самой сложной технологической системой в истории человечества. В качестве научно-технической базы для ИТЭР выступили ведущие мировые термоядерные программы, которые были разработаны в последние десятилетия. А используемый термин ITER изначально образовался из аббревиатуры International Thermonuclear Experimental Reactor. Но на данный момент это название считают производным от английского слова «iter», что значит «путь». Это путь человечества к экологически чистой, доступной и безопасной термоядерной энергетике.

Ученые заявляют, что по сравнению с ядерным реактором, термоядерная установка действительно намного безопаснее в радиационном плане. Даже в аварийных условиях выделиться лишь незначительное количество энергии, не способное разрушить реактор. Катастрофы в виде землетрясений или падений самолета на реактор вовсе не смогут повредить его оболочку. В случае же выделения всего радиоактивного трития окружающая среда останется целой и невредимой, потому что его количество настолько несущественно, что неспособно нанести даже минимальные негативные последствия.

Катастрофы, которые произошли в Чернобыле и Фукусиме при использовании атомной энергии в данном случае просто исключены. Если говорить более детально о преимуществах термоядерной энергетики нужно учитывать и тот факт, что она совершенно не выделяет вредных отходов, которыми в большой степени грешат традиционные способы выработки энергии. Например, при работе обычной угольной электростанции топливо потребляется миллионами тонн, а углекислого газа производится еще больше. В случае с термоядерным синтезом объем энергии эквивалентный тоннам угля можно добыть из ванны воды и количества лития, содержащегося батареей ноутбука. Термоядерный реактор совершенно безо всяких опасений можно размещать в любой из радикально настроенных стран, потому как выработка компонентов, грозящих массовым поражением, в данной ситуации исключена.

Но на современном этапе работы с термоядерной энергией нельзя обойтись без определенных проблем. Дело в том, что для получения термоядерной реакции необходимо постоянное удерживание очень горячего газа, все время пытающегося вырваться наружу. Процесс носит название «нестабильность». Ученым предстоит научиться определять моменты, когда газ приходит в состояние нестабильности. Этот момент чем-то напоминает предсказание землетрясений. Пока достоверность прогнозов составляет 70%, что весьма немного, так как уместна только цифра, приближающаяся к 100%. Потому что всякий раз, когда происходит процесс «нестабильности», газом повреждается реактор.

Прогнозирование поведения газа – это полбеды, нужно еще научиться его контролировать, кроме того – разработать наиболее прочный материал, из которого будет построен реактор. Изучением водородной плазмы занимается огромное количество ученых почти полвека. Для этого создали целый раздел физики – физику плазмы и новое прикладное направление – диагностику плазмы. К изучению были привлечены новые передовые технологии, новые материалы, новые принципы измерений и вычислений. Термоядерный синтез стал настоящим вызовом человечеству. И не без гордости можно сказать, что многие вопросы в данной отрасли уже успешно решаются.

Яркий пример этому – международный проект ИТЭР. В его основе лежит концептуальная идея советской термоядерной установки Токамак. Российским физиком Лаврентьевым в 1950 году была сформулирована идея, по которой возможно использовать термоядерный синтез для получения энергии в промышленных целях. На ее основе за изучение вопроса принялись многие советские ученые, итогом чего стала идея токамак-реактора. Он представлен в виде вакуумной тороидальной камеры, оснащенной магнитными катушками. Камера заполнена тритием и дейтерием. Плазма тут удерживается специально созданным магнитным полем, потому что никакие стенки емкостей не в состоянии справится с сверхвысокими температурами плазмы.

Чтобы разогреть, сжать и удержать равновесие плазмы использовали вихревое электрическое поле. Но Токамак в своем классическом представлении не мог длительное время удерживать плазму. Для решения этого вопроса учеными был разработан целый ряд дополнительных технологий. Итогом работы в 1956 году стала первая в мире экспериментальная установка, а еще через 12 лет температуры плазмы в ней достигли в 10 млн. градусов. Исследование Токамаков стали проводить во всем мире. Установка прошла большое количество стадий по усовершенствованию, и в итоге стала базой в создании ИТЭР. Следует отметить, что результатом большой работы стала возможность разогревать плазму до 100 млн. градусов.

Свою историю ИТЭР начинает в 1985 году. В это время Советским Союзом было внесено предложение о постройке термоядерной установки нового поколения. Идея нашла поддержку у США, Европейского сообщества и Японии, и уже в 1988 году ученые этих стран стали разрабатывать концептуальный проект термоядерного реактора. В 1990 году данный этап работы был завершен, а в 1992 Япония, Россия, США и ЕС заключили четырехстороннее межправительственное соглашение о реализации проекта. Началось техническое проектирование ИТЭР.

Площадка под строительство ИТЭР (Фото © ITER Organization)

На этом этапе планировалась подготовка детального технического проекта и формирование базы данных для строительства. В 1998 году работы были завершены, но строительство оказалось невозможным по причине проблем с финансированием. Поэтому его стоимость снизили вдвое, и в 2001 году разработка успешно завершилась. К проекту присоединились Канада, Китай, Южная Корея и Индия.

Масса вопросов возникла в связи с определением места строительства. Площадки для реализации проекта были предложены Канадой, Японией, Францией и Испанией. В России рассматривалось место под Санкт-Петербургом. Но определенные условия отсеяли большинство претендентов. Причина в том, что государство, на территории которого будет производиться застройка, вынуждено будет оплатить половину стоимости проекта. В итоге претендентов осталось двое – Япония и Франция.

Главным аргументом французской стороны было то, что на предлагаемой ими территории, Кадараше близ Марселя, работает ядерный центр с экспериментальным Токамаком, прототипом ИТЭР. Япония на все аргументы грозила исключить свое участие в проекте. Это противостояние вполне оправдано, потому что страна, обладающая такой установкой, пусть и международной, сможет получить немалые дивиденды в будущем. Споры продолжались несколько лет и приобрели риск угрозы остановки проекта. Но Япония сдалась и уступила Франции право предоставления площадки для строительства. А взамен попросила увеличить свою долю в строительных подрядах и обеспечить более широкое привлечение японских ученых к работе на реакторе.

Строительство первого термоядерного реактора (Фото © AFP 2013)

Итак, строительство началось во Франции. ИТЭР занимает территорию в 180 га., а размеры его самого составляют 40 на 40 метров. Завершить строительство хотят к 2020 году, после чего 7 лет будет осуществляться экспериментальная часть программы. В 2026 планируется проведение первых термоядерных реакций. При условиях успешности этих экспериментов после 2040 года начнется выработка термоядерной энергии. Мощность ИТЭР – 100МВт, на выходе – не более 50 МВт. Все самые важные компоненты реактора изготавливаются из новейшего вида стали, который разработали американские ученые. Эта сталь на 70% прочнее всех известных человечеству. Сверхпрочный металл служит материалом для стенок рабочей камеры, где содержится нагретая плазма.

Что касается стоимости проекта, то изначально она составляла 12 млрд. долларов, но в 2010 году выросла до 15 млрд. евро. На первый взгляд – очень много. Но по сравнению с тем, что годовой оборот электроэнергии на планете насчитывает несколько триллионов долларов, совершенно ничтожно. Каждая страна-участница делает свой материальный вклад в проект: Китай, Япония, Корея, Индия, США и Россия внесут по 10% от общей суммы, на долю ЕС придется почти половина стоимости.

России принадлежит одна из ведущих ролей в этом международном проекте. Все потому, что наша страна обладает колоссальным опытом в сфере исследования термоядерной энергетики, располагает огромным научно-техническим потенциалом, у нас работают лучшие ученые с мировыми именами. Сегодня Россия — основной поставщик высокотехнологичного оборудования, на основе которого будут строиться главные составляющие ИТЭР.

Одно из заседаний Совета ИТЭР (Фото iterrf.ru)

Одна из важнейших систем, предназначенная для диагностики состояния плазмы в реакторе, с 2016 года тоже будет поставляться российской стороной. Также мы изготавливаем гиротроны – устройства, которые нагревают плазму в установке термоядерного синтеза. Россия располагает всем комплексом технической документации проекта. При таком раскладе опыт, полученный нашими специалистами в ходе работы над созданием ИТЭР, неоценим и в будущем может быть реализован на практике при строительстве собственных термоядерных электростанций.

Эксперты сходятся во мнении, что процент успешной реализации проекта ИТЭР очень высок. Уже сегодня ученые думают над разработкой полноценного варианта термоядерной электростанции, что значительно ускорит приближение эры данного вида энергетики, потому как сразу после запуска ИТЭР будет возможен запуск первой коммерческой термоядерной электростанции. Предварительные прогнозы говорят о том, что это станет возможным в 2045 году, а уже в 2050-м термоядерная энергия станет доступна всем людям. Ее стоимость будет гораздо ниже, чем стоимость энергии, получаемой традиционными способами.

Нам только остается надеяться, что все эти прогнозы сбудутся и энергия звезд будет покорена до того момента, когда ситуация с традиционными источниками превратится в критическую.

Еще по этой теме

Метки: водород, гелий, дейтерий, ИТЭР, солнце в коробке, термоядерная энергетика, термоядерная энергия, Токамак, тороидальная камера

Интересная статья? Поделитесь ей с друзьями:

novostienergetiki.ru