Сплавен реактор ще нагрее плазмата до 150 000 000 градуса

Това лято имаше няколко добри причини да опресните техническите детайли на проекта ITER. Първо, грандиозно начинание, чието официално начало е срещата на Михаил Горбачов и Роналд Рейгън през 1985 г., придобива материално въплъщение пред очите ни. Проектирането на реактор от ново поколение с участието на Русия, САЩ, Япония, Китай, Индия, Южна Корея и Европейския съюз отне повече от 20 години. Днес ITER вече не е килограми техническа документация, а 42 хектара (1 км на 420 м) идеално равна повърхност на една от най-големите платформи, създадени от човека в света, разположени във френския град Кадараче, на 60 км северно от Марсилия. Както и основата на бъдещия 360 000 тонен реактор, състоящ се от 150 000 кубически метра бетон, 16 000 тона армировка и 493 колони с гумено-метално антисеизмично покритие. И, разбира се, хиляди сложни научни инструменти и изследователски съоръжения, разпръснати из университети по целия свят.

Март 2007 г. Първата снимка на бъдещата платформа ITER от въздуха.

Производството на ключови компоненти на реактора е в разгара си. През пролетта Франция докладва за производството на 70 рамки за D-образни намотки на тороидалното поле, а през юни започва да навива първите рулони на свръхпроводящи кабели от Русия от Института по кабелна индустрия в Подолск.

Втората добра причина да помним ITER в момента е политическа. Новото поколение реактор е тест не само за учени, но и за дипломати. Това е толкова скъп и технически труден проект, че никоя държава в света не може да го издърпа сама. Способността на държавите да се споразумеят помежду си както в научната, така и във финансовата сфера зависи от това дали ще бъде възможно да се завърши въпросът.

Март 2009 г. 42 хектара равна земя очакват началото на изграждането на научен комплекс.

Съветът на ITER беше насрочен за 18 юни в Санкт Петербург, но Държавният департамент на САЩ като част от санкциите забрани на американските учени да посещават Русия. Имайки предвид факта, че самата идея за токамак (тороидалната камера с магнитни намотки, която стои в основата на ITER) принадлежи на съветския физик Олег Лаврентьев, участниците в проекта третираха това решение като любопитство и просто прехвърлиха съвета на Кадараш на същата дата. Тези събития отново напомниха на целия свят, че Русия (заедно с Южна Корея) е най-отговорна за изпълнение на задълженията си към проекта ITER.

33 години от смъртта на "мирния атом": годишнина от аварията в Чернобил

Февруари 2011 г. В сеизмична изолираща шахта са пробити над 500 дупки, всички подземни кухини са пълни с бетон.

Учените се впрягат

Изразът "термоядрен реактор" при много хора предизвиква предпазливост. Асоциативната верига е разбираема: термоядрената бомба е по-лоша от ядрената, което означава, че термоядреният реактор е по-опасен от Чернобил.

Всъщност ядреният синтез, на който се основава принципът на токамак, е много по-безопасен и ефективен от ядрения делене, използван в съвременните атомни електроцентрали. Синтезът се използва от самата природа: слънцето не е нищо повече от естествен термоядрен реактор.

ASDEX Tokamak, построен през 1991 г. в немския институт Макс Планк, се използва за тестване на различни материали на първата стена на реактора, по-специално волфрам и берилий. Обемът на плазмата в ASDEX е 13 m3, почти 65 пъти по-малък, отколкото в ITER.

Реакцията включва ядра на деутерий и тритий - изотопи на водород. Ядрото на деутерия се състои от протон и неутрон, а тритийното ядро ​​се състои от протон и два неутрона. При обикновени условия еднакво заредени ядра се отблъскват взаимно, но те могат да се сблъскат при много високи температури.

При сблъсъци влиза в игра силно взаимодействие, което е отговорно за комбинирането на протони и неутрони в ядра. Възниква ядро ​​от нов химичен елемент - хелий. В този случай се образува един свободен неутрон и се отделя голямо количество енергия. Силната енергия на взаимодействие в ядрото на хелия е по-малка, отколкото в ядрата на изходните елементи. Поради това полученото ядро ​​дори губи маса (според теорията на относителността, енергията и масата са равностойни). Припомняйки известното уравнение E = mc2, където c е скоростта на светлината, човек може да си представи огромния енергиен потенциал на ядрения синтез.

Август 2011 г. Започва отливането на монолитна стоманобетонна сеизмична изолационна плоча.

За да се преодолее силата на взаимно отблъскване, първоначалните ядра трябва да се движат много бързо, така че температурата играе ключова роля в ядрения синтез. В центъра на слънцето процесът протича при температура 15 милиона градуса по Целзий, но той се насърчава от колосалната плътност на материята поради действието на гравитацията. Колосалната маса на звездата я прави ефективен термоядрен реактор.

Да се ​​създаде такава плътност на Земята не е възможно. Можем само да повишим температурата. За да могат водородните изотопи да дадат на земляните енергия на техните ядра, е необходима температура от 150 милиона градуса, тоест десет пъти по-висока от тази на Слънцето.

Никой твърд материал във Вселената не може директно да се свърже с тази температура. Така че просто изграждането на печка за готвене на хелий няма да работи. Същата тороидална камера с магнитни намотки или токамак помага да се реши проблема. Идеята за създаване на токамак се появи върху светлите умове на учени от различни страни в началото на 50-те години на миналия век, докато първенството недвусмислено се приписва на съветския физик Олег Лаврентиев и именитите му колеги Андрей Сахаров и Игор Там.

Вакуумна камера под формата на торус (куха поничка) е заобиколена от свръхпроводящи електромагнити, които създават в нея тороидално магнитно поле. Именно това поле задържа плазма, загрята до десет слънца на определено разстояние от стените на камерата. Заедно с централния електромагнит (индуктор), токамакът е трансформатор. Променяйки тока в индуктора, те генерират токов поток в плазмата - движението на частиците, необходими за синтеза.

Февруари 2012. Монтирани са 493 1, 7-метрови колони със сеизмични изолационни възглавници, направени от сандвич от каучук-метал.

Токамак с право може да се счита за пример за технологична изтънченост. Електрическият ток, протичащ в плазмата, създава полоидно магнитно поле, което обгръща плазмения кабел и поддържа формата му. Плазма съществува при строго определени условия и при най-малката им промяна реакцията веднага спира. За разлика от реактора на атомната електроцентрала, токамак не може да "регулира" и повишава температурата си неконтролируемо.

В вероятния случай на унищожаване на токамак не се получава радиоактивно замърсяване. За разлика от атомните електроцентрали, термоядрен реактор не произвежда радиоактивни отпадъци и единственият продукт от реакцията на синтез - хелий - не е парников газ и е полезен в домакинството. И накрая, токамакът използва гориво много внимателно: по време на синтеза само няколкостотин грама вещество се намират във вакуумната камера, а прогнозният годишен запас от гориво за промишлена електроцентрала е само 250 кг.

Април 2014 г. Изграждането на криостата е завършено, наводнени са фундаментните стени на токамака с дебелина 1, 5 метра.

Защо имаме нужда от ITER?

Класическите токамаки, описани по-горе, са изградени в САЩ и Европа, Русия и Казахстан, Япония и Китай. С тяхна помощ беше възможно да се докаже основната възможност за създаване на високотемпературна плазма. Изграждането на индустриален реактор, способен да доставя повече енергия, отколкото консумира, е коренно различна задача.

В класически токамак, токовият поток в плазмата се създава чрез промяна на тока в индуктора и този процес не може да бъде безкраен. По този начин, животът на плазмата е ограничен и реакторът може да работи само в импулсен режим. Необходима е огромна енергия за запалване на плазмата - шега ли е да загряваш каквото и да е до температура от 150 000 000 ° C. Това означава, че е необходимо да се постигне плазмен живот, който ще произвежда енергия, която плаща за запалването.

Плавният реактор е елегантна техническа концепция с минимум отрицателни странични ефекти. Потокът на тока в самата плазма образува полоидно магнитно поле, което поддържа формата на плазмената струна, а получените високоенергийни неутрони в комбинация с литий произвеждат скъпоценен тритий.

Например, през 2009 г. по време на експеримент върху китайския токамак EAST (част от проекта ITER) беше възможно да се задържа плазма с температура 107 К за 400 секунди и 108 К за 60 секунди.

За да се задържи плазмата по-дълго, са необходими допълнителни нагреватели от няколко вида. Всички те ще бъдат тествани на ITER. Първият метод - инжектиране на неутрални деутериеви атоми - предполага, че атомите ще влязат в плазмата, предварително диспергирана до кинетична енергия от 1 MeV, използвайки допълнителен ускорител.

Този процес първоначално е противоречив: могат да бъдат ускорени само заредени частици (електромагнитно поле действа върху тях) и само неутрални частици могат да бъдат въведени в плазмата (в противен случай те ще повлияят на текущия поток вътре в плазмения кабел). Следователно, електронът се взема предварително от атомите на деутерия и положително заредените йони влизат в ускорителя. Тогава частиците влизат в неутрализатора, където се редуцират до неутрални атоми, взаимодействайки с йонизирания газ и се въвеждат в плазмата. В момента мегаволтовият инжектор ITER се разработва в Падуа, Италия.

Вторият метод на нагряване има нещо общо с нагревателните продукти в микровълновата. Той включва излагане на плазма чрез електромагнитно излъчване с честота, съответстваща на скоростта на частиците (циклотронна честота). За положителните йони тази честота е 40-50 MHz, а за електроните - 170 GHz. За да се създаде мощно излъчване с такава висока честота, се използва устройство, наречено гиротрон. Девет от 24-те жиротрона ITER са произведени в съоръжението Gycom в Нижни Новгород.

Класическата концепция на токамак предполага, че формата на плазмения кабел се поддържа от полоидно магнитно поле, което само по себе си се образува, когато в плазмата тече ток. При продължително задържане на плазма този подход не е приложим. Токамакът ITER има специални намотки от полоидалното поле, целта на които е да държи горещата плазма далеч от стените на реактора. Тези намотки са сред най-масивните и сложни структурни елементи.

За да могат да контролират активно формата на плазмата, своевременно елиминирайки вибрациите по краищата на кабела, разработчиците са предвидили малки електромагнитни вериги с ниска мощност, разположени директно във вакуумната камера, под корпуса.

Горивната инфраструктура за термоядрен синтез е отделна интересна тема. Деутерият се намира в почти всяка вода и резервите му могат да се считат за неограничени. Но световните запаси от тритий се изчисляват върху силата на десетки килограми. 1 кг тритий струва около 30 млн. Долара. За първите изстрелвания на ITER ще са ви необходими 3 кг тритий. За сравнение са необходими около 2 кг тритий годишно за поддържане на ядрените възможности на армията на Съединените щати.

В бъдеще обаче реакторът ще се снабди с тритий. В хода на основната реакция на синтез се образуват високоенергийни неутрони, които са в състояние да преобразуват литиеви ядра в тритий. Разработването и тестването на първата стена на реактор, съдържаща литий, е една от най-важните цели на ITER. При първите тестове ще се използва покритие от берилий-мед, чиято цел е да защити механизмите на реактора от топлина. Според изчисленията, дори ако прехвърлим цялата енергия на планетата в токамаки, световните литиеви резерви ще продължат хиляда години работа.

Подготовката на 104-километровия маршрут ITER струва на Франция 110 милиона евро и четири години работа. Пътят от пристанището на Фос-сюр-Мер до Кадараш беше разширен и укрепен, така че да може да достави най-тежките и най-размерни части на токамака до мястото. На снимката: транспортьор с пробен товар с тегло 800 тона.

Към света на Токамак

Точни диагностични инструменти са необходими за прецизното управление на термоядрен реактор. Една от ключовите задачи на ITER е да избере най-подходящия от петте десетки инструменти, които се тестват днес, и да започне разработването на нови.

Най-малко девет диагностични устройства ще бъдат разработени в Русия. Три - в Московския институт Курчатов, включително анализатор на неутронни лъчи. Ускорителят изпраща фокусиран неутронен поток през плазмата, който претърпява спектрални промени и се улавя от приемащата система. Спектрометрията с честота 250 измервания в секунда показва температурата и плътността на плазмата, силата на електрическото поле и скоростта на въртене на частиците - параметри, необходими за управление на реактора с цел продължително задържане на плазмата.

Трите инструмента се подготвят от изследователския институт на Ioffe, включително анализатор на неутрални частици, който улавя атомите от токамак и помага за контролиране на концентрацията на деутерий и тритий в реактора. Останалите устройства ще бъдат произведени в института Trinity, където в момента се произвеждат диамантени детектори за вертикалната неутронна камера ITER. Всички тези институти използват свои собствени токамаци за тестване. А в топлинната камера на НИИЕФА, наречена на Ефремов, се тестват фрагменти от първата стена и целта за отклоняване на бъдещия реактор ITER.

За съжаление фактът, че много от компонентите на бъдещия мегареактор вече съществуват в метала, не означава непременно, че реакторът ще бъде изграден. През последното десетилетие прогнозната стойност на проекта нарасна от 5 на 16 милиарда евро, а планираното първо стартиране беше отложено за 2010 г. до 2020 г. Съдбата на ITER зависи изцяло от реалностите на нашето настояще, преди всичко икономически и политически. Междувременно всеки учен, участващ в проекта, искрено вярва, че успехът му е в състояние неузнаваемо да промени бъдещето ни.

Статията „Десет слънца в пещ“ е публикувана в списанието Популярна механика (№ 8, август 2014 г.). Чудя се как работи ядрен реактор и могат ли роботите да построят къща?

Всичко за новите технологии и изобретения! добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

15 домашни любимци - от най-любящите до тези, които не се интересуват от вас
2019
Подвижен микроскоп
2019
Тестът на Тюринг може да премине всеки изкуствен интелект
2019