В великобритании хотят построить первую в мире термоядерную электростанцию

Структура комплекса ИТЕР

Вышеописанная «в двух словах» конструкция токамака представляет собой сложнейший инновационный механизм, собираемый усилиями нескольких стран. Однако, для ее полноценной работы требуется целый комплекс построек, расположенных вблизи токамака. В их числе:

• Система управления, связи и доступа к данным (Control, Data Access and Communication) – CODAC. Находится в ряде зданий комплекса ИТЕР.
• Хранилища топлива и топливная система – служит для доставки топлива в токамак.
• Вакуумная система – состоит из более чем четырехсот вакуумных насосов, задача которых – выкачка продуктов термоядерной реакции, а также различных загрязнений из вакуумной камеры.
• Криогенная система – представлена азотным и гелиевым контуром. Гелиевый контур будет нормализировать температуру в токамаке, работа (а значит и температура) которого протекает не непрерывно, а импульсно. Азотный контур будет охлаждать тепловые экраны криостата и сам гелиевый контур. Также будет присутствовать водяная система охлаждения, которая направлена на понижение температуры стенок бланкета.
• Электропитание. Токамаку потребуется примерно 110 МВт энергии для постоянной работы. Для этого будут проведены линии электропередач в километр, которые будут подключены к французской промышленной сети. Стоит напомнить, что экспериментальная установка ИТЭР – не предусматривает выработку энергии, а работает лишь в научных интересах.

Элементы комплекса ИТЭР

Шаг 1: Сборка вакуумной камеры

Для проекта потребуется изготовить вакуумную камеру высокого качества.

Приобретите две полусферы из нержавеющей стали, фланцы для вакуумных систем. Просверлим отверстия для вспомогательных фланцев, а затем сварим всё это вместе. Между фланцами располагаются уплотнительные кольца из мягкого металла. Если вы раньше никогда не варили, было бы разумно, чтобы кто-то с опытом сделал эту работу за вас. Поскольку сварные швы должны быть безупречны и без дефектов. После тщательно очистите камеру от отпечатков пальцев. Поскольку они будут загрязнять вакуум и будет трудно поддерживать стабильность плазмы.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Конструкци токамака.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.

Будущее ядерной энергетики?

Торий — сейчас об этом металле как о ядерном топливе будущего, не говорит только ленивый. Оптимизму нет конца, и он подогревается вполне реальными достижениями. В 2021 году в пустыне Гоби китайские ученые построили тестовый вариант жидкосолевого ядерного реактора, топливной основой для которого послужил торий, а не уран. В планах соорудить на его основе коммерческий вариант, а потом начать строительство новых реакторов в разных странах в рамках программы «Один пояс, один путь».

Преимущества ториевого реактора потенциально должны понравиться любому человеку, озабоченному проблемами радиационной безопасности. Расплавы тория не требуют жидкого охлаждения — только воздушное. Они быстро затвердевают на воздухе, поэтому радиоактивные утечки исключены. Так что ториевые АЭС можно строить в пустынных местностях, подальше от крупных городов.

Но на этом их преимущества, как свидетельствуют многочисленные газетные заметки, не исчерпываются. Аварии по типу Чернобыльской с такими реакторами фактически не возможны. Радиоактивные отходы ториевого реакторы в массе своей имеют период полураспада в районе 500 лет, а нередко и 100 лет, что удобно в плане захоронения. 

К тому же, тория в природе как минимум в три раза больше, чем урана. То есть, у нас огромные залежи безопасного топлива, которые только и ждут, когда их пустят на выработку энергии. Но как это часто и бывает, у такого замечательного решения есть свои темные стороны.

Примечания и ссылки

Рекомендации

1. (de) , на fz-juelich.de
2. ,26 апреля 2011 г.
3. ,30 апреля 2006 г.
4. ,25 ноября 2009 г.
5. М. Йошикава , «  Проект JT-60  », Fusion Technology 1978 , т.  2,2 октября 2006 г., стр.  1079 ( Bibcode   , )
6. (in) на fusion.gat.com (по состоянию на 4 сентября 2018 г. )
7. (en-US) на сайте science.energy.gov (по состоянию на 4 сентября 2018 г. )
8. ,6 июля 2011 г.
9. ↑ и В городе Сен-Поль-ле-Дюранс
10. ,12 мая 2014 г.
11. ,25 октября 2013 г.
12. ,24 апреля 2006 г.
13. ,9 июля 2015 г.
14. , на cfn.ist.utl.pt (по состоянию на 13 февраля 2012 г. )
15. (in) на pegasus.ep.wisc.edu
16. ,21 апреля 2006 г.
17. ,20 июня 2014 г.
18. ,30 мая 2008 г.
19. (in) на сайте Phys.org (по состоянию на 26 декабря 2020 г. )
20. ,10 ноября 2013 г.
21. (in) , ИТЭР
22. (in) AJ Creely , J. Greenwald , SB Ballinger , D. Brunner , J. Canik , J. Doody , T. Fülöp , DT. Garnier , R. Granetz , TK Gray и C. Holland , »  Обзор токамака SPARC»  » , Журнал физики плазмы , т.  86, п о  5,2020 г.
23. , на frascati.enea.it
24. (in) К. Ким К. Им , Х. К. Ким , С. О , Дж. С. Парк , С. Квон , Ю. С. Ли , Дж. Х. Йом и К. Ли , «  Концепция дизайна K-DEMO для краткосрочной реализации  » , Nuclear Фьюжн , т.  55, п о  5,2015 г., стр.  053027
25. Поселился в Штутгарте в 1980-х, затем в Гархинге в 2000-х.
26. ↑ и
27. (in) Заведующий отделом и prl@physics.anu.edu.au , на prl.anu.edu.au
28. (in) на fusionwiki.ciemat.es
29. (es) CIEMAT , , на ciemat.es
30. , на lhd.nifs.ac.jp (по состоянию на 20 апреля 2006 г. )
31. (en-US) , на cpmi.illinois.edu

Токамак, или как запрячь энергию Солнца

Над тем как заполучить термоядерный реактор, человечество ломает голову еще с середины 20 века. Всё дело в физике процесса. В отличие от атомных реакторов, в которых энергия выделяется за счет деления ядра тяжелых элементов, в термоядерных энергия получается за счет образования более тяжелых элементов из легких.

Для этого внутрь термоядерного реактора запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, которая удерживается с помощью мощных магнитов в тепловом контуре реактора.

Схема реактора типа токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).

Сразу решаются проблемы с захоронением отходов, нет нужды развивать промышленность по обогащению урана и его добыче. В качестве топлива должны служить тяжелые изотопы водорода — тритий и дейтерий, а также гелий-3 и бор. Экологическая нагрузка на планету резко снижается. В теории, термоядерные электростанции должны быть в несколько раз эффективней атомных, чище и безопасней. Дело за малым — создать термоядерную электростанцию и получить дешевую энергию. И вот тут нас подстерегают проблемы.

Температура плазмы в токамаках достигает десятков миллионов градусов по Цельсию. Например, в китайском токамаке EAST плазму удалось нагреть до 100 миллионов градусов. Это в 8 раз выше, чем в центре Солнца.

Второй момент: для управления термоядерным синтезом необходимо научиться удерживать плазму. Китайцам удалось сделать это в течении 101 секунды. Корейцы на токамаке KSTAR в 2020 году удерживали разогретые до 100 миллионов градусов ионы в течение 20 секунд. Это рекордные показатели. Но для полноценной работы реактора плазму необходимо удерживать в течение нескольких минут или даже больше. Пока что человечеству далеко от таких результатов.

Корейский токамак KSTAR. Фото: , Wikimedia Commons

Следующая проблема — это сам тип термоядерного реактора. Наиболее распространенным на сегодняшний день является токамак тороидальной конструкции («бублик»). Плазма в нем удерживается сверхмощными магнитами, не соприкасаясь со стенками реактора. Это делается как для безопасности — иначе плазма просто прожжет все, до чего дотянется — так и для того, чтобы не было примесей в ионизированном газе.

Такое условие задает определенную планку качества при изготовлении материалов. Оно должно быть выше, чем для АЭС, многие из элементов которых уже освоены промышленностью. Например, для международного термоядерного реактора ITER, который сейчас находится на заключительной стадии сборки конструкций, сверхмощные магнитные катушки, которые удерживают плазму, являются уникальными изделиями.

KSTAR — вид изнутри. Фото:

То есть, уже на стадии создания тестовых образцов термоядерные реакторы оказываются сложными и дорогими объектами. Смета международного проекта ITER уже сейчас превысила изначальную оценку в три раза — с 6 миллиардов евро дойдя до 18-22 миллиардов. Пессимистические прогнозы говорят, что в реальности реактор обойдется в 45-65 миллиардов долларов. И это для объекта . Для сравнения: стоимость сооружения турецкой АЭС Аккую мощностью 4,8 ГВт — около 20 миллиардов долларов. Термоядерный реактор не построен, а уже в несколько раз менее эффективен, чем АЭС. Это не считая сроков сооружения ITER, которые срывались несколько раз. Сейчас пуск назначен на конец 2025 года — если сроки опять не перенесут. При этом речь идет о тестовых установках, на которых ученые и инженеры будут фактически учиться управлять термоядерными процессами. Впрочем, у нас есть вариант сферического токамака от Tokamak Energy. Он меньше по размерам, если его испытания в 2022 году пройдут успешно, то мы ещё на шаг приблизимся к малогабаритному термоядерному реактору.

В России решили пойти своим путем и создать гибрид ядерного и термоядерного реакторов. Плазма вместо урана послужит источником ионов, которым будут бомбардировать ядерное топливо — торий. Так что у нас тут два в одном — торий-термояд.

Но до коммерческой реализации пока все так же далеко, первые образцы мы получим в лучшем случае лет через 20, а то и все 50. Если не случится технологического прорыва.

Шаг 5: Высокое напряжение

Если вы можете приобрести блок питания, подходящий для использования в термоядерном реакторе, то проблем возникнуть не должно. Просто возьмите выходной отрицательный 40 кВ электрод и прикрепите его к камере с большим балластным резистором высокого напряжения 50-100 кОм.

Проблема заключается в том, что часто затруднительно (если не невозможно) найти соответствующий источник постоянного тока с ВАХ (вольт-амперной характеристикой) которая полностью бы соответствовала заявленным требованиям ученого-любителя.

На фото представлена пара высокочастотных ферритовых трансформаторов, с 4-ступенчатым множителем (находится за ними).

Перспектива проекта

В данный момент происходит постройка комплекса ИТЭР и производство всех требуемых компонентов для токамака. После запланированного запуска токамака в 2025-м году начнется проведение ряда экспериментов, на основе результатов которых будут отмечены аспекты, требующие доработки. После успешного ввода в строй ИТЭР планируется постройка электростанции на основе термоядерного синтеза под названием DEMO (DEMOnstration Power Plant). Задача DEMo состоит в демонстрации так называемой «коммерческой привлекательности» термоядерной энергетики. Если ITER способен вырабатывать всего 500 МВт энергии, то DEMO позволит непрерывно генерировать энергию в 2 ГВт.

Однако, следует иметь ввиду, что экспериментальная установка ИТЭР не будет вырабатывать энергию, а ее предназначение состоит в получении чисто научной выгоды. А как известно, тот или иной физический эксперимент может не только оправдать ожидания, но также и принести человечеству новые знания и опыт.

Преимущества и недостатки

Хотя рентабельность данной установки еще находится под вопросом, согласно работам многих исследователей – создание и последующее развитие технологии управляемого термоядерного синтеза может в результате дать мощный и безопасный источник энергии. Рассмотрим некоторые положительные стороны подобной установки:

• Основным топливом термоядерного реактора является водород, а это означает – практически неисчерпаемые запасы ядерного топлива.
• Добыча водорода может происходить посредством переработки морской воды, которая доступна большинству стран. Из этого следует невозможность возникновения монополии топливных ресурсов.
• Вероятность аварийного взрыва в процессе работы термоядерного реактора значительно меньше, чем в процессе работы ядерного реактора. Согласно оценкам исследователей, даже в случае аварии выбросы радиации не будут представлять опасности для населения, а значит отпадает и надобность в эвакуации.
• В отличие от ядерных реакторов, термоядерные реакторы вырабатывают радиоактивные отходы, которые имеют короткий период полураспада, то есть быстрее распадаются. Также в термоядерных реакторах отсутствуют продукты сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуются материалы, которые используются также для ядерного оружия. Это позволяет исключить возможность прикрытия производства ядерного оружия путем оформления материалов для нужд ядерного реактора.

Термоядерный реактор — вид изнутри

Однако, существует также ряд технических недоработок, с которыми постоянно сталкиваются исследователи.

Например, нынешний вариант топлива, представленный в виде смеси дейтерия и трития, требует разработки новых технологий. Например, по окончанию первой серии тестов на крупнейшем на сегодняшней день термоядерном реакторе ДЖЕТ, реактор стал настолько радиоактивным, что далее потребовалась разработка специальной роботизированной системы обслуживания для завершения эксперимента. Другим неутешительным фактором работы термоядерного реактора является его КПД – 20%, в то время как КПД АЭС – 33-34%, а ТЭС — 40%.

Термоядерный реактор ДЖЕТ

Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике»[править]

В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить. Зато при наличии некоторой суммы денег на топливо и электронные компоненты, а также при наличии прямых рук, собрать эту фигню можно даже дома. Но лучше не надо.

Технология недели: модель авторизации Zero Trust

Распространение AR/VR-устройств делает популярными новые виды авторизации пользователей. Дело в том, что у такого оборудования нет экрана, на котором можно было бы ввести пароль или отсканировать отпечаток пальца. Взамен эксперты предлагают использовать модель Zero Trust (сокращенно ZeTA).

При таком способе авторизации система предлагает пользователю ответить «да» или «нет» на несколько вопросов. «Вопросы» могут быть отдельными словами. Ответы должны соответствовать секретной фразе. Например, ключ — это словосочетание «желтый или колесо». Пользователь пройдет авторизацию, если выберет «подсолнух» и «крутиться», а неверными назовет слова «сердце» и «уголь». При этом количество вопросов может варьироваться. Такой подход сделает авторизацию более удобной и надежной, особенно если человек использует очки дополненной реальности в общественном месте.

Кто изобрел токамак

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.

О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.

Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово ”Токамак”.

А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм

Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.

Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.

Топливо для звезды

А вот с топливом для термоядерных реакторов нам повезло. Дейтерий в большом количестве содержится в океанической воде — в каждом кубометре 33 грамма. Ее понадобится очистить, так что заводы по производству тяжелой воды останутся. Производство дейтерия на современном этапе достаточно дешевое, в районе 1 доллара за грамм. Тритий стоит дороже. По оценкам американских военных, в 2017 году производство 1 грамма обходилось в 110-170 долларов. Для реакторов типа ITER, по официальным данным, понадобится 125 кг трития и 125 кг дейтерия. Это очень небольшие объемы, которые в сотни тысяч — десятки миллионов раз меньше, чем нужно для угольных или газовых электростанций. Более того сейчас речь идет об оптимизации и сокращении даже такого объема. К тому же, тритий теоретически можно будет производить в самом реакторе ITER. Что еще больше снизит потребности в его стороннем производстве.

У реактора ITER есть свой Youtube-канал, где можно наблюдать за ходом работ:

Получается, что хотя сейчас получение электроэнергии с помощью термоядерного реактора — это во многом фантастика, в области топлива, экологичности и безопасности все обстоит гораздо лучше, чем с ториевыми АЭС. Смущает только время реализации — 30-50 лет. Есть ли оно у нас? И не лучше ли сосредоточиться на решении тех проблем, которые у всех на виду — адаптация к экстремальным погодным условиям, снижение углеводородной генерации, охрана природы, переработка и повторное использование отработанных ресурсов и, наконец, восстановление разрушенных или разрушаемых эколандшафтов?

Ответ — эти меры необходимо совместить. Так как энергетика ответственна за 73% выбросов углерода в атмосферу, замена угольных электростанций в течение 10-20 лет жидкосолевыми реакторами позволила бы радикально сократить эмиссии и высвободила средства на реализацию стратегий адаптации к климатическим изменениям. Если же за это время удастся запустить выработку термоядерной энергии — человечество сорвет джекпот, который даст реальную надежду на выход из экологического кризиса.

Шаг 7: Запускаем реактор

Пришло время включить реактор (не забудьте установить смотровые стекла покрытые свинцом!). Включите форвакуумный насос и подождите, пока объём камеры не будет откачен на предварительный вакуум. Запустите диффузионный насос и подождите, пока он полностью разогреется и достигнет рабочего режима.

Перекройте доступ вакуумной системы к рабочему объёму камеры.

Чуть-чуть приоткройте игольчатый клапан в баке дейтерия.

Поднимайте высокое напряжение, пока вы не увидите плазму (она сформируется при 40 кВ). Помните о правилах электробезопасности.

Если всё пойдет хорошо, вы зафиксируете всплеск нейтронов.

Требуется много терпение, чтобы повысить давление до надлежащего уровня, но после того, как всё получится, управлять им станет довольно просто.

Спасибо за внимание!

( Специально для МозгоЧинов #Build-A-Fusion-Reactor» target=»_blank»>)

Статья недели: ИИ помог обнаружить китайских рыбаков-браконьеров

Ученые из Южной Кореи, Японии, Австралии и США смогли обнаружить 900 китайских судов, которые незаконно ловили тихоокеанского кальмара в водах КНДР. Согласно резолюции Совбеза ООН, с 2017 года эта страна не должна разрешать иностранным судам рыбачить на своей территории.

Научный журнал Science Advances опубликовал подробную статью об этом. Чтобы обнаружить браконьеров, ученые использовали Автоматическую идентификационную систему (АИС), а также несколько видов спутниковых снимков. С помощью АИС корабли передают данные о своем местоположении и курсе. Этой системой пользуются не все суда, поэтому основную информацию исследователи получили, проанализировав изображения. Браконьеры часто используют яркие лампы, чтобы ночью привлечь кальмаров на поверхность воды. Ученые натренировали нейросеть распознавать свет на поверхности океана. Затем информацию проверяли при помощи снимков высокой четкости. Помимо крупных судов, нейросеть также нашла 3 тыс. небольших рыбацких лодок.

Ученые считают, что их метод поможет бороться с браконьерством, а значит, защитить многие виды рыб от угрозы вымирания.

Инерционная защита

С лазерным управлением

Осевая деформация (Z-Pinch)

• Z импульсная электростанция
• Устройство ZEBRA на предприятии Nevada Terawatt в Университете Невады
• Ускоритель Сатурна в Сандийской национальной лаборатории
• MAGPIE в Имперском колледже Лондона
• COBRA в Корнельском университете
• ПУЛЬСОТРОН

Почему энергию не получают из термоядерного синтеза

Несмотря на всю перспективность технологии и то, что о ней заговорили уже более 70 лет назад, пока не получается добиться промышленной работы таких устройств. До сих пор в них есть, что дорабатывать. Например, возможность продолжительной работы и дальнейшее повышение температуры плазмы.

Только представьте себе, как это маленькое солнце будет обеспечивать нас энергией в будущем.

Когда эта проблема будет решена, мы получим на Земле небольшой кусочек Солнца, и тогда можно будет говорить, что мы достигли совершенства в выработке энергии. Конечно, могут изобрести и другие еще более эффективные способы получения энергии, но именно термоядерный синтез сейчас может изменить очень многое. Самое главное, что мы получим не только возможность не выключать свет ради экономии.

Главным плюсом перехода на такой источник энергии является то, что когда вся энергия будет добываться именно из термоядерного синтеза, мы максимально снизим воздействие на нашу планету. Нам будет не нужно ископаемое топливо, мы обойдемся без атомных станций, а заодно пересядем на электрический транспорт и сможем существенно продлить жизнь нашей планете. Может, и улетать никуда не придется.

Шаг 6: Установка детектора нейтронов

Нейтронное излучение является побочным продуктом реакции синтеза. Его можно фиксировать тремя различными приборами.

Пузырчатый дозиметр небольшое устройство с гелем, в котором формируются пузыри, во время ионизации нейтронным излучением. Недостатком является то, что это интегративный детектор, который сообщает общее количество выбросов нейтронов за время, что он использовался (невозможно получить данные о мгновенной скорости нейтронов). Кроме того, такие детекторы довольно трудно купить.

Активное серебро замедлителем , расположенное вблизи реактора становится радиоактивным, испуская приличные потоки нейтронов. Процесс имеет короткий период полураспада (только несколько минут), но если вы поставите счетчик Гейгера рядом с серебром, то результат можно документально зафиксировать. Недостатком этого метода является то, что серебро требует достаточно большого потока нейтронов. Кроме того, систему довольно трудно откалибровать.

GammaMETER. Трубы могут быть заполнены гелий-3. Они похожие на счетчик Гейгера. При прохождении нейтроны через трубку происходит регистрация электрических импульсов. Трубка окружена 5 см «замедляющего материала». Это наиболее точное и полезное устройство регистрации нейтронов, однако, стоимость новой трубки, запредельна для большинства людей, и они чрезвычайно редки на рынке.