ИТЭР - грандиозный проект современности - Science Box⁠⁠

Вступление

Идея создания термоядерного реактора была основана на теплоизоляции высокотемпературной плазмы с использованием электрического поля высокого напряжения. Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками, прототип реактора для поддержания контролируемой термоядерной реакции в горячей плазме.

Первый токамак был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте (всего в СССР, США, Европе и Японии было испытано еще как минимум 200 токамаков, более 40 остаются рабочими и по сей день).

Итак, что такое ИТЭР?

ИТЭР ("путь" по-латыни) - один из самых амбициозных энергетических проектов в современном мире.

На юге Франции 35 стран сотрудничают в создании крупнейшего в мире токамака-магнитного термоядерного устройства, которое было разработано для доказательства возможности термоядерного синтеза как крупномасштабного и безуглеродного источника энергии, основанного на том же принципе, что и звезды.

Экспериментальная кампания, которая будет проводиться в ИТЭР, имеет решающее значение для развития термоядерной науки и подготовки пути для термоядерных электростанций завтрашнего дня.

История

Проект ИТЭР берет свое начало в 1985-м году, когда Советский Союз предложил совместное создание токамака. В 1992-м году было подписано четырехстороннее соглашение о разработке ИТЭР, сторонами которого выступили ЕС, США, Россия и Япония. В 1994-м году к проекту присоединилась Республика Казахстан, в 2001-м – Канада, в 2003-м – Южная Корея и Китай, в 2005-м — Индия. В 2005-м году было определено место для постройки реактора – исследовательский центр ядерной энергетики Кадараш, Франция.

Очевидно, столь масштабную работу совсем непросто организовать, ряд стран неоднократно не поспевали за поставленным графиком проекта, в результате чего запуск реактора постоянно переносился.

Принцип работы

Термин «токамак» происходит из русского акронима, который обозначает «тороидальная камера с магнитными катушками».

Сердцем токамака является его вакуумная камера в форме тора. Внутри, под воздействием экстремальной температуры и давления, газообразное водородное топливо становится плазмой — горячим электрически заряженным газом. Как известно, звездное вещество представлено плазмой, а термоядерные реакции в ядре Солнца протекают как раз в условиях повышенной температуры и давления. Подобные условия для формирования, удержания, сжатия и разогрева плазмы создаются посредством массивных магнитных катушек, которые расположены вокруг вакуумного сосуда. Воздействие магнитов позволит ограничить горячую плазму от стен сосуда.

Перед началом процесса воздух и примеси удаляются из вакуумной камеры. Затем заряжаются магнитные системы, которые помогут контролировать плазму, и вводится газообразное топливо. Когда через сосуд проходит мощный электрический ток, газ электрически расщепляется и становится ионизированным (то есть электроны покидают атомы) и образует плазму.

По мере того, как частицы плазмы активируются и сталкиваются, они также начинают нагреваться. Вспомогательные методы нагрева помогают привести плазму к температурам от 150 до 300 миллионов ° C. Частицы, «возбужденные» до такой степени, могут преодолеть свое естественное электромагнитное отталкивание при столкновении, в результате таких столкновений высвобождается огромное количество энергии.

Из чего состоит токамак?

Вакуумный сосуд - («пончик») – тороидальная камера, выполненная из нержавеющей стали.

Бланкет - («одеяло») – состоит из 440 фрагментов, укрывающих внутреннюю поверхность камеры. Общая площадь банкета составляет 700м2.

Дивертор - («пепельница») полоидального типа – устройство, основной задачей которого является «очищение» плазмы от грязи, возникающей в результате нагрева и взаимодействия с ней стенок камеры, покрытых бланкетом.

Криостат – крупнейший компонент токамака, который представляет собой оболочку из нержавеющей стали объемом 16 000 м2 (29,3 х 28,6 м) и массой 3 850 т. На его внутренних стенках будут расположены тепловые экраны, охлаждаемые циркулирующим азотом при температуре 80 К (-193,15 °C).

Магнитная система – комплекс элементов, служащих для удержания и контроля плазмы внутри вакуумного сосуда.

Структура комплекса ИТЕР

Для полноценного функционирования реактора также требуется целый комплекс построек. В их числе:

Система управления, связи и доступа к данным. Находится в ряде зданий комплекса ИТЭР.

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 (экспериментальная установка ИТЭР – не предусматривает выработку энергии, а работает лишь в научных интересах).

Зачем нужен проект?

Количество энергии синтеза, которую способен производить токамак, является прямым результатом количества реакций синтеза, происходящих в его ядре. Ученые знают, что чем больше сосуд, тем больше объем плазмы, следовательно, тем больше потенциал для термоядерной энергии.

Токамак ITER станет уникальным экспериментальным инструментом, способным к более длительному удержанию плазмы и лучшему удержанию. Машина была разработана специально для того, чтобы:

1) произвести 500 МВт термоядерной энергии;

2) продемонстрировать комплексную работу технологий термоядерной электростанции;

3) получить дейтерий-тритиевую плазму, в которой реакция поддерживается за счет внутреннего нагрева;

4) Тест трития;

5) продемонстрировать характеристики безопасности термоядерного устройства.

Страны участницы

Проект ИТЭР - это глобальное сотрудничество 35 стран.

Члены ИТЭР Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и Соединенные Штаты объединили ресурсы, чтобы преодолеть один из величайших рубежей в науке — воспроизвести на Земле безграничную энергию, которая питает Солнце и звезды.

Как подписанты соглашения ИТЭР, заключенного в 2006 году, семь членов будут разделять расходы на строительство, эксплуатацию и вывод из эксплуатации проекта. Они также делятся результатами экспериментов и любой интеллектуальной собственностью, полученной на этапах изготовления, строительства и эксплуатации.

Временная шкала ИТЭР

2005 - решение о размещении проекта во Франции

2006 - подписание соглашения ИТЭР

2007 - официальное создание организации ИТЭР

2007-2009 - расчистка и выравнивание земель

2010-2014 - наземная опорная конструкция и сейсмически устойчивый фундамент для токамака

2012 - этап лицензирования ядерной деятельности: она становится базовой ядерной установкой в соответствии с французским законодательством

2014-2021 - строительство здания токамака (доступ к сборочным работам в 2019 году)

2010-2021 - строительство завода ИТЭР и вспомогательных зданий для первой плазмы

2008-2021 - производство основных компонентов первой плазмы

2015-2023 - крупнейшие компоненты транспортируются по маршруту ИТЭР

2020-2025 - основная фаза сборки

2022 - завершение тора

2024 - закрытие криостата

2024-2025 - комплексная фаза ввода в эксплуатацию (ввод в эксплуатацию системой начинается на несколько лет раньше)

Декабрь 2025 - первая плазма

2025-2035 - прогрессивный подъем (наращивание) машины

2035 - Начинало дейтерий-тритиевая операции

Спасибо за то, что прочли данную статью!

Мой Youtube канал в котором также есть ролики на различные научные темы -

https://www.youtube.com/channel/UCtuoSmIjzkhr5ja51nBGCXA

Источники:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Международный_экспериментальны...

https://spacegid.com/iter-mezhdunarodnyiy-termoyadernyiy-rea...

https://tech.onliner.by/2018/07/13/termoyadernyj-reaktor-ite...

https://atomicexpert.com/era_of_thermonuclear_fusion

https://www.iter.org/proj/inafewlines