Международный Экспериментальный Термоядерный Реактор - как устроен и для чего вообще нужен⁠⁠

Что же, в продолжение прошлого тревожного поста, как меня попросил @ChesterForever, я решил написать более подробный и популярно-понятный пост об устройстве и целях той грандиозной термоядерной установки - кратко ответить на самые распространённые вопросы да пройтись по основным системам этого безмерно сложного монстра.

///

(небольшое вступление по текущей политической ситуации вокруг этого научного проекта - если хотите пропустить промотайте на пару абзацев вниз)

Как бы ни хотелось отвлечься от темы прошлого поста новая информация, увы, сделать этого особо не позволит:

Как сообщил @MoreMadScientist (спасибо ему за это) - "ЦЕРН отзывает у России статус страны наблюдателя, и замораживает коллаборацию по возможным проектам".

https://physicsworld.com/a/ukraine-crisis-updates-on-the-res...

https://nauka.tass.ru/nauka/14002235

С одной стороны это плохо, т.к. тормозит и без того неспешное движение научных проектов и "соблюдение менеджментом ЦЕРН всех применимых международных санкций" лишь усугубляет дело. С другой же фразы в виде "не будет участвовать в новых коллаборациях с Москвой до дальнейшего уведомления" и "ЦЕРН намерена продолжать тщательный мониторинг ситуации и готова принимать дальнейшие меры" с фразой про заморозку, а не полный разрыв, дают надежду что после всей этой заварушки всё может наладиться достаточно быстро и без особых проблем.

Из реально хороших новостей в этом плане есть две:

1) От @sigma.3He (который именно в этой самой отрасли и работает): В международных соглашениях по ИТЭРу прямо написано, что он вне санкций. Этим уже пользовались в предыдущие годы, речь об этом есть в нескольких статьях вот в этом документе:

https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/WebText_2014/...

2) От члена исполкома Международной организации ITER и руководителя проектного офиса ИТЭР-Россия, Анатолия Красильникова - буквально сегодняшняя новость.

По его словам, уже в ближайший понедельник, 14 марта, из Петербурга в Марсель и далее, к месту сооружения первой в своем роде термоядерной установки, отправится автомобильный караван с очередной партией изготовленного в России и/или собранного, протестированного у нас уникального электротехнического оборудования.

- В этот раз в караване восемь большегрузных автомобилей, все вопросы, связанные с транспортировкой, решены. С оплатой - тоже...
- ...важнейший фактор закреплен в соглашении об ИТЭР, которое было подписано в 2006 году. В этом документе нет механизма исключения из проекта. То есть соглашение по сооружению ИТЭР не предполагает возможность исключить какого-нибудь из партнеров.
Мы находимся в постоянном контакте со всеми коллегами. Я тоже член исполкома, как и Бернар Биго, а он - первый среди равных. Мы знаем настроение партнеров и официальную линию: факторы внешние и политические не должны приниматься во внимание сотрудниками международной организации ИТЭР и партнерами, если эти факторы мешают продвижению проекта. Ведь главная задача - реализовать его в расчетные сроки. И все, что этому противоречит, выводится за рамки рассмотрения. Это не просто слова, это официальная позиция сегодня. Она доведена до всех сотрудников международной организации ИТЭР, и это общая позиция всех партнеров.

https://rg.ru/2022/03/10/rossiia-ostaetsia-na-kliuchevyh-poz...

Так что всё пока что далеко не фатально, что не может не радовать - особенно отрадно видеть что у нас в подобных технически ёмких отраслях руководят столь сознательные люди (куда как более сознательные в отличии от некоторых космических...).

\\\

Что-то затянутое вступление вышло, пардон... ладно, с крайне туманным настоящим разобрались, перейдём же пока к ясному прошлому, неопределённому будущему и основному виновнику технологического торжества этой планеты - Международному экспериментальному термоядерному реактору, он же ИТЭР (от "International Thermonuclear Experimental Reactor"; одновременно с латинского iter — путь).

(Ага, до одури сложная скороварка - и это даже далеко не все системы во всех подробностях)

Для начала по основным вопросам:

- Что это вообще такое и для чего нужно?

ИТЭР - чисто экспериментальный проект, задача которого заключается в демонстрации возможности как самоподдерживающейся термоядерной реакции синтеза и решении проблем на этом пути, так и в демонстрации самой возможности коммерческого использования подобных установок для получения и выдачи готовой электроэнергии в сети общего пользования.

Собственно ITER это чисто экспериментальное звено на пути к проекту DEMO (DEMOnstration Power Plant) - установки призванной уже не просто доказывать работоспособность концепции, но и выдавать электроэнергию. Если в планах ИТЭР генерировать 500 МВт тепловой энергии импульсами по 500 секунд, которую будут банально рассеивать в атмосферу градирнями, то целью ДЕМО является достижение непрерывной генерации на уровне 2 ГВт электроэнергии.

Предполагается, что DEMO будет на 15 % больше ITER по линейным размерам и завершение его строительства планировалось в 2044 году, с первой генерацией электричества ближе к пятидесятым.

- Как оно работает?

Принципиально всё просто: включают магнитную систему сдерживания, в камеру реактора закачивают топливную смесь из изотопов водорода - дейтерия и трития - после чего этот газ начинают множеством способов нагревать (это делают целых три системы: гигантские микроволновки, инжектор нейтральных атомов и индукционная печка на сотню тысяч ампер). Нагреть нужно от души - если в ядре средней звезды синтезу помогает чудовищная гравитация и для него хватает температуры в 15 миллионов градусов, то в нашей установке плазму нужно нагреть в десять раз сильнее, чтобы кинетической энергии ядер стало достаточно для слияния - так как сдерживающее магнитное поле даёт давление от силы в пару атмосфер.

В итоге слияния получается ядро гелия, которое задерживается магнитным полем и дополнительно подогревает плазму, и высокоэнергетический нейтрон, который в силу своей нейтральности и уносит сквозь магнитное поле из плазмы 86% энергии термоядерной реакции. И вот эти самые выделяемые нейтроны тормозятся в поглотителе и этим нагревают внутреннюю поверхность реактора - бланкет - с которого эту тепловую энергию и снимают.

Собственно в энергетическом варианте энергию снимать планируют точно так же - для кипячения воды. Да, по сути это остаётся всё та же самая скороварка что и ТЭС, АЭС и большая часть генерирующей мощности человечества - мы пока просто не придумали способа переводить энергию в электричества, чем кипятить водичку :D

Из занятных фактов - во всей наблюдаемой вселенной это будет самое тесное соседство всерасплавляющего жара и абсолютного холода. Буквально в метре друг от друга будут находиться катушки, купающиеся в жидком гелии с температурой в 4 градуса кельвина (−269 по цельсию) и плазма с температурой в 150 миллионов градусов (уже без разницы каких).

- А не рванёт?

Не должно Чисто физически невозможно.

При всех своих размерах и объёме в каждый текущий момент времени в вакуумной камере токамака будет находиться не более 1 грамма топлива, чего при всём желании не хватит на бабах даже если очень сильно и специально постараться.

Реакция синтеза в подобных установках крайне капризная штука, которая при малейших отклонениях от идеала просто безвредно тухнет, и самом худшем случае при резкой потере сдерживающего магнитного поля вся плазма просто разлетится по стенкам и частично оплавит их, что выйдет в их замену - но не более.

- Что в перспективе это вообще может дать человечеству?

Халявная энергия. Практически бесконечные объёмы халявной энергии - если у тебя есть доступ к морской воде и литию, то ты энергией обеспечен на миллионы лет вперёд. Из воды выделяешь дейтерий, коего там очень немало, литий облучаешь потом нейтронов в том же самом реакторе и получаешь халявный тритий - а в пересчёте запасов воды с литием на то, что один грамм дейтерий-тритиевой топливной смеси в процессе синтеза производят энергии в эквиваленте сжиганию 11 тонн угля (~90000 кВт/ч) получаем что этого нам хватит ну очень надолго.

Бонусом идут отходы - точнее их практически полное отсутствие. Кроме выхлопа нейтрального гелия в процессе облучения нейтронами в материалах реактора получаются только короткоживущие изотопы, которые в отличии от той же ядерной энергетики становятся безопасны уже после десятка лет хранения, а не пары тысяч лет.

Из минусов, конечно, это запредельная сложность самих реакторов и их дороговизна - но возможно со временем этот момент поправят до уровня близким к классическим реакторам деления.

Если интересные ещё какие моменты на более-менее обывательские вопросы можете задавать в комментариях, постараюсь ответить. А на более сложные думаю ответит и многоуважаемый sigma.3He

===

Думаю можно перейти и к технической части, а точнее самому интересному - основным системам этой безумной скороварки.

Сам реактор - без обвязки, внешних систем и окружающего комплекса зданий на площади в ~50 гектар - это тридцатиметровый колосс весом в 23000 тонн, который можно разделить на ряд основных систем, которые даже в отдельности крайне интересны:

Криостат.

Самый большой компонент токамака - его главная оболочка объёмом 16000 м³ из нержавеющей стали, 29,3 м в высоту, 28,6 м в диаметре, массой 3850 тонн. Внутри криостата будут располагаться остальные элементы машины, и помимо механических функций (опора компонентов) будет выполнять роль вакуумного «термоса», являясь барьером между внешней средой и внутренней полостью.

Криостат имеет множество отверстий для доступа к вакуумной камере, трубопроводов системы охлаждения, фидеров питания магнитных систем, диагностики, дистанционного манипулятора, систем нагрева плазмы и других.

Из-за его размеров он собирается из 54 отдельных сегментов, производством которых занята Индия, в специальном здании криостата площадью 5500 м², которое специально было построено для этой цели.

И она же готовая:

Магнитная система.

Магнитная система состоит из 48 катушек, намотанных кабелями из сверхпроводящих сплавов ниобий+олово и ниобий+титан:

18шт D-образных катушек тороидального поля, создающие тот самый "бублик" который и удерживает плазму - каждая весит 300 тонн, купается в жидком гелии и совместно они создают магнитное поле силой в 11.8 тесла, в котором запасается почти 50 гигаджоулей энергии (эквивалент 12 тонн тротила, которые при нештатной ситуации тоже нужно куда-то девать - о чём будет ниже).

6 катушек полоидального поля, расположенных горизонтально - предназначены для того чтобы отдалить плазменный шнур от стенок камеры и сжать его для адиабатический нагрева

Центральный соленоид, состоящий из 6 секций - представляет собой первичную обмотку трансформатора, вторичной обмоткой трансформатора является плазменное кольцо, замкнутое в короткий виток. Ток в 46 килоампер, проходя по плазме, создает дополнительное магнитное поле, стремящееся ещё больше сжать виток и одновременно нагревая его за счёт омического сопротивления (индукционный нагрев).

18 корректирующих катушек - служат для сглаживания пограничных локализованных мод, способных вызвать «выпучивание» плазменного шнура. А выпучивание шнура плазмы температурой в 150 миллионов градусов в сторону стенки не нужно никому.

Размеры тороидальных катушек, фактически составляющих тело основного "бублика" реактора, можете увидеть ниже.

Вакуумная камера.

Основа внутренней оболочки токамака и элемент обеспечивающий герметичность зоны реакции - а вакуум внутри реактора должен быть крайне чистым. Объём рабочей полости - 1400 м³, масса свыше 5000 тонн. Стенки вакуумной камеры двойные, между которыми расположена полость для циркуляции теплоносителя (дистиллированная вода). Для демонтажа и монтажа элементов, диагностики и ремонта внутреннего оборудования в ходе работы разрабатывается дистанционный манипулятор, доступ которого к элементам бланкета, дивертора и другим системам, находящимся в «горячей полости», обеспечивают 44 окна в стенках камеры.

Внутренняя стенка защищена от теплового и нейтронного излучения бланкетом.

Элемент вакуумной камеры в здании сборки:

Бланкет.

Задача этого модуля реактора, сплошным одеялом покрывающего внутреннюю часть активной зоны - защита всей остальной машины от излучения плазмы: теплового, рентгеновского, нейтронного, быстрых частиц. В тепловом и радиационном плане эта система токамака одна из самых напряжённых, потому что именно он улавливает высокоэнергичные нейтроны, замедляет их, выделяя тепло, которое уже отводится системой водяного охлаждения. «Горячая стенка» бланкета состоящая из бериллия на медной подложке за счет охлаждения водой не будет нагреваться выше 240 °С.

Одна из секций одной из съёмных (для замены) кассет бланкета.

Дивертор.

Вот он - истинный технологический шедевр данной установки.

Предназначена эта система для извлечения из плазмы загрязнений, попадающих туда с горячей стенки бланкета, и удаления продуктов реакции - дивертор непрерывно «обдирает» с плазменного шнура внешний слой (где концентрация примесей наиболее высока) направляя с помощью небольшого магнитного поля внешние слои шнура на интенсивно охлаждаемую водой мишень, где плазма охлаждается, нейтрализуется, превращается в газ, а затем откачивается из камеры. Несгоревшее топливо, вместе с продуктом реакции гелием, поступают в систему разделения изотопов, откуда дейтерий и тритий вновь поступают в вакуумную камеру, образуя замкнутую петлю в топливном цикле токамака.

Но то в КАКИХ условиях он всё это делает заставляет поразиться - при тепловом потоке в 20 мегаватт/м^2 даже покрытие из вольфрамовых плиток, грани которых должны лежать в тени предыдущей плитки что бы не быть расплавленными, работают на пределе физических возможностей. Любое отклонение от крайне острого угла, под которым плазма "размазывает" тепловую мощность по большей поверхности, и вольфрамовое покрытие с температурой кипения более пяти с половиной тысяч градусов моментально вскипает с кучей брызг во все стороны (о чём красочно писал и показывал sigma.3He в этом посте).

Набран дивертор из 54шт десятитонных кассет крайне сложной геометрической конфигурации - которая как раз нужна для размазывания узкого теплового потока под острым углом на большую площадь.

Топливная система.

(изображений топливной пушки не обнаружено)

После того как включается магнитная система, вводится топливо под низким давлением и газовая смесь нагревается, ионизируется и превращается в плазму, в процессе реакции в плазменный шнур нужно вводить дополнительные количеств топлива (помним что дивертор активно его высасывает вместе с загрязнениями, а всего в шнуре его не более грамма).

И для этого используется ледяная пушка: смесь дейтерия и трития замораживается и превращается в гранулы, которая пушка выстреливает в плазменный шнур со скоростью до 1000 м/с - где они плавятся и обогащают смесь.

Системы нагрева плазмы.

Для того чтобы реакция вообще началась плазму нужно изначально нагреть до огромных температур, и этим занимаются сразу три системы:

"Электронно-циклотронный резонансный нагреватель" - жуткое название, но по сути это совершенно монструозная микроволновка, которая выполняет роль "стартера" плазмы в начале "выстрела", разогревая нейтральный газ, заполняющий вакуумную камеру. Состоит из 24 гиротронов, каждый мощностью в мегаватт. Расположены сами гиротроны в отдельном Здании радиочастотного нагрева и передают свою энергию по волноводам, длина которых составляет 160 м. Для ввода энергии в вакуумную камеру служат 60 окон из поликристаллического искусственного алмаза, диаметр алмазного диска в каждом по 80 мм, толщина 1,1 мм. Алмаз выбран потому, что прозрачен для СВЧ излучения, прочен, радиационно стоек и обладает теплопроводностью в пять раз выше, чем у меди.

"Ионно-циклотронный резонансный нагреватель" - практически тоже самое, но с другой частотой (от 40 до 55 МГц вместо 170 ГГц) и механизмом взаимодействия с плазмой, также вместо гиротронов используют тетроды.

"Инжектор нейтральных атомов" - ещё одна "пушка" в составе реактора, которая выстреливает в плазменный шнур мощным пучком из атомов дейтерия, разогнанных до огромной энергии, которые сталкиваясь с частицами плазмы передают им свою кинетическую энергию и тем самым нагревают плазму. При потреблении примерно 55 МВт электроэнергии, каждый из двух планируемых на ITER инжекторов нейтральных атомов способен вводить в плазму до 16 МВт тепловой энергии. При этом достаточно интересен механизм разгона атомов, при котором их сначала ионизируют, потом разгоняют электрическим полем, а потом обратно нейтрализуют до незаряженного атома - чтобы тот пролетел сквозь магнитное поле - пропуская его через газовые ячейки.

Один из гиротронов для примера. Сравните с родственным магнетроном из своей микроволновки:

А вот так всю эту мечту легомана собирают в единое целое:

Прочие внешние системы.

Все даже и не перечислишь - даже в этот мегапост уже не влезет - но из интересного можно перечислить такие пункты как:

Вакуумная система - более четырёхсот вакуумных насосов, соединённые в сложные цепочки. Сначала система откачивается обычными механическими, а потом и криогенными насосами, работающими на жидком гелии - на их стенки молекулы газа банально "налипают".

Криогенная система - состоит из двух контуров — азотного и гелиевого. Азотный контур обеспечивает тепловую нагрузку 1300 кВт, основными нагрузками являются тепловые экраны криостата и гелиевый контур. Гелиевый контур состоит из трех идентичных подсистем и рассчитан на тепловую нагрузку 65 кВт - при этом потребляемая электрическая мощность холодильных машин гелиевого контура составит почти 16 МВт.

Что интересно - мощность гелиевого контура выбрана меньше, чем расчетное тепловыделение при горении плазмы. Так как пока что ни один токамак не способен работать непрерывно — физика машины подразумевает череду следующих друг за другом импульсов - гелиевый контур будет успевать восстанавливать температуру к началу следующего импульса.

Особняком идёт Водяная система охлаждения - предназначена она, прежде всего, для отвода избытка тепла от стенок бланкета и дивертора. По расчётам, токамак будет производить около 500 МВт тепла в среднем за один цикл, с пиком более 1100 МВт в момент зажигания термоядерной реакции - которые будут рассеиваться градирнями в атмосферу.

Отдельным пунктом идёт Электропитание всего этого термоядерного колхоза!

При том что ITER не будет производить электроэнергию и вся тепловая энергия полученная в токамаке будет рассеиваться в окружающую среду, аппетит у данной установки - особенно в момент зажигания - крайне завидный.Постоянное потребление энергии системами токамака составит примерно 110 МВт, при этом примерно 80 % постоянной мощности будет потребляться криогенной системой и системой водяного охлаждения.

Такие системы, как инжектор нейтральных атомов, высокочастотные подогреватели ионов и электронов, а также центральный соленоид будут работать в импульсном режиме, обуславливая повышенное энергопотребление в момент зажигания плазмы, когда возникает пик потребления до 620 МВт, на период около 30 секунд. Подключено всё это добро к французской промышленной электросети напряжением в 400 кВ и разделено на две локальные электрические системы: электрическую сеть постоянной мощности (будет питать все потребители, не требующие пиковых «бросков» мощности. В её составе четыре трансформатора, весом каждый 90 т) и электрическую сеть переменной мощности (будет питать те потребители, которые требуют огромной мощности в момент зажигания плазмы - её питают три трансформатора, каждый весом 240 т.)

Косвенно в неё входят и 1200шт огромных резисторов в сборке общей мощностью 2,5 гигаватта, которая при потере катушками сверхпроводимости, чтобы они в итоге от такого быстро и печально не поплавились, может поглотить до 55 гигаджоулей энергии, накопленной в катушках, за короткий срок.

И все эти внешние системы, обслуживающие единую установку, разнесены по площади всего комплекса:

На более ранних фото видно возведение самой ямы реактора.

В прямом эфире с онлайн камеры со сборочной площадки пару лет назад я даже наблюдал как в неё спускают фидер питания одной из катушек.

Уже просто не влазят пункты про хранилище горячих отходов и система размножения трития на основе облучения лития в составе бланкета, но об этом можете в подробностях почитать и у более профильных товарищей.

Собственно большое количество материала и огромная часть вдохновения взяты у одного из них - шикарного чувака под ником tnenergy, у которого в ЖЖ под тегом ИТЭР на тринадцати страницах забитыми постами можно ознакомиться с множеством прочих интересностей и тысячами фотографий процесса возведения комплекса:

https://tnenergy.livejournal.com/tag/ИТЭР

Крайне рекомендую, отдельно советую почитать о том как наматывают и упаковывают такие казалось бы обыденные штуки как катушки:

https://tnenergy.livejournal.com/3137.html

https://tnenergy.livejournal.com/3561.html

P.S. - о боги, ну и портянку же я накатал... её вообще кто нибудь целиком осилил?