46

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии

Я работаю в одном из исследовательских институтов Технологического института Карлсруэ, Германия. Про свою работу здесь буду рассказывать поверхностно и только то, что доступно в открытой печати. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение), 3. Работа в одном из исследовательских институтов России, 4. Один день в исследовательском институте в Германии.


Сначала немного истории. В 2009 году были объединены Университет Карлсруэ, который в основном находится в самом городе и Научно-исследовательский центр Карлсруэ, который в основном располагается на севере за городом в Campus Nord. Новый объединенный центр получил название Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology) по аналогии с американским Massachusetts Institute of Technology.


Я работаю в Campus Nord, бывшем Forschungszentrum, созданном вначале как ядерный исследовательский центр. Здесь же был открыт первый, спроектированный немцами реактор.

В 2000 году правительство Германии в угоду зеленым решило постепенно сворачивать атомную энергетику. А в 2011 после взрыва на Фукусиме в Японии этот план ускорили и из 17 реакторов сразу закрыли 8. На данный момент в Германии работает 7 энергоблоков, которые вырабатывают 13% всей электроэнергии. Очень многие немцы (в том числе и те, у которых я живу) сильно критикуют действия правительства по отказу от атомной энергетики. Во-первых, правильнее было бы сначала обзавестись новыми электростанциями, работающими на других источниках, а потом закрывать атомные. Во-вторых, стоимость электроэнергии для домохозяйств очень сильно выросла (говорят, в 2 раза), а для промышленности не так существенно. Причем о повышение стоимости никто не предупреждал. В-третьих, Германия стала закупать электроэнергию у Франции, а там за границей в каких-то ста километрах от Германии могут стоять атомные электростанции. Если произойдет авария, то Германию все равно может накрыть радиацией из Франции. Таким образом, Германия столкнулась с серьезным дефицитом электроэнергии, и поэтому она вкладывает деньги в альтернативную энергию: солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, биологическую энергию (те же дрова) и термоядерную энергию.


Что такое термоядерная энергия? Если просто, то это энергия, выделяемая при реакции объединения более легких атомов с образованием более тяжелых. Однако для запуска реакции необходимо воссоздать по сути условия внутри нашего Солнца: температура порядка 100 млн Кельвин и необходимую концентрацию плазмы. На данный момент наиболее перспективной (и требующей минимальную температуру) реакцией считается экзотермическая реакция соединения дейтерия и трития (изотопы водорода) с образованием атома гелия и одного нейтрона. Далее гифка из Википедии:

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

В чем преимущества термоядерной энергии? Дешевая термоядерная энергия - это мечта всего человечества. Теоретически с запуском реактора на такой энергии человечество получит почти неограниченный источник энергии, поскольку для реакции можно использовать простые вещества типа изотопов водорода. Другое преимущество термояда в высокой мощности и в том, что он не зависит от положения солнца и скорости ветра.


На каком этапе освоения термояда мы находимся? На данный момент запущены два проекта строительства экспериментальных термоядерных реакторов. Первый проект ITER уже частично строится во Франции. В проекте участвует весь мир, в том числе и Россия. Планируемую дату запуска недавно отсрочили с 2025 до 2035 годов. Этот реактор должен отработать несколько минут, но вся выделившаяся энергия будет просто сброшена в атмосферу. Реактор строится для отработки нескольких концепций работы. На данный момент ITER выглядит так (здесь и далее все фото и рисунки из интернета):

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

Второй проект DEMO будет намного мощнее ITER и должен будет дать первую электроэнергию. Пока запуск реактора намечается на 2050 год.

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

Каковы проблемы управляемого термоядерного синтеза? Еще в середине прошлого века человечество столкнулось со множеством трудностей, возникающих при создании условий термоядерного синтеза. Я не могу быть в курсе всех проблем, например, физики плазмы, микроволнового излучения, поэтому коснусь только тех, которые решает материаловедение.

В институте, в котором я работаю, решают следующие проблемы термояда:


1. Создание окна для микроволнового излучения. Я в этой области мало чего понимаю, но для нагрева плазмы из дейтерия и трития необходимо излучение, которое в свою очередь будет поступать в камеру через окно. Понятно, что окно должно выдерживать контакт с плазмой и мощным нейтронным излучением. На фото ниже представлено такое окно, сделанное на основе алмаза. Окно создавалось при участии Технологического института Карлсруэ.

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

2. Создание источника трития. Для работы термоядерного реактора постоянно необходимо топливо из дейтерия и трития. Если с дейтерием проблем особых нет, то трития в мире всего около 20 кг и стоит он целое состояние. Тритий - это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада в 12 лет. И в ITER и в DEMO будут стоять источники трития на основе лития. При попадании нейтрона на литий (в составе керамики или жидкости) происходит реакция с образованием трития, который далее будет собираться (только в DEMO) и подаваться в камеру для термоядерной реакции. Предполагается, что в модулях за первой стенкой будут находиться источники трития.

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

3. Создание размножителя нейтронов. В ходе реакции дейтерия и трития образуется один нейтрон. Только небольшая часть нейтронов будет попадать на литиевую керамику и приводить к образованию трития. Этого будет явно недостаточно для потребностей реактора. Поэтому между модулей с источником трития необходимо помещать модули с размножителем нейтронов (на рисунке ниже в ячейках breeding zone). Одной из концепций размножения нейтронов является модуль, заполненный гранулами бериллия. При попадании одного нейтрона на бериллий образуется два нейтрона и другие побочные элементы. Эти нейтроны частично продолжают реакцию размножения в Be, либо попадают на литиевую керамику, как источник трития.

Работа в одном из исследовательских институтов в Германии Германия, Термоядерный синтез, Энергия, Бериллий, Тритий, Литий, Вольфрам, Гифка, Длиннопост

4. Создание первой стенки. Первая стенка, которая будет непосредственно контактировать с плазмой, будет изготовлена из вольфрама. Одна из проблем вольфрама, которую пытаются побороть в нашем центре - это его низкая пластичность и хрупкость. На рисунке выше эта стенка обозначена "First wall".


5. Выбор основного конструкционного материала внутри бланкета. Для этих целей необходим низкоактивируемый, достаточно жаропрочный материал со стабильными характеристиками при облучении. В качестве такого материала пока выбрана нержавеющая сталь ферритного класса, дисперсионно упрочненная частицами оксидов.


Я перечислил только те области исследования, о которых я слышал. Концепция реактора и бланкета еще не разработана. Некоторые конструкторы всего этого сидят в соседнем с нами здании. Работа финансируется европейскими программами по развитию термоядерной энергетики. По решению одной из вышеназванных проблем я и начинаю работать в качестве экспериментатора.


Что можно сказать о будущем термояда? Энергия явно не будет бесплатной. Для производства трития нужен дорогой литий. Для размножения нейтронов нужен дорогой бериллий. И литий, и бериллий будет необходимо время от времени заменять на новые. Отработавший материал придется как-то утилизировать, причем этот материал будет радиоактивным. Тем не менее это первый шаг человечества на пути к неисчерпаемой энергии. Мне очень импонирует, что мы хоть каким-то боком можем быть причастны к этому великому делу.

Дубликаты не найдены

+3

Кстати, хотелось бы отдельно подчеркнуть обалденный слог - я бы попросил не запускать эту вашу сторону умений, оно не так уж часто встречается. :)

раскрыть ветку 2
+2
Благодарю) Правда, мне не понятно, что именно Вам нравится: манера изложения, последовательность, логика, наличие картинок? Мне кажется, все так пишут. На что стоит мне обратить внимание?
раскрыть ветку 1
+1
Последовательность. От начала до запуска D-T реакции Вы выстроили описание с описанием сложностей.


Кстати, на мой взгляд, вторая часть технологии в принципе не разработана - в описанной схеме с D-T и размножением в бериллии, насколько я знаю, уровень и мощность нейтронных потоков будут плодить осколки деления в конструкциях на пару порядков в большем количестве, чем в существующих урановых реакторах. Но об этом и правда говорить во вводной статье не стоит, алармистам хрен объяснишь, что это поле для исследований, а не непреодолимая преграда и тем более не специально спроектированный косяк технологии

+4

Спасибо за отличную просветительскую статью!


Чем таковых больше, тем выше вероятность, что средний уровень энтропии в обществе будет поменьше. ;)

+2
Прочитал по чесноку всё от начала и до конца. Половину не понял. Может проблема и волнует кого-то, но только в России ещё куча домохозяйств кизяками отапливается. И вот это реально геморрой!
раскрыть ветку 2
+2
Россия тоже вкладывается в термояд. При наличии неограниченного количества дешёвой энергии весь мир преобразится.
0
Если получится запустить термояд, то гипотетически цена на электроэнергии снизится и эти домохозяйка смогут позволить себе отапливаться электричеством.
+1
Если учитывать что ITER ещё тот долгострой, то ты нашёл себе нишу до пенсии. Осталось только стать штатным сотрудником, как я понял из твоих рассказов. Т.е. надо предложить и раскручивать свою тему?
А сейчас тебя взяли инженером экспериментатором, ты будешь проверять в Натуре чужие идеи?
0
Да, хороший, серьёзный проект, и раз над ним начали работать значит возможен высокий процент удачи
Похожие посты
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: