Позавчера был последний день заседания Совета ИТЭР, в ходе которого были определены новые временные рамки ключевых этапов реализации проекта по строительству масштабного термоядерного реактора. Задержки могут составить до 10 лет. Это сделает проект дороже, но в целом не повлияет на достижение поставленных десять лет назад задач — зажечь на Земле «искусственное Солнце» и получить почти бесконечный источник чистой энергии.
Площадка ИТЭР в сентябре 2023 года. Источник изображения: ITER/EJF Riche
Согласно первоначальному плану, первую плазму на реакторе ИТЭР (ITER), который строится во Франции с участием 33 стран, включая Россию, должны были получить в 2025 году. Теперь это официально признано невозможным. Сектора вакуумной камеры, где должна циркулировать плазма, оказались изготовленными с несоблюдением размеров, что теперь приходится исправлять, а также выявлены дефекты сварки в охлаждающих трубах кожуха вакуумной камеры, что вынудило менять десятки километров труб.
Новый глава ИТЭР — Пьетро Барабаски (Pietro Barabaschi) — подчеркнул, что даже без выявления брака прежние сроки выдержать было нельзя, настолько затянулось строительство. Более подробный отчёт и новые даты этапов ввода реактора в строй гендиректор проекта озвучит в июле на брифинге. Пока же он заявляет, что начальная фаза операций, которая заключается в запуске дейтерий-дейтериевых реакций для синтеза трития, перенесена на 2035 год. Ранее на этот год были запланированы первые полноценные термоядерные реакции на установке на дейтерий-тритиевом топливе.
Новые сроки не означают, что все научные операции на проекте сдвинуты на десять лет. Эксперименты с малыми токами плазмы начнутся раньше по мере сборки реактора. Вероятно также, что первая плазма начнёт генерироваться раньше 2035 года. В конечном итоге задача ИТЭР — набить как можно больше шишек, чтобы на его примере постройка всех последующих коммерческих реакторов шла как можно глаже. Все страны-участницы проекта, представленные на Совете ИТЭР, с этим безоговорочно согласились.
Реактор ИТЭР не предназначен для генерации электрического тока. Эта задача будет возложена на другой международный проект — DEMO, который подразумевает постройку уже электростанции на термоядерном реакторе типа токамак. В задачи ИТЭР входит доказательство концепции — работы масштабного термоядерного реактора по схеме токамака. В идеале реактор должен выдавать мощность 500 МВт не менее 400 с без перерыва при потреблении 50 МВт непосредственно на нагрев плазмы. Вспомогательные структуры реактора при этом могут дополнительно потреблять 300 МВт, но для опытной установки это мелочи. Выход энергии всё равно будет положительным. Жаль только, что он опять откладывается.
Молодая китайская компания Energy Singularity, основанная в 2021 году, завершила создание и приняла в эксплуатацию первый в мире термоядерный реактор типа токамак на катушках с высокотемпературной сверхпроводимостью. Новое решение позволяет создавать крайне компактные и поэтому недорогие коммерческие термоядерные реакторы и электростанции.
Источник изображений: Energy Singularity
Утверждается, что размеры инновационного реактора составляют всего 2 % от установок на обычных сверхпроводящих катушках. На новом реакторе под названием HH70, размещённом в восточном районе Шанхая, будут проверены основные наработки, что позволит создать к 2027 году опытный реактор следующего поколения, а к 2030 году демонстратор термоядерной электростанции.
В качестве материала для сверхпроводящих катушек используется относительно дешёвое соединение ReBCO (редкоземельный оксид бария-меди). В Китае научились выпускать ленту из ReBCO в массовых количествах. Она востребована для маглевов будущего и не только. Токамаки, как видим, тоже выиграют от перехода на сверхпроводящие магниты.
Следующее поколение опытного реактора Energy Singularity должно выйти на показатель эффективности 1:10, выработав в 10 раз больше энергии, чем пошло на разогрев плазмы. Если этот показатель будет достигнут, то первый демонстратор термоядерной электростанции в исполнении Energy Singularity появится через каких-то пять лет, что пока воспринимается как фантастика.
Французский токамак WEST установил новый рекорд — он удерживал плазму с температурой около 50 млн градусов Цельсия в течение 6 минут. Это стало возможным благодаря использованию внутренней облицовки реактора вольфрамом — металлом с чрезвычайно высокой температурой плавления в 3420 °C.
Источник изображение: Токамак WEST/CEA-IRFM
Ранее токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками) использовали углеродную облицовку, которая ограничивала время удержания и температуру плазмы. Вольфрам же позволяет достичь более высокой плотности и температуры плазмы, необходимых для поддержания термоядерной реакции. В ходе последнего эксперимента WEST выработал 1,15-ГДж энергии, сообщает издание Quartz.
«Это прекрасные результаты, — сказал Ксавье Литаудон (Xavier Litaudon), ученый из Французской комиссии по атомной энергии (CEA). — Мы достигли стационарного режима, несмотря на сложные условия из-за этой вольфрамовой стенки».
Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL) принимали участие в экспериментах на WEST, используя детекторы рентгеновского излучения для измерения параметров плазмы. По их словам, вольфрамовая среда намного сложнее для работы по сравнению с углеродом, но зато открывает больше перспектив.
До сих пор ни одна установка не могла удерживать столь горячую плазму столь длительное время. А ведь именно температура и время удержания являются ключевыми параметрами на пути к практическому использованию термоядерной энергии. Чем выше температура и чем дольше она поддерживается, тем больше шансов запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию.
Это достижение имеет важное значение для разработки коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора. В отличие от традиционных АЭС, использующих деление ядер урана, в термоядерном реакторе происходит слияние легких атомных ядер с выделением колоссальной энергии. Потенциально это может дать практически неисчерпаемый источник энергии без радиоактивных отходов. Однако на пути к коммерциализации термоядерной энергетики еще стоит много трудностей. Нужно решить проблемы устойчивого удержания плазмы, её нагрева до температур в десятки и сотни миллионов градусов, эффективной передачи выделяемой энергии. Поэтому каждое новое достижение в этой области имеет большое значение.
Интересно, что не так давно рекорд по времени удержания плазмы, в более чем в 100 миллионов градусов в течение 20 секунд, поставил корейский токамак KSTAR, заменив углеродный дивертор на вольфрамовый, который удвоил предел теплового потока реактора.
Хотя практическое применение энергии термоядерного синтеза еще далеко, однако каждое подобное достижение приближает нас к заветной цели — чистому и практически неисчерпаемому источнику энергии, а роль вольфрама в этом может оказаться незаменимой.
Установка массового управляемого термоядерного синтеза. Не для источника энергии, а для генерации нужных элементов. Это установка создает своеобразные минизвезды. Удерживает в сложном магнитном поле заметное по размерам порядка 10 км облако плазмы, в котором и происходят термоядерные реакции и генерация тяжелых элементов.
Используется в системах бедных тяжелыми элементами. И в некоторых случаях таким способом получать тяжелые элементы проще. примерно так выглядит. соотношение правда другое между установкой и плазменным облаком.
Британская компания First Light Fusion стала первым коммерческим клиентом, получившим допуск для экспериментов на установке Z Machine в Сандийских национальных лабораториях (SNL). Компания First Light Fusion разработала уникальный «ускоритель» давления для запуска термоядерных реакций и эксперименты на американской установке позволили испытать платформу на недостижимых ранее уровнях давления.
Принцип запуска термоядерной реакции на платформе First Light Fusion базируется на создании таких условий вокруг топливной мишени, при которых более лёгкие атомы преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются с образованием более тяжёлых, отчего выделяется много энергии. В токамаках, например, для этого создаётся температура свыше 100 млн °C. Но можно пойти другим путём, и в частности обойтись без магнитного удержания. Для этого придумано инерционное удержание, когда вокруг топлива создаётся запредельное давление, к примеру, тем или иным ударным воздействием.
Установка Z Machine (Z-Pinch) в Сандийских лабораториях считается самой мощной импульсной электрической установкой такого типа в мире. В Европе тоже есть подобное устройство — Machine 3, но оно значительно слабее по характеристикам. Британцам нужно было выйти на более высокий уровень, чтобы подтвердить характеристики фирменного «ускорителя» давления. При пиковой мощности в 80 трлн ватт американская установка с помощью электромагнита запускает снаряды с более высокими скоростями, чем любая другая установка в мире.
Компания First Light Fusion получила или купила право на три выстрела. Всего Z Machine в Сандийских лабораториях делает около 200 выстрелов в год. Успешный первый эксперимент First Light установил новый рекорд давления для кварца на сандийской установке, повысив его с 1,5 терапаскаля (ТПа) до 1,85 ТПа, сохранив при этом образцы и обеспечив условия для проведения необходимых измерений. Испытания подтвердили верность используемых теоретических моделей и конструкции прототипа системы поджига.
Интересно, что около года назад компания First Light Fusion подписала с Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) соглашение о проектировании и строительстве объекта для размещения нового демонстратора Machine 4. Начало строительства было намечено на 2024 год на территории кампуса Кулхэм в Оксфордшире. Начало эксплуатации установки ожидается в 2027 году. Вряд ли получение допуска к экспериментам на Z Machine в США отменило предыдущий проект. Обуздание термоядерной энергии — это дело муторное и долгое. К этому принято двигаться, выверяя каждый свой шаг.
Добавим, установка Machine 4 компании First Light Fusion будет передавать топливной мишени энергию за счёт удара разогнанного до скорости 60 км/с кварцевого снаряда. При попадании в мишень уникальный «ускоритель скорости» компании разгонит продукты удара до 200 км/с и сфокусирует их на топливной мишени в виде обжимающих мишень сферических волн. Комбинация кинетического и лазерного удара обещает значительно снизить энергопотребление термоядерной установки. Впрочем, Machine 4 тоже станет проверкой концепции, от которой до настоящей термоядерной установки будет очень и очень далеко.
Европейское сообщество продолжает демонстрировать деградацию и потерю компетенции во всех сферах сложного промпрпоизводста. Возможно, последней каплей в этом нескончаемом эпик фейле в проекте ИТЭР (ITER) стало выявление прошлым летом сварщиков с поддельными сертификатами. Работы велись лицами, не имеющими соответствующего допуска и (или) опыта. У руководства проекта не было претензий к качеству выполняемых ими работ, но сам факт найма людей не имеющих подтверждения необходимой квалификации как бы настораживает. И заставляет задать вопросы руководству. Вот только прежний директор проекта Бернар Биго скончался в мае 2022 года, а новый мог быть не в курсе. Впрочем, виноваты всегда предшественники. Это удобно.
Секция вакуумной камеры (сосуда) извлекается из шахты реактора для ремонта (ITER)
Проект ИТЭР, напомню, это создание полномасштабной установки по запуску самоподдерживающейся термоядерной реакции. Комплекс на юге Франции не будет вырабатывать электрическую энергию. Потом — к середине 30-х годов — на основе ITER будет создан проект и начнётся строительство опытной термоядерной электростанции DEMO. На площадке ITER и опытном реакторе будут испытаны основные подходы к управлению реактором и реакциями, что потом будет перенесено на проект электростанции. Собственно, поэтому ITER будет сверхдорогим. Он утыкан научными приборами как ёжик иголками. В коммерческих реакторах такого не будет.
Фрагмент охлаждающего кожуха на секции с трубами для прокачки хладагента (ITER)
Научной задачей проекта ИТЭР ставится непрерывное удержание полученной от топлива плазмы температурой 150 млн °C в течение 400 секунд. При этом вырабатываемая реактором типа токамак мощность должна достигать 500 МВт при мощности запуска 50 МВт. Вся она будет, повторю, рассеяна, а не отправлена на выработку электричества или передачу тепла. Тем самым реактор должен продемонстрировать выход энергии 1:10. Строго говоря, это будет не совсем так, поскольку на поддержание работы сопутствующего оборудования будет уходить не менее 300 МВт дополнительной энергии. Но она в расчёт не идёт.
Создание ИТЭР затянулось на годы и сильно увеличилось в стоимости. Первоначально закладывалась сумма в 5 млрд евро. Теперь она выросла минимум в четыре раза, и будет увеличиваться дальше. Согласно последним планам, первая плазма должна был быть получена в реакторе в 2025 году. Эти сроки назывались как новые после трёх или четырёх предыдущих переносов сроков. Назначенный с сентябре 2022 года новым директором Пьетро Барабаски вскоре после занятия высокого поста сообщил, что планы работ по проекту будут пересмотрены в сторону увеличения. А вскоре пришла беда, откуда не ждали.
Контроль выявил на рентгене трещины в трубах охлаждения. Менять надо 23 км труб (ITER)
Рабочая камера или вакуумный сосуд реактора разделён на секции, чтобы его можно было производить по частям. Это слишком большое и тяжёлое оборудование для изготовления цельным изделием. Так, внутренний объём камеры составляет 1400 м3. Внешний диаметр камеры —19,4 м, а высота — 11,4м. Масса изделия достигает 5200 тонн. С полной обвязкой не считая охлаждения и магнитов, камера будет весить 8500 т. Для удобства производства камеры и последующей сборки в шахте реактора её как пирог разделили на 9 одинаковых секторов. Четыре из них производятся в Южной Корее, а пять в Евросоюзе.
Корейцы первый сектор отправили на площадку и его два года назад даже успели опустить в шахту для монтажа, и тут выяснилось удивительное. Оказалось, что части «пирога» не совпадают, чтобы их можно было сварить по контуру. Где-то металла больше, а где-то меньше. Наконец, сваривать по контуру должен был робот, и он офигел от поставленной задачи, хотя сварщики без сертификатов наверняка оказались бы сговорчивее. Но их уволили летом 2023 года.
По самым скромным прикидкам необходимо убирать или наращивать, в зависимости от финальной формы секции, до нескольких сотен килограммов металла. Очевидно, что в шахте такое сделать нельзя. Необходимо извлекать уже опущенную туда секцию наверх и заниматься коррекцией геометрии этой секции и других в цехе предварительной подготовки. Попутно также выяснилось, что трубы охлаждения на экранах охлаждения рабочей камеры местами потрескались. К этому, похоже, отчасти привела некачественная сварка или недостаточная очистка после шлаков — произошло окисление и растрескивание. Экраны и трубы придётся изготавливать заново (нужно будет заменить 23 км труб). В интервью СМИ новый директор сказал, что это может на годы отодвинуть завершение работ по проекту.
Две секции не удалось сварить в шахте, их края не совместились (ITER)
С тех пор руководство ИТЭР, французские безопасники (проект-то на их территории) и эксперты всех стран участниц проекта, включая Россию, вырабатывают решения, как исправить ситуацию, кто будет этим заниматься и сколько это будет стоить. Поиск решения затянулся на год, как минимум. О новых планах должны были объявить ещё до нового года. Недавно в ИТЭР заявили, что совет проекта примет на рассмотрение новые графики работ на своём заседании в июне 2024 года.
А теперь мы возвращаемся к китайцам. Сегодня стало известно, что контракт на сборку злополучных секций вакуумной камеры поручен китайско-французскому консорциуму TAC-1. Консорциум создан в 2019 году между дочерней компанией Китайской национальной ядерной корпорации China Nuclear Power Engineering и французской корпорацией Framatome. Успехи китайской науки и CNPE в частности неоспоримы. Китай строит и активно испытывает термоядерные реакторы у себя в стране. Участие французской Framatome в будущих работах можно считать данью уважения европейцам. Но раз они вынуждены были подписать китайцев на эти работы, дела с этим в Европе, очевидно, обстоят не очень хорошо. При этом надо понимать, что Китай понемногу подталкивают к изоляции, хотя та же изоляция России не вывела её за рамки ИТЭР. РФ продолжает активно участвовать в проекте и изготавливает свою часть материального взноса в ИТЭР.
Китай присоединился к проекту ИТЭР в 2006 году и выполнил до двух десятков сложных задач по нему или готовясь к ним, включая сборку криостата и теплозащитного экрана криостата, магнитных питателей, центрального соленоида, магнитов полоидального поля и корректирующей катушки, а также охлаждающих конструкций и контрольно-измерительных приборов. Китайские учёные и инженеры показали, что они могут и готовы доводить такие проекты до запуска. Похоже, они также соберут для сообщества ИТЭР один из самых ответственных узлов проекта, на который у европейского подрядчика не хватило силёнок.
Также не следует забывать, хотя это несколько другая история, китайская компания China General Nuclear приглашена в консорциум с французской Électricité de France (EDF) для восстановления сети атомных электростанций в Великобритании. Но этот факт также служит лишним свидетельством того, что Китай развил технологии и опыт и готов транслировать это на самые передовые проекты в энергетической сфере. В отличие от Старого Света его инженерные и рабочие кадры на подъёме.
Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.
В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.
Источник изображений: MIT
Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.
До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.
«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.
Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.
В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.
Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.
Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) сделала значительный шаг на пути к созданию «искусственного солнца», то есть к управляемой реакции ядерного синтеза. Установка HL-2A типа токамак впервые сгенерировала плазму с током силой более 1 млн ампер или 1 МА в режиме улучшенного удержания (H-режим).
CNNC подтвердила успешную работу установки HL-2A в режиме улучшенного удержания, в котором можно добиться значительного роста температуры и плотности плазмы. Это является ключевым этапом в разработке управляемого ядерного синтеза, который, по мнению учёных, может предоставить миру безопасную, экологически чистую и практически неограниченную энергию. В отличие от ядерного расщепления, используемого в современных атомных станциях, синтез производит меньше радиоактивных отходов.
CNNC также отметила, что новый реактор успешно преодолел ключевые технические трудности, связанные с использованием более мощной системы нагрева и передового отводящего устройства. Устройство было разработано в Юго-Западном институте физики в Чэнду (SWIP).
Однако HL-2A не является первым устройством, способным генерировать и поддерживать экстремально горячую плазму. В апреле Экспериментальный передовой суперпроводящий токамак — установка тороидальной формы, предназначенная для магнитного удержания раскалённой плазмы с целью реализации термоядерного синтеза — установил новый рекорд, поддерживая плазму почти 7 минут.
Ученые по всему миру работают над созданием подобных «искусственных солнц», которые генерируют энергию, нагревая атомы водорода до температур выше 100 млн градусов Цельсия, чтобы те соединялись друг с другом. Основная проблема заключается в контроле этого процесса, чтобы реактор не расплавился.
Китай также активно участвует в проекте Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) во Франции в сотрудничестве с Евросоюзом, Индией, Японией, Южной Кореей, Россией и США. Страна стремится к самодостаточности в области энергетики, и ядерная энергия играет в этом ключевую роль.
По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), Китай утроил свою ядерную мощность за последнее десятилетие. С 2011 по 2022 год Китай подал больше патентов на технологию ядерного синтеза, чем любая другая страна.
