Термоядерна електростанція у Франції. Термоядерна електростанція - проект ITER

Чи потрібна термоядерна енергія?

На цьому етапі розвитку цивілізації можна сміливо заявити, що перед людством стоїть «енергетичний виклик». Він обумовлений відразу кількома фундаментальними факторами:

— Людство зараз споживає величезну кількість енергії.

В даний час споживання енергії у світі становить близько 15,7 терават (ТВт). Розділивши цю величину на населення планети, ми отримаємо приблизно 2400 ватів на людину, що можна легко оцінити та уявити собі. Енергія, що споживається кожним жителем Землі (включаючи дітей), відповідає цілодобовій роботі 24-х 100-ватних електричних ламп.

- Світове споживання енергії швидко зростає.

За прогнозом Міжнародного агентства з енергетики (2006 рік), світове споживання енергії до 2030 року має збільшитись на 50%.

— Нині 80% енергії, що споживається світом, створюється за рахунок спалювання викопних природних палив (нафта, вугілля та газ), використання яких потенційно несе небезпеку катастрофічних екологічних змін.

У жителів Саудівської Аравії популярний такий жарт: «Мій батько їздив на верблюді. Я обзавівся автомобілем, а мій син уже керує літаком. Але його син знову пересяде на верблюда».

Схоже, що справи саме так, оскільки, за всіма серйозними прогнозами, запаси нафти у світі закінчаться в основному приблизно через 50 років.

Навіть на підставі оцінок Геологічної служби США (цей прогноз значно оптимістичніший за інші), зростання світового видобутку нафти триватиме не більше 20 найближчих років (інші фахівці передбачають, що пік видобутку буде досягнуто вже через 5-10 років), після чого обсяг нафти, що видобувається, почне зменшуватися зі швидкістю близько 3% на рік. Перспективи видобутку природного газу виглядають набагато краще. Зазвичай кажуть, що кам'яного вугілля нам вистачить ще на 200 років, але цей прогноз ґрунтується на збереженні існуючого рівня видобутку та витрати. Тим часом споживання вугілля зараз зростає на 4,5% на рік, що відразу скорочує згаданий період у 200 років лише до 50 років.

Отже, вже зараз слід готуватися до закінчення епохи використання викопних типів пального.

На жаль, альтернативні джерела енергії, що існують зараз, не в змозі покрити зростаючих потреб людства. За найоптимістичнішими оцінками, максимальна кількість енергії (у зазначеному тепловому еквіваленті), що створюється перерахованими джерелами, становить лише 3 ТВт (вітер), 1 ТВт (гідростанції), 1 ТВт (біологічні джерела) та 100 ГВт (геотермальні та морські установки). Сумарна кількість додаткової енергії (навіть у цьому, оптимальному прогнозі) становить лише близько 6 ТВт. При цьому варто відзначити, що розробка нових джерел енергії є дуже складним технічним завданням, так що вартість виробленої ними енергії буде в будь-якому випадку вищою, ніж при звичному спалюванні вугілля і т.п.

людство має шукати якісь інші джерела енергії, якими нині реально можна розглядати лише Сонце та реакції термоядерного синтезу.

Потенційно Сонце є практично невичерпним джерелом енергії. Кількість енергії, що потрапляє лише на 0,1% поверхні планети, еквівалентно 3,8 ТВт (навіть за умови його перетворення з ефективністю всього 15%). Проблема полягає в нашому невмінні вловлювати і перетворювати цю енергію, що пов'язано як з високою вартістю сонячних батарей, так і з проблемами накопичення, зберігання та подальшої передачі енергії, що отримується, в необхідні регіони.

В даний час на атомних електростанціях у широких масштабах одержують енергію, що виділяється при реакціях поділу атомних ядер. Я вважаю, що слід усіляко заохочувати створення та розвиток таких станцій, проте при цьому необхідно враховувати, що запаси одного з найважливіших для їх роботи матеріалу (дешевого урану) також можуть бути повністю витрачені протягом найближчих 50 років.

Ще одним важливим напрямом розвитку є використання ядерного синтезу (злиття ядер), яке виступає зараз як основна надія на порятунок, хоча час створення перших термоядерних електростанцій поки що залишається невизначеним. Саме цій темі присвячено цю лекцію.

Що таке ядерний синтез?

Ядерний синтез, що є основою існування Сонця і зірок, потенційно є невичерпним джерелом енергії для розвитку Всесвіту взагалі. Експерименти, що проводяться в Росії (Росія - батьківщина термоядерної установки Токамак), США, Японії, Німеччини, а також у Великій Британії в рамках програми Joint European Torus (JET), що є однією з провідних дослідницьких програм у світі, показують, що ядерний синтез може забезпечити як поточні енергетичні потреби людства (16 ТВт), а й значно більше енергії.

Енергія ядерного синтезу є цілком реальною, і основне питання полягає в тому, чи зможемо ми створити досить надійні та економічно вигідні термоядерні установки.

Процесами ядерного синтезу називають реакції злиття легких атомних ядер у важчі з виділенням деякої кількості енергії.

Насамперед, у тому числі слід відзначити реакцію між двома ізотопами (дейтерій і тритій) дуже поширеного Землі водню, у результаті якої утворюється гелій і виділяється нейтрон. Реакція може бути записана у такому вигляді:

D + T = 4 He + n + енергія (17,6 MeВ).

Виділена енергія, що виникає через те, що гелій-4 має дуже сильні ядерні зв'язки, переходить у звичайну кінетичну енергію, що розподіляється між нейтроном і ядром гелію-4 у пропорції 14,1 МеВ/3,5 МеВ.

Для ініціювання (запалювання) реакції синтезу необхідно повністю іонізувати і нагріти газ із суміші дейтерію і тритію до температури вище 100 мільйонів градусів за Цельсієм (позначатимемо її через M градусів), що приблизно в п'ять разів вище температури в центрі Сонця. Вже при температурі кілька тисяч градусів міжатомні зіткнення призводять до вибивання електронів з атомів, в результаті чого формується суміш із розділених ядер і електронів, відома під назвою плазми, в якій позитивно заряджені та високоенергійні дейтрони і тритони (тобто ядра дейтерію та тритію) відчувають сильне взаємне відштовхування. Проте висока температура плазми (і пов'язана з цим висока енергія іонів) дозволяють цим іонам дейтерію та тритію долати кулонівське відштовхування та стикатися один з одним. При температурі вище 100 M градусів найбільш «енергетичні» дейтрони і тритони зближуються при зіткненнях настільки близькі відстані, що з-поміж них починають діяти потужні ядерні сили, які змушують їх зливатися друг з одним в єдине ціле.

Здійснення цього процесу у лабораторії пов'язане з трьома дуже складними проблемами. Насамперед газову суміш ядер D і T слід нагріти до температур вище 100 M градусів, якимось чином запобігаючи його охолодженню та забруднення (через реакції зі стінками судини).

Для вирішення цього завдання були придумані «магнітні пастки», які отримали назву Токамак, які запобігають взаємодії плазми зі стінками реактора.

В цьому методі плазма нагрівається електричним струмом, що протікає всередині тора, приблизно до 3 M градусів, що, проте, виявляється ще недостатнім для ініціювання реакції. Для додаткового нагрівання плазми в неї або «вкачують» енергію радіочастотним випромінюванням (як у мікрохвильовій печі), або інжектують пучки нейтральних частинок з високою енергією, які при зіткненнях передають свою енергію плазмі. Крім того, виділення тепла відбувається за рахунок, власне, термоядерних реакцій (як буде розказано нижче), внаслідок чого в досить великій установці має відбуватися запалювання плазми.

В даний час у Франції починається будівництво описуваного нижче міжнародного експериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), який буде першим Токамаком, здатним запалити плазму.

У найбільш передових існуючих установках типу Токамак давно досягнуто температури близько 150 M градусів, близькі до значень, необхідних для роботи термоядерної станції, проте реактор ITER має стати першою великомасштабною енергетичною установкою, яка розрахована на тривалу експлуатацію. Надалі необхідно буде суттєво покращити параметри її роботи, що вимагатиме в першу чергу підвищення тиску в плазмі, оскільки швидкість злиття ядер при заданій температурі пропорційна квадрату тиску.

Основна наукова проблема при цьому пов'язана з тим, що при підвищенні тиску у плазмі виникають дуже складні та небезпечні нестійкості, тобто нестабільні режими роботи.

Виникають при реакції синтезу електрично заряджені ядра гелію утримуються всередині «магнітної пастки», де поступово гальмуються за рахунок зіткнень з іншими частинками, причому енергія, що виділяється при зіткненнях, допомагає підтримувати високу температуру плазмового шнура. Нейтральні (не мають електричного заряду) нейтрони залишають систему і передають свою енергію стінкам реактора, а тепло, що відбирається від стін, і є джерелом енергії для роботи турбін, що виробляють електрику. Проблеми і складності експлуатації такої установки пов'язані, перш за все, з тим, що потужний потік високоенергійних нейтронів і енергія, що виділяється (у вигляді електромагнітного випромінювання і частинок плазми) серйозно впливають на реактор і можуть зруйнувати матеріали, з яких він створений.

Через це конструкція термоядерних установок дуже складна. Перед фізиками та інженерами стоїть завдання забезпечення високої надійності їхньої роботи. Проектування та будівництво термоядерних станцій вимагають від них розв'язання цілого ряду різноманітних та дуже складних технологічних завдань.

Влаштування термоядерної електростанції

На малюнку представлена ​​принципова схема (без дотримання масштабу) пристрою та принципу роботи термоядерної електростанції. У центральній частині розташовується тороїдальна (у формі бублика) камера об'ємом ~ 2000 м 3 заповнена тритій-дейтерієвою (T-D) плазмою, нагрітою до температури вище 100 M градусів. нейтрони, що утворюються при реакції синтезу, залишають «магнітну пастку» і потрапляють у показану на малюнку оболонку з товщиною близько 1 м. 1

Усередині оболонки нейтрони стикаються з атомами літію, внаслідок чого відбувається реакція з утворенням тритію:

нейтрон + літій = гелій + тритій.

Крім того, в системі відбуваються і конкуруючі реакції (без утворення тритію), а також багато реакцій з виділенням додаткових нейтронів, які потім також призводять до утворення тритію (при цьому виділення додаткових нейтронів може бути суттєво посилено, наприклад, за рахунок введення в оболонку атомів берилію та свинцю). Загальний висновок полягає в тому, що в цій установці може (принаймні теоретично) відбуватися реакція ядерного синтезу, при якій утворюватиметься тритій. При цьому кількість тритію, що утворюється, повинна не тільки забезпечувати потреби самої установки, але і бути навіть дещо більшою, що дозволить забезпечувати тритієм і нові установки.

Саме ця концепція роботи повинна бути перевірена і реалізована на описаному нижче реакторі ITER.

Нейтрони повинні розігрівати оболонку в так званих пілотних установках (в яких будуть використовуватися відносно звичайні конструкційні матеріали) приблизно до температури 400 градусів. Надалі передбачається створити вдосконалені установки з температурою нагрівання оболонки вище 1000 градусів, що можна досягти з допомогою використання нових високоміцних матеріалів (типу композитів з карбіду кремнію). Тепло, що виділяється в оболонці, як і в звичайних станціях, відбирається первинним охолоджуючим контуром з теплоносієм (що містить, наприклад, воду або гелій) і передається на вторинний контур, де і виробляється водяна пара, що подається на турбіни.

Основна перевага ядерного синтезу полягає в тому, що як паливо для нього потрібна лише дуже невелика кількість дуже поширених у природі речовин.

Реакція ядерного синтезу в описуваних установках може призводити до виділення величезної кількості енергії, що в десять мільйонів разів перевищує стандартне тепловиділення при звичайних хімічних реакціях (типу спалювання викопного палива). Для порівняння вкажемо, що кількість вугілля, необхідного для забезпечення роботи теплової електростанції потужністю 1 гігават (ГВт), становить 10 000 тонн на день (десять залізничних вагонів), а термоядерна установка такої ж потужності споживатиме в день лише близько 1 кг суміші D+ T.

Дейтерій є стійким ізотопом водню; приблизно в одній з кожних 3350 молекул звичайної води один з атомів водню заміщений дейтерієм (спадщина, що дісталася нам від Великого вибуху Всесвіту). Це дозволяє легко організувати досить дешеве отримання необхідної кількості дейтерію з води. Більш складним є отримання тритію, який є нестабільним (період напіврозпаду близько 12 років, внаслідок чого його вміст у природі мізерний), проте, як було показано вище, тритій напрацьовуватиметься прямо всередині термоядерної установки в процесі роботи за рахунок реакції нейтронів з літієм.

Таким чином, вихідним паливом для термоядерного реактора є літій та вода.

Літій є звичайним металом, що широко використовується в побутових приладах (в батарейках для мобільних телефонів, наприклад). Описана вище установка навіть з урахуванням неідеальної ефективності зможе виробляти 200 000 кВт/год електричної енергії, що еквівалентно енергії, що міститься в 70 тоннах вугілля. Необхідна для цього кількість літію міститься в одній батарейці для комп'ютера, а кількість дейтерію - 45 літрів води. Вказана вище величина відповідає сучасному споживанню електроенергії (у перерахунку на одну особу) у країнах ЄС за 30 років. Сам факт, що така незначна кількість літію може забезпечити вироблення такої кількості електроенергії (без викидів CO 2 і без найменшого забруднення атмосфери), є досить серйозним аргументом для якнайшвидшого та енергійного розвитку досліджень з розробки термоядерної енергетики (попри всі складнощі та проблеми) навіть при довгострокову перспективу створення економічно ефективного термоядерного реактора.

Дейтерія має вистачити на мільйони років, а запаси легкодобувного літію цілком достатні для забезпечення потреб протягом сотень років.

Навіть якщо запаси літію в гірських породах вичерпаються, ми можемо видобувати його з води, де він міститься в досить високій концентрації (у 100 разів перевищує концентрацію урану), щоб його видобуток був економічно доцільним.

Термоядерна енергетика не тільки обіцяє людству, в принципі, можливість виробництва величезної кількості енергії в майбутньому (без викидів CO 2 і без забруднення атмосфери), але й має низку інших переваг.

1 ) Висока внутрішня безпека.

Плазма, що використовується в термоядерних установках, має дуже низьку щільність (приблизно в мільйон разів нижче щільності атмосфери), внаслідок чого робоче середовище установок ніколи не міститиме в собі енергії, достатньої для виникнення серйозних подій або аварій.

Крім того, завантаження «паливом» має проводитися безперервно, що дозволяє легко зупиняти її роботу, не кажучи вже про те, що у разі аварії та різкої зміни умов оточення термоядерне «полум'я» має просто згаснути.

У чому пов'язані з термоядерною енергетикою небезпеки? По-перше, слід зазначити, що хоча продукти синтезу (гелій та нейтрони) не є радіоактивними, оболонка реактора при тривалому нейтронному опроміненні може стати радіоактивною.

По-друге, тритій є радіоактивним та має відносно невеликий період напіврозпаду (12 років). Але хоча обсяг використовуваної плазми значний, через її низьку щільність там міститься лише дуже невелика кількість тритію (загальною вагою приблизно десять поштових марок). Тому

навіть при найважчих ситуаціях і аваріях (повна руйнація оболонки і виділення всього тритію, що міститься в ній, наприклад, при землетрусі і падінні літака на станцію) в навколишнє середовище надійде лише незначна кількість палива, що не вимагатиме евакуації населення з прилеглих населених пунктів.

2 ) Вартість енергії.

Очікується, що так звана «внутрішня» ціна електроенергії (вартість самого виробництва), що отримується, стане прийнятною, якщо становитиме 75% від вже існуючої на ринку ціни. «Прийнятність» у цьому випадку означає, що ціна буде нижчою від ціни енергії, одержуваної з використанням старих вуглеводневих палив. «Зовнішня» ціна (побічні ефекти, вплив на здоров'я населення, клімат, екологію тощо) буде по суті рівною нулю.

Міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER

Основний наступний крок полягає в побудові реактора ITER, спроектованого з метою демонстрації можливості запалювання плазми і отримання на цій основі хоча б десятикратного виграшу в енергії (по відношенню до енергії, що витрачається на розігрів плазми). Реактор ITER буде експериментальним пристроєм, який навіть не буде забезпечений турбінами для виробництва електроенергії та пристроями для її використання. Метою його створення є вивчення умов, які мають виконуватися під час роботи таких енергетичних установок, а також створення на цій основі справжніх, економічно вигідних електростанцій, які за розмірами, мабуть, повинні перевершувати ITER. Створення реальних прототипів термоядерних електростанцій (тобто станцій, повністю обладнаних турбінами тощо) вимагає вирішення двох наступних завдань. По-перше, необхідно продовжити розробку нових матеріалів (здатних витримувати дуже суворі умови експлуатації в описаних умовах) та провести їх випробування відповідно до спеціальних правил для апаратури системи IFMIF (International Fusion Irradiation Facility), описаної нижче. По-друге, необхідно вирішити багато суто технічних завдань і розвинути нові технології, що відносяться до дистанційного керування, нагрівання, конструкції оболонок, паливних циклів і т.д.

На малюнку показаний реактор ITER, що перевершує найбільшу на сьогодні установку JET не тільки по всіх лінійних розмірах (приблизно вдвічі), але і за величиною магнітних полів, що використовуються в ньому, і протікають через плазму струмів.

Метою створення цього реактора є демонстрація можливостей об'єднаних зусиль фізиків та інженерів під час конструювання великомасштабної термоядерної електростанції.

Намічена проектувальниками потужність установки 500 МВт (при витраті енергії на вході системи лише близько 50 МВт). 3

Установка ITER створюється консорціумом, до якого входять EC, Китай, Індія, Японія, Південна Корея, Росія та США. Загальна чисельність населення цих країн становить близько половини населення Землі, так що проект можна назвати глобальною відповіддю на глобальний виклик. Основні компоненти та вузли реактора ITER вже створені та випробувані, а будівництво вже розпочато у містечку Кадараш (Франція). Запуск реактора запланований на 2020 рік, а отримання дейтерій-тритієвої плазми - на 2027 рік, оскільки введення реактора в дію потребує тривалих та серйозних випробувань для плазми з дейтерію та тритію.

Магнітні котушки реактора ITER створені на основі надпровідних матеріалів (що, в принципі, дозволяє працювати безперервно за умови підтримки струму в плазмі), тому проектувальники сподіваються забезпечити гарантований робочий цикл тривалістю не менше 10 хвилин. Зрозуміло, що наявність надпровідних магнітних котушок є важливою для безперервної роботи реальної термоядерної електростанції. Надпровідні котушки вже застосовувалися в пристроях типу Токамак, проте раніше вони не використовувалися в таких великомасштабних установках, розрахованих на тритієву плазму. Крім цього, в установці ITER буде вперше використано та випробувано різні модулі оболонки, призначені для роботи в реальних станціях, де можуть генеруватися або «відновлюватися» ядра тритію.

Основною метою будівництва установки є демонстрація успішного управління горінням плазми та можливості реального отримання енергії в термоядерних пристроях за існуючого рівня розвитку технологій.

Подальший розвиток у цьому напрямі, звичайно, вимагатиме багатьох зусиль для підвищення ефективності роботи пристроїв, особливо з точки зору їх економічної доцільності, що пов'язано з серйозними та тривалими дослідженнями, як на реакторі ITER, так і на інших пристроях. Серед поставлених завдань слід виділити три такі:

1) Необхідно показати, що існуючий рівень науки і техніки вже дозволяє отримувати 10-кратний виграш в енергії (порівняно з процесом, що витрачається для підтримки) при контрольованому процесі ядерного синтезу. Реакція має протікати без виникнення небезпечних нестійких режимів, без перегріву та пошкодження матеріалів конструкції та без забруднення плазми домішками. При потужностях термоядерної енергії близько 50 % від потужності нагріву плазми ці цілі вже були досягнуті в експериментах на невеликих установках, проте створення реактора ITER дозволить перевірити надійність методів управління на більшій установці, що виробляє набагато більше енергії протягом тривалого часу. Реактор ITER проектується для перевірки та узгодження вимог до майбутнього термоядерного реактора, і його створення є дуже складним та цікавим завданням.

2) Необхідно вивчити методи підвищення тиску в плазмі (нагадаємо, що швидкість реакції при заданій температурі пропорційна квадрату тиску) для запобігання виникненню небезпечних нестійких режимів поведінки плазми. Успіх досліджень у цьому напрямку дозволить або забезпечити роботу реактора за більш високої щільності плазми, або знизити вимоги до напруженості магнітних полів, що створюються, що істотно зменшить вартість виробленої реактором електроенергії.

3) Випробування повинні підтвердити, що безперервна робота реактора у стійкому режимі може бути забезпечена реально (з економічної та технічної точок зору ця вимога є дуже важливою, якщо не основною), а запуск установки можна буде здійснювати без величезних витрат енергії. Дослідники та проектувальники дуже сподіваються, що «безперервний» перебіг електромагнітного струму по плазмі може бути забезпечений його генерацією в плазмі (за рахунок високочастотного випромінювання та інжекції швидких атомів).

Сучасний світ стоїть перед дуже серйозним енергетичним викликом, який точніше можна назвати «невизначеною енергетичною кризою».

В даний час майже вся споживана людством енергія створюється спалюванням викопних палив, а вирішення проблеми може бути пов'язане з використанням сонячної енергії або ядерної енергетики (створенням реакторів на швидких нейтронах тощо). Глобальна проблема, зумовлена ​​зростанням населення країн, що розвиваються, і їх потребою у підвищенні рівня життя та збільшенні обсягу виробленої енергії, не може бути вирішена тільки на основі розглянутих підходів, хоча, звичайно, слід заохочувати будь-які спроби розвитку альтернативних методів вироблення енергії.

Якщо жодних великих та несподіваних сюрпризів на шляху розвитку термоядерної енергетики не буде, то за дотримання виробленої розумної та впорядкованої програми дій, яка (зрозуміло, за умови гарної організації робіт та достатнього їх фінансування) має призвести до створення прототипу термоядерної електростанції. У цьому випадку приблизно через 30 років ми зуміємо вперше подати електричний струм від неї в енергетичні мережі, а ще через 10 років почне працювати перша комерційна термоядерна електростанція. Можливо, що в другій половині нашого століття енергія ядерного синтезу почне замінювати викопні палива і поступово відіграватиме важливу роль у забезпеченні людства енергією в глобальному масштабі.

Термоядерна електростанція.

В даний час вчені працюють над створенням Термоядерної електростанції, перевагою яких є забезпечення людства електроенергією на необмежений час. Термоядерна електростанція працює на основі термоядерного синтезу - реакції синтезу важких ізотопів водню з утворенням гелію та виділенням енергії. Реакція термоядерного синтезу не дає газоподібних та рідких радіоактивних відходів, не напрацьовує плутоній, який використовується для виробництва ядерної зброї. Якщо ще врахувати, що пальним для термоядерних станцій буде важкий ізотоп водню дейтерій, який одержують із простої води — у півлітрі води укладено енергію синтезу, еквівалентну тій, що вийде при спалюванні бочки бензину, — то переваги електростанцій, заснованих на термоядерній реакції, стають очевидними .

У ході термоядерної реакції енергія виділяється при з'єднанні легких атомів та перетворенні їх на більш важкі. Щоб цього досягти, необхідно розігріти газ до температури понад 100 мільйонів градусів - набагато вище за температуру в центрі Сонця.

Газ за такої температури перетворюється на плазму. Атоми ізотопів водню при цьому зливаються, перетворюючись на атоми гелію та нейтрони та виділяючи велику кількість енергії. Комерційна електростанція, що працює на цьому принципі, використовувала б енергію нейтронів, що уповільнюються шаром щільної речовини (літію).

Порівняно з атомною електростанцією термоядерний реактор залишатиме після себе набагато менш радіоактивні відходи.

Інтернаціональний термоядерний реактор ІТЕР

Учасники міжнародного консорціуму зі створення першого у світі термоядерного реактора ІТЕР підписали у Брюсселі угоду, яка дає старт практичній реалізації проекту.

Представники Європейського союзу, США, Японії, Китаю, Південної Кореї та Росії мають намір розпочати будівництво експериментального реактора у 2007 році та закінчити його протягом восьми років. Якщо все пройде згідно з планом, то до 2040 року може бути збудовано демонстраційну електростанцію, яка працює за новим принципом.

Хочеться вірити, що ера екологічно небезпечних ГЕС та АЕС незабаром закінчиться, і настане час нової електростанції — термоядерної, проект якої вже здійснюється. Але незважаючи на те, що проект ІТЕР (Інтернаціональний термоядерний реактор) вже майже готовий; незважаючи на те, що вже на перших діючих експериментальних термоядерних реакторах отримано потужність, що перевищує 10 МВт — рівень перших атомних електростанцій, перша термоядерна електростанція запрацює не раніше, ніж через двадцять років, тому що її вартість дуже велика. Вартість робіт оцінюється в 10 млрд. євро – це найдорожчий міжнародний проект електростанції. Половину витрат на будівництво реактора бере на себе Євросоюз. Інші учасники консорціуму виділять по 10% кошторису.

Тепер план зведення реактора, який стане найдорожчим спільним науковим проектом, повинні ратифікувати парламентарі країн-учасниць консорціуму.

Реактор буде побудований у південній французькій провінції Прованс, на околицях міста Кадараш, де знаходиться французький центр ядерних досліджень.

ІТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "Міжнародний експериментальний термоядерний реактор") – великомасштабний науково-технічний проект, спрямований на будівництво першого міжнародного експериментального термоядерного реактора.

Реалізується сімома основними партнерами (Європейський Союз, Індія, Китай, Республіка Корея, Росія, США, Японія) у Кадараші (регіон Прованс-Альпи-Лазурний берег, Франція). В основі ІТЕР - установка токамак (назву отримала за першими буквами: тороїдальна камера з магнітними котушками), яка вважається найбільш перспективним пристроєм для здійснення керованого термоядерного синтезу. Перший токамак був побудований у Радянському Союзі у 1954 р.

Завдання проекту – продемонструвати, що термоядерну енергію можна використовувати у промислових масштабах. ІТЕР повинен виробляти енергію шляхом реакції синтезу з важкими ізотопами водню за температури понад 100 млн градусів.

Передбачається, що 1 г палива (суміш дейтерію та тритію), яке буде використовуватися в установці, дасть таку ж кількість енергії, як 8 т нафти. Розрахункова термоядерна потужність ІТЕР – 500 МВт.

Фахівці стверджують, що реактор такого типу набагато безпечніший за нинішні атомні електростанції (АЕС), а паливо для нього практично в необмеженій кількості може давати морська вода. Таким чином, успішна реалізація ІТЕР дозволить отримати невичерпне джерело екологічно чистої енергії.

Історія проекту

Концепцію реактора розроблено в Інституті атомної енергії ім. І.В.Курчатова. У 1978 р. СРСР висунув ідею здійснення проекту у Міжнародному агентстві з атомної енергії (МАГАТЕ). Домовленість про реалізацію проекту було досягнуто 1985 р. у Женеві на переговорах між СРСР та США.

Пізніше програму було затверджено МАГАТЕ. У 1987 р. проект отримав нинішню назву, у 1988 р. було створено керівний орган – Раду ІТЕР. У 1988-1990 pp. силами радянських, американських, японських та європейських вчених та інженерів було проведено концептуальне опрацювання проекту.

21 липня 1992 р. у Вашингтоні ЄС, Росія, США та Японія підписали угоду про розробку технічного проекту ІТЕР, який був завершений у 2001 р. У 2002-2005 роках. до проекту приєдналися Південна Корея, Китай та Індія. Угоду про будівництво першого міжнародного експериментального термоядерного реактора було підписано у Парижі 21 листопада 2006 р.

Через рік, 7 листопада 2007 р. підписано угоду про місце будівництва ІТЕР, згідно з якою реактор буде розміщений у Франції, в ядерному центрі Кадараш під Марселем. Центр управління та обробки даних розміститься у м. Нака (преф. Ібаракі, Японія).

Підготовка будівельного майданчика в Кадараші розпочалася у січні 2007 р., у 2013 р. було розгорнуто повномасштабне будівництво. Комплекс розміститься на площі 180 га. Реактор висотою 60 м та масою 23 тис. т буде розташований на майданчику завдовжки 1 км та шириною 400 м. Роботи з його будівництва координує Міжнародна організація ІТЕР, створена у жовтні 2007 р.

Вартість проекту оцінюється в 15 млрд євро, з них на ЄС (через Євратом) припадає 45,4%, а шість інших учасників (зокрема РФ) вносять по 9,1% кожен. З 1994 р. за квотою Росії у проекті також бере участь Казахстан.

Елементи реактора доставлятимуться кораблями до середземноморського узбережжя Франції та звідти спеціальними автокараванами перевозитимуть у район Кадараша. З цією метою у 2013 р. було значно переобладнано ділянки існуючих доріг, укріплено мости, збудовано нові переправи та шляхи з особливо міцним покриттям. У період з 2014 р. по 2019 р. укріпленою дорогою має пройти не менше трьох десятків надважких автопоїздів.

Системи діагностики плазми для ІТЕР будуть розроблені в Новосибірську. Угоду про це 27 січня 2014 р. підписали директор Міжнародної організації ІТЕР Осаму Мотодзіма та керівник національного агентства ІТЕР у РФ Анатолій Красильников.

Розробки діагностичного комплексу рамках нової угоди ведуться з урахуванням фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе Російської академії наук.

Очікується, що реактор почне працювати в 2020 р., перші реакції з ядерного синтезу будуть здійснені на ньому не раніше 2027 р. У 2037 р. планується закінчити експериментальну частину проекту і до 2040 р. перейти на виробництво електроенергії. За попередніми прогнозами фахівців, промисловий варіант реактора буде готовий не раніше 2060 року, а серія реакторів цього типу може бути створена лише до кінця XXI століття.

We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problema is we don"t know how to make the box.

Pierre-Gilles de Gennes
Французький нобелівський лауреат

Всім електронним пристроям і машинам потрібна енергія та людство споживає її дуже багато. Але викопне паливо закінчується, а альтернативна енергетика поки що недостатньо ефективна.
Є спосіб отримання енергії, що ідеально підходить всім вимогам - термоядерний синтез. Реакція термоядерного синтезу (перетворення водню на гелій та виділення енергії) постійно відбувається на сонці і цей процес дає планеті енергію у вигляді сонячних променів. Потрібно лише імітувати його на Землі, у меншому масштабі. Достатньо забезпечити високий тиск і дуже високу температуру (в 10 разів вище, ніж на Сонці), і реакція синтезу буде запущена. Щоб створити такі умови, потрібно збудувати термоядерний реактор. Він використовуватиме найпоширеніші землі ресурси, буде безпечним і потужнішим ніж звичайні атомні станції. Вже понад 40 років робляться спроби його будівництва та ведуться експерименти. В останні роки на одному з прототипів навіть вдалося отримати більше енергії, ніж було витрачено. Найбільш амбітні проекти у цій сфері представлені нижче:

Державні проекти

Найбільшу увагу громадськості останнім часом дістається інший конструкції термоядерного реактора - стеллатору Wendelstein 7-X (стеларатор складніший за внутрішнім пристроєм ніж ITER, який є токамаком). Витративши трохи більше 1 млрд доларів німецькі вчені за 9 років спорудили до 2015 року зменшену, демонстраційну модель реактора. Якщо він показуватиме хороші результати буде побудована більш масштабна версія.

MegaJoule Laser у Франції буде найпотужнішим у світі лазером і намагатиметься просунути метод будівництва термоядерного реактора, заснований на використанні лазерів. Введення французької установки в дію очікується у 2018 році.

NIF (National ignition facility) було побудовано в США за 12 років і 4 млрд. доларів до 2012. Вони розраховували протестувати технологію і після одразу будувати реактор, але виявилося, що, як повідомляє вікіпедія - reach ignition. В результаті грандіозні плани було скасовано і вчені взялися за поступове вдосконалення лазера. Остання задача – підняти ефективність передачі енергії з 7% до 15%. Інакше фінансування від конгресу цього методу досягнення синтезу може припинитися.

Наприкінці 2015 року в Сарові розпочалося будівництво будівлі для найпотужнішої у світі лазерної установки. Вона буде потужнішою за поточну американську та майбутню французьку і дозволить провести експерименти необхідні для будівництва «лазерної» версії реактора. Завершення будівництва у 2020 році.

Розташований у США лазер – MagLIF fusion визнається темним конячком серед методів досягнення термоядерного синтезу. Нещодавно цей метод показав результати краще за очікувані, але потужність все ще потрібно збільшити в 1000 разів. Зараз лазер проходить апгрейд, і до 2018 року вчені сподіваються отримати стільки ж енергії, скільки витратили. У разі успіху буде збудовано збільшену версію.

У російському ІЯФ завзято проводили експерименти над методом «відкритих пасток», від якого відмовилися США в 90-ті. В результаті було отримано показники, які вважалися неможливими для цього методу. Вчені ІЯФ вважають, що їхня установка зараз знаходиться на рівні німецької Wendelstein 7-X (Q=0.1), але дешевше. Нині за 3 млрд. рублів вони будують нову установку

Керівник Курчатівського інституту постійно нагадує про плани збудувати в Росії невеликий термоядерний реактор – Ігнітор. За планом, він має бути також ефективним як ITER, хоч і менше. Будівництво його мало розпочатися ще 3 роки тому, але така ситуація типова для великих наукових проектів.

Китайський токамак EAST на початку 2016 року зумів отримати температуру 50 млн. градусів і протримати її 102 секунди. До початку будівництва великих реакторів і лазерів всі новини про термоядерний синтез були такими. Можна було подумати, що це просто змагання серед вчених – хто довше втримає все більш високу температуру. Чим вище температура плазми і що довше її вдається утримувати - тим ближче до початку реакції синтезу. Таких установок у світі десятки, ще кілька () () будується так що незабаром рекорд EAST буде побитий. По суті ці невеликі реактори, це просто тестування обладнання перед відправкою в ITER.

Lockheed Martin оголосив у 2015-му про прорив у термоядерній енергетики, який дозволить їм побудувати невеликий та мобільний термоядерний реактор за 10 років. Враховуючи, що навіть дуже великі і зовсім не мобільні комерційні реактори очікувалися не раніше 2040 року, заява корпорації була скептично зустрінута. Але компанія має у своєму розпорядженні великі ресурси так що хто знає. Прототип очікується у 2020 році.

Популярний у кремнієвій долині стартап Helion Energy має свій унікальний план досягнення термоядерного синтезу. Компанія залучила понад 10 млн. доларів і розраховує створити прототип до 2019 року.

Стартап Tri Alpha Energy, що тримається в тіні, нещодавно добився вражаючих результатів у просуванні свого методу термоядерного синтезу (теоретиками було розроблено >100 теоретичних способів добитися синтезу, токамак просто найпростіший і популярніший). Компанія також залучила понад 100 млн. доларів коштів інвесторів.

Проект реактора від Канадського стартапу General Fusion ще більше не схожий на решту, але розробники у ньому впевнені та залучили за 10 років більше 100 млн. доларів, щоб побудувати реактор до 2020 року.

Стартап зі Сполученого королівства - First light має найдоступніший для розуміння сайт, що утворився в 2014 році, і оголосив про плани використовувати останні наукові дані для менш витратного отримання термоядерного синтезу.

Вчені MIT написали статтю з описом компактного термоядерного реактора. Вони сподіваються на нові технології, що з'явилися вже після початку будівництва гігантських токамаків та обіцяють здійснити проект за 10 років. Поки невідомо, чи буде їм дано зелене світло на початок будівництва. Навіть у разі схвалення, стаття в журналі, це ще більш рання стадія, ніж стартап

Термоядерний синтез - це, мабуть, найменш підходяща для краудфандингу промисловість. Але саме з його допомогою і також з фінансуванням НАСА компанія Lawrenceville Plasma Physics збирається побудувати прототип свого реактора. З усіх проектів, що реалізуються, цей найбільше схожий на шахрайство, але хто знає, може, щось корисне вони привнесуть у цю грандіозну роботу.

ITER буде лише прототипом для будівництва повноцінної установки DEMO – першого комерційного термоядерного реактора. Його запуск зараз запланований на 2044 рік, і це ще оптимістичний прогноз.

Але є плани і наступного етапу. Гібридний термоядерний реактор отримуватиме енергію і від розпаду атома (як звичайна атомна станція) та від синтезу. У такій конфігурації енергії може бути у 10 разів більша, але безпека нижча. Китай розраховує побудувати прототип до 2030, але експерти кажуть, що це все одно, що намагатися зібрати гібридні автомобілі до винаходу двигуна внутрішнього згоряння.

Підсумок

Теги:

• термоядерний реактор
• енергетика
• проекти майбутнього

З чого все почалося. «Енергетичний виклик» виник у результаті поєднання трьох таких факторів:

1. Людство сьогодні споживає дуже багато енергії.

В даний час споживання енергії у світі становить близько 15,7 терават (ТВт). Розділивши цю величину на населення планети, ми отримаємо приблизно 2400 ватів на людину, що можна легко оцінити та уявити. Енергія, що споживається кожним жителем Землі (включаючи дітей), відповідає цілодобовій роботі 24 стоватних електричних ламп. Однак споживання цієї енергії по планеті є дуже нерівномірним, оскільки воно дуже велике в кількох країнах і нікчемне в інших. Споживання (у перерахунку на одну людину) дорівнює 10,3 кВт у США (одне з рекордних значень), 6,3 кВт у Російській Федерації, 5,1 кВт у Великій Британії тощо, але, з іншого боку, воно дорівнює лише 0,21 кВт у Бангладеш (всього 2% від рівня енергоспоживання в США!).

2. Світове споживання енергії драматично зростає.

За прогнозом Міжнародного агентства з енергетики (2006 рік) світове споживання енергії до 2030 року має збільшитись на 50%. Розвинені країни, звичайно, могли б чудово обійтися без додаткової енергії, проте це зростання необхідне для того, щоб позбавити від злиднів населення країн, що розвиваються, де 1,5 мільярда людей відчувають гостру нестачу електричної енергії.

3. В даний час 80% споживаної світом енергії створюється за рахунок спалювання викопних природних палив(нафта, вугілля та газ), використання яких:

а) потенційно несе небезпеку катастрофічних екологічних змін;

б) неминуче має колись закінчитися.

Зі сказаного ясно, що вже зараз ми повинні готуватися до закінчення епохи використання викопних типів пального

В даний час на атомних електростанціях у широких масштабах одержують енергію, що виділяється при реакціях поділу атомних ядер. Слід усіляко заохочувати створення та розвиток таких станцій, проте при цьому необхідно враховувати, що запаси одного з найважливіших для їх роботи матеріалу (дешевого урану) також можуть бути повністю витрачені протягом найближчих 50 років. Можливості заснованої на розподілі ядер енергетики можуть (і повинні) бути суттєво розширені за рахунок використання більш ефективних енергетичних циклів, що дозволяють майже вдвічі збільшити кількість енергії, що одержується. Для розвитку енергетики в цьому напрямку потрібно створювати реактори на торії (так звані торієві бридерні реактори або реактори-розмножувачі), в яких при реакції виникає більше торію, ніж вихідного урану, в результаті чого загальна кількість енергії, що одержується при заданій кількості речовини зростає в 40 разів . Перспективним видається також створення плутонієвих бридерів на швидких нейтронах, які значно ефективніші за уранові реактори і дозволяють отримувати в 60 разів більше енергії. Можливо, для розвитку цих напрямків знадобиться розробити нові, нестандартні методи одержання урану (наприклад, з морської води, що є найбільш доступним).

Термоядерні електростанції

На малюнку представлена ​​принципова схема (без дотримання масштабу) пристрою та принципу роботи термоядерної електростанції. У центральній частині розташовується тороїдальна (у формі бублика) камера об'ємом ~2000 м3, заповнена тритій-дейтерієвою (T-D) плазмою, нагрітою до температури вище 100 M°C. нейтрони, що утворюються при реакції синтезу (1), залишають «магнітну пляшку» і потрапляють у показану на малюнку оболонку з товщиною близько 1 м.

Усередині оболонки нейтрони стикаються з атомами літію, внаслідок чого відбувається реакція з утворенням тритію:

нейтрон + літій → гелій + тритій

Крім цього, в системі відбуваються і конкуруючі реакції (без утворення тритію), а також багато реакцій з виділенням додаткових нейтронів, які потім також призводять до утворення тритію (при цьому виділення додаткових нейтронів може бути суттєво посилено, наприклад, за рахунок введення в оболонку атомів берилію). та свинцю). Загальний висновок полягає в тому, що в цій установці може (принаймні теоретично) відбуватися реакція ядерного синтезу, при якій утворюватиметься тритій. При цьому кількість тритію, що утворюється, повинна не тільки забезпечувати потреби самої установки, але і бути навіть дещо більшою, що дозволить забезпечувати тритієм і нові установки. Саме ця концепція роботи повинна бути перевірена і реалізована на описаному нижче реакторі ITER.

Крім цього, нейтрони повинні розігрівати оболонку в так званих пілотних установках (в яких будуть використовуватися відносно «звичайні» конструкційні матеріали) приблизно до температури 400°C. Надалі передбачається створити вдосконалені установки з температурою нагріву оболонки вище 1000°C, що може бути досягнуто за рахунок використання нових високоміцних матеріалів (типу композитів з карбіду кремнію). Тепло, що виділяється в оболонці, як і в звичайних станціях, відбирається первинним охолоджуючим контуром з теплоносієм (що містить, наприклад, воду або гелій) і передається на вторинний контур, де і виробляється водяна пара, що подається на турбіни.

1985 - Радянський Союз запропонував установку «Токамак» наступного покоління, використовуючи досвід чотирьох провідних країн зі створення термоядерних реакторів. Сполучені Штати Америки спільно з Японією та Європейським співтовариством висунули пропозицію щодо здійснення проекту.

В даний час у Франції йде будівництво описуваного нижче міжнародного експериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), який буде першим токамаком, здатним запалити плазму.

У найбільш передових існуючих установках типу токамак давно досягнуто температури близько 150 M°C, близькі до значень, необхідних для роботи термоядерної станції, проте реактор ITER має стати першою великомасштабною енергетичною установкою, яка розрахована на тривалу експлуатацію. Надалі необхідно буде суттєво покращити параметри її роботи, що вимагатиме, насамперед, підвищення тиску в плазмі, оскільки швидкість злиття ядер при заданій температурі пропорційна квадрату тиску. Основна наукова проблема при цьому пов'язана з тим, що при підвищенні тиску у плазмі виникають дуже складні та небезпечні нестійкості, тобто нестабільні режими роботи.

Навіщо це нам треба?

Основна перевага ядерного синтезу полягає в тому, що як паливо для нього потрібна лише дуже невелика кількість дуже поширених у природі речовин. Реакція ядерного синтезу в описуваних установках може призводити до виділення величезної кількості енергії, що в десять мільйонів разів перевищує стандартне тепловиділення при звичайних хімічних реакціях (типу спалювання викопного палива). Для порівняння вкажемо, що кількість вугілля, необхідного для забезпечення роботи теплової електростанції потужністю 1 гігаВат (ГВт) становить 10 000 тонн на день (десять залізничних вагонів), а термоядерна установка такої ж потужності споживатиме на день лише близько 1 кілограма суміші D+T .

Дейтерій є стійким ізотопом водню; приблизно в одній з кожних 3350 молекул звичайної води один з атомів водню заміщений дейтерієм (спадщина, що дісталася нам від Великого Вибуху). Це дозволяє легко організувати досить дешеве отримання необхідної кількості дейтерію з води. Більш складним є отримання тритію, який є нестабільним (період напіврозпаду близько 12 років, внаслідок чого його вміст у природі мізерний), проте, як було показано вище, тритій виникатиме прямо всередині термоядерної установки в процесі роботи, за рахунок реакції нейтронів з літієм.

Таким чином, вихідним паливом для термоядерного реактора є літій та вода. Літій є звичайним металом, що широко використовується в побутових приладах (в батарейках для мобільних телефонів і т. п.). Описана вище установка навіть з урахуванням неідеальної ефективності зможе виробляти 200 000 кВт/год електричної енергії, що еквівалентно енергії, що міститься в 70 тоннах вугілля. Необхідна кількість літію міститься в одній батарейці для комп'ютера, а кількість дейтерію - в 45 літрах води. Вказана вище величина відповідає сучасному споживанню електроенергії (у перерахунку на одну особу) у країнах ЄС за 30 років. Сам факт, що така незначна кількість літію може забезпечити вироблення такої кількості електроенергії (без викидів CO2 і без найменшого забруднення атмосфери), є досить серйозним аргументом для найшвидшого та енергійного розвитку термоядерної енергетики (попри всі складнощі та проблеми) і навіть без стовідсоткової впевненості у успіх таких досліджень.

Дейтерія має вистачити на мільйони років, а запаси літію, що легко видобувається, цілком достатні для забезпечення потреб протягом сотень років. Навіть якщо запаси літію в гірських породах вичерпаються, ми можемо видобувати його з води, де він міститься в досить високій концентрації (у 100 разів перевищує концентрацію урану), щоб його видобуток був економічно доцільним.

Експериментальний термоядерний реактор (International thermonuclear experimental reactor) споруджується поблизу міста Кадараш Франції. Головне завдання проекту ІТЕР – здійснення керованої термоядерної реакції синтезу у промислових масштабах.

На одиницю ваги термоядерного палива виходить приблизно в 10 мільйонів разів більше енергії, ніж при згорянні такої ж кількості органічного палива, і приблизно в сто разів більше, ніж при розщепленні ядер урану в реакторах АЕС, що нині діють. Якщо розрахунки вчених та конструкторів виправдаються, це дасть людству невичерпне джерело енергії.

Тому низка країн (Росія, Індія, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада, Японія, країни Євросоюзу) об'єднала свої зусилля у створенні Міжнародного термоядерного дослідницького реактора – прообразу нових енергетичних установок.

ІТЕР являє собою установку, що створює умови для синтезу атомів водню та тритію (ізотопу водню), внаслідок чого утворюється новий атом – атом гелію. Цей процес супроводжується величезним виплеском енергії: температура плазми, у якій триває термоядерна реакція - близько 150 млн. градусів за Цельсієм (для порівняння – температура ядра Сонця 40 млн. градусів). При цьому ізотопи вигоряють практично не залишаючи радіоактивних відходів.

Схема участі у міжнародному проекті передбачає постачання компонентів реактора та фінансування його будівництва. В обмін на це кожна з країн-учасниць отримує повний доступ до всіх технологій створення термоядерного реактора та до результатів усіх експериментальних робіт на цьому реакторі, які стануть основою для проектування серійних енергетичних термоядерних реакторів.

Реактор, заснований на принципі термоядерного синтезу, не має радіоактивного випромінювання і є повністю безпечним для навколишнього середовища. Він може бути розташований практично в будь-якій точці земної кулі, а паливом для нього є звичайна вода. Будівництво ITER має тривати близько десяти років, після чого реактор передбачається використати протягом 20 років.

Інтереси Росії у Раді Міжнародної організації з будівництва термоядерного реактора ІТЕР найближчими роками представлятиме член-кореспондент РАН Михайло Ковальчук - директор РНЦ «Курчатівський інститут», Інституту кристалографії РАН та вчений секретар президентської Ради з науки, технологій та освіти. Ковальчук тимчасово замінить на цій посаді академіка Євгена Веліхова, якого обрано на найближчі два роки головою міжнародної ради ІТЕР та не має права поєднувати цю посаду з обов'язками офіційного представника країни-учасниці.

Загальна вартість будівництва оцінюється в 5 мільярдів євро, ще стільки ж знадобиться для дослідної експлуатації реактора. Частки Індії, Китаю, Кореї, Росії, США та Японії становлять приблизно по 10 відсотків загальної вартості, 45 відсотків припадає на країни Європейського союзу. Однак поки що європейські держави не домовилися, як саме витрати будуть розподілені між ними. Через це початок будівництва перенесено на квітень 2010 року. Незважаючи на чергову відстрочку, вчені та чиновники, залучені до створення ІТЕР, стверджують, що зможуть завершити проект до 2018 року.

Розрахункова термоядерна потужність ІТЕР становить 500 мегават. Окремі деталі магнітів сягають від 200 до 450 тонн. Для охолодження ІТЕР потрібно 33 тисячі кубометрів води на день.

1998 року США припинили фінансування своєї участі у проекті. Після того, як до влади в країні прийшли республіканці, а в Каліфорнії почалися віялові відключення електроенергії, адміністрація Буша оголосила про збільшення вкладень в енергетику. Брати участь у міжнародному проекті США не мали наміру і займалися власним термоядерним проектом. На початку 2002 року радник президента Буша з технологій Джон Марбургер III заявив, що США передумали і мають намір повернутися до проекту.

Проект за кількістю учасників можна порівняти з іншим найбільшим міжнародним науковим проектом – Міжнародною космічною станцією. Вартість ІТЕР, що раніше досягала 8 мільярдів доларів, потім склала менше 4 мільярдів. В результаті виходу з-поміж учасників Сполучених Штатів було вирішено зменшити потужність реактора з 1,5 ГВт до 500 МВт. Відповідно «схудла» і ціна проекту.

У червні 2002 року у російській столиці відбувся симпозіум «Дні ІТЕР у Москві». На ньому обговорювалися теоретичні, практичні та організаційні проблеми відродження проекту, успіх якого здатний змінити долю людства і дати йому новий вид енергії, за ефективністю та економічністю можна порівняти лише з енергією Сонця.

У липні 2010 року представники країн-учасниць проекту міжнародного термоядерного реактора ITER затвердили його бюджет та термін будівництва на позачерговій зустрічі, що відбулася у французькому Кадараші. Звіт про зустріч є тут.

На позачерговій зустрічі учасники проекту затвердили термін початку перших експериментів із плазмою - 2019 рік. Проведення повноцінних дослідів заплановано на березень 2027 року, хоча керівництво проекту попросило технічних фахівців спробувати оптимізувати процес та розпочати досліди у 2026 році. Учасники зустрічі також визначились із витратами на будівництво реактора, проте суми, які планується витратити на створення установки, не розголошуються. За інформацією, отриманою редактором порталу ScienceNOW з неназваного джерела, на момент початку експериментів вартість проекту ITER може становити 16 мільярдів євро.

Зустріч також стала першим офіційним робочим днем ​​для нового директора проекту, японського фізика Осаму Мотодзіма (Osamu Motojima). До нього проектом з 2005 року керував японець Канамі Ікеда (Kaname Ikeda), який побажав залишити посаду одразу після затвердження бюджету та термінів будівництва.

Термоядерний реактор ITER є спільним проектом держав Євросоюзу, Швейцарії, Японії, США, Росії, Південної Кореї, Китаю та Індії. Ідея створення ITER розглядається з 80-х років минулого століття, проте через фінансові та технічні складнощі вартість проекту постійно зростає, а дата початку будівництва постійно відкладається. У 2009 році фахівці розраховували, що роботи зі створення реактора розпочнуться у 2010 році. Пізніше цю дату пересунули, а як час запуску реактора називався спочатку 2018, а потім 2019 рік.

Реакції термоядерного синтезу – це реакції злиття ядер легких ізотопів з утворенням ядра важчого, що супроводжується величезним викидом енергії. У теорії в термоядерних реакторах можна отримувати багато енергії з низькими витратами, але на даний момент вчені витрачають набагато більше енергії та грошей на запуск та підтримку реакції синтезу.

Термоядерний синтез – це дешевий та екологічно безпечний спосіб видобутку енергії. На Сонці вже мільярди років відбувається некерований термоядерний синтез – з важкого ізотопу водню дейтерію утворюється гелій. При цьому виділяється величезна кількість енергії. Однак на Землі люди поки що не навчилися керувати подібними реакціями.

Як паливо в реакторі ІТЕР будуть використовуватися ізотопи водню. У ході термоядерної реакції енергія виділяється при з'єднанні легких атомів у більш тяжкі. Щоб досягти цього, необхідно розігріти газ до температури понад 100 мільйонів градусів – набагато вище за температуру в центрі Сонця. Газ за такої температури перетворюється на плазму. Атоми ізотопів водню при цьому зливаються, перетворюючись на атоми гелію з виділенням великої кількості нейтронів. Електростанція, що працює на цьому принципі, використовуватиме енергію нейтронів, що уповільнюються шаром щільної речовини (літію).

Чому створення термоядерних установок таке затягнулося?

Чому ж такі важливі та цінні установки, переваги яких обговорюються майже півстоліття, ще не створено? Існують три основні причини (розглянуті нижче), першу з яких можна назвати зовнішньою чи суспільною, а дві інші – внутрішніми, тобто зумовленими законами та умовами розвитку самої термоядерної енергетики.

1. Довгий час вважалося, що проблема практичного використання енергії термоядерного синтезу не вимагає термінових рішень і дій, оскільки ще у 80-х роках минулого століття джерела викопного палива здавалися невичерпними, а проблеми екології та зміни клімату не хвилювали громадськість. У 1976 році Консультативний комітет з термоядерної енергії в Міністерстві енергетики США спробував оцінити терміни здійснення НДДКР та створення демонстраційної термоядерної енергетичної установки за різних варіантів фінансування досліджень. При цьому виявилося, що обсяги річного фінансування досліджень у цьому напрямі зовсім недостатні, і при збереженні існуючого рівня асигнувань створення термоядерних установок ніколи не завершиться успіхом, оскільки кошти, що виділяються, не відповідають навіть мінімальному, критичному рівню.

2. Більш серйозна перешкода на шляху розвитку досліджень у цій галузі полягає в тому, що термоядерну установку типу, що обговорюється, не можна створити і продемонструвати в малих розмірах. З наведених далі пояснень стане ясно, що для термоядерного синтезу необхідне не тільки магнітне утримання плазми, а й достатній її нагрівання. Відношення енергії, що витрачається і одержується, зростає, щонайменше, пропорційно квадрату лінійних розмірів установки, внаслідок чого науково-технічні можливості і переваги термоядерних установок можуть бути перевірені і продемонстровані лише на досить великих станціях, типу згадуваного реактора ITER. Суспільство просто не було готове до фінансування таких великих проектів, доки не було достатньої впевненості в успіху.

3. Розвиток термоядерної енергетики мало дуже складний характер, проте (незважаючи на недостатнє фінансування та труднощі вибору центрів для створення установок JET та ITER) в останні роки спостерігається явний прогрес, хоча станція, що діє, ще не створена.

Сучасний світ стоїть перед дуже серйозним енергетичним викликом, який точніше можна назвати «невизначеною енергетичною кризою». Проблема пов'язана з тим, що запаси викопних горючих речовин можуть вичерпатися вже в другій половині цього століття. Більше того, спалювання викопних палив може призвести до необхідності якимось чином пов'язувати і «зберігати» вуглекислий газ, що випускається в атмосферу (згадана вище програма CCS) для запобігання серйозним змінам у кліматі планети.

В даний час майже вся енергія, що споживається людством, створюється спалюванням викопних палив, а вирішення проблеми може бути пов'язане з використанням сонячної енергії або ядерної енергетики (створенням реакторів-розмножувачів на швидких нейтронах тощо). Глобальна проблема, зумовлена ​​зростанням населення країн, що розвиваються, і їх потребою у підвищенні рівня життя та збільшенні обсягу виробленої енергії, не може бути вирішена тільки на основі розглянутих підходів, хоча, звичайно, слід заохочувати будь-які спроби розвитку альтернативних методів вироблення енергії.

Власне, у нас невеликий вибір стратегій поведінки та розвиток термоядерної енергетики є виключно важливим, навіть незважаючи на відсутність гарантії успіху. Газета Financial Times (від 25.01.2004) писала з цього приводу:

«Навіть у тому випадку, якщо витрати на проект ITER значно перевищать вихідний кошторис, навряд чи вони досягнуть рівня 1 мільярда доларів на рік. Такий рівень витрат слід вважати вельми скромною платою за цілком розумну можливість створити нове джерело енергії для всього людства, особливо з урахуванням того, що вже в цьому столітті нам неминуче доведеться розлучитися зі звичкою марнотратно і безрозсудно спалювати викопні види палива».

Сподіватимемося на те, що жодних великих і несподіваних сюрпризів на шляху розвитку термоядерної енергетики не буде. У цьому випадку приблизно через 30 років ми зуміємо вперше подати електричний струм від неї в енергетичні мережі, а ще через 10 років почне працювати перша комерційна термоядерна електростанція. Можливо, що в другій половині нашого століття енергія ядерного синтезу почне замінювати викопні палива і поступово відіграватиме важливу роль у забезпеченні людства енергією в глобальному масштабі.

Немає абсолютної гарантії, що завдання створення термоядерної енергетики (як ефективне і великомасштабне джерело енергії для всього людства) завершиться успішно, але ймовірність успіху в цьому напрямку досить висока. З огляду на величезний потенціал термоядерних станцій можна вважати виправданими всі витрати на проекти їх швидкого (і навіть прискореного) розвитку, тим більше, що ці капіталовкладення виглядають дуже скромними на тлі жахливого за обсягом світового енергетичного ринку (4 трильйони доларів на рік8). Забезпечення потреб людства енергії є дуже серйозною проблемою. У міру того, як викопне паливо стає все менш доступним (крім цього його використання стає небажаним), ситуація змінюється, і ми просто не можемо дозволити собі не розвивати термоядерну енергетику.

На запитання "Коли з'явиться термоядерна енергетика?" Лев Арцимович (визнаний піонер і лідер досліджень у цій галузі) якось відповів, що «вона буде створена, коли стане справді необхідною людству»

ІТЕР стане першим термоядерним реактором, який вироблятиме більше енергії, ніж споживатиме. Вчені вимірюють цю характеристику за допомогою простого коефіцієнта, який вони називають Q. Якщо ІТЕР дозволить досягти всіх поставлених наукових цілей, то він вироблятиме в 10 разів більше енергії, ніж споживати. Останній з побудованих пристроїв – «Спільний європейський тор» в Англії – є дрібнішим прототипом термоядерного реактора, який на остаточному етапі наукових досліджень досяг значення Q, що дорівнює майже 1. Це означає, що він виробляв рівно стільки ж енергії, скільки споживав. ІТЕР дозволить перевершити цей результат, продемонструвавши створення енергії в процесі термоядерного синтезу і досягнувши значення Q, що дорівнює 10. Ідея полягає в тому, щоб при обсязі споживання енергії на рівні приблизно 50 МВт виробляти 500 МВт. Таким чином, однією з наукових цілей ІТЕР є довести, що може бути досягнуто значення Q, що дорівнює 10.

Інша наукова мета полягає в тому, що ІТЕР матиме досить тривалий час "горіння" - імпульс збільшеної тривалості до однієї години. ІТЕР – це науково-дослідний експериментальний реактор, який не може виробляти енергію постійно. Коли ІТЕР почне працювати, він буде увімкнений протягом однієї години, після чого його необхідно буде відключити. Це важливо тому, що досі створювані нами типові пристрої були здатні мати час горіння завдовжки кілька секунд або навіть десятих часток секунд - це максимум. «Спільний європейський тор» досяг свого значення Q, що дорівнює 1, при часі горіння приблизно дві секунди при довжині імпульсу 20 секунд. Але процес, який триває кілька секунд, не є по-справжньому постійним. За аналогією із запуском двигуна автомобіля: короткочасне включення двигуна з наступним вимкненням - це ще не справжня експлуатація автомобіля. Тільки коли ви проїдете на вашому автомобілі протягом півгодини, він вийде на постійний режим роботи та продемонструє, що на такому автомобілі справді можна їхати.

Тобто, з технічної та наукової точок зору, ІТЕР забезпечить значення Q, що дорівнює 10, та збільшений час горіння.

Програма термоядерного синтезу має воістину міжнародний, широкий характер. Люди вже зараз розраховують на успіх ІТЕР і думають про наступний крок – створення прототипу промислового термоядерного реактора під назвою ДЕМО. Щоб побудувати його, необхідно, щоб ІТЕР працював. Ми повинні досягти наших наукових цілей, тому що це означатиме, що ідеї, які ми висуваємо, цілком здійсненні. Проте, я погоджуюсь з тим, що завжди слід думати про те, що буде далі. Крім того, в процесі експлуатації ІТЕР протягом 25-30 років наші знання поступово поглибляться та розширяться, і ми зможемо більш точно намітити наш наступний крок.

Справді, суперечок про те, чи ІТЕР повинен бути саме токамаком, не виникає. Деякі вчені ставлять питання зовсім інакше: чи ІТЕР повинен бути? Фахівці в різних країнах, які розвивають власні, не такі масштабні термоядерні проекти, стверджують, що такий великий реактор зовсім не потрібен.

Втім, їхню думку навряд чи варто вважати авторитетною. У створенні ІТЕР були задіяні фізики, які працюють із тороїдальними пастками вже кілька десятків років. В основу пристрою експериментального термоядерного реактора в Карадаші лягли всі знання, отримані в ході експериментів на десятках попередників-токамаків. І ці результати говорять про те, що реактор обов'язково винен токамаком, причому великим.

JET На даний момент найуспішнішим токамаком можна вважати JET, побудований ЄС у британському містечку Ебінгдоні. Це найбільший із створених сьогодні реакторів типу токамак, великий радіус плазмового тора 2,96 метрів. Потужність термоядерної реакції досягає вже більше 20 мегават при часі утримання до 10 секунд. Реактор повертає близько 40% вкладеної в плазму енергії.

Саме фізика плазми визначає енергобаланс, – розповів Infox.ru Ігор Семенов. Що таке енергобаланс доцент МФТІ описав на простому прикладі: «Всі ми бачили, як горить багаття. Насправді, там не дрова горять, а газ. Енергетичний ланцюжок там ось який: горить газ, гріє дрова, дрова випаровуються, знову горить газ. Тому, якщо ми пліснемо у вогонь води, то різко заберемо з системи енергію на фазовий перехід рідкої води в пароподібний стан. Баланс стане негативним, багаття згасне. Є й інший спосіб - ми просто можемо взяти і головешки рознести у просторі. Багаття теж згасне. Так само і в термоядерному реакторі, який ми будуємо. Розміри вибрано так, щоб створити для даного реактора відповідний позитивний енергобаланс. Достатній, щоб у майбутньому побудувати справжню ТЯЕС, вирішивши на цьому експериментальному етапі всі проблеми, які на даний момент залишаються невирішеними».

Розміри реактора якось змінювалися. Це сталося на рубежі XX-XXI століття, коли США вийшли з проекту, а члени, що залишилися, зрозуміли, що бюджет ІТЕР (на той момент він оцінювався в 10 мільярдів доларів США) занадто великий. Від фізиків та інженерів вимагали зменшити вартість установки. А зробити це можна було лише за рахунок розмірів. Керував «перепроектуванням» ІТЕР французький фізик Роберт Аймар (Robert Aymar), який раніше працював на французькому токамаку Tore Supra у Карадаші. Зовнішній радіус плазмового тора було скорочено з 8,2 до 6,3 метра. Втім, ризики, пов'язані із зменшенням розміру, частково компенсували кілька додаткових надпровідних магнітів, які дозволили реалізувати відкритий і досліджений режим утримання плазми.