Как строится искусственное солнце



Что расказали участники телемоста, посвященного строительству ITER

Надежный, экологически чистый и мощный источник энергии – одна из главных потребностей человечества сегодня. В числе наиболее перспективных кандидатов на решение этой задачи рассматривают термоядерный синтез.

Сами по себе термоядерные реакции науке известны давно, они протекают в ядре Солнца, обеспечивая его энергией. Но возможно ли воспроизвести такую реакцию на Земле. Первым шагом стало изобретение токомаков (тороидальных камер, внутри которых газ превращается в плазму) советскими учеными в середине прошлого века. Но поскольку даже в токомаках невозможно воссоздать давление как в солнечных недрах, его недостаток для запуска реакции термоядерного синтеза надо компенсировать температурой. В экспериментальной установке, над созданием которой сейчас работают ученые всей планеты предполагается нагревать газ до 150 млн градусов. А удерживать плазму в центре камеры – с помощью самых мощных сверхпроводящих магнитов.

Вообще в описании характеристик этой установки слово «самый» встречается очень часто. Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER) называют самым дорогим и сложно организованным инженерным проектом в истории человечества. Работы по его строительству начались в Кадараш (Франция) в январе 2007 года. Первоначально планировалось закончить работу по созданию реактора в 2016 году. Но в процессе реализации проекта встал ряд серьезных технических трудностей и новых для науки задач, в результате чего сроки сдачи объекта неоднократно сдвигались. В настоящее время запуск установки ожидается в 2025 году. Активными участниками проекта являются российские ученые. Они рассказали о своей работе и о том, как обстоят дела на ITER в настоящее время в ходе специального телемоста, организованного Информационным центром атомной энергетики.

– Проект уже перешел в стадию сооружения самой установки, так, в этом году мы начинаем монтаж вакуумной камеры, - рассказал директор Российского агентства ИТЭР, д.ф.-м.н. Анатолий Красильников. – Одновременно идет монтаж сверхпроводящей магнитной системы.

Модуль вакуумной камеры собирался в Корее, но есть в нем и российский вклад: часть элементов делали наши специалисты.

Переход от проектирования к собственно сооружению реактора стал для ITER своего рода «точкой невозврата» (руководство проекта заявило, что работа по получению первой плазмы в реакторе выполнена на 70 %), теперь очень важно, чтобы никто из участников процесса не отставал от графика, ведь в такого рода проектах зачет идет «по последнему».

В своем выступлении Анатолий Красильников напомнил, что проект является экспериментальным и получение электроэнергии не является главной задачей установки. Цель ученых показать, что можно получить в десять раз больше энергии из плазмы, чем затрачено на ее создание и поддержание (что и делает установку термоядерного синтеза экономически рентабельной). Напомним, сейчас мировой рекорд соотношения затраченной и полученной энергии для токомаков – о,67, то есть почти в двадцать раз меньше.

Вклад нашей страны в ITER – двадцать пять систем и узлов будущей установки, над которыми работают специалисты десятков организаций по всей стране. Активным участником проекта является Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород). О вкладе нижегородцев рассказал директор института, д. ф.-м. н., член-корреспондент РАН Григорий Денисов:

– В начале лета этого года мы провели успешные испытания очередного элемента установки – гиротроного комплекса, причем это уже четвертый комплекс, который мы сделали в рамках ITER. Гиротрон – это прибор, генерирующий электромагнитные волны очень высокой частоты и с малой диной волны. Эти волны участвуют в процессе разогрева плазмы в токомаке до необходимой температуры.

Всего на установке будет 24 комплекса, восемь из которых – российского производства, первая пара российских гиротронных комплексов совместно с оборудованием по управлению должна быть поставлена на монтажную площадку в середине следующего года.

Надо отметить, что у сотрудников Института прикладной физики накоплен немалый опыт в создании таких комплексов. Половина современных установок типа токамак и стелларатор ведущих термоядерных лабораторий мира оснащены нижегородскими гиротронами. В свою очередь, работа над комплексами для ITER заметно пополнила портфель технологических решений и ноу-хау, которые в будущем позволят ИПФ РАН сохранить свои лидерские позиции в этом направлении.

Тему участия российских ученых в международном проекте продолжил научный руководитель Отделения физики плазмы, атомной физики и астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург), д. ф.-м. н., профессор Михаил Петров:

– Силами нашего института готовятся три системы диагностики плазмы в реакторе, в частности, для защиты его от аварий, что очень важно. Как и нижегородцы, мы имели хороший задел, почему нам и поручили изготовление этих систем.

Всего в установке будет задействовано порядка сорока диагностических систем, но наиболее важных – десять. И системы ученых Санкт-Петербурга входят как раз в эту первую десятку, чем их разработчики заслуженно гордятся. Чтобы они соответствовали параметрам реактора ITER (аналогов которому в мире нет), пришлось разрабатывать диагностические системы нового поколения, которые могут работать в условиях чудовищных температур, сильного радиационного фона и рассеянного магнитного поля в сто тысяч раз превышающего по мощности естественное магнитное поле нашей планеты.

В своем выступлении Михаил Петрович коснулся пути, который прошла отечественная наука в области термоядерной физики:

– Я пришел работать в институт в 1959 году, и сразу попал в группу, которая делала анализатор для легендарной установки «Альфа», построенной не менее легендарным академиком Игорем Васильевичем Курчатовым. С тех пор я так и работал в этой области. И сейчас, через шестьдесят лет, мы ставим анализатор на ITER. Это, наверное, венец моей карьеры. Хотя, конечно, хочется дожить до 2035 года, когда установка должна будет начать давать энергию, приехать на эту церемонию и нажать какую-нибудь кнопочку.

Говоря о российском вкладе в ITER, нельзя обойти вниманием новосибирский Институт ядерной физики им. Будкера. О его вкладе в этот проект мы уже неоднократно рассказывали. Именно там, в частности, диагностические системы из Физтеха вместе с рядом других приборов объединяют в т.н. порт-плаги – модули систем диагностики, каждый из которых весит десятки тонн. Порт-плаги, которые будут установлены по всему периметру установки, с одной стороны будут защищать оборудование от потока нейтронов, образующегося в результате термоядерной реакции, а с другой - снижать радиационный фон в зонах, требующих доступа ученых.

На телемосте новосибирских ядерщиков представлял советник дирекции ИЯФ СО РАН, д.ф.-м.н. Александр Бурдаков:

– Главная сложность в этой работе в том, что мы первыми идем по этому пути, в мире нет аналогов установки ITER и, соответственно, порт-плаг тоже является первым опытом интеграции многих портов в единую систему. Мы их не собираем по чьим-то чертежам, а проектируем сами. Сложность задачи видна уже из названия: «порт» - это отверстие, через которое диагностическая система заглядывает в плазму, а «плаг» - затычка, мешающая плазме вырваться из камеры.

Иначе говоря, ученым надо в рамках одной системы обеспечить два противоположных процесса – доступ в камеру и защиту ее целостности. Всего в ИЯФ будет создано четыре порт-плага, каждый со своими уникальными особенностями и параметрами. Первый должен быть установлен на месте к моменту получения первой плазмы, то есть, до 2025 года. Сроки сжатые (учитывая, что часть оборудования для порт-плага еще само находится в стадии разработки), но новосибирцы уверены в своих силах. В конце концов, в ИЯФ СО РАН накоплен большой опыт участия в масштабных международных проектах.

Участники телемоста давали разные ответы на вопрос, чем стал для них ITER. Но общим является то, что проект – это не просто установка класса «мега-сайнз». Это по-настоящему большая идея, объединившая лучших специалистов в этой области по всему миру. И не удивительно, что уже сейчас, когда установка не проработала еще ни одного дня, она уже внесла огромный вклад в виде изобретений, новых технологий и т.п. в развитие атомной энергетики и физику элементарных частиц. Так что вопрос о том, окупятся ли затраты на строительство термоядерного реактора в Кадараше, можно считать закрытым.

Сергей Исаев

Анализ
×
Курчатов Игорь Васильевич
Денисов Григорий
Петров Михаил Петрович
Красильников Анатолий
Исаев Сергей
ИЯФ СО РАН
Сфера деятельности:Образование и наука
3
ИПФ РАН
Организации
5