ITER: новая энергетика и термоядерная надежда человечества

Задачу по удержанию плазмы пытались решить ученые разных стран, но впервые она покорилась советским специалистам Института им. Курчатова. В 1950 году А. Сахаров и И. Тамм озвучили совместную идею удерживания разогретой плазмы в тороидальном магнитном поле. Горячая смесь Дейтрия и Трития при пропуске через нее электрического тока не касалась стенок реактора.
Установка, в которой проходили указанные процессы, получила название ТОКАМАК (по первым буквам входящих в нее компонентов — Тороидальные Камеры с Магнитными Катушками). Она представляет собой некий бублик с вакуумной камерой внутри. Именно в нем впервые на планете была сгенерирована температура термоядерной реакции 100 000 000°С — это значение в 10 раз превышает температуру внутри Солнца.

ТОКАМАК в современном мире

С момента использования «бублика» прошло около семи десятков лет, но устройство не потеряло своей актуальности. Подобные термоядерные реакторы остаются наиболее удачными и сейчас имеются в большинстве развитых стран. 
За указанный период было создано около 300 ТОКАМАКов. Один из них заслуживает пристального внимания, поскольку работа над ним ведется в настоящее время. Речь про ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — первый в мире международный термоядерный реактор. Проект считается экспериментальным, а над его реализацией работают сразу несколько государств.
ИТЭР расположен в южной части Франции недалеко от г. Марсель. Его разработчики планируют получать в 10 раз больше энергии, чем придется тратить на разогрев и удержание плазмы. Идея весьма амбициозная. Если ее получится реализовать, то установка станет первой на планете с положительным балансом производимой энергии!

Для запуска термоядерной реакции положительно заряженные ионы необходимо нагреть до темепратуры в миллионы градусов, чтобы преодолеть кулоновский барьер, который заставляет одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга. 
Следует учитывать и паркметр Q - отношение полученной в результате термоядерной реакции энергии, к энергии, затраченной на разогрев и удержание плазмы. Чтобы установка имела "положительный эффект" Q должен быть не менее 10, тогда от установки будет практический положительный эффект. До сих пор лучший показатель принадлежит токамаку JET (Joint European Torus), и составляет он жалкие 0,67.
То есть, чтобы начинать радоваться возможностям термоядерной энергетики нужно в 15 раз больше.
Вот тут на сцену и выходит ITER, постройка которого по предварительным оценкам требует не менее 20 млрд. евро. 

Деньги серьезные, но они должны окупиться. Тем более затраты поделены на семь стран. Но европейцы не должны заниматься самообманом. Даже с учетом хороших перспектив установки они очень далеки от создания полноценной термоядерной электростанции.

Эра управляемого термоядра еще не наступила

Ошибочно считать, что с запуском ИТЭРа для человечества начнется уникальная эпоха. Как говорилось выше, этот проект является неким глобальным экспериментом. Он нацелен на практическую реализацию идеи по созданию термоядерной энергии в промышленных масштабах.
В идеале участники проекта хотели бы получить чистую энергию без применения урана и получения вредных ядерных отходов. Но это далекие перспективы. На сегодняшний день необходимо понять, возможно ли получить десятикратное увеличение затраченной энергии. Если к 2035 году (или чуть позже) ответ на этот вопрос будет получен, то начнется обсуждение строительства демо-станции. А работы над ней начнутся в районе 2045-2050 годов.

В чем идея ИТЭРа?

В реализации проекта участвую семь государств, причем между ними нет разделения по решению локальных задач. Такой подход выбран не случайно. Разработчики изначально не хотели, чтобы конкретные разработки попадали под полный контроль отдельных государств. А так все причастны к продвижению.
Примечательно, что в списке семи участников есть и РФ. Наша страна является поставщиком верхних патрубков вакуумной камеры, катушек тороидального поля, модулей термозащиты и части диверторов. Также она реализует определенные диагностические схемы.

Сроки реализации проекта по разным причинам сдвигаются. Изначально планировали зажечь водородную плазму в 2020 году, но сейчас этот этап перенесен на 2025 год. В 2027 году должны начаться запуски с дейтерий-тритиевой плазмой. Скорей всего, этот план также не будет реализован.

Почему нужно изучать термоядерный синтез?

Человечество не случайно в 21 веке активно проводит подобные научные изыскания. Оно стремится к промышленному использованию термоядерной энергии, чему мешают несколько факторов:

• Дороговизна Трития. Его производство — дорогостоящий процесс, а только для запуска ИТЭРа необходимо не менее 3 кг этого радиоактивного изотопа. К слову, поддержание ядерного арсенала Соединенных Штатов ежегодно требует чуть больше 2 кг! 
  В результате реакции Дейтерия и Трития, происходящей при помощи лития-6, образуются нейтроны. Но в результате их естественных потерь количество Дейтерия будет снижаться. Поэтому необходимо использовать другой изотоп. Например, литий-7, либо свинец.

• Сложности со стабилизацией плазмы. Разряд постоянно меняет размеры, что приводит к касанию стенок или прекращению передачи тока (разрыв кольца). Ученые по-разному пытались бороться с указанным явлением. Например, вокруг вертикальной оси камеры пускали полоидальное магнитное поле, делали больше камеру и т.д.
• Чрезмерная мощность нейтронного излучения. При сопоставимой с обычными реакторами вырабатываемой мощности здесь нейтронный поток намного больше. Доходит до 10-кратной разницы, причем энергия нейтронов также значительно выше. Это неизбежно скажется на сроке службы реактора. Например, при использовании стандартных конструктивных решений и материалов он проработает не более 5 лет. Хотя стандартные реакторы служат 50 и более лет.

Реальное использование термоядерных реакций

У ядерной и термоядерной реакции разная физика течения. В первом случае происходит расщепление тяжелых ядер на легкие. Во втором — легкие ядра объединяются и образуют тяжелые.
Если обратиться к примерам, то в термоядерных реакциях участвуют преимущественно водород и гелий. А ядерных очень распространено деление ядер урана.
Сама идея строительства термоядерной электростанции муссируется давно. Она даже была внесена в бюллетень IAEA 2019 года. 

Nам было сказано, что для реализации подобного проекта необходимо решить три ключевые задачи:

• Высокая плотность частиц в теле плазмы — это необходимо для их частого соприкосновения.
• Достижение значительной температуры — необходимо преодолеть отметку в 100 000 000°C.
• Достижение высоких прочностных характеристик конфайнмента — он должен обеспечить стабильность реакции и исключить утечки плазмы.

Перспективы использования термоядерной реакции можно определить при помощи «критерия Лоусона». Лучшие показатели у термоядерного синтеза Дейтерия и Трития, которые образуют ядро гелия и нейтрон с высочайшими энергетическими показателями. В результате выделяется энергия, которая способна продолжать термоядерные реакции.
Еще аргумент в пользу применения Трития и Дейтерия — относительная простота преодоления кулоновского барьера. Плюс такую реакцию достаточно легко запускать и поддерживать искусственно.

Реальное использование термоядерных реакций

Теоретически для получения энергии можно использовать разные реакции. Но применимы ли они на практике?
Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС. Проблема в том, что гелий-3, наиболее желательный компонент для развития термоядерной энергетики — очень редкий изотоп. На Земле его крайне мало, а реальным источником может считаться солнечный ветер. 
В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием. Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. 

Перспективы ITER

Уже известно, что запуск реактора ИТЭРа перенесен. Изначально он был намечен на 2025 год, но теперь сроки не называются. Причиной корректировки стали обнаруженные дефекты.
На теплозащитном экране проявились предвестники коррозии. Предположительно она началась после приваривания трубок охлаждения к корпусу. Эта проблема потребует значительной разборки объекта. 
Также в процессе реализации проекта удалось выяснить, что вакуумная камера по размерам отличается от проектных значений. Неизвестно, кто допустил эту ошибку. Но за указанный участок работ отвечали Южная Корея и ЕС.
Если верить заявлениям П. Барабаски, руководящего проектом ITER, исправить недочеты быстро не получится. На это понадобятся годы кропотливой работы!