Kes ehitab termotuumareaktorit? Iter – rahvusvaheline termotuumareaktor (iter) Termotuumajaamad

Tänapäeval osalevad paljud riigid termotuumauuringutes. Liidrid on Euroopa Liit, USA, Venemaa ja Jaapan, samas kui programmid Hiinas, Brasiilias, Kanadas ja Koreas laienevad kiiresti. Algselt seostati USA ja NSV Liidu termotuumasünteesi reaktoreid tuumarelvade arendamisega ja need jäid salastatuks kuni konverentsini Atom for Peace, mis toimus Genfis 1958. aastal. Pärast Nõukogude tokamaki loomist muutusid tuumasünteesiuuringud 1970. aastatel "suureks teaduseks". Kuid seadmete maksumus ja keerukus kasvasid nii kaugele, et rahvusvaheline koostöö sai ainsaks edasiminekuks.

Termotuumareaktorid maailmas

Alates 1970. aastatest on termotuumasünteesienergia kaubanduslik kasutamine pidevalt 40 aastat edasi lükatud. Viimastel aastatel on aga juhtunud palju, mis võib lubada seda perioodi lühendada.

Ehitatud on mitmeid tokamakseid, sealhulgas Euroopa JET, Briti MAST ja TFTR eksperimentaalne termotuumasünteesi reaktor USA-s Princetonis. Rahvusvaheline ITERi projekt on praegu Prantsusmaal Cadarache'is ehitamisel. See on suurim tokamak, kui see hakkab tööle 2020. aastal. 2030. aastal ehitab Hiina CFETR-i, mis ületab ITERi. Samal ajal tegeleb Hiina eksperimentaalse ülijuhtiva tokamaki EAST uurimisega.

Teadlaste seas on populaarne ka teist tüüpi termotuumasünteesi reaktor, stellaatorid. Üks suurimaid, LHD, alustas tööd Jaapani riiklikus instituudis 1998. aastal. Seda kasutatakse plasma sulgemiseks parima magnetkonfiguratsiooni leidmiseks. Saksa Max Plancki Instituut viis aastatel 1988–2002 läbi uuringuid Garchingi Wendelstein 7-AS reaktoris ja praegu Wendelstein 7-X reaktoris, mille ehitamine kestis üle 19 aasta. Teine TJII stellaraator töötab Hispaanias Madridis. USA-s peatas Princetoni labor (PPPL), mis ehitas 1951. aastal esimese seda tüüpi termotuumasünteesi reaktori, NCSX-i ehitamise 2008. aastal kulude ületamise ja rahastamise puudumise tõttu.

Lisaks on inertsiaalse termotuumasünteesi uuringutes tehtud olulisi edusamme. Riikliku tuumajulgeoleku administratsiooni rahastatud 7 miljardi dollari suuruse riikliku süüteseadme (NIF) ehitamine Livermore'i riiklikus laboris (LLNL), mida rahastab riiklik tuumajulgeoleku administratsioon, lõpetati märtsis 2009. Prantsuse Laser Mégajoule (LMJ) alustas tööd 2014. aasta oktoobris. Tuumasünteesireaktorid kasutavad tuumasünteesireaktsiooni käivitamiseks lasereid, mis edastavad mõne miljardik sekundi jooksul mõne millimeetri suuruse sihtmärgini umbes 2 miljonit džauli valgusenergiat. NIF-i ja LMJ-i esmane missioon on teadusuuringud riiklike sõjaliste tuumaprogrammide toetamiseks.

ITER

1985. aastal tegi Nõukogude Liit ettepaneku ehitada koos Euroopa, Jaapani ja Ameerika Ühendriikidega järgmise põlvkonna tokamak. Tööd viidi läbi IAEA egiidi all. Aastatel 1988–1990 loodi esimesed rahvusvahelise termotuumakatsereaktori ITER kujundused, mis tähendab ladina keeles ka "tee" või "teekond", et tõestada, et termotuumasünteesi abil on võimalik toota rohkem energiat, kui see neelas. Osalesid ka Kanada ja Kasahstan, vahendasid vastavalt Euratom ja Venemaa.

Kuus aastat hiljem kiitis ITERi juhatus heaks esimese laiaulatusliku väljakujunenud füüsikal ja tehnoloogial põhineva reaktoriprojekti, mis läks maksma 6 miljardit dollarit. Seejärel astus USA konsortsiumist välja, mis sundis neid kulusid poole võrra vähendama ja projekti muutma. Tulemuseks on ITER-FEAT, mis maksab 3 miljardit dollarit, kuid saavutab isemajandava reaktsiooni ja positiivse võimsuse tasakaalu.

2003. aastal liitus konsortsiumiga uuesti USA ja Hiina teatas oma soovist osaleda. Selle tulemusena leppisid partnerid 2005. aasta keskel kokku ITERi ehitamises Lõuna-Prantsusmaal Cadarache'is. EL ja Prantsusmaa panustasid poole 12,8 miljardist eurost ning Jaapan, Hiina, Lõuna-Korea, USA ja Venemaa kumbki 10%. Jaapan pakkus kõrgtehnoloogilisi komponente, säilitas materjalide testimiseks mõeldud 1 miljardi euro suuruse IFMIF-i rajatise ja tal oli õigus ehitada järgmine katsereaktor. ITERi kogumaksumus sisaldab poole 10-aastase ehitus- ja poole võrra 20-aastase kasutuse kuludest. Indiast sai 2005. aasta lõpus seitsmes ITERi liige.

Katsed peaksid algama 2018. aastal, kasutades vesinikku, et vältida magnetite aktiveerimist. D-T plasma kasutamist ei eeldata enne 2026. aastat.

ITERi eesmärk on toota 500 MW (vähemalt 400 s), kasutades vähem kui 50 MW sisendvõimsust ilma elektrit tootmata.

Demo kahe gigavatine näidiselektrijaam hakkab jooksvalt suures mahus tootma. Demo ideekavand valmib 2017. aastaks, ehitus algab 2024. aastal. Käivitamine toimub 2033. aastal.

JET

1978. aastal alustas EL (Euratom, Rootsi ja Šveits) Ühendkuningriigis Euroopa ühisprojekti JET. JET on täna suurim töötav tokamak maailmas. Sarnane JT-60 reaktor töötab Jaapani riiklikus termotuumainstituudis, kuid ainult JET saab kasutada deuteeriumi-triitiumi kütust.

Reaktor käivitati 1983. aastal ja sellest sai esimene katse, mille tulemuseks oli kontrollitud termotuumasünteesi võimsus kuni 16 MW ühe sekundi jooksul ja 5 MW stabiilse võimsusega deuteerium-triitium plasmal 1991. aasta novembris. Erinevate kütteskeemide ja muude tehnikate uurimiseks on tehtud palju katseid.

JETi edasine täiustamine hõlmab selle võimsuse suurendamist. MAST-kompaktreaktorit arendatakse koos JET-iga ja see on osa ITER-projektist.

K-STAR

K-STAR on Korea ülijuhtiv tokamak National Fusion Research Institute'ist (NFRI) Daejeonis, mis tootis oma esimese plasma 2008. aasta keskel. ITER, mis on rahvusvahelise koostöö tulemus. 1,8 m raadiusega Tokamak on esimene reaktor, mis kasutab Nb3Sn ülijuhtivaid magneteid, samu magneteid, mis on kavandatud ITERi jaoks. Esimeses etapis, mis lõppes 2012. aastaks, pidi K-STAR tõestama aluseks olevate tehnoloogiate elujõulisust ja saavutama kuni 20 sekundit kestvad plasmaimpulsid. Teises etapis (2013-2017) moderniseeritakse seda pikkade kuni 300 s pikkuste impulsside uurimiseks H-režiimis ja üleminekuks suure jõudlusega AT-režiimile. Kolmanda etapi (2018-2023) eesmärk on saavutada kõrge tootlikkus ja efektiivsus pika impulsi režiimis. 4. etapis (2023-2025) testitakse DEMO tehnoloogiaid. Seade ei ole võimeline töötama triitiumiga ega kasuta D-T kütust.

K-DEMO

Koostöös USA energeetikaministeeriumi Princetoni plasmafüüsika laboriga (PPPL) ja Lõuna-Korea NFRI-ga välja töötatud K-DEMO on kavandatud olema järgmine samm kommertsreaktorite arendamises peale ITERi ning see on esimene elektrijaam, mis on võimeline tootma energiat elektrivõrku, nimelt 1 miljon kW mõne nädala jooksul. Selle läbimõõt on 6,65 m ja sellel on projekti DEMO raames loodud paljundustsooni moodul. Korea haridus-, teadus- ja tehnoloogiaministeerium plaanib sellesse investeerida umbes triljon Korea vonni (941 miljonit dollarit).

IDA

Hiina eksperimentaalne täiustatud ülijuhtiv tokamak (EAST) Hiina Füüsika Instituudis Hefeis lõi vesinikplasma temperatuuril 50 miljonit °C ja hoidis seda 102 sekundit.

TFTR

Ameerika laboris PPPL töötas eksperimentaalne termotuumasünteesi reaktor TFTR aastatel 1982–1997. 1993. aasta detsembris sai TFTR-ist esimene magnetiline tokamak, mis viis läbi ulatuslikke deuteeriumi-triitiumi plasmakatseid. Järgmisel aastal tootis reaktor tolleaegse rekordilise 10,7 MW juhitavat võimsust ja 1995. aastal saavutati temperatuurirekord 510 miljonit °C. Rajatis ei saavutanud aga termotuumasünteesi energiatasuvuse eesmärki, kuid täitis edukalt riistvara disainieesmärgid, andes olulise panuse ITERi arendamisse.

LHD

Gifu prefektuuris Tokis asuva Jaapani riikliku termotuumasünteesi instituudi LHD oli maailma suurim stellaraator. Termotuumasünteesi reaktor käivitati 1998. aastal ja selle plasmasulgumisomadused on võrreldavad teiste suurte rajatistega. Saavutati ioonide temperatuur 13,5 keV (umbes 160 miljonit °C) ja energia 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Pärast aastast katsetamist, mis algas 2015. aasta lõpus, ulatus heeliumi temperatuur korraks 1 miljoni °C-ni. 2016. aastal saavutas 2 MW võimsust kasutav vesinikplasma termotuumasünteesi reaktor veerand sekundiga temperatuurini 80 miljonit °C. W7-X on maailma suurim stellaraator ja plaanitakse pidevalt töötada 30 minutit. Reaktori maksumus oli 1 miljard eurot.

NIF

Livermore'i riikliku labori (LLNL) riiklik süüteseade (NIF) valmis 2009. aasta märtsis. Kasutades oma 192 laserkiirt, suudab NIF koondada 60 korda rohkem energiat kui ükski varasem lasersüsteem.

Külm termotuumasünteesi

1989. aasta märtsis teatasid kaks teadlast, ameeriklane Stanley Pons ja britt Martin Fleischman, et nad on käivitanud lihtsa toatemperatuuril töötava külmsünteesi reaktori. Protsess hõlmas raske vee elektrolüüsi, kasutades pallaadiumelektroode, millele kontsentreeriti deuteeriumi tuumad suure tihedusega. Teadlaste sõnul tootis see soojust, mida saab seletada ainult tuumaprotsessidega, ja seal olid termotuumasünteesi kõrvalsaadused, sealhulgas heelium, triitium ja neutronid. Kuid teised katsetajad ei suutnud seda katset korrata. Enamik teadusringkondadest ei usu, et külmsünteesireaktorid on tõelised.

Madala energiaga tuumareaktsioonid

"Külm termotuumasünteesi" väidetest alguse saanud uuringud on jätkunud vähese energiatarbega valdkonnas, millel on mõningane empiiriline tugi, kuid puudub üldtunnustatud teaduslik selgitus. Ilmselt kasutatakse neutronite tekitamiseks ja hõivamiseks nõrka tuuma vastasmõju (ja mitte võimsat jõudu, nagu nende ühinemisel). Katsed hõlmavad vesiniku või deuteeriumi läbimist katalüütilise kihi ja reageerides metalliga. Teadlased teatavad täheldatud energia vabanemisest. Peamine praktiline näide on vesiniku koostoime niklipulbriga, eraldades soojust rohkem kui ükski keemiline reaktsioon suudab tekitada.

CADARACHE (Prantsusmaa), 25. mai - RIA Novosti, Victoria Ivanova. Lõuna-Prantsusmaa seostatakse tavaliselt puhkusega Cote d'Azuril, lavendlipõldude ja Cannes'i festivaliga, kuid mitte teadusega, kuigi Marseille lähedal on juba mitu aastat kestnud "sajandi ehitus" - rahvusvaheline termotuuma. Cadarache'i uurimiskeskuse lähedale ehitatakse eksperimentaalreaktorit (ITER).

RIA Novosti korrespondent sai teada, kuidas edeneb maailma suurim unikaalse installatsiooni ehitamine ja millised inimesed ehitavad "Päikese prototüüpi", mis suudab aastas toota 7 miljardit kilovatt-tundi energiat.

Esialgu kandis rahvusvaheline projekt nime ITER, mis on akronüüm sõnast International Thermonuclear Experimental Reactor. Hiljem ilmus nimele aga ilusam tõlgendus: projekti nime seletatakse ladinakeelse sõna iter - "tee" tõlkega ja mõned riigid hakkasid sõna "reaktor" mainimisest ettevaatlikult eemalduma, et mitte. tekitada kodanike teadvuses assotsiatsioone ohu ja kiirgusega.

Kogu maailm ehitab uut reaktorit. Tänaseks osalevad projektis Venemaa, India, Jaapan, Hiina, Lõuna-Korea ja USA ning Euroopa Liit. Eurooplased, kes tegutsevad ühtse rühmana, vastutavad 46% projekti elluviimise eest, kumbki teine ​​osalev riik võttis 9%.

Vastastikuste arvelduste süsteemi lihtsustamiseks leiutati organisatsiooni sees spetsiaalne valuuta - ITERi arvestusühik - IUA. Kõik osalejate poolt komponentide tarnimise lepingud viiakse läbi nendes üksustes. Nii muutus ehitustulemus sõltumatuks riigi valuutakursside kõikumisest ja osade tootmiskuludest igas konkreetses riigis.

Selle investeeringu eest, mida ei väljendata rahas, vaid tulevase käitise komponentides, saavad osalejad täieliku juurdepääsu kogu ITERiga seotud tehnoloogiatele. Seega ehitatakse praegu Prantsusmaal “Rahvusvahelist termotuumareaktori loomise kooli”.

"Päikesesüsteemi kuumim asi"

Ajakirjanikud ja isegi ITERi töötajad ise võrdlevad projekti nii sageli Päikesega, et termotuumapaigaldise jaoks on üsna raske leida teist ühendust. Rahvusvahelise ITERi organisatsiooni ühe osakonna juht Mario Merola suutis seda teha, nimetades reaktorit "kõige kuumemaks asjaks meie päikesesüsteemis".

"Seadme temperatuur on umbes 150 miljonit kraadi Celsiuse järgi, mis on 10 korda kõrgem kui Päikese tuuma temperatuur. Installatsiooni magnetväli on umbes 200 tuhat korda suurem kui Maa enda temperatuur," ütleb Mario projekti kohta.

ITER põhineb tokamaki süsteemil – toroidaalsetel kambritel magnetpoolidega. Kõrgtemperatuurse plasma magnetvangistuse idee töötati välja ja rakendati maailmas esimest korda tehnoloogiliselt eelmise sajandi keskel Kurtšatovi Instituudis. Venemaa, kes oli projekti algul, toodab muude komponentide hulgas käitise üht kõige olulisemat osa, ITERi südant – ülijuhtivat magnetsüsteemi. See koosneb erinevat tüüpi ülijuhtidest, mis sisaldavad kümneid tuhandeid spetsiaalse nanostruktuuriga filamente.

Sellise suuremahulise süsteemi loomiseks on vaja sadu tonne selliseid ülijuhte. Kuus seitsmest osalevast riigist on kaasatud nende tootmisesse. Nende hulgas on Venemaa, kes tarnib nioobium-titaanil ja nioobium-tina sulamitel põhinevaid ülijuhte, mis osutuvad maailma parimateks. Neid materjale toodavad Venemaal Rosatomi ettevõtted ja Kurtšatovi instituut.

© Foto: ITERi organisatsiooni loal

© Foto: ITERi organisatsiooni loal

Üldised raskused

Oma kohustusi õigeaegselt täites said Venemaa ja Hiina aga tahtmatult teiste projektis osalejate pantvangideks, kes ei jõua alati oma osa tööst õigeks ajaks valmis teha. ITERi projekti eripära seisneb kõigi osapoolte tihedas suhtluses ja seetõttu viib iga riigi mahajäämus selleni, et kogu projekt hakkab "libisema".

Olukorra parandamiseks otsustas ITERi organisatsiooni uus juht Bernard Bigot muuta projekti ajakava. Ajakava uus versioon – eeldatavasti realistlikum – esitatakse novembris.

Samas ei välistanud Bigo ka tööde ümberjaotamist osalejate vahel.

„Mul oleks hea meel, kui viivitusi poleks olnud, kuid pean tunnistama, et mõnes valdkonnas on meie globaalse projekti elluviimisel raskusi, kui ma ei näe seda töö ümberjagamisel on kõik halvasti, kuid seda teemat tuleb tõsiselt arutada,” ütles organisatsiooni peadirektor.

Bigo märkis, et ITERi loomisega tegelevad sajad ettevõtted ja organisatsioonid seitsmest osalevast riigist. "Ei saa lihtsalt näpuga lüüa ja plaani ellu viia. Kõik arvasid, et tänu heale usule ja headele kavatsustele on tähtaegadest kinni pidada. Nüüd saame aru, et ilma range juhtimiseta ei juhtu midagi," rõhutas Bigo.

Tema sõnul on ITERi ehitamise raskused tingitud osalevate riikide kultuuride erinevusest ning sellest, et varem maailmas sarnaseid projekte ei olnud, mistõttu paljud esmakordselt toodetavad mehhanismid ja paigaldised nõuavad täiendavat testid ja reguleerivate asutuste sertifitseerimine, mis võtab lisaaega .

Bigoti pakutud "range juhtimise" üks meede oleks teise juhtorgani loomine, kuhu kuuluksid riiklike asutuste direktorid ja peadirektor. Selle organi otsused on siduvad kõigile projektis osalejatele – Bigot loodab, et see ergutab suhtlusprotsessi.

© Foto

"Sajandi ehitus"

Vahepeal on ITERi territooriumil käimas tohutu ehitusprojekt. Rajatise “süda” – tokamak ise ja kontoriruumid – võtavad enda alla üks kilomeeter korda 400 meetrit suur ala.

Reaktori jaoks kaevati 20 meetri sügavune süvend, mille põhja tuuakse peegelsiledat asfalti mööda armatuurid ja muud selles etapis vajalikud komponendid. Esiteks monteeritakse seinasegmendid horisontaalselt, ühendades metallkonstruktsioonid spetsiaalsete plaatidega. Seejärel asetatakse need nelja ehituskraana abil lõpuks soovitud asendisse.

Möödub mitu aastat ja sait on tundmatu. Platvormi tohutu augu asemel kerkib selle kohale umbes Suure Teatri suurune koloss - umbes 40 meetri kõrgune.

Kusagil objektil pole ehitus veel alanud - ja seetõttu ei saa teised riigid täpselt arvutada termotuumareaktori komponentide tarneaega ja kuskil on see juba lõppenud. Eelkõige on töövalmis ITERi peakorter, magnetsüsteemi poloidsete poolide mähisega hoone, elektrialajaam ja mitmed teised abihooned.

"Õnn peitub pidevas tundmatuse tundmises"

Ajal, mil teadustöö pole kõikjal populaarne ja lugupeetud, tõi ITER oma platvormile kokku 500 teadlast, inseneri ja paljude teiste erialade esindajat erinevatest riikidest. Need spetsialistid on tõelised unistajad ja pühendunud inimesed, nagu Strugatskid, "nad võtsid omaks tööhüpoteesi, et õnn peitub pidevas tundmatuse tundmises ja elu mõte selles."

Kuid projekti töötajate elamistingimused erinevad põhimõtteliselt NIICHAVO - Nõiduse ja võlukunsti uurimisinstituudi - omadest, kus töötasid nõukogude ulmekirjanike loo “Esmaspäev algab laupäeval” kangelased. ITERi territooriumil ei ole välismaalastele mõeldud hosteleid - nad kõik üürivad eluasemeid lähedal asuvates külades ja linnades.

Ühes juba ehitatud hoones on lisaks tööruumidele ka hiiglaslik söökla, kus projektitöötajad saavad väga tagasihoidliku summa eest näksida või toekat lõunat süüa. Alati on menüüs rahvusköökide road, olgu selleks siis Jaapani nuudlid või Itaalia minestrone.

Söögitoa sissepääsu juures on teadetetahvel. See sisaldab pakkumisi korterite ühisüürimiseks ja "prantsuse klassid, kvaliteetne ja odav." Kuvatakse valge paberitükk: "Cadarache'i koor värbab osalejaid. Tulge ITERi peahoonesse." Lisaks koorile, mille moodustamine pole veel lõppenud, organiseerisid projekti töötajad ka oma orkestri. Saksofoni mängib ka venelane Jevgeni Veštšev, kes on Cadarache’is töötanud juba mitu aastat.

Tee Päikese poole

"Kuidas me siin elame, teeme proove, käime siin mere ääres, see pole kaugel," ütleb Jevgeni. "Muidugi, ma igatsen seda ei ole minu esimene pikaajaline välislähetus, olen sellega harjunud.

Evgeniy on füüsik ja osaleb projekti diagnostikasüsteemide integreerimises.

„Mind inspireeris juba tudengipõlvest saadik ITERi projekt, ees ootavad võimalused ja väljavaated, kuid minu tee siin oli okkaline, nagu paljud teisedki ei ole rahaga väga hästi, ma isegi mõtlesin, et jätan teaduse äri, avasin midagi oma. Aga ma läksin ärireisile, siis läksin teisele. Nii et kümme aastat pärast seda, kui ma esimest korda ITERist kuulsin, sattusin Prantsusmaale. projekti kohta,” ütleb füüsik.

Vene teadlase sõnul on "igal töötajal oma lugu projekti sattumisest." Olgu selle järgijate “teed Päikese poole” millised tahes, isegi pärast lühimat vestlust kellegagi saab selgeks, et siin töötavad nende käsitöö fännid.

Näiteks ameeriklane Mark Henderson on ITERi plasmakütte spetsialist. Ta tuli kohtumisele – lühikarvaline, kuiv, prillidega – Apple’i ühe asutaja Steve Jobsi näos. Must särk, pleekinud teksad, tossud. Selgus, et Hendersoni ja Jobsi omapärane lähedus ei piirdu ainult välise sarnasusega: mõlemad on unistajad, kes on inspireeritud ideest oma leiutisega maailma muuta.

"Me oleme inimkonnana üha enam sõltuvad ressurssidest ega tee muud, kui tarbime neid. Kas meie kollektiivne intelligentsus on samaväärne pärmi kausiga. Peame uuesti unistama? Henderson on veendunud.

Ja nad mõtlevad, unistavad ja toovad ellu kõige uskumatumaid ja fantastilisemaid ideid. Ja ükski välispoliitiline päevakord ei saa teadlaste tööd segada: lahkarvamused saavad varem või hiljem otsa ning termotuumareaktsiooni tulemusel saadud kuumus soojendab kõiki mandrist ja riigist olenemata.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") on suuremahuline teaduslik ja tehniline projekt, mille eesmärk on ehitada esimene rahvusvaheline eksperimentaalne termotuumareaktor.

Rakendasid seitse peamist partnerit (Euroopa Liit, India, Hiina, Korea Vabariik, Venemaa, USA, Jaapan) Cadarache'is (Provence-Alpes-Côte d'Azuri piirkond, Prantsusmaa). ITER põhineb tokamaki installatsioonil (nimetatud selle esimeste tähtede järgi: toroidaalne magnetpoolidega kamber), mida peetakse kõige lootustandvamaks seadmeks juhitava termotuumasünteesi rakendamisel. Esimene tokamak ehitati Nõukogude Liidus 1954. aastal.

Projekti eesmärk on näidata, et termotuumasünteesi energiat saab kasutada tööstuslikus mastaabis. ITER peaks tootma energiat termotuumasünteesi reaktsioonil raskete vesiniku isotoopidega temperatuuril üle 100 miljoni kraadi.

Eeldatakse, et käitises kasutatav 1 g kütust (deuteeriumi ja triitiumi segu) annab sama palju energiat kui 8 tonni naftat. ITERi hinnanguline termotuumavõimsus on 500 MW.

Eksperdid ütlevad, et seda tüüpi reaktor on palju turvalisem kui praegused tuumaelektrijaamad (TEJ) ja merevesi võib anda sellele peaaegu piiramatus koguses kütust. Seega pakub ITERi edukas rakendamine ammendamatut keskkonnasõbralikku energiaallikat.

Projekti ajalugu

Reaktori kontseptsioon töötati välja nimelises Aatomienergia Instituudis. I.V.Kurchatova. 1978. aastal esitas NSVL idee projekti elluviimiseks Rahvusvahelises Aatomienergiaagentuuris (IAEA). Kokkulepe projekti elluviimiseks saavutati 1985. aastal Genfis NSV Liidu ja USA läbirääkimistel.

Hiljem kiitis programmi heaks IAEA. 1987. aastal sai projekt oma praeguse nime ja 1988. aastal loodi juhtorgan - ITERi nõukogu. Aastatel 1988-1990 Nõukogude, Ameerika, Jaapani ja Euroopa teadlased ja insenerid viisid läbi projekti kontseptuaalse uuringu.

21. juulil 1992 allkirjastasid EL, Venemaa, USA ja Jaapan Washingtonis ITERi tehnilise projekti arendamise lepingu, mis valmis 2001. 2002.-2005. Projektiga liitusid Lõuna-Korea, Hiina ja India. Leping esimese rahvusvahelise eksperimentaalse termotuumasünteesi reaktori ehitamiseks allkirjastati Pariisis 21. novembril 2006. aastal.

Aasta hiljem, 7. novembril 2007, sõlmiti ITERi ehitusplatsil leping, mille kohaselt hakkab reaktor asuma Prantsusmaal, Cadarache'i tuumakeskuses Marseille' lähedal. Juhtimis- ja andmetöötluskeskus hakkab asuma Nakas (Ibaraki prefektuur, Jaapan).

Ehitusplatsi ettevalmistamine Cadarache'is algas 2007. aasta jaanuaris ja täismahus ehitus algas 2013. aastal. Kompleks hakkab paiknema 180 hektari suurusel maa-alal. 60 m kõrgune ja 23 tuhat tonni kaaluv reaktor paikneb 1 km pikkusel ja 400 m laiusel objektil. Selle ehitustöid koordineerib 2007. aasta oktoobris loodud rahvusvaheline organisatsioon ITER.

Projekti maksumus on hinnanguliselt 15 miljardit eurot, millest EL (Euratomi kaudu) moodustab 45,4% ja kuus osalejat (sh Venemaa Föderatsioon) panustavad igaüks 9,1%. Alates 1994. aastast osaleb projektis Venemaa kvoodi alusel ka Kasahstan.

Reaktori elemendid toimetatakse laevaga Prantsusmaale Vahemere rannikule ja transporditakse sealt spetsiaalsete karavanidega Cadarache'i piirkonda. Selleks varustati 2013. aastal oluliselt ümber olemasolevate teede lõigud, tugevdati sildu, ehitati uusi eriti tugeva kattega ristmikke ja radu. Ajavahemikul 2014–2019 peaks mööda kindlusteed läbima vähemalt kolm tosinat ülirasket maanteerongi.

Novosibirskis töötatakse välja ITERi plasmadiagnostika süsteemid. Sellekohase lepingu allkirjastasid 27. jaanuaril 2014 rahvusvahelise organisatsiooni ITER direktor Osamu Motojima ja riikliku agentuuri ITER juht Vene Föderatsioonis Anatoli Krasilnikov.

Nimelise Füüsikalis-Tehnilise Instituudi baasil toimub uue lepingu raames diagnostikakompleksi arendus. A. F. Ioff Venemaa Teaduste Akadeemia.

Reaktor läheb eeldatavasti tööle 2020. aastal, esimesed termotuumasünteesi reaktsioonid viiakse sellel läbi mitte varem kui 2027. Aastal 2037 on plaanis lõpetada projekti eksperimentaalne osa ning aastaks 2040 minna üle elektritootmisele . Ekspertide esialgsete prognooside kohaselt valmib reaktori tööstusversioon mitte varem kui 2060. aastal ning seda tüüpi reaktorite seeriat saab luua alles 21. sajandi lõpuks.

Termotuumaelektrijaam.

Praegu tegelevad teadlased termotuumaelektrijaama loomisega, mille eeliseks on inimkonnale piiramatu aja elektrivarustus. Termotuumaelektrijaam töötab termotuumasünteesi baasil – raskete vesiniku isotoopide sünteesi reaktsioonil heeliumi moodustumisega ja energia vabanemisega. Termotuumasünteesi reaktsioonil ei teki gaasilisi ega vedelaid radioaktiivseid jäätmeid ega plutooniumi, mida kasutatakse tuumarelvade tootmiseks. Kui võtta arvesse ka seda, et termotuumajaamade kütuseks on raske vesiniku isotoop deuteerium, mida saadakse lihtsast veest – pool liitrit vett sisaldab tuumasünteesienergiat, mis on samaväärne bensiinitünni põletamisel saadava energiaga –, siis on eelised: ilmnevad termotuumareaktsioonidel põhinevad elektrijaamad .

Termotuumareaktsiooni käigus vabaneb energia, kui kerged aatomid ühinevad ja muunduvad raskemateks. Selle saavutamiseks on vaja gaas kuumutada temperatuurini üle 100 miljoni kraadi – palju kõrgem kui temperatuur Päikese keskpunktis.

Sellel temperatuuril muutub gaas plasmaks. Samal ajal ühinevad vesiniku isotoopide aatomid, muutudes heeliumi aatomiteks ja neutroniteks ning vabastades suurel hulgal energiat. Sellel põhimõttel töötav kaubanduslik elektrijaam kasutaks neutronite energiat, mida modereerib tiheda materjali (liitiumi) kiht.

Tuumaelektrijaamaga võrreldes jätab termotuumasünteesi reaktor palju vähem radioaktiivseid jäätmeid.

Rahvusvaheline termotuumareaktor ITER

Maailma esimese termotuumareaktori ITER loomise rahvusvahelises konsortsiumis osalejad allkirjastasid Brüsselis lepingu, mis käivitab projekti praktilise elluviimise.

Euroopa Liidu, USA, Jaapani, Hiina, Lõuna-Korea ja Venemaa esindajad kavatsevad katsereaktori ehitust alustada 2007. aastal ning viia see lõpule kaheksa aasta jooksul. Kui kõik läheb plaanipäraselt, siis 2040. aastaks võiks rajada uuel põhimõttel töötava näidiselektrijaam.

Tahaks uskuda, et keskkonnaohtlike hüdroelektri- ja tuumaelektrijaamade ajastu saab peagi läbi ning saabub aeg uueks – termotuumaelektrijaamaks, mille projekti juba ellu viiakse. Kuid hoolimata asjaolust, et ITERi (rahvusvahelise termotuumareaktori) projekt on peaaegu valmis; Vaatamata sellele, et juba esimestel töötavatel eksperimentaalsetel termotuumareaktoritel saadi võimsust üle 10 MW – esimeste tuumajaamade tasemele, ei hakka esimene termotuumajaam tööle varem kui kahekümne aasta pärast, sest selle maksumus on väga kõrge. . Tööde maksumuseks hinnatakse 10 miljardit eurot – tegemist on kalleima rahvusvahelise elektrijaama projektiga. Poole reaktori rajamise kuludest katab Euroopa Liit. Teised konsortsiumis osalejad eraldavad 10% hinnangulisest summast.

Nüüd peavad läbi aegade kalleimaks ühisprojektiks kujuneva reaktori ehitusplaani ratifitseerima konsortsiumiliikmesriikide parlamendisaadikud.

Reaktor rajatakse Lõuna-Prantsusmaal Provence'i provintsi Cadarache'i linna lähistele, kus asub Prantsusmaa tuumauuringute keskus.

Kuidas see kõik alguse sai? "Energiaväljakutse" tekkis järgmise kolme teguri kombinatsiooni tulemusena:

1. Inimkond tarbib praegu tohutult energiat.

Praegu on maailma energiatarbimine umbes 15,7 teravatti (TW). Jagades selle väärtuse maailma rahvaarvuga, saame ühe inimese kohta ligikaudu 2400 vatti, mida on lihtne hinnata ja visualiseerida. Iga Maa elaniku (ka laste) tarbitav energia vastab 24 sajavatise elektrilambi ööpäevaringsele tööle. Selle energia tarbimine kogu planeedil on aga väga ebaühtlane, kuna mitmes riigis on see väga suur ja teistes tühine. Tarbimine (ühe inimese kohta) võrdub USA-s 10,3 kW (üks rekordväärtustest), Vene Föderatsioonis 6,3 kW, Ühendkuningriigis 5,1 kW jne, kuid teisest küljest on see võrdne ainult 0,21 kW Bangladeshis (ainult 2% USA energiatarbimisest!).

2. Maailma energiatarbimine kasvab järsult.

Rahvusvahelise Energiaagentuuri (2006) prognoosi kohaselt peaks ülemaailmne energiatarbimine 2030. aastaks kasvama 50%. Arenenud riigid saaksid muidugi suurepäraselt hakkama ka ilma lisaenergiata, kuid see kasv on vajalik inimeste vaesusest välja toomiseks arengumaades, kus 1,5 miljardit inimest kannatab tõsise elektripuuduse käes.

3. Praegu saadakse 80% maailma energiast fossiilkütuste põletamisest (nafta, kivisüsi ja gaas), mille kasutamine:
a) kujutab endast potentsiaalselt katastroofiliste keskkonnamuutuste ohtu;
b) peab kunagi paratamatult lõppema.

Öeldu põhjal on selge, et nüüd tuleb valmistuda fossiilkütuste kasutamise ajastu lõpuks

Praegu toodavad tuumaelektrijaamad suures ulatuses energiat, mis vabaneb aatomituumade lõhustumisreaktsioonide käigus. Selliste jaamade loomist ja arendamist tuleks igal võimalikul viisil soodustada, kuid tuleb arvestada, et ka nende tööks ühe olulisema materjali (odav uraan) varud saavad järgmise 50 aasta jooksul täielikult ära kasutatud. . Tuuma lõhustumisel põhineva energia võimalusi saab (ja peakski) oluliselt laiendama tõhusamate energiatsüklite kasutamisega, võimaldades toodetava energia kogust peaaegu kahekordistada. Energia sellesuunaliseks arendamiseks on vaja luua tooriumireaktorid (nn tooriumi eraldusreaktorid ehk aretusreaktorid), milles reaktsiooni käigus tekib rohkem tooriumi kui algupärasest uraanist, mille tulemusel tekib kogu toodetud energia hulk. antud ainekoguse korral suureneb 40 korda . Samuti tundub paljutõotav luua plutooniumi kasvatajad, kasutades kiireid neutroneid, mis on palju tõhusamad kui uraanireaktorid ja suudavad toota 60 korda rohkem energiat. Võib juhtuda, et nende piirkondade arendamiseks on vaja välja töötada uued, mittestandardsed meetodid uraani saamiseks (näiteks mereveest, mis tundub olevat kõige kättesaadavam).

Termotuumaelektrijaamad

Joonisel on kujutatud termotuumaelektrijaama seadme ja tööpõhimõtte skemaatiline diagramm (mitte mõõtkavas). Keskosas on toroidne (sõõrikukujuline) kamber mahuga ~2000 m3, täidetud triitium-deuteeriumi (T-D) plasmaga, mis on kuumutatud temperatuurini üle 100 M°C. Termotuumasünteesreaktsiooni (1) käigus tekkivad neutronid väljuvad “magnetpudelist” ja sisenevad joonisel näidatud kesta, mille paksus on umbes 1 m.

Kesta sees põrkuvad neutronid liitiumiaatomitega, mille tulemuseks on reaktsioon, mis tekitab triitiumi:

neutron + liitium → heelium + triitium

Lisaks toimuvad süsteemis konkureerivad reaktsioonid (ilma triitiumi moodustumiseta), aga ka paljud reaktsioonid täiendavate neutronite vabanemisega, mis seejärel viivad ka triitiumi moodustumiseni (sel juhul võib täiendavate neutronite vabanemine oluliselt tõhustatud, näiteks berülliumi aatomite viimisega kesta ja plii). Üldine järeldus on, et see rajatis võib (vähemalt teoreetiliselt) läbida tuumasünteesi reaktsiooni, mis tekitaks triitiumi. Sel juhul ei peaks toodetud triitiumi kogus vastama mitte ainult käitise enda vajadustele, vaid olema isegi mõnevõrra suurem, mis võimaldab varustada triitiumiga uusi seadmeid. Just seda töökontseptsiooni tuleb allpool kirjeldatud ITERi reaktoris katsetada ja rakendada.

Lisaks peavad neutronid nn pilootjaamades (milles kasutatakse suhteliselt "tavalisi" ehitusmaterjale) kesta kuumutama ligikaudu 400 °C-ni. Tulevikus on kavas luua täiustatud paigaldisi, mille kesta kuumutamise temperatuur on üle 1000°C, mida on võimalik saavutada uusimate ülitugevate materjalide (nt ränikarbiidkomposiidid) kasutamisega. Korpuses tekkiv soojus, nagu ka tavalistes jaamades, võetakse primaarses jahutusringis jahutusvedelikuga (sisaldab näiteks vett või heeliumi) ja suunatakse sekundaarringi, kus toodetakse veeauru ja suunatakse see turbiinidesse.

1985 – Nõukogude Liit pakkus välja järgmise põlvkonna Tokamaki tehase, kasutades nelja juhtiva riigi kogemusi termotuumasünteesireaktorite loomisel. Ameerika Ühendriigid koos Jaapani ja Euroopa Ühendusega esitasid ettepaneku projekti elluviimiseks.

Praegu on Prantsusmaal käimas allpool kirjeldatud rahvusvahelise eksperimentaalse termotuumareaktori ITER (International Tokamak Experimental Reactor) ehitamine, mis on esimene tokamak, mis on võimeline plasmat "süütama".

Kõige arenenumad olemasolevad tokamakipaigaldised on pikka aega saavutanud temperatuuri umbes 150 M°C, mis on lähedal termotuumasünteesijaama tööks vajalikele väärtustele, kuid ITERi reaktor peaks olema esimene suuremahuline elektrijaam, mis on kavandatud pikaks ajaks. - tähtajaline operatsioon. Tulevikus on vaja oluliselt parandada selle tööparameetreid, mis nõuab ennekõike plasma rõhu suurendamist, kuna tuumasünteesi kiirus antud temperatuuril on võrdeline rõhu ruuduga. Peamine teaduslik probleem on antud juhul seotud asjaoluga, et kui plasmas rõhk tõuseb, tekivad väga keerulised ja ohtlikud ebastabiilsused ehk ebastabiilsed töörežiimid.

Miks me seda vajame?

Tuumasünteesi peamine eelis seisneb selles, et see nõuab väga väikeses koguses aineid, mis on kütusena looduses väga levinud. Tuumasünteesi reaktsioon kirjeldatud käitistes võib viia tohutute energiakoguste vabanemiseni, mis on kümme miljonit korda suurem kui tavapäraste keemiliste reaktsioonide (näiteks fossiilkütuste põletamine) käigus eralduv standardsoojus. Võrdluseks toome välja, et 1 gigavatise (GW) võimsusega soojuselektrijaama toiteks kuluv kivisöe kogus on 10 000 tonni ööpäevas (kümme raudteevagunit) ning sama võimsusega termotuumajaam tarbib vaid ca. 1 kilogramm D+T segu päevas.

Deuteerium on vesiniku stabiilne isotoop; Umbes ühes igast 3350 tavalise vee molekulist on üks vesinikuaatom asendatud deuteeriumiga (Suure Paugu pärand). See asjaolu muudab veest vajaliku deuteeriumi koguse üsna odava tootmise korraldamise lihtsaks. Ebastabiilse triitiumi saamine on keerulisem (poolestusaeg on umbes 12 aastat, mistõttu selle sisaldus looduses on tühine), kuid nagu ülal näidatud, ilmub triitium töötamise ajal otse termotuumaseadme sisse. neutronite reaktsiooni tõttu liitiumiga.

Seega on termotuumasünteesi reaktori algkütuseks liitium ja vesi. Liitium on tavaline metall, mida kasutatakse laialdaselt kodumasinates (mobiiltelefonide akud jne). Ülalkirjeldatud paigaldis suudab isegi mitteideaalset efektiivsust arvesse võttes toota 200 000 kWh elektrienergiat, mis võrdub 70 tonni kivisöe energiaga. Selleks vajalik liitiumikogus sisaldub ühes arvuti akus ja deuteeriumi kogus on 45 liitris vees. Ülaltoodud väärtus vastab praegusele elektritarbimisele (arvutatud inimese kohta) EL riikides üle 30 aasta. Ainuüksi asjaolu, et nii tühine liitiumikogus suudab tagada sellise elektrienergia tootmise (ilma CO2 emissioonita ja vähimagi õhusaasteta), on üsna tõsine argument termotuumaenergia kiireima ja jõulisema arengu poolt (vaatamata kõigele raskusi ja probleeme) ja isegi ilma sajaprotsendilise kindluseta selliste uuringute edusse.

Deuteeriumist peaks jätkuma miljoneid aastaid ja kergesti kaevandatava liitiumi varud on piisavad sadade aastate vajaduste rahuldamiseks. Isegi kui liitium kivimites otsa saab, saame seda ekstraheerida veest, kus seda leidub piisavalt kõrge kontsentratsiooniga (100 korda suurem uraani kontsentratsioon), et selle kaevandamine oleks majanduslikult tasuv.

Prantsusmaal Cadarache'i linna lähedale ehitatakse eksperimentaalset termotuumareaktorit (International thermonuclear experimental reactor). ITERi projekti põhieesmärk on rakendada kontrollitud termotuumasünteesi reaktsiooni tööstuslikus mastaabis.

Termotuumakütuse massiühiku kohta saadakse umbes 10 miljonit korda rohkem energiat kui sama koguse orgaanilise kütuse põletamisel ja umbes sada korda rohkem kui praegu töötavate tuumajaamade reaktorites uraani tuumade lõhestamisel. Kui teadlaste ja disainerite arvutused tõeks saavad, annab see inimkonnale ammendamatu energiaallika.

Seetõttu ühendasid mitmed riigid (Venemaa, India, Hiina, Korea, Kasahstan, USA, Kanada, Jaapan, Euroopa Liidu riigid) jõud rahvusvahelise termotuumauuringute reaktori – uute elektrijaamade prototüübi – loomisel.

ITER on rajatis, mis loob tingimused vesiniku ja triitiumi aatomite (vesiniku isotoobi) sünteesiks, mille tulemusena moodustub uus aatom – heeliumi aatom. Selle protsessiga kaasneb tohutu energiapuhang: plasma temperatuur, milles termotuumareaktsioon toimub, on umbes 150 miljonit kraadi Celsiuse järgi (võrdluseks, Päikese tuuma temperatuur on 40 miljonit kraadi). Sellisel juhul põlevad isotoobid läbi, jätmata praktiliselt üldse radioaktiivseid jäätmeid.
Rahvusvahelises projektis osalemise skeem näeb ette reaktori komponentide tarnimise ja selle ehitamise rahastamise. Selle eest saavad kõik osalevad riigid täieliku juurdepääsu kõigile termotuumareaktori loomise tehnoloogiatele ja selle reaktori eksperimentaalsete tööde tulemustele, mis on aluseks jadajõuliste termotuumareaktorite projekteerimisel.

Termotuumasünteesi põhimõttel põhinev reaktor ei sisalda radioaktiivset kiirgust ja on keskkonnale täiesti ohutu. See võib asuda peaaegu kõikjal maailmas ja selle kütuseks on tavaline vesi. ITERi ehitus kestab eeldatavasti kümmekond aastat, pärast mida on reaktor eeldatavasti kasutuses 20 aastat.

Venemaa huve ITERi termotuumareaktori ehituse rahvusvahelise organisatsiooni nõukogus esindab lähiaastatel Venemaa Teaduste Akadeemia korrespondentliige Mihhail Kovaltšuk, Venemaa Akadeemia Kristallograafia Instituudi Kurtšatovi Instituudi direktor. Presidendi teaduse, tehnoloogia ja hariduse nõukogu teadus- ja teadussekretär. Kovaltšuk asendab sellel ametikohal ajutiselt akadeemikut Jevgeni Velihhovit, kes valiti järgmiseks kaheks aastaks ITERi rahvusvahelise nõukogu esimeheks ja kellel ei ole õigust seda ametikohta siduda osaleva riigi ametliku esindaja kohustustega.

Ehituse kogumaksumus on hinnanguliselt 5 miljardit eurot ning sama palju kulub reaktori proovikäitamiseks. India, Hiina, Korea, Venemaa, USA ja Jaapani aktsiad moodustavad kumbki ligikaudu 10 protsenti koguväärtusest, 45 protsenti tuleb Euroopa Liidu riikidest. Euroopa riigid pole aga veel kokku leppinud, kuidas täpselt kulud nende vahel jagunevad. Seetõttu lükkus ehituse algus 2010. aasta aprillisse. Viimasest viivitusest hoolimata väidavad ITERiga seotud teadlased ja ametnikud, et suudavad projekti 2018. aastaks lõpule viia.

ITERi hinnanguline termotuumavõimsus on 500 megavatti. Üksikud magnetosad ulatuvad 200–450 tonnini. ITERi jahutamiseks kulub 33 tuhat kuupmeetrit vett päevas.

1998. aastal lõpetas USA oma projektis osalemise rahastamise. Pärast vabariiklaste võimuletulekut ja pidevat elektrikatkestust Californias teatas Bushi administratsioon energiainvesteeringute suurendamisest. USA ei kavatsenud rahvusvahelises projektis osaleda ja tegeles oma termotuumaprojektiga. 2002. aasta alguses ütles president Bushi tehnoloogianõunik John Marburger III, et USA on meelt muutnud ja kavatseb projekti juurde naasta.

Osalejate arvult on projekt võrreldav teise suure rahvusvahelise teadusprojektiga – Rahvusvahelise Kosmosejaamaga. ITERi maksumus, mis varem ulatus 8 miljardi dollarini, jäi siis alla 4 miljardi. Ameerika Ühendriikide osalemisest loobumise tulemusena otsustati reaktori võimsust vähendada 1,5 GW-lt 500 MW-le. Vastavalt sellele on langenud ka projekti hind.

2002. aasta juunis toimus Venemaa pealinnas sümpoosion “ITER Days in Moscow”. Arutati teoreetilisi, praktilisi ja korralduslikke probleeme projekti taaselustamiseks, mille õnnestumine võib muuta inimkonna saatust ja anda talle uut tüüpi energiat, mis on efektiivsuselt ja ökonoomsuselt võrreldav vaid Päikese energiaga.

2010. aasta juulis kiitsid ITERi rahvusvahelises termotuumareaktori projektis osalevate riikide esindajad Prantsusmaal Cadarache'is toimunud erakorralisel koosolekul heaks selle eelarve ja ehitusgraafiku. .

Viimasel erakorralisel koosolekul kinnitasid projektis osalejad esimeste plasmakatsetuste alguskuupäeva – 2019. aasta. Täielikud katsed on kavandatud 2027. aasta märtsiks, kuigi projekti juhtkond palus tehnilistel spetsialistidel proovida protsessi optimeerida ja alustada katseid 2026. aastal. Koosolekul osalejad otsustasid ka reaktori rajamise kulud, kuid käitise rajamiseks kulutatud summasid ei avalikustatud. Portaali ScienceNOW toimetusele nimetust allikast saadud info kohaselt võib katsete alguse ajaks ITERi projekti maksumus ulatuda 16 miljardi euroni.

Kohtumine Cadarache'is tähistas ka uue projektijuhi, Jaapani füüsiku Osamu Motojima esimest ametlikku tööpäeva. Enne teda juhtis projekti alates 2005. aastast jaapanlane Kaname Ikeda, kes soovis oma ametikohalt lahkuda kohe pärast eelarve ja ehitustähtaegade kinnitamist.

ITERi tuumasünteesireaktor on Euroopa Liidu, Šveitsi, Jaapani, USA, Venemaa, Lõuna-Korea, Hiina ja India ühisprojekt. ITERi loomise ideed on kaalutud juba eelmise sajandi 80ndatest, kuid rahaliste ja tehniliste raskuste tõttu on projekti maksumus pidevalt kasvanud ning ehituse alguskuupäev lükkub pidevalt edasi. 2009. aastal eeldasid eksperdid, et töö reaktori loomisel algab 2010. aastal. Hiljem seda kuupäeva nihutati ning esmalt nimetati reaktori käivitusajaks 2018. ja seejärel 2019. aasta.

Termotuumasünteesi reaktsioonid on kergete isotoopide tuumade ühinemise reaktsioonid raskema tuuma moodustamiseks, millega kaasneb tohutu energia vabanemine. Teoreetiliselt suudavad termotuumasünteesireaktorid toota palju energiat madalate kuludega, kuid praegu kulutavad teadlased termotuumasünteesi reaktsiooni käivitamiseks ja säilitamiseks palju rohkem energiat ja raha.

Termotuumasünteesi on odav ja keskkonnasõbralik viis energia tootmiseks. Kontrollimatu termotuumasüntees on Päikesel toimunud miljardeid aastaid – heelium tekib raskest vesiniku isotoobist deuteeriumist. See vabastab tohutul hulgal energiat. Kuid inimesed Maal pole veel õppinud selliseid reaktsioone kontrollima.

ITERi reaktor kasutab kütusena vesiniku isotoope. Termotuumareaktsiooni käigus vabaneb energia, kui kerged aatomid ühinevad raskemateks. Selle saavutamiseks tuleb gaas kuumutada temperatuurini üle 100 miljoni kraadi – palju kõrgem kui temperatuur Päikese keskpunktis. Sellel temperatuuril muutub gaas plasmaks. Samal ajal ühinevad vesiniku isotoopide aatomid, muutudes suure hulga neutronite vabanemisega heeliumi aatomiteks. Sellel põhimõttel töötav elektrijaam kasutab neutronite energiat, mida aeglustab tiheda materjali (liitiumi) kiht.

Miks termotuumarajatiste loomine nii kaua aega võttis?

Miks pole seni loodud nii olulisi ja väärtuslikke installatsioone, mille kasulikkusest on räägitud ligi pool sajandit? Sellel on kolm peamist põhjust (mida käsitletakse allpool), millest esimest võib nimetada väliseks või sotsiaalseks ja ülejäänud kahte sisemiseks, see tähendab, et need on määratud termotuumaenergia enda arengu seaduste ja tingimustega.

1. Pikka aega arvati, et termotuumasünteesienergia praktilise kasutamise probleem ei nõua kiireloomulisi otsuseid ja tegevusi, kuna veel eelmise sajandi 80ndatel tundusid fossiilkütuste allikad ammendamatud ning keskkonnaprobleemid ja kliimamuutused tundusid. ei puuduta avalikkust. 1976. aastal püüdis USA energeetikaministeeriumi termotuumasünteesienergia nõuandekomitee hinnata teadus- ja arendustegevuse ning termotuumasünteesi näidiselektrijaama ajakava erinevate teadusuuringute rahastamisvõimaluste raames. Samas avastati, et sellesuunaliste teadusuuringute iga-aastase rahastamise maht on täiesti ebapiisav ning olemasoleva assigneeringute taseme säilitamisel ei õnnestu termotuumarajatiste loomine kunagi, kuna eraldatud vahendid ei vasta. isegi minimaalse, kriitilise tasemeni.

2. Tõsisemaks takistuseks selle valdkonna uuringute arendamisel on see, et kõnealust tüüpi termotuumarajatist ei ole võimalik väikeses mahus luua ja demonstreerida. Allpool esitatud selgitustest selgub, et termotuumasünteesi puhul on vaja mitte ainult plasma magnetilist piiramist, vaid ka selle piisavat kuumutamist. Kulutatud ja vastuvõetud energia suhe suureneb vähemalt proportsionaalselt käitise joonmõõtmete ruuduga, mille tulemusena saab termotuumaseadmete teaduslikke ja tehnilisi võimalusi ja eeliseid testida ja demonstreerida vaid üsna suurtes jaamades, nagu nagu mainitud ITERi reaktor. Ühiskond ei olnud lihtsalt valmis nii suuri projekte rahastama enne, kui oli piisavalt usk edusse.

3. Termotuumaenergia arendamine on olnud väga keeruline, kuid (hoolimata ebapiisavast rahastamisest ja raskustest JETi ja ITERi rajatiste loomise keskuste valimisel) on viimastel aastatel täheldatud selget edu, kuigi töötavat jaama pole veel loodud.

Kaasaegne maailm seisab silmitsi väga tõsise energiaprobleemiga, mida võib täpsemalt nimetada "ebakindlaks energiakriisiks". Probleem on seotud sellega, et fossiilkütuste varud võivad lõppeda käesoleva sajandi teisel poolel. Veelgi enam, fossiilkütuste põletamine võib kaasa tuua vajaduse atmosfääri paisatud süsinikdioksiid kuidagi siduda ja "salvestada" (eespool mainitud CCS programm), et vältida suuri muutusi planeedi kliimas.

Praegu tekib peaaegu kogu inimkonna poolt tarbitav energia fossiilkütuste põletamisel ning probleemi lahendus võib olla seotud päikeseenergia või tuumaenergia kasutamisega (kiirete aretusreaktorite loomine jne). Arengumaade kasvavast rahvastikust ja nende vajadusest parandada elatustaset ja suurendada toodetava energia hulka globaalset probleemi ei saa lahendada ainult nende lähenemisviiside põhjal, kuigi loomulikult on võimalik välja töötada alternatiivseid energiatootmismeetodeid. tuleks julgustada.

Rangelt võttes on meil väike valik käitumisstrateegiaid ja termotuumaenergeetika arendamine on äärmiselt oluline, isegi vaatamata edugarantii puudumisele. Ajaleht Financial Times (25. jaanuaril 2004) kirjutas sellest:

Loodame, et termotuumaenergeetika arendamise teel suuri ja ootamatuid üllatusi ei tule. Sel juhul saame umbes 30 aasta pärast esimest korda sellest elektrivooluga varustada energiavõrke ja veidi enam kui 10 aasta pärast hakkab tööle esimene kaubanduslik termotuumaelektrijaam. Võimalik, et selle sajandi teisel poolel hakkab tuumasünteesienergia asendama fossiilkütuseid ja hakkab tasapisi mängima üha olulisemat rolli inimkonna energiaga varustamisel globaalses mastaabis.

Pole absoluutset garantiid, et termotuumaenergia (kui tõhusa ja suuremahulise energiaallika kogu inimkonna jaoks) loomise ülesanne õnnestub edukalt lõpule viia, kuid edu tõenäosus selles suunas on üsna suur. Arvestades termotuumajaamade tohutut potentsiaali, võib kõiki nende kiireks (ja isegi kiirendatud) arendamiseks vajalike projektide kulusid pidada õigustatuks, eriti kuna need investeeringud tunduvad koletu ülemaailmse energiaturu taustal väga tagasihoidlikud (4 triljonit dollarit aastas8). Inimkonna energiavajaduse rahuldamine on väga tõsine probleem. Kuna fossiilkütused muutuvad vähem kättesaadavaks (ja nende kasutamine muutub ebasoovitavaks), on olukord muutumas ja me lihtsalt ei saa endale lubada termotuumasünteesienergia arendamata jätmist.

Küsimusele "Millal ilmub termotuumaenergia?" Lev Artsimovitš (selle valdkonna tunnustatud pioneer ja juht) vastas kord, et "see luuakse siis, kui see muutub inimkonna jaoks tõeliselt vajalikuks".

ITER on esimene termotuumasünteesi reaktor, mis toodab rohkem energiat kui tarbib. Teadlased mõõdavad seda omadust lihtsa koefitsiendiga, mida nad nimetavad "Q". Kui ITER saavutab kõik oma teaduslikud eesmärgid, toodab see 10 korda rohkem energiat kui tarbib. Viimane ehitatud seade, Inglismaal asuv Joint European Torus, on väiksem termotuumasünteesi reaktori prototüüp, mis saavutas oma teadusliku uurimistöö viimases etapis Q väärtuseks peaaegu 1. See tähendab, et see tootis täpselt sama palju energiat kui tarbis. . ITER läheb sellest kaugemale, demonstreerides termotuumasünteesi abil energia tootmist ja saavutades Q väärtuse 10. Idee on toota umbes 50 MW energiatarbimisega 500 MW. Seega on üks ITERi teaduslikest eesmärkidest tõestada, et Q väärtus 10 on saavutatav.

Teine teaduslik eesmärk on, et ITERil oleks väga pikk "põlemisaeg" - impulss, mille kestus on kuni üks tund. ITER on teadusuuringute eksperimentaalne reaktor, mis ei suuda pidevalt energiat toota. Kui ITER hakkab tööle, on see üks tund sisse lülitatud, pärast mida tuleb see välja lülitada. See on oluline, sest siiani on meie loodud tüüpilised seadmed suutelised põlema mitu sekundit või isegi kümnendikku sekundit – see on maksimum. "Joint European Torus" saavutas oma Q väärtuse 1 põlemisajaga ligikaudu kaks sekundit ja impulsi pikkus 20 sekundit. Kuid paar sekundit kestev protsess ei ole tõeliselt püsiv. Analoogselt auto mootori käivitamisega: mootori lühiajaline sisse- ja seejärel väljalülitamine ei ole veel auto tegelik töö. Alles siis, kui sõidate oma autoga pool tundi, jõuab see pidevasse töörežiimi ja demonstreerib, et sellise autoga saab ka päriselt sõita.

See tähendab, et tehnilisest ja teaduslikust vaatenurgast annab ITER Q väärtuse 10 ja pikema põlemisaja.

Termotuumasünteesi programm on oma olemuselt tõeliselt rahvusvaheline ja laiaulatuslik. Inimesed loodavad juba ITERi edule ja mõtlevad järgmisele sammule – tööstusliku termotuumareaktori prototüübi loomisele nimega DEMO. Selle ehitamiseks peab ITER töötama. Peame saavutama oma teaduslikud eesmärgid, sest see tähendab, et meie esitatud ideed on täiesti teostatavad. Siiski olen nõus, et alati tuleks mõelda sellele, mis järgmiseks tuleb. Lisaks, kuna ITER töötab 25-30 aastat, süvenevad ja laienevad meie teadmised järk-järgult ning saame täpsemalt välja tuua oma järgmise sammu.

Tõepoolest, ei vaielda selle üle, kas ITER peaks olema tokamak. Mõned teadlased esitavad küsimuse hoopis teisiti: kas ITER peaks eksisteerima? Eksperdid erinevates riikides, kes arendavad oma, mitte nii suuremahulisi termotuumaprojekte, väidavad, et nii suurt reaktorit pole üldse vaja.

Vaevalt tuleks aga nende arvamust autoriteetseks pidada. ITERi loomisel osalesid füüsikud, kes on toroidpüünistega töötanud mitu aastakümmet. Karadashis asuva eksperimentaalse termotuumareaktori projekteerimisel võeti aluseks kõik teadmised, mis saadi kümnete eelkäija tokamakidega tehtud katsete käigus. Ja need tulemused näitavad, et reaktor peab olema tokamak ja seejuures suur.

JET Hetkel võib edukaimaks tokamakiks pidada JET-i, mille EL ehitas Suurbritannias Abingdoni linnas. Tegemist on suurima seni loodud tokamak-tüüpi reaktoriga, plasmatoru suur raadius on 2,96 meetrit. Termotuumareaktsiooni võimsus on jõudnud juba enam kui 20 megavatini peetusajaga kuni 10 sekundit. Reaktor tagastab umbes 40% plasmasse pandud energiast.

See on plasma füüsika, mis määrab energiabilansi,” rääkis Igor Semenov Infox.ru-le. MIPT dotsent kirjeldas, mis on energiabilanss lihtsa näitega: „Me kõik oleme näinud tuld põlemas. Tegelikult ei põle seal puit, vaid gaas. Energiaahel on seal selline: gaas põleb, puit kuumeneb, puit aurustub, gaas põleb uuesti. Seega, kui viskame vett tulle, võtame süsteemist järsult energiat vedela vee faasimuutmiseks auru olekusse. Saldo muutub negatiivseks, tuli kustub. On veel üks võimalus – võime lihtsalt võtta tulemärgid ja need kosmosesse levitada. Ka tuli kustub. See on sama termotuumareaktoris, mida me ehitame. Mõõtmed valitakse selliselt, et luua selle reaktori jaoks sobiv positiivne energiabilanss. Piisab, et tulevikus ehitada tõeline tuumaelektrijaam, lahendades selles katsefaasis kõik probleemid, mis on praegu lahendamata.

Reaktori mõõtmeid muudeti ühe korra. See juhtus 20.-21. sajandi vahetusel, kui USA projektist loobus ja ülejäänud liikmed mõistsid, et ITERi eelarve (selleks ajaks hinnati 10 miljardit USA dollarit) on liiga suur. Füüsikud ja insenerid pidid paigalduskulusid vähendama. Ja seda sai teha ainult suuruse tõttu. ITERi ümberkujundamist juhtis prantsuse füüsik Robert Aymar, kes töötas varem Karadashis Prantsuse tokamaki Tore Supra kallal. Plasmatooriuse välimist raadiust on vähendatud 8,2 meetrilt 6,3 meetrile. Suuruse vähenemisega kaasnevaid riske kompenseerisid aga osaliselt mitmed täiendavad ülijuhtivad magnetid, mis võimaldasid rakendada tollal avatud ja uuritud plasmakinnitusrežiimi.