Энергия звезд на Земле: Как проект ITER будет менять мир и при чем здесь Украина

Представьте себе мир, где у нас больше нет никаких проблем с энергообеспечением, и в то же время мы не завалены радиоактивными выбросами и больше не вынуждены нещадно "доить" недра Земли в поисках топлива, из-за которого нам уже тяжеловато дышать.

Именно на такое будущее нацелен международный проект ITER – термоядерный экспериментальный реактор, который сейчас строят на юге Франции. От результатов его испытаний будет зависеть ни много ни мало, а энергетическое будущее человечества.

Видео со строительства ITER

Depo.ua предлагает подробнее узнать, что это за проект, какие перспективы он нам предоставит, при чем здесь пончики и где место Украины в масштабной коалиции ученых ради будущего?

Справка: что такое термоядерная энергия?

Энергия, которая выделяется в результате термоядерного синтеза – процесса, когда два более легких атомных ядра формируют более тяжелое за счет кинетической энергии их теплового движения.

Термоядерный синтез без тени сомнений можно назвать основополагающим источником энергии Вселенной – именно за его счет звезды горели (и горят) миллиарды лет. В том числе, наше Солнце.

И вот как это происходит: при условии огромных температур и безумной гравитации в ядре нашего светила сталкиваются ядра водорода. Они сливаются в более тяжелые атомы гелия, высвобождая при этом огромное количество энергии, которую человечество (в случае ее укрощения и воспроизведения) может использовать для добывания электричества.

И цель проекта ITER – доказать, что использование технологии термоядерного синтеза на Земле, с целью получения энергии – выполнима.

Хорошо, но как воссоздать все это в лаборатории?

Как говорится непосредственно на сайте ITER, благодаря исследованиям термоядерного синтеза прошлого века мы знаем, что в лабораторных условиях наиболее эффективной реакции можно добиться между двумя изотопами водорода - дейтерием (D) и тритием (T).

Справка:

Дейтерий и тритий – изотопы первого и самого легкого химического элемента – водорода. Если их смесь нагреть до температуры в 50 млн градусов С, то они превращаются в полностью ионизированную плазму. Благодаря этому, ядра дейтерия и трития смогут разогнаться до такой степени, что преодолевая кулоновские силы, сольются, образуя нейтрон и ядро гелия. В результате каждого акта такого синтеза выделится 17, 6 Мегаэлектрон Вольт энергии.
 

Подробнее представить процесс вы можете с помощью следующего видео:

Окей, если все так просто, то почему мы до сих пор этим не пользуемся? Ведь с момента, когда на Земле впервые воссоздали термоядерный синтез, прошло уже больше 60 лет.

Дело в том, что этот процесс очень трудно контролировать. И чтобы воссоздать такие же слияние ядер, которые происходят внутри Солнца в лаборатории, понадобится соблюдение нескольких условий. В частности, достаточная плотность частиц плазмы (для увеличения вероятности столкновения) и достаточное время удержания (для удержания плазмы, которая имеет склонность к расширению, в определенном объеме). А еще – действительно высокая температура: в установке ITER она будет достигать 150 миллионов градусов.

Кажется, кусочек юга Франции превратится в самое жаркое место на Земле (это предположение, ведь среднюю суточную температуру в аду мы и до сих пор не знаем).

Справка об ITER:

Страны участницы – Китай , Европейский Союз , Индия , Япония , Корея , Россия и США. При этом Европа несет ответственность за большую часть расходов на строительство (45,6 процента); остальное делят поровну Китай, Индия, Япония, Корея, Россия и США (по 9,1 процента каждая). Первый запуск проекта запланирован на декабрь 2025 года.

Как вы понимаете, взаимодействие любого "земного" материала с такой температурой является... весьма нежелательным, если только вы не хотите от этого материала избавиться.

Чтобы ограничивать и контролировать плазму, за основу было взято устройство токамак (подробно о нем и его строении вы можете прочитать чуть ниже). Но взять уже готовую технологию было мало: для результативного эксперимента, были необходимы ряда инноваций – от более устойчивых материалов до лучших систем диагностики. Таким образом в рамках ITER был дан толчок целому набору новых исследований – от построения крупнейших на сегодня сверхпроводящих магнитов до разработки высокопроизводительных сверхпроводящих нитей Nb3Sn.

Что такое "токамак"

Токамак – экспериментальная машина, которая по форме напоминает пончик, и предназначена для использования энергии синтеза. По сути, ITER будет крупнейшим в мире токамаком, с радиусом плазмы (R) 6,2 м и объемом плазмы 840 м³.

Внутри токамака энергия, которая образуется в результате синтеза атомов, как тепло поглощается в стенках сосуда. Как и обычная электростанция, термоядерная использовать это тепло для производства пара, а затем электроэнергии с помощью турбин и генераторов.

Токамак проекта в конечном итоге будет выглядеть так:

Рассмотреть его строение подробнее вы можете здесь.

Все это хорошо, но мы все еще не получили ответа на вопрос – каким образом при такой температуре плазма будет взаимодействовать с "сосудом"?

Дело в том, что заряженные частицы плазмы можно формировать и контролировать с помощью массивных магнитных катушек, размещенных вокруг резервуара. Это свойство и использовано при проектировании ITER – плазму с помощью магнитов будут держать подальше от стенок сосуда. По факту, она будет летать внутри "пончика", не задевая его.

При этом сами магниты будут охлаждаться почти до абсолютного нуля. Таким образом, неподалеку от Марселя мы получим уникальный даже в рамках известной нам Вселенной объект, где на 10 метрах температура меняется почти от абсолютного нуля (-269 градусов) до 150 миллионов градусов. Фантастический перепад температур.

Конечно же, это не все. Внутри самого "пончика" будет 440 модулей защитного покрытия, обращенных к плазме и покрывающих всю вакуумную камеру, общая площадь поверхности которой составит около 600 квадратных метров.

На данном фото вы видите собранную крышку реактора. Она весит 650 тонн

Для начала процесса с камеры удаляются воздух и примеси. Потом заряжаются магнитные системы, которые ограничат движение плазмы, затем – вводится газообразное топливо. По мере прохождения мощного электрического тока через сосуд, газ электрически разрушается, становится ионизированным и образует плазму.

А когда частицы плазмы заряжаются энергией и сталкиваются, они также начинают нагреваться. Вспомогательные методы нагрева позволяют довести плазму до температуры плавления (от 150 до 300 млн. ° C). Частицы, "под напряжением" до такой степени могут преодолеть свое естественное электромагнитное отталкивание при столкновении, чтобы расплавиться, высвобождая огромное количество энергии.

Если вы хотите взглянуть на строительство, можете воспользоваться виртуальным туром проекта (где вы также сможете попасть в прошлое).

А как насчет Украины и ITER?

Ни среди основных, ни среди ассоциированных стран-участниц в описании ITER Украина не упоминается. Впрочем, при условии успеха проекта человечество получит потенциально неиссякаемый источник мощной, экологичной и недорогой энергии – и вряд ли нам захочется пасти задних.

О том, почему Украина не принимает участие в ITER и дальнейших украинских перспективах Depo.ua рассказал ученый Горкуша Игорь Валерьевич – член программного комитета Euratom (fusion), Координатор украинской звена исследований в консорциуме EUROfusion, заместитель директора ННЦ ХФТИ.

"Дело в том, – говорит он, что за участие нужно платить деньги. Когда соглашение относительно проекта ІТЕR было подписано, он стоил около 10 млрд евро. Тогда еще был Советский Союз, и Украина де-факто принимала участие, как часть СССР. Украинские институты были привлечены к концептуальной разработке проекта".

В целом проект был инициирован в 1985 году – международное сотрудничество в этой области начали Горбачев и Рейган. Сперва принимали участие США, СССР, Европа (ЕС), Китай и Япония. Впоследствии присоединились Южная Корея и Индия.

"С развалом СССР Украина потеряла права на ITER. Чтобы участвовать, наши руководители должны были сказать, что они заинтересованы, и продолжить финансировать проект. А в Украине обычно ни на что, даже на собственную науку нет средств. Вот сейчас все финансирование НАН Украины 150 млн долларов в год – с отоплением, и зарплатами от уборщицы до ученых, и материалами. Это где-то 0,2% ВВП. И как бы мы могли там участвовать?", – отмечает ученый.

Добавляет, что даже если бы мы сейчас захотели присоединиться к проекту, нас бы не приняли.

"Во-первых, у нас нет ноу-хау, технологических наработок, которые мы туда можем добавить. К тому же, массив интеллектуальной собственности, который уже создан в этом проекте, – большой прорыв во многих отраслях. Это не только плазма, не только именно термоядерная реакция. Это еще и инженерные системы, новые материалы, которых у нас нет", – говорит он.

На фото – один из семи центральных соленоидных модулей General Atomics для ITER.

Впрочем, не все так печально. Перспективы работы над проектом масштабного термоядерного реактора в коммерческих целях у Украины есть, но на более поздних стадиях – при условии успеха ITER, когда страны-участницы начнут строить свои первые полноценные реакторы (проект DEMO).

"Мы все-таки опомнились, и предыдущее правительство подписало соглашение о привлечении к программе Горизонт 2020, в которой Украина стала ассоциированным членом. Через 2 года мы наконец подписали ассоциированное участие в Евроатоме – европейском сообществе по атомной энергии. Его создали раньше Европейский Союз, еще в 50-х годах, он объединяет все европейские исследования в этой области. Первое направление – традиционная атомная энергетика. Второе – энергетика будущего, там и ІТЕR. И третье – совместный центр Еврокомиссии, где мы также можем принимать участие", – говорит Игорь Валерьевич.

По его словам, именно в области энергетики будущего Украина и присоединилась. Все научные термоядерные исследования в Европе выполняются в рамках исследовательской программы Евроатом. Создан специальный консорциум – Eurufusion, который объединяет 30 членов, по 1 из каждой страны.

"От Украины бенефициаром стал Харьковский физико-технический институт. Но мы туда зашли как украинский исследовательский юнит. Сейчас он насчитывает 6 организаций. Это ХФТИ, как бенефициар и главная организация украинского юнита. Это украинский институт ядерных исследований в Киеве, они наши партнеры во многих программах. Это Харьковский государственный университет, институт теоретической физики имени Боголюбова. Это Львовская политехника. И в этом году еще присоединился киевский университет им. Т. Шевченко, радиофизический факультет. Но только в части образования, подготовки специалистов в направлении термоядерной энергетики", – говорит он.

По словам ученого, этот юнит стал полноправным членом консорциума, и начиная с 2017 года мы участвуем в научной части работы. А после того, как ІТЕR продемонстрирует, что с него можно получить в десять раз больше энергии, чем вложили в разогрев плазмы – то есть, будет реализован солнечный сценарий, каждая страна (но ЕС совместно) будет строить уже свой реактор DEMO. И сейчас, благодаря программе Евроатом мы привлечены к научной части программы, и особенно – к европейскому DEMO.

"Мы будем участвовать уже в следующем реакторе, вместе с европейцами. Будем участниками совместного европейского демо-реактора. Это будет наша общая победа. Но при условии, что наше правительство продолжит участие в программе Горизонт. Потому что программа Горизонт 2020 заканчивается в этом году. И в следующем году, с 2021 по 2027 начинается новая европейская исследовательская программа Горизонт Europe. И внутри этой программы также Евроатом Европа. А Украина подписала соглашение только до конца 2020-го. Со следующего года нам нужно заключать другое соглашение. Если оно не будет подписано, мы полностью окажемся за бортом", – отмечает наш собеседник.