Енергія зірок на Землі: Як проєкт ITER змінюватиме світ і до чого тут Україна

Ідея підкорити енергію Сонця турбує уми людей вже довгі десятиліття... Тому вчені будують "маленьке сонце" на Землі – проєкт  ITER, що може кардинально змінити світ енергетики

Марія Гурська
Журналіст відділу «Життя»
Енергія зірок на Землі: Як проєкт ITER з…
Фото: EPA

Уявіть собі світ, де у нас більше немає жодних проблем з енергозабезпеченням, і у той же час ми не завалені радіоактивними викидами та більше не змушені нещадно "доїти" надра Землі у пошуках палива, через яке нам вже важкувато дихати.

Саме на таке майбутнє націлено міжнародний проєкт ITER – термоядерний експериментальний реактор, який нині будують на півдні Франції. Від результатів його випробувань залежатиме ні мало ні багато, а енергетичне майбутнє людства. 

Відео з будівницва ITER

Depo.ua пропонує детальніше дізнатися, що це проєкт, які перспективи він нам надасть, до чого тут пончики та де місце України у масштабній коаліції вчених заради майбутнього?

Довідка: що таке термоядерна енергія?

Енергія, яка виділяється внаслідок термоядерного синтезу – процесу, коли два легших атомних ядра формують більш важке за рахунок кінетичної енергії їх теплового руху. 

Термоядерний синтез без тіні сумнівів можна назвати засадничим джерелом енергії Всесвіту – саме за його рахунок зірки горіли (і горять) мільярди років. У тому числі, наше Сонце.

І ось як це відбувається: за умови величезних температур та шаленої гравітації у ядрі нашого світила  стикаються ядра водню. Вони зливаються в більш важкі атоми гелію, вивільняючи при цьому величезну кількість енергії, яку людство ( у разі її приборкання та відтворення) може використати для добування електрики.  

І мета проєкту ITER – довести, що використання технології термоядерного синтезу на Землі, з метою отримання енергії – здійсненна.

Добре, але як відтворити все це у лабораторії?

Як йдеться безпосередньо на сайті ITER, завдяки дослідженням термоядерного синтезу минулого століття ми знаємо, що в лабораторних умовах найбільш ефективної реакції можна домогтися між двома ізотопами водню - дейтерієм (D) і тритієм (T).

Довідка: 

Дейтерій та тритій – ізотопи першого і найлегшого хімічного елементу – водню. Якщо їхню суміш нагріти до температури у 150 млн градусів С, то вони перетворюються на повністю іонізовану плазму. Завдяки цьому, ядра дейтерію та тритію зможуть розігнатися до такого ступеню, що долаючи кулонівські сили зіллються, утворюючи нейтрон та ядро гелію. У результаті кожного акту такого синтезу виділиться 17, 6 Мегаелектрон Вольт енергії. 
 

Детальніше уявити процес ви можете за допомогою наступного відео:

Окей, якщо все так просто, то чому ми досі цим не користуємося? Адже з моменту, коли на Землі вперше відтворили термоядерний синтез, минуло вже більше 60 років.

Справа у тому, що цей процес дуже важко контролювати. І аби відтворити такі ж злиття ядер, які відбуваються всередині Сонця у лабораторії, знадобиться дотримання кількох умов. Зокрема, достатня щільність частинок плазми (для збільшення ймовірності зіткнення) та достатній час утримування (для утримання плазми, що має схильність до розширення, в певному обсязі). А ще –  дійсно висока температура: в установці ITER вона сягатиме 150 мільйонів градусів. 

Здається, шматочок півдня Франції перетвориться на найспекотніше місце на Землі (це припущення, адже середню добову температуру у пеклі ми й досі не знаємо).

Довідка про ITER:

Країни учасниці – Китай , Європейський Союз , Індія , Японія , Корея , Росія та США. При цьому Європа несе відповідальність за найбільшу частину витрат на будівництво (45,6 відсотка); решту ділять порівну Китай, Індія, Японія, Корея, Росія та США (по 9,1 відсотка кожна). Перший запуск проєкту заплановано на грудень 2025 року.

Як ви розумієте, взаємодія будь-якого "земного" матеріалу з такою температурою є… вельми небажаною, якщо тільки ви не хочете цього матеріалу позбутися.

Щоб обмежувати та контролювати плазму, за основу було взято пристрій токамак (детально про нього та його будову ви можете прочитати трохи нижче). Та взяти вже готову технологію було мало: для результативного експерименту, були необхідні ряди інновацій – від більш тривких матеріалів до кращих систем діагностики. Таким чином в рамках ITER  було надано поштовх цілому набору нових досліджень – від побудови найбільших на сьогодні надпровідних магнітів до розробки високопродуктивних надпровідних ниток Nb3Sn.

Що таке "токамак"

Токамак – експериментальна машина, яка за формою нагадує пончик, і призначена для використання енергії синтезу. По суті,  ITER буде найбільшим у світі токамаком, з радіусом плазми (R) 6,2 м та об'ємом плазми 840 м³. 

Усередині токамака енергія, що утворюється в результаті синтезу атомів, поглинається як тепло в стінках посудини. Як і звичайна електростанція, термоядерна використовуватиме це тепло для виробництва пари, а потім електроенергії за допомогою турбін та генераторів.

Токамак проєкту у кінцевому результаті виглядатиме так:

Токамак – експериментальна машина

Розглянути його будову детальніше ви можете тут.

Усе це добре, та ми все ще не отримали відповіді на запитання – яким чином при такій температурі плазма буде взаємодіяти із "посудиною"?

Справа у тому, що заряджені частинки плазми можна формувати і контролювати за допомогою масивних магнітних котушок, розміщених довкола резервуару. Цю властивість і використано при проєктуванні ITER –  плазму за допомогою магнітів триматимуть подалі від стінок посудини. По факту, вона літатиме всередині "пончика", не зачіпаючи його.

При цьому самі магніти будуть охолоджуватися майже до абсолютного нуля. Таким чином, неподалік від Марселя ми отримаємо унікальний навіть у рамках відомого нам Всесвіту об’єкт, де на 10 метрах температура змінюється майже від абсолютного нуля (-269 градусів) до 150 мільйонів градусів. Фантастичний перепад температур.

Звісно ж, це не все. Всередині самого "пончика" буде  440 модулів захиного покриття, звернених до плазми і покриваючих усю вакуумну камеру, загальна площа поверхні якої складе близько 600 квадратних метрів, для охолодження установки викорисають масивні кріостати, тощо.

Кришка реактора

На даному фото ви бачите зібрану кришку реактора. Вона важить 650 тонн

Для початку процесу з камери видаляються повітря і домішки. Потім заряджаються магнітні системи, які обмежать рух плазми, потім – вводиться газоподібне паливо. У міру проходження потужного електричного струму через посудину, газ електрично руйнується, стає іонізованим і утворює плазму.

А коли частинки плазми заряджаються енергією і стикаються, вони також починають нагріватися. Допоміжні методи нагріву дозволяють довести плазму до температури плавлення (від 150 до 300 млн. ° C). Частинки, "під напругою" до такої міри можуть подолати своє природне електромагнітне відштовхування при зіткненні, щоб розплавитись, вивільняючи величезну кількість енергії.

Якщо ви хочете поглянути на будівництво, можете скористатися віртуальним туром проєкту (де ви також зможете потрапити у минуле).

А як щодо України та ITER?

Ані серед основних, ані серед асоційованих країн-учасниць у описі ITER Україна не згадується. Втім, за умови успіху проєкту людство отримає потенційно невичерпне джерело потужної, екологічної та недорогої енергії – і навряд чи нам захочеться пасти задніх.

Про те, чому Україна не бере участь у ITER та подальші українські перспетиви Depo.ua розповів науковець Горкуша Ігор Євгенійович – член програмного комітету Euratom (fusion), Координатор української ланки досліджень в консорціумі EUROfusion, заступник директора ННЦ ХФТІ.

"Справа у тому, – каже він, що за участь потрібно платити гроші. Коли угода щодо проєкту ІТЕR була підписана, він коштував близько 10 млрд євро. Тоді ще був Радянський Союз, і Україна де-факто брала участь, як частина СРСР. Українські інститути були залучені до концептуальної розробки проєкту".

Загалом проєкт було ініційовано у 1985 році –  міжнародне співробітництво у цій галузі започаткували Горбачов та Рейган. Спершу брали участь США, СРСР,  Європа (ЄС), Китай та Японія. Згодом долучилися Південна Корея та Індія.

"З розвалом СРСР  Україна втратила права на ITER. Аби брати участь, наші керманичі повинні були сказати, що вони зацікавлені, і продовжити фінансувати проєкт. А в Україні зазвичай ні на що, навіть на власну науку немає коштів. От зараз все фінансування НАН України – 150 млн доларів на рік  – з опаленням, і зарплатами від прибиральниць до вчених, і матеріалами. Це десь 0,2% ВВП.  І як би ми могли там брати участь?", – зазначає науковець.

Додає, що навіть якби ми зараз захотіли приєднатися до проєкту, нас би не прийняли.

"По-перше, у нас немає ноу-хау,  технологічних наробок, які ми туди можемо додати. До того ж, масив інтелектуальної власності, який вже створено у цьому проєкті,  –  великий прорив у багатьох галузях. Це не лише плазма, не лише саме термоядерна реакція. Це ще й інженерні системи, нові матеріали, яких у нас нема", – каже він.

Один із семи центральних соленоїдних модулів General Atomics для ITER

На фото – один із семи центральних соленоїдних модулів General Atomics для ITER.

Втім, не все так сумно. Перспективи роботи над проєктом масштабного термоядерного реактора у комерційних цілях в України є, але на пізніших стадіях – за умови успіху ITER, коли країни-учасниці почнуть будувати свої перші повноцінні реактори (проєкт DEMO).

"Ми таки схаменулись, і попередній уряд підписав угоду про залучення до програми Горизонт 2020, у якій Україна стала асоційованим членом. Через 2 роки ми нарешті підписали асоційовану участь у Євратомі – європейській спільноті з атомної енергії. Його створили раніше за Європейський Союз, ще у 50-х роках, він поєднує усі європейські дослідження у цій галузі. Перший напрямок – традиційна атомна енергетика. Другий – енергетика майбутнього, там і ІТЕR. І третій – спільний центр Єврокомісії, де ми також можемо брати участь", – каже Ігор Валерійович.

За його словами, саме у галузі енергетики майбутнього Україна і долучилася. Всі наукові термоядерні дослідження у Європі виконуються в рамках дослідницької програми Євратом. Сворений спеціальний консорціум – Eurufusion, який поєднує 30 членів, по 1 з кожної країни. 

"Від України бенефіціаром став Харківський фізико-технічний інститут. Але ми туди зайшли як український дослідницький юніт. Зараз він налічує 6 організацій. Це ХФТІ, як бенефіціар і головна організація українського юніту. Це український інститут ядерних досліджень у Києві, вони наші партнери у багатьох програмах. Це Харківський державний університет, інститут теоретичної фізики імені Боголюбова. Це Львівська політехніка. І цьогоріч ще долучився київський університет ім. Т. Шевченка, радіофізичний факультет. Але тільки у частині освіти, підготовки фахівців у напрямку термоядерної енергетики", – каже він.

За словами вченого, цей юніт став повноправним членом консорціуму, і починаючи з 2017 року ми беремо участь у науковій частині роботи. А після того, як ІТЕR продемонструє, що з нього можна отримати вдесятеро більше енергії, ніж вклали у розігрів плазми – тобто, буде реалізовано сонячний сценарій, кожна країна (але ЄС спільно) буде будувати вже свій реактор DEMO. І зараз, завдяки програмі Євратом ми залучені до наукової частини програми, і особливо – до європейського DEMO. 

"Ми будемо брати участь вже у наступному реакторі, разом з європейцями. Будемо учасниками спільного європейського демо-реактора. Оце буде наша спільна перемога. Але за умови, що наш уряд продовжить участь у програмі горизонт. Бо програма Горизонт 2020 спливає цього року. І наступного року, з 2021 по 2027 починається нова європейська дослідницька програма Горизонт Europe. І всередині цієї програми також Євратом Європа. А Україна підписала угоду тільки до кінця 2020-го. З наступного року нам потрібно укладати іншу угоду. Якщо її не буде підписано, ми повністю опинимося за бортом", – зазначає наш співрозмовник.

Більше новин про події в Україні та світі на Depo.ua
 

Всі новини на одному каналі в Google News

Слідкуйте за новинами у Телеграм

Підписуйтеся на нашу сторінку у Facebook

deneme