Будущее уже за углом. Как выглядит сборка термоядерного реактора ITER

Об этой стройке, ее предпосылках и теоретических основах добычи энергии путем термоядерного синтеза мы рассказывали в одной из предыдущих публикаций. Освежить ее в памяти можно по ссылке.

Вкратце напомним о том, как работает термоядерный синтез:

• Несколько граммов газообразного дейтерия и трития вводят в огромную камеру в виде пустотелого бублика. Это так называемый токамак.
• Газ нагревают, пока он не превратится в ионизированную плазму.
• Плазму удерживают в стабильном состоянии с помощью сложной системы сверхпроводящих магнитных катушек.
• При достижении температуры плазмы порядка 150 млн градусов по Цельсию начинается реакция синтеза.
• В реакции синтеза совершенно крошечное количество массы преобразуется в огромное количество энергии в виде тепла. Процесс напоминает тот, что происходит на Солнце.
• Вода, которая циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар.
• Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

По расчетам ученых, ITER будет производить порядка 500 мегаватт тепловой энергии. Реактор экспериментальный, а потому установка турбины на него не предусмотрена. При непрерывной эксплуатации и подключении станции к электросети на выходе получится 200 мегаватт электроэнергии. Этого могло бы хватить примерно на 200 тыс. домов.

1. Вакуумная камера, где и обитает плазма. 2. Инжектор нейтрального луча и радиочастотный нагрев плазмы до 150 млн градусов. 3. Сверхпроводящие магниты, которые обуздают плазму. 4. Бланкеты, защищающие камеру и магниты от бомбардировки нейтронами и нагрева. 5. Дивертор, который отводит тепло и продукты термоядерной реакции. 6. Инструменты диагностики для изучения физики плазмы (включают манометры и нейтронные камеры). 7. Криостат — огромный термос с глубоким вакуумом, который защищает от нагрева магниты и вакуумную камеру

Коммерческий вариант термоядерного реактора будет обладать плазменной камерой большего объема, что в теории способно обеспечить в 10—15 раз бо́льшую выработку электричества.

С момента публикации нашей статьи прошло два года. Грандиозный и очень сложный проект пускай медленно и сложно, но продвигается. И одна из последних важных вех достигнута: началась сборка непосредственно самого реактора, где и будет происходить живительная реакция синтеза с выделением огромного объема энергии.

За последние несколько месяцев на место монтажа реактора были доставлены все его будущие составные части. Во многих случаях речь шла о компонентах весом в несколько сот тонн каждый и длинной более 15 метров. Более пяти лет их создавали в университетах и национальных лабораториях, производили на фабриках.

Они летели, плыли и ехали со всех уголков мира: все-таки задача реализации столь сложного проекта не под силу какой-то одной, даже самой продвинутой стране. А потому в исследовательском проекте ITER принимают участие партнеры из 35 стран мира. Напомним, что и бюджет этой научной стройки крайне высок — более $19 млрд.

Такая международная заинтересованность проектом объясняется тем, что прорывные инновационные разработки, которые будут выполнены в рамках ITER, сыграют ключевую роль в решении глобальной проблемы изменения климата и создании устойчивого безуглеродного общества. Об этом, в частности, месяц назад говорил премьер-министр Японии Синдзо Абэ.

Каждый компонент будущего реактора должен отвечать очень строгим спецификациям: все же стоит задача собрать во Франции самую сложную трехмерную головоломку. И все детали должны подходить друг к другу, чтобы в плотном графике сборки не возникало заторов.

С чего началась сборка

На сайте ITER утверждается, что реактор будет состоять примерно из миллиона деталей. Параллельно с его сборкой и установкой будет вестись интеграция различных систем: радиочастотный обогрев, топливный цикл, криогенные, вакуумные, контрольные и другие системы. Речь идет о сотнях тысяч монтажных работ, тщательно спланированных и организованных инженерами.

Непосредственно саму сборку сердца ITER начали с криостата — этот самый большой из когда-либо построенных в мире «термосов» делали в Индии. Криостат, в который будет заключен вакуумный бублик с плазмой (тот самый токамак), в диаметре и в высоту достигает 30 метров, его объем — 16 тыс. кубических метров.

Выполнен криостат из нержавеющей стали. Он состоит из четырех частей: основания, нижнего, верхнего цилиндров и верхней крышки.

Индийские работники закончили сборку крышки

Одна из частей криостата в фабричной упаковке

Одно только основание криостата весит 1250 тонн. Оно является самым тяжелым компонентом ITER, и его первым установили на место. В целом весь криостат весит 3850 тонн.

В криостате насчитывается 23 отверстия, предназначенных для обслуживания, а также еще 200 отверстий (некоторые размером в 4 метра) для доступа к системам охлаждения, магнитным питателям, дополнительному нагревателю и так далее.

Основание криостата было завершено в июле прошлого года. Его установили в монтажный карьер токамака 26 мая. Находившиеся там сотрудники говорили, что этот процесс чем-то напоминал фильмы Спилберга. По форме основание похоже на корабль пришельцев.

И по своему значению процесс был чем-то фантастичным: со скоростью метр в минуту тысячетонная деталь проплыла на высоте 24 метров в величественных залах сборки. Всего от зала сборки к залу непосредственной установки реактора она преодолела 110 метров.

Там произошла еще одна ювелирная операция — основание криостата, почти касаясь стенок, начали опускать в глубокий бетонный цилиндр — опорную систему всей будущей установки.

Вот прямо туда

Что дальше?

Компоненты поступают в зал сборки через очистное сооружение, где их распаковывают и очищают сжатым воздухом, деминерализованной водой или специальными моющими средствами. Это своеобразный шлюз между местом сборки и внешней средой.

В этих залах находится система кранов, с помощью которой складируют грузы, а потом перемещают их к месту установки. Это 170-метровый мостовой кран и два 750-тонных крана.

Нижний цилиндр криостата

Следом за установкой основания криостата будут смонтированы его нижний цилиндр, термальный щит, временная поддержка для самой нижней полоидальной катушки, центральная ось и первая катушка, то есть магнит. Они будут придавать форму, удерживать и контролировать разогретую плазму. Чтобы добиться сверхпроводимости, изнутри они будут охлаждаться жидким гелием с температурой −269 градусов по Цельсию. Криогенная установка (крупнейшая в мире) завершена уже на 60% — на ней будут производить жидкий гелий. Оборудование поставляется из Китая, Индии, Швеции, Чехии, Финляндии, Италии, Японии, Франции.

Магниты будут трех типов. Например, катушки тороидального поля делали в Европе и Японии. Компоненты для них поступали из Китая, Южной Кореи и России. В создании 18 катушек, каждая из которых имеет размер с четырехэтажный дом и вес 360 тонн, принимали участие около 40 разных компаний. Эти катушки будут удерживать ионизированные частицы плазмы. Первые две уже приехали в апреле из Японии и Италии.

Первый корпус тороидальной катушки. Первый из 18 гигантских магнитов. Одну половину сделали в Японии, другую — в Корее

Катушки полоидального поля будут расположены поверх предыдущих. Они должны будут отдалить плазменный шнур от стенок камеры. Всего будет шесть таких кольцевидных катушек диаметром от 10 до 24 метров и весом до 400 тонн. Первая уже приехала в мае из Китая, вторую делали прямо на месте, во Франции. Также в создании принимает участие Россия.

Вакуумную камеру, тот самый полый бублик, внутри которого и будет гореть плазма, производят в Европе и Южной Корее, часть компонентов поставляет Россия. Первая из девяти секций вакуумной камеры прибыла во Францию 21 июля, в августе к ней присоединилась корейская секция.

Одна из секций камеры

На сборку было отведено четыре с половиной года, однако любая ошибка в столь сложном проекте может дорого обойтись. На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность машины. Планируется, что работать на термоядерной энергии установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние.

Читайте также:

• Когда кончатся нефть и газ, чем мы их заменим? Состояние и перспективы ядерной энергетики
• Что будет, когда кончится нефть? Сколько ее осталось и когда наступит конец?