Токамак делает уран

В будущем году в Курчатовском институте запустят токамак Т-15МД. Это будет первая за двадцать лет новая термоядерная российская установка, которая относится к классу гибридных —сочетающих в себе элементы термоядерного и ядерного реакторов
Токамак делает уран
Реактор Т-15МД относится к классу гибридных. Это означает, что в нем будут использоваться не только реакции синтеза легких ядер (обычно дейтерия и трития), но и ядерные реакции
vladtime.ru

Работы над токамаком ведет Курчатовский институт совместно с Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) имени Д. В. Ефремова. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале «Вопросы атомной науки и техники», серия «Термоядерный синтез», пуск новой установки, необходимой для развития отечественных проектов по управляемому термоядерному синтезу, планируется на декабрь 2020 года.

Впервые решение задачи по управляемому термоядерному синтезу предложил советский физик Олег Лаврентьев. Важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся советские физики, как Андрей Сахаров, Игорь Тамм и Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года. Их разработки легли в основу самой распространенной конструкции термоядерного реактора — токамака (тороидальная камера с магнитными катушками). Первый токамак был построен в СССР в 1954 году. Сейчас установки этого типа функционируют во многих странах мира, а в исследовательском центре Кадараш на юге Франции сооружается международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor). Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.

 

Гибрид, решающий проблемы

Участие в этом проекте не останавливает работ, которые проводятся в России и в других странах.

Решение о модернизации и запуске токамака Т-15МД принято в том числе потому, что, как показали работы по проекту ИТЭР, для его успешного завершения необходимо в каждой из стран — участниц проекта иметь современный токамак, на котором можно проводить исследования как в поддержку программы ИТЭР, так и для развития других реакторных технологий. Российская программа, в частности, предусматривает отработку технологий, необходимых для создания нейтронных источников наработки топлива для атомной энергетики.

magnifier.png Пуск новой установки, необходимой для развития отечественных проектов по управляемому термоядерному синтезу, планируется на декабрь 2020 года

Дело в том, что новый реактор относится к классу гибридных, а одним из авторов идеи таких реакторов и активным сторонником их создания является академик Евгений Велихов. Это означает, что в нем будут использоваться не только реакции синтеза легких ядер (обычно дейтерия и трития), но и ядерные реакции. Бланкет такого реактора состоит из двух зон. В первой зоне — делящиеся вещества (уран или торий), во второй — литийсодержащие вещества для воспроизводства сгоревшего в плазме трития. То есть такие реакторы могут использоваться с целью наработки трития для термоядерного реактора и наработки ядерного топлива для тепловых и быстрых реакторов (плутония-239 и урана-233), для трансмутации (Трансмутация — преобразование долгоживущих и токсичных радионуклидов в менее токсичные с как можно более коротким периодом полураспада) долгоживущих высокоактивных отходов.

В принципе такие реакторы могут вырабатывать как термоядерную, так и ядерную энергию. Пока предполагается, что, кроме решения задач термоядерного реакторостроения, они смогут решить проблему исчерпания запасов ядерного топлива.

Физику процесса пояснил в интервью журналу «В мире науки» доктор технических наук, научный руководитель Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Петр Хвостенко: токамак будет генерировать термоядерные нейтроны, которые облучают топливо, окружающее плазму. В этом случае после облучения нейтронами тория-232, которого очень много в земной коре, мы получаем уран-233, который и будет топливом для атомных станций.

При этом температура плазмы в термоядерной части гибридного реактора должна составлять 30–50 °C, а не 120–150 млн °C, как в энергетическом реакторе, при этом требования к плазменной части и нейтронным потокам для гибридных реакторов на порядок ниже, чем к чисто термоядерным реакторам, и это может существенно сократить сроки их внедрения.

magnifier.png Новый реактор относится к классу гибридных. Это означает, что в нем будут использоваться не только реакции синтеза легких ядер, но и ядерные реакции

В статье указывается, что «проект должен стать центром исследований по программе управляемого термоядерного синтеза, объединяющим научный и технический потенциал различных коллективов страны». Этот токамак позволит находить решение широкого спектра физических и технологических проблем, необходимых для надежного обоснования параметров термоядерного реактора.

Следует отметить, что в России работают не только над созданием термоядерной установки на основе токамака — создается установка, которая использует для разогрева плазмы лазер. Недавно в Российском федеральном ядерном центре ВНИИЭФ в Сарове завершена сборка центрального элемента новейшей лазерной установки — камеры взаимодействия, мощность импульса которой выше, чем у всех существующих в мире установок в полтора раза. Как сказал в одном из своих интервью директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ–ВНИИЭФ академик РАН Сергей Гаранин, «до сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого («зажигания» термоядерных реакций в мишенях. — “Стимул”) первыми в мире».

ТОКОМАК ЛАЗЕР.png
Внешне новейший лазер напоминает огромную сферу диаметром 10 метров и весом 120 тонн. Всего за 14 месяцев с использованием уникальной технологии сварки произведен монтаж сферы и ее раскрой под контролем прецизионного геодезического оборудования для размещения систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет 100 мм. Всего на поверхности сферы располагаются более 100 портов. О точности произведенных операций свидетельствуют следующие цифры: максимальное отличие формы камеры от сферы составляет менее 5 мм, а оси всех портов имеют отклонение от её центра менее 1 мм.
naukatehnika.com

 

Термояд в мире

Как мы уже отметили, наряду с участием в строительстве международного проекта ITER многие страны ведут и самостоятельные разработки. Построено несколько токамаков, в том числе европейский JET, британский MAST и экспериментальный термоядерный реактор TFTR в Принстоне (США). В Китае обещают к 2030 году построить CFETR, который превзойдет ITER. А пока в КНР проводят исследования на экспериментальном сверхпроводящем токамаке EAST. Термоядерные реакторы другого типа — стеллараторы — тоже популярны у исследователей. Один из крупнейших, LHD, начал работу в японском Национальном институте термоядерного синтеза еще в 1998 году. Немецкий Институт Макса Планка проводит исследования на реакторе на Wendelstein 7-X, строительство которого длилось более 19 лет. Другой стелларатор — TJII — эксплуатируется в Мадриде.

magnifier.png В России работают не только над созданием термоядерной установки на основе токамака — создается установка, которая использует для разогрева плазмы лазер

Кроме того, в мире ведутся работы по созданию и исследованию термоядерных реакторов, которые используют для разогрева плазмы лазеры: National Ignition Facility (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории, французский Laser Mégajoule (LMJ).

В 1978 году ЕС (Евратом, Швеция и Швейцария) начали совместный европейский проект JET в Великобритании. Сегодня JET — крупнейший работающий токамак в мире. Подобный реактор JT-60 работает в японском Национальном институте термоядерного синтеза. Созданием собственных термоядерных установок занимаются и другие страны.

А Массачусетский технологический институт и частная компания Commonwealth Fusion Systems ведут совместную разработку компактного термоядерного реактора для коммерческой эксплуатации в электрических сетях. А когда к работе подключается частный бизнес, можно предполагать, что решение уже близко.

Еще по теме