Как создатели устройства Т-15МД развивают ядерный потенциал страны и участвуют в международной программе «ИТЭР»
Со времен Советского Союза правительство России выделяет средства на изучение синтеза радиоактивных элементов и физики космической плазмы. Достижения российских ученых тщательно изучает мировое сообщество. Ядерный потенциал страны сдерживает агрессию недружественных государств и сообществ. Узнайте от создателей устройства Т-15МД о ключевых особенностях гибридного термоядерного реактора и применении результатов исследования для решения глобальных энергетических проблем.
УНУ токамак Т-15МД — экспериментальный проект, разработанный НИЦ «Курчатовский институт» совместно с ООО "НПО "ГКМП". По значению тороидального поля, равному 2 Тл (при IAM = 2,2), — установка не имеет аналогов в мире. Если сравнивать с другими УТС, тороидальная магнитная ловушка для управляемого термоядерного синтеза решает комплекс задач.
Модернизированный токамак предназначен для проведения научно-исследовательской деятельности и применения в энергетической отрасли. Оборудование используют при моделировании процессов, происходящих в космическом пространстве. Специалисты корпорации «Роскосмос» работают над созданием будущих электрических магнитоплазменных двигателей для космических кораблей, например, «Зевс».
Совершенствование Т-15МД — дело государственной важности. Создание экспериментального, а затем серийного транспортно-энергетического буксира на ядерном топливе, повышает репутацию России как лидера в развитии дальней космонавтики и ядерной энергетики.
Реактор Т-15МД и программа «ИТЭР»
Системные знания и опыт в исследовательской деятельности высоко оценены международным сообществом. Российские физики активно участвуют в масштабных проектах, например «ITER».
Комплекс сооружений специального назначения возводят на юге Франции. Для реализации грандиозного проекта правительство выделило территорию 180 га.
По плану, в 2036 г. международная группа ученых создаст demo-версию установки. Чтобы наладить стабильно цикл производства энергии, полученной при термоядерном синтезе, уйдет еще лет двадцать. Это при условии, что удастся преодолеть все проблемы.
На Т-15МД отрабатывают механизмы формирования и поддержания транспортных барьеров, генерации тока ЭЦ и НГ волнами, нагрева и удержания высокотемпературной плазмы, управления энергией вблизи первой стенки и в устройстве для удаления внешних слоев плазменного шнура, подавления глобальных неустойчивостей. Эти, и другие проблемы, пока еще не решены учеными, которые занимаются физикой космической плазмы.
В проекте «ITER» российский токамак используют как испытательный стенд для отработки подсистем (например, инжекции быстрых атомов), проведения исследований (взаимодействие быстрых атомов с основными ионами плазмы), опробования материалов и тестирования методов.
Аналогичные национальные проекты
Федеральное правительство США финансирует работы NASA, направленные на создание ядерных двигателей для запуска космических кораблей. Установки отличаются от классических буксиров большей эффективностью и долговечностью.
Китай самостоятельно (и в содружестве с РФ) развивает космические технологии. Ученые Поднебесной создали токамак HL-2M, который отличается от Т-15МД меньшими размерами и мощностью. Российская установка рассчитана на работу с мощными потоками плазмы, поэтому участвует в масштабном международном проекте «ITER».
Свой вклад в освоение космоса вносит частная компания «Спейс-Икс», которая принадлежит Илону Маску. Корпорация работает в нескольких направлениях. Для космоса компания Илона Маска проектирует и производит ракеты. Летательные аппараты предназначены для запуска пилотируемых и грузовых космических кораблей. Другая группа ученых разрабатывает ракеты для длительных полетов на Марс и Луну.
В настоящее время компания «SpaceX» не экспериментирует с устройствами на ядерном топливе. Инженеры совершенствуют традиционные химические двигатели на жидком кислороде и метане. Эксперты не исключают возможности будущей модернизации космических кораблей. В какое-то время летательные аппараты оснастят двигателями на ядерном топливе.
Самоподдерживающийся термоядерный синтез
В 2021 году физикам лаборатории «LLNL» удалось достичь результата. Работу опубликовали в журнале «Physical Review Letters».
В окружающем пространстве имеются тела, способные длительное время поддерживать термоядерный синтез. Звезды «живут» триллионы лет и все время генерируют энергию. Солнце представляет собой плазменный шар. На планете Земля примерами высвобождения большого количества энергии могут стать взрывы ядерных боеприпасов и реакторов.
Если отбросить опасные военные действия и катастрофы, человечество еще не научилось воспроизводить дешевую энергию в большом объеме. Ученые изучают физику космической плазмы для создания стабильного контролируемого самоподдерживающегося ядерного и термоядерного синтеза. Одна из проблем заключается в отсутствии высокоэнергетической среды (системы зажигания), которая обеспечивает стабильный контролируемый процесс.
При распаде ядер выделяется большое количество энергии. Внутри термоядерного реактора температура достигает 100 000 000 0C. При проектировании, изготовлении и испытаниях реакторов специалисты решают вопросы, связанные с выбором термически стойких материалов.
Результаты эксперимента в лаборатории «LLNL»
Публикация в журнале «Physical Review Letters» дала основание полагать, что ученые близки к решению проблемы. Физики из американской лаборатории «LLNL» провели эксперимент, где использовали тяжелые изотопы водорода: стабильный элемент (D — дейтерий) и тритий (T). Радиоактивный изотоп представляет собой плазму с длительным периодом распада (12,3 года). Интересно, что тритий составляет основную массу звезд.
Ученые поместили капсулу с топливом в облицованную золотом камеру с обедненным ураном. Чтобы активировать процесс, использовали 192 рентгеновских луча. При соединении всех компонентов возникла термическая реакция с выделением 10 квадриллионов ватт мощности, которая запустила самоподдерживаемый ядерный синтез.
В последующих экспериментах повторить результат не удалось. По сравнению с удачным запуском, максимальное количество выделенной энергии не превысило 50% объема. Этого недостаточно для поддержания стабильной термоядерной реакции.
Токамак Т-15МД — важный компонент международного проекта «ITER»
В программе создания экспериментального реактора участвуют ведущие специалисты по космической плазме. Цель проекта — отработка термоядерных технологий, включенных в программу “ITER”, а также демонстрация управляемого и стабильно работающего термоядерного реактора. Чтобы запустить непрерывный процесс, установка должна воспроизводить энергии больше, чем потребляет.
Специалисты по физике космической плазмы занимаются двумя направлениями: научно-исследовательской деятельностью и созданием демонстрационной установки. Испытания на реакторе Т-15МД — вклад Российской Федерации в международную программу «ITER».
Установка Т-15МД — гибридный термоядерный реактор, который использует два типа высвобожденной энергии: при распаде атомов и синтезе. Практическим результатом работы должно стать создание высокоэффективного топлива. Горючее вещество решит проблему дефицита ресурсов в энергетике будущего. Ученые планируют создать топливо для использования в реакторах АЭС.
Устройство гибридного термоядерного реактора
Проект Т-15МД представляет собой комплекс зданий и сооружений, обеспечивающих работу реактора. Энергоэффективность комплекса обеспечивает основная (№ 745) и несколько вспомогательных подстанций. Главный элемент токамака — камера высокого вакуума объемом 55 м3, работающая под давлением 1--5*10-7 торр.
Для откачивания атмосферы используют форвакуумные и высоковакуумные насосы. Суммарная производительность системы достигает 3000 л/сек.
Для отвода тепла используют контуры охлаждения с дистиллированной и речной водой. При давлении 10 атм производительность системы равна 2200 м3/час.
Основное питание комплекса обеспечивают 24 высоковольтные источники (СВИП) от подстанции № 745. Суммарная мощность 230 МВА.
Цель использования установки — создать экспериментальную базу гибридного реактора, дальнейшее изучение физики плазмы, исследование взаимодействия плазмы с первой стенкой, разработка новых диагностических методик и систем управления процессами.
Задача проекта — дальнейшее развитие теоретической части физики космической плазмы, разработка методов компьютерного моделирование процессов и численных кодов. По окончании работы специалисты представят рекомендации по безопасной эксплуатации гибридного термоядерного реактора и подтвердят выводы практическими результатами.
Участие разных стран в грандиозном проекте «ITER»
С каждым годом природные богатства истощаются, а потребность в энергии и стоимость топлива возрастает. Чтобы достичь целей проекта «ITER» используют передовые плазменные технологии, наиболее эффективные ректоры и сырье.
В изучении физики космической плазмы много сложностей, связанных с материальным обеспечением, организаций процесса и большим объемом исследований. Ни одна страна мира не может в одиночку реализовать масштабный проект. В результате длительных переговоров возник проект «ITER», где каждая страна вносит свой вклад в общее дело.
В изучении физики космической плазмы заинтересован Европейский Союз. ЕС направляет в фонд развития проекта 45% всех денежных средств.
Вклад США составляет 9%. Американские и японские ученые входят в специальную группу, которая занимается созданием соленоидов.
Доля Поднебесной — 10%. Китайские специалисты отвечают за производство бланкета и других частей установки. Индия (9%) взяла на себя обязательство разработать систему водяного охлаждения для реактора «ITER».
Южнокорейские ученые проектируют и изготавливают камеры сверхглубокого вакуума. Финансовый вклад страны — 9%.
Основные поставщики материалов: Канада (тритий) и Австралия (металлопрокат). В международном проекте участвует Великобритания и Швейцария.
Программа «ITER»: цели, сроки, прогнозы
Цель программы — решить проблему дефицита энергоресурсов за счет внедрения контролируемого самоподдерживающегося термоядерного синтеза. Мировое сообщество надеется получить неограниченный источник энергии, который практически не загрязняет окружающую среду. Результат работы ученых предназначен для использования в мирных целях.
По плану, международный проект «International Thermonuclear Experimental Reactor» завершится в 2050 году. К этому времени участники программы разработают дизайн и создадут демонстрационную коммерческую установку.
Управляемый термоядерный синтез оценивают по критериям воспламенения Джона Лоусона. Когда говорят о коммерческом использовании токамака, подразумевают соответствие условию. В процессе термоядерного синтеза выделяется больше энергии, чем потрачено на запуск и поддержания реакции.
На пути к созданию стабильно работающего термоядерного реактора «ITER» еще много нерешенных проблем. Ученые не гарантирует, что удастся достигнуть критериев воспламенения Джона Лоусона. Английский физик определил условия безубыточности протекания управляемой термоядерной реакции. Результаты исследования свидетельствуют: энергия термоядерного синтеза должна, как минимум, в два раза превышает вводимую в систему энергию.
Не исключен вариант, что коллектив ученых не сможет обеспечить высокий уровень безопасности. Возможно возникновение других проблем, которые возникнут в будущем.
Трудности при создании стабильно работающего термоядерного реактора
Наиболее дорогой и уязвимый элемент конструкции гибридного реактора — первичная (первая) стенка, закрепленная на охлаждающей панели. В результате активного нейтронного излучения материал становится радиоактивным. В течение 4-5 лет оболочка полностью утрачивает способность защищать окружающее пространство. Ученые уделяют особое внимание выбору материала для первой стенки.
Если рассматривать коммерческие проекты, экономически и энергетически невыгодно один раз в несколько лет останавливать работу реактора и полностью обновлять внешнюю оболочку.
Создатели токамака Т-15МД предлагают более интересное конструкторское решение — специальное «одеяло», которое окружает термоядерный реактор. По-английски «одеяло» звучит как «blanket». Основное назначение оболочки — предотвращение ускоренного износа первой стенки.
Бланкет содержит неактивное делящееся вещество: Торий-232 или Уран-238. Термоядерные нейтроны вылетают из рабочей камеры, сталкиваются с Ураном-238, запускают термохимическую реакцию с образованием плутония-239. Радиоактивный нуклид плутония — ядерное топливо, который используют в ядерных реакторах.
Если бланкет содержит Торий-232, при трансмутации тория образуется искусственный изотоп урана Уран-233. Отработанное ториевое топливо легче утилизировать.
Основное топливо для ядерной энергетики — уран-235 и плутоний-239. Доля искусственно выделенного изотопа (уран-235) в природном уране составляет 0,7 от массы. По сравнению с ураном-235 и плутонием-239, Уран-233 отличается высоким выходом тепловой энергии. Элемент двести тридцать третий уран целесообразно использовать в тепловых реакторах.
Российским разработчикам Т-15МД и «ITER» предстоит решить много задач. ООО "НПО "ГКМП" принимает заказы на проектирование, производство, монтаж и пусконаладочные работы вакуумного оборудования специального назначения, промышленных термических установок, магнитных катушек. Узнайте подробности по телефону: +7(495) 150-14-50!
