ИТЭР (первоначально Международный термоядерный экспериментальный реактор , iter означает «путь» или «путь» на латыни [2] [3] [4] ) — это международный исследовательский и инженерный мегапроект в области ядерного синтеза , направленный на создание энергии посредством процесса термоядерного синтеза, аналогичного к Солнцу . После завершения строительства основного реактора и первой плазмы, запланированного на конец 2025 года, [5] это будет крупнейший в мире эксперимент по физике плазмы с магнитным удержанием и крупнейший экспериментальный токамак термоядерный реактор. Он строится рядом с заводом Кадараш на юге Франции. [6] [7] ИТЭР будет крупнейшим из более чем 100 термоядерных реакторов, построенных с 1950-х годов, с объемом плазмы в десять раз превышающим любой другой токамак, работающий сегодня. [8] [9]
Долгосрочной целью исследований в области термоядерного синтеза является выработка электроэнергии. Заявленная цель ИТЭР - научные исследования и технологическая демонстрация большого термоядерного реактора без выработки электроэнергии. [10] [8] Целью ИТЭР является достижение достаточного уровня термоядерного синтеза, чтобы производить в 10 раз больше тепловой выходной мощности, чем тепловая мощность, поглощаемая плазмой в течение коротких периодов времени; продемонстрировать и протестировать технологии, которые потребуются для эксплуатации термоядерной электростанции, включая криогенику, нагрев, системы управления и диагностики, а также дистанционное обслуживание; достигать результатов и учиться у горящей плазмы; испытать размножение трития ; и продемонстрировать безопасность термоядерной установки. [9] [7]
Реактор термоядерного синтеза ИТЭР будет использовать более 300 МВт электроэнергии, чтобы заставить плазму поглощать 50 МВт тепловой энергии, создавая 500 МВт тепла в результате термоядерного синтеза в течение периодов от 400 до 600 секунд. [11] Это будет означать десятикратное увеличение мощности нагрева плазмы ( Q ), измеряемой соотношением тепловложения к тепловой мощности, или Q ≥ 10. [12] По состоянию на 2022 год [обновлять]рекорд по производству энергии с использованием ядерного синтеза удерживается. реактором National Ignition Facility , коэффициент Q которого достиг 1,5 в декабре 2022 года. [13] Помимо простого нагрева плазмы, общий объем электроэнергии, потребляемой реактором и объектами, будет варьироваться от 110 МВт до пиковой мощности 620 МВт в течение 30-секундных периодов. во время работы плазмы. [14] В исследовательском реакторе вырабатываемая тепловая энергия не преобразуется в электричество, а просто выбрасывается . [7] [15] [16]
ИТЭР финансируется и управляется семью странами-членами: Китаем , Европейским Союзом , Индией , Японией , Россией , Южной Кореей и Соединенными Штатами . Великобритания участвует в проекте ЕС « Fusion for Energy» (F4E), Швейцария участвует в проекте Евратом и F4E, а проект имеет соглашения о сотрудничестве с Австралией, Канадой, Казахстаном и Таиландом. [17]
Строительство комплекса ИТЭР во Франции началось в 2013 году, [18] а сборка токамака началась в 2020 году. [19] Первоначальный бюджет был близок к 6 миллиардам евро, но общая стоимость строительства и эксплуатации прогнозируется на уровне от евро. от 18 до 22 миллиардов евро; [20] [21] по другим оценкам, общая стоимость проекта составляет от 45 до 65 миллиардов долларов, хотя эти цифры оспариваются ИТЭР. [22] [23] Независимо от окончательной стоимости, ИТЭР уже называют самым дорогим научным экспериментом всех времен, [24] самым сложным инженерным проектом в истории человечества, [25] и одним из самых амбициозных проектов человеческого сотрудничества. с момента разработки Международной космической станции (бюджет 100 миллиардов евро или 150 миллиардов долларов) и Большого адронного коллайдера (бюджет 7,5 миллиардов евро). [примечание 1] [26] [27]
Планируемый преемник ИТЭР, DEMO под руководством EUROfusion , как ожидается, станет одним из первых термоядерных реакторов, производящих электроэнергию в экспериментальной среде. [28]
Целью термоядерного синтеза является воспроизведение процесса, происходящего в звездах, где интенсивное тепло в ядре объединяет ядра и производит огромное количество энергии в виде тепла и света. Использование термоядерной энергии в земных условиях могло бы обеспечить достаточно энергии для удовлетворения растущего спроса, причем сделать это устойчивым образом с относительно небольшим воздействием на окружающую среду. Один грамм дейтерий-тритиевой топливной смеси в процессе ядерного синтеза производит 90 000 киловатт-часов энергии, что эквивалентно 11 тоннам угля. [29]
В ядерном синтезе используется подход, отличный от традиционной ядерной энергетики. Современные атомные электростанции полагаются на ядерное деление, при котором ядро атома расщепляется для высвобождения энергии. В ядерном синтезе используется несколько ядер и используется интенсивное тепло для их соединения. Этот процесс также высвобождает энергию. [30]
Ядерный синтез имеет много потенциальных преимуществ. Топлива относительно много, и оно может быть произведено в термоядерном реакторе. После предварительных испытаний с дейтерием ИТЭР будет использовать для его синтеза смесь дейтерия и трития из-за высокого энергетического потенциала этой комбинации [31] и потому, что эту реакцию синтеза проще всего проводить. Первый изотоп, дейтерий , можно извлечь из морской воды , где он является почти неисчерпаемым ресурсом. [32] Второй изотоп, тритий , встречается в природе лишь в следовых количествах, и его предполагаемые мировые запасы (в основном производимые тяжеловодными реакторами деления CANDU ) составляют всего 20 килограммов в год, что недостаточно для электростанций. [33] ИТЭР будет тестировать технологию размножения трития , которая позволит будущему термоядерному реактору создавать собственный тритий и, таким образом, быть самодостаточным. [34] [35] Кроме того, термоядерный реактор практически не будет производить выбросов CO 2 или загрязнителей атмосферы, не будет никаких шансов на расплавление, а его радиоактивные отходы будут в основном очень недолговечными по сравнению с теми, которые производятся обычным ядерным реактором. реакторы (реакторы деления). [36]
21 ноября 2006 года семь партнеров проекта официально согласились профинансировать создание термоядерного реактора. [30] Ожидается, что программа продлится 30 лет: 10 лет на строительство и 20 лет на эксплуатацию. Первоначально предполагалось, что стоимость ИТЭР составит около 5 миллиардов евро. [37] Однако задержки, рост цен на сырье и изменения в первоначальном проекте привели к тому, что официальная смета бюджета выросла до 18–20 миллиардов евро. [38] [39]
Ожидалось, что на строительство реактора уйдет 10 лет, и ИТЭР планировал испытать свою первую плазму в 2020 году и достичь полного синтеза к 2023 году, однако в настоящее время согласно графику испытания первой плазмы должны быть проведены в 2025 году, а полный синтез – в 2035 году . подготовка началась недалеко от центра Кадараш , Франция, и президент Франции Эммануэль Макрон начал этап сборки проекта на церемонии в 2020 году. [41] Согласно пересмотренному графику, работы по созданию первого разряда водородной плазмы были завершены на 70% в середине 2020 года и считается, что он находится на правильном пути. [42]
Одной из целей ИТЭР является значение Q («выигрыш от слияния»), равное 10. Q = 1 называется «безубыточностью». Наилучший результат, достигнутый в токамаке, составляет 0,67 в токамаке JET . [43] Наилучший результат, достигнутый для термоядерного синтеза в целом, составляет Q = 1,5, достигнутый в эксперименте по термоядерному синтезу (ICF), проведенному Национальным центром зажигания в конце 2022 года. [13]
Для коммерческих термоядерных электростанций важен инженерный коэффициент усиления. Коэффициент технического усиления определяется как отношение электрической мощности установки к потребляемой электрической мощности всех внутренних систем установки (систем внешнего нагрева токамака, электромагнитов, криогенной установки, систем диагностики и управления и т. д.). [44] Коммерческие термоядерные установки будут проектироваться с учетом инженерной безубыточности (см. ДЕМО ). Некоторые инженеры-ядерщики считают, что для жизнеспособности коммерческих термоядерных электростанций необходимо значение Q, равное 100. [45]
ИТЭР не будет производить электроэнергию. Производство электроэнергии из тепловых источников — хорошо известный процесс (используется на многих электростанциях), и ИТЭР не будет непрерывно работать со значительной термоядерной мощностью. Добавление производства электроэнергии в ИТЭР повысит стоимость проекта и не принесет пользы экспериментам на токамаке. Реакторы класса DEMO , которые планируется поставить вслед за ИТЭР, призваны продемонстрировать чистое производство электроэнергии. [46]
Одной из основных задач ИТЭР является достижение состояния « горящей плазмы ». Горящая плазма — это состояние плазмы, при котором более 50% энергии, поступающей на нагрев плазмы, поступает в результате термоядерных реакций (а не от внешних источников). Ни один термоядерный реактор не создавал горящую плазму до тех пор, пока конкурирующий термоядерный проект NIF не достиг важной вехи 8 августа 2021 года с использованием инерционного удержания. [47] [48] При более высоких значениях Q все большая часть мощности нагрева плазмы будет производиться в результате реакций термоядерного синтеза. [49] Это снижает мощность, необходимую от внешних систем отопления при высоких значениях Q. Чем больше токамак, тем больше энергии, вырабатываемой в результате реакции термоядерного синтеза, сохраняется для внутреннего нагрева плазмы (и тем меньше требуется внешнего нагрева), что также улучшает его добротность. Именно так ИТЭР планирует масштабировать свой реактор токамак.
Первоначальное международное сотрудничество по проекту ядерного синтеза, который лег в основу ИТЭР, началось в 1978 году [50] [51] с Международного реактора Токамак, или ИНТОР, у которого было четыре партнера: Советский Союз, Европейское сообщество по атомной энергии , Соединенные Штаты Америки. Штаты и Япония. Однако проект ИНТОР застопорился до тех пор, пока Михаил Горбачев не стал генеральным секретарем Коммунистической партии Советского Союза в марте 1985 года. Горбачев впервые возродил интерес к совместному термоядерному проекту на встрече в октябре 1985 года с президентом Франции Франсуа Миттераном , а затем эта идея получила дальнейшее развитие. разработан в ноябре 1985 года на Женевском саммите с Рональдом Рейганом . [52] [53] [54]
Подготовка к саммиту Горбачева-Рейгана показала, что никаких реальных договоренностей в работе над саммитом не было. Однако проект ИТЭР набирал обороты в политических кругах благодаря тихой работе двух физиков: американского учёного Элвина Трайвелписа , который занимал должность директора Управления энергетических исследований в 1980-х годах, и российского учёного Евгения Велихова , который впоследствии стал главой Управления энергетических исследований. Курчатовского института ядерных исследований. Оба ученых поддержали проект строительства демонстрационного термоядерного реактора. В то время исследования магнитного термоядерного синтеза продолжались в Японии, Европе, Советском Союзе и США, но Тривелпис и Велихов полагали, что следующий шаг в исследованиях термоядерного синтеза выйдет за рамки бюджета любой из ключевых стран и что сотрудничество будет полезен на международном уровне. [55]
Доктор Майкл Роберт, директор международных программ Управления термоядерной энергетики Министерства энергетики США, объясняет: «В сентябре 1985 года я возглавил американскую научную группу в Москву в рамках нашей двусторонней термоядерной деятельности. Однажды Велихов предложил мне за обедом свою идею о том, чтобы СССР и США работали вместе над созданием термоядерного реактора. Мой ответ был «отличная идея», но с моей позиции у меня нет возможности донести эту идею до президента». [56]
Этот толчок к сотрудничеству в области ядерного синтеза считается ключевым моментом научной дипломатии , но, тем не менее, в правительстве США разгорелась серьезная бюрократическая борьба по поводу этого проекта. Одним из аргументов против сотрудничества было то, что Советы будут использовать его для кражи американских технологий и опыта. Второй был символическим и включал американскую критику обращения с советским физиком Андреем Сахаровым . Сахаров был одним из первых сторонников мирного использования ядерных технологий и вместе с Игорем Таммом разработал идею токамака, который лежит в основе исследований ядерного синтеза. [57] Однако Сахаров также поддерживал расширение гражданских свобод в Советском Союзе, и его активная деятельность принесла ему Нобелевскую премию мира 1975 года и внутреннюю ссылку в Россию, против которой он выступал, проводя многочисленные голодовки. [58] Совет национальной безопасности США созвал встречу под руководством Уильяма Флинна Мартина для обсуждения проекта ядерного синтеза, в результате чего был достигнут консенсус о том, что США должны продолжить реализацию этого проекта.
Это привело к обсуждению сотрудничества в области термоядерного синтеза на женевском саммите и публикации исторического совместного заявления Рейгана и Горбачева, в котором подчеркивалась «потенциальная важность работ, направленных на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях, и в этой связи пропагандировалось максимально широкое развитие международного сотрудничества в получении этого, по существу, неисчерпаемого источника энергии на благо всего человечества». [59] [60] Для термоядерного сообщества это заявление стало прорывом, и оно было подтверждено, когда Рейган упомянул о возможностях ядерного синтеза на совместной сессии Конгресса позже в том же месяце. [56]
В результате сотрудничество в рамках международного эксперимента по термоядерному синтезу начало продвигаться вперед. В октябре 1986 года на саммите в Рейкьявике для наблюдения за развитием проекта был сформирован так называемый «Комитет четырёхсторонней инициативы» (Европа через страны Евратома, Японию, СССР и США). [61] Год спустя, в марте 1987 года, Комитет Четырехсторонней инициативы собрался в штаб-квартире Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в Вене. Эта встреча ознаменовала начало концептуальных исследований экспериментального реактора, а также начало переговоров по эксплуатационным вопросам, таким как правовые основы мирного использования термоядерной технологии, организационная структура и кадровое обеспечение, а также окончательное место реализации проекта. . На этой встрече в Вене проект также получил название «Международный термоядерный экспериментальный реактор», хотя его быстро стали называть только по его аббревиатуре и латинскому значению «путь». [56]
Этапы концептуального и технического проектирования проводились под эгидой МАГАТЭ. [62] Первоначальные технические цели были установлены в 1992 году, а первоначальные работы по инженерному проектированию (EDA) были завершены в 1998 году. [63] Приемлемый детальный проект был утвержден в июле 2001 года для завершения расширенного периода EDA, а затем утвержденный проект прошел обзор конструкции, который начался в ноябре 2006 года и завершился в декабре 2007 года. [64] [65] Процесс проектирования был трудным из-за споров по таким вопросам, как, должны ли быть круглые сечения для магнитного удержания или D-образные сечения. Эти проблемы частично стали причиной того, что Соединенные Штаты временно вышли из проекта в 1998 году, а затем снова присоединились к нему в 2003 году. [61]
В это же время группа партнеров ИТЭР расширялась: в 2003 году к проекту присоединились Китай и Южная Корея, а в 2005 году официально присоединилась Индия. [66] [67] [68]
На право размещения проекта ИТЭР шла острая конкуренция, и кандидаты сузились до двух возможных площадок: Франции и Японии. Россия, Китай и Европейский Союз поддержали выбор Кадараша во Франции, а США, Южная Корея и Япония поддерживают выбор Роккасё в Японии. [61] В июне 2005 года было официально объявлено, что ИТЭР будет построен на юге Франции на площадке Кадараш. [7] Переговоры, которые привели к этому решению, закончились компромиссом между ЕС и Японией, согласно которому Японии было обещано 20% исследовательского персонала во французском здании ИТЭР, а также глава административного органа ИТЭР. Кроме того, было решено, что 8% бюджета строительства ИТЭР пойдут партнерским объектам, которые будут построены в Японии. [69]
21 ноября 2006 года на церемонии, устроенной президентом Франции Жаком Шираком в Елисейском дворце в Париже, международный консорциум подписал официальное соглашение о строительстве реактора. [70] Первоначальные работы по расчистке площадки для строительства начались в Кадараше в марте 2007 года, и после ратификации этого соглашения всеми партнерами 24 октября 2007 года была официально создана Организация ИТЭР. [71]
В 2016 году Австралия стала первым партнером проекта, не являющимся членом. ИТЭР подписал соглашение о техническом сотрудничестве с Австралийской организацией ядерной науки и технологий (ANSTO), предоставив этой стране доступ к результатам исследований ИТЭР в обмен на строительство отдельных частей машины ИТЭР. [72] [73] В 2017 году Казахстан подписал соглашение о сотрудничестве, которое заложило основу для технического сотрудничества между Национальным ядерным центром Республики Казахстан и ИТЭР. [74] Совсем недавно, после сотрудничества с ИТЭР на ранних стадиях проекта, Канада подписала в 2020 году соглашение о сотрудничестве с упором на тритий и связанное с тритием оборудование. [75]
В июле 2020 года начался пятилетний этап сборки проекта, запущенный президентом Франции Эммануэлем Макроном в присутствии других участников проекта ИТЭР. [76]
ИТЭР контролируется руководящим органом, известным как Совет ИТЭР, который состоит из представителей семи сторон, подписавших Соглашение ИТЭР. Совет ИТЭР отвечает за общее руководство организацией и решает такие вопросы, как бюджет. [77] Совет ИТЭР также назначает генерального директора проекта. На данный момент было пять генеральных директоров: [78]
Бернар Биго был назначен для реформирования управления и руководства проектом ИТЭР в 2015 году. [80] В январе 2019 года Совет ИТЭР единогласно проголосовал за повторное назначение Биго на второй пятилетний срок. [81] Биго умер 14 мая 2022 года, и его заместитель Эйсуке Тада взял на себя руководство ИТЭР в процессе поиска нового директора. [82]
Заявленная миссия ИТЭР — продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии в качестве крупномасштабного безуглеродного источника энергии. [83] В частности, цели проекта:
Цели проекта ИТЭР не ограничиваются созданием термоядерного устройства, но гораздо шире, включая создание необходимых технических, организационных и логистических возможностей, навыков, инструментов, цепочек поставок и культуры, позволяющих управлять такими мегапроектами среди стран-участниц, их местные отрасли ядерного синтеза. [84] [7]
.jpg/1280px-ITER_site_2018_aerial_view_(41809720041).jpg)
.jpg/1280px-ITER_construction_in_2018_(41809718461).jpg)
По состоянию на апрель 2022 года готовность ИТЭР к созданию первой плазмы составляет около 85%. [85] Старт запланирован на конец 2025 года. [86] [5]
Задержки были признаны в 2023 году, что повлияет на цель по созданию плазмы к 2025 году, однако была надежда, что цель полного синтеза к 2035 году удастся сохранить. Новый график будет опубликован к концу 2023 года. [87]
Начало проекта можно отнести к 1978 году, когда Европейская комиссия , Япония , США и СССР присоединились к Международному семинару по токамак-реакторам (ИНТОР). Эта инициатива проводилась под эгидой Международного агентства по атомной энергии, и ее цели заключались в том, чтобы оценить готовность магнитного синтеза перейти к этапу экспериментального энергетического реактора (ЭПР), определить дополнительные НИОКР , которые необходимо провести, и определить характеристики такого ЭПР посредством концептуального проекта. С 1978 по середину 1980-х годов сотни ученых и инженеров в области термоядерного синтеза в каждой стране-участнице приняли участие в детальной оценке системы удержания токамака и возможностей конструкции для использования энергии ядерного синтеза. [88] [89]
В 1985 году на женевском саммите 1985 года Михаил Горбачев предложил Рональду Рейгану , чтобы две страны совместно предприняли строительство токамака EPR, как это было предложено семинаром INTOR. Проект ИТЭР был начат в 1988 году. [90]
Земля была заложена в 2007 году [91] , а строительство комплекса токамаков ИТЭР началось в 2013 году. [92]
Сборка машины была начата 28 июля 2020 года. [93] Ожидается, что строительство объекта будет завершено в 2025 году, когда может начаться ввод реактора в эксплуатацию, а первые плазменные эксперименты планируется начать в конце того же года. [94] Когда ИТЭР вступит в эксплуатацию, это будет крупнейший эксперимент по физике плазмы с магнитным удержанием плазмы с объёмом плазмы 840 кубических метров, [95] превзойдя Объединенный Европейский Тор в 8 раз.
Когда дейтерий и тритий сливаются, два ядра объединяются, образуя ядро гелия ( альфа-частица ) и нейтрон высокой энергии . [117]
В то время как почти все стабильные изотопы, более легкие в таблице Менделеева , чем железо-56 и никель-62 , которые имеют самую высокую энергию связи на нуклон , сливаются с некоторыми другими изотопами и выделяют энергию, дейтерий и тритий на сегодняшний день являются наиболее привлекательными для производства энергии. поскольку для этого им требуется наименьшая энергия активации (следовательно, самая низкая температура), при этом они производят наибольшее количество энергии на единицу веса. [118]
Все звезды прото- и среднего возраста излучают огромное количество энергии, вырабатываемой в процессах термоядерного синтеза. [119] Масса за массу, процесс синтеза дейтерия и трития выделяет примерно в три раза больше энергии, чем деление урана-235, и в миллионы раз больше энергии, чем химическая реакция, такая как сжигание угля. [120] Целью термоядерной электростанции является использование этой энергии для производства электроэнергии.
Энергия активации (в большинстве термоядерных систем это температура, необходимая для инициирования реакции) для реакций синтеза обычно высока, поскольку протоны в каждом ядре имеют тенденцию сильно отталкивать друг друга, поскольку каждый из них имеет одинаковый положительный заряд . Эвристика для оценки скорости реакции заключается в том, что ядра должны иметь возможность находиться на расстоянии менее 100 фемтометров (1 × 10-13 метров) друг от друга, где ядра с большей вероятностью подвергнутся квантовому туннелированию , минуя электростатический барьер и поворотный момент, когда сильные Ядерная сила и электростатическая сила одинаково сбалансированы, что позволяет им сливаться. В ИТЭР такое расстояние сближения стало возможным благодаря высоким температурам и магнитному удержанию. ИТЭР использует охлаждающее оборудование, такое как крионасос, для охлаждения магнитов почти до абсолютного нуля . [121] Высокие температуры дают ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание (см. распределение Максвелла-Больцмана ). Для дейтерия и трития оптимальные скорости реакций достигаются при температурах выше 100 миллионов °C. [122] В ИТЭР плазма будет нагреваться до 150 миллионов °C (примерно в десять раз выше температуры в ядре Солнца ) [ 123] за счет омического нагрева (пропускания тока через плазму). Дополнительный нагрев применяется с использованием инжекции нейтрального луча (который пересекает линии магнитного поля без общего отклонения и не вызывает больших электромагнитных помех) и радиочастотного (РЧ) или микроволнового нагрева. [124]
При таких высоких температурах частицы обладают большой кинетической энергией и, следовательно, скоростью. Если их не удерживать, частицы быстро улетят, забрав с собой энергию, охлаждая плазму до такой степени, что чистая энергия больше не будет производиться. Успешный реактор должен будет содержать частицы в достаточно небольшом объеме в течение достаточно долгого времени, чтобы большая часть плазмы слилась. [125] В ИТЭР и многих других реакторах с магнитным удержанием плазма, газ заряженных частиц, удерживается с помощью магнитных полей. Заряженная частица, движущаяся через магнитное поле, испытывает силу, перпендикулярную направлению движения, что приводит к центростремительному ускорению , тем самым ограничивая ее движение по кругу или спирали вокруг линий магнитного потока. [126] ИТЭР будет использовать четыре типа магнитов для удержания плазмы: центральный соленоидный магнит, полоидальные магниты по краям токамака, 18 D-образных катушек тороидального поля и корректирующие катушки. [127]
Также необходим твердый удерживающий сосуд, как для защиты магнитов и другого оборудования от высоких температур и энергичных фотонов и частиц, так и для поддержания почти вакуума для заполнения плазмы. [128] Защитный сосуд подвергается бомбардировке очень энергичных частиц, где электроны, ионы, фотоны, альфа-частицы и нейтроны постоянно бомбардируют его и разрушают структуру. Материал должен быть разработан так, чтобы выдерживать такие условия, чтобы электростанция была экономичной. Испытания таких материалов будут проводиться как в ИТЭР, так и в IFMIF (Международной установке по облучению термоядерных материалов). [129]
Как только термоядерный синтез начнется, нейтроны высокой энергии будут излучаться из реактивных областей плазмы, легко пересекая линии магнитного поля из-за нейтральности заряда (см. Поток нейтронов ). Поскольку именно нейтроны получают большую часть энергии, они будут основным источником выработки энергии ИТЭР. [130] В идеале альфа-частицы будут расходовать свою энергию в плазме, дополнительно нагревая ее. [131]
Внутренняя стенка защитной оболочки будет иметь 440 модулей бланкета, которые предназначены для надежного и эффективного замедления и поглощения нейтронов и, следовательно, защиты стальной конструкции и сверхпроводящих магнитов тороидального поля. [132] На более поздних стадиях проекта ИТЭР экспериментальные модули бланкета будут использоваться для тестирования получения трития для топлива из литийсодержащих керамических камешков, содержащихся в модуле бланкета, в результате следующих реакций:
где нейтрон-реагент образуется в результате реакции DT-синтеза. [133]
Энергия, поглощенная быстрыми нейтронами, извлекается и передается в теплоноситель первого контура. Эта тепловая энергия затем будет использоваться для питания электроэнергетической турбины на реальной электростанции; в ИТЭР эта система производства электроэнергии не представляет научного интереса, поэтому вместо этого тепло будет извлекаться и утилизироваться. [134]
.jpg/1280px-NIST_Light_Source_Illuminates_Fusion_Power_Diagnostics_(5940503177).jpg)
Вакуумный сосуд является центральной частью машины ИТЭР: стальной контейнер с двойными стенками, в котором плазма удерживается с помощью магнитных полей.
Вакуумный корпус ИТЭР будет в два раза больше и в 16 раз тяжелее любого ранее изготовленного термоядерного сосуда: каждый из девяти секторов в форме тора будет весить примерно 450 тонн. С учетом всех защитных и портовых конструкций общий вес составит 5116 тонн. Его внешний диаметр составит 19,4 метра (64 фута), внутренний — 6,5 метра (21 фут). После сборки вся конструкция будет иметь высоту 11,3 метра (37 футов). [128] [135]
Основная функция вакуумного сосуда — создание герметично закрытого контейнера для плазмы. Его основными компонентами являются основное судно, портовые конструкции и поддерживающая система. Основной сосуд представляет собой конструкцию с двойными стенками с полоидальными и тороидальными ребрами жесткости между оболочками толщиной 60 миллиметров (2,4 дюйма) для усиления конструкции сосуда. Эти ребра также образуют каналы для потока охлаждающей воды. Пространство между двойными стенками заполнят щитовые конструкции из нержавеющей стали. Внутренние поверхности сосуда будут действовать как интерфейс с модулями-размножителями, содержащими компонент бланкета-размножителя. Эти модули будут обеспечивать защиту от нейтронов высоких энергий, образующихся в результате реакций синтеза, а некоторые из них также будут использоваться для концепций разведения трития. [135]
Вакуумный сосуд имеет в общей сложности 44 отверстия, известных как порты – 18 верхних, 17 экваториальных и 9 нижних портов – которые будут использоваться для операций дистанционного управления, диагностических систем, инжекции нейтрального луча и вакуумной откачки. Дистанционное обращение становится необходимым из-за радиоактивной внутренней части реактора после остановки, вызванной нейтронной бомбардировкой во время работы. [136]
Вакуумная откачка будет производиться до начала термоядерных реакций для создания необходимой среды низкой плотности, которая примерно в миллион раз ниже плотности воздуха. [137]
ИТЭР будет использовать дейтерий-тритиевое топливо, и хотя дейтерий широко распространен в природе, тритий встречается гораздо реже, поскольку это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада всего 12,3 года, а природного трития на Земле существует всего около 3,5 килограмма. [138] Из-за ограниченности запасов трития на Земле ключевым компонентом конструкции реактора ИТЭР является бланкет воспроизводства . Этот компонент, расположенный рядом с вакуумной камерой, служит для производства трития посредством реакции с нейтронами из плазмы. Есть несколько реакций, в результате которых в бланкете образуется тритий. [139] Литий-6 производит тритий посредством (n,t) реакций с замедленными нейтронами, а литий-7 производит тритий посредством взаимодействия с нейтронами более высокой энергии посредством (n,nt) реакций. [140] [141]
Концепции бланкета-размножителя включают литий-свинцовый метод с гелиевым охлаждением (HCLL), галечный слой с гелиевым охлаждением (HCPB) и литий-свинцовый метод с водяным охлаждением (WCLL). [142] Шесть различных систем воспроизводства трития, известных как модули испытательного бланкета (TBM), будут испытаны в ИТЭР и будут иметь общую геометрию корпуса. [143] Материалы для использования в качестве гальки-размножителя в концепции HCPB включают метатитанат лития и ортосиликат лития . [144] Требования к материалам-размножителям включают хорошее производство и извлечение трития, механическую стабильность и низкие уровни радиоактивной активации. [145]
ИТЭР основан на термоядерном синтезе с магнитным удержанием , который использует магнитные поля для удержания термоядерного топлива в форме плазмы. Магнитная система, используемая в токамаке ИТЭР, станет крупнейшей сверхпроводящей магнитной системой из когда-либо созданных. [146] В системе будут использоваться четыре типа магнитов для удержания плазмы: центральный соленоидный магнит, полоидальные магниты, катушки тороидального поля и корректирующие катушки. [127] Центральная соленоидная катушка будет иметь высоту 18 метров, ширину 4,3 метра и вес 1000 тонн. [147] Он будет использовать сверхпроводящий ниобий-олово для передачи тока 45 кА и создания пикового поля более 13 Тл . [148] [149]
В 18 катушках тороидального поля также будет использоваться ниобий-олово. Это самые мощные сверхпроводящие магниты, когда-либо созданные, с номинальной пиковой напряженностью поля 11,8 тесла и запасенной магнитной энергией 41 гигаджоуля . [150] Другие магниты ИТЭР с более низким полем (полоидальное поле и корректирующие катушки) будут использовать ниобий-титан в качестве сверхпроводящих элементов. [151]
Для достижения термоядерного синтеза частицы плазмы должны быть нагреты до температур, достигающих 150 миллионов ° C, и для достижения этих экстремальных температур необходимо использовать несколько методов нагрева. [124] Внутри токамака изменяющиеся магнитные поля производят эффект нагрева, но также требуется внешний нагрев. В ИТЭР будет три типа внешнего нагрева: [152]
Криостат ИТЭР представляет собой большую конструкцию из нержавеющей стали весом 3850 тонн, окружающую вакуумный сосуд и сверхпроводящие магниты и предназначенную для создания сверххолодной вакуумной среды. [158] Его толщина (от 50 до 250 миллиметров (от 2,0 до 9,8 дюйма)) позволит ему выдерживать напряжения, вызванные атмосферным давлением, действующим на замкнутый объем в 8500 кубических метров. [159] 9 июня 2020 г. компания Larsen & Toubro завершила поставку и установку криостатного модуля. [160] Криостат является основным компонентом комплекса токамака, который расположен на сейсмически изолированном основании. [161] [162] [163]
Дивертор — это устройство внутри токамака, которое позволяет удалять отходы и примеси из плазмы во время работы реактора. В ИТЭР дивертор будет отводить тепло и золу, образующиеся в процессе термоядерного синтеза, а также защищать окружающие стены и уменьшать плазменное загрязнение. [164]
Дивертор ИТЭР, который сравнивают с массивной пепельницей, состоит из 54 частей из нержавеющей стали, известных как кассеты. Каждая кассета весит около восьми тонн и имеет размеры 0,8 х 2,3 х 3,5 метра. Проектирование и строительство дивертора контролируется агентством Fusion For Energy. [165]
Когда токамак ИТЭР работает, блоки, обращенные к плазме, подвергаются тепловым всплескам мощностью до 20 мегаватт на квадратный метр, что более чем в четыре раза превышает то, что испытывает космический корабль, входящий в атмосферу Земли. [166]
Испытания дивертора проводятся на Диверторном испытательном стенде ИТЭР (IDTF) в России. Этот объект был создан в Институте Ефремова в Санкт-Петербурге в рамках Соглашения о закупках ИТЭР, которое распределяет проектирование и производство по странам-участницам проекта. [167]
В токамаке ИТЭР будут использоваться взаимосвязанные системы охлаждения для управления теплом, выделяемым во время работы. Большая часть тепла будет отводиться первичным контуром водяного охлаждения, который сам охлаждается водой из вторичного контура через теплообменник во вторичной камере здания токамака. [168] Вторичный контур охлаждения будет охлаждаться более крупным комплексом, включающим градирню, трубопровод длиной 5 км (3,1 мили), подающий воду из Прованского канала, и бассейны, которые позволяют охлаждать охлаждающую воду и проверять ее на химическое загрязнение. и тритий перед выбросом в реку Дюранс . Эта система должна будет рассеивать среднюю мощность450 МВт при работе токамака. [169] Система жидкого азота обеспечит1300 кВт охлаждения до 80 К (-193,2 °C; -315,7 °F), а система жидкого гелия обеспечит75 кВт охлаждения до 4,5 К (-268,65 °C; -451,57 °F). Система жидкого гелия будет спроектирована, изготовлена, установлена и введена в эксплуатацию компанией Air Liquide во Франции. [170] [171]
_CIA_World_Factbook_map.png/1280px-Cadarache_(red_dot)_CIA_World_Factbook_map.png)
Процесс выбора места для ИТЭР был долгим и затяжным. Япония предложила участок в Роккасё. [172] Рассматривались два европейских объекта: объект Кадараш во Франции и объект Вандельос в Испании, но Европейский совет по конкурентоспособности назвал Кадараш своим официальным кандидатом в ноябре 2003 года. [173] Кроме того, Канада объявила заявку на строительство объекта в Кларингтоне . в мае 2001 г., но снялся с предвыборной гонки в 2003 г. [174] [175]
С этого момента выбор стоял между Францией и Японией. 3 мая 2005 года ЕС и Япония договорились о процессе, который должен разрешить их спор к июлю. На заключительной встрече в Москве 28 июня 2005 года участвующие стороны согласились построить ИТЭР в Кадараше, при этом Япония получила привилегированное партнерство, которое включало назначение японского генерального директора проекта и финансовый пакет для строительства объектов в Японии. [176]
Fusion for Energy , агентство ЕС , отвечающее за европейский вклад в проект, находится в Барселоне , Испания. Fusion for Energy (F4E) — это совместное предприятие Европейского Союза по ИТЭР и развитию термоядерной энергетики. По данным сайта агентства:
F4E отвечает за вклад Европы в ИТЭР, крупнейшее в мире научное партнерство, целью которого является демонстрация термоядерного синтеза как жизнеспособного и устойчивого источника энергии. [...] F4E также поддерживает инициативы в области исследований и разработок в области термоядерного синтеза [...] [177]
Испытательная установка нейтрального луча ИТЭР , предназначенная для разработки и оптимизации прототипа инжектора нейтрального луча, строится в Падуе , Италия . [178] Это будет единственная установка ИТЭР за пределами площадки в Кадараше.
Большинство зданий ИТЭР будут или были облицованы чередующимся узором из отражающей нержавеющей стали и серого лакированного металла. Это было сделано из эстетических соображений, чтобы соединить здания с окружающей средой и обеспечить теплоизоляцию . [179]
В настоящее время соглашение ИТЭР подписали семь стран: Китай , Европейский Союз , Индия , Япония , Россия , Южная Корея и США . [17]
В результате Брексита Соединенное Королевство официально вышло из Евратома 31 января 2020 года. Однако в соответствии с условиями Соглашения между ЕС и Великобританией о торговле и сотрудничестве Соединенное Королевство остается членом ИТЭР в рамках программы Fusion for Energy после окончание переходного периода 31 декабря 2020 года. [180] [181]
В марте 2009 года Швейцария, ассоциированный член Евратома с 1979 года, также ратифицировала присоединение страны к Fusion for Energy в качестве третьей страны-члена. [182]
В 2016 году ИТЭР объявил о партнерстве с Австралией в целях «технического сотрудничества в областях, представляющих взаимную выгоду и интерес», но без того, чтобы Австралия стала полноправным членом. [73]
В 2017 году ИТЭР подписал Соглашение о сотрудничестве с Казахстаном . [74] [183]
Таиланд также играет официальную роль в проекте после подписания соглашения о сотрудничестве между Организацией ИТЭР и Таиландским институтом ядерных технологий в 2018 году. Соглашение предусматривает курсы и лекции для студентов и ученых в Таиланде и облегчает отношения между Таиландом и проектом ИТЭР. . [184]
Канада ранее была полноправным членом, но вышла из него из-за отсутствия финансирования со стороны федерального правительства. Отсутствие финансирования также привело к тому, что Канада отказалась от своей заявки на строительство площадки ИТЭР в 2003 году. Канада снова присоединилась к проекту в 2020 году посредством соглашения о сотрудничестве, которое было сосредоточено на тритии и связанном с ним оборудовании. [75]
Работу ИТЭР контролирует Совет ИТЭР, который имеет право назначать старших сотрудников, вносить поправки в правила, принимать решения по вопросам бюджета и разрешать дополнительным государствам или организациям участвовать в ИТЭР. [185] Нынешним председателем Совета ИТЭР является Вон Намкун, [186] исполняющим обязанности генерального директора ИТЭР является Эйсуке Тада.
Евросоюз.svg/1280px-Flag_of_Switzerland_(Pantone).svg.png){kind=small}
Швейцария (как член Евратома и Fusion for Energy ) [187]
Великобритания (в рамках Fusion for Energy ) [180] [181]
Китай
Индия
Япония
Россия
Южная Корея
Соединенные Штаты.svg/1280px-Flag_of_Australia_(converted).svg.png){kind=small}
Австралия (через Австралийскую организацию ядерной науки и технологий (ANSTO) в 2016 г.) [188].svg/1280px-Flag_of_Canada_(Pantone).svg.png){kind=small}
Канада (через Правительство Канады в 2020 г., в основном на основе трития ) [189]
Казахстан (через Национальный ядерный центр РК (НЯЦ-РК) в 2017 г.) [188]
Таиланд (через Тайский институт ядерных технологий (TINT) в 2018 г.) [190]Каждый участник проекта ИТЭР – Европейский Союз, Китай, Индия, Япония, Корея, Россия и США – создал внутреннее агентство для выполнения своих взносов и обязанностей по закупкам. Эти агентства нанимают собственный персонал, имеют собственный бюджет и непосредственно контролируют все промышленные контракты и субподряды. [191]
Соглашение ИТЭР было подписано Евратомом , представляющим ЕС. Fusion for Energy , часто называемая F4E, была создана в 2007 году как внутреннее агентство ЕС со штаб-квартирой в Барселоне , Испания, и дополнительными офисами в Кадараше , Франция, Гархинге , Германия, и Роккашо , Япония. [192] F4E отвечает за разработку и производство таких компонентов, как вакуумный сосуд, дивертор и магниты. [193]
Вклад Китая в ИТЭР регулируется через Китайскую международную программу ядерного синтеза или CNDA. Китайское агентство работает над такими компонентами, как корректирующая катушка, магнитные опоры, первая стена и защитное покрытие. [194] Китай также проводит эксперименты на токамаке HL-2M в Чэнду [195] и HT-7U ( EAST ) в Хэфэе [196] для поддержки исследований ИТЭР.
ИТЭР-Индия — специальный проект, реализуемый Индийским институтом исследования плазмы . [197] Исследовательский центр ИТЭР-Индия расположен в Ахмадабаде , штат Гуджарат . Результаты Индии для проекта ИТЭР включают криостат, внутрикорпусную защиту, системы охлаждения и охлаждающей воды. [198]
Японский национальный институт квантовых и радиологических наук и технологий (QST) теперь является уполномоченным внутренним агентством Японии по проекту ИТЭР. Организация базируется в Тибе , Япония. [199] Япония сотрудничает с Организацией ИТЭР и членами ИТЭР, помогая проектировать и производить компоненты для токамака, включая систему дистанционного управления бланкетом, центральные соленоидные катушки, системы диагностики плазмы и системы нагрева с инжекцией нейтрального луча. [200]
ИТЭР в Корее был создан в 2007 году при Корейском национальном научно-исследовательском институте термоядерного синтеза, организация базируется в Тэджоне , Южная Корея. Среди предметов закупок, которые ITER Korea отвечает за четыре сектора вакуумной камеры, блок бланкетной защиты, тепловые экраны и систему хранения и доставки трития. [201]
Россия занимает одну из ключевых позиций в реализации международного проекта ИТЭР. [202] Вклад Российской Федерации в проект ИТЭР заключается в производстве и поставках высокотехнологичного оборудования и основных реакторных систем. Вклад Российской Федерации осуществляется под эгидой Росатома или Госкорпорации по атомной энергии. [203] Российская Федерация имеет многочисленные обязательства по проекту ИТЭР, в том числе поставку 22 километров проводников на основе 90 тонн сверхпроводящих нитей Nb 3 Sn для намотки катушек тороидального поля и 11 километров проводников на основе 40 тонн сверхпроводящего материала. Nb Ti пряди для обмоток катушек полоидального поля магнитной системы ИТЭР, [204] отправленные в конце 2022 года. [205] На Россию приходится изготовление 179 наиболее энергоемких (до 5 МВт/кв. м) панели Первой стены. Панели покрыты бериллиевыми пластинами, припаянными к бронзе Cu Cr Zr , соединенной со стальным основанием. Размер панели шириной до 2 м, высотой 1,4 м; его масса около 1000 кг. В обязательства Российской Федерации также входит проведение тепловых испытаний компонентов ИТЭР, обращенных к плазме. [206] Сегодня Россия, благодаря участию в проекте, располагает полной проектной документацией по реактору ИТЭР.
Американский ИТЭР является частью Министерства энергетики США и управляется Национальной лабораторией Ок-Ридж в Теннесси. [207] Американский ИТЭР отвечает как за разработку, так и за производство компонентов для проекта ИТЭР, а участие Америки включает в себя вклад в систему охлаждения токамака, системы диагностики, линии передачи электронного и ионного циклотронного нагрева, тороидальный и центральный соленоидный магнит. системы и системы впрыска пеллет. [208] В 2022 году американское исследовательское сообщество в области термоядерного синтеза опубликовало план американской исследовательской программы ИТЭР, охватывающей ключевые области исследований, такие как взаимодействие плазмы и материала, диагностика плазмы, а также термоядерная наука и технологии. План предусматривает тесное сотрудничество между США и другими партнерами ИТЭР для обеспечения успешной эксплуатации ИТЭР. [209]
В 2006 году было подписано Соглашение ИТЭР с расчетной стоимостью 5,9 миллиардов евро на десятилетний период. В 2008 году в результате анализа проекта смета была увеличена примерно до 19 миллиардов евро. [210] По состоянию на 2016 год общая стоимость строительства и проведения эксперимента, как ожидается, превысит 22 миллиарда евро, [20] что на 4,6 миллиарда евро больше, чем в 2010 году, [211] и на 9,6 миллиарда евро с оценка 2009 года. [212]
На июньской конференции 2005 года в Москве участвующие члены сотрудничества ИТЭР договорились о следующем разделении финансовых взносов на этап строительства: 45,4% приходится на принимающего члена - Европейского Союза, а остальная часть делится между не принимающими членами на одном уровне. ставка 9,1% для Китая, Индии, Японии, Южной Кореи, Российской Федерации и США. [213] [214] [215] На этапах эксплуатации и деактивации Евратом будет платить 34% от общих затрат, [216] Япония и США — 13 процентов, а Китай, Индия, Корея и Россия — 10 процентов. [217]
Девяносто процентов взносов будут осуществляться в натуральной форме с использованием собственной валюты ИТЭР – расчетных единиц ИТЭР (IUA). [27] Хотя финансовый вклад Японии как страны, не принимающей страны, составляет одну одиннадцатую от общей суммы, ЕС согласился предоставить ей особый статус, чтобы Япония обеспечила две одиннадцатых исследовательского персонала в Кадараше и получила два гранта. одиннадцатых строительных контрактов, в то время как взносы персонала Европейского Союза и строительных компонентов будут сокращены с пяти одиннадцатых до четырех одиннадцатых.
Американский вклад в ИТЭР стал предметом дискуссий. Министерство энергетики США оценило общую стоимость строительства до 2025 года, включая взносы в натуральной форме, в 65 миллиардов долларов, хотя ИТЭР оспаривает этот расчет. [23] После сокращения финансирования ИТЭР в 2017 году Соединенные Штаты в конечном итоге удвоили свой первоначальный бюджет до 122 миллионов долларов США в натуральной форме в 2018 году. [218] По оценкам, общий вклад в ИТЭР в 2020 году составил 247 миллионов долларов США. эта сумма является частью программы термоядерных энергетических наук Министерства энергетики США. [219] В соответствии со стратегическим планом руководства американскими усилиями по термоядерной энергетике, который был одобрен в январе 2021 года, Министерство энергетики США поручило Консультативному комитету по термоядерным энергетическим наукам предположить, что США будут продолжать финансировать ИТЭР в течение десятилетнего периода. [220]
Поддержка европейского бюджета ИТЭР также менялась в ходе проекта. В декабре 2010 года сообщалось, что Европейский парламент отказался утвердить план государств-членов по перераспределению 1,4 миллиарда евро из бюджета для покрытия дефицита затрат на строительство ИТЭР в 2012–2013 годах. Закрытие бюджета на 2010 год потребовало пересмотра этого плана финансирования, и Европейская комиссия (ЕК) была вынуждена выдвинуть предложение по бюджетной резолюции ИТЭР в 2011 году. [221] В конце концов, европейский вклад в ИТЭР на 2014 год На 2020 год установлен размер 2,9 млрд евро. [222] Совсем недавно, в феврале 2021 года, Европейский совет одобрил финансирование ИТЭР в размере 5,61 миллиарда евро на период с 2021 по 2027 год. [223]
Строительство токамака ИТЭР сравнивают со сборкой «гигантской трехмерной головоломки», поскольку детали производятся по всему миру, а затем отправляются во Францию для сборки. [224] Эта система сборки является результатом Соглашения ИТЭР, которое предусматривает, что взносы участников должны были осуществляться в основном «в натуральной форме» со странами, производящими компоненты, а не предоставлять деньги. Эта система была разработана для обеспечения экономического стимулирования и опыта слияния в странах, финансирующих проект, и общая структура предусматривала, что 90% вкладов участников должны быть в виде материалов или компонентов, а 10% - в деньгах. [225]
В результате с момента запуска проекта было подписано более 2800 контрактов на проектирование или производство. [226] По оценке министра исследований, образования и инноваций Франции Фредерика Видаля на 2017 год , в строительстве ИТЭР участвовало 500 компаний, а Бернар Биго заявил, что только в Европе генеральным подрядчикам было заключено контрактов на сумму 7 миллиардов евро. с 2007 года. [227] [228]
Общая сборка токамака контролируется в рамках контракта стоимостью 174 миллиона евро, заключенного с Momentum, совместным предприятием Amec Foster Wheeler (Великобритания), Assystem (Франция) и Kepco (Южная Корея). [229] Одним из крупнейших тендеров стал контракт стоимостью 530 миллионов евро на поставку систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также механического и электрического оборудования, который был присужден европейскому консорциуму с участием компаний ENGIE (Франция) и Exyte (Германия). [230] Контракт на сборку токамака на сумму 200 млн евро также достался европейскому консорциуму Dynamic, в который входят компании Ansaldo Energia (Италия), ENGIE (Франция) и SIMIC (Италия). [231] Французский промышленный конгломерат Daher получил более 100 миллионов евро логистических контрактов для ИТЭР, которые включают поставку тяжелых компонентов от различных производителей по всему миру. [232] [233]
В Америке американский ИТЭР заключил с американскими компаниями контракты на сумму 1,3 миллиарда долларов с момента начала проекта, и, по оценкам, будущие контракты на сумму около 800 миллионов долларов еще впереди. [234] Крупнейшие американские контракты включают в себя выбор компании General Atomics для разработки и производства важнейшего центрального соленоидного магнита. [235]
В 2019 году китайский консорциум во главе с China Nuclear Power Engineering Corporation подписал контракт на сборку машин в ИТЭР, который стал крупнейшим контрактом в области ядерной энергетики, когда-либо подписанным китайской компанией в Европе. [236]
Россия поставляет магнитные и вакуумные системы для ИТЭР, строительство которых ведется на Средне-Невском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге. [237]
В Индии контракт на строительство криостата, одной из основных частей токамака, был предоставлен компании Larsen & Toubro , у которой также есть контракты ИТЭР на системы водяного охлаждения. [238] InoxCVA, компания Inox Group, будет поставлять криолинии для проекта ИТЭР. [239] [240]
Два промышленных лидера Японии, Toshiba Energy Systems & Solutions и Mitsubishi Heavy Industries , имеют контракты на производство катушек тороидального поля для ИТЭР. [237] Строительство еще одной ключевой части токамака, вакуумного сосуда, было поручено компании Hyundai Heavy Industries и строится в Корее. [241]
Задержки были признаны в 2023 году, что повлияет на цель по созданию плазмы к 2025 году, однако была надежда, что цель полного синтеза к 2035 году удастся сохранить. Новый график будет опубликован к концу 2023 года. [87]
Проект ИТЭР подвергался критике за такие вопросы, как его возможное воздействие на окружающую среду, его полезность в качестве реакции на изменение климата, конструкция токамака и то, как были сформулированы цели эксперимента.
Когда в 2005 году Франция была объявлена местом реализации проекта ИТЭР, несколько европейских экологов заявили о своем несогласии с проектом. Например, французский политик Ноэль Мамер утверждал, что в результате создания ИТЭР борьба с глобальным потеплением будет забыта: «Это плохие новости для борьбы с парниковым эффектом, потому что мы собираемся вложить десять миллиардов евро в проект срок его действия составляет 30–50 лет, и мы даже не уверены, что он будет эффективным». [242] Однако другая французская экологическая ассоциация, Association des Ecologuestes Pour le Nucléaire (AEPN), приветствовала проект ИТЭР как важную часть реагирования на изменение климата. [7]
В более широком секторе термоядерного синтеза ряд исследователей, работающих над системами, не являющимися токамаками, например, независимый ученый-термоядерник Эрик Лернер , утверждали, что другие термоядерные проекты будут стоить лишь небольшую часть стоимости ИТЭР и могут быть потенциально более жизнеспособными и/или более эффективными. экономически эффективный путь к термоядерной энергии. [243] Другие критики, такие как Дэниел Джассби, обвиняют исследователей ИТЭР в нежелании решать потенциальные технические и экономические проблемы, связанные со схемами термоядерного синтеза в токамаке. [244]
Что касается конструкции токамака, одна проблема возникла из-за интерполяции базы данных параметров токамака 2013 года, которая показала, что энергетическая нагрузка на дивертор токамака будет в пять раз превышать ожидаемое значение. Учитывая, что прогнозируемая силовая нагрузка на дивертор ИТЭР уже будет очень высокой, эти новые результаты привели к новым инициативам по испытаниям конструкции. [245]
Еще одна проблема, которую подняли критики в отношении ИТЭР и будущих проектов дейтерий-тритиевого синтеза (ДТ), - это доступные запасы трития. В нынешнем виде ИТЭР будет использовать все существующие запасы трития для своего эксперимента, и нынешних современных технологий недостаточно для производства достаточного количества трития для удовлетворения потребностей будущих экспериментов топливного цикла DT для получения энергии термоядерного синтеза. Согласно выводу исследования 2020 года, в котором анализировалась проблема трития, «успешная разработка топливного цикла DT для DEMO и будущих термоядерных реакторов требует интенсивной программы исследований и разработок в ключевых областях физики плазмы и термоядерных технологий». [246]
Сторонники считают, что большая часть критики ИТЭР вводит в заблуждение и неточна, в частности утверждения о «неотъемлемой опасности» эксперимента. Заявленные цели проектирования коммерческой термоядерной электростанции заключаются в том, что количество образующихся радиоактивных отходов должно быть в сотни раз меньше, чем у реактора деления, и что он не должен производить долгоживущие радиоактивные отходы, и что это невозможно для любого такой реактор подвергнется крупномасштабной неконтролируемой цепной реакции . [247] Прямой контакт плазмы с внутренними стенками ИТЭР приведет к ее загрязнению, что приведет к немедленному охлаждению и остановке процесса термоядерного синтеза. Кроме того, количества топлива, содержащегося в камере термоядерного реактора (половина грамма дейтериевого/тритиевого топлива [248] ), достаточно только для поддержания импульса термоядерного горения от минут до часа самое большее, тогда как реактор деления обычно содержит топлива на несколько лет. [249] Более того, будут внедрены некоторые системы удаления трития, так что при уровне запасов топливного цикла около 2 кг (4,4 фунта) ИТЭР в конечном итоге потребуется перерабатывать большие количества трития и при оборотах на порядки выше, чем в любом предыдущем тритиевые установки по всему миру. [250]
Ожидается, что в случае аварии (или диверсии) термоядерный реактор выпустит гораздо меньше радиоактивных загрязнений, чем обычная атомная станция деления. Более того, термоядерная энергия ИТЭР имеет мало общего с технологией ядерного оружия и не производит расщепляющиеся материалы, необходимые для создания оружия. Сторонники отмечают, что крупномасштабная термоядерная энергия сможет производить надежную электроэнергию по требованию и практически с нулевым загрязнением (не образуются газообразные CO 2 , SO 2 или NO x побочные продукты). [251]
По мнению исследователей демонстрационного реактора в Японии, термоядерный генератор должен стать возможным в 2030-х годах и не позднее 2050-х годов. Япония реализует свою собственную исследовательскую программу с несколькими действующими объектами, которые изучают несколько путей термоядерного синтеза. [252]
Только в Соединенных Штатах годовой объем продаж электроэнергии составляет 210 миллиардов долларов США. [253] В период с 1990 по 1999 год электроэнергетический сектор Азии привлек 93 миллиарда долларов США частных инвестиций. [254] Эти цифры учитывают только текущие цены. Сторонники ИТЭР утверждают, что инвестиции в исследования сейчас следует рассматривать как попытку получить гораздо большую прибыль в будущем, а исследование влияния инвестиций ИТЭР на экономику ЕС, проведенное в 2017–2018 годах, пришло к выводу, что «в среднесрочной и долгосрочной перспективе , вероятно, будет положительная отдача от инвестиций в результате участия ЕС в проекте ИТЭР». [255] Кроме того, мировые инвестиции в ИТЭР в размере менее 1 миллиарда долларов США в год не являются несовместимыми с параллельными исследованиями других методов производства электроэнергии, которые в 2007 году составили 16,9 миллиардов долларов США. [256]
Сторонники ИТЭР подчеркивают, что единственный способ проверить идеи устойчивости к интенсивному потоку нейтронов — это экспериментально подвергнуть материалы воздействию этого потока, что является одной из основных задач ИТЭР и IFMIF, [248] и обе установки будут жизненно важны для это усилие. [257] Целью ИТЭР является изучение научных и инженерных вопросов, связанных с потенциальными термоядерными электростанциями. Почти невозможно получить удовлетворительные данные о свойствах материалов, которые, как ожидается, будут подвергаться интенсивному потоку нейтронов, и ожидается, что горящая плазма будет иметь совершенно отличные свойства от плазмы, нагретой извне. [258] Сторонники утверждают, что ответ на эти вопросы требует эксперимента ИТЭР, особенно в свете огромных потенциальных выгод. [259]
Кроме того, основное направление исследований с помощью токамаков получило развитие до такой степени, что теперь стало возможным сделать предпоследний шаг в исследованиях физики плазмы магнитного удержания с самоподдерживающейся реакцией. В программе исследований токамаков недавние достижения в области управления конфигурацией плазмы привели к существенному улучшению удержания энергии и давления, что снижает прогнозируемую стоимость электроэнергии из таких реакторов в два раза до значения всего лишь примерно в 50 раз. % превышает прогнозируемую стоимость электроэнергии из усовершенствованных легководных реакторов . [260] Кроме того, прогресс в разработке передовых конструкционных материалов с низкой активацией поддерживает перспективу создания экологически безопасных термоядерных реакторов, а исследования альтернативных концепций локализации обещают будущие улучшения в локализации. [261] Наконец, сторонники утверждают, что другие потенциальные замены ископаемого топлива имеют свои собственные экологические проблемы. Солнечная , ветровая и гидроэлектроэнергия имеют очень низкую поверхностную плотность мощности по сравнению с DEMO-преемником ИТЭР, который при мощности 2000 МВт будет иметь плотность энергии, превышающую даже крупные атомные электростанции. [262]
Безопасность проекта регулируется в соответствии с правилами ядерной энергетики Франции и ЕС. В 2011 году Управление по ядерной безопасности Франции (ASN) вынесло положительное заключение, а затем, на основании французского закона о ядерной прозрачности и безопасности, заявка на получение лицензии стала объектом общественного расследования, что позволило широкой общественности подавать запросы на информацию, касающуюся безопасности. проекта. Согласно опубликованным оценкам безопасности (утвержденным АСН), в худшем случае утечки реактора радиоактивность выбросов не превысит 1/1000 естественного радиационного фона и эвакуация местных жителей не потребуется. Вся установка включает в себя ряд стресс-тестов для подтверждения эффективности всех барьеров. Все здание реактора построено на почти 500 сейсмических подвесных колоннах, а весь комплекс расположен на высоте почти 300 м над уровнем моря. В целом, в проекте безопасности комплекса были учтены чрезвычайно редкие события, такие как 100-летнее наводнение близлежащей реки Дюранс и 10 000-летние землетрясения, и соответствующие меры безопасности являются частью проекта. [7]
В период с 2008 по 2017 год только в экономике ЕС проект создал 34 000 рабочих лет. Предполагается, что в период 2018–2030 годов это создаст еще 74 000 рабочих лет и 15,9 миллиарда евро валовой стоимости. [7]
Предшественниками ИТЭР были JET , [263] Tore Supra , [264] MAST , [265] SST-1 , EAST и KSTAR . Другие планируемые и предлагаемые термоядерные реакторы включают NIF , [266] W7X , T-15MD , STEP , SPARC , SST-2 , [267] CFETR , [268] [269] [270] [271] DEMO , [272] K- ДЕМО и другие национальные или частные термоядерные электростанции «ДЕМО-фазы». [273] [274]
Итер (первоначально «Международный термоядерный экспериментальный реактор», но теперь переименованный в латынь, что означает «путешествие», «путь» или «метод») будет гигантским термоядерным реактором типа токамака.
_(41783636452).jpg/1280px-ITER_Tokamak_and_Plant_Systems_(2016)_(41783636452).jpg)
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )Он будет содержать крупнейшие в мире сверхпроводящие магниты, необходимые для создания магнитного поля, достаточно мощного, чтобы содержать плазму, температура которой достигнет 150 миллионов градусов Цельсия, что примерно в 10 раз выше, чем в центре Солнца.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )Классенс, Мишель. (2020). ИТЭР: Гигантский термоядерный реактор: возвращение Солнца на Землю . Спрингер.
Клери, Дэниел. (2013). Кусочек Солнца . Джеральд Дакворт и Ко. Лтд.
ИТЭР. (2018). План исследований ИТЭР в рамках поэтапного подхода (уровень III – предварительная версия) . ИТЭР.
Венделл Хортон-младший, К., и Садруддин Бенкадда. (2015). ИТЭР Физика . Всемирная научная.
43 ° 42'30 "N 5 ° 46'39" E / 43,70831 ° N 5,77741 ° E / 43,70831; 5,77741