ITER (первоначально Международный термоядерный экспериментальный реактор , iter означает «путь» или «трасса» на латыни [2] [3] [4] ) — международный мегапроект по исследованию и инжинирингу в области ядерного синтеза , направленный на создание энергии посредством процесса синтеза, аналогичного процессу на Солнце . Он строится рядом с объектом Кадараш на юге Франции. [5] [6] После завершения строительства основного реактора и первой плазмы, запланированного на 2033–2034 годы, [7] [8] ITER станет крупнейшим из более чем 100 термоядерных реакторов, построенных с 1950-х годов, с объемом плазмы, в шесть раз превышающим объем JT-60SA в Японии, крупнейшего токамака , работающего сегодня. [9] [10] [11]
Долгосрочная цель исследований термоядерного синтеза — выработка электроэнергии. Заявленная цель ИТЭР — научные исследования и технологическая демонстрация большого термоядерного реактора без выработки электроэнергии. [12] [9] Цели ИТЭР — достичь достаточного количества термоядерного синтеза для производства в 10 раз большей тепловой выходной мощности, чем тепловая мощность, поглощаемая плазмой в течение коротких периодов времени; продемонстрировать и протестировать технологии, которые потребуются для работы термоядерной электростанции, включая криогенику, отопление, системы управления и диагностики, а также дистанционное обслуживание; достичь и извлечь уроки из горящей плазмы; проверить воспроизводство трития ; и продемонстрировать безопасность термоядерной установки. [10] [6]
Термоядерный реактор синтеза ИТЭР будет использовать более 300 МВт электрической мощности, чтобы заставить плазму поглотить 50 МВт тепловой мощности, создавая 500 МВт тепла от синтеза в течение периодов от 400 до 600 секунд. [13] Это будет означать десятикратное увеличение мощности нагрева плазмы ( Q ), измеряемой как отношение потребляемой тепловой мощности к тепловой мощности, или Q ≥ 10. [14] По состоянию на 2022 год [обновлять]рекорд по производству энергии с использованием ядерного синтеза принадлежит реактору National Ignition Facility , который достиг Q 1,5 в декабре 2022 года. [15] Помимо простого нагрева плазмы, общее потребление электроэнергии реактором и установками будет варьироваться от 110 МВт до 620 МВт в пике в течение 30-секундных периодов во время работы плазмы. [16] В качестве исследовательского реактора вырабатываемая тепловая энергия не будет преобразовываться в электричество, а просто выбрасываться . [6] [17] [18]
ИТЭР финансируется и управляется семью странами-членами: Китаем , Европейским союзом , Индией , Японией , Россией , Южной Кореей и Соединенными Штатами . Сразу после Brexit Соединенное Королевство продолжило участвовать в ИТЭР через программу ЕС Fusion for Energy (F4E); [19] однако в сентябре 2023 года Великобритания решила прекратить свое участие в ИТЭР через F4E, [20] и к марту 2024 года отклонила приглашение присоединиться к ИТЭР напрямую, решив вместо этого продолжить свою собственную независимую программу исследований в области термоядерного синтеза. [21] Швейцария участвовала через Евратом и F4E, но ЕС фактически приостановил участие Швейцарии в ответ на провал переговоров по рамочному соглашению между ЕС и Швейцарией в мае 2021 года ; [22] с 2024 года [обновлять]Швейцария считается неучастником в ожидании разрешения своего спора с ЕС. [23] Проект также имеет соглашения о сотрудничестве с Австралией, Канадой, Казахстаном и Таиландом. [24]
Строительство комплекса ИТЭР во Франции началось в 2013 году [25], а сборка токамака началась в 2020 году [26]. Первоначальный бюджет был близок к 6 миллиардам евро, но общая стоимость строительства и эксплуатации, по прогнозам, составит от 18 до 22 миллиардов евро; [27] [28] по другим оценкам общая стоимость составляет от 45 до 65 миллиардов долларов, хотя эти цифры оспариваются ИТЭР. [29] [30] Независимо от окончательной стоимости, ИТЭР уже был описан как самый дорогой научный эксперимент всех времен, [31] самый сложный инженерный проект в истории человечества, [32] и одно из самых амбициозных человеческих коллабораций со времен разработки Международной космической станции (бюджет 100 или 150 миллиардов долларов) и Большого адронного коллайдера (бюджет 7,5 миллиарда евро). [примечание 1] [33] [34]
Ожидается, что запланированный преемник ИТЭР, DEMO , работающий под руководством EUROfusion , станет одним из первых термоядерных реакторов, который будет производить электроэнергию в экспериментальной среде. [35]
Целью термоядерного синтеза является воспроизведение процесса, происходящего в звездах, где интенсивное тепло в ядре сплавляет вместе ядра и производит большое количество энергии в форме тепла и света. Использование термоядерной энергии в земных условиях обеспечит достаточно энергии для удовлетворения растущего спроса, и сделает это устойчивым образом, который имеет относительно небольшое воздействие на окружающую среду. Один грамм топливной смеси дейтерия и трития в процессе ядерного синтеза производит 90 000 киловатт-часов энергии, или эквивалент 11 тонн угля. [36]
Ядерный синтез использует другой подход, нежели традиционная ядерная энергетика. Современные атомные электростанции полагаются на ядерное деление, при котором ядро атома расщепляется для высвобождения энергии. Ядерный синтез берет несколько ядер и использует интенсивное тепло для их слияния, процесс, который также высвобождает энергию. [37]
Ядерный синтез имеет много потенциальных привлекательных сторон. Топливо относительно распространено или может быть произведено в термоядерном реакторе. После предварительных испытаний с дейтерием, ITER будет использовать смесь дейтерия-трития для своего синтеза из-за высокого энергетического потенциала комбинации [38] и потому, что эта реакция синтеза является самой простой в запуске. Первый изотоп, дейтерий , может быть извлечен из морской воды , из которой он является почти неисчерпаемым ресурсом. [39] Второй изотоп, тритий , встречается только в следовых количествах в природе, и предполагаемые мировые поставки (в основном производимые тяжеловодными реакторами деления CANDU ) составляют всего 20 килограммов в год, что недостаточно для электростанций. [40] ITER будет испытывать технологию бланкета для воспроизводства трития , которая позволит будущему термоядерному реактору создавать свой собственный тритий и, таким образом, быть самодостаточным. [41] [42] Кроме того, термоядерный реактор практически не будет производить выбросов CO2 или загрязняющих веществ в атмосферу, не будет никакой возможности расплавления, а его радиоактивные отходы будут в основном очень короткоживущими по сравнению с теми, которые производятся обычными ядерными реакторами (реакторами деления). [43]
21 ноября 2006 года семь партнёров проекта официально согласились финансировать создание ядерного термоядерного реактора. [37] 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. [44] Однако задержки, рост цен на сырье и изменения в первоначальном проекте привели к тому, что официальная оценка бюджета выросла до 18–20 миллиардов евро. [45] [46]
Ожидалось, что строительство реактора займет 10 лет, и ИТЭР планировал испытать свою первую плазму в 2020 году и достичь полного синтеза к 2023 году. В 2024 году ИТЭР опубликовал новый график, согласно которому операции с дейтерий-дейтериевой плазмой начнутся в 2035 году. [7] Подготовка площадки началась недалеко от центра Кадараш , Франция, и президент Франции Эммануэль Макрон запустил этап сборки проекта на церемонии в 2020 году. [47] Согласно пересмотренному графику, работа по достижению первого разряда водородной плазмы была завершена на 70% к середине 2020 года и считается идущей по графику. [48]
Одной из целей ИТЭР является значение Q («коэффициент усиления термоядерного синтеза»), равное 10. Q = 1 называется «безубыточностью». Наилучший результат, достигнутый в токамаке, составляет 0,67 в токамаке JET . [49] Наилучший результат, достигнутый для термоядерного синтеза в целом, составляет Q = 1,5, достигнутый в эксперименте по термоядерному синтезу с инерционным удержанием (ICF) на Национальном заводе по зажиганию в конце 2022 года. [15]
Для коммерческих термоядерных электростанций важен коэффициент инженерного усиления. Коэффициент инженерного усиления определяется как отношение выходной электрической мощности установки к входной электрической мощности всех внутренних систем установки (внешние системы нагрева токамака, электромагниты, криогенная установка, системы диагностики и управления и т. д.). [50] Коммерческие термоядерные электростанции будут проектироваться с учетом инженерной безубыточности (см. DEMO ). Некоторые ядерные инженеры считают, что для коммерческих термоядерных электростанций, чтобы быть жизнеспособными, требуется Q = 100. [51]
ITER не будет производить электричество. Производство электричества из тепловых источников — хорошо известный процесс (используется на многих электростанциях), и ITER не будет работать со значительным выходом термоядерной энергии непрерывно. Добавление производства электричества к ITER увеличит стоимость проекта и не принесет никакой пользы для экспериментов на токамаке. Реакторы класса DEMO , которые планируется запустить после ITER, предназначены для демонстрации чистого производства электроэнергии. [52]
Одной из основных целей ИТЭР является достижение состояния « горящей плазмы ». Горящая плазма — это состояние плазмы, когда более 50% энергии, получаемой для нагрева плазмы, поступает из реакций термоядерного синтеза (а не из внешних источников). Ни один термоядерный реактор не создавал горящую плазму, пока конкурирующий проект термоядерного синтеза NIF не достиг этой отметки 8 августа 2021 года с использованием инерционного удержания. [53] [54] При более высоких значениях Q все большая часть мощности нагрева плазмы будет производиться реакциями термоядерного синтеза. [55] Это снижает мощность, необходимую от внешних систем нагрева при высоких значениях Q. Чем больше токамак, тем больше энергии, производимой реакцией термоядерного синтеза, сохраняется для внутреннего нагрева плазмы (и тем меньше требуется внешнего нагрева), что также улучшает его значение Q. Именно так ИТЭР планирует масштабировать свой реактор-токамак.
Первоначальное международное сотрудничество по проекту ядерного синтеза, который стал основой ИТЭР, началось в 1978 году [56] [57] с Международного реактора токамак, или ИНТОР, в котором участвовали четыре партнера: Советский Союз, Европейское сообщество по атомной энергии , Соединенные Штаты и Япония. Однако проект ИНТОР застопорился, пока Михаил Горбачев не стал генеральным секретарем Коммунистической партии Советского Союза в марте 1985 года. Горбачев впервые возродил интерес к совместному проекту термоядерного синтеза на встрече в октябре 1985 года с президентом Франции Франсуа Миттераном , а затем эта идея получила дальнейшее развитие в ноябре 1985 года на Женевском саммите с Рональдом Рейганом . [58] [59] [60]
Подготовка к саммиту Горбачева-Рейгана показала, что не было никаких ощутимых соглашений в работе над саммитом. Однако проект ИТЭР набирал обороты в политических кругах благодаря тихой работе, которую проводили два физика, американский ученый Элвин Трайвелпис , который занимал пост директора Управления энергетических исследований в 1980-х годах, и российский ученый Евгений Велихов , который стал главой Курчатовского института ядерных исследований. Оба ученых поддержали проект по созданию демонстрационного термоядерного реактора. В то время исследования магнитного термоядерного синтеза продолжались в Японии, Европе, Советском Союзе и США, но Трайвелпис и Велихов считали, что следующий шаг в исследованиях термоядерного синтеза выйдет за рамки бюджета любой из ключевых стран, и что сотрудничество будет полезным на международном уровне. [61]
Доктор Майкл Роберт, который является директором международных программ Управления термоядерной энергетики Министерства энергетики США, объясняет, что «В сентябре 1985 года я возглавил американскую научную группу в Москве в рамках наших двусторонних мероприятий по термоядерному синтезу. Однажды за обедом Велихов предложил мне свою идею о том, чтобы СССР и США работали вместе над созданием термоядерного реактора. Я ответил: «Отличная идея», но с моей позиции я не имею возможности продвинуть эту идею до президента». [62]
Этот толчок к сотрудничеству в области ядерного синтеза упоминается как ключевой момент научной дипломатии , но, тем не менее, в правительстве США разразилась крупная бюрократическая борьба по поводу 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 того, как обращались с советским физиком Андреем Сахаровым . Сахаров был одним из первых сторонников мирного использования ядерных технологий, и вместе с Игорем Таммом он разработал идею токамака, который лежит в основе исследований ядерного синтеза. [63] Однако Сахаров также поддерживал более широкие гражданские свободы в Советском Союзе, и его активизм принес ему как Нобелевскую премию мира 1975 года, так и внутреннюю ссылку в Россию, против которой он выступал, устраивая многочисленные голодовки. [64] Совет национальной безопасности США созвал совещание под руководством Уильяма Флинна Мартина для обсуждения проекта ядерного синтеза, в результате которого был достигнут консенсус о том, что США должны продолжить реализацию проекта.
Это привело к обсуждению сотрудничества в области ядерного синтеза на саммите в Женеве и публикации исторического совместного заявления Рейгана и Горбачева, в котором подчеркивалась «потенциальная важность работы, направленной на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях, и в этой связи отстаивалось максимально широкое осуществимое развитие международного сотрудничества в получении этого источника энергии, который по сути неисчерпаем, на благо всего человечества». [65] [66] Для сообщества термоядерного синтеза это заявление стало прорывом, и оно было подкреплено, когда Рейган упомянул о возможностях ядерного синтеза на совместном заседании Конгресса позднее в том же месяце. [62]
В результате сотрудничество по международному эксперименту по термоядерному синтезу начало продвигаться вперед. В октябре 1986 года на саммите в Рейкьявике был сформирован так называемый «Четырехсторонний инициативный комитет» (Европа через страны Евратома, Японию, СССР и США) для надзора за разработкой проекта. [67] Год спустя, в марте 1987 года, Четырехсторонний инициативный комитет встретился в штаб-квартире Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в Вене. Эта встреча ознаменовала начало концептуальных исследований по проектированию экспериментальных реакторов, а также начало переговоров по эксплуатационным вопросам, таким как правовые основы мирного использования технологии термоядерного синтеза, организационная структура и кадровое обеспечение, а также окончательное месторасположение проекта. На этой встрече в Вене проект также был окрещен Международным экспериментальным термоядерным реактором, хотя его быстро назвали только по его аббревиатуре и латинскому значению «путь». [62]
Концептуальные и инженерные этапы проектирования были выполнены под эгидой МАГАТЭ. [68] Первоначальные технические цели были установлены в 1992 году, а первоначальные инженерные проектные мероприятия (EDA) были завершены в 1998 году. [69] Приемлемый, детальный проект был утвержден в июле 2001 года для завершения расширенного периода EDA, а затем утвержденный проект прошел проверку проекта, которая началась в ноябре 2006 года и завершилась в декабре 2007 года. [70] [71] Процесс проектирования был сложным из-за споров по таким вопросам, как должны ли быть круглые поперечные сечения для магнитного удержания или D-образные поперечные сечения. Эти вопросы были частично ответственны за то, что Соединенные Штаты временно вышли из проекта в 1998 году, прежде чем снова присоединиться в 2003 году. [67]
В это же время расширялась группа партнеров ИТЭР: в 2003 году к проекту присоединились Китай и Южная Корея, а в 2005 году официально присоединилась Индия. [72] [73] [74]
Была жаркая конкуренция за право размещения проекта ИТЭР, и число кандидатов сузилось до двух возможных площадок: Франция и Япония. Россия, Китай и Европейский союз поддержали выбор Кадараша во Франции, в то время как США, Южная Корея и Япония поддержали выбор Роккашо в Японии. [67] В июне 2005 года было официально объявлено, что ИТЭР будет построен на юге Франции на площадке Кадараш. [6] Переговоры, которые привели к решению, завершились компромиссом между ЕС и Японией, в котором Японии было обещано 20% научно-исследовательского персонала на французском месте расположения ИТЭР, а также глава административного органа ИТЭР. Кроме того, было согласовано, что 8% бюджета строительства ИТЭР будет направлено на партнерские объекты, которые будут построены в Японии. [75]
21 ноября 2006 года на церемонии, организованной президентом Франции Жаком Шираком в Елисейском дворце в Париже, международный консорциум подписал официальное соглашение о строительстве реактора. [76] Первоначальные работы по расчистке площадки для строительства начались в Кадараше в марте 2007 года, и после того, как это соглашение было ратифицировано всеми партнерами, 24 октября 2007 года была официально создана Организация ИТЭР. [77]
В 2016 году Австралия стала первым партнером проекта, не являющимся его членом. ИТЭР подписал соглашение о техническом сотрудничестве с Австралийской организацией по ядерной науке и технологиям (ANSTO), предоставив этой стране доступ к результатам исследований ИТЭР в обмен на строительство отдельных частей машины ИТЭР. [78] [79] В 2017 году Казахстан подписал соглашение о сотрудничестве, которое заложило основу для технического взаимодействия между Национальным ядерным центром Республики Казахстан и ИТЭР. [80] Совсем недавно, после сотрудничества с ИТЭР на ранних стадиях проекта, Канада подписала соглашение о сотрудничестве в 2020 году с упором на тритий и оборудование, связанное с тритием. [81]
Фаза сборки проекта началась в июле 2020 года, ее запустил президент Франции Эммануэль Макрон в присутствии других участников проекта ИТЭР. [82]
ИТЭР курируется руководящим органом, известным как Совет ИТЭР, который состоит из представителей семи подписавших Соглашение ИТЭР. Совет ИТЭР отвечает за общее руководство организацией и решает такие вопросы, как бюджет. [83] Совет ИТЭР также назначает генерального директора проекта. До сих пор было пять генеральных директоров: [84]
Бернар Биго был назначен для реформирования управления и руководства проектом ИТЭР в 2015 году. [86] В январе 2019 года Совет ИТЭР единогласно проголосовал за повторное назначение Биго на второй пятилетний срок. [87] Биго умер 14 мая 2022 года, и его заместитель Эйсуке Тада взял на себя руководство ИТЭР на время поиска нового директора. [88]
Заявленная миссия ИТЭР — продемонстрировать осуществимость термоядерной энергетики как крупномасштабного источника энергии без выбросов углерода. [89] Более конкретно, проект направлен на:
Цели проекта ИТЭР не ограничиваются созданием устройства ядерного синтеза, а гораздо шире, включая создание необходимых технических, организационных и логистических возможностей, навыков, инструментов, цепочек поставок и культуры, позволяющих управлять такими мегапроектами среди стран-участниц, стимулируя их местные отрасли ядерного синтеза. [90] [6]
.jpg/1280px-ITER_site_2018_aerial_view_(41809720041).jpg)
.jpg/1280px-ITER_construction_in_2018_(41809718461).jpg)
По состоянию на апрель 2022 года [обновлять]ITER почти на 85% готов к первой плазме. [91] Первая плазма была запланирована на конец 2025 года, [92] [93] однако были признаны задержки в 2023 году, которые повлияют на эту цель. В июле 2024 года ITER объявил о новом графике, который включал полный плазменный ток в 2034 году, начало операций с дейтерий-дейтериевой плазмой в 2035 году и операции с дейтерий-тритием в 2039 году. [7]
Начало проекта можно проследить до 1978 года, когда Европейская комиссия , Япония , США и СССР объединились для Международного семинара по реакторам токамак (INTOR). Эта инициатива проводилась под эгидой Международного агентства по атомной энергии , и ее целями были оценка готовности магнитного синтеза перейти к стадии экспериментального энергетического реактора (EPR), выявление дополнительных НИОКР , которые необходимо провести, и определение характеристик такого EPR с помощью концептуального проекта. С 1978 года до середины 1980-х годов сотни ученых и инженеров по термоядерному синтезу в каждой стране-участнице приняли участие в детальной оценке системы удержания токамака и возможностей проектирования для использования энергии ядерного синтеза. [94] [95]
В 1985 году на Женевском саммите 1985 года Михаил Горбачев предложил Рональду Рейгану , чтобы две страны совместно приступили к строительству токамака EPR, как это было предложено на семинаре INTOR. Проект ITER был инициирован в 1988 году. [96]
Начало работ было положено в 2007 году [97] , а строительство токамак-комплекса ИТЭР началось в 2013 году [98].
Сборка машины началась 28 июля 2020 года. [99] Ожидается, что строительство объекта будет завершено в 2025 году, когда можно будет начать ввод реактора в эксплуатацию, а первые эксперименты с плазмой планируется начать в конце того же года. [100] Когда ИТЭР будет введен в эксплуатацию, это будет крупнейший эксперимент по физике плазмы с магнитным удержанием , который когда-либо использовался, с объемом плазмы 840 кубических метров, [101] превосходящий Joint European Torus в 8 раз.
3 июля 2024 года генеральный директор ИТЭР Пьетро Барабаски объявил, что первое производство плазмы в рамках проекта произойдет не ранее 2033 года. Энергия от магнитов будет вырабатываться не ранее 2036 года, а не 2033 года, как планировалось в 2016 году. Он также сообщил, что стоимость ремонта некоторых неисправных деталей оценивается в 5 миллиардов евро. [102] [8]
Когда дейтерий и тритий сливаются, два ядра объединяются, образуя ядро гелия ( альфа-частицу ) и нейтрон высокой энергии . [123]
В то время как почти все стабильные изотопы, более легкие в периодической таблице, чем железо-56 и никель-62 , которые имеют самую высокую энергию связи на нуклон , будут сливаться с каким-либо другим изотопом и выделять энергию, дейтерий и тритий являются наиболее привлекательными для генерации энергии, поскольку для этого им требуется самая низкая энергия активации (и, следовательно, самая низкая температура), при этом вырабатывая одну из самых больших энергий на единицу веса. [124]
Все прото- и средневозрастные звезды излучают огромное количество энергии, генерируемой в процессе термоядерного синтеза. [125] Синтез дейтерия и трития выделяет, на единицу массы, примерно в три раза больше энергии, чем деление урана-235, и в миллионы раз больше энергии, чем химическая реакция, такая как сжигание угля. [126] Цель термоядерной электростанции — использовать эту энергию для производства электроэнергии.
Энергии активации (в большинстве систем синтеза это температура, необходимая для начала реакции) для синтеза, как правило, высоки, поскольку протоны в каждом ядре сильно отталкиваются друг от друга, поскольку каждое из них имеет одинаковый положительный заряд . Эвристика для оценки скоростей реакции заключается в том, что ядра должны быть в состоянии оказаться в пределах 100 фемтометров (10 −13 метра) друг от друга, где ядра с большей вероятностью подвергнутся квантовому туннелированию мимо электростатического барьера и точки поворота, где сильная ядерная сила и электростатическая сила одинаково уравновешены, что позволяет им слиться. В ИТЭР такое расстояние сближения становится возможным благодаря высоким температурам и магнитному удержанию. ИТЭР использует охлаждающее оборудование, такое как крионасос, для охлаждения магнитов почти до абсолютного нуля . [127] Высокие температуры дают ядрам достаточно энергии для преодоления их электростатического отталкивания (см. распределение Максвелла–Больцмана ). Для дейтерия и трития оптимальные скорости реакции происходят при температурах выше 10 8 кельвина. [128] В ITER плазма будет нагреваться до 150 миллионов кельвинов (примерно в десять раз выше температуры в ядре Солнца ) [ 129] с помощью омического нагрева (пропускания тока через плазму). Дополнительный нагрев применяется с помощью инжекции нейтрального пучка (который пересекает линии магнитного поля без чистого отклонения и не вызовет большого электромагнитного нарушения) и радиочастотного (РЧ) или микроволнового нагрева. [130]
При таких высоких температурах частицы обладают большой кинетической энергией , а значит, и скоростью. Если их не ограничивать, частицы быстро улетучатся, забирая с собой энергию, охлаждая плазму до точки, где чистая энергия больше не вырабатывается. Успешному реактору необходимо будет удерживать частицы в достаточно малом объеме в течение достаточно длительного времени, чтобы большая часть плазмы слилась. [131] В ITER 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 окружности или спирали вокруг линий магнитного потока. [132] ITER будет использовать четыре типа магнитов для удержания плазмы: центральный соленоидный магнит, полоидальные магниты по краям токамака, 18 D-образных тороидальных катушек поля и корректирующие катушки. [133]
Также необходим прочный герметизирующий 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. [134] Защитный сосуд подвергается воздействию шквала очень энергичных частиц, где электроны, ионы, фотоны, альфа-частицы и нейтроны постоянно бомбардируют его и разрушают структуру. Материал должен быть разработан так, чтобы выдерживать эту среду, чтобы электростанция была экономичной. Испытания таких материалов будут проводиться как в ITER, так и в IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility). [135]
После начала термоядерного синтеза высокоэнергетические нейтроны 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 энергии ITER. [136] В идеале альфа-частицы будут расходовать свою энергию в плазме, еще больше нагревая ее. [137]
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. [138] На более поздних стадиях проекта ИТЭР экспериментальные модули бланкета будут использоваться для тестирования воспроизводства трития для топлива из литийсодержащих керамических шариков, содержащихся в модуле бланкета, в результате следующих реакций:
где нейтрон-реагент поставляется реакцией синтеза DT. [139]
Энергия, поглощаемая из быстрых нейтронов, извлекается и передается в первичный теплоноситель. Эта тепловая энергия затем будет использоваться для питания турбины, вырабатывающей электроэнергию, на реальной электростанции; в ИТЭР эта система выработки электроэнергии не представляет научного интереса, поэтому вместо этого тепло будет извлекаться и утилизироваться. [140]
.jpg/1280px-NIST_Light_Source_Illuminates_Fusion_Power_Diagnostics_(5940503177).jpg)
Вакуумная камера является центральной частью установки ИТЭР: это двухстенный стальной контейнер, в котором плазма удерживается с помощью магнитных полей.
Вакуумный сосуд ИТЭР будет в два раза больше и в 16 раз тяжелее любого ранее изготовленного термоядерного сосуда: каждый из девяти тороидальных секторов будет весить приблизительно 450 тонн. Если включить все защитные и портовые конструкции, то общая масса 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). [134] [141]
Основная функция вакуумного сосуда — обеспечить герметичный плазменный контейнер. Его основными компонентами являются основной сосуд, портовые структуры и опорная система. Основной сосуд представляет собой двухстенную конструкцию с полоидальными и тороидальными ребрами жесткости между оболочками толщиной 60 мм (2,4 дюйма) для усиления конструкции сосуда. Эти ребра также образуют проточные каналы для охлаждающей воды. Пространство между двойными стенками будет заполнено щитовыми конструкциями из нержавеющей стали. Внутренние поверхности сосуда будут действовать как интерфейс с модулями-размножителями, содержащими компонент бланкета-размножителя. Эти модули будут обеспечивать защиту от высокоэнергетических нейтронов, образующихся в результате реакций синтеза, а некоторые также будут использоваться для концепций воспроизводства трития. [141]
Вакуумный сосуд имеет в общей сложности 44 отверстия, которые известны как порты – 18 верхних, 17 экваториальных и 9 нижних портов – которые будут использоваться для операций дистанционного управления, диагностических систем, инъекций нейтрального пучка и вакуумной откачки. Дистанционное управление необходимо из-за радиоактивного внутреннего пространства реактора после остановки, которая вызвана нейтронной бомбардировкой во время работы. [142]
Перед началом реакций синтеза будет проведена вакуумная откачка для создания необходимой среды с низкой плотностью, которая примерно в миллион раз ниже плотности воздуха. [143]
ITER будет использовать дейтерий-тритиевое топливо. В то время как дейтерий широко распространен в природе, тритий встречается гораздо реже, поскольку он радиоактивен с периодом полураспада всего 12,3 года, а на Земле имеется всего около 3,5 кг природного трития. [144] Из-за этого крошечного запаса трития важным компонентом для испытаний на ITER является воспроизводящий бланкет . Этот компонент, расположенный в портах вакуумной камеры, служит для проверки производства трития путем реакции с нейтронами из плазмы. Существует несколько реакций, в которых тритий производится внутри бланкета. [145] Литий-6 производит тритий посредством реакций (n,t) с замедленными нейтронами, в то время как литий-7 производит тритий посредством взаимодействий с нейтронами более высокой энергии посредством реакций (n,nt). [146] [147]
Концепции бланкета-размножителя включают методы охлаждаемого гелием литий-свинца (HCLL), охлаждаемого гелием шарового слоя (HCPB) и охлаждаемого водой литий-свинца (WCLL). [148] Шесть различных макетов бланкета-размножителя трития, известных как модули тестовых бланкетов (TBM), будут испытаны в ИТЭР и будут иметь общую геометрию коробки. [149] Материалы для использования в качестве шаровых воспроизводителей в концепции HCPB включают метатитанат лития и ортосиликат лития . [150] Требования к материалам-размножителям включают хорошее производство и извлечение трития, механическую стабильность и низкие уровни радиоактивной активации. [151]
ITER основан на магнитном удержании термоядерного синтеза , который использует магнитные поля для удержания термоядерного топлива в форме плазмы. Магнитная система, используемая в токамаке ITER, будет крупнейшей сверхпроводящей магнитной системой из когда-либо созданных. [152] Система будет использовать четыре типа магнитов для достижения удержания плазмы: центральный соленоидный магнит, полоидальные магниты, катушки тороидального поля и корректирующие катушки. [133] Центральная соленоидная катушка будет иметь высоту 18 метров, ширину 4,3 м и вес 1000 тонн. [153] Она будет использовать сверхпроводящий ниобий-олово для переноса 45 кА и создания пикового поля более 13 тесла . [154] [155]
18 тороидальных полевых катушек также будут использовать ниобий-олово. Это самые мощные сверхпроводящие магниты, когда-либо разработанные с номинальной пиковой напряженностью поля 11,8 тесла и запасенной магнитной энергией 41 гигаджоуль . [156] Другие магниты ITER с более низким полем (полоидальное поле и корректирующие катушки) будут использовать ниобий-титан для своих сверхпроводящих элементов. [157]
Для достижения термоядерного синтеза частицы плазмы должны быть нагреты до температур, достигающих 150 миллионов °C. Для достижения этих экстремальных температур необходимо использовать несколько методов нагрева. [130] Внутри самого токамака изменяющиеся магнитные поля производят эффект нагрева, но также требуется внешний нагрев. В ИТЭР будет три типа внешнего нагрева: [158]
Криостат ИТЭР представляет собой большую конструкцию из нержавеющей стали весом 3850 тонн, окружающую вакуумную камеру и сверхпроводящие магниты, с целью обеспечения сверххолодной вакуумной среды. [164] Его толщина (от 50 до 250 миллиметров (от 2,0 до 9,8 дюйма)) позволит ему выдерживать напряжения, вызванные атмосферным давлением, действующим на закрытый объем 8500 кубических метров. [165] 9 июня 2020 года компания Larsen & Toubro завершила поставку и установку модуля криостата. [166] Криостат является основным компонентом комплекса токамаков, который находится на сейсмически изолированном основании. [167] [168] [169]
Дивертор — это устройство внутри токамака, которое позволяет удалять отходы и примеси из плазмы во время работы реактора. В ИТЭР дивертор будет извлекать тепло и золу, которые создаются в процессе синтеза, а также защищать окружающие стены и уменьшать загрязнение плазмы. [170]
Дивертор ИТЭР, который сравнивают с массивной пепельницей, в основном состоит из вольфрама . Мишени дивертора, которые являются компонентами, непосредственно подвергающимися воздействию плазмы, изготовлены из вольфрама из-за его высокой температуры плавления, низкого выхода распыления и низкого удержания трития. Базовая структура дивертора включает такие материалы, как медный сплав для теплопроводности и нержавеющая сталь для структурной поддержки.
Дивертор состоит из 54 кассет. Каждая кассета весит около восьми тонн и имеет размеры 0,8 метра x 2,3 метра x 3,5 метра. Проектирование и строительство дивертора курируется агентством Fusion For Energy. [171]
Во время работы токамака ИТЭР обращенные к плазме блоки выдерживают тепловые всплески мощностью до 20 мегаватт на квадратный метр, что более чем в четыре раза превышает то, что испытывает космический корабль, входящий в атмосферу Земли. [172]
Испытания дивертора проводятся на испытательном стенде дивертора ИТЭР (IDTF) в России. Этот стенд был создан в Институте Ефремова в Санкт-Петербурге в рамках Соглашения о закупках ИТЭР, которое распространяет проектирование и производство по странам-участницам проекта. [173]
Токамак ИТЭР будет использовать 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 внутри вторичного удержания здания токамака. [174] Вторичный контур охлаждения будет охлаждаться более крупным комплексом, включающим градирню, 5-километровый (3,1 мили) трубопровод, подающий воду из канала Прованс, и бассейны, которые позволяют охлаждать охлаждающую воду и проверять ее на наличие химического загрязнения и трития перед сбросом в реку Дюранс . Эта система должна будет рассеивать среднюю мощность450 МВт во время работы токамака. [175] Система жидкого азота обеспечит дальнейшее1300 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. [176] [177]
_CIA_World_Factbook_map.png/1280px-Cadarache_(red_dot)_CIA_World_Factbook_map.png)
Процесс выбора места для ИТЭР был долгим и затянутым. Япония предложила площадку в Роккашо. [178] Рассматривались две европейские площадки: Кадараш во Франции и Вандельос в Испании, но Европейский совет по конкурентоспособности назвал Кадараш своим официальным кандидатом в ноябре 2003 года. [179] Кроме того, Канада объявила о своей заявке на площадку в Кларингтоне в мае 2001 года, но вышла из гонки в 2003 году. [180] [181]
С этого момента выбор был между Францией и Японией. 3 мая 2005 года ЕС и Япония договорились о процессе, который должен был урегулировать 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 японского генерального директора для проекта и финансовый пакет для строительства объектов в Японии. [182]
Fusion for Energy , агентство ЕС , отвечающее за европейский вклад в проект, находится в Барселоне , Испания. Fusion for Energy (F4E) — это совместный проект Европейского союза по ИТЭР и развитию термоядерной энергетики. Согласно веб-сайту агентства:
F4E отвечает за обеспечение вклада Европы в ITER, крупнейшее в мире научное партнерство, целью которого является демонстрация термоядерного синтеза как жизнеспособного и устойчивого источника энергии. [...] F4E также поддерживает инициативы по исследованию и разработке термоядерного синтеза [...] [183]
Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР, направленная на разработку и оптимизацию прототипа инжектора нейтрального пучка, строится в Падуе , Италия . [184] Это будет единственная установка ИТЭР за пределами площадки в Кадараше.
Большинство зданий в ИТЭР будут или были облицованы чередующимся узором из отражающей нержавеющей стали и серого лакированного металла. Это было сделано по эстетическим причинам, чтобы смешать здания с окружающей средой и помочь с теплоизоляцией . [185]
В настоящее время Соглашение ИТЭР подписали семь стран: Китай , Европейский Союз , Индия , Япония , Россия , Южная Корея и США . [24]
В результате Brexit Великобритания официально вышла из Евратома 31 января 2020 года. Однако в соответствии с условиями Соглашения о торговле и сотрудничестве между ЕС и Великобританией Великобритания изначально была членом ИТЭР в рамках проекта Fusion for Energy после окончания переходного периода 31 декабря 2020 года. [186] [187] Однако в 2023 году Великобритания решила прекратить свое участие в проекте Fusion for Energy, а в 2024 году решила не добиваться членства в ИТЭР независимо от ЕС, в результате чего Великобритания больше не является участником проекта ИТЭР. [20] [21]
В марте 2009 года Швейцария, ассоциированный член Евратома с 1979 года, также ратифицировала присоединение страны к « Сплаву для энергии» в качестве третьей страны-члена. [188]
В 2016 году ИТЭР объявил о партнерстве с Австралией для «технического сотрудничества в областях взаимной выгоды и интереса», но без того, чтобы Австралия стала полноправным членом. [79]
В 2017 году ИТЭР подписал Соглашение о сотрудничестве с Казахстаном . [80] [189]
Таиланд также играет официальную роль в проекте после того, как в 2018 году было подписано соглашение о сотрудничестве между Организацией ИТЭР и Таиландским институтом ядерных технологий. Соглашение предусматривает курсы и лекции для студентов и ученых в Таиланде и способствует развитию отношений между Таиландом и проектом ИТЭР. [190]
Канада ранее была полноправным членом, но вышла из-за отсутствия финансирования со стороны федерального правительства. Отсутствие финансирования также привело к тому, что Канада отказалась от своей заявки на площадку ИТЭР в 2003 году. Канада вновь присоединилась к проекту в 2020 году через соглашение о сотрудничестве, которое было сосредоточено на тритии и оборудовании, связанном с тритием. [81]
Работу ИТЭР курирует Совет ИТЭР, который имеет полномочия назначать старших сотрудников, вносить поправки в правила, решать вопросы бюджета и разрешать дополнительным государствам или организациям участвовать в ИТЭР. [191] Действующим председателем Совета ИТЭР является Вон Намкунг, [192] а исполняющим обязанности Генерального директора ИТЭР — Эйсуке Тада.
Евросоюз.svg/1280px-Flag_of_Switzerland_(Pantone).svg.png){kind=small}
Швейцария (как член Евратома и Fusion for Energy ) [193]
Соединенное Королевство (как часть Fusion for Energy ) [186] [187]
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 году) [194].svg/1280px-Flag_of_Canada_(Pantone).svg.png){kind=small}
Канада (через правительство Канады в 2020 году, в основном по причине трития ) [195]
Казахстан (через Национальный ядерный центр РК (НЯЦ РК) в 2017 году) [194]
Таиланд (через Таиландский институт ядерных технологий (TINT) в 2018 году) [196]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 собственных сотрудников, имеют собственный бюджет и напрямую контролируют все промышленные контракты и субподряды. [197]
Соглашение ИТЭР было подписано Евратомом , представляющим ЕС. Fusion for Energy , часто называемое F4E, было создано в 2007 году как внутреннее агентство ЕС со штаб-квартирой в Барселоне , Испания, и дополнительными офисами в Кадараше , Франция, Гархинге , Германия, и Роккашо , Япония. [198] F4E отвечает за участие в проектировании и производстве таких компонентов, как вакуумный сосуд, дивертор и магниты. [199]
Вклад Китая в ITER управляется через Китайскую международную программу по ядерной энергии синтеза или CNDA. Китайское агентство работает над такими компонентами, как корректирующая катушка, опоры магнитов, первая стена и защитный экран. [200] Китай также проводит эксперименты на токамаке HL-2M в Чэнду [201] и HT-7U ( EAST ) в Хэфэе [202] , чтобы помочь поддержать исследования ITER.
ITER-India — это специальный проект, реализуемый индийским Институтом плазменных исследований . [203] Исследовательский центр ITER-India находится в Ахмадабаде , штат Гуджарат . Поставляемые Индией материалы для проекта ITER включают криостат, внутрикорпусную защиту, системы охлаждения и охлаждающей воды. [204]
Японский национальный институт квантовых и радиологических наук и технологий (QST) теперь является назначенным японским внутренним агентством для проекта ИТЭР. Организация базируется в Чибе , Япония. [205] 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 инжекции нейтрального пучка. [206]
ITER Korea была создана в 2007 году под эгидой Корейского национального института термоядерных исследований, а ее штаб-квартира находится в Тэджоне , Южная Корея. Среди закупок, которые ITER Korea несет за четыре сектора вакуумной камеры, блок защитного экрана, тепловые экраны и систему хранения и доставки трития. [207]
Россия занимает одну из ключевых позиций в реализации международного проекта ИТЭР. [208] Вклад Российской Федерации в проект ИТЭР заключается в изготовлении и поставке высокотехнологичного оборудования и основных систем реактора. Вклад Российской Федерации осуществляется под эгидой Росатома или Государственной корпорации по атомной энергии. [209] Российская Федерация имеет многочисленные обязательства по проекту ИТЭР, включая поставку 22 километров проводников на основе 90 тонн сверхпроводящих нитей Nb3Sn для намотки катушек тороидального поля и 11 километров проводников на основе 40 тонн сверхпроводящих нитей NbTi для намотки катушек полоидального поля магнитной системы ИТЭР, [210] отправленных в конце 2022 года. [211] Россия отвечает за изготовление 179 наиболее энергоемких (до 5 МВт/ кв.м ) панелей Первой стены. Панели покрыты бериллиевыми пластинами, припаянными к CuCrZr бронзе , которая соединена со стальным основанием. Размер панели — до 2 м в ширину, 1,4 м в высоту, ее масса — около 1000 кг. В обязательства Российской Федерации также входит проведение тепловых испытаний компонентов ИТЭР, обращенных к плазме. [212] Сегодня Россия, благодаря участию в проекте, имеет полную конструкторскую документацию на реактор ИТЭР.
US ITER является частью Министерства энергетики США и управляется Национальной лабораторией Ок-Ридж в Теннесси. [213] US ITER отвечает как за проектирование, так и за производство компонентов для проекта ITER, а американское участие включает вклад в систему охлаждения токамака, системы диагностики, линии передачи электронного и ионного циклотронного нагрева, тороидальные и центральные соленоидные магнитные системы и системы инжекции гранул. [214] В 2022 году американское сообщество исследователей термоядерного синтеза опубликовало свой план для исследовательской программы US ITER, охватывающей ключевые области исследований, такие как взаимодействие плазмы с материалами, диагностика плазмы и термоядерная наука и технологии. План предусматривает тесное сотрудничество между США и другими партнерами ITER для обеспечения успешной эксплуатации ITER. [215]
В 2006 году было подписано Соглашение ИТЭР на основе предполагаемой стоимости в €5,9 млрд на десятилетний период. В 2008 году в результате обзора проекта смета была пересмотрена в сторону увеличения до примерно €19 млрд. [216] По состоянию на 2016 год общая стоимость строительства и эксплуатации эксперимента, как ожидается, составит более €22 млрд. [27] что на €4,6 млрд больше, чем в оценке 2010 года [217] и на €9,6 млрд. больше, чем в оценке 2009 года [218] .
На конференции в июне 2005 года в Москве участники сотрудничества ИТЭР договорились о следующем разделении финансовых взносов на этапе строительства: 45,4% — принимающая сторона, Европейский Союз, а остальное — между не принимающими странами по ставке 9,1% для Китая, Индии, Японии, Южной Кореи, Российской Федерации и США. [219] [220] [221] На этапах эксплуатации и дезактивации Евратом будет вносить 34% от общих расходов; [222] Япония и США — 13%; и Китай, Индия, Корея и Россия — 10%. [223]
90% взносов будут предоставлены «в натуральной форме» с использованием собственной валюты ИТЭР — расчетных единиц ИТЭР (IUA). [34] Хотя финансовый вклад Японии как не принимающего члена составляет одну одиннадцатую от общей суммы, ЕС согласился предоставить ей особый статус, чтобы Япония обеспечила две одиннадцатых исследовательского персонала в Кадараше и получила две одиннадцатых строительных контрактов, в то время как взносы Европейского союза на персонал и строительные компоненты будут сокращены с пяти одиннадцатых до четырех одиннадцатых.
Американский вклад в ИТЭР стал предметом споров. Министерство энергетики США (USDOE) оценило общие затраты на строительство до 2025 года, включая взносы в натуральной форме, в 65 миллиардов долларов, хотя ИТЭР оспаривает этот расчет. [30] После сокращения финансирования ИТЭР в 2017 году Соединенные Штаты в конечном итоге удвоили свой первоначальный бюджет до 122 миллионов долларов в натуральной форме в 2018 году. [224] Предполагается, что общий вклад в ИТЭР в 2020 году составит 247 миллионов долларов, сумма, которая является частью программы Министерства энергетики США по термоядерным наукам. [225] В соответствии со стратегическим планом по руководству американскими усилиями в области термоядерной энергетики, который был одобрен в январе 2021 года, Министерство энергетики США поручило Консультативному комитету по термоядерным наукам предположить, что США продолжат финансировать ИТЭР в течение десятилетнего периода. [226]
Поддержка европейского бюджета для ИТЭР также менялась в ходе проекта. В декабре 2010 года сообщалось, что Европейский парламент отказался одобрить план государств-членов по перераспределению 1,4 млрд евро из бюджета для покрытия дефицита расходов на строительство ИТЭР в 2012–2013 годах. Закрытие бюджета 2010 года потребовало пересмотра этого плана финансирования, и Европейская комиссия (ЕК) была вынуждена выдвинуть предложение о бюджетной резолюции ИТЭР в 2011 году. [227] В конечном итоге европейский вклад в ИТЭР на период с 2014 по 2020 год был установлен в размере 2,9 млрд евро. [228] Совсем недавно, в феврале 2021 года, Европейский совет одобрил финансирование ИТЭР в размере 5,61 млрд евро на период с 2021 по 2027 год. [229]
Строительство токамака ИТЭР сравнивают со сборкой «гигантской трехмерной головоломки», поскольку детали производятся по всему миру, а затем отправляются во Францию для сборки. [230] Эта система сборки является результатом Соглашения ИТЭР, которое предусматривает, что взносы участников должны быть в основном «натурой», когда страны производят компоненты, а не предоставляют деньги. Эта система была разработана для обеспечения экономического стимула и экспертизы в области термоядерного синтеза в странах, финансирующих проект, а общая структура требовала, чтобы 90% взносов участников были в виде материалов или компонентов и 10% в виде денег. [231]
В результате с момента запуска проекта было подписано более 2800 контрактов на проектирование или производство. [232] Согласно оценке министра исследований, образования и инноваций Франции Фредерика Видаля за 2017 год , в строительстве ИТЭР участвовало 500 компаний, а Бернар Биго заявил, что с 2007 года только в Европе было заключено контрактов на сумму 7 миллиардов евро. [233] [234]
Общая сборка токамака контролируется контрактом на 174 миллиона евро, присужденным Momentum, совместному предприятию Amec Foster Wheeler (Великобритания), Assystem (Франция) и Kepco (Южная Корея). [235] Одним из крупнейших тендеров был контракт на 530 миллионов евро на системы HVAC, а также механическое и электрическое оборудование, который был присужден европейскому консорциуму с участием ENGIE (Франция) и Exyte (Германия). [236] Контракт на сборку токамака стоимостью 200 миллионов евро также достался европейскому консорциуму Dynamic, в который входят компании Ansaldo Energia (Италия), ENGIE (Франция) и SIMIC (Италия). [237] Французский промышленный конгломерат Daher получил более 100 миллионов евро в виде логистических контрактов для ITER, которые включают в себя доставку тяжелых компонентов от разных производителей по всему миру. [238] [239]
В Америке проект ITER в США заключил контракты с американскими компаниями на сумму 1,3 миллиарда долларов с начала проекта, и, по оценкам, еще предстоит получить контракты на сумму 800 миллионов долларов. [240] Основные контракты США включают выбор компании General Atomics для проектирования и производства важнейшего центрального соленоидного магнита. [241]
В 2019 году китайский консорциум во главе с China Nuclear Power Engineering Corporation подписал контракт на сборку машин на ИТЭР, который стал крупнейшим контрактом в области ядерной энергетики, когда-либо подписанным китайской компанией в Европе. [242]
Россия поставляет магнитные и вакуумно-инжекционные системы для ИТЭР, строительство которого ведется на Средне-Невском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге. [243]
В Индии контракт на строительство криостата, одного из основных элементов токамака, был присужден компании Larsen & Toubro , у которой также есть контракты ITER на системы водяного охлаждения. [244] InoxCVA, компания Inox Group, будет поставлять криолинии для проекта ITER. [245] [246]
Два промышленных лидера Японии, Toshiba Energy Systems & Solutions и Mitsubishi Heavy Industries , имеют контракты на производство катушек тороидального поля для ИТЭР. [243] Строительство другой ключевой части токамака, вакуумной камеры, было поручено Hyundai Heavy Industries и ведется в Корее. [247]
В 2023 году были признаны задержки, которые повлияют на цель создания плазмы к 2025 году; была надежда, что цель полного синтеза к 2035 году может быть сохранена. [248] В июле 2024 года был выпущен новый график, нацеленный на получение первой плазмы в середине 2030-х годов и начало операций по дейтерию-тритию к 2039 году. [7]
Проект ИТЭР подвергался критике по таким вопросам, как его возможное воздействие на окружающую среду, его полезность в качестве ответа 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 высказались против проекта. Например, французский политик Ноэль Мамер утверждал, что борьба с глобальным потеплением будет проигнорирована в результате ИТЭР: «Это нехорошие новости для борьбы с парниковым эффектом, потому что мы собираемся вложить десять миллиардов евро в проект, срок которого составляет 30–50 лет, хотя мы даже не уверены, что он будет эффективным». [249] Однако другая французская экологическая ассоциация, Association des Ecologistes Pour le Nucléaire (AEPN), приветствовала проект ИТЭР как важную часть ответа на изменение климата. [6]
В более широком секторе термоядерного синтеза ряд исследователей, работающих над системами, не связанными с токамаком, например, независимый ученый по термоядерному синтезу Эрик Лернер , утверждают, что другие проекты по термоядерному синтезу будут стоить лишь часть стоимости ИТЭР и могут быть потенциально более жизнеспособным и/или более экономически эффективным путем к термоядерной энергетике. [250] Другие критики, например, Дэниел Джассби, обвиняют исследователей ИТЭР в нежелании столкнуться с техническими и экономическими потенциальными проблемами, создаваемыми схемами термоядерного синтеза с токамаком. [251]
Что касается конструкции токамака, одно беспокойство возникло из-за интерполяции базы данных параметров токамака 2013 года, которая показала, что силовая нагрузка на дивертор токамака будет в пять раз больше ранее ожидаемого значения. Учитывая, что прогнозируемая силовая нагрузка на дивертор ИТЭР уже будет очень высокой, эти новые результаты привели к новым инициативам по тестированию конструкции. [252]
Еще одна проблема, которую критики подняли в отношении ITER и будущих проектов по синтезу дейтерия и трития (DT), — это доступный запас трития. В настоящее время ITER будет использовать все существующие запасы трития для своего эксперимента, а современные технологии недостаточны для генерации достаточного количества трития для удовлетворения потребностей будущих экспериментов по топливному циклу DT для получения энергии термоядерного синтеза. Согласно заключению исследования 2020 года, в котором анализировалась проблема трития, «успешное развитие топливного цикла DT для DEMO и будущих реакторов термоядерного синтеза требует интенсивной программы НИОКР в ключевых областях физики плазмы и технологий термоядерного синтеза». [253]
Сторонники считают, что большая часть критики ИТЭР вводит в заблуждение и неточна, в частности, утверждения о «неотъемлемой опасности» эксперимента. Заявленные цели для коммерческой термоядерной электростанции заключаются в том, что количество производимых радиоактивных отходов должно быть в сотни раз меньше, чем у реактора деления, и что он не должен производить долгоживущих радиоактивных отходов, и что для любого такого реактора невозможно подвергнуться крупномасштабной неуправляемой цепной реакции . [254] Прямой контакт плазмы с внутренними стенками ИТЭР загрязнит ее, заставив ее немедленно остыть и остановить процесс синтеза. Кроме того, количество топлива, содержащегося в камере термоядерного реактора (полграмма дейтериевого/тритиевого топлива [255] ), достаточно только для поддержания импульса термоядерного горения от нескольких минут до часа максимум, тогда как реактор деления обычно содержит топлива на несколько лет. [256] Более того, будут внедрены некоторые системы детритизации, так что при уровне запасов топливного цикла около 2 кг (4,4 фунта) ИТЭР в конечном итоге потребуется перерабатывать большие объемы трития и при оборотах на порядки выше, чем у любого предыдущего тритиевого предприятия в мире. [257]
В случае аварии (или саботажа) ожидается, что термоядерный реактор выделит гораздо меньше радиоактивного загрязнения, чем обычная атомная станция деления. Кроме того, тип термоядерной энергии 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 производятся побочные продукты в виде газообразного CO 2 , SO 2 или NO x ). [258]
По словам исследователей на демонстрационном реакторе в Японии, термоядерный генератор должен быть осуществим в 2030-х годах и не позднее 2050-х годов. Япония реализует собственную исследовательскую программу с несколькими действующими установками, которые изучают несколько путей термоядерного синтеза. [259]
Только в Соединенных Штатах на электроэнергию приходится 210 миллиардов долларов США в годовых продажах. [260] Электроэнергетический сектор Азии привлек 93 миллиарда долларов США частных инвестиций в период с 1990 по 1999 год. [261] Эти цифры учитывают только текущие цены. Сторонники ИТЭР утверждают, что инвестиции в исследования сейчас следует рассматривать как попытку получить гораздо большую будущую отдачу, а исследование 2017–18 годов о влиянии инвестиций в ИТЭР на экономику ЕС пришло к выводу, что «в среднесрочной и долгосрочной перспективе, вероятно, будет положительная отдача от инвестиций от обязательств ЕС в ИТЭР». [262] Кроме того, мировые инвестиции в ИТЭР менее 1 миллиарда долларов США в год не являются несовместимыми с параллельными исследованиями других методов генерации электроэнергии, которые в 2007 году составили 16,9 миллиарда долларов США. [263]
Сторонники ИТЭР подчеркивают, что единственный способ проверить идеи по выдерживанию интенсивного потока нейтронов — это экспериментально подвергнуть материалы воздействию этого потока, что является одной из основных задач ИТЭР и IFMIF, [255] и оба объекта будут жизненно важны для этих усилий. [264] Цель ИТЭР — исследовать научные и инженерные вопросы, которые окружают потенциальные термоядерные электростанции. Практически невозможно получить удовлетворительные данные о свойствах материалов, которые, как ожидается, будут подвергаться воздействию интенсивного потока нейтронов, и ожидается, что горящая плазма будет иметь совершенно иные свойства, чем плазма, нагретая извне. [265] Сторонники утверждают, что ответ на эти вопросы требует эксперимента ИТЭР, особенно в свете монументальных потенциальных выгод. [266]
Более того, основное направление исследований с помощью токамаков было развито до такой степени, что теперь стало возможным предпринять предпоследний шаг в исследовании физики плазмы с магнитным удержанием с самоподдерживающейся реакцией. В исследовательской программе токамаков недавние достижения, посвященные управлению конфигурацией плазмы, привели к достижению существенно улучшенного удержания энергии и давления, что снижает прогнозируемую стоимость электроэнергии от таких реакторов в два раза до значения всего лишь примерно на 50% больше, чем прогнозируемая стоимость электроэнергии от усовершенствованных легководных реакторов . [267] Кроме того, прогресс в разработке современных низкоактивационных конструкционных материалов подтверждает обещание экологически безопасных термоядерных реакторов, а исследования альтернативных концепций удержания дают обещание будущих улучшений удержания. [268] Наконец, сторонники утверждают, что другие потенциальные замены ископаемому топливу имеют свои собственные экологические проблемы. Солнечная , ветровая и гидроэлектростанции имеют очень низкую поверхностную плотность мощности по сравнению с преемником ИТЭР DEMO, который при мощности 2000 МВт будет иметь плотность энергии, превышающую даже крупные ядерные электростанции. [269]
Безопасность проекта регулируется в соответствии с французскими и европейскими нормами ядерной энергетики. В 2011 году Французское управление по ядерной безопасности (ASN) вынесло положительное заключение, а затем, на основании Французского закона о ядерной прозрачности и безопасности, заявка на получение лицензии была подвергнута общественному расследованию, что позволило широкой общественности подавать запросы на информацию относительно безопасности проекта. Согласно опубликованным оценкам безопасности (одобренным ASN), в худшем случае утечки реактора, выброшенная радиоактивность не превысит 1/1000 естественного фонового излучения, и эвакуация местных жителей не потребуется. Вся установка включает ряд стресс-тестов для подтверждения эффективности всех барьеров. Все здание реактора построено на вершине почти 500 сейсмических подвесных колонн, а весь комплекс расположен почти на высоте 300 м над уровнем моря. В целом, в проекте безопасности комплекса предполагались крайне редкие события, такие как 100-летнее наводнение близлежащей реки Дюранс и 10 000-летние землетрясения, и соответствующие гарантии являются частью проекта. [6]
В период с 2008 по 2017 год проект сгенерировал 34 000 рабочих лет только в экономике ЕС. Предполагается, что в период с 2018 по 2030 год он сгенерирует еще 74 000 рабочих лет и 15,9 млрд евро валовой стоимости. [6]
Предшественниками ITER были JET , [270] Tore Supra , [271] MAST , [272] SST-1 , EAST и KSTAR . Другие запланированные и предлагаемые термоядерные реакторы включают NIF , [273] W7X , T-15MD , STEP , SPARC , SST-2 , [274] CFETR , [275] [276] [277] [278] DEMO , [279] K-DEMO и другие национальные или частные термоядерные электростанции «DEMO-фазы». [280] [281]
ИТЭР (первоначально «Международный термоядерный экспериментальный реактор», но теперь переименованный в латынь, что означает «путешествие», «путь» или «метод») будет гигантским термоядерным реактором типа токамак.
Он будет содержать самые большие в мире сверхпроводящие магниты, необходимые для создания магнитного поля, достаточно мощного, чтобы удерживать плазму, температура которой достигнет 150 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем в центре Солнца.
_(41783636452).jpg/1280px-ITER_Tokamak_and_Plant_Systems_(2016)_(41783636452).jpg)
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Классенс, Мишель. (2020). ИТЭР: Гигантский термоядерный реактор: прибытие Солнца на Землю . Springer.
Клери, Дэниел. (2013). Кусочек солнца . Gerald Duckworth & Co. Ltd.
ИТЭР. (2018). План исследований ИТЭР в рамках поэтапного подхода (Уровень III – Предварительная версия) . ИТЭР.
Уэнделл Хортон-младший, К. и Садруддин Бенкадда. (2015). Физика ИТЭР . World Scientific.
43 ° 42'30 "N 5 ° 46'39" E / 43,70831 ° N 5,77741 ° E / 43,70831; 5,77741