ИТЭР: крупнейший в мире эксперимент по термоядерному синтезу

ИТЭР, весящий 23 000 тонн и имеющий высоту почти 30 метров, будет впечатлять своими масштабами. Этот термоядерный реактор будет расположен в центре комплекса площадью 180 гектаров вместе со вспомогательными помещениями и оборудованием. По своим размерам ИТЭР, что в переводе с латыни означает «путь», значительно превзойдет крупнейшие работающие в настоящее время экспериментальные термоядерные реакторы — Объединенный европейский тор (JET) в Соединенном Королевстве и совместный европейско-японский реактор JT-60SA в Японии.

Но каков потенциал ИТЭР, и почему в эпоху миниатюризации и оптимизации необходимо строить исследовательское устройство такого гигантского масштаба?

Одна из основных целей ИТЭР — доказать, что в результате термоядерной реакции может производиться значительно больше энергии по сравнению с тем количеством, которое затрачивается на запуск самого процесса реакции, т. е. что происходит общее увеличение мощности. Такие реакторы, как ИТЭР, называются токамаками. В них используется сочетание систем нагрева, сильных магнитов и других устройств для проведения выделяющих энергию термоядерных реакций в сверхгорячей плазме. Возникающие магнитные поля удерживают и вращают заряженные частицы в корпусе реактора, по форме напоминающем бублик, чтобы они могли сливаться и производить термоядерную энергию.

Что касается размера, то более крупные токамаки обеспечивают лучшую изоляцию и дольше удерживают частицы, получаемые в результате термоядерного синтеза. Таким образом, они производят больше энергии, чем менее крупные установки.

Важным показателем эффективности реактора является коэффициент усиления термоядерной энергии, представляющий собой соотношение произведенной термоядерной энергии и энергии, поданной в плазму для стимулирования реакции. Он обозначается символом «Q».

На сегодняшний день наибольший коэффициент усиления Q, равный 0,67, был достигнут на JET: из 24 мегаватт (МВт) тепловой энергии было произведено 16 МВт термоядерной энергии. Однако для производства электроэнергии потребуются гораздо более высокие значения Q.

Предварительные условия для выработки энергии

Эксперименты с термоядерным синтезом проводятся на протяжении последних 50 лет. За это время производительность термоядерных установок увеличилась в 100 000 раз, но для достижения уровня производительности, необходимого для электростанции, он должен быть увеличен еще в пять раз. Для этого исследователи работают над оптимизацией состояния плазмы путем изменения температуры, плотности и времени удержания.

Некоторые из этих улучшений стали возможны благодаря увеличению размеров экспериментальных термоядерных реакторов. Поскольку по сравнению с JET высота и радиус ИТЭР вдвое больше, объем плазмы в нем увеличится в десять раз. Применение новых конструкций и инновационных материалов позволит оснастить ИТЭР одними из самых мощных устройств для нагрева плазмы, которые когда-либо использовались. Всего из 50 МВт тепловой энергии, подаваемой в плазму, на нем будет производиться 500 МВт термоядерной энергии, т. е. значение Q составит по меньшей мере 10. Энергия будет вырабатываться с перерывами: каждый раз термоядерная реакция будет происходить примерно 5–10 минут.

Пиковая производительность ИТЭР будет впечатляющей, но она будет достигаться лишь на очень короткие промежутки времени. Чтобы обеспечить постоянную выработку электроэнергии, будущие термоядерные электростанции должны работать непрерывно. Значение Q, равное пяти, является переломным: при его достижении начинается самонагрев плазмы, и она получает способность самостоятельно поддерживать термоядерную реакцию. Чтобы лучше понять, как обеспечить протекание этой самоподдерживающейся реакции, на ИТЭР в конечном итоге будут достигаться и поддерживаться значения Q, равные пяти, в течение промежутков времени, значительно превышающих десять минут.

Глобальное сотрудничество

В проекте ИТЭР участвуют 35 стран, в которых проживает более половины населения мира и которые производят 85 процентов глобального валового внутреннего продукта (ВВП). Хотя в мире проводится множество других термоядерных экспериментов меньшего масштаба, большинство из них все равно предусматривают координацию, сотрудничество или взаимодействие с Организацией ИТЭР.

МАГАТЭ и Организация ИТЭР с самого начала поддерживают тесные отношения, особенно в таких областях, как исследования в сфере термоядерного синтеза, управление знаниями, развитие людских ресурсов, а также образовательная и информационно-разъяснительная деятельность. Кроме того, МАГАТЭ помогает Организации ИТЭР обмениваться опытом в сфере ядерной безопасности и радиационной защиты с государствами — членами МАГАТЭ, в том числе с теми, которые не участвуют в проекте. В этом году Организация ИТЭР совместно с Комиссариатом по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (КАЭ) Франции проведет 28‑ю Конференцию МАГАТЭ по энергии термоядерного синтеза.

Предполагается, что ИТЭР продемонстрирует научную и техническую возможность выработки термоядерной энергии. Согласно поэтапному плану исследований, первые эксперименты на нем начнутся в 2025 году. Эксперименты на полную мощность должны начаться в 2035 году. В случае успеха они станут важной вехой и ознаменуют собой имеющий историческое значение переход на новый этап по сравнению с экспериментальными исследованиями и первыми демонстрационными термоядерными энергетическими установками (DEMO). Планируемые DEMO позволят обеспечить чистый прирост электроэнергии. На этапе рассмотрения уже находится ряд предварительных концепций реакторов типа DEMO. Если все пойдет по плану, к середине столетия они могут быть введены в эксплуатацию.