Мир без нефти и урана. Вклад России в важнейший проект мировой энергетики

Проект ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор), как уверены ученые, позволит человечеству получить новый экологичный и безопасный источник энергии, использующий практически неиссякаемые запасы топлива, один грамм которого эквивалентен минимум десяти тоннам углеводородов. Летом 2020 года руководители государств-участников дали старт сооружению основного элемента будущего реактора – токамака, то есть системы удержания и нагрева плазмы. О вкладе российских ученых в один из самых масштабных проектов человечества в области энергетики – в новом материале РИА Новости.

Мир термоядерной энергии

Термоядерные реакции протекают с выделением огромной энергии, однако плазма, в которой идут эти реакции, имеет температуру в десятки и сотни миллионов градусов – притом, что самые термостойкие материалы выдерживают не более 3-4 тысяч градусов.

Использовать термоядерную энергию можно, если "оторвать" плазму от стенок реактора за счет сильных магнитных полей, объяснили ученые. Лучшая магнитная ловушка для термоядерной плазмы – токамак – была предложена советскими академиками Сахаровым и Таммом в начале 1950-х годов и впервые создана в Курчатовском институте.

В термоядерном реакторе, в отличие от атомного, происходит не деление ядер, а их синтез при плотности плазмы в сто тысяч раз меньше, чем плотность воздуха. Благодаря этому взрыв невозможен, подчеркнули ученые, что делает реактор принципиально безопасным. Продуктами работы такого реактора будут безвредный гелий и тритий, использующийся затем для поддержания самой реакции.

”ИТЭР – ворота в термоядерную энергетику, через которые мир должен пройти". Эти слова принадлежат инициатору проекта, почетному президенту Курчатовского института, академику Евгению Велихову. Задача ИТЭР, идея создания которого была выдвинута в середине 1980-х годов, заключается в демонстрации возможности использования термоядерной энергии в промышленных масштабах.

В настоящее время в проекте семь участников: Европейский Союз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США и Япония. Штаб-квартира ИТЭР расположена в Кадараше, Франция, неподалеку от строительной площадки.

Кроме фундаментального идейного и инженерного вклада, ИТЭР, по словам ученых, уже обязан России разработкой ряда ключевых элементов, среди которых самый совершенный сверхпроводящий кабель и лучшие в мире гиротроны – устройства для нагрева плазмы электромагнитным излучением сверхвысокой частоты.

Трудная задача с тритием

В качестве топлива в ИТЭР будет использована смесь изотопов водорода – дейтерия и трития. Дейтерий можно относительно легко производить из воды, а тритий будет воспроизводиться в самом термоядерном реакторе. ИТЭР, как экспериментальная установка, еще не будет производить электроэнергию, но на коммерческих термоядерных реакторах, по расчетам ученых, один грамм топлива будет давать столько же энергии, сколько сейчас дают от 10 до 20 тонн углеводородов.

Один из рисков в работе реактора будет заключаться в накоплении радиоактивного трития в разрядной камере токамака, поэтому его количество ограничено стандартами безопасности. Материалы внутренней стенки камеры – вольфрам и бериллий – не накапливают много трития, но тем не менее, как объяснили ученые, для стабильной работы реактора необходимы методы регулярного дистанционного контроля уровня трития.

Суммарное количество этого изотопа в камере можно определить из баланса поступившего и откачанного газа. Для более точного локального измерения его содержания в стенках реактора ученые решили использовать лазерное излучение: под его воздействием будет происходить своего рода "испарение" поверхностного слоя стенки с последующим захватом и анализом образовавшихся частиц.

Решением этой ключевой проблемы будет заниматься специально созданная в 2020 году в Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ лаборатория под руководством молодого ученого, доцента кафедры физики плазмы Юрия Гаспаряна.

«

"Наша задача – научиться измерять концентрацию легких и очень подвижных изотопов водорода при минимально возможном воздействии на стенку реактора. Испытания запланированы как на лабораторных установках, так и на токамаке Глобус-М2 в ФТИ имени А.Ф. Иоффе", – рассказал ученый.

Опасная пыль

Идея магнитной термоизоляции плазмы в тороидальном, то есть "бубликовидном", магнитном поле, лежащая в основе токамака, как объяснили ученые НИЯУ МИФИ, все же не исключает попадания частиц и излучения на стенки реактора. Под их воздействием от стенок будут отделяться макроскопические продукты эрозии, или, проще говоря, пыль.

Расчеты физиков показывают, что частицы пыли будут собираться на дне разрядной камеры токамака, что представляет опасность для реактора: пыль сама по себе пожароопасна, а кроме того она активно накапливает радиоактивный тритий.

Для того, чтобы контролировать количество и состав пыли, не останавливая реактор, группа ученых НИЯУ МИФИ во главе с профессором Леоном Беграмбековым предложила использовать особый зонд с приложенным к нему электрическим потенциалом.

В электрическом поле между зондом и поверхностью стенки крупинки пыли будут электризоваться и притягиваться в специальный приемник. Перемещаясь над поверхностью, зонд как пылесос будет собирать пыль, перемещая ее затем из реактора через специальные шлюзы.

Научный авангард

В центральной команде проекта в Кадараше работают тысяча сто специалистов из всех стран-участниц, и еще несколько десятков тысяч ученых и инженеров трудятся в домашних командах.

«

"НИЯУ МИФИ и, в частности, кафедра физики плазмы – один из активных участников проекта, в том числе и в подготовке кадров. Более полувека наша кафедра готовит специалистов в области физики горячей плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Наши выпускники трудятся как в центральной, так и в домашней командах ИТЭР, а география наших коллабораций простирается почти по всей планете", – рассказал заведующий кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ Валерий Курнаев.

За время существования кафедры ее специалистами были созданы установки, позволяющие исследовать взаимодействие плазмы и ее компонентов (ионов, электронов, нейтральных атомов) с различными материалами. Были разработаны теории и коды для описания этих процессов и подготовлено большое число ученых.

Среди работ, уже выполненных специалистами кафедры для ИТЭР, создание метода спектроскопического обнаружения протечек воды в плазму из охлаждаемых элементов первой стенки реактора, разработка методик для изучения воздействия чистящего тлеющего разряда на первые зеркала диагностических лазерных систем, а также создание предохранительных экранов для коллекторов электромагнитного излучения.