На протяжении последних двух десятилетий проект ИТЭР уверенно продвигается к реализации беспрецедентного научного достижения — осуществлению управляемого ядерного синтеза в качестве источника энергии. Недавно ИТЭР, расположенный на юге Франции, достиг важной вехи: были доставлены девятнадцать массивных тороидальных катушек, что стало знаковым событием в истории проекта.
Введение в ИТЭР
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) — это амбициозное глобальное предприятие, в котором участвуют 35 стран. Его главная цель — построить токамак, реактор ядерного синтеза в форме пончика, чтобы изучить жизнеспособность термоядерного синтеза как будущего источника энергии. В отличие от деления ядер, при котором происходит расщепление тяжелых ядер с выделением энергии, при ядерном синтезе происходит слияние легких ядер с выделением огромного количества энергии и образованием небольшого количества радиоактивных отходов.
Работа токамака основана на создании и манипулировании плазмой — газом электрически заряженных частиц при очень высокой температуре. В ИТЭР это происходит в камере тороидальной формы, где горючие газы, такие как водород, нагреваются до чрезвычайно высоких температур — до 150 миллионов градусов Цельсия. Атомы водорода переходят в состояние плазмы, где электроны отделяются от ядер, образуя ионизированный газ.
Чтобы поддерживать высокую температуру плазмы и не допустить ее соприкосновения со стенками реактора, в ИТЭР используется сложный набор сверхпроводящих магнитов. Эти тороидальные магниты, всего их девятнадцать, окружают камеру токамака и создают интенсивное магнитное поле. Оно задерживает плазму, удерживая ее вдали от стенок реактора и поддерживая ее стабильность, тем самым увеличивая продолжительность термоядерных реакций.
Эти тороидальные катушки также охлаждаются до чрезвычайно низкой температуры, около -269 градусов Цельсия, чуть выше абсолютного нуля, чтобы достичь состояния сверхпроводимости. После этого катушки могут генерировать мощные магнитные поля без электрического сопротивления, минимизируя потери энергии и повышая эффективность реактора.
Достижения в строительстве и перспективы
После двух десятилетий проектирования, производства, изготовления и сборки на трех континентах исторический многонациональный проект термоядерной энергетики ИТЭР сегодня празднует завершение строительства и доставку девятнадцати массивных тороидальных катушек из Японии и Европы.
Каждая из этих конструкций высотой около семнадцати метров и шириной девять метров изготовлена из ниобия-олова и ниобия-титана. Все эти катушки будут работать как единый магнит — самый мощный из когда-либо созданных. Он будет способен генерировать общую магнитную энергию в 41 гигаджоуль, что в 250 000 раз мощнее, чем у Земли.
Как катушки тороидального поля размещаются вокруг вакуумного резервуара токамака (в том числе в человеческом масштабе).
Изготовление катушек тороидального поля
Изготовление этих катушек, безусловно, было сложным и кропотливым процессом. Он начался с производства более 87 000 километров ниобий-оловянного провода в нескольких странах, включая Китай, Европу, Японию, Корею, Россию и США. Процесс производства начинался со сборки ниобий-оловянных нитей с медными нитями в виде каната, а затем вставки этих нитей в стальные оболочки. В этих оболочках имеется центральный канал, предназначенный для прохождения жидкого гелия, который необходим для поддержания катушек при очень низких температурах.
Подготовленная проволока, известная как «проводник», затем была отправлена на предприятия в Японии и Европе для основного этапа производства. На этом этапе проводник сгибается в двойную спираль и подвергается термообработке при высокой температуре (650 градусов Цельсия). Каждый сегмент проводника точно вставлялся в «радиальную пластину» из нержавеющей стали, предназначенную для сохранения его формы и обеспечения правильной изоляции.
Для усиления конструкции проводник также обматывался стеклянной лентой и каптоном, а защитные пластины сваривались лазером, образуя «двойной блин». Затем в эту сложную структуру была введена смола, чтобы устранить возможные воздушные карманы и усилить общую прочность. Каждый двойной блин был собран с шестью другими для формирования «пакета обмоток», который образует сердечник каждой тороидальной катушки поля. Каждый этап процесса, включая изоляцию, термообработку и впрыск смолы, выполнялся с особой точностью, чтобы обеспечить электрическую целостность и прочность конечного магнита.
Наконец, эти пакеты обмоток были помещены в массивные корпуса из нержавеющей стали, каждый из которых весил около 200 тонн. Они были спроектированы таким образом, чтобы выдерживать экстремальные нагрузки, возникающие во время работы токамака ИТЭР.
Этот сложный и кропотливый процесс, осуществлявшийся на нескольких континентах в тесном международном сотрудничестве, свидетельствует о передовых инженерных разработках, необходимых для создания основных компонентов самого передового в мире ядерного термоядерного реактора.
