Наперсток дейтерия заменит 20 тонн угля

Ученые на  9-ом Международном форуме ТЭК ,  прошедшем в Санкт-Петербурге 25-27 марта, обсуждали перспективные проекты термоядерной энергетики: ключевой эксперимент ИТЭР, достигнутое  в Китае  время реакции  400 секунд, изменения в федеральной целевой программе «Ядерные энерготехнологии».
 

ИТЭР-эксперимент

Этапным событием в развитии мировой термоядерной энергетики станет проведение ключевого эксперимента на установке ИТЭР (рис. 1). Он призван проиллюстрировать возможности реализации долговременной термоядерной реакции с существенным энергетическим выходом (до 500 МВт).


Рис. 1. ИТЭР: строительство исследовательского центра Cadarache (Франция).

Справка
ИТЭР – проект международного экспериментального термоядерного реактора.
Первоначально название ITER было образовано как сокращение английского названия International Thermonuclear Experimental Reactor. В настоящее время оно, официально, не считается аббревиатурой, а связывается с латинским словом iter – путь.

Задача ИТЭР заключается в демонстрации осуществимости создания термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.
В настоящее время проектирование реактора полностью закончено и начато строительство исследовательского центра Cadarache (Франция). В работах участвуют: Россия, Китай, США, ЕС, Корея, Япония, Индия. 


Валентин Смирнов, академик РАН, заместитель директора УНЦ «Курчатовский институт» по УТС:

«Объединение возможностей атомной и термоядерной энергетики – важнейшая задача, стоящая перед мировым сообществом и наукой. Через какое-то время, говоря о ядерной энергетике мы будем подразумевать два типа реакций: реакции деления и реакции синтеза».

В УТС пока не решены все физические проблемы, одна из главных – влияние продуктов реакции (ядер гелия) на устойчивость плазмы. «Теоретические ожидания и первые модельные эксперименты свидетельствуют, что здесь, по-видимому, мы не встретим серьезных трудностей», – полагает академик Смирнов. 

Другая проблема на пути промышленного применения УТС – это материалы, проблема взаимодействия термоядерной плазмы со стенками установки. Часть энергии в виде частиц излучения и нейтронного потока попадает на стенки, которые частично модифицируются. На сегодняшний день вопрос материаловедения в УТС – один из ключевых.

Установка ИТЭР будет запущена в 2012 году. У каждой из стран-участниц ИТЭР, включая Россию, есть национальные термоядерные программы и проекты.




Европейский Союз

Странами ЕС принято решение о необходимости усилить работу по УТС. Действует программа, определяющая подходы к созданию термоядерного реактора. Она реализуется в 3-х основных направлениях. Во-первых, создана установка по испытанию материалов под потоком термоядерных нейтронов. Во-вторых, создан исследовательский центр для удаленного участия в работе ИТЭР; началось проектирование демонстрационной станции. Наконец, создается и уже начал работу мощный вычислительный центр, позволяющий развивать сложные коды, предсказывающие поведение плазмы в токамаке.

Справка
Токамак – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Этим он отличается от стелларатора, в котором и тороидальное и полоидальное поле создается с помощью магнитных катушек.

Япония

В Японии параллельно с ИТЭР создается менее мощный токамак, пуск запланирован на 2016 год. Он будет сопровождать работу ИТЭР. В японских токамаках (3 установки в разных исследовательских центрах) уже продемонстрировано удержание плазмы, практически, с термоядерными параметрами за длительное время.


США

На протяжении целого ряда лет национальная термоядерная программа США поддерживалась на уровне $270-280 млн в год. Финансирование в рамках ИТЭР – около $120 млн.  Несколько токамаков, установленных в разных городах США, вносят очень существенный вклад в развитие проекта ИТЭР.

Китай

Проблема экологически чистой энергетики принципиально важна для Китая. В ближайшие 15 лет Китай планирует построить 30-40 ядерных реакторов гигаваттного уровня мощности, в том числе реактор на быстрых нейтронах, вслед за которым должна быть запущенна установка УТС. В термоядерный синтез вкладываются значительные средства. Одна из особенностей китайской программы: предполагается использовать УТС для целей атомной энергетики; планируется создание токамака гибридного типа. Установка содержит и термоядерную часть с нейтронами, и камеру с ураном. Гибридный токамак предназначен для производства топлива АЭС, поскольку Китай не имеет запасов урана. На одном из китайских токамаков получен разряд, длящийся 400 секунд. 

Индия

УТС – одно из базовых направлений развития индийской энергетики. На реализацию национальной термоядерной программы тратится около $200-300 млн в год.

К 2030 году запланировано создание установки масштаба около 2\3 ИТЭР. Планируемый выход энергии – на уровне 1 ГВт.

Россия

Работа по созданию технологий УТС делится на несколько этапов.

1. Этап медленного развития – до 2001 г.
В этот период работы велись по нескольким направлениям: проект ИТЭР, проекты модернизации экспериментальной базы (Т-15М, Т11-М, Л2-М).
2. Стагнация и медленное сокращение до подписания соглашения по ИТЭР 2001 – 2006 гг.
Направления: коды, симуляторы ИТЭР, диагностика, гиротроны, остановка проектов модернизации, замедление активности экспериментов; возврат к Т-15, начало проекта технического перевооружения.
3. Современный этап – «критическая зона».

Основные события: одобрение Правительством РФ Стратегии по УТС; проект технического перевооружения Т-15 и неудача ФЦП по УТС, включение в проект федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения» с 2010 г.

Основные направления деятельности российских ученых и инженеров в исследованиях ядерного синтеза в рамках программы ИТЭР: диагностика (рефлектометрия Нα , спектрометрия), испытание гиротронов, симуляторы, взаимодействие плазма – стенка. Участие в ITPA (цель ITPA – координация и кооперация в разработке физических основ горения плазмы в установках токамак); возможное сотрудничество с JET (европейская установка) на полноправной основе.


Рис. 2. Российская установка Токамак-15.

Основные этапы национальной российской программы УТС:

1. Современный уровень: равенство затрат и выработки энергии; Q ~ 1, 10 с.
2. Этап до 2018 года: экспериментальный реактор, длительная реакция, интеграция технологий, Q > 10, 300-500 с, Q ~ 5 стационарно.
3. Этап до 2030 года: демонстрационная станция, электрическая мощность 1ГВт, Q > 30-50 стационарно.
4. К 2050 году – промышленная термоядерная станция.

По мнению академика Смирнова, залог успешного развитие УТС в России – активное участие в международном проекте ИТЭР. Кроме этого российскому УТС предстоит развитие в нескольких направлениях:
 

• изменение идеологии: сейчас УТС не обладает флёром исключительности; необходимы усилия по «продаже» УТС обществу;
• поиски быстрейшего применения УТС: источники термоядерных нейтронов для ЯЭ и науки; плазменные технологии;
• развитие научной и технологической базы знаний на существующих установках (техническое перевооружение Т-15);
• генерация новых идей и исследований: Т-10, симуляторы, плазма-стенка взаимодействие.
• сохранение и развитие научно-технического потенциала.

По оценкам специалистов, наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Небольшое озеро в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Но это касается УТС на основе дейтериево-дейтериевой (DD) реакции  второго поколении реакторов. Существующие сейчас исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции, чей топливный цикл требует использования лития для производства трития. Поэтому неисчерпаемость энергии – перспектива развития УТС в следующем столетии.

К.Литвиненко

Продолжение цикла материалов по термоядерной и атомной энергетике  с 9-го Международного форума ТЭК ,  читайте на портале EnergyLand.info  в апреле.