Мир без нефти и урана: российские ученые исследуют экологически чистое и безопасное производство ядерной энергии

По мнению ученых, проект ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) даст новый, безопасный, экологически чистый источник энергии, используя почти неисчерпаемые запасы топлива, один грамм которого может заменить не менее десяти тонн углеводородов.

Летом 2020 года руководители государств-участников проекта приступили к строительству главного элемента будущего реактора — токамака, системы удержания и нагрева плазмы.

Мир термоядерной энергии

Термоядерные реакции могут выделять колоссальную энергию, но плазма, в которой протекают эти реакции, имеет температуру в десятки и сотни миллионов градусов, а самые жаропрочные материалы выдерживают не более 3-4 000 градусов.

Ученые объяснили, что использование термоядерной энергии возможно, если плазма «оторвется» от стенок реактора сильными магнитными полями. Лучшая магнитная ловушка для термоядерной плазмы — токамак — была предложена советскими академиками Сахаровым и Таммом в начале 1950-х годов и впервые была создана в Курчатовском институте.

В термоядерный реакторв отличие от атомного, вместо ядерного деления ядерный синтез происходит при плотности плазмы в сто тысяч раз меньшей плотности воздуха. Ученые подчеркнули, что это делает невозможными взрывы, делая реактор принципиально безопасным. Продуктами такого реактора будут безвредные гелий и тритий, которые затем используются для поддержки реакции.

«ИТЭР — это ворота термоядерной энергии, через которые должен пройти мир». Это слова инициатора проекта, почетного президента Курчатовского института академика Евгения Велихова. Созданный в середине 1980-х годов ИТЭР нацелен на демонстрацию возможности использования термоядерной энергии в промышленных масштабах.

В настоящее время в проекте семь участников: ЕС, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США и Япония. Штаб-квартира проекта находится в Кадараше, Франция, недалеко от строительной площадки.

По мнению ученых, помимо фундаментального концептуального и инженерного вклада в проект ИТЭР, Российские ученые разработали ряд ключевых элементов, в том числе самый современный сверхпроводящий кабель и лучшие в мире гиротроны, устройства, нагревающие плазму сверхвысокочастотным электромагнитным излучением.

Тритиевый вызов

В качестве топлива ИТЭР будет использовать смесь изотопов водорода, дейтерия и трития. Дейтерий можно относительно легко получить из воды, а тритий будет производиться в термоядерном реакторе. В качестве экспериментальной установки ИТЭР пока не будет производить электроэнергию, но, по мнению ученых, один грамм топлива из коммерческих термоядерных реакторов будет производить такое же количество энергии, как от 10 до 20 тонн углеводородов.

Одним из рисков при эксплуатации реактора будет накопление радиоактивного трития в разрядной камере токамака; поэтому его количество ограничено стандартами безопасности. Внутренняя стенка камеры, сделанная из вольфрама и бериллия, не накапливает много трития, однако, как объяснили ученые, для стабильной работы реактора необходим регулярный дистанционный контроль уровня трития.

Общее количество этого изотопа в камере можно определить по балансу подаваемого и откачанного газа. Чтобы более точно измерить его содержание в стенках реактора, ученые решили использовать лазерное излучение: под его воздействием произойдет своеобразное «испарение» поверхностного слоя стенки с последующим захватом и анализом образовавшихся частиц.

Эту ключевую задачу в лаборатории, специально созданной в г. 2020. «Наша задача — научиться измерять концентрацию легких и высокомобильных изотопов водорода с минимально возможным воздействием на стенку реактора. Испытания планируется провести как в лабораторных условиях, так и на токамаке «Глобус-М2» Института Иоффе », — сказал ученый.

Опасная пыль

Ученые пояснили, что идея магнитной теплоизоляции плазмы в тороидальном или «пончиковом» магнитном поле, на которой основан токамак, не исключает попадания частиц и излучения на стенки реактора. Под их воздействием от стен будут отделяться продукты макроскопической эрозии, проще говоря — пыль.

Расчеты физиков показывают, что на дне разрядной камеры токамака будут собираться частицы пыли, что опасно для реактора: пыль пожароопасна и, кроме того, активно накапливает радиоактивный тритий.

Для контроля количества и состава пыли без остановки реактора, Ученые МИФИ под руководством профессора Леона Беграмбекова предложили использовать специальный зонд с приложенным к нему электрическим потенциалом.

В электрическом поле между зондом и поверхностью стенки пылинки будут электризоваться и притягиваться к специальному приемнику. Двигаясь над поверхностью, зонд будет собирать пыль как пылесос, а затем выводить ее из реактора через специальные замки.

Научный авангард

Центральная команда проекта в Кадараше включала 1100 специалистов из всех стран-участниц; несколько десятков тысяч ученых и инженеров работают в домашних коллективах.

«МИФИ, в частности кафедра физики плазмы, является одним из активных участников проекта, в том числе в подготовке кадров. Более полувека наша кафедра готовит специалистов по физике горячей плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Наши выпускники работают как в центральном, так и в домашнем коллективе ИТЭР, а география нашего сотрудничества охватывает практически всю планету, — сказал заведующий кафедрой физики плазмы МИФИ Валерий Курнаев.

За всю историю отдела его специалистами были созданы установки для изучения взаимодействия плазмы и ее компонентов (ионов, электронов, нейтральных атомов) с различными материалами. Для описания этих процессов были разработаны теории и коды, и было обучено большое количество ученых.

Для ИТЭР специалистами отдела уже созданы методика спектроскопического обнаружения утечек воды в плазму от охлаждаемых элементов первой стенки реактора, методы исследования воздействия очищающего тлеющего разряда на первые зеркала диагностических лазерных систем, а также безопасность. экраны для коллекторов электромагнитного излучения.