Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER) — это один из самых амбициозных научных проектов современности, который обещает стать прототипом источника практически неограниченной энергии.
Однако, несмотря на огромные ожидания, реализация проекта сталкивается с множеством технических, организационных и финансовых сложностей, впрочем, как и все проекты подобного рода.
Сроки ввода в эксплуатацию ITER постоянно переносятся, с 2016 на 2018 год, далее на 2025 год, а недавно запуск реактора был снова отложен до 2033–2034 года.
Насколько это оправдано и что стоит за этими задержками? Возможно, ответ кроется в старой шутке: «До термоядерной энергетики всегда должно быть 20 лет», которая уже и не шутка...
Проект ITER, уже старичок, старше большинства читателей моего блога, начатый в 1985 году и являющийся результатом международного сотрудничества 35 стран, включая Евросоюз, Россию, США, Китай, Индию, Японию и Южную Корею, призван доказать возможность управляемого термоядерного синтеза и в перспективе продемонстрировать, как из этого термояда можно эффективно получать полезную энергию.
В основе работы реактора лежит идея управляемого синтеза атомов — процесса, при котором два лёгких атомных ядра объединяются в одно, выделяя огромное количество энергии, и всё это должно происходить под строгим контролем учёных.
Эта технология имитирует процессы, происходящие в недрах звёзд, включая наше Солнце.
Ещё недавно постройку реактора и его запуск планировалось завершить к 2025 году, однако из-за множества организационных и технических проблем, обусловленных как внутренними сложностями, так и внешними факторами, запуск реактора перенесли фактически на 10 лет.
И ладно, переносы в подобных проектах — дело обычное, но конкретно в проекте ITER — самом сложном по конструктиву установки в истории человечества, была выявлена банальная халатность и, мягко говоря, криворукость.
Да, проектирование и строительство ITER включают создание сложных и уникальных компонентов, которые должны выдерживать экстремальные температуры и нагрузки. Эти компоненты проходят строгий контроль качества, прежде чем встать на своё место в реакторе.
По крайней мере, так было, пока в 2023 году не были обнаружены дефекты в одном из ключевых компонентов — вакуумной камере, исправление этих дефектов требует значительных ресурсов и времени, так как пришлось демонтировать уже собранную конструкцию.
- За некоторые элементы магнитной системы, содержавшие дефекты сварных швов, которые могли привести к утечкам и снижению эффективности работы реактора, отвечала Европа, а точнее, французы.
Далее были обнаружены несоответствия в точности сборки компонентов токамака, что потребовало значительных корректировок и дополнительных тестирований, спасибо за это скажем китайцам-подрядчикам.
По данным Всемирной ядерной ассоциации, китайские подрядчики допустили грубые ошибки при сварке элементов внутренней конструкции токамака, что привело к искажению формы и геометрии узлов. Это потребовало их демонтажа и проведения дополнительных измерений.
- Всё потому, что французы захотели сэкономить и, подумав, что китайцы могут всё, решили за полцены выполнить сложную и деликатную работу.
Ещё одной проблемой стали отклонения в линейных размерах ключевых деталей, таких как поддерживающие структуры для магнитных катушек. Это вызвало несоответствие в их установке, что увеличило время на проверку и доработку. Но на такие мелочи уже внимание принято не обращать.
Проблемы возникли и с теплоизоляцией ключевых элементов реактора, что прямо угрожает стабильности работы системы охлаждения.
Дополнительно в тепловых экранах были выявлены дефекты, включающие коррозию и необходимость полной замены около 23 км охлаждающих магистралей.
- За эти косяки отвечают специалисты из Южной Кореи.
Генеральный директор ITER Пьетро Барабаски тянул с новыми сроками до последнего, хотя ученые, работающие в ITER, еще год назад прекрасно понимали, что в срок реактор уже не запустить.
С выявленными дефектами реактор ITER попросту никогда не заработает.
В 2024 году были анонсированы обновлённые сроки: первоначальная стадия пуска ожидается в 2034 году, но полноценная работа с целью достижения энергетической безубыточности теперь планируется к 2040 году.
Точнее, теперь будет так:
Запуск реактора произойдет в 2034 году, и для отладки его систем он будет эксплуатироваться на проектных параметрах и дейтерий-дейтериевом варианте и без термоядерного синтеза.
Дейтерий-дейтериевая реакция – это объединение двух ядер дейтерия. Преимущество этой реакции в том, что дейтерий можно легко добыть из воды. Однако выделяемая энергия в 4-5 раз меньше по сравнению с дейтерий-тритиевой реакцией и эффективно идет при температуре от 300 миллионов градусов.
- Дейтерий-дейтериевый вариант подходит для тестирования установки и отработки основных её параметров, но как источник энергии он не годится.
Спустя пять лет, а это 2039 год, произойдет переход к дейтерий-тритиевой стадии экспериментов, ради которого и создается ITER.
Дейтерий-тритиевая реакция – основная реакция, которую планируется использовать в ITER. В результате взаимодействия ядер дейтерия и трития образуются ядро гелия и быстрый нейтрон. Эта реакция имеет самый низкий порог по температуре (около 100-150 миллионов градусов), что делает её более достижимой.
И еще через 10 лет должны стартовать испытания модулей бланкета, который преобразует термоядерную энергию в электрическую, то есть продемонстрировать ту самую принципиальную возможность получать полезную энергию посредством управляемого термоядерного синтеза.
- 2039 лет + 10 лет = 2049 год....
То есть всё это термоядерное счастье официально вновь откладывается даже не на 20, а на все 25 лет...
Ожидаемая стоимость ITER превысила всякие первоначальные оценки и лимиты, устремившись к 30 миллиардам евро. Финансовое давление также приводит к задержкам в производстве и доставке компонентов.
- Ограничения на передвижение и нарушение цепочек поставок в пандемию хотя и замедлили строительство и сборку реактора, однако срок ввода в эксплуатацию предполагал смещение всего на полгода.
Главная цель программы ITER — это достижение условий, при которых термоядерная плазма будет производить больше энергии, чем потребляется на её поддержание. Это называется энергетической безубыточностью. Одним из ключевых условий для этого является выполнение критерия Лоусона — соотношения между температурой плазмы, плотностью частиц и временем их удержания, при котором в плазме будет проходить достаточно количество термоядерных реакций, чтобы она стала сама себя энергетически поддерживать, разогреваясь изнутри, что в идеале более не потребует внешнего подвода энергии.
В ходе дейтерий-тритиевых термоядерных реакций неизбежно будут возникать и другие реакции, которые будут оказывать различные, как положительные, так и негативные эффекты на стабильность плазмы. Всё это требует тщательного изучения и определения оптимальных режимов работы реактора.
Также ITER должен стать первым реактором, где будет достигнуто Q > 10 (энергетический коэффициент), что означает, что установка будет производить в 10 раз больше энергии, чем потребляет для разогрева плазмы.
Термоядерная плазма в установке должна быть нагрета до температуры порядка 150 миллионов градусов Цельсия, затем она сжимается и удерживается магнитным полем, чтобы запустить интенсивный процесс термоядерных реакций:
Вся сложность управляемого термоядерного синтеза заключается в необходимости длительного удержания плазмы с высокой температурой, что до сих пор остаётся одной из главной нереализованной научной задачей человечества.
ITER ориентирован на реализацию дейтерий-тритиевой реакции, которая является наиболее эффективной с точки зрения выделяемой энергии при небольшой по меркам других реакций температуре (100–150 миллионов градусов).
Тритий является радиоактивным элементом и не встречается в природе в больших количествах, а нарабатывается в ядерных реакторах, однако термоядерная установка должна производить его прямо внутри реактора с помощью взаимодействия нейтронов с литиевой оболочкой, причем физика процесса должна быть такова, что трития будет производиться больше, чем будет потреблять установка, тем самым нарабатывая его для запуска других термоядерных реакторов.
Это тоже очень важный параметр, так как без него всего наработанного сегодня трития в ядерных реакторах хватит на запуск максимум 3-5 полноценных термоядерных реакторов, и на этом термоядерная энергетика человечества закончится.
Существующие технологии не позволяют производить достаточное количество трития для будущих реакторов, что ставит под вопрос саму концепцию термоядерной электростанции.
Если ITER удастся достичь энергетической безубыточности и самовоспроизводство трития, это откроет путь к созданию практически неограниченного источника энергии любой мощности.
Тем самым реализация термоядерных технологий полностью избавит человечество от любых ископаемых видов топлива и стабилизирует цены на энергию на десятилетия вперед, создав максимально стабильный и прогнозируемый энергетический рынок.
Даже факт начала внедрения термоядерной энергетики позволит многим странам диверсифицировать свои энергетические источники. Ведь наряду с ядерной энергетикой термоядерные установки представляют собой единственные источники, которые могут конкурировать по критерию себестоимости выработанного кВт*ч без субсидий и какой-либо господдержки поддержки. Это объясняется тем, что их мощность значительно превосходит возможности любой альтернативной и ископаемой энергетики.
- Кроме того, в случае успешного запуска ITER, технологии, разработанные для него, такие как сверхпроводники и системы охлаждения, найдут применение в других отраслях, от медицины до космических исследований.
Это, конечно, то, к чему стремятся ученые, но будем реалистами, так как проект Международного экспериментального термоядерного реактора сталкивается с критикой сразу по нескольким важнейшим направлениям.
Мнение Игоря Николаевича Острецова и его критику термоядерного реактора я разбирал тут:
Помимо критики Острецова, есть и другие ученые, которые тоже не в восторге от самой идеи.
Есть, конечно, зеленые человечки, именуемые экоактивистами, те, казалось бы, должны быть всеми фибрами души за термоядерный энергетику, но как бы не так, многие из них выражают обеспокоенность, что значительные инвестиции в ITER и дальнейшие термоядерные амбиции человечества будут отвлекать всё больше ресурсов от непосредственных решений "проблемы" изменения климата и энергетического перехода — внедрению ветровой и солнечной энергетики. А есть те, кто опасается, что ITER и подобные ему проекты с горизонтом реализации 30–50 лет угрожают климату планеты.
Например, французский политик Ноэль Мамэр в 2005 году так и заявил, что выделение 10 миллиардов евро на ITER с его сроком реализации не способствует эффективной борьбе с глобальным потеплением.
Некоторые исследователи и компании, работающие над, скажем так, «альтернативными методами» термоядерного синтеза, считают, что ITER — уже пережиток прошлого и другие проекты (их собственные, естественно) могли бы быть более экономичными и перспективными по сравнению с ITER, и деньги нужно выделять именно на эти проекты (то есть им). Например, физик Эрик Лернер утверждает, что существуют куда менее затратные пути к достижению термоядерной энергии.
Есть сложности и в техническом плане, так проект уже строящегося вовсю реактора пришлось в срочном порядке переделывать. В 2013 году исследования показали, что нагрузка на дивертор токамака может быть в пять раз выше, чем предполагалось ранее, что требует дополнительных инженерных решений.
- Эти критические замечания подчеркивают необходимость тщательного анализа и решения как технических, так и экономических вызовов, стоящих перед проектом ITER, чтобы обеспечить его успешную реализацию и последующий переход к коммерческому использованию термоядерной энергии. Потому сроки постоянно переносятся, всё откладывая запуск реактора до устранения всех выявленных проблем.
С одной стороны, амбициозность проекта вдохновляет на достижения в области науки и технологий. Однако, с другой стороны, скептики указывают на неопределённость сроков и нерешённые технические проблемы, которые постоянно мешают обуздать термоядерную энергетику. Оттого появилось устойчивое ироничное выражение, что до термоядерной энергетики всегда 20 лет.
Например, американский физик Роберт Хирш, руководивший программой термоядерной энергетики и исследованиями термоядерной плазмы в США, считает, что практическая реализация термоядерной энергетики может занять ещё несколько десятилетий, и выражает большие сомнения, что проект ITER станет жизнеспособным.
- США, кстати, уже покидали проект ITER, но вернулись обратно после осознания того, что в одиночку им термоядерный реактор подобного масштаба не создать.
Многие ученые также критикуют проект за отсутствие чёткой стратегии для перехода от экспериментальной стадии к коммерческому использованию, подчёркивая, что даже в случае успеха ITER, он может остаться только научной демонстрацией, чем реальным шагом в решении мировых энергетических проблем.
В научных кругах и среди журналистов все чаще наблюдается скептическое отношение к срокам, необходимым для создания коммерчески жизнеспособного термоядерного синтеза.
Из-за длительного периода разработки и множества технических сложностей, с которыми сталкивается термоядерная энергетика, многие начинают иронизировать, что «термоядерный синтез — это энергия будущего, и так будет всегда».
Россия, являющаяся ключевым игроком в проекте ITER и одной из лидирующих стран в вопросе термоядерных исследований, решила пойти своим путем и применить технологии, которые по тем или иным причинам в ITER неприменимы.
- К тому же мы пока ни с одним компонентом для ITER не накосячили, в отличие от китайцев, французов, Евросоюза в целом и Южной Кореи.
В рамках программы «Развитие атомной науки, техники и технологий» было принято решение о создании принципиально новой технологии токамака с реакторными технологиями (ТРТ). Эта экспериментальная установка, которая будет работать в двух режимах — в качестве полноценного плазменного прототипа как чисто термоядерного реактора, так и термоядерного источника нейтронов для гибридного реактора.
Эта установка станет первым в мире испытательным полигоном для развития и применения технологии высокотемпературной сверхпроводимости в конструкции термоядерного реактора. По сравнению с другими проектами, такими как ITER, ТРТ представляет собой качественный скачок вперёд в области термоядерных технологий.
В 2024 году было полностью закончено эскизное проектирование, в 2025 году начинается работа по инженерному проектированию установки ТРТ.
Свежие комментарии