Солнце в миниатюре

Начались работы по строительству реактора ИТЭР – самого грандиозного мирового эксперимента в области термоядерного синтеза.

Под палящими лучами яркого солнца мы проходим сквозь ряды бетонных блоков высотой в человеческий рост. Сотни этих глыб расходятся от центральной точки и выстроены в линии – это напоминает детский рисунок солнца, почему-то оказавшегося на дне большого известнякового карьера на юге Франции.

Можно подумать, что я нахожусь на месте поклонения ближайшей к нам звезде, и в некоторой степени это действительно так. Если все пойдет по плану, пространство надо мной когда-нибудь озарится первой самоподдерживающейся термоядерной реакцией и станет искусственным светилом с температурой в 10 раз выше, чем у Солнца, дарящего жизнь нашей планете.

Рис. 1. Здесь загорится искусственное солнце.

В верхней части блоков установлены амортизаторы, позволяющие гасить вибрации. Это сделано для защиты возводимого сооружения в случае землетрясения. Все вместе они образуют фундамент для ИТЭР – международного экспериментального термоядерного реактора – амбициозного и выдающегося совместного проекта семи ведущих мировых энергетических держав: Китая, Индии, Японии, Южной Кореи, России, США и Европейского Союза.

Его задача – создать первый в мире вырабатывающий энергию термоядерный реактор, где будут происходить процессы, аналогичные тем, что происходят на Солнце и большинстве других звезд. При сверхвысоких температурах и давлениях два атома водорода (дейтерий и тритий) сливаются, образуя гелий, при этом энергии выделяется больше, чем расходуется на поддержание процесса.

Термоядерный синтез имеет массу преимуществ перед своим более опасным родственником – процессом ядерного деления, и уже давно считается эффективным источником энергии.

Однако только сегодня, после серьезных урезаний бюджета в 1990-х годах и многих лет ожесточенных политических распрей относительно выбора места строительства, огромные конструкции и устройства будущего ИТЭР начинают обретать форму.

«Это одно из самых сложных сооружений, какие только можно себе представить, – говорит Ричард Питтс, руководитель группы по исследованию взаимодействия плазмы со стенкой токамака ИТЭР. – Это воистину грандиозное научное мероприятие».

Здание высотой 60 метров, которое однажды появится здесь, станет центральным элементом в комплексе из 39 сооружений. В нем разместится тороидальная камера – сердце ИТЭР, где будет находиться раскаленная смесь водорода и гелия. При высочайшей температуре – 150 миллионов градусов Цельсия – дейтерий (изотоп водорода с одним дополнительным нейтроном) и тритий (изотоп с двумя нейтронами) переходят в агрегатное состояние плазмы, в котором их ядра сливаются и образуют гелий. Находясь в состоянии «горящей плазмы», они станут выделять энергию в виде нейтронов, которые будут нагревать стенки реактора, а в реакторах новых поколений, возможно, будут использоваться для вращения турбины.

Рис. 2. Реактор будущего. Самые большие в мире магниты будут удерживать тороидальную камеру со сверхраскаленной плазмой. Внутри нее ядра водорода будут сливаться и образовывать гелий. Возможно, в итоге мы увидим первое в мире искусственное «горение плазмы».

Если плазму можно назвать сердцем ИТЭР, то его скелетом являются магниты. Для сдерживания сверхраскаленной заряженной массы потребуется несколько самых крупных в мире магнитов. Самыми большими из них станут полоидальные катушки, которые будут горизонтально расположены вокруг тороидальной камеры. Их ширина 25 метров и вес более 400 тонн. Из-за этого катушки слишком крупны для транспортировки, и поэтому они будут собраны прямо на месте эксплуатации в специально возведенном для этого ангаре длиной 250 метров.

При входе он кажется совершенно пустым, а его пол блестит, словно мокрый. От потолка нависает огромный кран, установленный на рельсах, идущих по всей длине здания. Именно здесь, неспешно передвигаясь по сборочной линии сверхточного производства, появятся на свет выполненные из ниобиево-титанового сплава катушки электромагнита. Готовые магниты будут иметь практически идеально ровную поверхность – максимально допустимые отклонения составляют всего 2 мм в высоту.

После установки гигантские магниты будут охлаждены до температуры, которая лишь на 4 градуса превышает абсолютный ноль и составит около минус 269 °C. Это сделает их сверхпроводящими и позволит ограничить потребление ими энергии. В итоге один из самых холодных предметов на планете будет находиться всего лишь в нескольких метрах от одной из самых горячих субстанций во всей Вселенной – плазмы реактора ИТЭР.

Источником большинства из них являются нейтроны высокой энергии, которые постепенно проникают в стенки корпуса и создают такие изотопы, как кобальт-60. Тритий также обладает радиоактивностью, а бериллий, используемый для облицовки стен, ядовит.

Роботы из виртуальной реальности

Для решения вопросов безопасности проектировщики ИТЭР работают над созданием системы дистанционного управления, включающей в себя множество «ядерных подъемников», каждый из которых имеет размер большого автобуса. Их механические «руки»-манипуляторы будут использоваться для удаления и транспортировки отработавших свой срок компонентов из корпуса реактора в специальное хранилище, называемое горячей камерой, а также для установки на их место новых деталей.

По словам Джима Палмера, инженера по дистанционному управлению реактором ИТЭР,

крайне важно, что роботы пригодятся для выполнения непредвиденных задач. «ИТЭР – эксперимент, – говорит он. – И многие физики захотят поиграть с новым устройством».

На АЭС уже сегодня используется роботизированное оборудование, облегчающее работу с радиоактивными материалами.

«Реактор АЭС представляет собой ряд движущихся вверх-вниз стержней, – говорит Карло Дамиани, руководитель проектной группы по дистанционному управлению реактором ИТЭР. – Однако ИТЭР имеет тороидальный корпус, для доступа внутрь которого требуется выполнить сложную последовательность действий».

Именно поэтому операторы ИТЭР планируют использовать для контроля за роботами систему виртуальной реальности. Виртуальная модель обеспечит более понятную картину, чем установленные внутри реактора радиационно стойкие камеры, и позволит более аккуратно и точно перемещать механические «руки». Система также запрограммирована на предсказание столкновений. Это позволит оператору быстро их предотвращать.

Следующей после начала синтеза задачей станет поиск способа получения трития внутри самого реактора (через бомбардировку литиевой мишени нейтронами, получаемыми в процессе синтеза). Для запуска реактора тритий будет закуплен, однако, чтобы термоядерный синтез стал экономически эффективным (1 килограмм трития стоит около 30 миллионов долларов, для запуска требуется как минимум три килограмма. – Ред.), необходимо научиться вырабатывать этот изотоп.

«Мы с волнением ждем того момента, когда сможем увидеть горящую плазму, – говорит Деннис Уайт (Dennis Whyte), ученый-ядерщик из Массачусетского технологического института (США). – Нам предстоит зажечь новую звезду на нашей планете».

Материал опубликован в июньском номере журнала New Scientist

Селесте Бивер.

Источник(и):

1. nanojournal.ru

http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/solntse-v-miniatyure