ITER ist ein internationales Projekt zur Schaffung eines Pilotreaktors mit einer Leistung von 500 MW, der offiziell von der Bauphase in die Montagephase übergegangen ist.
Vitaly Krasilnikov - unser Geschichtenerzähler - arbeitet seit sieben Jahren an dem Projekt.
Vitaly kommt aus Troitsk. Er absolvierte die Trinity School Nr. 3 (heute ist es ein Lyceum), studierte am Physik- und Technologieinstitut des MEPhI nach dem Vorbild seines Vaters und seiner Freunde aus der Familie, dem Thema Tokamaks, und arbeitete dann am wissenschaftlichen Zentrum TRINITY. Er bewarb sich um eine interessante Stelle bei ITER und ist derzeit am Bau des größten Tokamaks beteiligt, der jemals von Menschen entworfen wurde. Seit Ende letzten Jahres überwacht Vitaliy zusammen mit seinen Kollegen die Entwicklung der Neutronendiagnostik.
Im August hielt er mit Unterstützung unseres Trinity Boiling Point ein Webinar ab: "Wann wird die Fusion stattfinden?" ... Das Herzstück dieses Artikels ist eine verarbeitete Abschrift seines Vortrags und der anschließenden Q & A-Sitzung.
Sprechen wir also über die Kernfusion.
Es gab so einen Witz: In welchem Jahr auch immer Sie gefragt haben, wann die Fusion stattfinden wird, sie antworten Ihnen - in 10 Jahren. Heute formulieren wir diese Prognosen zeitlich auf der Grundlage des ITER-Projekts - Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor (Internationaler experimenteller thermonuklearer Reaktor). Dies ist nun das Banner, unter dem alle wichtigen Entwicklungen in diesem Bereich durchgeführt werden.
In der Spitze wird ITER voraussichtlich 500 MW Kernkraft produzieren - das Zehnfache dessen, was für den Betrieb erforderlich ist. Dies ist eines der ehrgeizigsten Energieprojekte. Heute nehmen sieben Partnerländer teil, die mehr als 50% der Weltbevölkerung repräsentieren: die EU-Länder (als Einzelteilnehmer), China, Indien, Japan, Russland, Korea und die Vereinigten Staaten. Das Projekt wird von Australien und Kasachstan unterstützt.
Grundprinzipien einer thermonuklearen Anlage
Für den unvorbereiteten Teil des Publikums werde ich einen kleinen Exkurs über die Hauptideen hinter ITER machen.
Für Wasserstoffisotope - Deuterium und Tritium - wird ein experimenteller Reaktor gebaut. Wenn der Kern von gewöhnlichem Wasserstoff aus einem Proton besteht, enthält der Deuteriumkern ein Proton und ein Neutron, und der Tritiumkern enthält ein Proton und zwei Neutronen. Durch die Reaktion von Deuterium und Tritium entsteht ein komplexer Kern aus fünf Elementen, der sich in Helium und ein Neutron auflöst.
Kernreaktion von Deuterium und Tritium unter Bildung von Helium und einem freien Neutron
Helium ist ein Inertgas, das keinen Schaden anrichtet. Ein freies Neutron hat eine kurze Lebensdauer, es ist an sich nicht gefährlich. Aber es hat viel Energie, also muss das Neutron irgendwie gefangen und abgebremst werden, und seine kinetische Energie muss mit Vorteil genutzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Wasser zu erwärmen, eine Turbine zu erstellen und diese Energie in Elektrizität umzuwandeln.
Um Deuterium und Tritium zu kombinieren, müssen sie gegeneinander verteilt sein. In großen Mengen kann dies durch Erhitzen eines Gemisches aus zwei Gasen erfolgen. Um diese Reaktion auf der ITER-Skala (nach Erhalt eines bestimmten Verhältnisses von verbrauchter und nutzbarer Leistung) umzusetzen, muss das Gemisch nach vorläufigen Berechnungen auf 100 bis 200 Millionen Grad erhitzt werden (in Kelvin oder Celsius spielt dies keine Rolle mehr). Zum Vergleich: Die Sonne hat nur 10 Millionen Grad, d.h. Die Temperatur im Versuchsreaktor sollte 10–20-mal höher sein.
Elektrische und magnetische Felder können verwendet werden, um ein Plasma dieser Temperatur in einem geschlossenen Volumen zu halten.
Eines der geeigneten Instrumente wurde bereits in der Sowjetunion vorgeschlagen - dies ist eine Ringkammer, die "Tokamak" genannt wird.
Tokamak- Abschnitt ist eine Magnetspule, in der Magnetfelder so gebildet werden, dass sie das Plasma in einem bestimmten Volumen innerhalb des "Donuts" halten.
Die enormen Aussichten für eine Kernfusion stehen auf drei Säulen.
- Der Brennstoff für die beschriebene Reaktion ist in der Tat unendlich, die vorhandenen Reserven an Erdlingen werden für Millionen von Jahren ausreichen: Deuterium ist im Weltozean verfügbar, und Tritium kann in unbegrenzten Mengen aus Lithium hergestellt werden.
- Eine Explosion oder nukleare Zerstörung infolge einer unkontrollierten thermonuklearen Reaktion ist grundsätzlich nicht möglich. Wenn etwas schief geht, stirbt die Reaktion einfach aus.
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Tokamaks wurden bereits gebaut, auch in Russland. Aber selbst der größte Tokamak in England (Jet) verbraucht immer noch mehr Energie als er produziert: Jetzt liegt das Verhältnis von empfangenem zu verbrauchtem Strom zwischen 0,8 und 0,9. ITER plant, die Ergebnisse um eine Größenordnung zu verbessern und auf Kosten anderer Plasmaphysiker, die sich selbst ernähren sollten, ein Verhältnis von 10 zu erreichen. Es bleibt zwar zu verstehen, wie diese Prozesse zu verwalten sind.
Mit zunehmendem Maßstab und zunehmender Temperatur wachsen technische Probleme nicht linear. Das Plasmavolumen hat sich verdoppelt - die Spule wird viermal mehr benötigt. Wir brauchen Supraleiter, die in eine Art Thermoskanne eingewickelt werden müssen und eine Innentemperatur von -270 Grad bieten. Dies sind alles nicht triviale technische Herausforderungen.
ITER: Durchmesser 28 Meter, Höhe 30 Meter. Gewicht - 30.000 Tonnen
So sieht ITER aus. Der Tokamak ist in einer Flasche untergebracht, die als Kryostat bezeichnet wird. Dies ist die äußere Hülle, die die Supraleiter der Magnetfeldspulen kühlt.
Im Tokamak muss eine Temperatur erzeugt werden, die 100-mal höher ist als die Temperatur der Sonne - dies ist der heißeste Punkt in unserer Galaxie. Und draußen wird es einen der kältesten Stellen geben - 4 Grad Kelvin.Der Abstand zwischen den heißesten und kältesten Punkten beträgt nur wenige Meter.
Wenn die Technologie nicht mit der Theorie Schritt hält
In fast allen Bereichen der ITER-Entwicklung stehen wir vor Problemen, die noch niemand gelöst hat.
Nehmen wir zum Beispiel Elektronik, die für den Betrieb im Vakuum ausgelegt ist und für Weltraumzwecke verwendet wird. Es hat jedoch keinen Schutz vor Strahlung, die im Weltraum fast nicht vorhanden ist. Es gibt strahlungsbeständigen Stahl und Elektronik für Kernreaktoren, aber sie können nicht im Vakuum arbeiten (es gab einfach keine solchen Anforderungen in Reaktoren). Das heißt, wir brauchen neue Materialien, die sowohl vakuum- als auch strahlungsbeständig sind.
Ein anderes Beispiel sind Neutronendetektoren, mit denen ich arbeite. Für ITER benötigen wir mehrere hundert Detektoren mit jeweils 10 Kristallen. Bei der gegenwärtigen Geschwindigkeit wächst die Welt ungefähr 10-50 Kristalle pro Jahr und bis 2025 werden ungefähr 2.000 Kristalle benötigt. Diese Anforderung kann von vorhandenen Installationen nicht erfüllt werden. Mehrere westliche Labors arbeiten daran, die Technologie zu verfeinern.
Und solche Beispiele können endlos gegeben werden.
Eine kurze Geschichte von ITER
Zum ersten Mal wurde das ITER-Projekt 1985 auf dem Genfer Gipfel öffentlich diskutiert - auf dem Höhepunkt des Auftauens der internationalen Beziehungen. Die USA und die UdSSR - vertreten durch Gorbatschow und Reagan - einigten sich auf gemeinsame Entwicklungen auf dem Gebiet der thermonuklearen Fusion. Und der Pate von ITER kann vielleicht E.P. Velikhov , ein sowjetischer Wissenschaftler, der Gorbatschow diese Idee vorschlug.
Das Treffen zwischen Reagan und Gorbatschow auf dem Genfer Gipfel 1985.
Die erzielte Einigung bestand einige Zeit in einer Art Vakuum, wurde aber Anfang der 2000er Jahre zurückgegeben.
Als im November 2006 im Elysee-Palast ein Abkommen zwischen sieben teilnehmenden Ländern unterzeichnet wurde, wurde klar, dass das ITER-Projekt umgesetzt werden würde.
Die Bauarbeiten auf dem Gelände begannen 2007. Bis 2010 war der Wald auf dem Territorium bereits abgeholzt, das Land wurde geebnet und mehrere Gebäude wurden gebaut. Wir begannen eine Grube für den Tokamak-Komplex zu graben. Das Foto zeigt Autos und Häuser. Die Fläche der ausgegrabenen Grube hat die Größe eines Stadtblocks.
Im Jahr 2011 wurde das Fundament gegossen.
Unten auf dem Foto sind aktive seismische Stützen. Sie sind austauschbar: Wenn einer von ihnen ausfällt, klettert ein spezieller Roboter unter das Gebäude und ersetzt es.
Auf der Betonplatte befindet sich eine spezielle antiseismische Anordnung der Bewehrung, die mit Beton gegossen wird.
Ich bin 2013 zu dem Projekt gekommen. Dann ging der ganze Bau unter die Erde und sah ungefähr so aus:
Ab Ende 2014 wurde mit dem Bau von Mauern über dem Boden begonnen. Auf dem Foto unten - Montagegebäude. Alle Hauptkomponenten des Systems werden zur Vormontage in das System eingegeben und mit einem großen Kran in das Tokamak-Gebäude überführt.
Und dies ist eine Hochspannungsstation und Transformatoren.
Im Jahr 2015 wurde das Versammlungsgebäude in die Außenwände eingewickelt.
Und das ist ein Foto von 2016:
Das Foto unten zeigt deutlich die Fortschritte von 2014 bis zum Frühjahr 2020. Die Fotos wurden aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen, zeigen jedoch signifikante Verbesserungen.
Und so sieht das Projekt heute aus:
Das Beton-Tokamak-Gebäude mit 1 bis 1,5 m dicken Wänden wurde am 18. Juni 2020 fertiggestellt (die Metallstruktur oben ist vorübergehend).
Einige weitere Fotos des Fortschritts. Der erste Schuss wurde im Tokamak-Gebäude aufgenommen. Der ITER-Tokamak befindet sich unter dieser Abdeckung. In der Ferne sehen Sie das Montagegebäude und den Laufkran.
Und das ist die Basis des Kryostaten. Es wurde bereits dort installiert, wo der Tokamak zusammengebaut wird.
Im Frühsommer 2020 wurde das ITER-Projekt offiziell von der Bauphase in die Montagephase überführt. Fast jede Woche erhalten wir auf der Baustelle große Tokamak-Elemente: Spulen, Teile einer Vakuumkammer. Und das ist eine neue Herausforderung. Riesige Komponenten müssen mit der Präzision des Uhrwerks angepasst werden. Beispielsweise betragen die Toleranzen für die Herstellung einer Vakuumkammer (eine 30-Meter-Struktur mit einem Gewicht von etwas weniger als einem Kilotonnen) 1 mm. Die Ausrüstung muss möglicherweise an ungenaue Komponentenabmessungen angepasst werden.
Parallel dazu wird das Design ständig weiterentwickelt und die Zeichnungen geändert.
Zum Beispiel haben Elektriker herausgefunden, dass dickere Drähte verwendet werden sollten. Diese wiederum passen nicht in die Rohrleitungen, und Sie müssen die Löcher in den Wänden vergrößern. Dies bedeutet, dass der nach außen gerichtete Neutronenfluss zunimmt. Fazit: Es muss eine strahlungsbeständigere Elektronik entwickelt werden.Es gibt einen Witz, dass das Projekt alle zwei Jahre neu aufgebaut wird. Gleichzeitig darf aber kein einziger Schritt übersehen werden: Sie können acht Jahre lang nichts tun und erst im Endstadium einschalten. Es ist notwendig, den ganzen Weg von Anfang bis Ende zu gehen.
Projektstruktur
Wie gesagt, das Projekt hat sieben Teilnehmer. Gemäß der Grundvereinbarung investiert die Europäische Union 45%, die übrigen Länder jeweils 9%. Sie investieren Geld - in eine zentrale Organisation in Südfrankreich. Sowie Ausrüstung (Installationsteile) und die besten Köpfe.
Das folgende Balkendiagramm zeigt, wie die Mitgliedsländer in einzelne Bereiche investieren.
Die achte Abkürzung JF verbirgt offenbar den Anteil anderer Länder (Kasachstan und Australien). Diese Verteilung ist ziemlich flach. Die Richtungen sind nicht zwischen den Ländern aufgeteilt, und dies ist ein bewusster Schritt, damit das Wissen in jedem der Bereiche nicht in einer Hand konzentriert wird. Jeder macht ein bisschen. Zum Beispiel ist Russland für die oberen Rohre der Vakuumkammer verantwortlich. Sie stellt auch mehrere Diagnosesysteme her.
Hier ist zu sehen, dass Russland Spulen eines Ringfeldes, einen Teil von Divertoren, mehrere Wärmeschutzmodule und einen Teil einer Vakuumkammer liefert.
Ein wichtiger Punkt, auf den ich näher eingehen möchte, ist die Organisation von Prozessen in ITER.
Im Zentrum der Struktur steht der Generaldirektor der ITER-Organisation, über ihm der ITER-Rat, dem Vertreter aller am Projekt beteiligten Partner angehören. Die Regierungen der teilnehmenden Länder sind im Diagramm grün dargestellt.
Der Vorstand verwaltet den gesamten Prozess und diktiert dem Direktor seine Entscheidungen. Er wiederum verkörpert sie in die Realität und verwaltet eine Reihe von Abteilungen. Es gibt nur drei davon im Diagramm, in Wirklichkeit gibt es viel mehr davon.
Die Abteilungen kommunizieren mit den lokalen Agenturen der teilnehmenden Länder (manchmal auch als Heimatagenturen bezeichnet) und interagieren mit Labors und der Industrie - sie sind diejenigen, die die Komponenten des Tokamaks und der unterstützenden Systeme bauen.
Einige Subsysteme werden direkt von ITER hergestellt, die meisten durchlaufen jedoch immer noch die gesamte Kette - vom Direktor bis zum Werk in einem bestimmten Land.
Wie Sie dem Diagramm entnehmen können, gibt es kein lineares Projektmanagement. Lokale Behörden haben Zugang zu ihren Regierungen, und die Kette ist geschlossen. Diese Nichtlinearität ist ein wichtiges Merkmal von ITER: An jedem Problem sind verschiedene Parteien beteiligt.
Für ITER sind vier Hauptphasen definiert.
Zeitleiste des Projekts. Die volle Kapazität ist für 2035 geplant. Danach wird das System nur noch für wissenschaftliche Zwecke und zum Testen von Technologien verwendet
Die sogenannte Stage Approach Configuration soll bis Dezember 2025 das erste Plasma produzieren. Dieses Datum wurde vor einigen Jahren festgelegt und bewegt sich trotz des Coronavirus und der politischen Veränderungen nicht.In dieser Konfiguration arbeitet ITER nur sechs Monate. Wir nennen diese Phase "politisches Plasma": Bei geringer Leistung können wir die Vakuumkammer, das Heizsystem und die Magnete überprüfen. Daher müssen wir verstehen, dass die Vakuumkammer funktioniert und ein Plasma erzeugt wird.
Ferner wird mit dem zusätzlichen Zusammenbau dünner Systeme, einschließlich Plasmaheizsystemen, begonnen. Mit fortschreitender Montage sind die Vorfusionsstromversuche 1 und 2 für 2028 bzw. 2032 geplant.
Die maximale Kapazität wird im Dezember 2035 erreicht. Nach 2035 wird ITER weitere 10 Jahre für wissenschaftliche Zwecke tätig sein. Geplant sind 5,5 Tausend Entladungen von 500 MW für 500 Sekunden.
Anstelle von Summen
Derzeit geht es nicht um die kommerzielle Stromerzeugung durch Fusion. Neutronen werden nicht eingefangen und ihre Energie wird nicht in Elektrizität umgewandelt. Neutronen verlassen die Anlage und werden von den Betonwänden des Gebäudes eingeschlossen. Partikel dringen in Räume und Zellen ein, sodass sich während der Installation keine Personen im Gebäude befinden. Und die mechanischen Eigenschaften von Materialien, die einem konstanten Neutronenbeschuss ausgesetzt sind, werden natürlich unter Berücksichtigung der geplanten Lebensdauer der Anlage berechnet (die Gesamtneutronenausbeute über die gesamte Betriebszeit der Anlage beträgt etwa 10 21 ).
Theoretisch gibt es verschiedene Möglichkeiten, die kinetische Energie von Neutronen für immer zu nutzen. Ich habe bereits eines erwähnt - um das Wasser zu erhitzen und die Turbine aufzusetzen. Der zweite Weg ist Hybrid. Ein kleiner Tokamak kann mit Uran-238 überzogen werden, und Neutronen können verwendet werden, um die Uranzerfallsreaktion zu unterstützen. In diesem Fall kann die Uranmasse viel geringer sein als die kritische, d.h. Eine Explosion tritt unter keinen Umständen auf. Wenn in einem solchen Hybrid-Setup etwas schief geht, stirbt die Reaktion einfach aus. Uran funktioniert nur aufgrund der Tatsache, dass es von Neutronen bombardiert wird, die bei einer thermonuklearen Reaktion auftreten. Und obwohl eine solche Station radioaktiven Abfall produziert, ist sie sicher - sie kann nicht explodieren.
Aber das Endziel ist natürlich die reine Fusion ohne Uran oder Atommüll. Dies ist das einzig richtige Ziel, aber der Weg dorthin ist lang und schwierig. Wenn ITER seine Funktion erfüllt und bis 2035–2045 die Frage beantwortet, ob es möglich ist, zehnmal mehr Energie als verbraucht zu verbrauchen, werden wir mit dem Bau einer Demonstrationsstation beginnen. Im besten Fall wird sie bis 2050 antworten, ob das Projekt einen kommerziellen Start haben wird.Es ist jedoch notwendig, sich in diese Richtung zu bewegen. Und ITER ist sehr viel. Jeder Teilnehmer trägt 9% bei, erhält aber 100% der Entwicklung. Tatsächlich ist dies ein großes Bildungsprojekt für alle Länder, das viel mehr kostet als jede kommerzielle Entwicklung. Trotzdem schreitet das Projekt planmäßig voran und enttäuscht nicht. Jedes Jahr vertrauen sie ihm mehr und mehr, was bedeutet, dass die weitere Arbeit besser und schneller gehen sollte.
Die Hauptbauphase von ITER ist abgeschlossen. Es ist an der Zeit, den Reaktor zusammenzubauen (Foto - März 2020).
Im Allgemeinen ist dies ein Geschenk an unsere Enkelkinder. Wie das Projekt voranschreitet, wird auf dem YouTube-Kanal der ITER-Organisation beschrieben .