Что такое термоядерный генератор

РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов

Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.

Физика процесса

Производство тепла

В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59 Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59 Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60 Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:

3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.

Превращение тепла в электричество

Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:

Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.

История

Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.

В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144 Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.

Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.

SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.

SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.

SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность

40 Вт.

SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.

MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.

GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».

MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.

Тёплый ~~ламповый~~ кубик плутония.

РИТЭГи США с привязкой по времени.

СССР/Россия

В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.

Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.

Конструкция

Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:

Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

Очень простая конструкция.
Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
Не требует управления и присмотра.

Недостатки:

Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
Низкий КПД.
Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.

Что такое РИТЭГ и почему его следует бояться?

Некоторые «выживальщики», где-то что-то прочитавшие или услышавшие про эту штуку, обрадовались и решили, что при глобальном апокалипсисе РИТЭГ им очень бы пригодился в личном пользовании.

Ведь РИТЭГ — это почти что дармовой и достаточно компактный источник электричества!

По сути, РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — это такая атомная батарейка. Габариты позволяют перевозить её в кузове фургона и установить буквально на своём дачном участке. А при внезапном крахе цивилизации и инфраструктуры электричество понадобится всем выжившим, уже хотя бы на то, чтобы фонари и рации зарядить, в «фоллаут» на ноуте погонять, и просто световой день удлинить. Если заранее подготовиться и раздобыть свой личный РИТЭГ, то можно даже, наверное, и продавать киловатты соседям (за тушёнку и услуги девок румяных). В общем, стать этаким местным энергетическим бароном. Вдобавок, он бесшумный и злые «мородёры» не услышат, как он выдаёт ток. Супер, правда? Вопрос только в том, где же взять такое счастье?

Ну, с этим-то как раз всё просто. Поезжай в Архангельскую область или на Кольский п-ов и начинай искать… При союзе РИТЭГов было выпущено около 1000 штук и распределено по всему Северному морскому пути, где они питали маяки, сигнальные огни, метео- и гидрографические станции. Потом, когда СССР накрылся звездой, часть была вывезена, но остальные попросту бросили. Вывозить их было экономически невыгодно и технически крайне трудно.

Сейчас большинство РИТЭГов вывезены и направлены на утилизацию (за счёт безвозмездной иностранной помощи!). Однако точных данных о количестве оставшихся РИТЭГов на сегодняшний день нет. Так что у наших «выживальщиков», с нетерпением ждущих апокалипсиса, есть шанс к тому времени раздобыть себе парочку РИТЭГов… И сдохнуть.

Что же это такое РИТЭГ на самом деле, и почему его следует бояться?

РИТЭГ вырабатывает 30 вольт постоянного напряжения и может питать всякую аппаратуру потребляемой мощностью до 80-ти Вт. К самому РИТЭГу подсоединены аккумуляторы и другие приблуды, позволяющие накапливать и преобразовывать электроэнергию. Вообще, они были выпущены разные, поэтому характеристики могут отличаться. Но общее у всех них одно: источник тепла на основе радионуклида стронций 90.

Радионуклид в виде специальной топливной композиции заключён в сварную капсулу. Внутри неё он распадается и выделяет тепло, которое с помощью термоэлектрических элементов преобразуется в постоянный ток. Капсула защищена оболочкой из свинца и нержавейки. Предполагалось, что радиоактивное излучение не будет очень опасным для человека (всего-то 10 мР/ч на расстоянии метра от РИТЭГа), да и людей-то там мало будет, а те, которые будут, они не люди, а сотрудники.

В условиях севера, где сильные ветра и мало солнечных дней, РИТЭГ стал отличной альтернативой ветрякам и солнечным батареям. В нём нет движущихся частей, которые могут сломаться, как, например, в том же ветряке. Выдаваемая мощность не зависит от солнца. Ресурс — более 30-ти лет (полураспад стронция-90 происходит за 29 лет). Поэтому РИТЭГи пошли в серию. Большинство было передано Министерству обороны и установлено в гидрографических военных частях.

Как сообщается в различных документах, на побережье Сахалина было установлено около 40-ка РИТЭГов, они питали маяки. На Чукотке — 150 штук, в Якутии — 75 штук, 30 — на Курилах. Многие оказались бесхозны. Например, РИТЭГи, принадлежащие Колымгидромету, были брошены на берегу залива Шельтинга и на мысе Евреинова в связи с развалом службы наблюдений. Некоторые РИТЭГи оказались просто утеряны: в сентябре 2003 года инспекция не обнаружила РИТЭГ № 57 на пункте «Кувэквын». Теоретически, его могло замыть в прибрежный песок при сильном шторме… Или его просто сп*здили…

В США также использовали т.н. RTG (аналог РИТЭГов), но, в основном, для космических нужд. Хотя, около 10-ти штук было установлено на военных объектах на Аляске. Но после нескольких внештатных ситуаций RTG срочно заменили на дизель-генераторы.

RTG для NASA

Обращаемся ко всем выживальщикам, с нетерпением ждущим конца света!

Если вы где-то случайно найдете РИТЭГ и решите, что приспособить его для своих хозяйственных нужд — отличная идея, то для начала подумайте, собираетесь ли вы размножаться? Сам по себе источник тепла, без защитной оболочки, даёт на поверхности до 1000 Р/ч (это очень дофига!), а где гарантия, что за столько лет защита не потеряла герметичность?

Дальше. Вы ведь не в одиночку решили выживать, правда? Рука устанет в одиночку-то. Поэтому нужна какая-никакая группа или община. Но для нужд даже небольшой общины из нескольких семей вырабатываемой РИТЭГом мощности будет крайне мало. 80 Вт — это ничто! Зато опасность для людей и животных превышает все мыслимые пределы. Да и ресурс большинства РИТЭГов на сегодняшний день уже практически выработан. Так что, по итогу, вам достанется радиоактивный и бесполезный кусок железа.

Термоядерный реактор

Дисклеймер: в статье присутствует циничная скептическая точка зрения, которая может нанести вред вашей психике и заставить матерно ругаться. Этого делать нежелательно, потому что на текущий момент матчасть статьи соответствует состоянию науки. Если в будущем что-то изменится — статья будет до/переписана.

Термоядерный реактор — это, как очевидно из названия, техническая приблуда, в которой происходит термоядерная реакция. Ничего интересного в нём нет, он просто красиво светится в темноте и жрёт энергию, как очень навороченная радиоактивная лампочка. Сделан сравнительно давно, именуется фузором Фарнсуорта.

Но. Вы же не это хотели прочесть, верно? Вы хотите знать, почему энергия, которую в избытке излучают звёзды, ещё не поставлена на службу человечества и пока что существует либо в виде термоядерных бомб, либо в виде энергозатратных фузоров? А ещё вам, наверное, интересно, почему физики от словосочетания «холодный термоядерный синтез» берут в руки что-нибудь тяжелое и начинают гоняться за сказанувшим? Итак, поехали.

Содержание

1 Термоядерный реактор p+p
2 Термоядерный реактор уровня «Звезда по имени Солнце»
3 Термоядерный реактор на удержании плазмы
4 Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике»
5 Термоядерный реактор на антинаучной фигне
6 Термоядерный реактор в фантастике
7 Примеры
- 7.1 Литература
- 7.2 Кино
- 7.3 Телесериалы
- 7.4 Видеоигры
- 7.5 Настольные игры
8 Примечания

Термоядерный реактор p+p [ править ]

Простейшая, древнейшая и тупейшая реакция термоядерного синтеза — это протон-протонная реакция. Существует в древнейших звёздах, из-за чего они горят очень ярко и очень недолго (по космическим меркам). В ходе реакции протоны, представляющие собой ядра атомов водорода, сливаются в атом гелия и выделяют много энергии. Минусом процесса является водород — его нужно ну очень много (потому что реакция идет через слабое взаимодействие, и эта фигня неслабо так охлаждается потоком нейтрино, что в принципе, хорошо — нейтрино с материей почти не взаимодействуют, а с другой стороны плохо — предотвратить охлаждение ниже точки начала реакции мы не можем), так что в домашних условиях повторить эксперимент не удастся вообще никак.

Термоядерный реактор уровня «Звезда по имени Солнце» [ править ]

Окей, давайте возьмем водорода чуть поменьше, гелия чуть-чуть побольше, добавим туда слоёнку из железа, кислорода, азота и углерода и попробуем запалить. То, что получилось в итоге, сильно смахивает на желтую звездочку, вокруг которой вращается наша планета. Плюсы: горит долго и стабильно, не очень ярко, но в целом годно. Минусы: в гараже такое не сделаешь, а конструктор оригинала секретами своей «лампочки Иеговы» делится отказывается и вообще шифруется так, что многие уверены в том, что его вообще никогда не существовало. Поэтому поехали дальше.

Термоядерный реактор на удержании плазмы [ править ]

Как вы понимаете из предыдущих пунктов, основная проблема — взять очень большую фигню, по своим свойствам похожую на звезду, уменьшить её в масштабе и засунуть в ловушку, где её энергию можно невозбранно использовать для разных полезных действий. Поэтому, если не вдаваясь в подробности, учёные просто взяли более тяжелые атомы, накачали их энергией до состояния плазмы, засунули в магнитную ловушку и попытались начать реакцию. Провал. Стеллараторы и токомаки — это устройства, позволяющие более-менее моделировать процессы, проходящие во внешней оболочке звезд. Засада в том, что для реакции нужна вся звезда целиком, иначе нифига не выйдет. Вам интересны подробности? Вы возможно уже читали о проблемах управляемой термоядерной реакции и слышали про критерий Лоусона (озвученный в 1955 году), но в силу нехватки знаний, видимо, не поняли в чём тут проблема. Я здесь как раз за тем чтобы объяснить.

И так, мысленный эксперимент, который мы обзовём, скажем, «Дробовик Визарда» [1] . Когда-то давно была атомная бомба, работающая на схлопывании двух кусков урана, типа как если бы два урановых снаряда, выпущенных из пушки, влепились друг в друга и получился бы атомный взрыв. По сути для термоядерной реакции нужно примерно то же самое, вот только вместо артиллерийских орудий у нас два дробовика. В роли дроби — частицы. Итак, в чем заключается критерий Лоусона: энергия, выделяющаяся при реакции слияния дробинок должна быть выше энергии, потраченной на выстрел этих дробинок, иначе нифига не получится. В чем проблема? Ну, если в случае с ураном всё просто — два 152-мм снаряда обладают довольно большим сечением и попасть ими друг в друга не так уж и сложно даже с некоторой дистанции, то вот с дробью всё куда хуже — дробинки летят не плотным комом а облаком, и шансы на то, что они друг в друга врежутся не особо велики — одни дробинки движутся быстрее других. Просто пальните из шотгана в мишень и вы увидите что определенная доля дробинок попала в мишень и вырвала из неё солидный кусок, а все прочие наделали кучу дырочек по бокам и ниже (это называется осыпью дроби). То есть, как мы понимаем, в реакции участвуют далеко не все частицы, и их слишком мало для того, чтобы критерий Лоусона соблюдался. Что делают ученые для того чтобы повысить выход энергии? Используют более тяжелые частицы (крупные частицы обладают большим сечением и в них проще попасть), пытаются сконцентрировать дробь так, чтобы поток был плотным, разогревают дробь чтобы легче слипалась.

Вы не против чуть-чуть формул? Итак, mv²/2 — где m -масса дробинки-частицы, а v — её скорость, равно 2/3 kT, где k — это постоянная Больцмана, а T — температура. Из этого логически следует вывод, что чем массивнее частица и выше её скорость, тем больше энергии от удара получится. В случае с дробинками, например, возможно создать такие условия выстрела, что при соударении дробинки просто испарятся (это же свинец, он тяжелый). Ну так вот, второй вывод — на разгон более тяжелых частиц нужно больше энергии, по всем известной формуле. С этим тоже ясно? И вот мы пришли к тупику — ни при каких условиях выход энергии дробинок не превысит энергию, затраченную на выстрел (не забудьте что вам ещё нужно где-то добыть дофига свинца, отлить из него дробинки, смастерить рельсотроны, которые будет их гнать навстречу друг другу, теплообменник, который будет конденсировать испарившийся свинец и возвращать энергию в систему, на запитывание рельсотрона… М-да, ну вы короче поняли, почему я употребил выражение «ни при каких условиях» — КПД этой установки крайне низкий, и большая часть энергии будет уходить в нагрев. С частицами ситуация иная — вместо свинца у вас грубо говоря, малюсенькие заряды взрывчатки, что чуть улучшает дело, но не слишком).

Итак, что же у нас с микрочастицами? Для начала, на свинцовые дробинки они нифига не похожи, они очень легкие и «осыпь дроби» для них задается распределением Максвелла. Что ещё хуже, так это то что ядра атомов заряжены положительно и отталкивают друг друга. А кулоновский барьер — это очень, очень плохо, потому что нужно создать очень плотный поток этих самых частиц, движущихся с охрененно высокой скоростью, чтобы они вообще встретились друг с другом и начали реагировать. Единственный способ это сделать — это увеличить их энергию, то есть нагреть. Вот ученые и жарят плазму в магнитной ловушке, а потом она пшик — и гаснет. Почему? Потому что способ удержания плазмы — электромагнитный, то есть он действует на заряженные частицы. Пока реакции нет, плазма греется, а как только пошла реакция — во все стороны начинают лететь нейтроны, которым на плазму и электромагниты плевать с высокой башни, а энергии они несут с собой достаточно чтобы плазма остыла и реакция прекратилась. Вот засада, что же делать? Ну, очевидно, нужно либо подбирать топливо (список в википедии), которое не будет так эффективно охлаждаться, либо как-то запереть эти проклятые нейтроны, либо разложить их (в эту магию физики тоже могут, но требуется — правильно, ещё больше энергии и реакция всё равно тухнет) [2] . Кстати, идея с магнитным удержанием провалилась — оно не в состоянии держать рвущуюся наружу мощь термоядерного синтеза, поэтому пришлось моделировать процесс, происходящий в звездах — вместо фотосферы, правда, большущий шар, который после активации активно греет плазму, которая уже сжимает топливо. Ну и что же, чёрт бы их подрал, делать? Если бы на этот вопрос нашелся вменяемый ответ, термоядерные реакторы бы уже работали и выдавали на-гора много энергии. Проблема тут упирается в основном в низкий уровень знаний о процессах в плазме — дело в том, что при увеличении энергии плазмы физики внезапно столкнулись с фигней, которую они не в состоянии объяснить — реактор внезапно и непонятно почему выдавал выхлоп в виде кратковременного повышения КПД, а затем тух. Видимо для дальнейших успехов нужно ещё больше увеличить количество топлива (и размеры реактора), а также повысить мощность удержания… Короче, чтобы процесс шел эффективнее, шар надо увеличить. Вот только, покосившись на звезду, автор этих строк кажется знает, до каких размеров придется в итоге дойти (то есть по сути мы сначала строим сферу дайсона, а потом уже зажигаем звезду). Эх… Ладно, поехали дальше.

Термоядерный реактор уровня «школьный проект по физике» [ править ]

В 1950 году некто Фарнсворт прикола ради сбацал фузор имени себя — он использует электростатический метод удержания плазмы (создание отрицательного потенциала в облаке электронов, который разгоняет ионы в направлении ловушки где уже и идет реакция), красиво светится синеньким и выглядит жутко научно. Толку от него нет вообще никакого — к критерию Лоусона он не подбирается даже близко, не смотря на неоднократные попытки его заубгрейдить. Зато при наличии некоторой суммы денег на топливо и электронные компоненты, а также при наличии прямых рук, собрать эту фигню можно даже дома. Но лучше не надо.

Термоядерный реактор на антинаучной фигне [ править ]

Ну, тут всё просто: это холодный термоядерный синтез. Почему это невозможно — см. выше. Если же до вас не доходят фразы «звездная температура», «высокая энергия» и «термоядерная бомба», или вы насмотрелись на красиво светящееся доказательство того, что у Тони Старка есть сердце (об этом ниже), физика тут бессильна, а вот медицина заинтересуется. А если не все готовы верить Визарду на его авторитетное, но не всегда достаточно убедительное слово — ну вы вот представьте себе мюонный катализ. Мюон на орбите — он вместо электрона, но он очень тяжёлый по сравнению с. В результате его орбита практически «скребёт по ядру» и заряд таки уравновешивается. Отталкивание ослабевает (соседний атом для вступления в химическую связь приближается на опасное расстояние) и реакция начинается! Вот это — да, работает (только мюонов не напасёшься, а то мы бы давно бы). А тут приходит какой-то гриб-весёлка с горы и начинает втирать, что подобным образом может работать растворение водорода в соответствующем металле [3] . При размерах кристаллической решётки-то! Да там от любого ближайшего «компенсатора заряда» до ядра как кузнечику до Луны.

Внешне «реакторы холодного синтеза» могут быть похожи на фузоры, однако в отличие от них там нет обвеса, только провод, идущий в розетку. По сути дела все эти «реакторы» — это электронагреватели, что свидетельствует о том, что их авторы даже фузор собрать не в состоянии по причине дефицита мозгов. В особо чудовищных случаях в конструкции есть лампочка. Хотите посадить автора в лужу? Выньте штепсель из розетки, а также потребуйте полные чертежи устройства, потому что собранный без участия автора девайс работать не будет, что нарушает критерий научности и выдает мошенничество. Такие дела.

Да, о дуговом реакторе Тони Старка. Это никоим образом не термоядерный реактор, что бы там не говорил Тони Старк [4] . Это — вы наверное удивитесь — топливный элемент [5] , в пользу чего говорит наличие материалов платиновой группы (из которых делаются химические катализаторы), необходимость зарядки этой штуки (ох как просело напряжение после включения сердца Тони Старка) и не особо большая долговечность (по причине расходования палладия [6] ). Самым примечательным во всем этом являются слова Ивана Ванко про палладий у сердца. Извините мой французский, но кардиологи всего мира угорали над его словами очень долго (дело в том, что палладий активно используется в медицине). Но, эта фиговень красиво светится, а ещё благодаря ней костюм Железного Человека может летать, и для фанатов этого достаточно.

Термоядерный реактор в фантастике [ править ]

Поскольку данная технология является научной, то, справедливо полагая, что скоро эту проблему успешно разрешат, фантасты взяли её на вооружение и принялись пихать в свои произведения, нисколько не заморачиваясь тонкостями реализации. И хотя уже более пятидесяти лет «воз и ныне там», это никого не смущает. Некоторые фантасты, более других подкованные в матчасти, пытаются даже объяснять механику работы этого устройства, либо с помощью флеботинума, либо (особо смелые) без него.

Атомная энергетика сегодня, типы реакторов и переход к экологически чистой энергии

Поскольку правительства стран всего мира признают настоятельную необходимость сокращения выбросов парниковых газов, ядерная энергия, похоже, будет занимать все более важное место в энергетическом балансе ближайших десятилетий. Но для многих людей то, что представляет собой технология ядерной энергии сегодня и чем она будет завтра, является чем-то лишь весьма туманным. Как же работают ядерные реакторы, и может ли атом снова стать «нашим другом»?

2 декабря 1942 года под футбольным стадионом Stagg Field Чикагского университета была активирована Чикаго Пайл-1 — Chicago Pile-1 (CP-1), ставшая первым в мире ядерным реактором. Сегодня, 78 лет спустя, 440 реакторов вырабатывают более 10 процентов мировой энергии, и еще 50 реакторов находятся в стадии строительства.

Наряду с такой важной ролью, ядерная энергия имеет плохую репутацию. Это объясняется рядом сложных факторов. Атомная энергия до сих пор остается для многих загадкой, она ассоциируется с радиоактивными отходами и ядерным оружием, она все еще находится под бременем десятилетий пропаганды холодной войны, а также трех чрезвычайно громких аварий реакторов в США, СССР и Японии.

В настоящее время строительство и разработка реакторов сильно замедлились в последние десятилетия 20-го века, но, возможно, эта отрасль находится на пороге возрождения. Несмотря на свою репутацию, ядерная энергия имеет ряд преимуществ. Она не только не содержит углерода и выбросов. Она производит огромное количество энергии при очень малой площади. Она может быть размещена в любом регионе. И, что удивительно, у нее самый низкий уровень смертности на киловатт среди всех источников энергии.

Как работает ядерная энергия?

Вся современная ядерная энергетика основана на принципе ядерного деления, когда тяжелый, нестабильный атом распадается на два небольших. Это происходит естественным образом везде, даже в молекулах нашего собственного тела, но в ядерном реакторе это расщепление атомов происходит в гораздо больших масштабах.

Типичный ядерный реактор состоит из активной зоны, состоящей из топливных стержней, которые содержат гранулы обогащенного урана или плутония. Обогащенный означает, что уран был обработан в центрифуге для увеличения соотношения расщепляющихся атомов урана-235 и нерасщепляющихся урана-238. Эти топливные стержни упаковываются вместе, чередуются с управляющими стержнями из кадмия или иных материалов и погружаются в воду внутри защитной оболочки.

Внутри активной зоны атомы урана расщепляются естественным образом. При этом часть мощной силы, связывающей атомы вместе, высвобождается в виде гамма-излучения, а также пары нейтронов. Пока нейтроны летят, вода действует как замедлитель. То есть она замедляет эти нейтроны, увеличивая вероятность того, что они будут взаимодействовать с другими атомами урана.

Если один из этих нейтронов поглощается атомом урана-235, этот атом становится нестабильным и расщепляется, высвобождая больше энергии и больше нейтронов. Этот каскад нейтронов и расщепляющихся атомов перерастает в цепную реакцию, в результате которой выделяется энергия, достаточная для питания города в течение десятилетий. Чтобы реакция не вышла из-под контроля и не расплавила активную зону, можно вставить управляющие стержни, поглощающие нейтроны и гасящие выход.

Все это включает в себя множество очень сложных физических моментов, но в результате получается «гигантский чайник», который нагревает воду. Эта горячая вода проходит через теплообменник и нагревает еще один контур воды для создания пара, который затем вращает турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.

По своей сути, ядерная энергия — это способ получения пара. Однако в настоящее время в эксплуатации находится ряд моделей реакторов, которые прошли через три технологических поколения — поколение I было первыми прототипами, поколение II — первыми промышленными реакторами, а поколение III — это, по сути, поколение II с более продвинутыми характеристиками. Четвертое и пятое поколения усовершенствованных реакторов только разрабатываются. Помимо этих энергетических реакторов, существуют и реакторы для специальных целей, такие как исследовательские реакторы и реакторы, предназначенные для производства оружейного плутония, а также реакторы для производства радиоактивных изотопов для широкого спектра применений, например, для медицины.

Современные типы реакторов

Вот краткая информация о том, как работают основные типы реакторов, используемых сегодня. Следует иметь в виду, что некоторые из этих основных конструкций были разработаны еще в 1950-х годах и на протяжении более 60 лет постоянно совершенствовались, чтобы сделать их более безопасными и эффективными.

Водо-водяной ядерный реактор (PWR)

Pressurized Water Reactor

Наиболее распространенным типом реактора является реактор с водой под давлением (PWR), который первоначально был разработан в США для питания атомных подводных лодок, а в настоящее время используется в более чем 20 странах. Это конструкция, описанная выше, в которой вода используется и как замедлитель, и как теплоноситель.

В современных конструкциях реакторов PWR топливо обогащается примерно до 3,2 процента урана-235 и формируется в таблетки весом около 10 граммов, которые запечатываются в стержни из циркониевого сплава. Контейнер из нержавеющей стали, окружающий реактор, предназначен как для герметизации всех ядерных продуктов, так и для использования в качестве сосуда под давлением, который поддерживает жидкую воду при более высокой температуре, как в скороварке, для большей эффективности. Контейнер, в свою очередь, закрыт стальным и бетонным щитом, чтобы удержать содержимое реактора даже в случае расплавления.

В старых конструкциях реакторов PWR вода с теплоносителем выходила из защитного экрана и использовалась для выработки электроэнергии. Чтобы поддерживать активную зону реактора холодной, вода должна была постоянно активно прокачиваться. Оба варианта создавали проблемы с безопасностью, как это было во время катастрофы на острове Три-Майл, поэтому в более поздних реакторах использовалась серия контуров теплообменников и резервные пассивные системы циркуляции воды для поддержания охлаждения активной зоны даже в случае полной остановки.

Кипящий водо-водяной реактор (BWR)

Boiling water reactor

Следующий по распространенности реактор, известный как реактор с кипящей водой (BWR), является более простым и практически менее безопасным, чем PWR. Как следует из названия, воде в контуре теплоносителя дают возможность закипеть, и пар поступает непосредственно в турбину из защитной оболочки, а после повторной конденсации возвращается в реактор. Это обеспечивает большую вероятность радиоактивного заражения.

Схема кипящего водо-водяного реактора

Существует 10 стран, использующих конструкцию BWR. Одна из них — Япония, и в катастрофе на Фукисиме в 2011 году участвовали шесть реакторов BWR, построенных в 1960-х и 70-х годах, которые уже считались устаревшими с точки зрения безопасности, когда цунами и землетрясение разрушили реакторный комплекс.

Тяжеловодный ядерный реактор (CANDU)

Heavy Water Reactor

Вариантом реактора с водяным охлаждением и замедлителем является реактор на тяжелой воде под высоким давлением или канадский дейтериевый уран (CANDU). Эта разработка использует необогащенный уран. Вместо обычной воды в реакторе используется тяжелая вода, в которой многие атомы водорода заменены на изотоп водорода, называемый дейтерием. У тяжелой воды меньше шансов поглотить нейтроны, поэтому требуется меньше обогащенного топлива. Кроме того, тяжелая вода создает собственные нейтроны, что делает ядерный реактор более медленным, стабильным и легко контролируемым.

Улучшенный реактор с газовым охлаждением AGR

Два самых ранних типа промышленных реакторов — Magnox и усовершенствованный газовый реактор (AGR). Они являются прямыми потомками первой атомной сваи в Чикаго в 1942 году и были построены в Великобритании с 1956 по 1971 год. Как и CP-1, они используют блоки графита в качестве замедлителя, хотя топливо, представляющее собой металлический уран или оксид урана, запаяно в контейнеры из магниевого сплава или нержавеющей стали, а не в стержни.

Для охлаждения в этих реакторах используется двуокись углерода. Поскольку прежний реактор Магнокс был предназначен в основном для производства плутония, он был не очень эффективен, поэтому был создан реактор AGR, который работает при более высокой температуре для лучшего производства пара и работы турбин.

Реактор большой мощности канальный

Реактор большой мощности канальный, РБМК был разработан в СССР примерно в то же время, что и Magnox, и имеет некоторые общие конструктивные особенности, хотя это совершенно другая машина. В РБМК используется очень мощная графитовая активная зона с водяным охлаждением, состоящая примерно из 1700 вертикальных каналов, содержащих оксид урана, обогащенный до 1,8 процента урана-235. Вода циркулирует под давлением и затем используется для выработки пара.

Хотя большое количество РБМК все еще работает в бывших странах СССР, их печально известная небезопасная конструкция была продемонстрирована Чернобыльской катастрофой в 1986 году, когда инженеры нарушили протоколы безопасности во время имитации испытания на отключение электроэнергии, в результате чего активная зона одного из реакторов комплекса была разорвана паром, после чего произошло возгорание графитового замедлителя.

Реакторы будущего

В настоящее время в мире наблюдается появление реакторов IV поколения, а за ними последует и V поколение. К ним относятся модульные реакторы, которые могут быть построены на заводах, а не на объекте; реакторы с галечным слоем, реакторы, охлаждаемые расплавленной солью или свинцом, и реакторы, использующие быстрые нейтроны для создания большего количества топлива, чем потребляется. Эти конструкции реакторов имеют общую цель — сделать атомные электростанции по своей сути более безопасными, дешевыми, эффективными, быстровозводимыми и производящими гораздо меньше ядерных отходов.

В 1950-х годах часто можно было услышать о наступлении атомного века, который принесет с собой всевозможные чудеса. Этого не произошло, но если ядерные технологии смогут продвинуться в разработке реакторов, обеспечении устойчивого источника топлива и удовлетворительном ответе на вопрос о ядерных отходах — с возможностью практической термоядерной энергии — то, возможно, в 21 веке появится менее идеалистическая версия того атомного века.

Эра термоядерного синтеза

Управляемый термоядерный синтез — теоретически максимально безопасный и минимально воздействующий на окружающую среду — остается голубой мечтой человечества. В 1950-х годах, когда начались исследования термояда, ученые верили, что «эра термояда» начнется самое позднее через 20−30 лет. Задача оказалось сложнее. Для осуществления термоядерной реакции ядра должны сблизиться на расстояние 10⁻¹⁴ метров, преодолев кулоновский барьер. Для этого кинетическая энергия ядер должна быть увеличена за счет нагрева до 100−150 млн °C, что в 10 раз выше температуры в недрах звезд, а концентрация ядер в образовавшейся при такой температуре плазме должна быть около 10²⁰-10²¹ m⁻².

Нерешенных проблем много. Во-первых, нужно разработать сплавы с конкретными свойствами, совмещающие прочность и пластичность. (Пока основной кандидат в конструкционные материалы — вольфрам.) Во-вторых, есть вопросы по физике плазмы, ее контролю, безопасному охлаждению, а главное — стабильному удержанию.

СССР стоял у истоков исследований термоядерного синтеза; сегодня в «термоядерную гонку» включились США, Европа, Корея, Китай, Япония и другие страны.

Бум токамаков
Идея создания термоядерного реактора была основана на теплоизоляции высокотемпературной плазмы с использованием электрического поля высокого напряжения. Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками, прототип реактора для поддержания контролируемой термоядерной реакции в горячей плазме.

Первый токамак, ТМП (СССР), был сконструирован в 1958 году в Курчатовском институте; впоследствии было построено и испытано как минимум еще 200 токамаков в СССР, США, Европе и Японии, из которых более 40 находятся в рабочем состоянии и по сей день.

Сегодня самый большой и мощный действующий токамак — JET (Joint European Torus); он находится в Великобритании, в Culham Center for Fusion Energy (CCFE), недалеко от Оксфорда. Главной задачей JET было подготовить сценарий технических характеристик, близкий к запланированному для постройки международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. В 30 раз более мощный, чем JET, ИТЭР также будет иметь в 10 раз больший объем плазмы (840 м3). На реакторе JET было достигнуто первое в мире контролируемое выделение мощности синтеза на дейтерий-тритиевой реакции (1991 год), этому же реактору принадлежит мировой рекорд мощности управляемого термоядерного синтеза — 16 МВт (1997 год).

Концептуальный термоядерный синтез
Термоядерный реактор работает на топливе, состоящем из смеси дейтерия и трития, которое необходимо нагреть до температуры свыше 150 млн °C. При таких колоссальных температурах ядра изотопов водорода сталкиваются и, преодолевая кулоновский барьер, сливаются, образуя ядра атомов гелия. В результате каждого акта такого синтеза должно выделиться 17,6 МэВ энергии. При нагревании топливная смесь приходит в состояние полностью ионизированной плазмы, словно в солнечном ядре, где каждую секунду сгорают тонны водорода, также превращаясь в гелий. Сверхпроводящие тороидальная и полоидальная катушки совместно с центральным соленоидом удерживают плазму внутри вакуумного сосуда (реактора). Эти катушки генерируют магнитное поле, которое формирует плазму в тор.

Развитие теории магнитного удержания плазмы (Magnetic Fusion Confinement, или MFE) в реакторе прошло три этапа. В 1950-х годах считалось, что MFE можно достичь относительно легко. Шла настоящая гонка: кто первым создаст подходящую установку. К концу 1950-х годов стало ясно, что турбулентность и нестабильность в плазме — серьезные проблемы. В 1968 году советская команда изобрела токамак, который показал производительность в 10 раз выше, чем альтернативные способы. Значение температуры плазмы в 10 млн К было зафиксировано на токамаке T‑3, созданном в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством академика Льва Арцимовича. С тех пор считается наиболее перспективной идея токамаков с магнитным плазменным удержанием.

Однако есть и другая концепция термоядерного синтеза — инициирование цепных реакций внутри реактора путем нагревания и сжатия топливной мишени с помощью мощного лазерного излучения (так называемый инерционный синтез). Применяются мощные лазеры для того, чтобы зажечь небольшую мишень — ампулу, содержащую топливо, и быстро (менее чем за одну миллиардную долю секунды) достичь условий термоядерного синтеза. Лазер используется для генерации импульса инфракрасного света, который длится несколько миллиардных долей секунды с миллиардными долями джоуля энергии.

У этой технологии есть свои подводные камни. Лазеры с высоким КПД должны интенсивно, а главное — однородно облучать мишени; при этом важны сверхточная фокусировка лазеров, скрупулезное соблюдение размеров мишеней, их строго сферическая форма. Несколько ампул за секунду должны быть загружены в реактор с фиксированным положением по центру — это особенно сложно осуществить, учитывая масштабы реактора.

Самая крупная экспериментальная установка, работающая по принципу инерционного синтеза, — это Национальный центр зажигания (National Ignition Facility), расположенный в США, в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса. NIF — самая мощная лазерная система в мире, насчитывающая 192 лазерных пучка. Laser Megajoule (LMJ), исследовательская установка, работающая также на базе лазера, построенная около Бордо, Франция, — аналог NIF. Принцип работы тот же, но в LMJ 176 лазерных луча.

В марте специалисты отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН представили систему контроля концентрации водяного пара в плазме, которая обеспечит безопасность водяной системы охлаждения термоядерного реактора.
В апреле ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера представили технологию, позволяющую в реальном времени наблюдать поведение конструкционных материалов при термоядерном синтезе.
В июле американская Lockheed Martin запатентовала дизайн компактного реактора CFR, прототипы которого были представлены еще в 2017 году.
В августе в Оксфордском университете запущена импульсная установка FLF.
В сентябре специалисты Токийского университета представили устройство для создания магнитного поля с полностью контролируемыми параметрами, причем магнитное поле экспериментально удается продержать 100 мкс — это абсолютный рекорд.
В ноябре в китайском экспериментальном сверхпроводящем токамаке (EAST) разогрели плазму до 100 млн °C (это в шесть раз выше, чем в центре Солнца).
В декабре исследователи из Управления по атомной энергии Великобритании сообщили о создании уникальной системы для охлаждения плазмы в токамаке (охлаждение — одна из ключевых проблем в токамаках).

Международный проект ИТЭР
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) — самый крупный в мире токамак, сложнейшая термоядерная экспериментальная машина, призванная продемонстрировать осуществимость технологий термоядерного синтеза и доказать, что термоядерная реакция может быть управляемой. Идея ИТЭР состоит в том, чтобы на выходе вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем на входе. Результаты экспериментов с плазмой, полученные на ИТЭР, помогут в дизайне демонстрационного коммерческого реактора DEMO (DEMOnstration Power Station), строительство которого планируется завершить в 2050 году. Основан проект ИТЭР на российской концепции токамака с магнитным удержанием плазмы.

Строительные работы ИТЭР официально начались в октябре 2007 года, после ратификации cоглашения о проекте всеми сторонами. Стройка развернулась в Кадараше, на юге Франции. Семь партнеров (Китай, Корея, Индия, Россия, Япония, США и Европейский союз) согласились инвестировать в проект свои интеллектуальные и финансовые ресурсы. При этом 45,5% финансирования осуществляет Европейский союз, поскольку ИТЭР строится на территории Франции; остальные участники вносят чуть больше 9%. Львиная доля вложений приходит не в денежном выражении, а в виде компонентов и оборудования для реактора.

Изначальная стоимость ИТЭР оценивалась в € 5 млрд, но возросла уже в четыре раза — и эта цифра еще не окончательная. А поскольку центральная организация ИТЭР не контролирует расходы семи партнеров, определить фактическую стоимость проекта крайне сложно.

Изготовление компонентов, производство оборудования и разработка диагностик для ИТЭР распределены между всеми участниками консорциума. В США, в штате Сан-Диего, разрабатывают центральный соленоид.

Над дизайном основного элемента реактора, криостата, работала Индия, присоединившаяся к консорциуму в 2005 году. Именно криостат будет обеспечивать охлаждение сверхпроводников магнитной системы до 5K (268 °C). Основа криостата, весом 1250 тонн, будет одной из самых тяжелых одиночных нагрузок при сборке машины весом 23 тыс. тонн.

Европейский союз ответственен за вакуумную камеру, однако для оптимизации проекта и минимизации задержек часть работ была поручена Корее, которая продемонстрировала высочайший уровень собственных технологий, запустив токамак со сверхпроводящей магнитной системой KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research), получивший первую плазму в 2008 году, и продемонстрировав рекордную 70-секундную высокопроизводительную плазму в 2016 году.

Китай вместе с Россией работают над созданием сверхпроводников, первая поставка которых была осуществлена в июне 2014 года.

В России над проектом ИТЭР работают около 30 институтов и организаций. Шесть кольцеобразных полоидальных магнитов с полевой катушкой будут окружать машину ИТЭР для формирования плазмы и обеспечения ее стабильности путем отстранения от стенок вакуумного реактора. Полоидальная полевая катушка № 1 (PF1) строится на Средне-Невском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге. Россия отвечает за широкий спектр электротехнических компонентов, из которых состоят коммутационные сети, блоки быстрого разряда, комплекты поставки измерительной аппаратуры. Налажено производство сборных шин и переключающих сетевых резисторов, завершается программа НИОКР для компонентов блока быстрой разгрузки.

Японские инженеры и ученые также работают над магнитной системой, в частности, над дизайн-проектом катушек тороидального поля и над получением сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов. Получение первой плазмы на установке ИТЭР запланировано на 2025 год, выход на полную мощность — на 2035 год. Недавно о желании присоединиться к проекту заявили Австралия и Иран.

Источник топлива для термоядерного реактора практически неисчерпаем, поскольку дейтерий присутствует в морской воде, а тритий получают в процессе работы реактора: он образовывается в токамаке, когда выходящие из плазмы нейтроны взаимодействуют с изотопом ⁶Li, содержащимся в бланкете. Это еще одна из важнейших задач, которую должен решить ИТЭР. Кстати, бланкет и дивертор — основные плазменные компоненты. Следует отметить, что первая стенка реактора, та, что ближе всего к плазме, всего в трех метрах от нее, — неотъемлемая часть бланкета. Идея разделения этих двух компонентов была отброшена в 1980-х годах; ученые пришли к их унификации для удобного и безопасного обслуживания.

Токамак Т-15МД. Новые возможности для российской и мировой науки

Торжественная церемония

Запуск мега-установки Т-15МД, построенной в НИЦ «Курчатовский институт», состоялся 18 мая. Ввиду высокого значения этого проекта, пуск осуществлялся в рамках торжественной церемонии с участием премьер-министра Михаила Мишустина, министра образования и науки Валерия Фалькова и других официальных лиц. Гостям доверили нажатие символической кнопки запуска.

По словам премьера, реактор Т-15МД является свидетельством высокого технологического уровня нашей страны. Его запуск стал огромным событием не только для России, но и для всего мира. Также М. Мишустин отметил, что создание нового надежного и мощного источника энергии поспособствует дальнейшему развитию массы отраслей.

Президент Курчатовского института Михаил Ковальчук заявил, что российская наука способна и дальше заниматься исследованиями термоядерной энергетики. Для этого требуется провести модернизацию научно-производственной базы. В прошлом наша страна могла реализовывать подобные проекты без зарубежной помощи, самостоятельно производя все необходимые изделия и компоненты.

По видеосвязи за пуском Т-15МД наблюдало руководство международного термоядерного проекта ITER. Генеральный директор Бернард Биго поблагодарил правительство России за большую помощь нашего подразделения ITER. Российская промышленность, в свою очередь, получила благодарность за высокое качество технологий, внедряемых в общем проекте.

После глубокой модернизации

Тороидальная установка для магнитного удержания плазмы Т-15 была построена в Курчатовском институте в конце восьмидесятых годов. При ее изготовлении использовались существующие конструкции реактора Т-10М. С 1988 г. на новой установке Т-15 проводились различные эксперименты с удержанием плазмы. На тот момент советская установка являлась одной из крупнейших и мощнейших в мире.

Несмотря на все трудности того периода, регулярные исследования осуществлялись до середины девяностых годов. В 1996-98 гг. мега-установка Т-15 прошла первую модернизацию. Конструкцию реактора доработали, а также скорректировали программу будущих исследований. Теперь установку планировалось использовать для отработки решений и идей, предлагаемых для внедрения в международном проекте ITER.

В 2012 г. реактор Т-15 временно вывели из эксплуатации в связи с планами по проведению глубокой модернизации. В рамках этого проекта токамак должен был получить новую электромагнитную систему, новую вакуумную камеру и т.д. Возросшие энергетические потребности должна была обеспечить новая система электропитания. По сути, речь шла о кардинальной перестройке существующей установки с заменой всех ключевых систем.

Основная модернизация реактора по проекту Т-15МД завершилась в прошлом году, после чего стартовали пуско-наладочные работы. На днях процесс обновления был успешно завершен – и состоялся физический пуск. При этом процесс развития научно-технической базы не прекращается. В апреле стало известно, что в 2021-24 гг. существующий токамак дополнят новыми системами разного назначения.

Эти мероприятия позволят сформировать окончательный облик мега-установки Т-15МД и получить все необходимые возможности. Полноценный ввод в эксплуатацию, позволяющий проводить все необходимые эксперименты, состоится в 2024 г.

Новые принципы

В ходе модернизации реактор Т-15МД получил ряд новых систем, однако его общая архитектура и принципы работы не претерпели принципиальных изменений. Как и ранее, токамак должен создавать и поддерживать при помощи магнитного поля плазменный шнур. Реактор образует шнур с аспектным отношением 2,2 и током плазмы 2 МА в магнитном поле 2 Т. Длительность непрерывной работы – до 30 с.

Модернизация 2021-24 гг. пройдет в два этапа. В рамках первого на Т-15МД установят три инжектора быстрых атомов общей мощностью 6 МВт и пять гиротронов на 5 МВт. Затем внедрят систему нижнегибридного нагрева и поддержания тока плазмы, а также систему ионно-циклотронного нагрева мощностью 4 и 6 МВт соответственно.

По результатам модернизации реактор стал гибридным. В специальных отсеках в т.н. бланкете предлагается размещать ядерное топливо – в его качестве используется торий-232. При работе реактора топливо должно задерживать исходящий от шнура поток нейтронов высокой энергии. При этом торий-232 трансмутирует в уран-233.

Получившийся изотоп можно использовать в качестве топлива для атомных электростанций. В этой роли он не уступает традиционному урану-235, но выгодно отличается меньшим периодом полураспада отходов. Дополнительные преимущества связаны с тем, что торий более распространен в земной коре и существенно дешевле урана.

В теории, гибридный токамак может использоваться и для трансмутации высокоактивных отходов. Уран-238 или другие компоненты отработанного ядерного топлива можно преобразовывать в другие изотопы, в т.ч. для производства новых топливных сборок. Другой вариант использования гибридной установки – строительство электростанции. В этом случае в бланкете должен циркулировать теплоноситель, обеспечивающий передачу энергии генератору.

Таким образом, разработанный и реализованный облик гибридного реактора позволяет решать сразу несколько задач. Его можно использовать для выработки электроэнергии, а также для выпуска ядерного топлива или обработки отходов. Ученым предстоит подтвердить реальность подобной эксплуатации реактора, а также определить его реальные показатели, в т.ч. экономические.

Цели и перспективы

Основные решения конструкции токамака и принципы его работы хорошо изучены и отработаны. Это позволяет проектировать новые, более эффективные, реакторы, а также проводить эксперименты с прицелом на получение реальных технических, энергетических и экономических результатов. Именно такие задачи можно будет решать при помощи модернизированной гибридной мега-установки Т-15МД.

Физический пуск нового реактора состоялся, но полноценная и полномасштабная его эксплуатация станет возможной только в 2024 г., когда завершатся процессы изготовления и установки новых систем. Это означает, что уже в середине десятилетия пройдут эксперименты, которые дадут необходимую информацию. Она позволит определить наиболее выгодные пути развития всего направления, причем не только в рамках российской науки, но и в международной программе ITER.

Таким образом, наши ученые получают самое современное научное оборудование, а вместе с ним и возможность продолжать смелые эксперименты с прицелом на будущее. Вполне возможно, что на этот раз новые исследования завершатся с желаемыми результатами, благодаря чему человечество получит принципиально новый источник энергии, а Россия вновь покажет высочайший потенциал своей науки.