ITER: гигантская магнитная система для энергии будущего

Проект международного термоядерного реактора ITER достиг ключевого этапа: завершено создание всех основных компонентов для его колоссальной системы сверхпроводящих магнитов. Это достижение знаменует поворотный момент для самого крупного и передового эксперимента в области термоядерного синтеза, призванного доказать, что воспроизведение энергии Солнца не только возможно, но и масштабируемо и устойчиво.

Центральным элементом этого прорыва является последний модуль Центрального соленоида – самого мощного магнита ITER, который теперь готов к сборке на площадке проекта на юге Франции. Эта система, весящая тысячи тонн и обладающая магнитной силой, способной поднять авианосец, будет управлять процессом термоядерного синтеза, лежащим в основе миссии ITER: производство чистой, безопасной и практически безграничной энергии.

ITER, Международный термоядерный экспериментальный реактор, является результатом глобального научного партнерства, охватывающего более 30 стран. Его цель – освоить ядерный синтез, тот же энергетический процесс, который питает звезды, чтобы создать жизнеспособный, безуглеродный источник энергии для Земли. После полного ввода в эксплуатацию ITER станет первым термоядерным устройством, которое будет производить больше энергии, чем потребляет, достигнув чистого прироста энергии.

Основная структура реактора – это Tokamak, камера в форме тора (или «пончика»), где изотопы водорода сверхнагреваются и сливаются друг с другом. В отличие от деления ядер, которое расщепляет атомы, синтез объединяет их, высвобождая огромное количество энергии без образования долгоживущих радиоактивных отходов или парниковых газов.

В основе Tokamak ITER лежит сложная система импульсных сверхпроводящих магнитов, которая управляет плазмой – перегретым, электрически заряженным газом, необходимым для синтеза. Сначала в камеру вводятся дейтерий и тритий, два изотопа водорода. Затем магнитная система инициирует электрический ток, который превращает газ в плазму. Сверхпроводящие магниты формируют и удерживают плазму в стабильном положении. Вспомогательные системы повышают температуру плазмы до 150 миллионов градусов Цельсия – в десять раз горячее ядра Солнца. В этих экстремальных условиях атомные ядра сливаются и выделяют огромное количество тепловой энергии.

Весь этот процесс спроектирован так, чтобы обеспечить десятикратный возврат энергии – получение 500 мегаватт мощности при затратах всего 50 мегаватт, превращая систему в самоподдерживающуюся «горящую плазму».

Центральный соленоид, создание которого недавно завершилось в Соединенных Штатах, является самым мощным из магнитов ITER. Состоящий из шести массивных модулей, он предназначен для генерации импульсных электрических токов, которые запускают и поддерживают ток плазмы внутри Tokamak. Его усовершенствованный внешний каркас, включающий более 9000 компонентов, будет выдерживать интенсивные механические нагрузки во время работы. Этот магнит функционирует совместно с шестью магнитами Полоидального поля, созданными Россией, Европой и Китаем, для управления вертикальной стабильностью и формой плазмы.

Реактор ITER является не только научной вехой, но и триумфом международной инженерии. Каждый из семи основных участников – Китай, Европа, Индия, Япония, Корея, Россия и Соединенные Штаты – внес решающий вклад в создание магнитной системы. Соединенные Штаты построили и испытали Центральный соленоид и его опорные конструкции, а также предоставили часть сверхпроводников для Тороидального поля. Россия поставила самый верхний магнит Полоидального поля и произвела значительную долю сверхпроводников для Полоидального и Тороидального полей, а также поставила критически важную инфраструктуру для электропитания. Европа изготовила во Франции четыре магнита Полоидального поля, десять магнитов Тороидального поля и произвела большие объемы сверхпроводников и компонентов Tokamak. Китай поставил один 10-метровый магнит Полоидального поля, произвел сверхпроводники для четырех других магнитов Полоидального поля, поставил фидеры магнитов и изготовил 18 корректирующих катушек для точного управления плазмой. Япония предоставила 43 километра сверхпроводника для Центрального соленоида и построила восемь магнитов Тороидального поля, а также произвела четверть сверхпроводников для Тороидального поля. Корея изготовила сборочное оборудование, четыре сектора вакуумной камеры, тепловые экраны и часть сверхпроводников для Тороидального поля. Индия построила массивный криостат для размещения Tokamak, разработала криолинии и системы нагрева плазмы, а также взяла на себя значительную часть работ по инфраструктуре охлаждения.

Генеральный директор ITER Пьетро Барабаски отмечает, что уникальность ITER заключается не только в его технической сложности, но и в структуре международного сотрудничества, которая поддерживала его на протяжении меняющихся политических ландшафтов. Он считает, что это достижение доказывает: когда человечество сталкивается с экзистенциальными вызовами, такими как изменение климата и энергетическая безопасность, оно может преодолеть национальные разногласия для продвижения решений. Пьетро Барабаски называет проект ITER воплощением надежды, который показывает, что устойчивое энергетическое будущее и мирный путь вперед возможны.

Масштаб магнитной системы ITER не имеет прецедентов. Более 10 000 тонн сверхпроводящих магнитов, 100 000 километров сверхпроводящих нитей и общая накопленная магнитная энергия в 51 гигаджоуль – эта инфраструктура предназначена для тестирования и совершенствования технологий, которые будут лежать в основе будущих термоядерных электростанций. Интегрируя весь спектр систем, необходимых для термоядерного синтеза промышленного масштаба, реактор ITER служит реальным испытательным полигоном для коммерческого внедрения. Знания и опыт, полученные здесь, лягут в основу следующего поколения реакторов, способных обеспечивать энергией города без выбросов углерода.

Это знаковое событие – завершение создания импульсной сверхпроводящей магнитной системы – сигнализирует о том, что эра практической термоядерной энергетики приближается. Она строится на основе глобального сотрудничества, технической точности и неустанного стремления к более чистому энергетическому будущему.