В течение двадцати лет проект ИТЭР стремится к осуществлению управляемого ядерного синтеза как источника энергии. Недавно на юге Франции, где находится ИТЭР, доставлены девятнадцать массивных тороидальных катушек — это важный шаг для проекта.
Введение в ИТЭР
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) — глобальный проект с участием 35 стран, имеющий целью построить токамак для изучения возможности использования термоядерного синтеза в качестве источника энергии. В отличие от расщепления тяжелых ядер при делении, синтез легких ядер приводит к выделению огромного количества энергии и образованию небольшого количества радиоактивных отходов.
Токамак создаёт и управляет плазмой — газом из электрически заряженных частиц при очень высокой температуре. В ИТЭР это происходит в тороидальной камере, где горючие газы, например водород, нагреваются до 150 миллионов градусов Цельсия. Атомы водорода превращаются в плазму, где электроны отделяются от ядер, образуя ионизированный газ.
Для поддержания высокой температуры плазмы и предотвращения её контакта со стенками реактора в ИТЭР применяется сложный комплекс сверхпроводящих магнитов. Эти девятнадцать тороидальных магнитов окружают камеру токамака, формируя мощное магнитное поле. Оно удерживает плазму, отдаляя ее от стенок реактора и способствуя её стабильности, что в свою очередь увеличивает продолжительность термоядерных реакций.
Тороидальные катушки охлаждаются до температуры около -269 градусов Цельсия, что чуть выше абсолютного нуля, для достижения сверхпроводимости. После этого катушки способны генерировать мощные магнитные поля без электрического сопротивления, минимизируя потери энергии и повышая эффективность реактора.
Достижения в строительстве и перспективы
Многонациональный проект термоядерной энергетики ИТЭР, разрабатываемый двадцать лет на трёх континентах, отмечает сегодня окончание строительства и доставку девятнадцати массивных тороидальных катушек из Японии и Европы.
Каждая конструкция высотой около семнадцати метров и шириной девять метров изготовлена из ниобия-олова и ниобия-титана. Все катушки будут работать как единый магнит — самый мощный из когда-либо созданных. Магнит способен генерировать общую магнитную энергию в 41 гигаджоуль, что в 250 000 раз мощнее, чем у Земли.
Изготовление катушек тороидального поля
Производство катушек было сложным и трудоемким. Началом послужило изготовление более 87 000 километров ниобий-оловянного провода в разных странах, таких как Китай, Европа, Япония, Корея, Россия и США. Процесс начинался со сборки ниобий-оловянных нитей с медными нитями в виде каната. После этого канат помещался в стальные оболочки с центральным каналом для прохождения жидкого гелия, необходимого для поддержания катушек при низких температурах.
Подготовленная проволока, которую называют «проводником», поступала на предприятия в Японии и Европе для дальнейшего производства. Там проводник сгибали в двойную спираль и подвергали термообработке при 650 градусах Цельсия. Каждый сегмент проводника точно помещали в радиальную пластину из нержавеющей стали, которая поддерживала его форму и обеспечивала изоляцию.
Чтобы повысить прочность конструкции, проводник обматывался стеклянной лентой и каптоном. Защитные пластины спаивались лазером, создавая «двойной блин». В эту сложную структуру вводилась смола для устранения воздушных карманов и увеличения общей прочности. Каждый двойной блин собирался с шестью другими для формирования «пакета обмоток», который составлял сердечник каждой тороидальной катушки поля. Каждый этап процесса, включая изоляцию, термообработку и впрыск смолы, выполнялся с высокой точностью для обеспечения электрической целостности и прочности конечного магнита.
В массивные корпуса из нержавеющей стали, каждый весом около 200 тонн, поместили пакеты обмоток. Корпуса спроектированы для выдерживания экстремальных нагрузок при работе токамака ИТЭР.
Этот сложный и кропотливый процесс, происходивший на нескольких континентах в рамках тесного международного сотрудничества, демонстрирует передовые инженерные разработки, необходимые для создания основных компонентов самого продвинутого в мире ядерно-термоядерного реактора.