عندما يكون هناك اندماج: مشروع ITER 500 ميغاواط من خلال عيون المشارك

إذا شرحنا ذلك على الأصابع ، فإن المفاعل النووي الحراري هو عندما يتم الاحتفاظ بالبلازما بدرجة حرارة أعلى 150 مرة من الشمس في مجال مغناطيسي ، وعلى بعد ثلاثة أمتار منها توجد دائرة تبريد من الملفات العملاقة بدرجة حرارة تقارب الصفر المطلق كلفن. في الواقع ، نحصل على أكثر النقاط سخونة وبرودة في المجرة تحت غطاء واحد. في المفاعل ، "يندمج" نظيران من الهيدروجين في الهيليوم ، ويطلقان نيوترونًا ذا طاقة هائلة. في الواقع ، هذه هي الشمس على الأرض.





ITER هو مشروع دولي لإنشاء مفاعل تجريبي بقدرة 500 ميجاوات ، والذي انتقل رسميًا من مرحلة البناء إلى مرحلة التجميع.



فيتالي كراسيلنيكوف - راوي القصص لدينا ، يعمل في المشروع منذ سبع سنوات.



فيتالي من ترويتسك. تخرج من مدرسة ترينيتي رقم 3 (وهي الآن ليسيوم) ، ودرس في معهد الفيزياء والتكنولوجيا في MEPhI ، على غرار والده وأصدقائه ، موضوع توكامكس ، ثم عمل في مركز ترينيتي العلمي. تقدمت بطلب للحصول على وظيفة شاغرة مثيرة للاهتمام في ITER وأشارك حاليًا في بناء أكبر توكاماك صممه الإنسان على الإطلاق. منذ نهاية العام الماضي ، كان فيتالي ، مع زملائه ، يشرف على تطوير التشخيصات النيوترونية.



في آب (أغسطس) ، وبدعم من Trinity Boiling Point ، عقد ندوة عبر الإنترنت "متى سيكون الاندماج؟" ... يوجد في قلب هذه المقالة نسخة معالجة من محاضرته وجلسة أسئلة وأجوبة لاحقة.





لذلك دعونا نتحدث عن الاندماج النووي الحراري.



كانت هناك مثل هذه النكتة: في أي سنة تسأل فيها عن موعد الاندماج ، يجيبون عليك - في غضون 10 سنوات. اليوم ، نقوم بصياغة هذه التوقعات من حيث التوقيت على أساس مشروع ITER - المفاعل الحراري النووي التجريبي الدولي (المفاعل الحراري النووي التجريبي الدولي). الآن هذه هي الراية التي يتم تحتها جميع التطورات الرئيسية في هذا المجال.



في ذروته ، من المتوقع أن ينتج ITER 500 ميجاوات من الطاقة النووية - 10 أضعاف ما هو مطلوب لتشغيله. هذا واحد من أكثر مشاريع الطاقة طموحًا. اليوم يحضرها سبع دول شريكة تمثل أكثر من 50٪ من سكان العالم: دول الاتحاد الأوروبي (التي تعمل كمشارك واحد) والصين والهند واليابان وروسيا وكوريا والولايات المتحدة. المشروع مدعوم من أستراليا وكازاخستان.

المبادئ الأساسية للتركيب النووي الحراري

بالنسبة للجزء غير المستعد من الجمهور ، سأقوم باستطراد بسيط حول الأفكار الرئيسية وراء ITER.



يتم بناء مفاعل تجريبي لنظائر الهيدروجين - الديوتيريوم والتريتيوم. إذا كانت نواة الهيدروجين العادي تتكون من بروتون واحد ، فإن نواة الديوتيريوم تحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد ، ونواة التريتيوم تحتوي على بروتون واحد ونيوترونين. نتيجة لتفاعل الديوتيريوم والتريتيوم ، يتم الحصول على نواة معقدة من خمسة عناصر ، والتي تتفكك إلى الهيليوم والنيوترون.





التفاعل النووي للديوتيريوم والتريتيوم مع تكوين الهيليوم والنيوترون الحر



الهيليوم هو غاز خامل لا يضر. النيوترون الحر له عمر قصير ؛ إنه ليس خطيرًا في حد ذاته. لكن لديها الكثير من الطاقة ، لذلك يجب بطريقة ما أن يتم التقاط النيوترون وإبطائه ، ويجب استخدام طاقته الحركية مع الفائدة. أحد الخيارات هو تسخين المياه وإنشاء توربين وتحويل تلك الطاقة إلى كهرباء.



للجمع بين الديوتيريوم والتريتيوم ، يجب تشتيتهما تجاه بعضهما البعض. بكميات كبيرة ، يمكن القيام بذلك عن طريق تسخين خليط من غازين. ولكن من أجل تنفيذ هذا التفاعل على مقياس ITER (بعد الحصول على نسبة معينة من الطاقة المستهلكة والمفيدة) ، وفقًا للحسابات الأولية ، سيكون من الضروري تسخين الخليط إلى 100-200 مليون درجة (في Kelvin أو Celsius ، لم يعد الأمر مهمًا). للمقارنة: الشمس 10 مليون درجة فقط ، أي يجب أن تكون درجة الحرارة داخل المفاعل التجريبي أعلى من 10 إلى 20 مرة.



يمكن استخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية للحفاظ على بلازما درجة الحرارة هذه في حجم مغلق.

تم اقتراح إحدى الأدوات المناسبة مرة أخرى في الاتحاد السوفيتي - غرفة حلقية تسمى "توكاماك".

مفاعل الاندماج ITER في قسم



Tokamak هو ملف مغناطيسي ، حيث تتشكل الحقول المغناطيسية بطريقة تجعل البلازما في حجم معين داخل "دونات".



تقوم الآفاق الواسعة للاندماج النووي الحراري على ثلاث ركائز.

• الوقود للتفاعل الموصوف ، في الواقع ، غير محدود ، الاحتياطيات الحالية لأبناء الأرض ستكون كافية لملايين السنين: الديوتيريوم متوفر في المحيط العالمي ، ويمكن إنتاج التريتيوم بكميات غير محدودة من الليثيوم.
• إن حدوث انفجار أو تدمير نووي نتيجة تفاعل نووي حراري غير متحكم فيه مستحيل من حيث المبدأ. إذا حدث خطأ ما ، فإن رد الفعل يختفي.
• — . , , , . , , , .

تم بناء Tokamaks من قبل ، بما في ذلك في روسيا. ولكن حتى أكبر توكاماك الموجود في إنجلترا (جيت) لا يزال يستهلك طاقة أكثر مما ينتج: الآن نسبة الطاقة المستلمة إلى المستهلكة هي من 0.8 إلى 0.9. يخطط ITER لتحسين النتائج بترتيب من حيث الحجم ، وتحقيق نسبة 10 على حساب فيزياء البلازما الأخرى ، والتي ينبغي أن تغذي نفسها. صحيح ، لا يزال يتعين فهم كيفية إدارة هذه العمليات.



مع زيادة الحجم ودرجة الحرارة ، تنمو المشاكل الهندسية بشكل غير خطي. تضاعف حجم البلازما - هناك حاجة إلى الملف أربع مرات أكثر. نحن بحاجة إلى موصلات فائقة يجب أن تُلف في نوع من الترمس وتوفر درجة حرارة تصل إلى 270 درجة في الداخل. هذه كلها تحديات هندسية غير تافهة.





ITER: قطرها 28 مترًا ، ارتفاعها 30 مترًا. الوزن - 30 ألف طن



هذا ما يبدو عليه إيتر. يتم وضع التوكاماك في دورق يسمى ناظم البرد. هذا هو الغلاف الخارجي الذي يبرد الموصلات الفائقة لملفات المجال المغناطيسي.

داخل التوكاماك ، من الضروري إنشاء درجة حرارة أعلى 100 مرة من درجة حرارة الشمس - ستكون هذه هي النقطة الأكثر سخونة في مجرتنا. وفي الخارج سيكون هناك واحدة من أبرد البقاع - 4 درجات كلفن.

المسافة بين النقاط الأكثر سخونة وبرودة هي بضعة أمتار فقط.

عندما لا تواكب التكنولوجيا النظرية

في جميع مجالات تطوير ITER تقريبًا ، نواجه مشكلات لم يحلها أحد على الإطلاق.



خذ على سبيل المثال ، الأجهزة الإلكترونية المصممة للعمل في الفراغ والمستخدمة للأغراض الفضائية. ومع ذلك ، ليس لديها حماية من الإشعاع ، والتي تكاد تكون غير موجودة في الفضاء. هناك فولاذ وإلكترونيات مقاومة للإشعاع للمفاعلات النووية ، لكنها غير قادرة على العمل في الفراغ (ببساطة لم تكن هناك مثل هذه المتطلبات في المفاعلات). هذا يعني أننا بحاجة إلى مواد جديدة مقاومة لكل من الفراغ والإشعاع.



مثال آخر هو أجهزة الكشف عن النيوترونات التي أعمل معها. بالنسبة لـ ITER ، نحتاج إلى عدة مئات من أجهزة الكشف ، كل منها 10 بلورات. بالمعدل الحالي ، ينمو العالم حوالي 10-50 بلورة سنويًا ، وبحلول عام 2025 ، سيتعين الحصول على حوالي 2000 بلورة. لا يمكن تلبية هذا الطلب من خلال التركيبات القائمة. تعمل العديد من المعامل الغربية على صقل التكنولوجيا.



ويمكن إعطاء مثل هذه الأمثلة إلى ما لا نهاية.

تاريخ موجز لـ ITER

لأول مرة ، تمت مناقشة مشروع ITER علنًا في عام 1985 في قمة جنيف - في ذروة ذوبان الجليد في العلاقات الدولية. اتفقت الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفيتي - ممثلا بجورباتشوف وريغان - على التطورات المشتركة في مجال الاندماج النووي الحراري. وربما يُطلق على عراب ITER اسم E.P. فيليكوف ، عالم سوفيتي اقترح هذه الفكرة على جورباتشوف.





الاجتماع بين ريغان وغورباتشوف في قمة جنيف عام 1985.



لبعض الوقت كان الاتفاق الذي تم التوصل إليه موجودًا في نوع من الفراغ ، لكنه عاد في أوائل القرن الحادي والعشرين.



عندما تم توقيع اتفاقية بين سبع دول مشاركة في نوفمبر 2006 في قصر الإليزيه ، أصبح من الواضح أن مشروع ITER سيتم تنفيذه.



بدأت أعمال البناء في الموقع في عام 2007. بحلول عام 2010 ، تم قطع الغابة بالفعل على الأرض ، وتم تسوية الأرض ، وتم بناء العديد من المباني. بدأنا في حفر حفرة الأساس لمجمع توكاماك. تظهر الصورة السيارات والمنازل. مساحة الحفرة المحفورة هي حجم كتلة المدينة.







في عام 2011 ، تم صب الأساس.





يوجد أدناه في الصورة دعامات زلزالية نشطة. يمكن استبدالها: في حالة فشل أحدها ، سيصعد روبوت خاص أسفل المبنى ويحل محله.





يوجد أعلى البلاطة الخرسانية تصميم خاص مضاد للزلازل من التعزيز ، والذي سيتم سكبه بالخرسانة.





جئت إلى المشروع في عام 2013. ثم ذهب كل البناء تحت الأرض وبدا مثل هذا:





منذ نهاية عام 2014 ، بدأ تشييد الجدران فوق الأرض. في الصورة أدناه - مبنى الجمعية. ستدخله جميع المكونات الرئيسية للنظام للتجميع الأولي ، وسيتم نقلها إلى مبنى توكاماك باستخدام رافعة كبيرة.







وهذه محطة فرعية عالية الجهد والمحولات.





في عام 2015 ، تم لف مبنى التجميع بالجدران الخارجية.





وهذه الصورة لعام 2016:





وتظهر الصورة أدناه بوضوح التقدم من 2014 إلى ربيع 2020. تم التقاط الصور من زوايا مختلفة ، لكنها تظهر تحسينات كبيرة.







وهذا ما يبدو عليه المشروع اليوم:





تم الانتهاء من بناء توكاماك الخرساني بجدران بسمك 1-1.5 متر في 18 يونيو 2020 (الهيكل المعدني في الأعلى مؤقت)



بعض الصور الأخرى للتقدم. تم التقاط الطلقة الأولى داخل مبنى توكاماك. سيتم وضع ITER tokamak تحت هذا الغطاء. يمكنك رؤية مبنى التجميع والرافعة المتحركة في المسافة.





وهذه قاعدة ناظم البرد. لقد تم بالفعل تثبيته حيث سيتم تجميع التوكاماك.





في أوائل صيف عام 2020 ، انتقل مشروع ITER رسميًا من مرحلة البناء إلى مرحلة التجميع. نتلقى عناصر توكاماك كبيرة في موقع البناء كل أسبوع تقريبًا: ملفات وأجزاء من غرفة مفرغة. وهذا تحدٍ جديد. يجب تخصيص المكونات الضخمة بدقة الحركة. على سبيل المثال ، التفاوتات المسموح بها لتصنيع غرفة مفرغة (هيكل بطول 30 مترًا يقل وزنه قليلاً عن كيلوطن) هو 1 مم. قد تحتاج المعدات إلى التعديل لتلائم أبعاد المكونات غير الدقيقة.



وبالتوازي مع ذلك ، هناك تحسين مستمر للتصميم ، وتغيير للرسومات.

على سبيل المثال ، اكتشف الكهربائيون أنه يجب استخدام أسلاك أكثر سمكًا. هؤلاء ، بدورهم ، لا يتناسبون مع خطوط الأنابيب ، بالإضافة إلى أنه سيتعين عليك زيادة الثقوب في الجدران. هذا يعني أن تدفق النيوترونات إلى الخارج سيزداد. خلاصة القول: يجب تطوير المزيد من الإلكترونيات المقاومة للإشعاع.

هناك مزحة أنه كل عامين يتم إعادة بناء المشروع. لكن في الوقت نفسه ، لا يمكن تفويت خطوة واحدة: لا يمكنك فعل أي شيء لمدة ثماني سنوات ، ولا تبدأ إلا في المرحلة النهائية. أنت بحاجة للذهاب طوال الطريق من البداية إلى النهاية.

هيكل المشروع

كما قلت ، المشروع يضم سبعة مشاركين. وفقًا للاتفاقية الأساسية ، يستثمر الاتحاد الأوروبي 45٪ ، ويستثمر باقي الدول 9٪ لكل منهما. إنهم يستثمرون الأموال - في منظمة مركزية في جنوب فرنسا. وكذلك المعدات (تركيب الأجزاء) وخيرة العقول.



يوضح الرسم البياني الشريطي أدناه كيف تستثمر الدول الأعضاء في المجالات الفردية.





الاختصار الثامن JF ، على ما يبدو ، يخفي نصيب البلدان الأخرى (كازاخستان وأستراليا). هذا التوزيع مسطح إلى حد ما. لا يتم تقسيم الاتجاهات بين الدول ، وهذه خطوة مدروسة حتى لا تتركز المعرفة في كل مجال في يد واحدة. الجميع يفعل القليل. على سبيل المثال ، روسيا مسؤولة عن الأنابيب العلوية لغرفة التفريغ. كما أنها تصنع العديد من أنظمة التشخيص.





يمكن أن نرى هنا أن روسيا تزود ملفات من مجال حلقي ، وجزء من المحولات ، وعدة وحدات للحماية الحرارية ، وجزء من غرفة التفريغ



، والنقطة المهمة التي أود أن أتناولها بالتفصيل هي تنظيم العمليات في ITER.





في وسط الهيكل يوجد المدير العام لمنظمة ITER ، وفوقه مجلس ITER ، الذي يضم ممثلين عن جميع الشركاء المشاركين في المشروع. تظهر حكومات الدول المشاركة باللون الأخضر في الرسم التخطيطي.



يدير مجلس الإدارة العملية برمتها ، ويفرض قراراته على المدير. هو ، بدوره ، يجسدها في الواقع ، ويدير عددًا من الإدارات. لا يوجد سوى ثلاثة منهم في الرسم التخطيطي ، في الواقع هناك الكثير.



تتواصل الإدارات مع الوكالات المحلية في البلدان المشاركة (تسمى أحيانًا الوكالات المنزلية) ، وتتفاعل مع المختبرات والصناعة - فهم الذين يبنون مكونات توكاماك والأنظمة الداعمة.



يتم تصنيع بعض الأنظمة الفرعية بواسطة ITER مباشرةً ، ولكن معظمها لا يزال يمر عبر السلسلة بأكملها - من المدير إلى المصنع في بلد معين.



كما ترى من الرسم التخطيطي ، لا توجد إدارة خطية للمشروع. الوكالات المحلية لديها إمكانية الوصول إلى حكوماتها ، والسلسلة مغلقة. هذه اللاخطية هي سمة مهمة لـ ITER: تشارك أطراف مختلفة في أي قضية.



هناك أربع مراحل رئيسية محددة لـ ITER.





الجدول الزمني للمشروع. تمت جدولة السعة الكاملة في عام 2035. بعد ذلك سيتم استخدام النظام للأغراض العلمية فقط ولإختبار التقنيات

يجب أن ينتج ما يسمى بتكوين نهج المرحلة البلازما الأولى بحلول ديسمبر 2025. تم تحديد هذا التاريخ قبل عدة سنوات ، وهو لا يتحرك رغم فيروس كورونا والتغيرات السياسية.

في هذا التكوين ، سيعمل ITER لمدة ستة أشهر فقط. نسمي هذه المرحلة "البلازما السياسية": عند الطاقة المنخفضة ، ستساعدنا في فحص غرفة الفراغ ، ونظام التدفئة ، والمغناطيس. نتيجة لذلك ، يجب أن نفهم أن غرفة التفريغ تعمل وأن البلازما قيد الإنشاء.



علاوة على ذلك ، سيبدأ التجميع الإضافي للأنظمة الرقيقة ، بما في ذلك أنظمة التسخين بالبلازما. مع تقدم التجميع ، تم التخطيط لعمليات طاقة ما قبل الاندماج 1 و 2 في 2028 و 2032 ، على التوالي.

سيتم الوصول إلى السعة القصوى في ديسمبر 2035. بعد عام 2035 ، سيعمل ITER للأغراض العلمية لمدة 10 سنوات أخرى. تم التخطيط 5.5 ألف عملية تفريغ بقدرة 500 ميغاواط لمدة 500 ثانية.

بدلا من المجاميع

في هذه المرحلة ، لا نتحدث عن الإنتاج التجاري للكهرباء عن طريق الاندماج. لن يتم التقاط النيوترونات ولن يتم تحويل طاقتها إلى كهرباء. ستترك النيوترونات التركيب وستُحاصر بالجدران الخرسانية للمبنى. سوف تخترق الجسيمات الغرف والزنازين ، لذلك لن يكون هناك أشخاص في المبنى أثناء التثبيت. وبالطبع ، تُحسب الخواص الميكانيكية للمواد المعرضة لقصف نيوتروني مستمر مع الأخذ في الاعتبار العمر المخطط له للمنشأة (إجمالي إنتاج النيوترونات على مدار فترة التشغيل الكاملة للمنشأة حوالي 10 ²¹ ).



من الناحية النظرية ، هناك عدة طرق لاستخدام الطاقة الحركية للنيوترونات من أجل الخير. لقد ذكرت بالفعل واحدًا - لتسخين الماء وتشغيل التوربين. الطريقة الثانية هي الهجين. يمكن وضع توكاماك صغير مع اليورانيوم 238 ويمكن استخدام النيوترونات لدعم تفاعل اضمحلال اليورانيوم. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون كتلة اليورانيوم أقل بكثير من الكتلة الحرجة ، أي لن يحدث الانفجار تحت أي ظرف من الظروف. إذا حدث خطأ ما في مثل هذا الإعداد المختلط ، فسيموت التفاعل ببساطة. سيعمل اليورانيوم فقط بسبب حقيقة أنه يتم قصفه بالنيوترونات التي تظهر عند حدوث تفاعل نووي حراري. وعلى الرغم من أن هذه المحطة تنتج نفايات مشعة ، إلا أنها آمنة - لا يمكن أن تنفجر.

لكن الهدف النهائي ، بالطبع ، هو الاندماج النقي ، دون اليورانيوم أو النفايات النووية. هذا هو الهدف الوحيد الصحيح ، لكن الطريق إليه طويل وصعب. إذا كان ITER يؤدي وظيفته وبحلول 2035-2045 سوف يجيب على السؤال عما إذا كان من الممكن الحصول على إنتاج طاقة أكبر بعشرة أضعاف مما يتم إنفاقه ، فسنبدأ في بناء محطة توضيحية. في أفضل الأحوال ، بحلول عام 2050 ، ستجيب عما إذا كان المشروع سيكون له بداية تجارية.

ومع ذلك ، من الضروري التحرك في هذا الاتجاه. و ITER صفقة رائعة. يساهم كل مشارك بنسبة 9٪ ولكنه يتلقى 100٪ من التطوير. في الواقع ، هذا مشروع تعليمي كبير لجميع البلدان ، وهو يكلف أكثر بكثير من أي تطوير تجاري. على الرغم من ذلك ، فإن المشروع يسير وفقًا للجدول الزمني ولا يخيب أملك. كل عام يثقون به أكثر فأكثر ، مما يعني أن العمل الإضافي يجب أن يكون أفضل وأسرع.





تم الانتهاء من مرحلة البناء الرئيسية لـ ITER. حان وقت تجميع المفاعل (الصورة - مارس 2020)



بشكل عام ستكون هذه هدية لأحفادنا. تم وصف كيفية تقدم المشروع على قناة YouTube التابعة لمنظمة ITER .