Учёные предлагают внести в проект ITER небольшие изменения

23.10.2013 Артём
Коржиманов

На прошлой неделе состоялось заседание научно-технического комитета проекта по созданию крупнейшей термоядерной установки ITER. Члены комитета пришли к выводу, что в проект уже строящейся установки следует внести небольшие изменения, которые хотя и увеличат некоторые риски, помогут в дальнейшем более плавному переходу к строительству реальных реакторов.

ITER — это международный проект по строительству термоядерного реактора, основанного на магнитном удержании плазмы. В основе реактора лежит так называемый токамак — огромная магнитная катушка в виде тора («бублика»). Магнитным полем этой катушки предполагается удерживать внутри неё сверхгорячую (температура будет достигать 150 млн градусов!) плазму, в которой и будет идти термоядерная реакция синтеза гелия из двух тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития.

Схематическое изображение дейтерий-тритиевой термоядерной реакции синтеза гелия.

Установка должна заработать в 2020 году, а к 2028 году учёные рассчитывают получить из реактора 500 МВт энергии при затраченных 50 МВт.

Одним из наиболее сложных с технической точки зрения элементов реактора является так называемый дивертор. Именно дивертор окружает горячую плазму и это единственное место, где плазма непосредственно соприкасается с твердотельным элементом установки. Внутренние стенки дивертора, по оценкам, должны выдерживать поток тепла порядка 10 МВт на квадратный метр.

Обычно в токамаках внутренние стенки дивертора делают из углерода. Это хорошо проверенная технология, углерод способен без проблем выдерживать необходимые температуры. К тому же если атомы углерода попадут в плазму, это не окажет серьёзного влияния на течение термоядерной реакции.

Проблема с углеродом заключается в том, что он очень хорошо поглощает водород, и, в частности, радиоактивный изотоп водорода тритий, который является топливом для термоядерной реакции. С точки зрения реального применения термоядерных реакторов это большой минус, поскольку ни одна комиссия по контролю за радиоактивными отходами не допустит использования материала, столь легко скрывающего в себе радиоактивный элемент.

Альтернативой углероду является вольфрам — металл с самой высокой температурой плавления (3422 °C, именно поэтому он используется для изготовления нитей лампочек накаливания).

В проекте ITER изначально предполагалось использовать углерод, однако специалисты научно-технического комитета предложили заменить его на вольфрам, чтобы облегчить дальнейший переход к строительству более реальных термоядерных реакторов.

Это предложение, однако, имеет свои риски. Дело в том, что хотя вольфрам и способен выдерживать температуру плазмы в штатном режиме, возникновение внештатной ситуации, сопровождающейся выбросом на стенки дивертора сверхгорячей плазмы, приведёт к испарению вольфрама. И в отличии от углерода попадание в плазму вольфрама неизбежно остановит ход термоядерной реакции.

Вольфрамовое покрытие внутренних стенок дивертора уже было проверено на крупнейшей из действующих установок типа токамак — JET. По мнению исследователей, в течение года работавших с новым покрытием, вольфрам достаточно надёжен, чтобы быть использованным в ITER.

Помимо дивертора научно-технический комитет предложил ещё несколько более мелких изменений. В частности, предлагается поместить внутри дивертора два набора дополнительных магнитов.

Один набор, состоящий из двух катушек, предназначен для борьбы с обнаруженной всего пять лет назад проблемой вертикальной устойчивости плазменного жгута.

Второй набор катушек должен, по замыслу учёных, помочь преодолеть другую проблему устойчивости плазмы, так называемые проблему мод, локализованных на краю. Такие моды (то есть распределения плазмы) возникают при повышении мощности выделяющейся в реакторе энергии. Их появление может приводить к непредсказуемым выбросам плазмы на стенки дивертора и разрушению его покрытия.