В течение последних двух десятилетий проект ИТЭР успешно движется к достижению беспрецедентного научного результата — контролируемого термоядерного синтеза в качестве источника энергии. Недавно ИТЭР, расположенный на юге Франции, достиг важного этапа: были доставлены девятнадцать массивных тороидальных катушек, что стало ключевым моментом в истории проекта.
Введение в ИТЭР
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) — это масштабный международный проект, в котором участвуют 35 стран. Основная задача проекта — создание токамака, реактора для ядерного синтеза в форме тора, чтобы исследовать возможность термоядерной реакции как будущего источника энергии. В отличие от деления ядер, при котором тяжёлые ядра распадаются с выделением энергии, при ядерном синтезе происходит объединение лёгких ядер, высвобождая огромное количество энергии и создавая небольшое количество радиоактивных отходов. Работа токамака основана на создании и управлении плазмой — газом из электрически заряженных частиц при очень высокой температуре. В ИТЭР это происходит в тороидальной камере, где горючие газы, такие как водород, нагреваются до экстремально высоких температур — до 150 миллионов градусов Цельсия. Атомы водорода переходят в состояние плазмы, где электроны отделяются от ядер, образуя ионизированный газ.
Для поддержания высокой температуры плазмы и предотвращения её контакта со стенками реактора в ИТЭР используется сложная система сверхпроводящих магнитов. Эти тороидальные магниты, всего их девятнадцать, окружают камеру токамака и создают сильное магнитное поле. Оно удерживает плазму на расстоянии от стенок реактора и поддерживает её стабильность, увеличивая продолжительность термоядерных реакций. Тороидальные катушки также охлаждаются до очень низких температур, около -269 градусов Цельсия, немного выше абсолютного нуля, чтобы достичь состояния сверхпроводимости. После этого катушки могут генерировать мощные магнитные поля без электрического сопротивления, снижая потери энергии и повышая эффективность реактора.
Достижения в строительстве и перспективы
После двух десятилетий разработки, производства, изготовления и сборки на трёх континентах, многонациональный проект ИТЭР в области термоядерной энергетики отмечает завершение строительства и доставку девятнадцати массивных тороидальных катушек из Японии и Европы. Каждая из этих конструкций высотой около семнадцати метров и шириной девять метров создана из ниобия-олова и ниобия-титана. Все катушки будут функционировать как единый магнит — самый мощный из когда-либо созданных. Он сможет генерировать общую магнитную энергию в 41 гигаджоуль, что в 250 000 раз мощнее магнитного поля Земли.
Изготовление катушек тороидального поля
Создание этих катушек было, безусловно, сложным и трудоёмким процессом. Он начался с производства более 87 тысяч километров ниобий-оловянной проволоки в разных странах, включая Китай, Европу, Японию, Корею, Россию и США. Производство начиналось со сборки ниобий-оловянных нитей с медными нитями в виде каната, а затем помещения этих нитей в стальные корпуса. В этих корпусах есть центральный канал для пропускания жидкого гелия, необходимого для поддержания катушек при очень низких температурах.
Подготовленная проволока, называемая проводником, была отправлена на заводы в Японии и Европе для основного этапа производства. На этом этапе проводник сгибается в двойную спираль и проходит термообработку при высокой температуре (650 градусов Цельсия). Каждый сегмент проводника аккуратно помещается в радиальную пластину из нержавеющей стали, которая предназначена для сохранения его формы и обеспечения правильной изоляции. Для укрепления конструкции проводник также оборачивается стеклянной лентой и каптоном, а защитные пластины свариваются лазером, образуя двойной блин. Затем в эту сложную структуру вводится смола для устранения возможных воздушных карманов и повышения общей прочности. Каждый двойной блин собирается с шестью другими, образуя пакет обмоток, который формирует сердечник каждой тороидальной катушки поля. Каждый этап процесса, включая изоляцию, термообработку и впрыск смолы, выполняется с высокой точностью для обеспечения электрической целостности и прочности конечного магнита.
В итоге эти обмотки были размещены в массивных корпусах из нержавеющей стали, каждый из которых весит около 200 тонн. Они были разработаны так, чтобы выдерживать экстремальные нагрузки, возникающие во время работы ИТЭР. Этот сложный и тщательный процесс, проводимый на нескольких континентах в тесном международном сотрудничестве, демонстрирует передовые инженерные разработки, необходимые для создания ключевых компонентов самого продвинутого в мире термоядерного реактора.
По материалам:
new-science
