Самым сложным научным и инженерным проектом на Земле, безусловно, является термоядерный синтез. Сооружение термоядерного реактора, достижение самоподдерживающейся реакции и преобразование этой практически неисчерпаемой энергии в электричество навсегда изменят человечество и наши отношения с энергией. Но как бы заманчиво все это ни звучало, путь к этой цели нельзя назвать ни легким, ни гладким. Технические задачи, касающиеся конструкций, топлива и материалов, которые необходимо использовать при создании столь сложных агрегатов, остаются лишь частично решенными.
Чтобы понять технические ограничения и пробелы в знаниях, существующие на сегодняшний день в области энергии ядерного синтеза, достаточно заглянуть внутрь самого реактора.
Внутри реактора токамака сверхгорячий ионизированный газ или «плазма» нагревается до температуры более 100 миллионов градусов Цельсия (°C), чтобы вызвать реакции синтеза. Стенки реактора защищены от летучей плазмы за счет ее удерживания мощными магнитными полями.
Используемая в термоядерном синтезе плазма обычно состоит из дейтерия и трития, представляющих собой два тяжелых изотопа водорода, которые сливаются с образованием гелия и нейтронов. На термоядерных электростанциях инженеры надеются «размножать» или воспроизводить дополнительный тритий за счет самой реакции с помощью еще не прошедшего испытания содержащего литий защитного экрана — бланкета, который взаимодействует с нейтронами, возникающими в результате синтеза.
«Энергия нейтронов, которые образуются в результате термоядерного синтеза, создает серьезные проблемы для первой стенки и вакуумной камеры термоядерной электростанции, а это означает, что необходимо уделять внимание радиационным повреждениям, биологической защите, дистанционному манипулированию и безопасности», — объясняет генеральный директор Управления по атомной энергии Соединенного Королевства Ян Чепмен.
Главной задачей инженеров является разработка высокоэффективных материалов, которые способны выдерживать наблюдаемые в процессе реакции высокие температуры и интенсивные потоки нейтронов. Понимание воздействия условий эксплуатации на компоненты, обращенные непосредственно к плазме, также имеет важное значение для будущего крупномасштабных термоядерных электростанций.
Материалы, созданные для экстремальных условий
Создание конструкционных и обращенных непосредственно к плазме материалов, способных противостоять деструкции под воздействием нейтронов, является приоритетной задачей для исследователей. Эти материалы должны иметь такие характеристики безопасности, как низкая наведенная радиоактивность, возникающая под действием нейтронов, чтобы свести к минимуму образование радиоактивных отходов. Однако на сегодняшний день нет достаточного количества специализированных установок для термоядерного облучения, где можно было бы испытывать механизмы радиационной деструкции, а также разрабатывать и проверять материалы в необходимых условиях.
МАГАТЭ помогает решать вопросы, связанные с разработкой и исследованиями материалов для термоядерного синтеза, за счет координации подготовки руководящих принципов в отношении методов испытаний эталонных материалов и устранения пробелов в знаниях в области проектирования установок для испытаний материалов и компонентов, используемых в термоядерных реакторах.
«Такие технологии, как тандемная ионно-лучевая установка, введенная в строй в 2019 году в Институте им. Руджера Бошковича в Хорватии при поддержке МАГАТЭ, могут имитировать условия, в которых материал оказывается внутри термоядерного реактора. Эти условия включают трансмутацию продуктов и моделирование повреждений, вызываемых энергетическими нейтронами и частицами, которые образуются в результате термоядерного синтеза», — говорит директор Отдела физических и химических наук МАГАТЭ Мелисса Денекке.
Главным элементом реактора, где плазма вступает в непосредственный контакт с корпусом реактора, является так называемый «дивертор», и ученые и инженеры стремятся найти его оптимальную конфигурацию, чтобы он лучше выдерживал тепловые потоки, с которыми он соприкасается. Используя знания и данные, полученные с помощью различных экспериментов по облучению и инструментов моделирования, они также разрабатывают и проверяют систему критериев конструкции реактора для всех компонентов, находящихся внутри корпуса, в том числе диверторов.
Очень горячие выхлопы
Расположенный в большинстве конструкций в самой нижней части реактора, куда отводятся загрязнения, такие как гелиевая «зола», дивертор служит «выхлопной трубой» термоядерного реактора, и именно туда направляется любое избыточное тепло. Такая конфигурация помогает производить «более чистую» плазму, способную лучше удерживать энергию, что является критически важным параметром для производительности термоядерного устройства, обеспечивая тем самым достаточный нагрев плазмы в течение достаточно продолжительного периода времени для того, чтобы могли происходить устойчивые реакции термоядерного синтеза.
В ИТЭР, крупнейшем в мире экспериментальном термоядерном реакторе, дивертор будет выполнен из 54 «кассет», каждая весом 10 тонн. К кассетным сборкам будут предъявляться очень высокие требования; с учетом постоянных тепловых потоков от 10 до 20 мегаватт на квадратный метр и воздействия температур от 1000°C до 2000°C на отдельные элементы кассеты необходимо будет заменить по крайней мере один раз в течение срока службы агрегата с помощью дистанционного манипулятора. Чтобы справиться с экстремальным нагревом и вызывающими повреждения частицами, компоненты, обращенные непосредственно к плазме, будут бронированы вольфрамом — материалом, который одновременно имеет низкий показатель поглощения трития и самую высокую температуру плавления среди всех существующих в природе химических элементов.
«Несмотря на то, что в конструкции дивертора ИТЭР нашли отражение наши самые актуальные знания и возможности с точки зрения физики и технологий, для будущих термоядерных электростанций потребуются новые разработки. Одна из многочисленных важных задач проекта ИТЭР как раз и заключается в их определении», — объясняет Ричард Питтс, руководитель секции экспериментов и работы с плазмой Организации ИТЭР.
Проектирование и строительство будущих термоядерных реакторов будет зависеть от связанных с техникой, технологиями и материалами результатов осуществления ИТЭР и других общепризнанных многонациональных координированных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, но расстояние, отделяющее нас от будущего, обеспеченного энергией за счет термоядерного синтеза, продолжает сокращаться с каждым днем.
