29 апреля 2022

История и перспективы термоядерных исследований в Индии

Atomic-Energy.ru
ИТЭР Токамак SST-1 ИТЭР

В течение последних нескольких десятилетий Индия непрерывно ведёт исследования в области термоядерного синтеза. Достигнутые наработки в этой области позволили Индии в настоящее время стать полноправным участником проект международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Ключевой организацией в Индии, занимающейся термоядерными разработками, является Институт исследования плазмы (IPR) в Гандхинагаре. Его куратором является Департамент по атомной энергии Индии (DAE).

Основателем нынешней программы термоядерных исследований в Индии был ныне покойный Предхиман Кау (Predhiman K Kaw), который выдвинул инициативу сосредоточиться в первую очередь на технологии токамаков и не тратить силы на менее эффективные пути осуществления термоядерной реакции. Под его руководством IPR, который ранее был второстепенным научным учреждением, стал одной из ключевых организаций ядерной науки в Индии. В 1989 году там был введён в строй первый в Индии токамак под названием «Адиться» (Aditya). В январе 2020 года он отметил 30-летний юбилей безаварийной эксплуатации.

Для магнитного удержания плазмы в токамаке «Адитья» используются медные катушки внешним радиусов 0,75 м и внутренним радиусом 0,25 м, которые генерируют тороидальное магнитное поле напряжённостью 0,75-1 тесла (Тл) и с максимальным током в плазме 250 кА и длительностью импульса до 250 миллисекунд. Основным результатом его работы стали как формирование большого количества человеческих ресурсов для продолжения термоядерных исследований, так и реальные научные результаты. В частности, экспериментально выяснилось, что строение термоядерный плазмы и способы её удержания сложнее, чем первоначально представлялось в теории. Это, в свою очередь, позволило провести наработку технических средств для удержания плазмы, которые вносятся в том числе как научный вклад в проект ИТЭР.

Философия, заложенная в проект реактора «Адитья», состояла в том, что на токамаках малой и среднем мощности (каковым он и является), можно тестировать различные новые концепции, технологии и материалы перед тем, как реализовывать их на крупных устройствах. В рамках его дальнейшего развития к концу 2016 года была проведена модернизация – реактор был разобран, а затем собран заново с дополнением новых устройств и изменением конфигурации магнитного поля и дивертора. Усовершенствованный токамак под названием Aditya-U (буквально Aditya-Upgrade) начал свою работу в январе 2017 года. Одним из результатов его работы, который может быть применён и для ИТЭР – это электромагнитная система впрыска гранул Li2TiO3, которая предотвращает флукутации плотности плазмы и делает её более устойчивой.

Следующим, более крупным токамаком, стал расположенный в том же IPR токамак SST-1 с магнитным полем напряжённостью до 3 Тл, внешним радиусом 1,1 м, внутренним радиусом 0,2 м и током плазмы 220 кА. В нём изначально были применены сверхпроводящие катушки и усовершенствованная конфигурация дивертора, а также был учтён опыт работы других существовавших в мире аналогичных токамаков, например японского TRIAM, что позволило создавать плазменные импульсы длительностью до 650 миллисекунд.

В декабре 2005 года Индия стала полноправным седьмым участником проекта ИТЭР. Вклад Индии в этот международный проект осуществляется в основном в натуральной форме поставки оборудования. В общей сложности со стороны Индии планируется около 150 различных поставок. Так, индийская компания Larsen & Toubro поставила для ИТЭР криостат, который является крупнейшим в мире сосудом из нержавеющей стали для работы в вакууме. Его масса составляет 3850 тонн, высота - 30 м, диаметр - 30 м. Криостат был установлен на ИТЭР в 2020 году.

ИТЭР Приварка нижнего цилиндра к основанию криостата в октябре 2020 года ИТЭР

Кроме того, планируется, что Индия поставит для ИТЭР ещё ряд важнейших элементов оборудования, как, например, криогенные устройства, системы внутреннего экранирования, система охлаждения воды и отвода тепла, ряд систем для диагностики плазмы, источники питания для ряда подсистем, а также оптические волокна, детекторы, спектрометры и оптико-механические компоненты.

Опираясь как на собственные результаты исследований, так и на научные результаты, полученные в проекте ИТЭР, Индия намерена построить следующий токамак под названием SST-2, который должен вступить в строй ориентировочно в 2027 году. Предполагается, что он будет иметь мощность 100-300 МВт и в нём будет использоваться отечественный свинцово-литиевый керамический бридер и керамический бридер с гелиевым охлаждением. Помимо собственно исследований термоядерных реакций, этот токамак планируется использовать также как источник нейтронов, которые будут использоваться для наработки делящегося изотопа урана-233 из тория-232, а также для трансмутации долгоживущих продуктов деления.

Наконец, следующим этапом индийской термоядерной программы должен стать демонстрационный термоядерный реактор DEMO (не путать с одноимённым проектом международного термоядерного реактора, который должен прийти на смену ИТЭР), строительство которого, возможно, с привлечением иностранных партнёров, намечено ориентировочно в 2037 году.

В долгосрочных планах Департамента атомной энергии Индии – к  2050 году начать строительство двух энергетических термоядерных реакторов мощностью 1000 МВт. В перспективе термоядерная энергетика должна будет стать одним из ключевых элементов в достижении нулевого уровня выброса парниковых газов, которого планируется достичь к 2050 году.