Казахстанский токамак готовят к запуску. фоторепортаж

Что такое термоядерный синтез?

Термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя более тяжелые атомы. Это слияние сопровождается выделением большого количества энергии.

Прошло уже более 60 лет, с тех пор как впервые был применен термоядерный синтез, но мы так и не научились контролировать эту реакцию, чтобы получать из нее необходимые нам блага в виде энергии и отказаться от источников, загрязняющих нашу планету. К числу подобных источников можно отнести и современную атомную энергетику, использующую ядерную реакцию деления.

Основные опасения, по поводу современной ядерной энергетики, породили аварии в Чернобыле в 1986 году и на Фукусиме в 2011 году. В частности, катастрофа на Фукусиме разрушила миф об энергетических реакторах с нулевым риском. Но кроме значительных рисков для безопасности, эти реакторы также имеют проблемы с утилизацией отходов и перекачивают огромное количество воды. Другой важный момент заключается в том, что основным источником топлива для современных атомных реакторов служит Уран-235, запасов которого вряд ли хватит на ближайшее столетие. Именно поэтому будущее, с развитой термоядерной энергетикой, выглядит таким привлекательным.

Схема работы АЭС на двухконтурном водо-водяном ядерном реакторе, который использует реакцию распада

Однако, в отличии от ядерной реакции деления, которая используется в современных атомных станциях, ядерный синтез оказался крепким орешком. Много десятилетий ученые со всего мира ломают головы разрабатывая технологии, для получения стабильной и безопасной реакции. Было придумано несколько видов реакторов, но ни один из них не годится для практического применения.

2009

18 Dec, 2009Issue n°112

11 Dec, 2009Issue n°111

04 Dec, 2009Issue n°110

27 Nov, 2009Issue n°109

20 Nov, 2009Issue n°108

13 Nov, 2009Issue n°107

06 Nov, 2009Issue n°106

30 Oct, 2009Issue n°105

23 Oct, 2009Issue n°104

16 Oct, 2009Issue n°103

09 Oct, 2009Issue n°102

02 Oct, 2009Issue n°101

25 Sep, 2009Issue n°100

18 Sep, 2009Issue n°99

11 Sep, 2009Issue n°98

04 Sep, 2009Issue n°97

28 Aug, 2009Issue n°96

21 Aug, 2009Issue n°95

14 Aug, 2009Issue n°94

07 Aug, 2009Issue n°93

31 Jul, 2009Issue n°92

24 Jul, 2009Issue n°91

17 Jul, 2009Issue n°90

10 Jul, 2009Issue n°89

03 Jul, 2009Issue n°88

26 Jun, 2009Issue n°87

19 Jun, 2009Issue n°86

12 Jun, 2009Issue n°85

06 Jun, 2009Issue n°84

29 May, 2009Issue n°83

22 May, 2009Issue n°82

18 May, 2009Issue n°81

05 May, 2009Issue n°80

27 Apr, 2009Issue n°79

20 Apr, 2009Issue n°78

13 Apr, 2009Issue n°77

06 Apr, 2009Issue n°76

30 Mar, 2009Issue n°75

24 Mar, 2009Issue n°74

16 Mar, 2009Issue n°73

09 Mar, 2009Issue n°72

02 Mar, 2009Issue n°71

23 Feb, 2009Issue n°70

16 Feb, 2009Issue n°69

09 Feb, 2009Issue n°68

02 Feb, 2009Issue n°67

26 Jan, 2009Issue n°66

19 Jan, 2009Issue n°65

Что такое токамак и стелларатор?

Аббревиатура русская, как как первая установка была разработана в Советском Союзе. Токамак – это тороидальная камера с магнитными катушками. Тор представляет собой трёхмерную геометрическую фигуру (по форме напоминающую бублик, если простыми словами), а тороид – тонкий провод, намотанный на каркас в форме тора. Таким образом, высокотемпературная плазма в установке образуется и удерживается в форме тора. При этом главный принцип токамака сводится к тому, что плазма не взаимодействует со стенками камеры, а как бы висит в пространстве, удерживаемая сверхмощным магнитным полем. Схему термоизоляции плазмы и метод использования подобных установок в промышленных целях впервые предложил советский физик Олег Александрович Лаврентьев. Первый токамак был построен в 1954 году и долгое время существовал только в СССР. До настоящего времени в мире было построено где-то около двух сотен подобных устройств. Сейчас действующие тороидальные камеры для исследования управляемого термоядерного синтеза есть в России, США, Японии, Китае и в Евросоюзе. Самым крупным международным проектом в этой сфере является ITER (об этом чуть позже). Инициатором строительства материаловедческого токамака в Казахстане был руководитель российского Курчатовского института академик Евгений Павлович Велихов. С 1975 года он возглавлял советскую программу управляемых термоядерных реакторов. Идея построить установку на бывшем Семипалатинском ядерном полигоне появилась в 1998 году, когда Велихов встретился с президентом РК Нурсултаном Назарбаевым.

Схема удержания плазмы в стеллараторе / Материалы предоставлены Институтом атомной энергии НЯЦ РК

Стелларатор представляет собой альтернативный токамаку тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Изобретён американским астрофизиком Лайманом Спитцером в 1950 году. Название происходит от латинского слова stella (звезда), что указывает на аналогичность процессов внутри звёзд и в рукотворной установке. Главное отличие состоит в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок камеры полностью создаётся внешними катушками, что позволяет использовать его в непрерывном режиме. Плазма в стеллараторе образуется в форме “мятого бублика” и как бы закручивается. На сегодняшний день исследовательские стеллараторы есть в России, на Украине, в Германии и в Японии. Причём в Германии недавно запущен крупнейший в мире стелларатор Wendelstein 7-X (W7-X).

Казахстанский токамак материаловедческий / Григорий Беденко

– Это всё исследовательские установки, – рассказывает руководитель научной группы проекта КТM Бауржан Чектыбаев. – Стелларатор отличается конфигурацией магнитного поля. В токамаке для удержания плазмы применяется так называемая тороидальная обмотка и полоидальная внешняя обмотка. А в стеллараторе наоборот – там накрученная по спирали обмотка, которая выполняет функции и тороидальной, и полоидальной. Токамак изначально является импульсной установкой, а стелларатор – более стационарная установка, то есть преимущество закрученной обмотки позволяет неограниченно долго удерживать плазму. Стеллараторы разрабатывались в одно время с токамаками, и в свое время токамаки вырвались вперёд по параметрам плазмы. Во всем мире началось “шествие” токамаков. Но тем не менее стеллараторы развиваются. Они есть в Японии, в Германии недавно построили – был введён в эксплуатацию Wendelstein 7-X (W7-X). В США есть стелларатор. Кроме того, есть огромное количество всевозможных исследовательских установок с отчасти магнитным удержанием плазмы – это ловушки различные. Также есть инерциальный термоядерный синтез, когда маленькая мишень нагревается под действием лазерного излучения. Это такой маленький термоядерный взрыв.

Узлы и агрегаты верхней части установки / Григорий Беденко

И всё же наиболее перспективным в качестве промышленного термоядерного реактора на сегодняшний день считается токамак.

Технологическое здание, в котором находится КТМ / Григорий Беденко

Токамаки и их характеристики[ | код]

Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.

СССР и Россия | код

• Т-3 — первый функциональный аппарат.[источник не указан 144 дня]
• Т-4 — увеличенный вариант Т-3.[источник не указан 144 дня]
• Т-7 — уникальная установка, в которой впервые в мире в 1979 году реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом с проводниками из сплава (интерметаллида) ниобий-олово, охлаждаемого жидким гелием. Главная задача Т-7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.
• Т-10 и PLT — следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. Полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — в 200 раз.
• Т-15 — реактор со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле индукцией 3,6 Тл. Запущен в 1988 г., в 1995 г. эксперименты приостановлены, с 2012 г. проходит модернизацию, окончить которую планируется в 2020 году.
• Т-11М — находится в ТРИНИТИ (Троицк, Москва); параметры установки: ток в плазме 0,1 , температура плазмы 400,,600 эВ
• Глобус-М — сферический токамак, новейший токамак в России, созданный в ФТИ им. А. Ф. Иоффе в 1999 году.

Казахстан | код

Казахстанский Токамак материаловедческий (КТМ) — экспериментальная термоядерная установка для исследований и испытаний материалов в режимах энергетических нагрузок, близких к ITER и будущих энергетических термоядерных реакторов. Место строительства — г. Курчатов.

Китай | код

Европа | код

• TM1-MH (с 1977 года — Castor, с 2007 года — Golem). С начала 1960-х до 1976 года действовал в институте Курчатова, затем был передан институту физики плазмы академии наук Чехословакии.
• JET (Joint European Torus) — созданный организацией Евратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. Критерий Лоусона в 4—5 раз ниже уровня зажигания.
• Tore Supra — токамак со сверхпроводящими катушками. Находится в исследовательском центре Кадараш (Франция).
• FTU (Frascati Tokamak Upgrade) — металлический среднеразмерный токамак с сильным магнитным полем. Находится в исследовательском центре Фрасскати, Италия. Принадлежит Европейскому Агентству по Ядерной Энергии (ENEA). Параметры установки следующие: BT<8T, R = 0,935 м, a = 0,3 м, Ip < 1,5 MA.

США | код

• TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — самый большой токамак в США (Принстонский университет) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Критерий Лоусона в 5,5 раза ниже порога зажигания. Закрыт в 1997 году.
• NSTX (National Spherical Torus Experiment) — сферомак (сферический токамак), работающий в настоящее время в Принстонском университете. Первая плазма в реакторе получена в 1999 году, через два года после закрытия TFTR. NSTX-U построен на основе NSTX, модернизация обошлась в 94 млн долл. В настоящее время установка является самым мощным в мире сферическим токамаком с магнитной индукцией 1 тесла и тепловой мощностью 10-12 мегаватт.
• Alcator C-Mod — характеризуется самым высоким магнитным полем и давлением плазмы в мире. Работает с 1993 года.
• DIII-D — создан и работает в компании General Atomic в Сан-Диего.

Япония | код

Бауржан Чектыбаев, руководитель научной группы проекта КТM

– 10 июня был заключён меморандум о совместном проведении исследований между ITER и КТМ. В рамках этого договора сейчас готовится проект по взаимодействию с Международной организацией ITER. Они заинтересованы в нашей установке. Сам по себе проект ITER тоже не простой, есть проблема материалов. В рамках проекта мы будем исследовать вольфрам и бериллий. Определённые узлы и детали ITER будут сделаны из этого материала. Мы их будем обкатывать. Вся первая стенка реактора ITER будет выложена плитками из вольфрама и бериллия. Сама вакуумная камера состоит из дивертора, куда стекают потоки плазмы, там наиболее напряжённое место – 20 МВт на квадратный метр. Там будет вольфрам. Остальная часть первой стенки будет выложена бериллием.

КТМ – очень сложная с технологической точки зрения система / Григорий Беденко

– Почему в ITER так заинтересовались нашим токамаком?

– Кроме материаловедения, задача нашей установки – исследования физики плазмы. КТМ уникален с точки зрения аспектного отношения. Есть такой параметр, один из основных для токамаков – отношение большого радиуса от оси к центру плазмы к малому, то есть от оси плазмы к её краям. У нас этот параметр равен двум. В том же ITER – 3,1. Все токамаки, которые более 3, являются классическими. Есть современное направление токамаков – это сферические токамаки, у которых аспектное отношение меньше 2 – полтора и даже ниже – крутые такие, почти сферические камеры. Наш токамак находится как бы в пограничном положении, между классическими и сферическими токамаками. Таких установок пока ещё не было, и здесь, думаю, будут вестись интересные исследования на тему поведения плазмы. Такие установки рассматриваются в качестве гибридных будущих реакторов, или объёмных источников нейтронов.

Нижняя часть вакуумной камеры КТМ / Фото Григория Беденко

– Насколько перспективно сотрудничество с ITER? Cпасёт ли оно проект?

– В 2010 году был пробный пуск на том оборудовании и с той готовностью, которая была на тот момент. Задача была – показать, что установка «дышит» – способна работать. В том же десятом году у нас закончилось финансирование. Затем было шесть лет простоя. Всё это время мы боролись за бюджет. Ранее он был утверждён в 2006-м, и пришлось его полностью пересматривать. У нас около 80% оборудования зарубежное, и в контексте известных событий в мировой финансовой системе объект стал значительно дороже, чем изначально планировалось. В 2016-м после корректировки бюджета проекта было выделено дополнительное финансирование. Установка уже обошлась казахстанскому бюджету в 7 млрд тенге. Это строительно-монтажные работы, изготовление вакуумной камеры и электромагнитной системы.

Научным сотрудникам приходится быть мастерами на все руки / Григорий Беденко

– Что сейчас происходит? В июне был пробный пуск.

– Сейчас создание КТМ находится на своей завершающей стадии. В настоящее время проводится монтаж и наладка основных и вспомогательных систем. У нас заключён договор с генеральным подрядчиком, выигравшим тендер. Работают две компании, одна занимается строительно-монтажными работами, вторая – пусконаладочными работами. “КазИнтелгрупп” занимается строительно-монтажными работами, «Гарант Качества XXI век» – пусконаладочными. В этом году планируется завершить строительство установки. Затем до конца года будет проведён физический пуск. В 2018 году установка будет введена в эксплуатацию, и начнутся полномасштабные эксперименты. В течение 3 лет мы планируем прийти к номинальным проектным параметрам, которые заложены в установку, и дальше уже исследовать материалы.

Местами КТМ напоминает корабль пришельцев / Фото Григория Беденко

– А как у вас обстоят деле с подбором сотрудников?

– Большинство молодых специалистов – это выпускники казахстанских вузов, из Усть-Каменогорска, Павлодара и Семея. Кое-кто заканчивал российские вузы, например, Томский политехнический университет. Вопрос с кадрами стоит остро. По проекту должно быть около 120 человек, работают человек 40. В следующем году, когда комплекс будет введён в эксплуатацию, тогда будет набор. Но найти специалистов в данном направлении – это отдельная непростая задача.

Дмитрий Ольховик

Токамак в Казахстане

Казахстанская установка была построена к 2010 году на специально отведённой площадке в административной зоне бывшего Семипалатинского полигона – городе Курчатове. Комплекс состоит из нескольких технологических зданий, в которых размещены узлы и агрегаты токамака, а также мастерские, помещения для обработки данных, размещения персонала и т.п. Проект был разработан в России на базе Национального центра термоядерных исследований (Курчатовский институт). Вакуумную камеру, магнитные катушки и прочее проектировали и собирали в НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Евремова (НИИ ЭФА), автоматику – в Томском политехническом институте. Участниками проекта с российской стороны также стали Всероссийский институт токов (НИИ ТВЧ), ТРИНИТИ (Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Генеральным проектировщиком от Казахстана выступило ТОО “Промэнергопроект”, а непосредственно монтировало комплекс УПК “Казэлектромонтаж”. После завершения всех работ КТМ был запущен и дал первую плазму. Затем финансирование проекта свернули, и токамак на долгие шесть лет превратился в дорогостоящий высокотехнологичный туристический объект.

Монтаж оборудования дооснащения КТМ / Григорий Беденко

Вторая жизнь КТМ

Перезагрузка проекта произошла накануне ЭКСПО-2017 в Астане. Он отлично стыковался с концепцией Всемирной выставки, посвящённой энергии будущего. Девятого июня установка была вновь запущена в присутствии большого количества журналистов. На пуске присутствовали российские разработчики. Как было заявлено в ходе торжественного мероприятия, цель первого этапа физического пуска – отладка и проверка штатных систем КТМ. Также, по словам руководителя Национального ядерного центра РК Эрлана Батырбекова, на базе казахстанского токамака учёные из разных стран смогут проводить широкий спектр исследований, в том числе по модернизации существующих промышленных реакторов.

Преобразователь переменного тока для КТМ имеет футуристический вид / Григорий Беденко

Бауржан Чектыбаев / Григорий Беденко

Устройство[ | код]

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.

Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:

• нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев);
• создаёт вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным (то есть направленное вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).

Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя так называемые «магнитные поверхности» тороидальной формы.

Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счёт увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке пока ограничено несколькими секундами. Для преодоления этого ограничения разработаны дополнительные способы поддержания тока. Для этого может быть использована инжекция в плазму ускоренных нейтральных атомов дейтерия или трития или микроволновое излучение.

Кроме тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси камеры токамака.

Одного только нагрева за счёт протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на так называемых резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.

А теперь вернёмся к тем особенностям, которые были изложены в начале статьи

1. Использование генератора дважды

В данном примере, список будет содержать элементы только в первом случае, потому что генераторное выражение — это итератор, а итераторы, как мы уже знаем — сущности одноразовые. И при повторном использовании не будут отдавать никаких элементов.

2. Проверка вхождения элемента в генератор

А теперь дважды проверим, входит ли элемент в последовательность:

В данном примере, элемент будет входить в последовательность только 1 раз, по причине того, что проверка на вхождение проверяется путем перебора всех элементов последовательности последовательно, и как только элемент обнаружен, поиск прекращается. Для наглядности приведу пример:

Как мы видим, при создании списка из генераторного выражения, в нём оказываются все элементы, после искомого. При повторном же создании, вполне ожидаемо, список оказывается пуст.

3. Распаковка словаря

При использовании в цикле , словарь будет отдавать ключи:

Так как распаковка опирается на тот же протокол итератора, то и в переменных оказываются именно ключи:

Отличия цикла for в Python от других языков

Стоит отдельно остановиться на том, что цикл , в Python, устроен несколько иначе, чем в большинстве других языков. Он больше похож на , или же .

Если же, мы перепишем цикл с помощью цикла , используя индексы, то работать такой подход будет только с последовательностями:

А с итерируемыми объектами, последовательностями не являющимися, не будет:

Если же вам нужен , то следует использовать встроенную функцию :

Цикл использует итераторы

Как мы могли убедиться, цикл не использует индексы. Вместо этого он использует так называемые итераторы.

Итераторы — это такие штуки, которые, очевидно, можно итерировать 🙂
Получить итератор мы можем из любого итерируемого объекта.

Для этого нужно передать итерируемый объект во встроенную функцию :

После того, как мы получили итератор, мы можем передать его встроенной функции .

При каждом новом вызове, функция отдаёт один элемент. Если же в итераторе элементов больше не осталось, то функция породит исключение .

По-сути, это единственное, что мы может сделать с итератором: передать его функции .
Как только итератор становится пустым и порождается исключение , он становится совершенно бесполезным.

Безопасна ли реакция термоядерного синтеза

Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.

Все из-за того, что плотность плазмы в миллион раз меньше плотности атмосферы. Благодаря такой особенности работы, взрыв из-за внутреннего давления просто невозможен. Да и если температура начнет падать, плазма просто будет, как говорят физики, ”осыпаться”. Плюс, топливо подается в течение всей реакции и для ее остановки достаточно просто прекратить его подачу. Например, атомную станцию просто выключить нельзя и я уже рассказывал, почему.

Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.

А еще можно добавить, что технологию реакции термоядерного синтеза нельзя применить в военных целях. Создание плазмы вне токамака пока невозможно, а использование его самого в качестве оружия слабо осуществимо из-за того, что он не взрывается.

2008

22 Dec, 2008Issue n°63

15 Dec, 2008Issue n°62

08 Dec, 2008Issue n°61

01 Dec, 2008Issue n°60

24 Nov, 2008Issue n°59

17 Nov, 2008Issue n°58

10 Nov, 2008Issue n°57

03 Nov, 2008Issue n°56

27 Oct, 2008Issue n°55

20 Oct, 2008Issue n°54

13 Oct, 2008Issue n°53

06 Oct, 2008Issue n°52

29 Sep, 2008Issue n°51

22 Sep, 2008Issue n°50

15 Sep, 2008Issue n°49

08 Sep, 2008Issue n°48

01 Sep, 2008Issue n°47

25 Aug, 2008Issue n°46

18 Aug, 2008Issue n°45

11 Aug, 2008Issue n°44

04 Aug, 2008Issue n°43

28 Jul, 2008Issue n°42

21 Jul, 2008Issue n°41

14 Jul, 2008Issue n°40

08 Jul, 2008Issue n°39

30 Jun, 2008Issue n°38

23 Jun, 2008Issue n°37

16 Jun, 2008Issue n°36

09 Jun, 2008Issue n°35

02 Jun, 2008Issue n°34

26 May, 2008Issue n°33

19 May, 2008Issue n°32

13 May, 2008Issue n°31

05 May, 2008Issue n°30

28 Apr, 2008Issue n°29

21 Apr, 2008Issue n°28

14 Apr, 2008Issue n°27

07 Apr, 2008Issue n°26

31 Mar, 2008Issue n°25

25 Mar, 2008Issue n°24

17 Mar, 2008Issue n°23

10 Mar, 2008Issue n°22

03 Mar, 2008Issue n°21

25 Feb, 2008Issue n°20

18 Feb, 2008Issue n°19

11 Feb, 2008Issue n°18

04 Feb, 2008Issue n°17

28 Jan, 2008Issue n°16