融合が起こるとき：参加者の目を通して500メガワットのITERプロジェクト

指で説明すると、熱核反応器は、プラズマが太陽の150倍の温度の磁場に保持され、そこから3メートルのところに、ほぼ絶対ゼロケルビンの温度の巨大なコイルの冷却回路があります。実際、私たちは銀河系の中で最も暑くて最も寒い場所を1つのフードの下で取得します。反応器では、水素の2つの同位体がヘリウムに「融合」し、巨大なエネルギーで中性子を放出します。実際、これは地球上の太陽です。





ITERは、500 MWの容量のパイロットリアクターを作成する国際的なプロジェクトであり、建設段階から組み立て段階に正式に移行しました。



私たちのストーリーテラーであるVitalyKrasilnikovは、このプロジェクトに7年間取り組んできました。



VitalyはTroitsk出身です。彼はトリニティスクールNo.3（現在はリセウム）を卒業し、MEPhIの物理技術研究所で、トカマックのトピックである父親と家族の友人の例に従って学び、その後TRINITY科学センターで働きました。彼はITERで興味深い欠員を申請し、現在、人が設計した史上最大のトカマックの建設に携わっています。昨年末以来、Vitalyは同僚とともに、中性子診断の開発を監督してきました。



8月、トリニティボイリングポイントの支援を受けて、彼は「融合はいつになるのか」というウェビナーを開催しました。 ..。この記事の中心にあるのは、彼の講義とその後のQ＆Aセッションの処理されたトランスクリプトです。





それでは、熱核融合について話しましょう。



そのような冗談がありました：あなたが融合がいつになるかをあなたが尋ねたどんな年でも、彼らはあなたに答えます-10年で。今日、私たちはITERプロジェクト-国際熱核実験炉（国際実験熱核反応器）に基づいてタイミングの観点からこれらの予測を策定します。これが、この分野のすべての主要な開発が行われるバナーです。



ピーク時には、ITERは500MWの原子力発電を生産すると予想されています。これは稼働に必要な電力の10倍です。これは最も野心的なエネルギープロジェクトの1つです。今日では、世界の人口の50％以上を占める7つのパートナー国、EU諸国（単一の参加者として機能）、中国、インド、日本、ロシア、韓国、米国が参加しています。このプロジェクトはオーストラリアとカザフスタンによってサポートされています。

熱核設備の基本原理

準備ができていない聴衆のために、私はITERで具体化された主要なアイデアについて少し逸脱します。



水素同位体（重水素と三リチウム）用の実験用リアクターが構築されています。通常の水素の核が1つのプロトンで構成されている場合、重水素核には1つのプロトンと1つの中性子が含まれ、トリチウム核には1つのプロトンと2つの中性子が含まれます。重水素とトリチウムの反応の結果として、5つの要素からなる複雑な核が得られ、それはヘリウムと中性子に分解します。





ヘリウムと自由中性子の形成を伴う重水素とトリチウムの核反応



ヘリウムは害を及ぼさない不活性ガスです。自由中性子は寿命が短く、それ自体は危険ではありません。しかし、エネルギーが多いので、どういうわけか中性子を捕らえて減速し、その運動エネルギーを有効に利用する必要があります。 1つのオプションは、水を加熱し、タービンを作成し、そのエネルギーを電気に変換することです。



重水素と三量体を組み合わせるには、それらを互いに向かって分散させる必要があります。大量の場合、これは2つのガスの混合物を加熱することによって行うことができます。しかし、この反応をITERスケールで実装するには（消費電力と有効電力の一定の比率が得られます）、予備計算によれば、混合物を1億から2億度に加熱する必要があります（ケルビンまたはセルシウスでは、もはや問題ではありません）。比較のために：太陽はわずか1000万度です。実験用リアクター内の温度は10〜20倍高くする必要があります。



電界と磁界を使用して、この温度のプラズマを閉じたボリュームに保つことができます。

適切な機器の1つがソビエト連邦で提案されました。これは、「トカマク」と呼ばれるトロイダルチャンバーです。

トカマックセクションのITER核融合反応器は磁気コイルであり、磁場は「ドーナツ」内の特定の体積にプラズマを保持するように形成されます。



熱核融合の大きな展望は、3つの柱に立っています。

• 説明されている反応の燃料は実際には無限であり、地球人の既存の埋蔵量は何百万年もの間十分です。重水素は世界の海で利用可能であり、トリチウムはリチウムから無制限に生産できます。
• 制御されていない熱核反応の結果としての爆発または核破壊は、原則として不可能です。何かがうまくいかない場合、反応はただ消えます。
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トカマックは、ロシアを含め、以前に建設されました。しかし、イングランド（ジェット）にある最大のトカマックでさえ、それが生成するよりも多くのエネルギーを消費します。現在、消費電力に対する受信電力の比率は0.8から0.9です。 ITERは、結果を1桁改善し、他のプラズマ物理学を犠牲にして10の比率を達成することを計画しています。確かに、これらのプロセスを管理する方法はまだ理解されていません。



規模と温度の増加に伴い、エンジニアリングの問題は非線形的に増大します。プラズマの量は2倍になりました-コイルは4倍以上必要です。超伝導体が必要です。超伝導体は一種のサーモで包まれ、内部の温度が-270度になる必要があります。これらはすべて、重要なエンジニアリング上の課題です。





ITER：直径28メートル、高さ30メートル。重量



-3万トンこれがITERの様子です。トカマックはクライオスタットと呼ばれるフラスコに収納されています。これは、磁場コイルの超伝導体を冷却する外殻です。

トカマクの内部では、太陽の温度の100倍の温度を作成する必要があります。これは、ギャラクシーで最もホットなポイントになります。そして外には、最も寒い場所の1つである4度ケルビンがあります。

最も暑い場所と最も寒い場所の間の距離はわずか数メートルです。

テクノロジーが理論に追いついていないとき

ITER開発のほぼすべての分野で、誰も解決したことのない問題に直面しています。



たとえば、真空中で動作するように設計され、宇宙目的で使用される電子機器を考えてみましょう。ただし、宇宙にはほとんど存在しない放射線からの保護はありません。原子炉用の耐放射線鋼と電子機器がありますが、それらは真空中では機能しません（原子炉にはそのような要件はありませんでした）。これは、真空と放射線の両方に耐性のある新しい材料が必要であることを意味します。



もう1つの例は、私が使用している中性子検出器です。ITERの場合、それぞれ10個の結晶を含む数百個の検出器が必要です。現在の速度では、世界は年間約10〜50個の結晶を成長させ、2025年までに約2,000個の結晶を取得する必要があります。この要求は、既存のインストールでは満たすことができません。いくつかの西洋の研究所が技術の改良に取り組んでいます。



そして、そのような例は際限なく与えることができます。

ITERの簡単な歴史

ITERプロジェクトは、1985年にジュネーブで開催されたサミットで初めて公に議論されました。国際関係の融解のピークでした。ゴルバチョフとレーガンに代表される米国とUSSRは、熱核融合の分野における共同開発について合意した。そして、ITERの名付け親はおそらくE.P.と呼ぶことができます。このアイデアをゴルバチョフに提案したソビエトの科学者、ベリホフ。





1985年にジュネーブで開催されたサミットでのレーガンとゴルバチョフの会談。



合意に達したのはしばらくの間、ある種の空白の中に存在していましたが、2000年代初頭に返還されました。



2006年11月にエリゼ宮殿で参加7カ国間で協定が締結されたとき、ITERプロジェクトが実施されることが明らかになりました。



敷地内の建設工事は2007年に始まりました。2010年までに、森林はすでに領土で伐採され、土地は平準化され、いくつかの建物が建てられました。トカマクコンプレックスの土台を掘り始めました。写真は車と家を示しています。発掘されたピットの面積は、街のブロックのサイズです。







2011年に、財団が注がれました。





下の写真はアクティブな耐震サポートです。それらは交換可能です。それらの1つが故障した場合、特別なロボットが建物の下に登って交換します。





コンクリートスラブの上に、補強材の特別な耐震レイアウトがあり、コンクリートが注がれます。





私は2013年にプロジェクトに来ました。その後、すべての建設は地下に行き、次のようになりました：





2014年の終わりから、地上の壁の建設が始まりました。下の写真-組立棟。システムのすべての主要コンポーネントは、予備組み立てのためにシステムに入り、大型クレーンを使用してトカマックビルに移されます。







そして、これは高電圧の変電所と変圧器です。





2015年、組立棟は外壁に包まれました。





そしてこれは2016年の写真です：





下の写真は、2014年から2020年春までの進捗状況を明確に示しています。写真はさまざまな角度から撮影されましたが、大幅な改善が見られます。







そして、これが今日のプロジェクトの様子です。





厚さ1〜1.5 mの壁のコンクリートトカマックビルが2020年6月18日に完成しました（上部の金属構造は一時的なものです）。



進行状況の写真をもう少し。最初のショットはトカマックビル内で撮影されました。ITERトカマクはこのカバーの下に配置されます。遠くに組立棟と移動クレーンが見えます。





そして、これがクライオスタットのベースです。トカマックを組み立てる場所にはすでに設置されています。





2020年の初夏、ITERプロジェクトは正式に建設段階から組み立て段階に移行しました。建設現場では、コイル、真空チャンバーの部品など、大きなトカマック要素をほぼ毎週受け取ります。そして、これは新しい挑戦です。巨大なコンポーネントは、動きの精度に合わせてカスタマイズする必要があります。たとえば、真空チャンバー（1キロトン弱の重さの30メートルの構造）の製造の許容誤差は1mmです。機器は、不正確なコンポーネントの寸法に合うように調整する必要がある場合があります。



そして並行して、デザインの絶え間ない改良、図面の変更があります。

たとえば、電気技師は太いワイヤーを使用する必要があると考えています。これらは、順番に、パイプラインに適合しません。さらに、壁の穴を増やす必要があります。これは、外向きの中性子フラックスが増加することを意味します。結論：より耐放射線性の高い電子機器を開発する必要があります。

2年ごとにプロジェクトが再構築されるという冗談があります。しかし同時に、1つのステップを見逃すことはできません。8年間何もできず、最終段階でのみオンになります。あなたは最初から最後までずっと行く必要があります。

プロジェクト構造

私が言ったように、プロジェクトには7人の参加者がいます。基本合意に従い、欧州連合は45％を投資し、残りの国はそれぞれ9％を投資します。彼らは、南フランスの中央組織にお金を投資します。だけでなく、機器（インストールパーツ）と最高の心。



下の棒グラフは、加盟国が特定の分野にどのように投資しているかを示しています。





8番目の略語JFは、明らかに他の国（カザフスタンとオーストラリア）のシェアを隠しています。この分布はかなりフラットです。方向性は国によって分けられておらず、これは各分野の知識が片手に集中しないように意図的なステップです。みんな少しやってます。たとえば、ロシアは真空室の上部パイプに責任があります。彼女はまた、いくつかの診断システムを作っています。





ここでは、ロシアがトロイダルフィールドのコイル、ダイバータの一部、熱保護のいくつかのモジュール、真空チャンバーの一部を供給していることがわかります。私が詳しく述べ



たい重要な点は、ITERのプロセスの編成です。





構造の中央にはITER組織の総局長がおり、その上にはプロジェクトに参加しているすべてのパートナーの代表者を含むITER評議会があります。参加国の政府は、図に緑色で示されています。



取締役会はプロセス全体を管理し、その決定を取締役に指示します。次に、彼はそれらを現実に具現化し、多くの部門を管理します。図には3つしかありませんが、実際にはもっと多くあります。



部門は、参加国の地方機関（ホームエージェンシーと呼ばれることもあります）と通信し、研究所や業界と相互作用します。これらは、トカマックのコンポーネントとサポートシステムを構築するものです。



一部のサブシステムはITERによって直接製造されていますが、ほとんどのサブシステムは、ディレクターから特定の国の工場まで、チェーン全体を通過します。



図からわかるように、線形のプロジェクト管理はありません。地方機関は政府にアクセスでき、チェーンは閉鎖されています。この非線形性はITERの重要な機能です。さまざまな関係者があらゆる問題に関与しています。



ITERには4つの主要なフェーズがあります。





プロジェクトのタイムライン。フルキャパシティーは2035年に予定されています。その後、システムは科学的な目的とテスト技術にのみ使用されます

いわゆるステージアプローチ構成は、2025年12月までに最初のプラズマを生成するはずです。この日付は数年前に設定されており、コロナウイルスと政治的変化にもかかわらず、動いていません。

この構成では、ITERは6か月間のみ動作します。この段階を「政治的プラズマ」と呼びます。低電力では、真空チャンバー、加熱システム、磁石をチェックするのに役立ちます。その結果、真空チャンバーが機能し、プラズマが生成されていることを理解する必要があります。



さらに、プラズマ加熱システムを含む薄いシステムの追加の組み立てが開始されます。組み立てが進むにつれ、プレフュージョンパワーオ​​ペレーション1と2がそれぞれ2028年と2032年に計画されています。

最大容量は2035年12月に到達します。2035年以降、ITERはさらに10年間科学的な目的で運用されます。500MWで500秒間の55,000回の放電が計画されています。

合計の代わりに

現段階では、融着による電気の商業生産については話していません。中性子は捕捉されず、そのエネルギーは電気に変換されません。中性子は施設を離れ、建物のコンクリートの壁に閉じ込められます。粒子は部屋やセルに浸透するため、設置中は建物内に人がいません。そしてもちろん、一定の中性子衝撃を受ける材料の機械的特性は、施設の計画寿命を考慮して計算されます（施設の全稼働時間にわたる総中性子収量は約10 ^21です）。



理論的には、中性子の運動エネルギーを有効に使用する方法はいくつかあります。水を加熱してタービンを取り付けるということについては、すでに説明しました。 2番目の方法はハイブリッドです。小さなトカマックをウラン238で覆うことができ、中性子を使用してウラン崩壊反応をサポートすることができます。この場合、ウランの質量は臨界質量よりはるかに少なくなる可能性があります。いかなる状況でも爆発は起こりません。このようなハイブリッド設定で問題が発生した場合、反応は単純に消滅します。ウラニウムは、熱核反応が起こったときに現れる中性子が衝突するという事実のためにのみ機能します。そして、そのようなステーションは放射性廃棄物を生成しますが、それは安全です-それは爆発することができません。

しかし、最終的な目標は、もちろん、ウランや核廃棄物のない純粋な融合です。これが唯一の正しい目標ですが、それへの道は長く困難です。ITERがその機能を果たし、2035年から2045年までに、消費量の10倍のエネルギー出力を得ることができるかどうかという質問に答える場合、デモンストレーションステーションの構築を開始します。最良の場合、2050年までに、彼女はプロジェクトが商業的に開始されるかどうかを答えます。

ただし、この方向に移動する必要があります。そして、ITERは大変です。各参加者は9％を貢献しますが、開発の100％を受け取ります。実際、これはすべての国にとって大規模な教育プロジェクトであり、商業開発よりもはるかに費用がかかります。それにもかかわらず、プロジェクトはスケジュールどおりに進んでおり、失望することはありません。毎年彼らは彼をますます信頼しています。つまり、さらなる仕事はより良く、より速く進むべきです。





ITERの主要な建設段階が完了しました。原子炉を組み立てる時が来ました（写真-2020年3月）



一般的に、これは私たちの孫への贈り物になります。プロジェクトの進捗状況については、ITER組織のYouTubeチャンネルで説明されています。