O ITER é um projeto internacional de criação de um reator piloto com capacidade de 500 MW, que passou oficialmente da fase de construção para a fase de montagem.
Vitaly Krasilnikov - nosso contador de histórias, trabalha no projeto há sete anos.
Vitaly é de Troitsk. Formou-se na Trinity School nº 3 (agora é um Liceu), estudou no Instituto de Física e Tecnologia do MEPhI, seguindo o exemplo do pai e de amigos da família, o tema dos tokamaks, e depois trabalhou no centro científico TRINITY. Candidatou-se a uma vaga interessante no ITER e atualmente está envolvido na construção do maior tokamak já projetado pelo homem. Desde o final do ano passado, Vitaly, junto com seus colegas, supervisiona o desenvolvimento do diagnóstico de nêutrons.
Em agosto, com o apoio do nosso Trinity Boiling Point, ele realizou um webinar "Quando será a fusão?" ... No centro deste artigo está uma transcrição processada de sua palestra e subsequente sessão de perguntas e respostas.
Então, vamos falar sobre fusão termonuclear.
Havia uma piada: em qualquer ano em que você perguntou quando será a fusão, eles responderam - em 10 anos. Hoje formulamos essas previsões em termos de tempo com base no projeto ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor. Agora, esta é a bandeira sob a qual todos os grandes desenvolvimentos nesta área são realizados.
No seu pico, o ITER deverá produzir 500 MW de energia nuclear - 10 vezes o que é necessário para operá-lo. Este é um dos projetos de energia mais ambiciosos. Hoje, estão presentes sete países parceiros que representam mais de 50% da população mundial: os países da UE (atuando como um único participante), China, Índia, Japão, Rússia, Coréia e Estados Unidos. O projeto é apoiado pela Austrália e Cazaquistão.
Princípios básicos de uma instalação termonuclear
Para a parte despreparada do público, farei uma pequena digressão sobre as principais ideias incorporadas ao ITER.
Um reator experimental está sendo construído para isótopos de hidrogênio - deutério e trítio. Se o núcleo do hidrogênio comum consiste em um próton, então o núcleo do deutério contém um próton e um nêutron, e o núcleo do trítio contém um próton e dois nêutrons. Como resultado da reação do deutério e do trítio, é obtido um núcleo complexo de cinco elementos, que se desintegra em hélio e nêutron.
Reação nuclear de deutério e trítio com a formação de hélio e um nêutron livre
Hélio é um gás inerte que não faz mal. Um nêutron livre tem uma vida útil curta; ele não é perigoso em si. Mas ele tem muita energia, então o nêutron deve de alguma forma ser capturado e desacelerado, e sua energia cinética deve ser usada com benefícios. Uma opção é aquecer a água, criar uma turbina e converter essa energia em eletricidade.
Para combinar deutério e trítio, eles precisam ser dispersos um no outro. Em grandes volumes, isso pode ser feito aquecendo uma mistura de dois gases. Mas para implementar esta reação na escala ITER (tendo obtido uma dada razão de energia consumida e útil), de acordo com cálculos preliminares, será necessário aquecer a mistura a 100-200 milhões de graus (em Kelvin ou Celsius, não importa mais). Para comparação: o Sol tem apenas 10 milhões de graus, ou seja, a temperatura dentro do reator experimental deve ser 10–20 vezes mais alta.
Campos elétricos e magnéticos podem ser usados para manter um plasma desta temperatura em um volume fechado.
Um dos instrumentos adequados foi proposto na União Soviética - esta é uma câmara toroidal chamada "tokamak".
Tokamak é uma bobina magnética, onde os campos magnéticos são formados de forma que mantêm o plasma em um determinado volume dentro do "donut".
As vastas perspectivas para a fusão termonuclear se apóiam em três pilares.
- O combustível para a reação descrita é, de fato, infinito, as reservas existentes dos terráqueos serão suficientes para milhões de anos: o deutério está disponível no Oceano Mundial, e o trítio pode ser produzido em quantidades ilimitadas a partir do lítio.
- Uma explosão ou destruição nuclear como resultado de uma reação termonuclear não controlada é, em princípio, impossível. Se algo der errado, a reação simplesmente desaparece.
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Tokamaks já foram construídos antes, inclusive na Rússia. Mas mesmo o maior tokamak localizado na Inglaterra (Jet) ainda consome mais energia do que produz: agora a relação entre energia recebida e consumida é de 0,8 a 0,9. O ITER planeja melhorar os resultados em uma ordem de magnitude, alcançando uma proporção de 10 às custas de outra física de plasma, que deve se alimentar sozinha. É verdade que ainda falta entender como gerenciar esses processos.
Com o aumento da escala e da temperatura, os problemas de engenharia crescem de forma não linear. O volume de plasma dobrou - a bobina é necessária quatro vezes mais. Precisamos de supercondutores, que terão de ser embrulhados em uma espécie de garrafa térmica e fornecer uma temperatura de -270 graus em seu interior. Todos esses são desafios não triviais de engenharia.
ITER: diâmetro 28 metros, altura 30 metros. Peso - 30 mil toneladas
Esta é a aparência do ITER. O tokamak está alojado em um frasco chamado criostato. É a camada externa que resfria os supercondutores das bobinas do campo magnético.
Dentro do tokamak, é necessário criar uma temperatura 100 vezes superior à temperatura do Sol - este será o ponto mais quente da nossa Galáxia. E lá fora haverá um dos pontos mais frios - 4 graus Kelvin.A distância entre os pontos mais quentes e mais frios é de apenas alguns metros.
Quando a tecnologia não acompanha a teoria
Em quase todas as áreas de desenvolvimento do ITER, enfrentamos problemas que ninguém jamais resolveu.
Tomemos, por exemplo, eletrônicos projetados para operar no vácuo e usados para fins espaciais. No entanto, não tem proteção contra radiação, que é quase inexistente no espaço. Existem aço e componentes eletrônicos resistentes à radiação para reatores nucleares, mas eles não são capazes de funcionar no vácuo (simplesmente não havia tais requisitos em reatores). Isso significa que precisamos de novos materiais que sejam resistentes ao vácuo e à radiação.
Outro exemplo são os detectores de nêutrons com os quais trabalho. Para o ITER, precisamos de várias centenas de detectores, 10 cristais cada. No ritmo atual, o mundo produz cerca de 10-50 cristais por ano e, em 2025, cerca de 2.000 cristais precisarão ser obtidos. Esta demanda não pode ser atendida por instalações existentes. Vários laboratórios ocidentais estão trabalhando para refinar a tecnologia.
E esses exemplos podem ser dados indefinidamente.
Uma breve história do ITER
Pela primeira vez, o projeto ITER foi discutido publicamente em 1985 na cúpula de Genebra - no auge do degelo das relações internacionais. Os EUA e a URSS - representada por Gorbachev e Reagan - concordaram em desenvolvimentos conjuntos no campo da fusão termonuclear. E o padrinho do ITER, talvez, possa se chamar E.P. Velikhov , um cientista soviético que propôs essa ideia a Gorbachev.
O encontro entre Reagan e Gorbachev na cúpula de Genebra, 1985.
Por algum tempo, o acordo alcançado existiu em uma espécie de vácuo, mas no início dos anos 2000 foi devolvido.
Quando, em novembro de 2006, um acordo foi assinado entre os sete países participantes no Palácio do Eliseu, ficou claro que o projeto ITER seria implementado.
As obras de construção do local começaram em 2007. Em 2010, a floresta já havia sido derrubada no território, o terreno foi nivelado e várias edificações foram construídas. Começamos a cavar um fosso de fundação para o complexo tokamak. A foto mostra carros e casas. A área da cova escavada é do tamanho de um quarteirão.
Em 2011, a fundação foi lançada.
Abaixo na foto estão os suportes sísmicos ativos. Eles são substituíveis: se um deles falhar, um robô especial subirá sob o prédio e o substituirá.
No topo da laje de concreto há um layout especial anti-sísmico da armadura, que será concretado.
Eu vim para o projeto em 2013. Então toda a construção foi subterrânea e parecia algo assim:
A partir do final de 2014, iniciou-se a construção de paredes acima do solo. Na foto abaixo - Edifício de Montagem. Todos os principais componentes do sistema entrarão nele para montagem preliminar e serão transferidos para o edifício tokamak usando um grande guindaste.
E esta é uma subestação de alta tensão e transformadores.
Em 2015, o Edifício de Montagem foi envolvido nas paredes externas.
E esta é uma foto de 2016:
E a foto abaixo mostra claramente o progresso de 2014 até a primavera de 2020. As fotos foram tiradas de ângulos diferentes, mas mostram melhorias significativas.
E é assim que o projeto se parece hoje:
O edifício tokamak de concreto com paredes de 1 a 1,5 m de espessura foi concluído em 18 de junho de 2020 (a estrutura de metal no topo é temporária).
Mais algumas fotos do progresso. A primeira foto foi tirada dentro do edifício tokamak. O tokamak ITER estará localizado sob esta capa. À distância, você pode ver o edifício de montagem e o guindaste em movimento.
E esta é a base do criostato. Já foi instalado onde o tokamak será montado.
No início do verão de 2020, o projeto ITER passou oficialmente da fase de construção para a fase de montagem. Quase todas as semanas, recebemos grandes elementos tokamak no canteiro de obras: bobinas, peças de uma câmara de vácuo. E este é um novo desafio. Componentes enormes devem ser personalizados com a precisão do movimento. Por exemplo, as tolerâncias para a fabricação de uma câmara de vácuo (uma estrutura de 30 metros pesando um pouco menos de um quiloton) é de 1 mm. O equipamento pode precisar ser ajustado para se ajustar a dimensões imprecisas do componente.
E em paralelo há um constante refinamento do design, alteração de desenhos.
Por exemplo, eletricistas descobriram que fios mais grossos deveriam ser usados. Esses, por sua vez, não cabem nos dutos, além disso você terá que aumentar os furos nas paredes. Isso significa que o fluxo de nêutrons para fora aumentará. Resumindo: eletrônicos mais resistentes à radiação terão que ser desenvolvidos.Há uma piada que a cada dois anos o projeto é reconstruído. Mas, ao mesmo tempo, nenhum passo pode ser perdido: você não pode fazer nada por oito anos, ligando apenas no estágio final. É necessário percorrer todo o caminho do início ao fim.
Estrutura do projeto
Como eu disse, o projeto tem sete participantes. Pelo acordo básico, a União Européia investe 45%, o restante dos países 9% cada. Eles investem em uma organização central no sul da França. Bem como equipamentos (peças de instalação) e as melhores cabeças.
O gráfico de barras abaixo mostra como os países membros estão investindo em áreas individuais.
A oitava abreviatura JF, aparentemente, esconde a participação de outros países (Cazaquistão e Austrália). Esta distribuição é bastante plana. As direções não são divididas entre os países, e esta é uma etapa deliberada para que o conhecimento em cada uma das áreas não fique concentrado em uma mão. Todo mundo faz um pouco. Por exemplo, a Rússia é responsável pelos tubos superiores da câmara de vácuo. Ela também faz vários sistemas de diagnóstico.
Vê-se aqui que a Rússia fornece bobinas de um campo toroidal, parte de divertores, vários módulos de proteção térmica, parte de uma câmara de vácuo
Um ponto importante, que gostaria de me deter, é a organização dos processos no ITER.
No centro da estrutura está o Diretor-Geral da Organização ITER, acima dele está o Conselho ITER, que inclui representantes de todos os parceiros participantes do projeto. Os governos dos países participantes são mostrados em verde no diagrama.
O conselho administra todo o processo, ditando suas decisões ao diretor. Ele, por sua vez, os incorpora em realidade, gerenciando vários departamentos. Existem apenas três deles no diagrama, na realidade, há muito mais deles.
Os departamentos se comunicam com as agências locais dos países participantes (às vezes chamadas de agências locais) e interagem com os laboratórios e a indústria - são eles que constroem os componentes do tokamak e dos sistemas de suporte.
Alguns subsistemas são fabricados diretamente pelo ITER, mas a maioria ainda passa por toda a cadeia - do diretor à fábrica em um determinado país.
Como você pode ver no diagrama, não há gerenciamento de projeto linear. Agências locais têm acesso a seus governos e a rede é fechada. Esta não linearidade é uma característica importante do ITER: diferentes partes estão envolvidas em qualquer questão.
Existem quatro fases principais definidas para o ITER.
Linha do tempo do projeto. A capacidade total está programada para 2035. Depois disso, o sistema será usado apenas para fins científicos e para testar tecnologias
A chamada Configuração de Abordagem de Estágio deve produzir o primeiro plasma até dezembro de 2025. Esta data foi fixada há vários anos e não está mudando, apesar do coronavírus e das mudanças políticas.Nesta configuração, o ITER funcionará por apenas seis meses. Chamamos essa fase de "plasma político": em baixa potência, nos ajudará a verificar a câmara de vácuo, o sistema de aquecimento, os ímãs. Como resultado, devemos entender que a câmara de vácuo está funcionando e um plasma está sendo criado.
Além disso, a montagem adicional de sistemas finos, incluindo sistemas de aquecimento de plasma, começará. Conforme a montagem avança, as operações de energia de pré-fusão 1 e 2 estão planejadas para 2028 e 2032, respectivamente.
A capacidade máxima será atingida em dezembro de 2035. Após 2035, o ITER funcionará para fins científicos por mais 10 anos. Estão previstas 5,5 mil descargas de 500 MW por 500 segundos.
Em vez de totais
Não se trata, nesta fase, de produção comercial de eletricidade por fusão termonuclear. Os nêutrons não serão capturados e sua energia não será convertida em eletricidade. Os nêutrons deixarão a instalação e ficarão presos nas paredes de concreto do edifício. As partículas penetrarão nos quartos e células, portanto, não haverá pessoas no prédio durante a instalação. E as propriedades mecânicas dos materiais sujeitos a bombardeamento de nêutrons constantes são, é claro, calculadas levando em consideração a vida útil planejada da instalação (o rendimento total de nêutrons durante todo o tempo de operação da instalação é de cerca de 10 21 ).
Em teoria, existem várias maneiras de usar a energia cinética dos nêutrons para o bem. Já mencionei um - esquentar a água e ligar a turbina. A segunda maneira é híbrida. Um pequeno tokamak pode ser sobreposto com urânio-238 e nêutrons podem ser usados para apoiar a reação de decaimento do urânio. Neste caso, a massa de urânio pode ser muito menor do que a crítica, ou seja, explosão não ocorrerá em nenhuma circunstância. Se algo der errado em uma configuração híbrida, a reação simplesmente desaparecerá. O urânio só funcionará devido ao fato de ser bombardeado por nêutrons que aparecem quando ocorre uma reação termonuclear. E embora tal estação produza lixo radioativo, é segura - não pode explodir.
Mas o objetivo final é, obviamente, a fusão pura, sem urânio ou lixo nuclear. Este é o único objetivo correto, mas o caminho para ele é longo e difícil. Se o ITER cumprir sua função e até 2035–2045 responder à pergunta se é possível obter 10 vezes mais produção de energia do que o gasto, começaremos a construir uma estação de demonstração. Na melhor das hipóteses, até 2050, ela responderá se o projeto terá um início comercial.No entanto, é preciso caminhar nessa direção. E o ITER é um ótimo negócio. Cada participante contribui com 9%, mas recebe 100% do desenvolvimento. Na verdade, este é um grande projeto educacional para todos os países, que custa muito mais do que qualquer desenvolvimento comercial. Apesar disso, o projeto segue dentro do cronograma e não decepciona. A cada ano eles confiam nele cada vez mais, o que significa que o trabalho futuro deve ser melhor e mais rápido.
A principal fase de construção do ITER foi concluída. Chegou a hora de montar o reator (foto - março de 2020)
Em geral, será um presente para nossos netos. O andamento do projeto é descrito no canal da Organização ITER no YouTube .