ITER merupakan proyek internasional untuk membuat reaktor percontohan berkapasitas 500 MW yang telah resmi lolos dari tahap konstruksi ke tahap perakitan.
Vitaly Krasilnikov - pendongeng kami, telah mengerjakan proyek ini selama tujuh tahun.
Vitaly berasal dari Troitsk. Ia lulus dari Trinity School No. 3 (sekarang Lyceum), belajar di Physicotechnical Institute di MEPhI, mengikuti teladan ayah dan teman-teman keluarganya, topik tokamak, dan kemudian bekerja di pusat ilmiah TRINITY. Dia melamar lowongan yang menarik di ITER dan saat ini terlibat dalam pembangunan tokamak terbesar yang pernah dirancang oleh manusia. Sejak akhir tahun lalu, Vitaly bersama rekan-rekannya mengawasi perkembangan diagnosa neutron.
Pada bulan Agustus, dengan dukungan dari Trinity Boiling Point kami, dia mengadakan webinar "Kapan fusi akan dilakukan?" ... Inti dari artikel ini adalah transkrip proses dari kuliahnya dan sesi tanya jawab berikutnya.
Jadi mari kita bicara tentang fusi termonuklir.
Ada lelucon seperti itu: pada tahun berapa pun Anda bertanya kapan fusi akan terjadi, mereka menjawab Anda - dalam 10 tahun. Hari ini kami merumuskan perkiraan tersebut dalam hal waktu berdasarkan proyek ITER - Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional (Reaktor Termonuklir Eksperimental Internasional). Sekarang ini adalah panji di mana semua perkembangan besar di bidang ini dilakukan.
Pada puncaknya, ITER diharapkan menghasilkan 500 MW tenaga nuklir - 10 kali lipat dari yang dibutuhkan untuk menjalankannya. Ini adalah salah satu proyek energi paling ambisius. Hari ini dihadiri oleh tujuh negara mitra yang mewakili lebih dari 50% populasi dunia: negara-negara UE (bertindak sebagai peserta tunggal), Cina, India, Jepang, Rusia, Korea, dan Amerika Serikat. Proyek ini didukung oleh Australia dan Kazakhstan.
Prinsip dasar instalasi termonuklir
Untuk penonton yang tidak siap, saya akan sedikit menyimpang tentang ide-ide utama yang terkandung dalam ITER.
Sebuah reaktor eksperimental sedang dibangun untuk isotop hidrogen - deuterium dan tritium. Jika inti hidrogen biasa terdiri dari satu proton, maka inti deuterium mengandung satu proton dan satu neutron, dan inti tritium mengandung satu proton dan dua neutron. Sebagai hasil dari reaksi deuterium dan tritium, inti kompleks yang terdiri dari lima unsur diperoleh, yang hancur menjadi helium dan neutron.
Reaksi nuklir deuterium dan tritium dengan pembentukan helium dan neutron bebas
Helium adalah gas inert yang tidak membahayakan. Neutron gratis memiliki masa hidup yang singkat; ia sendiri tidak berbahaya. Tetapi ia memiliki banyak energi, sehingga neutron entah bagaimana harus ditangkap dan diperlambat, dan energi kinetiknya harus digunakan dengan baik. Salah satu opsinya adalah memanaskan air, membuat turbin, dan mengubah energi itu menjadi listrik.
Untuk menggabungkan deuterium dan tritium, keduanya harus tersebar satu sama lain. Dalam volume besar, ini bisa dilakukan dengan memanaskan campuran dua gas. Tetapi untuk mengimplementasikan reaksi ini pada skala ITER (setelah memperoleh rasio daya yang dikonsumsi dan berguna), menurut perhitungan awal, perlu memanaskan campuran hingga 100-200 juta derajat (dalam Kelvin atau Celcius, tidak masalah lagi). Sebagai perbandingan: Matahari hanya 10 juta derajat, yaitu. suhu di dalam reaktor percobaan harus 10-20 kali lebih tinggi.
Medan listrik dan magnet dapat digunakan untuk menjaga plasma dari suhu ini dalam volume tertutup.
Salah satu instrumen yang sesuai telah diusulkan kembali di Uni Soviet - ini adalah ruang toroidal, yang disebut "tokamak".
Tokamak adalah kumparan magnet, dimana medan magnet dibentuk sedemikian rupa sehingga menahan plasma dalam volume tertentu di dalam "donat".
Prospek besar untuk fusi termonuklir berdiri di atas tiga pilar.
- Bahan bakar untuk reaksi yang dijelaskan sebenarnya tak terbatas, cadangan penduduk bumi yang ada akan cukup untuk jutaan tahun: deuterium tersedia di Samudra Dunia, dan tritium dapat diproduksi dalam jumlah tak terbatas dari litium.
- Ledakan atau kehancuran nuklir sebagai akibat dari reaksi termonuklir yang tidak terkendali pada prinsipnya tidak mungkin. Jika ada yang tidak beres, reaksinya hilang begitu saja.
- — . , , , . , , , .
Tokamaks sudah pernah dibangun sebelumnya, termasuk di Rusia. Tetapi bahkan tokamak terbesar, yang terletak di Inggris (Jet), masih mengkonsumsi lebih banyak energi daripada yang dihasilkannya: sekarang rasio daya yang diterima untuk dikonsumsi adalah dari 0,8 hingga 0,9. ITER berencana untuk meningkatkan hasil dengan urutan besarnya, mencapai rasio 10 dengan mengorbankan fisika plasma lainnya, yang seharusnya memberi makan sendiri. Benar, masih harus dipahami bagaimana mengelola proses ini.
Dengan meningkatnya skala dan suhu, masalah teknik tumbuh secara non-linier. Volume plasma menjadi dua kali lipat - kumparan dibutuhkan empat kali lebih banyak. Kami membutuhkan superkonduktor, yang harus dibungkus dengan semacam termos dan menyediakan suhu -270 derajat di dalamnya. Ini semua adalah tantangan teknik yang tidak sepele.
ITER: diameter 28 meter, tinggi 30 meter. Berat - 30 ribu ton
Seperti inilah ITER. Tokamak disimpan dalam termos yang disebut cryostat. Ini adalah kulit terluar yang mendinginkan superkonduktor dari kumparan medan magnet.
Di dalam tokamak, perlu untuk membuat suhu 100 kali lebih tinggi dari suhu Matahari - ini akan menjadi titik terpanas di galaksi kita. Dan di luar akan ada salah satu tempat terdingin - 4 derajat Kelvin.Jarak titik terpanas dan terdingin hanya beberapa meter.
Ketika teknologi tidak mengikuti teori
Di hampir semua bidang pengembangan ITER, kami dihadapkan pada masalah yang belum pernah dipecahkan oleh siapa pun.
Ambil contoh, elektronik yang dirancang untuk beroperasi dalam ruang hampa dan digunakan untuk keperluan luar angkasa. Namun, ia tidak memiliki perlindungan dari radiasi, yang hampir tidak ada di luar angkasa. Ada baja tahan radiasi dan elektronik untuk reaktor nuklir, tetapi mereka tidak dapat bekerja dalam ruang hampa (tidak ada persyaratan seperti itu di reaktor). Artinya, kita membutuhkan material baru yang tahan terhadap vakum dan radiasi.
Contoh lain adalah detektor neutron yang saya gunakan. Untuk ITER, kami membutuhkan beberapa ratus detektor, masing-masing 10 kristal. Dengan kecepatan saat ini, dunia menumbuhkan sekitar 10-50 kristal setahun, dan pada tahun 2025, sekitar 2.000 kristal perlu diperoleh. Permintaan ini tidak dapat dipenuhi oleh instalasi yang ada. Beberapa laboratorium Barat sedang bekerja untuk menyempurnakan teknologi tersebut.
Dan contoh seperti itu dapat diberikan tanpa akhir.
Sejarah singkat ITER
Untuk pertama kalinya, proyek ITER dibahas secara terbuka pada tahun 1985 pada pertemuan puncak di Jenewa - pada puncak pencairan hubungan internasional. AS dan Uni Soviet - diwakili oleh Gorbachev dan Reagan - menyepakati pengembangan bersama di bidang fusi termonuklir. Dan bapak baptis ITER, mungkin, bisa disebut E.P. Velikhov , seorang ilmuwan Soviet yang mengusulkan ide ini ke Gorbachev.
Pertemuan antara Reagan dan Gorbachev pada KTT di Jenewa, 1985.
Untuk beberapa waktu kesepakatan yang dicapai ada dalam semacam kekosongan, tetapi di awal tahun 2000-an itu dikembalikan.
Ketika kesepakatan ditandatangani antara tujuh negara peserta pada November 2006 di Istana Elysee, jelaslah bahwa proyek ITER akan dilaksanakan.
Pekerjaan konstruksi di situs dimulai pada 2007. Pada 2010, hutan telah ditebang di wilayah tersebut, tanah diratakan, dan beberapa bangunan dibangun. Kami mulai menggali lubang pondasi untuk kompleks tokamak. Foto menunjukkan mobil dan rumah. Luas lubang galian adalah seukuran blok kota.
Pada 2011, pondasi dituangkan.
Di bawah ini di foto adalah pendukung seismik aktif. Mereka dapat diganti: jika salah satu dari mereka gagal, robot khusus akan naik ke bawah gedung dan menggantinya.
Di atas pelat beton ada tata letak tulangan anti-gempa khusus, yang akan dituangkan dengan beton.
Saya datang ke proyek pada tahun 2013. Kemudian semua konstruksi dilakukan di bawah tanah dan terlihat seperti ini:
Sejak akhir 2014, pembangunan tembok di atas tanah dimulai. Pada foto di bawah - Gedung Perakitan. Semua komponen utama sistem akan masuk untuk perakitan awal, dan akan dipindahkan ke gedung tokamak menggunakan derek besar.
Dan ini adalah gardu induk dan trafo tegangan tinggi.
Pada 2015, Gedung Perakitan dibalut di dinding luar.
Dan ini adalah foto tahun 2016:
Dan foto di bawah ini dengan jelas menunjukkan kemajuan dari 2014 hingga musim semi 2020. Foto-foto tersebut diambil dari berbagai sudut, tetapi menunjukkan peningkatan yang signifikan.
Dan seperti inilah tampilan proyek hari ini:
Pembangunan beton tokamak dengan tebal dinding 1-1,5 m selesai pada tanggal 18 Juni 2020 (struktur logam di atasnya bersifat sementara).
Beberapa foto pengerjaan lagi. Bidikan pertama diambil di dalam gedung tokamak. Tokamak ITER akan ditempatkan di bawah sampul ini. Di kejauhan Anda bisa melihat gedung perakitan dan derek yang bergerak.
Dan ini adalah dasar dari cryostat. Sudah terpasang dimana tokamak akan dirakit.
Pada awal musim panas tahun 2020, proyek ITER resmi berpindah dari tahap konstruksi ke tahap perakitan. Kami menerima elemen tokamak besar di lokasi konstruksi hampir setiap minggu: gulungan, bagian dari ruang vakum. Dan ini tantangan baru. Komponen besar harus disesuaikan dengan ketepatan gerakan. Misalnya, toleransi untuk pembuatan ruang vakum (struktur 30 meter dengan berat kurang dari satu kiloton) adalah 1 mm. Peralatan mungkin perlu disesuaikan agar sesuai dengan dimensi komponen yang tidak akurat.
Dan secara paralel ada perbaikan konstan pada desain, perubahan gambar.
Misalnya, teknisi listrik telah mengetahui bahwa kabel yang lebih tebal harus digunakan. Itu, pada gilirannya, tidak cocok dengan pipa, ditambah lagi Anda harus menambah lubang di dinding. Ini berarti fluks neutron luar akan meningkat. Intinya: lebih banyak elektronik tahan radiasi harus dikembangkan.Ada lelucon bahwa setiap dua tahun proyek ini dibangun kembali. Tetapi pada saat yang sama, tidak ada satu langkah pun yang dapat terlewatkan: Anda tidak dapat melakukan apa pun selama delapan tahun, hanya menyala di tahap akhir. Itu harus dilakukan jauh-jauh dari awal hingga akhir.
Struktur proyek
Seperti yang saya katakan, proyek ini memiliki tujuh peserta. Sesuai dengan kesepakatan dasar, Uni Eropa menginvestasikan 45%, sisanya masing-masing negara 9%. Mereka menginvestasikan uang - dalam organisasi pusat di selatan Prancis. Serta peralatan (suku cadang instalasi) dan pikiran terbaik.
Bagan batang di bawah ini menunjukkan bagaimana negara-negara anggota berinvestasi di area individu.
Singkatan kedelapan JF, tampaknya, menyembunyikan pangsa negara lain (Kazakhstan dan Australia). Distribusi ini cukup datar. Arahan tidak terbagi antar negara, dan ini merupakan langkah yang disengaja agar pengetahuan di masing-masing bidang tidak terkonsentrasi di satu tangan. Setiap orang melakukan sedikit. Misalnya, Rusia bertanggung jawab atas pipa atas ruang vakum. Dia juga membuat beberapa sistem diagnostik.
Dapat dilihat di sini bahwa Rusia memasok kumparan bidang toroidal, bagian pengalih, beberapa modul perlindungan termal, bagian dari ruang hampa.
Poin penting, yang ingin saya bahas , adalah organisasi proses di ITER.
Di tengah struktur adalah Direktur Jenderal Organisasi ITER, di atasnya adalah Dewan ITER, yang mencakup perwakilan dari semua mitra yang berpartisipasi dalam proyek. Pemerintah negara peserta ditunjukkan dengan warna hijau pada diagram.
Dewan mengelola seluruh proses, mendikte keputusannya kepada direktur. Dia, pada gilirannya, mewujudkannya menjadi kenyataan, mengelola sejumlah departemen. Hanya ada tiga dari mereka di diagram, pada kenyataannya ada lebih banyak dari mereka.
Departemen berkomunikasi dengan agen lokal dari negara peserta (terkadang disebut agen rumah), dan mereka berinteraksi dengan laboratorium dan industri - merekalah yang membangun komponen tokamak dan sistem pendukungnya.
Beberapa subsistem diproduksi langsung oleh ITER, tetapi sebagian besar masih melalui seluruh rantai - dari direktur hingga pabrik di negara tertentu.
Seperti yang Anda lihat dari diagram, tidak ada manajemen proyek linier. Agen lokal memiliki akses ke pemerintah mereka, dan rantai ditutup. Non-linearitas ini adalah fitur penting dari ITER: berbagai pihak terlibat dalam masalah apa pun.
Ada empat tahapan utama yang ditentukan untuk ITER.
Garis waktu proyek. Kapasitas penuh dijadwalkan pada tahun 2035. Setelah itu sistem hanya akan digunakan untuk tujuan ilmiah dan untuk pengujian teknologi
Yang disebut Konfigurasi Pendekatan Tahap harus menghasilkan plasma pertama pada Desember 2025. Tanggal ini ditetapkan beberapa tahun yang lalu, dan itu tidak bergerak, meskipun ada perubahan politik dan virus corona.Dalam konfigurasi ini, ITER hanya akan beroperasi selama enam bulan. Kami menyebut tahap ini "plasma politik": dengan daya rendah, ini akan membantu kami memeriksa ruang vakum, sistem pemanas, magnet. Akibatnya, kita harus memahami bahwa ruang hampa berfungsi dan plasma sedang dibuat.
Selanjutnya, perakitan tambahan sistem tipis, termasuk sistem pemanas plasma, akan dimulai. Saat perakitan berlangsung, operasi daya prefusi 1 dan 2 direncanakan masing-masing untuk tahun 2028 dan 2032.
Kapasitas maksimal akan tercapai pada Desember 2035. Setelah 2035, ITER akan beroperasi untuk tujuan ilmiah selama 10 tahun lagi. 5,5 ribu debit 500 MW selama 500 detik direncanakan.
Alih-alih total
Pada tahap ini, kita tidak sedang membicarakan produksi komersial listrik melalui fusi. Neutron tidak akan ditangkap dan energinya tidak akan diubah menjadi listrik. Neutron akan meninggalkan instalasi dan akan terjebak oleh dinding beton bangunan. Partikel akan menembus ruangan dan sel, sehingga tidak akan ada orang di dalam gedung selama pemasangan. Dan sifat mekanik material yang mengalami bombardir neutron konstan, tentu saja, dihitung dengan mempertimbangkan masa pakai fasilitas yang direncanakan (total hasil neutron selama seluruh waktu operasi fasilitas adalah sekitar 10 21 ).
Secara teori, ada beberapa cara untuk menggunakan energi kinetik neutron demi kebaikan. Saya sudah menyebutkan satu - untuk memanaskan air dan menyalakan turbin. Cara kedua adalah hibrida. Sebuah tokamak kecil dapat dilapisi dengan uranium-238 dan neutron dapat digunakan untuk mendukung reaksi peluruhan uranium. Dalam hal ini, massa uranium bisa jauh lebih kecil daripada massa kritisnya, yaitu. ledakan tidak akan terjadi dalam kondisi apapun. Jika ada yang salah dalam pengaturan hybrid seperti itu, reaksinya akan mati begitu saja. Uranium akan bekerja hanya karena fakta bahwa ia dibombardir oleh neutron yang muncul saat reaksi termonuklir terjadi. Dan meskipun stasiun semacam itu menghasilkan limbah radioaktif, stasiun itu aman - tidak bisa meledak.
Tapi tujuan akhirnya, tentu saja, fusi murni, di mana tidak ada uranium dan limbah nuklir. Ini adalah satu-satunya tujuan yang benar, tetapi jalannya panjang dan sulit. Jika ITER memenuhi fungsinya dan pada tahun 2035–2045 akan menjawab pertanyaan apakah mungkin mendapatkan keluaran energi 10 kali lebih banyak daripada yang dihabiskan, kami akan mulai membangun stasiun demonstrasi. Dalam kasus terbaik, pada tahun 2050, dia akan menjawab apakah proyek tersebut akan dimulai secara komersial.Namun, perlu untuk bergerak ke arah ini. Dan ITER sangat bagus. Setiap peserta memberikan kontribusi 9%, tetapi menerima 100% dari pengembangan. Sebenarnya, ini adalah proyek pendidikan besar untuk semua negara, yang biayanya jauh lebih mahal daripada pengembangan komersial mana pun. Meskipun demikian, proyek tetap berjalan sesuai jadwal dan tidak mengecewakan. Setiap tahun mereka semakin mempercayainya, yang berarti bahwa pekerjaan selanjutnya harus berjalan lebih baik dan lebih cepat.
Tahap konstruksi utama ITER telah selesai. Waktunya telah tiba untuk merakit reaktor (foto - Maret 2020)
Secara umum ini akan menjadi hadiah untuk cucu kita. Bagaimana kemajuan proyek dijelaskan di saluran YouTube Organisasi ITER .