Гонка термоядерных реакторов: дайджест индустрии 4.0 № 17

См. также

Как это работает

Термоядерная энергетика пытается скопировать процессы, которые происходят внутри звезд: там при сверхвысоких температурах и давлении сливаются ядра изотопов водорода и выделяют огромную энергию.

Чтобы достичь этого на Земле, необходимы особые условия (например, температура в 10 раз большая, чем в ядре Солнца) – их создают в термоядерном реакторе. В его основе, по крайней мере, по самой распространенной схеме, которую использует ITER, – токамак, по форме напоминающая бублик вакуумная камера с магнитными катушками. Первые токамаки появились в СССР еще в 1960-х, для ITER построят самый большой токамак в мире объемом 830 м3.

В токамак запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, а чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем; через саму плазму пропускают ток. Мощное магнитное поле обеспечивают в свою очередь сверхпроводящие магниты, которые нужно охладить в вакуумной камере до практически абсолютного нуля – 268°C. Физически же они будут находиться буквально в полуметре от раскаленной до 150 000 000°C плазмы. Обеспечить беспроблемную работу техники в таких условиях – сложнейшая инженерная задача.

Современные токамаки выделяют меньше энергии, чем расходуется на нагрев системы, для генерации их пока приспособить не получается. Лучший результат – у британского JET, который возвращает до 67% затраченной энергии. За счет масштаба конструкции ITER (это будет громадина высотой с девятиэтажный дом, примерно такого же диаметра) создатели рассчитывают, что реактор сможет выделять энергии в десять раз больше, чем расходуется на нагрев плазмы (отдавать 500 МВт с 50 МВт). Этот момент – принципиальный для построения термоядерных электростанций в будущем.

Но ITER не будет производить электричество: вся выделенная энергия уйдет лишь на нагрев стенок токамака. Хотя если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом (с 2030 года) станет прототип термоядерного реактора для электростанций, DEMO – они должны появиться в 2040-50-х годах. О желании построить такие реакторы заявили Индия, Россия, Южная Корея и Япония.

Модель реактора ITER

Важнейшая цель ITER – показать возможность генерации энергии термоядерным реактором. Для этого необходимо будет обеспечить управляемое производство “горящей плазмы” (с ней реакция синтеза будет самоподдерживающейся) и достичь самовоспроизводства трития, достаточно редкого изотопа, использующегося в качестве топлива. Кроме того, ITER должен продемонстрировать, насколько готовы современные технологии к строительству коммерческих термоядерных электростанций, а также позволит оценить их надежность и безопасность.

Безопасность – одно из ключевых преимуществ термоядерных реакторов над привычными ядерными. Здесь невозможна цепная реакция с последствиями: в случае проблем плазма мгновенно остынет и затухнет, отмечают в ITER.

Куда лучше обстоят дела и с радиоактивностью топлива: тритий, слабый источник бета-излучения, будет генерироваться прямо в реакторе. Конструкция реактора при этом предполагает несколько барьеров для возникающих в процессе работы радиоактивных веществ. Период полураспада радиоактивных отходов для большинства изотопов в термоядерном реакторе составляет около 10 лет, тогда как для отдельных компонентов отработанного ядерного топлива эти значения могут составлять тысячи и даже миллионы лет.

Немного из истории

Не все знают, что изделие может встречаться двух видов. В первом случае это бо-сюрикен — оружие вытянутой формы, скорее напоминающее копье для метания. А во втором – хира-сюрикен. Как метать:

1. Бо. Во время броска направление полета и траекторию вращения регулируют средним и безымянным пальцами. Лезвие обязательно направляется в сторону от себя, может вращаться во время полета лезвием или вокруг своей оси.
2. Хира. Это оружие, напоминающее звезду с острыми лучами. Здесь мы как раз и рассмотрим, как соорудить такой сюрикен из бумаги. Это изделие нужно бросать ребром от себя и острым краем от ладони. Бросок точно вперед, чтобы бумажный клинок летел по прямой линии и стремительно. Он также должен быстро вращаться вокруг своей оси, поэтому в центре оружия раньше делали небольшое отверстие.

Атомные электростанции России

Балаковская АЭС

Расположена рядом с городом Балаково, Саратовской области, на левом берегу Саратовского водохранилища. Состоит из четырёх блоков ВВЭР-1000, введённых в эксплуатацию в 1985, 1987, 1988 и 1993 годах.

Балаковская АЭС — одна из четырёх крупнейших в России АЭС, одинаковой мощностью по 4000 МВт.

Ежегодно она вырабатывает более 30 миллиардов кВт•ч электроэнергии. В случае ввода в строй второй очереди, строительство которой было законсервировано в 1990-х, станция могла бы сравняться с самой мощной в Европе Запорожской АЭС.

Белоярская АЭС

Белоярская АЭС расположена в городе Заречный, в Свердловской области, вторая промышленная атомная станция в стране (после Сибирской).

На станции были сооружены четыре энергоблока: два с реакторами на тепловых нейтронах и два с реактором на быстрых нейтронах.

В настоящее время действующими энергоблоками являются 3-й и 4-й энергоблоки с реакторами БН-600 и БН-800 электрической мощностью 600 МВт и 880 МВт соответственно.

БН-600 сдан в эксплуатацию в апреле 1980 — первый в мире энергоблок промышленного масштаба с реактором на быстрых нейтронах.

БН-800 сдан в промышленную эксплуатацию в ноябре 2016 г. Он также является крупнейшим в мире энергоблоком с реактором на быстрых нейтронах.

Билибинская АЭС

Расположена рядом с городом Билибино Чукотского автономного округа. Состоит из четырёх блоков ЭГП-6 мощностью по 12 МВт, введённых в эксплуатацию в 1974 (два блока), 1975 и 1976 годах.

Вырабатывает электрическую и тепловую энергию.

Калининская АЭС

Калининская АЭС — одна из четырёх крупнейших в России АЭС, одинаковой мощностью по 4000 МВт.

Расположена на севере Тверской области, на южном берегу озера Удомля и около одноимённого города.

Состоит из четырёх энергоблоков, с реакторами типа ВВЭР-1000, электрической мощностью 1000 МВт, которые были введены в эксплуатацию в 1984, 1986, 2004 и 2011 годах.

4 июня 2006 года было подписано соглашение о строительстве четвёртого энергоблока, который ввели в строй в 2011 году.

Кольская АЭС

Кольская АЭС расположена рядом с городом Полярные Зори Мурманской области, на берегу озера Имандра.

Состоит из четырёх блоков ВВЭР-440, введённых в эксплуатацию в 1973, 1974, 1981 и 1984 годах.
Мощность станции — 1760 МВт.

Курская АЭС

Курская АЭС — одна из четырёх крупнейших в России АЭС, одинаковой мощностью по 4000 МВт.

Расположена рядом с городом Курчатов Курской области, на берегу реки Сейм.

Состоит из четырёх блоков РБМК-1000, введённых в эксплуатацию в 1976, 1979, 1983 и 1985 годах.

Мощность станции — 4000 МВт.

Ленинградская АЭС

Ленинградская АЭС — одна из четырёх крупнейших в России АЭС, одинаковой мощностью по 4000 МВт.

Расположена рядом с городом Сосновый Бор Ленинградской области, на побережье Финского залива.

Состоит из четырёх блоков РБМК-1000, введённых в эксплуатацию в 1973, 1975, 1979 и 1981 годах.

Мощность станции — 4 ГВт. В 2007 году выработка составила 24,635 млрд кВт•ч.

Нововоронежская АЭС

Расположена в Воронежской области рядом с городом Воронеж, на левом берегу реки Дон. Состоит из двух блоков ВВЭР.

На 85 % обеспечивает Воронежскую область электрической энергией, на 50 % обеспечивает город Нововоронеж теплом.

Мощность станции (без учёта Нововоронежской АЭС-2) — 1440 МВт.

Ростовская АЭС

Расположена в Ростовской области около города Волгодонск. Электрическая мощность первого энергоблока составляет 1000 МВт, в 2010 году подключен к сети второй энергоблок станции.

В 2001—2010 годах станция носила название «Волгодонская АЭС», с пуском второго энергоблока АЭС станция была официально переименована в Ростовскую АЭС.

В 2008 году АЭС произвела 8,12 млрд кВт-час электроэнергии. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) составил 92,45 %. С момента пуска (2001) выработала свыше 60 млрд кВт-час электроэнергии.

Смоленская АЭС

Расположена рядом с городом Десногорск Смоленской области. Станция состоит из трёх энергоблоков, с реакторами типа РБМК-1000, которые введены в эксплуатацию в 1982, 1985 и 1990 годах.

В состав каждого энергоблока входят: один реактор тепловой мощностью 3200 МВт и два турбогенератора электрической мощностью по 500 МВт каждый.

Texничecкиe xapaктepиcтики

Виды топлива используемого на Атомных электростанциях

На атомных электростанциях возможно использование несколько веществ, благодаря которым можно выработать атомную электроэнергию, современное топливо АЭС – это уран, торий и плутоний.

Ториевое топливо сегодня не применяется в атомных электростанциях, для этого есть ряд причин.

Во-первых, его сложнее преобразовать в тепловыделяющие элементы, сокращенно ТВЭлы.

ТВЭлы — это металлические трубки, которые помещаются внутрь ядерного реактора. Внутри

ТВЭлов находятся радиоактивные вещества. Эти трубки являются хранилищами ядерного топлива.

Во-вторых, использование ториевого топлива предполагает его сложную и дорогую переработку уже после использования на АЭС.

Плутониевое топливо так же не применяют в атомной электроэнергетике, в виду того, что это вещество имеет очень сложный химический состав, система полноценного и безопасного применения еще не разработана.

Урановое топливо

Основное вещество, вырабатывающее энергию на ядерных станциях – это уран. На сегодняшний день уран добывается несколькими способами:

• открытым способом в карьерах
• закрытым в шахтах
• подземным выщелачиванием, при помощи бурения шахт.

Подземное выщелачивание, при помощи бурения шахт происходит путем размещения раствора серной кислоты в подземных скважинах, раствор насыщается ураном и выкачивается обратно.

Самые крупные запасы урана в мире находятся в Австралии, Казахстане, России и Канаде.

Самые богатые месторождения в Канаде, Заире, Франции и Чехии. В этих странах из тонны руды получают до 22 килограмм уранового сырья.

В России из одной тонны руды получают чуть больше полутора килограмм урана. Места добычи урана нерадиоактивны.

В чистом виде это вещество мало опасно для человека, гораздо большую опасность представляет радиоактивный бесцветный газ радон, который образуется при естественном распаде урана.

Подготовка урана

В виде руды уран в АЭС не используют, руда не вступает в реакцию. Для использования урана на АЭС сырье перерабатывается в порошок – закись окись урана, а уже после оно становится урановым топливом.

Урановый порошок превращается в металлические «таблетки», — он прессуется в небольшие аккуратные колбочки, которые обжигаются в течение суток при температурах больше 1500 градусов по Цельсию.

Именно эти урановые таблетки и поступают в ядерные реакторы, где начинают взаимодействовать друг с другом и, в конечном счете, дают людям электроэнергию.

В одном ядерном реакторе одновременно работают около 10 миллионов урановых таблеток.

Перед размещением урановых таблеток в реакторе они помещаются в металлические трубки из циркониевых сплавов — ТВЭлы, трубки соединяются между собой в пучки и образуют ТВС – тепловыделяющие сборки.

Именно ТВС называются топливом АЭС.

Преимущества и недостатки

Хотя рентабельность данной установки еще находится под вопросом, согласно работам многих исследователей – создание и последующее развитие технологии управляемого термоядерного синтеза может в результате дать мощный и безопасный источник энергии. Рассмотрим некоторые положительные стороны подобной установки:

• Основным топливом термоядерного реактора является водород, а это означает – практически неисчерпаемые запасы ядерного топлива.
• Добыча водорода может происходить посредством переработки морской воды, которая доступна большинству стран. Из этого следует невозможность возникновения монополии топливных ресурсов.
• Вероятность аварийного взрыва в процессе работы термоядерного реактора значительно меньше, чем в процессе работы ядерного реактора. Согласно оценкам исследователей, даже в случае аварии выбросы радиации не будут представлять опасности для населения, а значит отпадает и надобность в эвакуации.
• В отличие от ядерных реакторов, термоядерные реакторы вырабатывают радиоактивные отходы, которые имеют короткий период полураспада, то есть быстрее распадаются. Также в термоядерных реакторах отсутствуют продукты сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуются материалы, которые используются также для ядерного оружия. Это позволяет исключить возможность прикрытия производства ядерного оружия путем оформления материалов для нужд ядерного реактора.

Термоядерный реактор — вид изнутри

Однако, существует также ряд технических недоработок, с которыми постоянно сталкиваются исследователи.

Например, нынешний вариант топлива, представленный в виде смеси дейтерия и трития, требует разработки новых технологий. Например, по окончанию первой серии тестов на крупнейшем на сегодняшней день термоядерном реакторе ДЖЕТ, реактор стал настолько радиоактивным, что далее потребовалась разработка специальной роботизированной системы обслуживания для завершения эксперимента. Другим неутешительным фактором работы термоядерного реактора является его КПД – 20%, в то время как КПД АЭС – 33-34%, а ТЭС — 40%.

Термоядерный реактор ДЖЕТ

Низкоэнергетические ядерные реакции

Инициированные претензиями на «холодный термоядерный синтез», исследования продолжились в области низкоэнергетических ядерных реакций, имеющих некоторую эмпирическую поддержку, но не общепринятое научное объяснение. По-видимому, для создания и захвата нейтронов используются слабые ядерные взаимодействия (а не мощная сила, как при делении ядер или их синтезе). Эксперименты включают проникновение водорода или дейтерия через каталитический слой и реакцию с металлом. Исследователи сообщают о наблюдаемом высвобождении энергии. Основным практическим примером является взаимодействие водорода с порошком никеля с выделением тепла, количество которого больше, чем может дать любая химическая реакция.

Статья недели: ИИ помог обнаружить китайских рыбаков-браконьеров

Ученые из Южной Кореи, Японии, Австралии и США смогли обнаружить 900 китайских судов, которые незаконно ловили тихоокеанского кальмара в водах КНДР. Согласно резолюции Совбеза ООН, с 2017 года эта страна не должна разрешать иностранным судам рыбачить на своей территории.

Научный журнал Science Advances опубликовал подробную статью об этом. Чтобы обнаружить браконьеров, ученые использовали Автоматическую идентификационную систему (АИС), а также несколько видов спутниковых снимков. С помощью АИС корабли передают данные о своем местоположении и курсе. Этой системой пользуются не все суда, поэтому основную информацию исследователи получили, проанализировав изображения. Браконьеры часто используют яркие лампы, чтобы ночью привлечь кальмаров на поверхность воды. Ученые натренировали нейросеть распознавать свет на поверхности океана. Затем информацию проверяли при помощи снимков высокой четкости. Помимо крупных судов, нейросеть также нашла 3 тыс. небольших рыбацких лодок.

Ученые считают, что их метод поможет бороться с браконьерством, а значит, защитить многие виды рыб от угрозы вымирания.

Крафт[править | править код]

Для постройки работающей конструкции реактора потребуются следующие блоки:

Ингредиенты	Процесс	Результат	Описание
Компьютер +Микросхема потока энергии +Катушка термоядерного реактора		Консоль управления термоядерным реактором	Позволяет производить операции с термоядерным реактором. Реактор включится сразу как только будут загружены реагенты и требуемая энергия. Для ручного управления установите регулятор для механизмов и прикрепите к нему рычаг.
Микросхема потока энергии +Сверхпроводник (предмет) +Сверхпроводниковый конденсатор		Инжектор энергии	Хранит 10 000 000 еЭ для использования термоядерным реактором. У каждого блока своё хранилище энергии и запитывать их нужно все сразу.
Микросхема потока энергии +Сундук +Высокотехнологичный механизм +Помпа илиМодуль помпы		Инжектор материалов	Впрыскивает в термоядерный реактор жидкости. Внутренняя ёмкость составляет 10 вёдер (капсул), вдобавок в верхний слот можно положить стопку капсул, которые будут загружаться автоматически. Кроме того, загруженные жидкости можно вылить обратно в капсулы.
Микросхема потока энергии +Высокотехнологичный механизм +Сундук +Помпа илиМодуль помпы		Экстрактор материалов	Выводит синтезированные материалы из термоядерного реактора.
Нихромовая нагревательная спираль +Микросхема потока энергии +Сверхпроводник (предмет) +Высокотехнологичный механизм +Иридиевый отражатель нейтронов		Катушка термоядерного реактора	Из катушек строится «кольцо» реактора.Судя по всему, это аналог кольцевой камеры Токамак.

С нуля до 63%

В ноябре 1985 года на встрече в Женеве лидеры США и СССР договорились о совместном исследовании термоядерной энергии в мирных целях – это и стало началом проекта. Уже через год был Евратом, СССР, США и Япония подписали договор.

Работа над конструкцией ITER началась в 1988 году и продолжалась до утверждения финальной версии в 2001-м.

В 2003 году к консорциуму для работы над ITER присоединились Китай и Южная Корея, в 2005-м – Индия. Тогда же выбрали и место для строительства: окрестности Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе, Франция, близ научно-исследовательского центра ядерной энергетики Кадараш.

Межгосударственное соглашение о создании ITER подписали министры стран-участниц 21 ноября 2006 года, а в октябре 2007-го начала работу организация ITER Organization – юридическое лицо, ответственное за строительство, работу и последующий демонтаж реактора.

Техники работают внутри здания, где будут изготовлены четыре катушки полоидального поля на строительной площадке Международного термоядерного экспериментального реактора ITER в окрестностях Сен-Поль-ле-Дюранс в Провансе

Площадку начали готовить еще в 2007-м, строить – в 2010-м. Параллельно страны-участницы стали работать над элементами комплекса ITER: Индия строит для проекта криостат, в США разрабатывают центральную магнитную катушку (ее силы хватит, чтобы поднять авианосец), ЕС и Корея готовят вакуумную камеру, Китай с Россией поставляют сверхпроводники (всего понадобится 100 000 км таких проводников), часть катушек и различные электротехнические компоненты, Япония готовит катушки тороидального поля.

По состоянию на конец июня 2019 года проект был готов “более чем на 63%”, отмечали в ITER Organization. Завершены более 70% зданий, началась установка первых компонентов самого реактора. Полноценно фаза монтажа должна начаться в следующем году, по мере постройки и доставки всех необходимых компонентов: например, Китай 23 сентября построил первую 400-тонную магнитную катушку, ее доставят на место строительства ITER к декабрю.

По сложности и технологичности ITER превосходит многие масштабные научные стройки века, в том числе Большой адронный коллайдер.

“Коллайдер – это всего лишь вакуумная установка, в которой ускоряется пучок протонов, это задача более простого уровня. ITER – это физика плазмы, а плазма – это столько степеней свободы, столько неустойчивостей, со всеми ними надо справиться, – рассказал Радио Свобода глава российского агентства проекта ITER Анатолий Красильников. – С точки зрения большого количества параметров, которые надо одновременно учитывать, ITER, конечно, намного более сложная проблема, чем коллайдер. Ну и ITER подороже”.

Столь сложный международный проект на базе передовых технологий действительно дорог. Если на старте бюджет проекта оценивался в €5 млрд, то к 2017-му он уже успел перешагнуть отметку в €20 млрд: общую цифру сложно оценить, так как правительства сами определяют уровень расходов на те или иные компоненты, ими производимые. Участники проекта передают не только деньги, но и построенные компоненты. В российском бюджете на ITER в 2020-2022 годах заложили 11,8 млрд рублей (около $180 млн).

Шаг 5: Высокое напряжение

Если вы можете приобрести блок питания, подходящий для использования в термоядерном реакторе, то проблем возникнуть не должно. Просто возьмите выходной отрицательный 40 кВ электрод и прикрепите его к камере с большим балластным резистором высокого напряжения 50-100 кОм.

Проблема заключается в том, что часто затруднительно (если не невозможно) найти соответствующий источник постоянного тока с ВАХ (вольт-амперной характеристикой) которая полностью бы соответствовала заявленным требованиям ученого-любителя.

На фото представлена пара высокочастотных ферритовых трансформаторов, с 4-ступенчатым множителем (находится за ними).

Смотрите также

Холодный ядерный синтез

В марте 1989 года два исследователя, американец Стенли Понс и британец Мартин Флейшман, заявили, что они запустили простой настольный холодный термоядерный реактор, работающий при комнатной температуре. Процесс заключался в электролизе тяжелой воды с использованием палладиевых электродов, на которых ядра дейтерия концентрировались с высокой плотностью. Исследователи утверждают, что производилось тепло, которое можно было объяснить только с точки зрения ядерных процессов, а также имелись побочные продукты синтеза, включая гелий, тритий и нейтроны. Однако другим экспериментаторам не удалось повторить этот опыт. Большая часть научного сообщества не считает, что холодные термоядерные реакторы реальны.

Краткая история создания автопилота

Первый автопилот в мире был создан еще в далеком 1912 году. Изобретение принадлежит американской компании Sperry Corporation, которая смогла создать систему, удерживающую самолет на заданной траектории, при этом стабилизируя крен. Это было достигнуто за счет связи высотометра и компаса с рулями направления и высоты. Связь была настроена за счет использования блока и гидравлического привода.

На схеме показано, как работает типичный автопилот.

Заранее рассчитанные параметры полета вводятся в компьютеры самолета (1).

После взлета автопилот вступает в действие.

Два дисплея(2)показывают положение самолета, его предполагаемый маршрут и высоту.

Изменение положения маленьких заслонок(3) на наружной поверхности самолета оповещает компьютеры о малейшем изменении в ориентации самолета.

Для определения положения используется глобальная система навигации (ГСН) (4).

Приемник расположен на верхней части корпуса (5).

Компьютеры следят за маршрутом и автоматические производят необходимые изменения посредством сервомеханизмов (6),

которые управляют рулем (7),

рулями высоты (8),

элеронами (9),

закрылками (10)

и настройкой дросселей двигателей (11)

При необходимости пилот может в любой момент отключить автопилот и перейти к ручному управлению (12)

Начиная с 30-х годов 20 века, автопилотами начали оснащать некоторые пассажирские авиалайнеры. Новый виток в развитие автоматических систем управления внесла Вторая мировая война, которая требовала подобных технологий для дальних бомбардировщиков. Впервые полностью автоматический полет  через Атлантику, включая посадку и взлет, осуществил самолет C-54, принадлежавший США. Это произошло в 1947 году.

Современный этап развития автоматизированных систем управления самолетами достиг качественно нового уровня. На сегодняшний день лайнеры комплектуются системами ВБСУ или САУ. Система автоматического управления «САУ» осуществляет качественную стабилизацию судна на маршруте и в пространстве. Совокупность агрегатов системы позволяет управлять аппаратом на всех этапах полета.  Самые современные разработки позволяют осуществлять полет в так называемом штурвальном режиме, это позволяет максимально облегчить работу пилота,  минимизировать его вмешательство. Такие системы самостоятельно стабилизируют самолет от сноса, скольжения или болтанки, могут переходить даже на критические режимы полета, при этом очень часто игнорируя действия пилотов.

Автопилот самолета ведет аппарат по заданному маршруту, при этом используется комплексная информация  навигационных приборов  собственных и наземных датчиков, которые проводят анализ полета. Данная система проводит управление всеми агрегатами летательного судна. Также работают траекторные системы, которые проводят заход на посадку с высокими показателями точности без каких-либо действий пилотов.

Управляющие устройства в стандартном их виде (рычаги, педали) практически не используются. Высокая степень автоматизации довела управление до подачи электрических импульсов ко всем частям самолетов без применения гидравлики в системе управления. Электромеханические приборы управления позволяют воссоздать более привычные условия пилотам. В кабинах пилотов все чаще устанавливаются боковые рычаги управления по типу «сайдстик».