ITER es un proyecto internacional para la creación de un reactor piloto con una capacidad de 500 MW, que ha pasado oficialmente de la etapa de construcción a la etapa de montaje.
Vitaly Krasilnikov, nuestro narrador, ha estado trabajando en el proyecto durante siete años.
Vitaly es de Troitsk. Se graduó de la Trinity School No. 3 (ahora es un Liceo), estudió en el Instituto de Física y Tecnología del MEPhI, siguiendo el ejemplo de su padre y amigos de la familia, el tema de los tokamaks, y luego trabajó en el centro científico TRINITY. Solicitó una vacante interesante en ITER y actualmente está involucrado en la construcción del tokamak más grande jamás diseñado por el hombre. Desde finales del año pasado, Vitaly, junto con sus colegas, ha estado supervisando el desarrollo de diagnósticos de neutrones.
En agosto, con el apoyo de nuestro Trinity Boiling Point, realizó un seminario web "¿Cuándo será la fusión?" ... En el corazón de este artículo se encuentra una transcripción procesada de su conferencia y la posterior sesión de preguntas y respuestas.
Así que hablemos de la fusión termonuclear.
Hubo una broma de este tipo: en cualquier año en que preguntaste cuándo será la fusión, te responden: en 10 años. Hoy, formulamos estos pronósticos en términos de tiempo sobre la base del proyecto ITER - Reactor Termonuclear Experimental Internacional (Reactor Termonuclear Experimental Internacional). Ahora bien, esta es la bandera bajo la que se llevan a cabo todos los desarrollos importantes en esta área.
En su punto máximo, se espera que el ITER produzca 500 MW de energía nuclear, 10 veces más de lo que se requiere para su funcionamiento. Este es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos. Hoy asisten siete países socios que representan más del 50% de la población mundial: los países de la UE (actuando como un solo participante), China, India, Japón, Rusia, Corea y Estados Unidos. El proyecto cuenta con el apoyo de Australia y Kazajstán.
Principios básicos de una instalación termonuclear
Para la parte no preparada de la audiencia, haré una pequeña digresión sobre las principales ideas incorporadas en ITER.
Se está construyendo un reactor experimental para isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. Si el núcleo del hidrógeno ordinario consta de un protón, entonces el núcleo de deuterio contiene un protón y un neutrón, y el núcleo de tritio contiene un protón y dos neutrones. Como resultado de la reacción del deuterio y el tritio, se obtiene un núcleo complejo de cinco elementos, que se desintegra en helio y un neutrón.
Reacción nuclear del deuterio y el tritio con la formación de helio y un neutrón libre.
El helio es un gas inerte que no daña. Un neutrón libre tiene una vida corta, no es peligroso en sí mismo. Pero tiene mucha energía, por lo que el neutrón debe ser atrapado y desacelerado de alguna manera, y su energía cinética debe usarse con beneficio. Una opción es calentar el agua, crear una turbina y convertir esa energía en electricidad.
Para combinar deuterio y tritio, deben dispersarse entre sí. En grandes volúmenes, esto se puede hacer calentando una mezcla de dos gases. Pero para implementar esta reacción en la escala ITER (habiendo obtenido una relación dada de potencia consumida y útil), según cálculos preliminares, será necesario calentar la mezcla a 100-200 millones de grados (en Kelvin o Celsius, ya no importa). A modo de comparación: el Sol tiene solo 10 millones de grados, es decir, la temperatura dentro del reactor experimental debería ser de 10 a 20 veces mayor.
Se pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para mantener un plasma de esta temperatura en un volumen cerrado.
Uno de los instrumentos adecuados se propuso en la Unión Soviética: esta es una cámara toroidal, llamada "tokamak".
Tokamak es una bobina magnética, donde se forman campos magnéticos de tal manera que mantienen el plasma en un cierto volumen dentro de la "rosquilla".
Las amplias perspectivas de la fusión termonuclear se basan en tres pilares.
- El combustible para la reacción descrita es, de hecho, infinito, las reservas existentes de terrícolas serán suficientes para millones de años: el deuterio está disponible en el Océano Mundial y el tritio se puede producir en cantidades ilimitadas a partir del litio.
- En principio, una explosión o destrucción nuclear como resultado de una reacción termonuclear incontrolada es imposible. Si algo sale mal, la reacción simplemente se extingue.
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Los Tokamaks se han construido antes, incluso en Rusia. Pero incluso el tokamak más grande ubicado en Inglaterra (Jet) sigue consumiendo más energía de la que produce: ahora la relación entre la potencia recibida y la consumida es de 0,8 a 0,9. ITER tiene previsto mejorar los resultados en un orden de magnitud, logrando una relación de 10 a expensas de otras físicas de plasma, que deberían alimentarse por sí mismas. Es cierto que queda por entender cómo gestionar estos procesos.
Con el aumento de la escala y la temperatura, los problemas de ingeniería crecen de manera no lineal. El volumen de plasma se ha duplicado: la bobina se necesita cuatro veces más. Necesitamos superconductores, que tendrán que estar envueltos en una especie de termo y proporcionar una temperatura de -270 grados en el interior. Todos estos son desafíos de ingeniería no triviales.
ITER: diámetro 28 metros, altura 30 metros. Peso: 30 mil toneladas
Así es el ITER. El tokamak está alojado en un matraz llamado criostato. Esta es la capa exterior que enfría los superconductores de las bobinas del campo magnético.
Dentro del tokamak, es necesario crear una temperatura 100 veces más alta que la temperatura del Sol; este será el punto más caliente de nuestra Galaxia. Y afuera habrá uno de los lugares más fríos: 4 grados Kelvin.La distancia entre los puntos más calientes y más fríos es de solo unos pocos metros.
Cuando la tecnología no sigue el ritmo de la teoría
En casi todas las áreas del desarrollo del ITER, nos enfrentamos a problemas que nadie ha resuelto nunca.
Tomemos, por ejemplo, la electrónica diseñada para funcionar en el vacío y utilizada con fines espaciales. Sin embargo, no tiene protección contra la radiación, que es casi inexistente en el espacio. Hay acero y componentes electrónicos resistentes a la radiación para reactores nucleares, pero no pueden funcionar en el vacío (simplemente no existían tales requisitos en los reactores). Esto significa que necesitamos nuevos materiales que sean resistentes tanto al vacío como a la radiación.
Otro ejemplo son los detectores de neutrones con los que trabajo. Para el ITER, necesitamos varios cientos de detectores, 10 cristales cada uno. Al ritmo actual, el mundo crece entre 10 y 50 cristales al año, y para el 2025, se necesitarán obtener unos 2000 cristales. Esta demanda no puede ser satisfecha por las instalaciones existentes. Varios laboratorios occidentales están trabajando para perfeccionar la tecnología.
Y esos ejemplos se pueden dar sin cesar.
Una breve historia del ITER
Por primera vez, el proyecto ITER se debatió públicamente en 1985 en la cumbre de Ginebra, en el punto álgido del deshielo de las relaciones internacionales. Estados Unidos y la URSS, representados por Gorbachov y Reagan, acordaron desarrollos conjuntos en el campo de la fusión termonuclear. Y el padrino del ITER, quizás, pueda llamarse E.P. Velikhov , un científico soviético que propuso esta idea a Gorbachov.
El encuentro entre Reagan y Gorbachov en la cumbre de Ginebra de 1985.
Durante algún tiempo el acuerdo alcanzado existió en una especie de vacío, pero a principios de la década de 2000 fue devuelto.
Cuando se firmó un acuerdo entre siete países participantes en noviembre de 2006 en el Palacio del Elíseo, quedó claro que el proyecto ITER se llevaría a cabo.
Los trabajos de construcción en el sitio comenzaron en 2007. Para 2010, el bosque ya había sido talado en el territorio, el terreno fue nivelado y se construyeron varios edificios. Comenzamos a cavar un pozo de cimentación para el complejo tokamak. La foto muestra autos y casas. El área del pozo excavado es del tamaño de una manzana.
En 2011, se vertió la base.
Abajo en la foto hay soportes sísmicos activos. Son reemplazables: si uno de ellos falla, un robot especial subirá debajo del edificio y lo reemplazará.
Encima de la losa de hormigón hay una disposición antisísmica especial del refuerzo, que se va a verter con hormigón.
Llegué al proyecto en 2013. Luego, toda la construcción pasó a la clandestinidad y se veía así:
Desde finales de 2014 se inició la construcción de muros sobre el suelo. En la foto de abajo - Edificio de montaje. Todos los componentes principales del sistema entrarán en él para su ensamblaje preliminar y serán transferidos al edificio tokamak utilizando una grúa grande.
Y esta es una subestación de alta tensión y transformadores.
En 2015, el edificio de la asamblea se envolvió en las paredes exteriores.
Y esta es una foto de 2016:
Y la foto de abajo muestra claramente el progreso desde 2014 hasta la primavera de 2020. Las fotos fueron tomadas desde diferentes ángulos, pero muestran mejoras significativas.
Y así es como luce el proyecto hoy:
El edificio tokamak de hormigón con paredes de 1-1,5 m de espesor se completó el 18 de junio de 2020 (la estructura metálica en la parte superior es temporal).
Algunas fotos más del progreso. La primera foto se tomó dentro del edificio tokamak. El tokamak ITER se ubicará debajo de esta cubierta. A lo lejos se puede ver el edificio de montaje y la grúa en movimiento.
Y esta es la base del criostato. Ya se ha instalado donde se ensamblará el tokamak.
A principios del verano de 2020, el proyecto ITER pasó oficialmente de la fase de construcción a la fase de montaje. Recibimos grandes elementos tokamak en el sitio de construcción casi todas las semanas: bobinas, partes de una cámara de vacío. Y este es un nuevo desafío. Los componentes enormes deben personalizarse con la precisión del movimiento. Por ejemplo, las tolerancias para la fabricación de una cámara de vacío (una estructura de 30 metros que pesa un poco menos de un kilotón) es de 1 mm. Es posible que sea necesario ajustar el equipo para que se ajuste a las dimensiones inexactas de los componentes.
Y en paralelo hay un refinamiento constante del diseño, alteración de dibujos.
Por ejemplo, los electricistas han descubierto que deben usarse cables más gruesos. Éstos, a su vez, no encajan en las tuberías, además tendrá que aumentar los agujeros en las paredes. Esto significa que aumentará el flujo de neutrones hacia el exterior. En pocas palabras: será necesario desarrollar dispositivos electrónicos más resistentes a la radiación.Hay una broma de que cada dos años se reconstruye el proyecto. Pero al mismo tiempo, no se puede perder ni un solo paso: no se puede hacer nada durante ocho años, encendiéndose solo en la etapa final. Es necesario recorrer todo el camino de principio a fin.
Estructura del proyecto
Como dije, el proyecto tiene siete participantes. De acuerdo con el acuerdo básico, la Unión Europea invierte el 45%, el resto de países el 9% cada uno. Invierten en una organización central en el sur de Francia. Así como equipos (piezas de instalación) y las mejores mentes.
El gráfico de barras a continuación muestra cómo los países miembros están invirtiendo en áreas individuales.
La octava abreviatura JF, aparentemente, esconde la participación de otros países (Kazajstán y Australia). Esta distribución es bastante plana. Las direcciones no están divididas entre países, y este es un paso deliberado para que el conocimiento en cada una de las áreas no se concentre en una mano. Todo el mundo hace un poco. Por ejemplo, Rusia es responsable de las tuberías superiores de la cámara de vacío. También fabrica varios sistemas de diagnóstico.
Se puede ver aquí que Rusia suministra bobinas de campo toroidal, parte de desviadores, varios módulos de protección térmica, parte de una cámara de vacío
Un punto importante, en el que me gustaría detenerme, es la organización de procesos en ITER.
En el centro de la estructura se encuentra el Director General de la Organización ITER, por encima de él está el Consejo ITER, que incluye representantes de todos los socios que participan en el proyecto. Los gobiernos de los países participantes se muestran en verde en el diagrama.
La junta gestiona todo el proceso, dictando sus decisiones al director. Él, a su vez, los encarna en la realidad, gestionando varios departamentos. Solo hay tres de ellos en el diagrama, en realidad hay muchos más.
Los departamentos se comunican con las agencias locales de los países participantes (a veces llamadas agencias de origen) e interactúan con los laboratorios y la industria; son ellos quienes construyen los componentes del tokamak y los sistemas de apoyo.
Algunos subsistemas son fabricados directamente por ITER, pero la mayoría aún atraviesan toda la cadena, desde el director hasta la fábrica en un país en particular.
Como puede ver en el diagrama, no existe una gestión de proyectos lineal. Las agencias locales tienen acceso a sus gobiernos y la cadena está cerrada. Esta no linealidad es una característica importante del ITER: diferentes partes están involucradas en cualquier tema.
Hay cuatro etapas principales definidas para ITER.
Cronología del proyecto. La capacidad máxima está programada para 2035. Después de eso, el sistema se utilizará solo con fines científicos y para probar tecnologías.
La denominada configuración de enfoque por etapas debería producir el primer plasma para diciembre de 2025. Esta fecha se fijó hace varios años y no se mueve, a pesar del coronavirus y los cambios políticos.En esta configuración, el ITER funcionará solo durante seis meses. A esta etapa la llamamos "plasma político": a baja potencia, nos ayudará a controlar la cámara de vacío, el sistema de calefacción, los imanes. Como resultado, debemos entender que la cámara de vacío está funcionando y se está creando el plasma.
Además, comenzará el ensamblaje adicional de sistemas delgados, incluido el sistema de calentamiento por plasma. A medida que avanza el montaje, las operaciones de energía 1 y 2 de Prefusion están planificadas para 2028 y 2032, respectivamente.
La capacidad máxima se alcanzará en diciembre de 2035. Después de 2035, el ITER funcionará con fines científicos durante otros 10 años. Están previstas 5,5 mil descargas en 500 MW durante 500 segundos.
En lugar de totales
En esta etapa, no estamos hablando de la producción comercial de electricidad por fusión. Los neutrones no serán capturados y su energía no se convertirá en electricidad. Los neutrones saldrán de la instalación y quedarán atrapados por las paredes de hormigón del edificio. Las partículas penetrarán en las habitaciones y celdas, por lo que no habrá personas en el edificio durante la instalación. Y las propiedades mecánicas de los materiales sometidos a bombardeos de neutrones constantes se calculan, por supuesto, teniendo en cuenta la vida útil planificada de la instalación (el rendimiento total de neutrones durante todo el tiempo de funcionamiento de la instalación es de aproximadamente 10 21 ).
En teoría, hay varias formas de utilizar la energía cinética de los neutrones para siempre. Ya mencioné uno: calentar el agua y poner la turbina. La segunda forma es híbrida. Un pequeño tokamak se puede cubrir con uranio-238 y se pueden usar neutrones para apoyar la reacción de desintegración del uranio. En este caso, la masa de uranio puede ser mucho menor que la crítica, es decir, La explosión no ocurrirá bajo ninguna circunstancia. Si algo sale mal en una configuración tan híbrida, la reacción simplemente desaparecerá. El uranio funcionará solo por el hecho de que es bombardeado por neutrones que aparecen cuando se produce una reacción termonuclear. Y aunque una estación de este tipo produce desechos radiactivos, es segura: no puede explotar.
Pero el objetivo final es, por supuesto, la fusión pura, sin uranio ni desechos nucleares. Este es el único objetivo correcto, pero el camino hacia él es largo y difícil. Si el ITER cumple su función y para 2035-2045 responderá a la pregunta de si es posible obtener 10 veces más energía de la que se gasta, comenzaremos a construir una estación de demostración. En el mejor de los casos, para 2050, ella responderá si el proyecto tendrá un inicio comercial.Sin embargo, es necesario avanzar en esta dirección. E ITER es una gran oferta. Cada participante aporta el 9%, pero recibe el 100% del desarrollo. De hecho, este es un gran proyecto educativo para todos los países, que cuesta mucho más que cualquier desarrollo comercial. A pesar de esto, el proyecto avanza según lo programado y no defrauda. Cada año confían más en él, lo que significa que el trabajo futuro debería ser mejor y más rápido.
Se ha completado la fase de construcción principal del ITER. Ha llegado el momento de montar el reactor (foto - marzo de 2020)
En general, será un regalo para nuestros nietos. La evolución del proyecto se describe en el canal de YouTube de la Organización ITER .