Запуск «искусственного Солнца» становится ближе: ITER начал испытания гигантских сверхпроводящих магнитов

Международный проект ITER, который уже не одно десятилетие называют главным термоядерным экспериментом человечества, сделал очередной важный шаг на пути к созданию практически неисчерпаемого источника энергии. На строящемся во Франции реакторе введён в эксплуатацию специальный испытательный комплекс Magnet Cold Test Facility, где начались проверки сверхпроводящих магнитов — ключевых элементов будущей установки.

Первой испытания проходит катушка тороидального поля массой 330 тонн. Инженерам уже удалось охладить её до рабочей температуры 4 Кельвина, что соответствует примерно –269 градусам Цельсия. Это всего на четыре градуса выше абсолютного нуля — температуры, при которой практически прекращается тепловое движение частиц.

Почему магниты так важны

Термоядерный реактор ITER создаётся для воспроизведения процессов, происходящих в недрах звёзд. Главная задача установки — удерживать плазму, разогретую до десятков и даже сотен миллионов градусов. Ни один известный материал не способен напрямую контактировать с веществом такой температуры, поэтому учёные используют магнитные поля.

Фактически плазма в реакторе не касается стенок камеры и удерживается в своеобразной «магнитной ловушке». Именно для создания этой ловушки и предназначена сложнейшая магнитная система ITER.

В её состав входят:

• 18 гигантских D-образных катушек тороидального поля;
• 6 полоидальных катушек;
• 6 модулей центрального соленоида.

Совместная работа этих элементов позволит формировать мощнейшие магнитные поля, способные

удерживать раскалённую плазму внутри реактора в течение длительного времени.

Общий запас энергии магнитной системы достигнет 51 гигаджоуля. Для сравнения, это сопоставимо с энергией, содержащейся примерно в 1,2–1,5 тысячи литров бензина или нескольких тоннах тротила.

Испытания перед установкой

Стоимость каждого элемента магнитной системы настолько высока, а его монтаж настолько сложен, что любые дефекты необходимо выявить ещё до установки в реактор.

Именно поэтому для каждого магнита предусмотрен длительный цикл испытаний продолжительностью от четырёх до шести месяцев.

Во время тестов инженеры будут постепенно выводить катушки на проектные режимы работы. Через тороидальные магниты пропустят токи до 68 тысяч ампер, а через полоидальные — до 48 тысяч ампер. Это значения, близкие к тем, которые будут использоваться во время реальной эксплуатации реактора.

Параллельно специалисты проверят:

• работу систем электропитания;
• эффективность охлаждения;
• взаимодействие с вакуумным оборудованием;
• работу управляющей электроники;
• устойчивость сверхпроводящих соединений;
• поведение конструкции под механическими нагрузками.

Хотя испытательный стенд не способен полностью воспроизвести условия внутри будущего реактора, он позволяет заранее обнаружить большинство потенциальных проблем.

Секрет эффективности — сверхпроводимость

Основу магнитной системы ITER составляют сверхпроводящие материалы на базе ниобия-олова и ниобия-титана.

При охлаждении жидким гелием до температуры около 4 Кельвинов такие сплавы практически полностью теряют электрическое сопротивление. Благодаря этому через них можно пропускать колоссальные токи без значительных энергетических потерь.

Для обычного электромагнита подобные параметры были бы невозможны: проводники быстро перегрелись бы, а энергопотребление стало бы огромным.

Именно сверхпроводимость считается одной из ключевых технологий, без которой создание промышленной термоядерной энергетики было бы практически недостижимой задачей.

Что такое «квенч» и почему его боятся инженеры

Однако работа сверхпроводников требует строжайшего соблюдения условий.

Если температура магнита повышается выше допустимого уровня либо чрезмерно возрастает ток или магнитная нагрузка, может произойти так называемый квенч — внезапная потеря сверхпроводящих свойств.

В этот момент накопленная энергия начинает очень быстро превращаться в тепло. Для столь крупных магнитов последствия могут оказаться крайне серьёзными: перегрев оборудования, повреждение конструкций и длительная остановка работ.

Поэтому одной из главных задач испытаний становится проверка систем защиты, которые должны обнаружить начало квенча буквально за доли секунды и безопасно вывести магнит из рабочего режима.

Фактически инженеры тестируют не только сами магниты, но и способность всей инфраструктуры реагировать на нештатные ситуации.

Уникальный испытательный комплекс

Для проведения подобных проверок в ITER была создана масштабная инфраструктура.

Новый комплекс включает:

• криогенную камеру высотой около 20 метров;
• мощные линии электроснабжения;
• специализированные системы контроля;
• прямое подключение к крупнейшей гелиевой холодильной установке проекта.

Примечательно, что испытательный центр разместили в бывшем производственном цехе, где ранее собирались сами магнитные катушки. Такое решение позволило использовать уже существующие тяжёлые мостовые краны и другую промышленную инфраструктуру, сократив расходы на строительство.

Почему весь мир следит за ITER

Проект ITER остаётся крупнейшим международным научно-техническим экспериментом в области энергетики. В нём участвуют Европейский союз, Россия, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и США.

Главная цель реактора — доказать возможность получения энергии термоядерного синтеза в промышленно значимых масштабах. В перспективе такая технология может обеспечить человечество практически неисчерпаемым источником энергии без выбросов углекислого газа и с существенно меньшим количеством радиоактивных отходов по сравнению с традиционной атомной энергетикой.

При этом скептики напоминают, что термоядерная энергетика уже несколько десятилетий остаётся «технологией будущего». Первые концепции токамаков появились ещё в середине XX века, а сроки коммерческого внедрения постоянно сдвигались.

Тем не менее каждый подобный этап приближает проект к практической реализации. Испытания магнитной системы — это не просто очередная техническая процедура. Речь идёт о проверке одного из самых сложных инженерных комплексов, когда-либо созданных человеком.

Шаг к коммерческому термояду

Генеральный директор ITER Пьетро Барабаски подчёркивает, что испытания позволяют значительно снизить риски перед окончательной сборкой реактора. Но значение этих работ выходит далеко за рамки одного проекта.

Сегодня во всём мире активно разрабатываются коммерческие термоядерные электростанции. Частные компании и государственные исследовательские центры вкладывают миллиарды долларов в технологии управляемого синтеза.

Опыт, полученный при испытаниях сверхпроводящих магнитов ITER, может стать фундаментом для целого поколения будущих энергетических установок.

Если эти технологии окажутся успешными, человечество приблизится к реализации идеи, которую ещё недавно считали научной фантастикой: созданию на Земле собственного «искусственного Солнца», способного обеспечивать энергией целые страны.

Статья написана в формате научно-популярного материала с элементами технологической аналитики, характерном для российских научных и деловых СМИ.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что на Солнце зафиксирована вспышка предпоследнего класса: что это значит для Земли и почему активность растёт