10 декабря оживет «макет инопланетного звездолета» стелларатор Wendelstein 7-X. После окончания первого этапа сборки и проверки в ноябре машины немецким атомнадзором на предмет радиационной и радиотоксической безопасности (в плане утечек дейтерия) было получено разрешение на запуск.

Проект "Прорыв" известен многим, как попытка вырваться из тупика, в который зашли быстрые реакторы и замкнутый ядерный цикл. На примере свежей новости по испытаниям опытных топливных сборок в рамках этого проекта хочется показать, как вообще работают разработчики ядерного топлива, а точнее часть их работы.

Вчера появилась новость:Главный технолог проекта «Прорыв» Владимир Троянов сообщил о результатах послереакторных исследований первой комбинированной экспериментальной тепловыделяющей сборки (КЭТВС-1) со смешанным нитридным топливом.



Проектное изображение опытного центра с реактором БРЕСТ-300-ОД. МП — модуль переработки ОЯТ, МФР — модуль фабрикации/рефабрикации нового топлива производительностью 14,7 тонны топлива (по СНУП) в год.

… в глазах СМИ. После статьи в ScienceMag про Wendelstein 7-X, от него сложно стало отбиться — в каждом утюге по модному немецкому стелларатору.  Ну, выглядит, он конечно, космически.


Фотография Wendelstein 7-X от Christian Lunig, а вот его же фотографии со стройки ИТЭР. А вот моя небольшая подборочка фотографий W 7-X

Как-то раз я рассказывал про реактор МБИР, который начали строить в Димитровграде в этом году, и про ускорительный-термоядерный источник нейтронов IFMIF. Эти установки, объединяет то, что обе они являются прежде всего мощными источниками нейтронов, а задачей лабораторий вокруг них — изучение поведения материи в нейтронном потоке. Разница только в спектре — МБИР дает быстрый делительный спектр нейтронов, а IFMIF — сверхбыстрый термоядерный спектр.


Проектное изображение JHR. Сам реактор (его активная зона) — оранжевый цилиндр в нижней правой трети кадра.

Но интересно, что одновременно в мире строятся еще два рекордно ярких источника нейтронов — реактор Julez Horowiz Reactor (JHR) с тепловым/промежуточным спектром  и ускорительный источник ESS с холодным/ультрахолодным спектром.

Широкая публика воспринимает проект ИТЭР прежде всего как набор штампов: “солнце в бутылке”, “100 миллионов градусов” и “чистая и неисчерпаемая энергия для человечества”. Но, порой остающиеся за кадром инженерные решения могут принести не меньше пользы, чем решение проблемы термоядерной энергетики. Например в области робототехники ИТЭР будет сложнейшим и самым передовым проектом в мире. Да-да, именно так.


Роботы заваривают секцию тороидального магнита ИТЭР

В только что вышедшем фильме Марсианин (трейлер, книга). меня зацепил один сюжетный поворот. В какой-то момент для того, что бы отправится в далекую поездку по Марсу на ровере, Марк решает задачу обогрева по ночам (на Марсе температура может падать ночами до -80 С). Решает он ее положив себе в кабину что-то очень похожее на радиоизотопный генератор(!) (РИТЭГ) MMRTG, использованный в роботе Curiosity. В свою очередь MMRTG является практически половиной классических американских GPHS-RTG какие использовались на космических аппаратах Galileo, Cassini, New Horizons для снабжением их электроэнергией далеко от Солнца. Сегодня мы разберемся, насколько опасно класть радиоизотопный генератор в свой ровер.

Это симпатичное синее свечение Вавилова-Черенкова — единственная возможность для человека напрямую ощутить (в данном случае — увидеть) радиацию. К сожалению, наши органы чувств ничего не скажут нам, даже если мы попадем под удар ионизирующего излучения, которое убивает за минуту. Радиационная опасность АЭС стала частью современной культуры, на которой играет множество конкурентов ядерной энергетики — и идеологи термоядерных программ не остаются в стороне, обещая “чистую”, лишенную радиации, энергетику.

У любого человека при знакомстве с текущей ситуацией по управляемому термоядерному синтезу может возникнуть вопрос: почему существует такой перекос в финансировании УТС — не меньше 3/4 достается токамакам, когда есть множество других замечательных концепций? Ответ довольно прост: в 70х годах токамаки резко вырвались вперед, за 20 последующих лет достигнув breakeven’a — т.е. получения количества термоядерной энергии, сравнимого с затратами на нагрев реагирующей плазмы.


Обслуживающий робот внутри токамака JET.

Как известно, термоядерная реакция дейтерий-тритиевой смеси будет идти даже при комнатной температуре, только слишком медленно, чтобы это было поводом для интереса. Для достижения промышленного энерговыделения (1-10 мегаватт на метр кубический) нужно создать условия для удержания плазмы с температурой 100-200 млн градусов и плотностью 1...2*10^20 частиц на кубометр. Примерно при таких параметрах система начинает самобалансироваться (в токамаках) — энерговыделение сравнивается с утечками и затратами на подогрев новых порций топлива. Эти экстремальные цифры являются зоной интереса всех разработчиков термоядерных реакторов, а их достижение — задачей уже многодесятилетней разработки концепции управляемого термоядерного синтеза (УТС).


Открытая ловушка ГДЛ — одна из многочисленных концепций термоядерного реактора. Она имеет интересное пересечение с сегодняшним рассказом. Источник.

Существует такой американский стартап Escape Dynamics, который разрабатывает ракету-носитель довольно необычного типа. Их детище летает не на внутреннем химическом источнике (например горении керосина или водорода в кислороде) а на внешнем — микроволновом. Реактивная сила получается путем выбрасывания нагретого водорода, а нагревается он микроволновым лучом от наземного источника. Создатели этого стартапа верят, что на таком базисе можно разработать легкий, дешевый многоразовый корабль для вывода (пока небольших) серийных нагрузок в космос. Действительно, эта концепция как бы строит мост между одноразовыми носителями, подразумевающими уничтожение при каждом запуске высокотехнологичного «железа» на десятки миллионов долларов и астроинженерными проектами (типа пусковой петли или космического лифта), которые подразумевают дешевый вывод но и запредельную величину капиталовложений.

В мире людей, далеких от атомной энергетики существует почти конспирологическая идея о том, что ТОРИЙ — это то, что злобные атомные буратины скрывают от пушистых потребителей электричества. Дешевый, безопасный и не оставляющий радиоактивных отходов — он мог бы привести атомную энергетику на вершины могущества, но по каким-то причинам не привел.


Загрузка ториевой ТВС в норвежский исследовательский реактор Halden.

Международный термоядерный реактор ИТЭР — самая грандиозная научная установка, строящаяся сейчас на юге Франции. Множество элементов этого токамака имеют приставки «рекордный», «первый в своем роде», «мощнейший в мире». Некоторые агрегаты, например, потребовали более десяти лет исследований и строительства прототипов для достижения нужных параметров. Тем не менее, сложно ожидать, что простые вспомогательные системы, типа водяного охлаждения или электропитания научного комплекса будут бить какие-то рекорды. Однако криосистема ИТЭР, обеспечивающая охлаждение до температур жидкого гелия будет являться самой мощной в мире.Основные ее потребители — сверхпроводниковые магниты реактора и вакуумные насосы с криогенными ловушками. Километры вакуумированных линий с проложенными внутри трубами с жидким и сверхкритическим гелием, насосами, работающими при температуре в 4 градуса выше абсолютного нуля и оборудованием в сосудах дюара размером с железнодорожную цистерну — давайте посмотрим на это поподробнее.

Сегодня я расскажу про один альтернативный проект создания реактора управляемого термоядерного синтеза, который лично мне нравится за свою абсолютную инженерную непохожесть ни на что. Речь пойдет о канадском стартапе General Fusion, существующем уже больше 10 лет и собравшем за это время порядка 100 млн долларов на свои разработки.



Сооснователи компании Doug Richardson (слева) и Michel Laberge (справа) на фоне плазменного инжектора для своей машины.

Становление атомной энергетики в свое время потребовало создания целого большого пласта материаловедения. Если взять атомный реактор, то к стандартным проблемам прочности при нагреве к любому материалу добавятся требования по определенному взаимодействию с радиационными потоками внутри реактора. Самыми важными оказываются свойства взаимодействия с нейтронами — и с точки зрения нейтронной физики всего реактора (поглощает ли этот конструктивный металл нейтроны? Замедляет? Отражает? Активируется?) и с точки зрения самого материала. Что происходит в материале под воздействием радиации?



Испытания на разрыв облученного образца в «горячей камере». Лаборатория ORLN.

Привет, Гиктаймс! Наверное, мало кто здесь знает, что я много пишу про ИТЭР — его системы, устройство, ну и прогресс стройки. Не знаю, насколько уместно давать ссылки на свои статьи, разве что вот на эту с ликбезом по стройке комплекса, поэтому наверное этот фотообзор будет слегка вырван из контекста. Постараюсь на непонятные вопросы ответить в комментариях.

Вершиной 20 летних исследовательских и конструкторских усилий по созданию космических энергоустановок на базе ядерных реакторов в СССР стал полетевшая в 1988 году двойка спутников «Плазма-А». Эти установки базировались на отлаженной на земле технологии термоэмиссионного преобразования энергии (более 80 испытательных сборок провели в реакторах от 100 до 16000 часов). Вложенные усилия, масштаб работ и красота идеи оказались настолько мощными, что последующие 20 лет в статьях профильных организаций, проектировавших и планировавших КА с ЯЭУ вы не найдете ничего, кроме развития идей реакторов с термоэмиссионными преобразователями. 20 лет разговоров про светлое ядерно-космическое будущее оборвались в октябре 2009 года, когда финансирование получили не многочисленные проекты развития «Плазма-А», а «Транспортно-энергетический модуль» с турбомашинным преобразованием. И во главе проекта встали совсем не те люди, которые занимались этой тематикой раньше. Одну из ключевых ролей в таком развороте кроме усилий лоббистов сыграла одна техническая идея, связанная со сбросом тепла в космосе.


Американская АМС JIMO, тоже планировавшаяся с ядерным реактором на борту