ITER, tokamak, który ma wytwarzać plazmę o temperaturze 10-20 krotnie wyższej od temperatury jądra Słońca

ITER, tokamak, który ma wytwarzać plazmę o temperaturze 10-20 krotnie wyższej od temperatury jądra Słońca

13/08/2020

To jeden z najbardziej ambitnych projektów energetycznych na świecie. Na projekt ulokowany w południowej Francji inżynierowie z całego świata współpracują przy budowie największego na świecie tokamaka.

 
Według zapowiedzi ITER będzie pierwszym urządzeniem do syntezy jądrowej wytwarzającym energię netto i które utrzyma syntezę przez długi czas. Członkowie ITER czyli Chiny, Unia Europejska, Indie, Japonia, Korea, Rosja i Stany Zjednoczone połączyły swoje zasoby, aby podbić jedną z największych granic nauki – odtwarzając na Ziemi bezgraniczną energię, która napędza Słońce i gwiazdy.

Urządzenie ma być najpotężniejszym reaktorem fuzyjnym na świecie. Sama komora ma mieć 840 m³, a jego waga docelowa to 23 tys. ton. Temperatura plazmy wewnątrz reaktora będzie osiągać od 150 mln °C do nawet 300 mln °C, a więc od 10-20 razy więcej, niż temperatura jądra Słońca. Całe urządzenie będzie otoczone ponad 3 tys. ton magnesów, które będą schłodzone do -269 °C.

Budowa infrastruktury pod reaktor rozpoczęła się w 2010 roku natomiast samo rozpoczęcie montażu reaktora odbyło się niedawno: 28 lipca 2020.
Przez ostatnie miesiące w ramach przygotowań do montażu urządzenia, do Francji zaczęły przybywać gigantyczne, pierwsze komponenty – w wielu przypadkach ważące po kilkaset ton i dłuższe niż 15 metrów. Części są kulminacją ponad 5 letniej pracy w fabrykach, uniwersytetach i laboratoriach usytuowanych na całym świecie.

Jak opowiada Bernard Bigot, dyrektor generalny ITER: elementy tokamaka muszą spełniać bardzo surowe specyfikacje. Muszą przybyć do Francji na czas, według zawiłego harmonogramu. Montaż maszyny kawałek po kawałku będzie wyglądać jak złożenie trójwymiarowej układanki na skomplikowanej osi czasu.Każdy aspekt zarządzania projektami, inżynierii systemów, zarządzania ryzykiem i logistyki montażu maszyn musi działać z precyzją szwajcarskiego zegarka – opowiada dr Bigot

W grudniu 2025 r., naukowcy i inżynierowie projektu ITER zainaugurują „pierwszą plazmę”, pierwszą demonstrację pokazującą funkcjonalność stworzonego urządzenia.

ITER ma na celu uzyskanie dziesięciokrotnego zwrotu energii, czyli 500 MW mocy syntezy jądrowej z 50 MW wejściowej mocy cieplnej

Po projekcie oczekuje się, że koszt budowy i eksploatacji elektrowni termojądrowej będzie podobny do kosztu budowy elektrowni jądrowej. Rozwiązanie jest w pełni bezpieczne ponieważ w reaktorze termojądrowym nigdy nie zajdzie niekontrolowana reakcja łańcuchowa, więc nie ma niebezpieczeństwa awarii takiej jak np. w Czarnobylu. Kolejną zaletą takiej elektrowni jest brak odpadów radioaktywnych, które trzeba przechowywać w bezpiecznym miejscu przez setki a nawet tysiące lat.

Wiązane są nadzieje, że po ukończeniu budowy, ITER wykaże, że energię termojądrową można wytwarzać w sposób zrównoważony na skalę komercyjną.

Montaż

Kriostat
Wyprodukowany w Indiach kriostat to „termos” otaczający zbiornik próżniowy tokamaka i magnesy nadprzewodzące, które ograniczają super gorącą plazmę.

Ma 30 metrów wysokości i 30 metrów średnicy. Jest to największa komora próżniowa ze stali nierdzewnej, jaką kiedykolwiek zbudowano. Składa się z czterech głównych elementów: podstawy, dolnego cylindra, górnego cylindra i górnej pokrywy. Dla zobrazowania wielkości – dolny cylinder ma mniej więcej takie same wymiary jak angielski Stonehenge.

Podstawa waży 1250 ton. Jest to najcięższy element reaktora i pierwszy duży element, który został umieszczony w hali.

Magnesy
ITER wykorzystuje trzy ściśle zintegrowane typy magnesów do zatrzymywania, kontrolowania, kształtowania i pulsowania plazmy o temperaturze min. 150 mln °C.

Aby magnesy były nadprzewodzące, są wewnętrznie chłodzone ciekłym helem o temperaturze -269 °C, czyli podobnej temperatury, która występuje w przestrzeni międzygwiezdnej.

Cewki pola toroidalnego
Produkowane są w Japonii i Europie z komponentów pochodzących z Chin, Korei i Rosji. Dla ciekawostki: ponad 40 firm jest zaangażowanych w produkcję 18 cewek pola toroidalnego.

Zadaniem cewek pola toroidalnego jest ograniczenie zjonizowanych cząstek plazmy. Każdy magnes waży 360 ton.

Cewki z poloidalnym polem
Produkowane w Chinach, Europie i Rosji magnesy, które mają kształt pierścienia i będą umieszczone poza systemem cewek pola toroidalnego. Cewki z poloidalnym polem kształtują plazmę i utrzymują ją z dala od ścian.

Całość zakłada 6 cewek z poloidalnym polem o średnicy od 10 do 24 metrów i wadze do 400 ton każda.

Centralny elektromagnes
Produkowany w Stanach Zjednoczonych, jest to najsilniejszy z magnesów ITER. Ma za zadanie inicjowania silnego prądu w plazmie w postaci długich impulsów.

Centralny solenoid jest produkowany w sześciu modułach. W połączeniu będzie miał 13 metrów wysokości, wraz z konstrukcją wsporczą 18 metrów i waży 1000 ton.

Dla wyobrażenia: siła magnetyczna elektromagnesu będzie w stanie podnieść lotniskowiec.

Niezależnie działające zestawy cewek elektromagnesu wytwarzają potężne siły elektromagnetyczne, które ciągną w różnych kierunkach. Konstrukcje wsporcze będą musiały wytrzymać siły równe dwukrotności ciągu startującego wahadłowca kosmicznego.

Komora próżniowa ITER
Produkowana w Korei i Europie, z wystającymi gniazdami wejściowymi dostarczonymi przez Rosję. Jest hermetycznie zamknięta, produkowana ze stali nierdzewnej w kształcie pierścienia. Wewnątrz jej cząsteczki plazmy krążą w sposób ciągły, nie dotykając ścian.

Czterdzieści cztery otwory w komorze próżniowej zapewniają dostęp do zdalnej obsługi, diagnostyki, systemów ogrzewania i próżni. Wewnętrzną powierzchnię komory tworzą moduły ochraniające przed wysokoenergetycznymi neutronami wytwarzanymi w reakcjach fuzji.

Objętość plazmy zawartej w środku komory próżniowej ITER (840 m³) ma być dziesięciokrotnie większa niż w jakimkolwiek poprzednim tokamaku

Zbiornik próżniowy / Źródło fot. ITER

Komora próżniowa / Źródło fot. ITER

Obecnie budynki i prace budowlane na terenie całego obszaru ITER są ukończone w około 75 procentach.

Hala Budowy i Montażu Tokamaka została ukończona jakiś czas temu, połączona jest 170-metrową szyną suwnicową, na której znajdują się dwie 750-tonowe suwnice, które mają za zadanie transportować i pozycjonować komponenty.

Do montażu, podtrzymywania i pozycjonowania elementów tokamaka zostanie wykorzystanych ponad 150 specjalistycznych narzędzi, z których niektóre ważą nawet 800 ton. Montaż urządzenia potrwa 4,5 roku

Instalacja kriogeniczna została ukończona w 60 procentach. Dostarcza ciekły hel do pracy magnesów nadprzewodzących. Sprzęt pochodzi z Chin, Indii, Szwecji, Czech, Finlandii, Włoch, Japonii i Francji.

Źródło fot. ITER

Źródło fot. ITER

Za montaż ITER, integrując komponenty dostarczane z całego świata, odpowiada centralna organizacja ITER. Obejmuje to montaż samego tokamaka, a także równoległą instalację systemów pomocniczych, takich jak ogrzewanie, cykl paliwowy, kriogenika, woda chłodząca, próżnia, sterowanie i systemy elektryczne wysokiego napięcia.