На юге Франции ученые и инженеры из 35 стран участвуют в одном из самых амбициозных проектов в мире, который позволит создать источник чистой энергии — термоядерный экспериментальный реактор ITER. Цель этого проекта – это попытка воспроизвести энергию как у Солнца, но на Земле.
Елена Иванова
На ITER проходит монтаж вакуумной камеры. Источник: ITER
Как удержать 150 млн градусов на Земле
Строительство научного и производственного центра проводится с 2007 года. Место для проекта было выбрано на юге Франции в 100 км от портового города Марсель. В главном корпусе, который строится с 2010 года, будет размещен токамак – сердце проекта, пишет журнал Pumps and Systems
Токамак, или ««ТОроидальная КАмера с МАГнитными катушками» — это устройство для термоядерного синтеза. Внутри него находится плазма, которая удерживается с помощью магнитных полей. Для синтеза нужна плазма, или сверхгорячий газ, разогретый до 150 млн градусов, что в 10 раз горячее, чем ядро Солнца.
Понятно, что никакая сталь не выдержит таких температур и контакта с плазмой. Для ее удержания нужно тороидальное (бубликообразное) магнитное поле, чтобы плазма «висела в воздухе» и не касалась стен ваккумной камеры.
Токамак состоит из вакуумной камеры, где находится плазма, чтобы исключить контакт с воздухом. Вокруг камеры устанавливают тороидальные магниты – большие сверхпроводящие катушки. Они нужны для того, чтобы плазма не улетела наружу. Второе поле, скручивающее плазму, чтобы удержать ее в стабильном состоянии, создают дополнительные магниты.
Насосная система для международного проекта ядерного синтеза ITER. Pumps&Sytems
Сама плазма состоит из двух изотопов водорода – дейтерия и трития. При их слиянии выделяется энергия в виде нейтронов. Она нагревает теплоноситель, в результате чего может вырабатываться электроэнергия.
Для этого сложного процесса требуется особая система охлаждения. Модули оболочки (blanket, т.н. «одеяло») охлаждаются водой или гелием, а насосы перекачивают теплоносители.
Насосы для экспериментального реактора
Сразу несколько компаний делают насосы для ITER.
Герметичные насосы со встроенным двигателем. Hаyward Tyler Inc.
Американский производитель насосов с 200-летней историей Hаyward Tyler Inc. поставляет два типа агрегатов с герметичным приводом, специально предназначенные для работы с теплоносителями в реакторной среде.
Руководство проекта в 2025 году заключило с ней большой контракт на поставку восьми основных насосов, которые обеспечивают охлаждение в пяти контурах системы первичного теплообмена (IBED PHTS) — для модуля «оболочка» (blanket), для катушек электрического стабилизатора и других ключевых компонентов реактора.
Система охлаждения подаёт деминерализованную воду к элементам, контактирующим с плазмой (например, модули оболочки и кассеты дивертора), а также к катушкам и портам реактора. Вода проходит через пять контуров циркуляции, и насосы должны сохранять герметичность, чтобы удерживать активированные коррозионные продукты и тритий внутри системы.
Контракт включает в себя 8 насосных агрегатов с горизонтальными многоступенчатыми насосами типа API 610 BB2, электрическими двигателями и двойной механической системой уплотнений;
Восемь электрических и управляющих шкафов с частотными преобразователями и вакуумными автоматическими выключателями;
Общий блок управления и низковольтный центр управления двигателями, а также автоматическая система заполнения барьерной жидкости для уплотнений.
Известно, что Hаyward Tyler Inc. поставит два типа насосов: подкачивающие (бустерные) насосы с регулируемым приводом, станут неотъемлемой частью системы осушения для системы охлаждения воды в токамаке (TCWS), и герметичные насосы с встроенным электродвигателем со статором, изолированным дополнительной герметичной оболочкой, и ротором, находящимся в перекачиваемой жидкости. Проточная часть (внутренняя полость) этих насосов полностью изолирована от внешней среды с учетом того, что они работают с радиоактивной водой, где недопустимы протечки, и к ним предъявляются особенно высокие требования по надежности.
Криогенные насосы для гелия. Barber-Nichols
Такие насосы компания изготавливает для нефтехимии, установок по возгонке, производства водорода и чистых энергий, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и в атомной энергетике.
Компания Barber-Nichols из Колорадо, США, выиграла контракт на поставку криогенных насосов для сверхкритического гелия.
Они будут использованы для охлаждения магнитов токамака. Эти насосы прокачивает гелий, который представляет собой не газ, не жидкость, а находится в сверхкритическом состоянии. Температура гелия – минус 269 градусов. При производстве используются специальные материалы, устойчивые к крио-температурам. Особые требования — это минимальные зазоры между сопрягающимися подвижными деталями и сверхточность балансировки для снижения дисбаланса ротора, остаточное значение которого при любой частоте вращения не должно вызывать превышения допустимых уровней вибрации машин и динамического прогиба ротора.
Эти насосы критически важны для проекта. Без постоянного охлаждения магниты нагреются, исчезнет сверхпроводимость, и токамак просто не удержит плазму.
Еще один тип насосов, который произведет компания из Колорадо — вакуумные криосорбционные (криогенные) насосы, которые используются в вакуумной камере токамака. Эти насосы не имеют движущихся механических частей и используются для улавливания газов и топлива ITER. Это безмасляные высоковакуумные адсорбционные устройства, предназначенные для создания чистого высокого и сверхвысокого вакуума. Обычные вакуумные насосы не выдерживают радиацию, а криосорбционные агрегаты охлаждают поверхности до криотемператур.
Производство в США. BN
Energy Steel (часть Engineered Pumps and Motors Division Avingtrans) — поставляет связанные компоненты управления и насосные решения (например, системы соленоидных клапанов и пакеты шкафов управления), которые интегрируются с насосными системами проекта ITER.
В поставках насосных и охлаждающих систем участвуют также индийские компании, например, Kirloskar Pumps. В целом каждая страна-участница проекта ITER может заключать контракты на оборудования через свои национальные агентства.
ITER – первый среди равных
Проект во Франции не единственный в своем роде. Есть несколько научных центров, работающих в области термоядерного синтеза.
В Великобритании в рамках проекта MAST Upgrade исследователи строят компактный сферический токамак.
Американские инвесторы активно вкладываются в частные компании, которые работают над различными концепциями синтеза.
Китай добился крупных успехов с экспериментальным суперконтурным термоядерным реактором EAST.
Мир стремится создать чистую энергию.
Сборка токамака. Термоядерный реактор не похож ни на один другой. Сборка установки ITER — это инженерная и логистическая задача огромных масштабов. Источник: ITER
Справка:
Первый токамак был построен в 1954 году в СССР в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»).
Ключевые факты:
Инициатором идеи управляемого термоядерного синтеза стал физик О. А. Лаврентьев (1950 год).
Теоретическую основу тороидальной магнитной ловушки разработали А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм (1951 год).
Термин «токамак» (изначально «токамаг», аббревиатура расшифровывается как «ТОроидальная КАмера МАГнитная».) предложил в 1957 году И. Н. Головин, ученик Курчатова.
Первая функциональная установка — Токамак‑3 (Т‑3) — была создана позже, в конце 1950‑х годов и в 1968 году продемонстрировала рекордную температуру плазмы 11,6 млн °C, что привлекло внимание мирового научного сообщества.
Таким образом, концепция и первая реализация токамака — достижение советской науки, заложившее основу для глобальных исследований в области управляемого термоядерного синтеза.