Bez pretjerivanja, međunarodni eksperimentalni termonuklearni reaktor ITER može se nazvati najznačajnijim istraživačkim projektom našeg vremena. Što se tiče obima izgradnje, lako će uključiti Veliki hadronski sudarač u pojas, a ako bude uspješan, označit će mnogo veći korak za cijelo čovječanstvo od leta na Mjesec. Zaista, u potencijalu, kontrolirana termonuklearna fuzija je gotovo neiscrpan izvor neviđeno jeftine i čiste energije.
Ovog ljeta bilo je nekoliko uvjerljivih razloga da se osvijestimo o tehničkim detaljima projekta ITER. Prvo, grandiozni poduhvat, čiji se zvanični početak smatra susretom Mihaila Gorbačova i Ronalda Regana daleke 1985. godine, dobija materijalno oličenje pred našim očima. Projektovanje reaktora nove generacije uz učešće Rusije, SAD, Japana, Kine, Indije, Južne Koreje i Evropske unije trajalo je više od 20 godina. Danas ITER više nije kilogram tehnička dokumentacija, i 42 hektara (1 km sa 420 m) savršeno ravne površine jedne od najvećih svjetskih platformi koje je napravio čovjek, smještene u francuskom gradu Cadarache, 60 km sjeverno od Marseillea. I temelj budućeg reaktora od 360.000 tona, koji se sastoji od 150.000 kubnih metara betona, 16.000 tona armature i 493 stuba sa gumeno-metalnim antiseizmičkim premazom. I, naravno, hiljade najsofisticiranijih naučnih instrumenata i istraživačkih objekata raštrkanih po univerzitetima širom svijeta.
Mart 2007. Prva zračna fotografija buduće ITER platforme.
Proizvodnja ključnih komponenti reaktora je u punom jeku. U proljeće je Francuska izvijestila o proizvodnji 70 okvira za zavojnice u obliku slova D toroidnog polja, a u junu je počelo namotavanje prvih namotaja supravodljivih kablova, koji su došli iz Rusije sa Instituta za kablovsku industriju u Podolsku.
Drugi dobar razlog da se sada prisjetimo ITER-a je politički. Reaktor nove generacije je test ne samo za naučnike, već i za diplomate. Ovo je toliko skup i tehnički složen projekat da ga nijedna zemlja na svijetu ne može izvesti sama. Da li će to biti moguće privesti kraju zavisi od sposobnosti država da se međusobno pomire, kako u naučnoj tako i u finansijskoj sferi.
Mart 2009. Za početak izgradnje naučnog kompleksa čeka 42 hektara zaravnjene površine.
Vijeće ITER-a u Sankt Peterburgu bilo je zakazano za 18. jun, ali je američki State Department, u sklopu sankcija, zabranio američkim naučnicima da posjete Rusiju. Uzimajući u obzir činjenicu da sama ideja o tokamaku (toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama koja leži u osnovi ITER-a) pripada sovjetskom fizičaru Olegu Lavrentjevu, učesnici projekta su ovu odluku tretirali kao kuriozitet i jednostavno premestili savet u Kadaraš na istog datuma. Ovi događaji su još jednom podsjetili cijeli svijet da je Rusija (uz Južnu Koreju) najodgovornija u ispunjavanju svojih obaveza prema projektu ITER.
Februar 2011. Izbušeno je više od 500 rupa u seizmičkom izolacionom oknu, sve podzemne šupljine su zalivene betonom.
Naučnici koriste
Izraz "termonuklearni reaktor" izaziva oprez kod mnogih ljudi. Asocijativni lanac je jasan: termonuklearna bomba je strašnija od obične nuklearne, što znači da je termonuklearni reaktor opasniji od Černobila.
Zapravo, nuklearna fuzija, na kojoj se zasniva princip rada tokamaka, mnogo je sigurnija i efikasnija od nuklearne fisije koja se koristi u modernim nuklearnim elektranama. Fuziju koristi sama priroda: sunce nije ništa drugo do prirodni termonuklearni reaktor.
ASDEX tokamak, izgrađen 1991. u njemačkom institutu Max Planck, koristi se za ispitivanje različitih materijala prvog zida reaktora, posebno volframa i berilijuma. Zapremina plazme u ASDEX-u je 13 m 3, skoro 65 puta manje nego u ITER-u.
Reakcija uključuje jezgre deuterija i tricijuma - izotope vodika. Jezgro deuterija se sastoji od protona i neutrona, dok se jezgro tricijuma sastoji od protona i dva neutrona. U normalnim uslovima, identično naelektrisana jezgra se odbijaju, ali na veoma visokim temperaturama mogu da se sudare.
Prilikom sudara dolazi do snažne interakcije koja je odgovorna za ujedinjenje protona i neutrona u jezgra. Pojavljuje se jezgro novog hemijskog elementa, helijuma. U tom slučaju nastaje jedan slobodni neutron i oslobađa se velika količina energije. Energija jake interakcije u jezgri helijuma manja je nego u jezgrima početnih elemenata. Zbog toga, rezultirajuće jezgro čak gubi masu (prema teoriji relativnosti, energija i masa su ekvivalentne). Sjećajući se poznate jednadžbe E = mc 2, gdje je c brzina svjetlosti, možete zamisliti kakav je kolosalan energetski potencijal prepun nuklearne fuzije.
Avgust 2011. Započelo izlivanje monolitne armiranobetonske seizmoizolacione ploče.
Da bi se savladala sila međusobnog odbijanja, originalna jezgra moraju se kretati vrlo brzo, tako da temperatura igra ključnu ulogu u nuklearnoj fuziji. U središtu Sunca proces se odvija na temperaturi od 15 miliona stepeni Celzijusa, ali ga olakšava kolosalna gustina materije usled dejstva gravitacije. Kolosalna masa zvijezde čini je efikasnim termonuklearnim reaktorom.
Nije moguće stvoriti takvu gustinu na Zemlji. Moramo samo povećati temperaturu. Da bi izotopi vodonika dali energiju svojih jezgara zemljanima, potrebna je temperatura od 150 miliona stepeni, odnosno deset puta viša nego na Suncu.
Nijedan čvrsti materijal u svemiru ne može doći u direktan kontakt s ovom temperaturom. Dakle, samo izgradnja peći za pripremu helijuma neće raditi. Ista toroidna komora sa magnetnim zavojnicama, ili tokamak, pomaže u rješavanju problema. Ideja o stvaranju tokamaka osvanula je u pameti naučnika iz različitih zemalja početkom 1950-ih, dok se primat nedvosmisleno pripisuje sovjetskom fizičaru Olegu Lavrentjevu i njegovim eminentnim kolegama Andreju Saharovu i Igoru Tammu.
Vakumska komora u obliku torusa (šuplje "krofne") okružena je supravodljivim elektromagnetima, koji u njoj stvaraju toroidno magnetsko polje. To je polje koje drži plazmu užarenom do deset sunaca na određenoj udaljenosti od zidova komore. Zajedno sa centralnim elektromagnetom (induktorom), tokamak je transformator. Promjenom struje u induktoru stvaraju strujni tok u plazmi - kretanje čestica neophodnih za sintezu.
Februar 2012. Postavljeno je 493 stupova od 1,7 metara sa gumeno-metalnim sendvič podmetačima za izolaciju od potresa.
Tokamak se s pravom može smatrati uzorom tehnološke elegancije. Električna struja koja teče u plazmi stvara poloidno magnetsko polje koje okružuje plazma kabel i održava njegov oblik. Plazma postoji pod strogo određenim uslovima i pri najmanjoj promeni reakcija odmah prestaje. Za razliku od reaktora nuklearne elektrane, tokamak ne može "podivljati" i nekontrolirano povećavati temperaturu.
U malo vjerovatnom slučaju da se tokamak uništi, ne dolazi do radioaktivne kontaminacije. Za razliku od nuklearne elektrane, fuzijski reaktor ne proizvodi radioaktivni otpad, a jedini proizvod fuzijske reakcije, helijum, nije staklenički plin i koristan je u ekonomiji. Konačno, tokamak vrlo pažljivo koristi gorivo: tokom sinteze u vakuumskoj komori je samo nekoliko stotina grama materije, a procijenjena godišnja zaliha goriva za industrijsku elektranu je samo 250 kg.
April 2014. Završena izgradnja zgrade kriostata, izliveni zidovi temelja tokamaka debljine 1,5 metara.
Zašto nam je potreban ITER?
Gore opisani klasični tokamaci izgrađeni su u SAD-u i Evropi, Rusiji i Kazahstanu, Japanu i Kini. Uz njihovu pomoć bilo je moguće dokazati fundamentalnu mogućnost stvaranja visokotemperaturne plazme. Međutim, izgradnja industrijskog reaktora sposobnog da isporuči više energije nego što troši je fundamentalno drugačiji zadatak.
U klasičnom tokamaku strujni tok u plazmi nastaje promjenom struje u induktoru, a ovaj proces ne može biti beskonačan. Stoga je životni vijek plazme ograničen, a reaktor može raditi samo u impulsnom režimu. Za paljenje plazme potrebna je ogromna energija - bez šale, da se nešto zagrije na temperaturu od 150.000.000 °C. To znači da je potrebno postići takav vijek trajanja plazme koji će dati generiranje energije koja plaća za paljenje.
Fuzijski reaktor je elegantan tehnički koncept s minimumom negativnih nuspojava. Strujni tok u plazmi automatski formira poloidno magnetsko polje koje održava oblik plazma stuba, a rezultujući visokoenergetski neutroni, u kombinaciji sa litijumom, proizvode dragocjeni tricijum.
Na primjer, 2009. godine, tokom eksperimenta na kineskom tokamaku EAST (dio projekta ITER), bilo je moguće držati plazmu s temperaturom od 10 7 K 400 sekundi i 10 8 K 60 sekundi.
Da bi se plazma duže držala, potrebni su dodatni grijači nekoliko vrsta. Svi oni će biti testirani na ITER-u. Prva metoda - ubrizgavanje neutralnih atoma deuterija - pretpostavlja da će atomi u plazmu ući preliminarno ubrzani do kinetička energija na 1 MeV koristeći dodatni akcelerator.
Ovaj proces je u početku kontradiktoran: samo se nabijene čestice mogu ubrzati (na njih djeluje elektromagnetno polje), a samo neutralne čestice mogu se uvesti u plazmu (inače će utjecati na strujni tok unutar plazma stupca). Stoga se atomima deuterija preliminarno oduzima elektron, a pozitivno nabijeni ioni ulaze u akcelerator. Zatim čestice ulaze u neutralizator, gdje se redukuju na neutralne atome, u interakciji s ioniziranim plinom, i ubrizgavaju se u plazmu. ITER megavoltni injektor se trenutno razvija u Padovi, Italija.
Drugi način zagrijavanja ima veze sa zagrijavanjem hrane u mikrovalnoj pećnici. Pretpostavlja dejstvo elektromagnetnog zračenja na plazmu sa frekvencijom koja odgovara brzini kretanja čestica (ciklotronska frekvencija). Za pozitivne ione, ova frekvencija je 40-50 MHz, a za elektrone - 170 GHz. Za stvaranje snažnog zračenja tako visoke frekvencije koristi se uređaj koji se zove žirotron. Devet od 24 ITER žirotrona proizvodi se u Gycom pogonu u Nižnjem Novgorodu.
Klasični koncept tokamaka pretpostavlja da oblik stuba plazme podržava poloidno magnetno polje, koje se samo po sebi stvara kada struja teče u plazmi. Za dugotrajno zadržavanje plazme, ovaj pristup je neprimjenjiv. U tokamaku ITER predviđeni su posebni zavojnici poloidnog polja čija je svrha da užarenu plazmu drže dalje od zidova reaktora. Ovi namotaji su među najmasivnijim i najsloženijim strukturnim elementima.
Kako bi mogli aktivno kontrolirati oblik plazme, blagovremeno eliminirajući vibracije duž rubova kabela, programeri su predvidjeli mala elektromagnetna kola male snage koja se nalaze direktno u vakuumskoj komori, ispod kože.
Infrastruktura goriva za fuziju je posebna zanimljiva tema. Deuterijum se nalazi u gotovo svakoj vodi, a njegove rezerve se mogu smatrati neograničenim. Ali svjetske rezerve tritijuma izračunate su na desetine kilograma. 1 kg tricijuma košta oko 30 miliona dolara Za prva lansiranja ITER-a bit će potrebno 3 kg tritijuma. Za usporedbu, oko 2 kg tritijuma godišnje je potrebno za održavanje nuklearnih sposobnosti vojske Sjedinjenih Država.
Međutim, u budućnosti će reaktor sam sebi osigurati tricijum. Tokom glavne fuzijske reakcije nastaju visokoenergetski neutroni, koji su sposobni da pretvore jezgra litijuma u tricijum. Razvoj i testiranje prvog zida reaktora koji sadrži litij jedan je od najvažnijih ciljeva ITER-a. U prvim testovima koristit će se berilijum-bakarna obrada, čija je svrha da zaštiti mehanizme reaktora od topline. Prema proračunima, čak i ako svu energiju planete prebacimo na tokamake, svjetske rezerve litijuma bit će dovoljne za hiljadu godina rada.
Priprema ITER rute od 104 kilometra koštala je Francusku 110 miliona eura i četiri godine rada. Put od luke Fos-sur-Mer do Cadarash-a je proširen i ojačan kako bi najteži i najveći dijelovi tokamaka mogli biti dopremljeni na gradilište. Na fotografiji: transporter sa ispitnim opterećenjem težine 800 tona.
U svijet u tokamaku
Precizna kontrola fuzijskog reaktora zahtijeva precizne dijagnostičke alate. Jedan od ključnih zadataka ITER-a je odabrati najprikladniji od pet desetina alata koji se danas testiraju i započeti razvoj novih.
U Rusiji će biti razvijeno najmanje devet dijagnostičkih uređaja. Tri - na moskovskom institutu Kurčatov, uključujući analizator neutronskog snopa. Ubrzivač šalje fokusirani tok neutrona kroz plazmu, koji prolazi kroz spektralne promjene i hvata ga sistem za prijem. Spektrometrija sa frekvencijom od 250 mjerenja u sekundi pokazuje temperaturu i gustinu plazme, jačinu električnog polja i brzinu rotacije čestica - parametre potrebne za kontrolu reaktora u svrhu dugotrajnog zatvaranja plazme.
Istraživački institut Ioffe priprema tri instrumenta, uključujući analizator neutralnih čestica koji hvata atome iz tokamaka i pomaže u kontroli koncentracije deuterija i tritijuma u reaktoru. Preostala letjelica će biti napravljena u Institutu Trinity, gdje se trenutno proizvode dijamantski detektori za vertikalnu neutronsku komoru ITER. Svi ovi instituti koriste svoje tokamake za testiranje. A u termalnoj komori Efremov NIIEFA testiraju se fragmenti prvog zida i mete divertora budućeg reaktora ITER.
Nažalost, činjenica da mnoge komponente budućeg mega-reaktora već postoje u metalu ne znači nužno da će reaktor biti izgrađen. U protekloj deceniji procijenjeni trošak projekta narastao je sa 5 na 16 milijardi eura, a planirano prvo pokretanje odgođeno je sa 2010. na 2020. godinu. Sudbina ITER-a u potpunosti zavisi od realnosti naše sadašnjosti, prvenstveno ekonomske i političke. U međuvremenu, svaki naučnik uključen u projekat iskreno vjeruje da njegov uspjeh može promijeniti našu budućnost do neprepoznatljivosti.
Termonuklearna elektrana.
Trenutno naučnici rade na stvaranju termonuklearne elektrane, čija je prednost da čovječanstvo snabdijeva električnom energijom na neograničeno vrijeme. Termonuklearna elektrana radi na bazi termonuklearne fuzije - reakcije fuzije teških izotopa vodika sa stvaranjem helija i oslobađanjem energije. Reakcija termonuklearne fuzije ne proizvodi plinoviti i tekući radioaktivni otpad, ne proizvodi plutonij koji se koristi za proizvodnju nuklearnog oružja. Ako uzmemo u obzir i da će teški izotop vodika deuterijum, koji se dobija iz jednostavne vode, biti gorivo za termonuklearne stanice - pola litre vode sadrži fuzionu energiju ekvivalentnu onoj dobijenoj sagorevanjem bureta benzina - onda prednosti elektrana baziranih na termonuklearnoj reakciji postaju očigledne...
U toku termonuklearne reakcije, energija se oslobađa kada se laki atomi spoje i pretvore u teže. Da biste to učinili, morate zagrijati plin na temperaturu veću od 100 miliona stepeni – mnogo više od temperature u centru Sunca.
Gas na ovoj temperaturi pretvara se u plazmu. Istovremeno se atomi izotopa vodika spajaju, pretvarajući se u atome helija i neutrone i oslobađajući veliku količinu energije. Komercijalna elektrana koja radi na ovom principu koristila bi energiju neutrona moderiranu slojem guste materije (litijum).
U poređenju s nuklearnom elektranom, fuzijski reaktor će iza sebe ostaviti mnogo manje radioaktivnog otpada.
Međunarodni fuzijski reaktor ITER
Učesnici međunarodnog konzorcija za stvaranje prvog termonuklearnog reaktora na svijetu ITER potpisali su u Briselu sporazum koji daje početak praktična implementacija projekat.
Predstavnici Evropske unije, Sjedinjenih Država, Japana, Kine, Južne Koreje i Rusije namjeravaju da počnu izgradnju eksperimentalnog reaktora 2007. godine i da je završe u roku od osam godina. Ako sve bude po planu, onda bi do 2040. godine mogla biti izgrađena ogledna elektrana po novom principu.
Želio bih vjerovati da će era ekološki opasnih hidroelektrana i nuklearnih elektrana uskoro završiti, a doći će vrijeme za novu elektranu - termonuklearnu, čiji se projekt već izvodi. Ali uprkos činjenici da je projekat ITER (Međunarodni termonuklearni reaktor) skoro spreman; Uprkos činjenici da je već na prvim operativnim eksperimentalnim termonuklearnim reaktorima dobijena snaga veća od 10 MW - na nivou prvih nuklearnih elektrana, prva termonuklearna elektrana će početi sa radom tek dvadeset godina kasnije, jer je njena cena veoma visoka. . Cijena radova procijenjena je na 10 milijardi eura - ovo je najskuplji međunarodni projekat za elektranu. Polovinu troškova izgradnje reaktora snosi Evropska unija. Ostali članovi konzorcijuma će izdvojiti po 10% budžeta.
Sada plan izgradnje reaktora, koji će nakon toga postati najskuplji zajednički naučni projekat, moraju da ratifikuju parlamentarci zemalja koje učestvuju u konzorcijumu.
Reaktor će se graditi na jugu Francuska provincija Provansa, u blizini grada Cadarache, gdje se nalazi francuski centar za nuklearna istraživanja.
Druga polovina 20. veka bila je period naglog razvoja nuklearne fizike. Postalo je jasno da se nuklearne reakcije mogu koristiti za generiranje ogromne energije iz minuskularne količine goriva. Od eksplozije prvog nuklearna bomba do prve nuklearne elektrane prošlo je samo devet godina, a kada je hidrogenska bomba testirana 1952. godine, predviđalo se da će termonuklearne elektrane pustiti u rad 1960-ih. Nažalost, ove nade se nisu ostvarile.
Termonuklearne reakcije Od svih termonuklearnih reakcija u bliskoj budućnosti, samo četiri su zanimljive: deuterijum + deuterijum (proizvodi su tricijum i proton, oslobođena energija je 4,0 MeV), deuterijum + deuterijum (helijum-3 i neutron, 3,3 MeV) , deuterijum + tricijum (helijum-4 i neutron, 17,6 MeV) i deuterijum + helijum-3 (helijum-4 i proton, 18,2 MeV). Prva i druga reakcija se odvijaju paralelno sa jednakom vjerovatnoćom. Nastali tricijum i helijum-3 "sagorevaju" u trećoj i četvrtoj reakciji
Glavni izvor energije za čovječanstvo u današnje vrijeme je sagorijevanje uglja, nafte i plina. Ali njihove rezerve su ograničene, a proizvodi sagorevanja zagađuju životnu sredinu. Elektrana na ugalj proizvodi više radioaktivnih emisija od nuklearne elektrane istog kapaciteta! Pa zašto još nismo prešli na nuklearne izvore energije? Postoji mnogo razloga za to, ali je glavni U poslednje vreme postala radiofobija. Unatoč činjenici da elektrana na ugalj, čak i pri normalnom radu, šteti zdravlju mnogo većeg broja ljudi od akcidentnih emisija iz nuklearne elektrane, ona to čini tiho i neprimjetno od strane javnosti. Nesreće u nuklearnim elektranama odmah postaju glavna vijest u medijima, izazivajući opću paniku (često potpuno neosnovanu). Međutim, to uopće ne znači da nuklearna energija nema objektivnih problema. Mnogo nevolja pravi radioaktivni otpad: tehnologije za rad s njim su i dalje izuzetno skupe, a idealna situacija, kada će se svi oni potpuno reciklirati i koristiti, još je daleko.
Od svih termonuklearnih reakcija u bliskoj budućnosti, samo četiri su zanimljive: deuterijum + deuterijum (proizvodi su tricijum i proton, oslobođena energija je 4,0 MeV), deuterijum + deuterijum (helijum-3 i neutron, 3,3 MeV), deuterijum + tricijum (helijum -4 i neutron, 17,6 MeV) i deuterijum + helijum-3 (helijum-4 i proton, 18,2 MeV). Prva i druga reakcija se odvijaju paralelno sa jednakom vjerovatnoćom. Nastali tricijum i helijum-3 "sagorevaju" u trećoj i četvrtoj reakciji.
Od fisije do sinteze
Prijelaz sa fisijskih reaktora na fuzijske reaktore potencijalno može riješiti ove probleme. Ako tipični fisijski reaktor sadrži desetine tona radioaktivnog goriva, koje se pretvara u desetke tona radioaktivnog otpada koji sadrži širok spektar radioaktivnih izotopa, tada fuzijski reaktor koristi samo stotine grama, maksimalno kilograma, jednog radioaktivnog izotopa vodika - tricijum. Osim što je za reakciju potrebna zanemarljiva količina ovog najmanje opasnog radioaktivnog izotopa, planirano je i da se njegova proizvodnja odvija direktno u elektrani kako bi se rizici povezani sa transportom sveli na minimum. Proizvodi sinteze su stabilni (neradioaktivni) i netoksični vodik i helijum. Osim toga, za razliku od reakcije fisije, termonuklearna reakcija odmah prestaje kada se instalacija uništi, bez stvaranja opasnosti od termalne eksplozije. Pa zašto do sada nije izgrađena niti jedna operativna termonuklearna elektrana? Razlog je taj što navedene prednosti neminovno dovode do mana: pokazalo se da je bilo mnogo teže stvoriti uslove za sintezu nego što se to na početku pretpostavljalo.
Lawsonov kriterijum
Da bi termonuklearna reakcija bila energetski povoljna, potrebno je obezbijediti dovoljno visoku temperaturu termonuklearnog goriva, dovoljno veliku gustoću i dovoljno niske gubitke energije. Potonje su numerički okarakterizirane takozvanim "vrijeme zatvaranja", koje je jednako omjeru toplinske energije pohranjene u plazmi i snage gubitaka energije (mnogi pogrešno vjeruju da je "vrijeme zatvaranja" vrijeme tokom kojeg u instalaciji se održava vruća plazma, ali to nije tako) ... Na temperaturi mješavine deuterijuma i tricijuma jednakoj 10 keV (približno 110.000.000 stepeni), trebamo dobiti proizvod broja čestica goriva u 1 cm 3 (tj. koncentracije u plazmi) i vremena zadržavanja (u sekundama) najmanje 10 14. Nije bitno da li imamo plazmu sa koncentracijom od 1014 cm -3 i vremenom zadržavanja od 1 s, ili plazmu sa koncentracijom od 10 23 i vremenom zadržavanja od 1 ns. Ovaj test se zove "Lawsonov test".
Pored Lawsonovog kriterija, koji je odgovoran za dobivanje energetski povoljne reakcije, postoji i kriterij paljenja plazme, koji je za deuterijum-tricijsku reakciju približno tri puta veći od Lawsonovog kriterija. "Paljenje" znači da će dio termonuklearne energije koji ostane u plazmi biti dovoljan za održavanje potrebna temperatura, te dodatno zagrijavanje plazme više nije potrebno.
Z-štipanje
Prvi uređaj u kojem je planirano da se dobije kontrolirana termonuklearna reakcija bio je takozvani Z-pinč. U najjednostavnijem slučaju, ova postavka se sastoji od samo dvije elektrode u okruženju deuterijuma (vodonik-2) ili mješavine deuterija i tritijuma, i baterije visokonaponskih impulsnih kondenzatora. Na prvi pogled čini se da vam omogućava da dobijete komprimiranu plazmu zagrijanu na ogromnu temperaturu: upravo ono što je potrebno za termonuklearnu reakciju! Međutim, u životu je sve ispalo, nažalost, ne tako ružičasto. Pokazalo se da je snop plazme nestabilan: najmanji njegov savijanje dovodi do povećanja magnetskog polja s jedne strane i slabljenja s druge strane, sile koje se pojavljuju dodatno povećavaju zavoj snopa - i sva plazma "ispada" " na bočni zid komore. Uže nije samo nestabilno na savijanje, već i najmanje stanjivanje dovodi do povećanja ovog dijela magnetnog polja, koje plazmu još više komprimira, istiskujući je u preostalu zapreminu užeta sve dok se konopac konačno ne "gurne". ". Preneseni dio ima veliki električni otpor, tako da se struja prekida, magnetsko polje nestaje, a sva plazma se raspršuje.
Princip rada Z-pinča je jednostavan: električna struja stvara prstenasto magnetsko polje, koje stupa u interakciju s istom strujom i komprimira je. Kao rezultat, povećava se gustina i temperatura plazme kroz koju struja teče.
Snop plazme je bilo moguće stabilizirati nametanjem snažnog vanjskog magnetskog polja paralelnog struji na njega i postavljanjem u debelo provodljivo kućište (kada se plazma kreće, pomiče se i magnetsko polje koje indukuje električnu struju u kućištu, nastojeći da vrati plazmu na svoje mjesto). Plazma je prestala da se savija i štipa, ali još uvijek je bila daleko od termonuklearne reakcije na bilo kojoj ozbiljnoj skali: plazma dodiruje elektrode i daje im svoju toplinu.
Savremeni rad na polju fuzije na Z-pinču sugerira još jedan princip za stvaranje termonuklearne plazme: struja teče kroz cijev od volframove plazme, koja stvara moćne rendgenske zrake, koje komprimiraju i zagrijavaju kapsulu s termonuklearnim gorivom unutar plazma cijevi. , baš kao što to čini u termonuklearnoj bombi. Međutim, ovi radovi su isključivo istraživačke prirode (proučavaju mehanizme rada nuklearnog oružja), a oslobađanje energije u tom procesu je još milionima puta manje od potrošnje.
Što je manji omjer velikog radijusa tokamak torusa (udaljenost od središta cijelog torusa do središta poprečnog presjeka njegove cijevi) i malog (radijusa poprečnog presjeka cijevi), to je veći pritisak plazme može biti za isto magnetno polje. Smanjivanjem ovog omjera, naučnici su prešli sa kružnog presjeka plazma i vakuum komore na onaj u obliku slova D (u ovom slučaju ulogu malog radijusa igra polovina visine presjeka). Svi moderni tokamaci imaju ovaj oblik presjeka. Ograničavajući slučaj bio je takozvani "sferni tokamak". U takvim tokamacima, vakuumska komora i plazma imaju gotovo sferni oblik, s izuzetkom uskog kanala koji povezuje polove sfere. Provodnici magnetnih zavojnica prolaze kroz kanal. Prvi sferni tokamak, START, pojavio se tek 1991. godine, tako da je ovo prilično mlad pravac, ali je već pokazao mogućnost dobijanja istog pritiska plazme sa tri puta manjim magnetnim poljem.
Zrcalna ćelija, stelarator, tokamak
Druga opcija za stvaranje uslova neophodnih za reakciju su takozvane otvorene magnetne zamke. Najpoznatija od njih je "zrcalna ćelija": cijev s uzdužnim magnetnim poljem koje se povećava na svojim krajevima i slabi u sredini. Polje povećano na krajevima stvara "magnetni utikač" (otuda ruski naziv), ili "magnetno ogledalo" (engleski - mašina za ogledalo), koji sprečava da plazma izađe iz instalacije kroz krajeve. Međutim, takvo zatvaranje je nepotpuno; neke od nabijenih čestica koje se kreću duž određenih putanja mogu proći kroz ove čepove. I kao rezultat sudara, svaka će čestica prije ili kasnije pasti na takvu putanju. Osim toga, ispostavilo se da je i plazma u ćeliji ogledala nestabilna: ako na nekom mjestu mala površina plazma se odmiče od ose instalacije, nastaju sile koje bacaju plazmu na zid komore. Iako je osnovna ideja zrcalne ćelije značajno poboljšana (što je omogućilo smanjenje i nestabilnosti plazme i propusnosti čepa), u praksi se nije bilo moguće ni približiti parametrima potrebnim za energetski povoljnu sintezu.
Da li je moguće osigurati da plazma ne izlazi kroz "čepove"? Naizgled očigledno rješenje je savijanje plazme u prsten. Međutim, tada se pokazuje da je magnetsko polje unutar prstena jače nego izvana, a plazma opet teži da pobjegne na zid komore. Izlaz iz ovoga teška situacijaČinilo se i sasvim očiglednim: umjesto prstena napravite "osmicu", tada će se u jednom području čestica odmaknuti od ose instalacije, a u drugom će se vratiti nazad. Tako su naučnici došli na ideju prvog stelaratora. Ali takva "osmica" se ne može napraviti u jednoj ravni, pa se morala koristiti treća dimenzija, savijajući magnetsko polje u drugom smjeru, što je također dovelo do postepenog odlaska čestica od ose do zida komore.
Situacija se dramatično promijenila stvaranjem instalacija tokamaka. Rezultati dobijeni na tokamaku T-3 u drugoj polovini 1960-ih bili su toliko neodoljivi za to vrijeme da su zapadni naučnici došli u SSSR sa svojom mjernom opremom kako bi se sami uvjerili u parametre plazme. Realnost je čak i nadmašila njihova očekivanja.
Ove fantastično isprepletene cijevi nisu umjetnički projekat, već stelaratorska komora savijena u složenu trodimenzionalnu krivulju.
U rukama inercije
Osim magnetnog zatvaranja, postoji i fundamentalno drugačiji pristup termonuklearnoj fuziji - inercijalno ograničenje. Ako u prvom slučaju pokušavamo dugo vremena zadržati plazmu vrlo niske koncentracije (koncentracija molekula u zraku oko vas je stotine hiljada puta veća), onda u drugom, plazmu komprimujemo na ogromna gustina, red veličine veća od gustine većine teški metali, u očekivanju da će reakcija za to imati vremena da prođe kratko vrijeme sve dok plazma nije imala vremena da se rasprši na strane.
U početku, 1960-ih, planirano je da se koristi mala kugla smrznutog termonuklearnog goriva, ravnomjerno ozračena iz svih pravaca mnogim laserskim zrakama. Površina lopte trebala je trenutno ispariti i, ravnomjerno se šireći u svim smjerovima, stisnuti i zagrijati ostatak goriva. Međutim, u praksi se pokazalo da je zračenje nedovoljno ujednačeno. Osim toga, dio energije zračenja se prenosio na unutrašnje slojeve, uzrokujući njihovo zagrijavanje, što je otežavalo kompresiju. Kao rezultat toga, lopta je bila neravnomjerno i slabo stisnuta.
Postoje brojne moderne konfiguracije stelaratora, od kojih su sve bliske torusu. Jedna od najčešćih konfiguracija uključuje upotrebu namotaja sličnih zavojnicama poloidnog polja tokamaka, te četiri do šest provodnika sa višesmjernim strujama uvijenih vijkom oko vakuumske komore. Složeno magnetsko polje stvoreno u ovom slučaju omogućava pouzdano držanje plazme bez potrebe da kroz nju teče prstenasta električna struja. Osim toga, zavojnice toroidnog polja, kao u tokamacima, mogu se koristiti u stelaratorima. A spiralni provodnici možda nedostaju, ali tada se zavojnice "toroidnog" polja postavljaju duž složene trodimenzionalne krivulje. Najnovija dostignuća u oblasti stelaratora uključuju upotrebu magnetnih zavojnica i vakuumske komore vrlo složenog oblika (jako "zgužvanog" torusa), izračunate na kompjuteru.
Problem neravnina riješen je značajnom promjenom dizajna mete. Sada je lopta smještena unutar posebne male metalne komore (zove se "holraum", od nje. Hohlraum - šupljina) sa rupama kroz koje ulaze laserske zrake. Osim toga, koriste se kristali koji pretvaraju infracrveno lasersko zračenje u ultraljubičasto. Ovo UV zračenje se apsorbuje najtanji sloj holraum materijala, koji se istovremeno zagreva do enormne temperature i emituje u mekom rendgenskom području. Zauzvrat, rendgenske zrake apsorbira najtanji sloj na površini kapsule goriva (kugla s gorivom). To je također omogućilo rješavanje problema preranog zagrijavanja unutrašnjih slojeva.
Međutim, ispostavilo se da je snaga lasera nedovoljna da u reakciju uđe primjetni dio goriva. Uz to, efikasnost lasera je bila vrlo niska, samo oko 1%. Da bi fuzija bila energetski povoljna pri tako niskoj efikasnosti lasera, gotovo svo komprimirano gorivo je moralo reagirati. Prilikom pokušaja zamjene lasera snopovima lakih ili teških jona, koji se mogu generirati s mnogo većom efikasnošću, naučnici su se suočili i s nizom problema: laki ioni se odbijaju jedni od drugih, što ometa njihovo fokusiranje, a usporavaju se kada se sudare. sa zaostalim gasom u komori, dok akceleratori Nije bilo moguće stvoriti teške jone sa potrebnim parametrima.
Magnetne perspektive
Većina nada u oblasti termonuklearne energije sada je povezana sa tokamacima. Pogotovo nakon što su otključali način rada s poboljšanim zadržavanjem. Tokamak je i Z-štipa umotana u prsten (prstenasta električna struja teče kroz plazmu, stvarajući magnetsko polje neophodno da ga zadrži), i niz zrcalnih ćelija sakupljenih u prsten i stvarajući "nabraviti" toroidni magnet polje. Osim toga, toroidno polje zavojnica i polje struje plazme su superponirani na polje okomito na ravan torusa, stvoreno od nekoliko odvojenih zavojnica. Ovo dodatno polje, nazvano poloidno, pojačava magnetno polje struje plazme (takođe poloidno) sa vanjske strane torusa i slabi ga od unutra... Tako se pokazalo da je ukupno magnetsko polje na svim stranama snopa plazme isto, a njegov položaj ostaje stabilan. Promjenom ovog dodatnog polja moguće je, u određenim granicama, pomjeriti snop plazme unutar vakuumske komore.
Suštinski drugačiji pristup sintezi nudi koncept mionske katalize. Mion je nestabilna elementarna čestica koja ima isti naboj kao elektron, ali 207 puta veću od svoje mase. Mion može zamijeniti elektron u atomu vodika, dok se veličina atoma smanjuje 207 puta. Ovo omogućava jednom jezgru vodika da se približi drugom bez trošenja energije. Ali da bi se dobio jedan mion, troši se oko 10 GeV energije, što znači da je potrebno izvesti nekoliko hiljada fuzijskih reakcija po mionu da bi se dobila energetska prednost. Zbog mogućnosti da se mion "zalijepi" za helijum nastao u reakciji, više od nekoliko stotina reakcija još nije postignuto. Fotografija prikazuje sklop Wendelstein z-x stelaratora Max Planck instituta za fiziku plazme.
Dugo vremena važan problem tokamaka bila je potreba za stvaranjem prstenaste struje u plazmi. Za to je kroz centralnu rupu tokamak torusa propušteno magnetno jezgro, u kojem se magnetski tok neprestano mijenjao. Promjena magnetnog fluksa stvara vrtložno električno polje, koje ionizira plin u vakuumskoj komori i održava struju u nastaloj plazmi. Međutim, struja u plazmi mora se kontinuirano održavati, što znači da se magnetni tok mora kontinuirano mijenjati u jednom smjeru. To je, naravno, nemoguće, tako da se struja u tokamacima može održavati samo ograničeno vrijeme (od djelića sekunde do nekoliko sekundi). Srećom, otkrivena je takozvana bootstrap struja, koja se javlja u plazmi bez vanjskog vrtložnog polja. Osim toga, razvijene su metode za zagrijavanje plazme, koje istovremeno indukuju potrebnu struju u prstenu u njoj. Zajedno, ovo je omogućilo održavanje vruće plazme proizvoljno dugo vremena. U praksi, rekord trenutno drži tokamak Tore Supra, gdje je plazma neprekidno „gorjela“ više od šest minuta.
Drugi tip postrojenja za zadržavanje plazme, u koji se polažu velike nade, su stelaratori. Tokom proteklih decenija, dizajn stelaratora se dramatično promijenio. Od originalnog G8 nije ostalo gotovo ništa, a ove instalacije su postale mnogo bliže tokamacima. Iako je do sada vreme zatvaranja stelaratora kraće nego za tokamake (zbog manje efikasnog H-moda), a i cena njihove konstrukcije veća, ponašanje plazme u njima je mirnije, što znači i veći resurs prvog unutrašnjeg zid vakumske komore. Ovaj faktor je veoma važan za komercijalni razvoj termonuklearne fuzije.
Izbor reakcije
Na prvi pogled, najlogičnije je koristiti čisti deuterijum kao termonuklearno gorivo: relativno je jeftin i siguran. Međutim, deuterijum reaguje sa deuterijumom sto puta lakše nego sa tricijumom. To znači da je temperatura od 10 keV dovoljna da reaktor radi na mješavini deuterija i tritijuma, dok je temperatura veća od 50 keV potrebna za rad na čistom deuterijumu. I što je temperatura viša, to je veći gubitak energije. Stoga se, barem po prvi put, planira izgradnja termonuklearne energije na deuterijum-tricijum gorivu. U tom slučaju će se tricijum proizvoditi u samom reaktoru zbog ozračivanja brzih litijumskih neutrona koji se formiraju u njemu.
"Pogrešni" neutroni. U kultnom filmu "9 dana jedne godine" glavni lik dok je radio u termonuklearnoj instalaciji, primio je ozbiljnu dozu neutronskog zračenja. Međutim, kasnije se pokazalo da ti neutroni nisu nastali kao rezultat fuzijske reakcije. Ovo nije režiserov izum, već pravi efekat koji se vidi u Z-štipovima. U trenutku kada je električna struja prekinuta, induktivnost plazme dovodi do stvaranja ogromnog napona - miliona volti. Pojedinačni ioni vodika, koji su ubrzali u ovom polju, sposobni su doslovno izbaciti neutrone iz elektroda. U početku je ovaj fenomen zaista bio uzet kao siguran znak termonuklearne reakcije, ali kasnija analiza energetskog spektra neutrona pokazala je da oni imaju drugačije porijeklo.
Poboljšan način zadržavanja. H-režim tokamaka je takav način njegovog rada, kada se pri velikoj snazi dodatnog zagrijavanja gubici energije plazme naglo smanjuju. Slučajno otkriće poboljšanog režima zatvaranja 1982. jednako je važno kao i pronalazak samog tokamaka. Općeprihvaćena teorija ovog fenomena još ne postoji, ali to ni najmanje ne sprječava njegovu primjenu u praksi. Svi moderni tokamaci rade u ovom režimu, jer više nego prepolovi gubitke. Naknadno je sličan režim otkriven i na stelaratorima, što ukazuje da je to uobičajeno svojstvo toroidnih sistema, ali se na njima konfinacija poboljšava samo za oko 30%.
Plazma grijanje. Postoje tri glavne metode za zagrijavanje plazme do termonuklearne temperature. Ohmsko zagrijavanje je zagrijavanje plazme uslijed protoka električne struje kroz nju. Ova metoda je najefikasnija u ranim fazama, jer električni otpor plazme opada s povećanjem temperature. Elektromagnetno grijanje koristi elektromagnetne valove s frekvencijom koja odgovara frekvenciji rotacije oko linija magnetskog polja elektrona ili jona. Kada se ubrizgavaju brzi neutralni atomi, stvara se tok negativnih jona, koji se zatim neutraliziraju, pretvarajući se u neutralne atome koji mogu proći kroz magnetsko polje do centra plazme kako bi tamo prenijeli svoju energiju.
Jesu li ovo reaktori? Tricijum je radioaktivan, a snažno neutronsko zračenje iz D-T reakcije stvara indukovanu radioaktivnost u strukturnim elementima reaktora. Moramo koristiti robote, što otežava posao. Istovremeno, ponašanje plazme običnog vodika ili deuterija je vrlo blisko ponašanju plazme napravljene od mješavine deuterija i tritijuma. To je dovelo do činjenice da su u čitavoj istoriji samo dvije termonuklearne instalacije u potpunosti radile na mješavini deuterija i tricijuma: tokamaci TFTR i JET. U drugim instalacijama ni deuterijum se ne koristi uvijek. Dakle, naziv "termonuklearna" u definiciji instalacije uopće ne znači da su se termonuklearne reakcije ikada dogodile u njoj (a u onim gdje se one događaju gotovo uvijek se koristi čisti deuterijum).
Hibridni reaktor. D-T reakcija proizvodi neutrone od 14 MeV koji se mogu fisirati čak i osiromašenog uranijuma. Fisija jednog jezgra uranijuma praćena je oslobađanjem energije od oko 200 MeV, što je više od deset puta više od energije oslobođene tokom fuzije. Tako bi već postojeći tokamaci mogli postati energetski korisni ako bi bili okruženi uranijumskom školjkom. U odnosu na fisijske reaktore, takvi hibridni reaktori bi imali prednost u nemogućnosti razvijanja nekontrolisane lančane reakcije u njima. Osim toga, izuzetno intenzivni neutronski tokovi moraju dugovječne proizvode fisije uranijuma pretvoriti u kratkovječne, što značajno smanjuje problem odlaganja otpada.
Inercijalne nade
Inercijalna sinteza također ne stoji mirno. Tokom decenija razvoja laserske tehnologije, pojavili su se izgledi za povećanje efikasnosti lasera za oko deset puta. A u praksi je njihov kapacitet povećan stotinama i hiljadama puta. U toku je rad na akceleratorima teških jona sa parametrima pogodnim za termonuklearne aplikacije. Osim toga, koncept "brze paljbe" postao je najvažniji faktor u napretku u oblasti inercijalne sinteze. Uključuje korištenje dva impulsa: jedan komprimira fuzijsko gorivo, a drugi zagrijava mali dio. Pretpostavlja se da će se reakcija koja je započela u malom dijelu goriva naknadno proširiti dalje i pokriti cijelo gorivo. Ovaj pristup omogućava značajno smanjenje troškova energije, a samim tim i profitabilnu reakciju sa manjim dijelom reagovanog goriva.
Problemi sa Tokamakom
Unatoč napretku drugih tipova instalacija, tokamaci u ovom trenutku i dalje ostaju izvan konkurencije: ako je u dva tokamaka (TFTR i JET) još 1990-ih došlo do oslobađanja termonuklearne energije, otprilike jednake potrošnji energije za plazmu. grijanje (čak i ako takav režim traje samo oko sekundu), onda se ništa slično ne bi moglo postići instalacijama drugih tipova. Čak i jednostavno povećanje veličine tokamaka dovest će do izvodljivosti energetski povoljne sinteze u njima. Trenutno u izgradnji u Francuskoj međunarodni reaktor ITER, koji će to morati pokazati u praksi.
Međutim, i tokamaci imaju dovoljno problema. ITER košta milijarde dolara, što je neprihvatljivo za buduće komercijalne reaktore. Niti jedan reaktor nije radio neprekidno čak ni nekoliko sati, a kamoli sedmica i mjeseci, što je opet neophodno za industrijsku primjenu. Još nije sigurno da će materijali unutrašnjeg zida vakuumske komore moći izdržati produženo izlaganje plazmi.
Koncept tokamaka sa jakim poljem može učiniti projekat jeftinijim. Povećanjem polja dva do tri puta planirano je postizanje potrebnih parametara plazme u relativno maloj instalaciji. Ovaj koncept se posebno zasniva na reaktoru Ignitor, koji, zajedno sa italijanskim kolegama, sada počinje da se gradi u TRINITI (Trinity Institute for Innovative and Fusion Research) u blizini Moskve. Ako su proračuni inženjera opravdani, onda će po višestruko nižoj cijeni u odnosu na ITER, ovaj reaktor moći dobiti paljenje plazme.
Naprijed do zvijezda!
Proizvodi termonuklearne reakcije raspršuju se u različitim smjerovima brzinom od tisuća kilometara u sekundi. Ovo omogućava stvaranje ultra efikasnih raketnih motora. Njihov specifični impuls bit će veći od onih kod najboljih električnih mlaznih motora, a njihova potrošnja energije može biti čak i negativna (teoretski, moguće je generirati, a ne trošiti energiju). Štoviše, ima razloga vjerovati da će izrada termonuklearnog raketnog motora biti još lakša od zemaljskog reaktora: nema problema sa stvaranjem vakuuma, s toplinskom izolacijom supravodljivih magneta, nema ograničenja u dimenzijama, itd. Osim toga, proizvodnja struje od strane motora je poželjna, ali nikako neophodna, dovoljno je da je ne troši previše.
Elektrostatička zaštita
Koncept zatvaranja elektrostatičkih jona najlakše je razumjeti na primjeru instalacije nazvane "fuser". Zasnovan je na sfernoj mrežastoj elektrodi na koju se primjenjuje negativan potencijal. Ioni ubrzani u posebnom akceleratoru ili poljem same centralne elektrode ulaze u njega i tamo se zadržavaju elektrostatičkim poljem: ako ion teži da izleti, polje elektrode ga vraća nazad. Nažalost, vjerovatnoća sudara jona sa mrežom je mnogo redova veličine veća od vjerovatnoće ulaska u reakciju fuzije, što onemogućuje energetski povoljnu reakciju. Takve instalacije su našle primenu samo kao izvori neutrona.
U nastojanju da naprave senzacionalno otkriće, mnogi naučnici nastoje vidjeti sintezu gdje god je to moguće. Štampa je više puta izvještavala o tome različite opcije takozvana "hladna fuzija". Sinteza je pronađena u metalima "impregniranim" deuterijumom kada kroz njih teče električna struja, tokom elektrolize tečnosti zasićenih deuterijumom, prilikom stvaranja kavitacionih mehurića u njima, kao i u drugim slučajevima. Međutim, većina ovih eksperimenata nije imala zadovoljavajuću ponovljivost u drugim laboratorijima, a njihovi rezultati se gotovo uvijek mogu objasniti bez upotrebe sinteze.
Nastavljajući "slavnu tradiciju" koja je započela "kamenom filozofa", a potom pretvorena u "večni motor", mnogi moderni prevaranti već nude da od njih kupe "generator hladne fuzije", "kavitacijski reaktor" i druge " generatori bez goriva": Svi su već zaboravili kamen, ne vjeruju u vječni motor, ali nuklearna fuzija sada zvuči prilično uvjerljivo. Ali, nažalost, takvi izvori energije još uvijek ne postoje (a kada ih uspiju stvoriti, to će biti u svim objavama). Zato budite svjesni: ako vam se ponudi da kupite uređaj koji proizvodi energiju zbog hladne nuklearne fuzije, onda vas pokušavaju jednostavno "prevariti"!
Prema preliminarnim procjenama, čak i uz sadašnji nivo tehnologije, moguće je stvoriti termonuklearni raketni motor za let do planeta Sunčevog sistema (uz odgovarajuća sredstva). Ovladavanje tehnologijom takvih motora povećat će brzinu letova s ljudskom posadom na desetine puta i omogućiti velike rezerve goriva na brodu, što će let na Mars učiniti ništa težim od rada na ISS-u sada. Za automatizovane stanice potencijalno će postati dostupna brzina od 10% brzine svetlosti, što znači mogućnost slanja istraživačkih sondi do obližnjih zvezda i dobijanja naučnih podataka tokom života njihovih kreatora.
Koncept termonuklearnog raketnog motora zasnovanog na inercijskoj fuziji smatra se trenutno najrazrađenijim. U ovom slučaju, razlika između motora i reaktora leži u magnetskom polju, koje usmjerava nabijene produkte reakcije u jednom smjeru. Druga opcija uključuje korištenje otvorene zamke, u kojoj je jedan od čepova namjerno oslabljen. Plazma koja teče iz njega će stvoriti reaktivnu silu.
Termonuklearna budućnost
Ovladavanje termonuklearnom fuzijom pokazalo se mnogo težim nego što se u početku činilo. I iako su mnogi problemi već riješeni, oni preostali će biti dovoljni za narednih nekoliko decenija napornog rada hiljada naučnika i inženjera. Ali izgledi koji pred nama otvaraju transformacije izotopa vodika i helijuma su tako veliki, a put kojim se ide već je toliko značajan da nema smisla stati na pola puta. Šta god mnogi skeptici rekli, budućnost je definitivno u sintezi.
Kako je sve počelo. “Energetski izazov” je nastao kombinacijom sljedeća tri faktora:
1. Čovječanstvo sada troši ogromnu količinu energije.
Trenutna potrošnja energije u svijetu iznosi oko 15,7 teravata (TW). Podijeleći ovu vrijednost sa populacijom planete, dobijamo oko 2400 vati po osobi, što se lako može procijeniti i zamisliti. Energija koju potroši svaki stanovnik Zemlje (uključujući i djecu) odgovara 24-satnom radu 24 električne lampe od sto vati. Međutim, potrošnja ove energije širom planete je vrlo neravnomjerna, jer je u nekoliko zemalja vrlo visoka, a u drugim zanemarljiva. Potrošnja (po osobi) je 10,3 kW u SAD (jedna od rekordnih vrijednosti), 6,3 kW u Ruskoj Federaciji, 5,1 kW u UK itd., ali je, s druge strane, jednaka samo 0,21 kW u Bangladeš (samo 2% potrošnje energije u SAD!).
2. Svjetska potrošnja energije dramatično raste.
Prema prognozi Međunarodne agencije za energiju (2006.), očekuje se da će svjetska potrošnja energije porasti za 50% do 2030. godine. Razvijene zemlje bi, naravno, mogle dobro proći i bez dodatne energije, ali ovaj rast je neophodan kako bi se stanovništvo izvuklo iz siromaštva u zemljama u razvoju, gdje 1,5 milijardi ljudi doživljava akutnu nestašicu električne energije.
3. Trenutno se 80% energije koju troši svijet proizvodi sagorijevanjem fosilnih goriva(nafta, ugalj i plin), čija upotreba:
a) potencijalno nosi opasnost od katastrofalnih ekoloških promjena;
b) mora se jednog dana neizbježno završiti.
Iz rečenog je jasno da se već sada moramo pripremiti za kraj ere upotrebe fosilnih goriva.
Trenutno se u nuklearnim elektranama, u velikim razmjerima, dobiva energija oslobođena reakcijama fisije atomskih jezgri. Stvaranje i razvoj ovakvih stanica treba na svaki mogući način poticati, ali treba imati na umu da se zalihe jednog od najvažnijih materijala za njihov rad (jeftini uranijum) mogu u potpunosti istrošiti u narednih 50 godina. . Mogućnosti elektroenergetike zasnovane na nuklearnoj fisiji mogu (i treba) biti značajno proširene upotrebom efikasnijih energetskih ciklusa, koji omogućavaju skoro udvostručenje količine primljene energije. Za razvoj energetike u ovom pravcu potrebno je stvoriti reaktore na torijumu (tzv. torijum breeder reaktori ili breeder reaktori), u kojima se reakcijom proizvodi više torija od početnog uranijuma, usled čega se ukupna količina energija primljena za datu količinu materije se povećava 40 puta... Čini se obećavajućim i stvaranje brzih neutronskih uzgajivača plutonijuma, koji su mnogo efikasniji od uranijumskih reaktora i omogućavaju dobijanje 60 puta više energije. Možda će za razvoj ovih područja biti potrebno razviti nove, nestandardne metode za dobivanje uranijuma (na primjer, iz morske vode, koja se čini najpristupačnijim).
Fuzijske elektrane
Na slici je prikazan shematski dijagram (bez promatranja mjerila) uređaja i princip rada termonuklearne elektrane. U centralnom dijelu nalazi se toroidna (krafnasta) komora zapremine ~2000 m3, ispunjena tricijum-deuterijumom (T – D) plazmom zagrijanom na temperature iznad 100 M°C. Neutroni nastali tokom reakcije fuzije (1) napuštaju "magnetnu bocu" i ulaze u školjku prikazanu na slici debljine oko 1 m.
Unutar ljuske, neutroni se sudaraju s atomima litija, što rezultira reakcijom s stvaranjem tritijuma:
neutron + litijum → helijum + tricijum
Osim toga, u sistemu se javljaju kompetitivne reakcije (bez formiranja tricijuma), kao i mnoge reakcije sa oslobađanjem dodatnih neutrona, koje potom takođe dovode do stvaranja tricijuma (u ovom slučaju može doći do oslobađanja dodatnih neutrona). značajno pojačan, na primjer, zbog uvođenja atoma berilija u ljusku i olova). Opći zaključak je da u ovoj instalaciji može doći do reakcije nuklearne fuzije (barem teoretski) u kojoj će nastati tricij. U tom slučaju količina nastalog tricijuma ne samo da treba da zadovolji potrebe same instalacije, već i da bude nešto veća, što će omogućiti obezbeđivanje tricijuma i za nove instalacije. Upravo ovaj koncept rada mora biti testiran i implementiran u reaktor ITER opisan u nastavku.
Osim toga, neutroni moraju zagrijati oblogu u takozvanim pilot instalacijama (koje će koristiti relativno „konvencionalne“ materijale konstrukcije) na oko 400 °C. U budućnosti se planira izrada poboljšanih instalacija s temperaturom zagrijavanja školjke iznad 1000°C, što se može postići upotrebom najnovijih materijala visoke čvrstoće (kao što su kompoziti silicijum karbida). Toplota koja se oslobađa u omotaču, kao u konvencionalnim postrojenjima, preuzima primarni rashladni krug s rashladnim sredstvom (koji sadrži, na primjer, vodu ili helijum) i prenosi u sekundarni krug, gdje se proizvodi vodena para i dovodi do turbina.
1985 - Sovjetski Savez je predložio novu generaciju Tokamaka, koristeći iskustvo četiri vodeće zemlje u stvaranju fuzijskih reaktora. Sjedinjene Američke Države, zajedno sa Japanom i Evropskom zajednicom, iznijele su prijedlog projekta.
Trenutno je u Francuskoj u toku izgradnja Međunarodnog eksperimentalnog reaktora tokamaka, opisanog u nastavku, koji će biti prvi tokamak sposoban da "zapali" plazmu.
U najnaprednijim postojeće instalacije tipa tokamak, temperature reda veličine 150 M°C, bliske vrijednostima potrebnim za rad fuzijske stanice, odavno su postignute, ali bi reaktor ITER trebao postati prva elektrana velikih razmjera dizajnirana za dugotrajan rad. U budućnosti će biti potrebno značajno poboljšati parametre njegovog rada, što će zahtijevati, prije svega, povećanje tlaka u plazmi, budući da je brzina nuklearne fuzije na datoj temperaturi proporcionalna kvadratu pritisak. Glavni naučni problem u ovom slučaju povezan je s činjenicom da sa povećanjem pritiska u plazmi nastaju vrlo složene i opasne nestabilnosti, odnosno nestabilni načini rada.
Zašto nam ovo treba?
Glavna prednost nuklearne fuzije je u tome što je potrebna samo vrlo mala količina prirodnih supstanci kao goriva. Reakcija nuklearne fuzije u opisanim instalacijama može dovesti do oslobađanja ogromne količine energije, deset miliona puta većeg od standardnog oslobađanja toplote iz konvencionalnih hemijskih reakcija (kao što je sagorevanje fosilnih goriva). Poređenja radi, istaknimo da je količina uglja potrebna za rad termoelektrane od 1 gigavat (GW) 10.000 tona dnevno (deset vagona), a termonuklearna instalacija iste snage će potrošiti samo oko 1 kilogram D+T mješavine dnevno....
Deuterijum je stabilan izotop vodonika; u otprilike jednom od svakih 3.350 molekula obične vode, jedan od atoma vodonika je zamijenjen deuterijumom (naslijeđe iz Velikog praska). Ova činjenica olakšava organizaciju jeftin račun potrebnu količinu deuterijuma iz vode. Teže je dobiti tricijum, koji je nestabilan (vrijeme poluraspada je oko 12 godina, zbog čega je njegov sadržaj u prirodi zanemariv), međutim, kao što je gore prikazano, tricij će tokom rada nastati direktno unutar termonuklearne instalacije, zbog reakcije neutrona sa litijumom.
Dakle, početno gorivo za fuzijski reaktor su litijum i voda. Litijum je uobičajen metal koji se široko koristi u kućanskim aparatima (baterije za mobilne telefone, itd.). Gore opisano postrojenje, čak i uzimajući u obzir nesavršenu efikasnost, moći će proizvesti 200.000 kWh električne energije, što je ekvivalentno energiji sadržanoj u 70 tona uglja. Potrebna količina litijuma nalazi se u jednoj bateriji računara, a količina deuterijuma se nalazi u 45 litara vode. Navedena vrijednost odgovara trenutnoj potrošnji električne energije (po jednoj osobi) u zemljama EU za 30 godina. Sama činjenica da tako beznačajna količina litijuma može obezbijediti proizvodnju tolike količine električne energije (bez emisija CO2 i bez i najmanjeg zagađenja atmosfere) prilično je ozbiljan argument za najbrži i najenergičniji razvoj termonuklearne energije (uprkos sve poteškoće i probleme) pa čak i bez stopostotnog uverenja u uspeh takvog istraživanja.
Deuterijum bi trebalo da traje milionima godina, a rezerve litijuma koje se lako mogu nabaviti su dovoljne da zadovolje potrebe stotinama godina. Čak i ako ponestane zaliha litijuma u stijenama, možemo ga izvući iz vode, gdje je sadržan u dovoljno visokoj koncentraciji (100 puta većoj od koncentracije uranijuma) da bi bio ekonomski isplativ.
Eksperimentalni termonuklearni reaktor (International thermonuclear experimental reactor) gradi se u blizini grada Cadarache u Francuskoj. Glavni cilj projekta ITER je izvođenje kontrolirane reakcije termonuklearne fuzije u industrijskoj mjeri.
Po jedinici težine termonuklearnog goriva dobije se približno 10 miliona puta više energije nego kada se sagori ista količina fosilnog goriva, i oko stotinu puta više nego kada se jezgra uranijuma fisioniraju u reaktorima trenutno aktivnih nuklearnih elektrana. Ako su proračuni naučnika i dizajnera opravdani, to će čovječanstvu dati nepresušan izvor energije.
Stoga su brojne zemlje (Rusija, Indija, Kina, Koreja, Kazahstan, SAD, Kanada, Japan, zemlje EU) udružile svoje napore u stvaranju Međunarodnog termonuklearnog istraživačkog reaktora – prototipa novih elektrana.
ITER je instalacija koja stvara uvjete za sintezu atoma vodika i tritijuma (izotop vodika), uslijed čega nastaje novi atom - atom helija. Ovaj proces je praćen ogromnim naletom energije: temperatura plazme u kojoj se odvija termonuklearna reakcija je oko 150 miliona stepeni Celzijusa (poređenja radi, temperatura jezgra Sunca je 40 miliona stepeni). U ovom slučaju izotopi izgaraju, praktično ne ostavljajući radioaktivni otpad.
Šema učešća u međunarodnom projektu predviđa nabavku komponenti reaktora i finansiranje njegove izgradnje. U zamjenu za to, svaka od zemalja učesnica dobija potpun pristup svim tehnologijama za stvaranje fuzijskog reaktora i rezultatima svih eksperimentalnih radova na ovom reaktoru, koji će poslužiti kao osnova za projektovanje serijskih energetskih fuzijskih reaktora.
Reaktor zasnovan na principu termonuklearne fuzije nema zračenje i potpuno je bezbedan za okolinu. Može se nalaziti gotovo bilo gdje u svijetu i napaja se običnom vodom. Izgradnja ITER-a trajat će desetak godina, nakon čega se očekuje da će se reaktor koristiti 20 godina.
Interese Rusije u Vijeću Međunarodne organizacije za izgradnju termonuklearnog reaktora ITER u narednim godinama zastupat će dopisni član Ruske akademije nauka Mihail Kovalčuk - direktor Instituta RRC Kurčatov, Instituta za kristalografiju Rusije. Akademije nauka i naučni sekretar Predsedničkog saveta za nauku, tehnologiju i obrazovanje. Kovalčuk će na ovoj funkciji privremeno zamijeniti akademika Jevgenija Velikhova, koji je izabran za predsjedavajućeg Međunarodnog vijeća ITER-a u naredne dvije godine i nema pravo kombinirati ovu funkciju sa dužnostima službenog predstavnika zemlje učesnice.
Ukupni troškovi izgradnje procjenjuju se na 5 milijardi eura, isto toliko će biti potrebno i za pilot rad reaktora. Udjeli Indije, Kine, Koreje, Rusije, Sjedinjenih Država i Japana su oko 10 posto ukupnog iznosa, 45 posto je u zemljama Evropske unije. Međutim, evropske države se još nisu dogovorile o tome kako će tačno biti raspoređeni troškovi između njih. Zbog toga je početak izgradnje odgođen za april 2010. godine. Uprkos još jednom kašnjenju, naučnici i zvaničnici uključeni u stvaranje ITER-a tvrde da mogu završiti projekat do 2018.
Proračunata termonuklearna snaga ITER-a je 500 megavata. Pojedinačni dijelovi magneta dostižu težinu od 200 do 450 tona. Za hlađenje ITER-a biće potrebno 33.000 kubnih metara vode dnevno.
Godine 1998. Sjedinjene Države su prestale finansirati svoje učešće u projektu. Nakon što su republikanci došli na vlast u zemlji i počeli nestanci struje u Kaliforniji, Bushova administracija je najavila povećanje ulaganja u energiju. Sjedinjene Države nisu imale namjeru da učestvuju u međunarodnom projektu i bile su angažovane na sopstvenom termonuklearnom projektu. Početkom 2002. savjetnik predsjednika Busha za tehnologiju, John Marburger III, objavio je da su Sjedinjene Države promijenile mišljenje i namjeravaju se vratiti projektu.
Po broju učesnika projekat je uporediv sa drugim velikim međunarodnim naučnim projektom - Međunarodnom svemirskom stanicom. Trošak ITER-a, koji je ranije dostigao 8 milijardi dolara, tada je iznosio manje od 4 milijarde. Kao rezultat istupanja iz članstva Sjedinjenih Država, odlučeno je da se snaga reaktora smanji sa 1,5 GW na 500 MW. Shodno tome, cijena projekta je "izgubila na težini".
U junu 2002. godine, ruski glavni grad je bio domaćin simpozijuma ITER Days u Moskvi. Razgovaralo se o teorijskim, praktičnim i organizacionim problemima oživljavanja projekta, čiji uspjeh može promijeniti sudbinu čovječanstva i dati mu novu vrstu energije, po efikasnosti i ekonomičnosti uporedivu samo sa energijom Sunca.
U julu 2010. godine, predstavnici zemalja koje učestvuju u projektu međunarodnog termonuklearnog reaktora ITER odobrili su njegov budžet i rokove izgradnje na vanrednom sastanku održanom u francuskom Cadaracheu. Izvještaj sa sastanka dostupan je ovdje.
Učesnici projekta su na vanrednom sastanku odobrili datum početka prvih eksperimenata sa plazmom - 2019. Potpuna ispitivanja zakazana su za mart 2027. godine, iako je menadžment projekta zamolio tehničare da pokušaju optimizirati proces i započeti ispitivanja 2026. godine. Učesnici sastanka odlučivali su i o troškovima izgradnje reaktora, ali nisu saopšteni koji su iznosi planirani za izgradnju objekta. Prema informacijama koje je urednik portala ScienceNOW dobio od neimenovanog izvora, do početka eksperimenata cijena projekta ITER mogla bi iznositi 16 milijardi eura.
Sastanak u Cadarash-u postao je i prvi službeni radni dan za novog direktora projekta, japanskog fizičara Osamua Motojima. Prije njega, projektom je od 2005. godine rukovodio Japanac Kaname Ikeda, koji je želio da napusti tu funkciju odmah nakon odobrenja budžeta i rokova izgradnje.
ITER fuzijski reaktor zajednički je projekat zemalja EU, Švicarske, Japana, SAD-a, Rusije, Južne Koreje, Kine i Indije. Ideja o stvaranju ITER-a razmišlja se još od 80-ih godina prošlog stoljeća, međutim, zbog finansijskih i tehničkih poteškoća, cijena projekta stalno raste, a datum početka izgradnje se stalno odgađa. . Stručnjaci su 2009. očekivali da će radovi na stvaranju reaktora početi 2010. godine. Kasnije je ovaj datum pomjeren, a kao vrijeme puštanja u rad reaktora nazvana je prvo 2018., a potom 2019. godina.
Reakcije fuzije su reakcije fuzije jezgara lakih izotopa da se formira jezgra težeg, koje su praćene ogromnim oslobađanjem energije. U teoriji, fuzijski reaktori mogu proizvesti mnogo energije po niskoj cijeni, ali u ovom trenutku naučnici troše mnogo više energije i novca da započnu i održe fuzijsku reakciju.
Fuzija je jeftin i ekološki prihvatljiv način za proizvodnju energije. Milijardama godina na Suncu se odvija nekontrolisana termonuklearna fuzija – helijum nastaje iz teškog izotopa vodika deuterijuma. Istovremeno se oslobađa kolosalna količina energije. Međutim, na Zemlji ljudi još nisu naučili kako upravljati takvim reakcijama.
Izotopi vodika će se koristiti kao gorivo u reaktoru ITER. U toku termonuklearne reakcije, energija se oslobađa kada se laki atomi spoje u teže. Da biste to učinili, morate zagrijati plin na temperaturu veću od 100 miliona stepeni – mnogo više od temperature u centru Sunca. Gas na ovoj temperaturi pretvara se u plazmu. Istovremeno se atomi izotopa vodika spajaju, pretvarajući se u atome helija uz oslobađanje velikog broja neutrona. Elektrana koja radi na ovom principu će koristiti energiju neutrona moderiranu slojem guste materije (litij).
Zašto je stvaranje termonuklearnih instalacija trajalo toliko dugo?
Zašto još nisu stvorene tako važne i vrijedne smjernice o čijim se prednostima govori skoro pola stoljeća? Postoje tri glavna razloga (o kojima se govori u nastavku), od kojih se prvi može nazvati vanjskim ili javnim, a druga dva - unutrašnjim, odnosno uvjetovanim zakonima i uvjetima razvoja same termonuklearne energije.
1. Dugo se vjerovalo da problem praktične upotrebe energije termonuklearne fuzije ne zahtijeva hitna rješenja i radnje, budući da su još 80-ih godina prošlog stoljeća izvori fosilnih goriva izgledali neiscrpni, a problemi ekologije i klimatske promjene nisu zabrinjavale javnost. Godine 1976. Savjetodavni odbor za fuzijsku energiju američkog Ministarstva energetike pokušao je procijeniti vrijeme istraživanja i razvoja i demonstracijske fuzijske elektrane u okviru različitih opcija finansiranja istraživanja. Istovremeno, utvrđeno je da je obim godišnjeg finansiranja istraživanja u ovom pravcu potpuno nedovoljan, a uz zadržavanje postojećeg nivoa izdvajanja, stvaranje termonuklearnih instalacija nikada neće završiti sa uspjehom, budući da dodijeljena sredstva nisu ni odgovaraju minimalnom, kritičnom nivou.
2. Ozbiljnija prepreka razvoju istraživanja u ovoj oblasti je to što se termonuklearna instalacija onog tipa ne može stvoriti i demonstrirati u malim veličinama. Iz objašnjenja predstavljenih u nastavku, postat će jasno da termonuklearna fuzija zahtijeva ne samo magnetsko ograničenje plazme, već i njeno dovoljno zagrijavanje. Odnos potrošene i primljene energije raste barem proporcionalno kvadratu linearnih dimenzija instalacije, usled čega se naučne i tehničke mogućnosti i prednosti termonuklearnih instalacija mogu testirati i demonstrirati samo na dovoljno velikim stanicama, kao što je npr. kao gore pomenuti reaktor ITER. Društvo jednostavno nije bilo spremno da to finansira velikih projekata sve dok nije bilo dovoljno poverenja u uspeh.
3. Razvoj termonuklearne energije bio je veoma složen, međutim (uprkos nedovoljnom finansiranju i teškoćama u odabiru centara za stvaranje JET i ITER instalacija), posljednjih godina uočen je jasan napredak, iako operativna stanica još nije stvorena.
Savremeni svijet se suočava sa vrlo ozbiljnim energetskim izazovom, koji se preciznije može nazvati "neizvjesnom energetskom krizom". Problem je vezan za činjenicu da bi rezerve fosilnih goriva mogle presušiti u drugoj polovini ovog vijeka. Štaviše, sagorijevanje fosilnih goriva može dovesti do potrebe da se na neki način veže i "skladišti" ugljični dioksid koji se oslobađa u atmosferu (gore spomenuti CCS program) kako bi se spriječile ozbiljne promjene u klimi planete.
Trenutno, gotovo sva energija koju čovječanstvo troši nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva, a rješenje problema može biti povezano s korištenjem sunčeve energije ili nuklearne energije (stvaranje brzih reaktora i sl.). Globalni problem zbog rasta stanovništva u zemljama u razvoju i njihove potrebe za poboljšanjem životnog standarda i povećanjem količine proizvedene energije, ne može se riješiti samo na osnovu razmatranih pristupa, iako, naravno, treba poticati bilo kakve razvojne pokušaje. alternativne metode proizvodnja energije.
U stvari, imamo mali izbor strategija ponašanja i razvoj termonuklearne energije je izuzetno važan, iako nema garancije za uspjeh. List Financial Times (od 25.01.2004.) napisao je ovom prilikom:
“Čak i ako troškovi projekta ITER znatno premaše početnu procjenu, malo je vjerovatno da će dostići nivo od milijardu dolara godišnje. Ovakav nivo troškova treba smatrati vrlo skromnim plaćanjem za vrlo razumnu priliku za stvaranje novog izvora energije za čitavo čovječanstvo, posebno s obzirom na činjenicu da ćemo već u ovom vijeku neminovno morati da se odreknemo navike rasipništva i bezobzirnosti. sagorevanje fosilnih goriva."
Nadajmo se da neće biti većih i neočekivanih iznenađenja na putu razvoja termonuklearne energije. U tom slučaju, za 30-ak godina moći ćemo prvi put iz njega isporučiti električnu struju u elektroenergetske mreže, a za nešto više od 10 godina proradit će prva komercijalna termonuklearna elektrana. Moguće je da će u drugoj polovini ovog veka energija nuklearne fuzije početi da zamenjuje fosilna goriva i da će postepeno igrati sve važniju ulogu u snabdevanju čovečanstva energijom na globalnom nivou.
Ne postoji apsolutna garancija da će zadatak stvaranja termonuklearne energije (kao efikasnog i velikog izvora energije za čitavo čovječanstvo) biti uspješno završen, ali vjerovatnoća uspjeha u ovom pravcu je prilično velika. S obzirom na ogroman potencijal termonuklearnih elektrana, svi troškovi projekata za njihov brzi (pa čak i ubrzani) razvoj mogu se smatrati opravdanima, pogotovo jer ove investicije izgledaju vrlo skromno na pozadini monstruoznog globalnog energetskog tržišta (4 triliona dolara godišnje8). ). Zadovoljavanje energetskih potreba čovečanstva je veoma ozbiljan problem. Kako fosilna goriva postaju sve manje dostupna (osim toga, njihova upotreba postaje nepoželjna), situacija se mijenja i jednostavno ne možemo priuštiti da ne razvijamo fuzijsku energiju.
Na pitanje "Kada će se pojaviti termonuklearna energija?" Lev Artsimovich (priznati pionir i vođa istraživanja u ovoj oblasti) je jednom odgovorio da će „nastati kada bude zaista neophodno čovečanstvu“.
ITER će biti prvi fuzijski reaktor koji proizvodi više energije nego što troši. Naučnici mjere ovu karakteristiku koristeći jednostavan koeficijent koji nazivaju "Q". Ako ITER omogući postizanje svih zacrtanih naučnih ciljeva, tada će proizvoditi 10 puta više energije nego što troši. Posljednji od izgrađenih uređaja - "Joint European Torus" u Engleskoj - je manji prototip termonuklearnog reaktora, koji je u završnoj fazi naučnog istraživanja dostigao Q vrijednost od skoro 1. To znači da je proizveo potpuno istu količinu energije koliko je potrošeno. ITER će nadmašiti ovaj rezultat demonstrirajući stvaranje energije u procesu termonuklearne fuzije i dostizanjem vrijednosti Q jednake 10. Ideja je da se proizvede 500 MW uz potrošnju energije od oko 50 MW. Dakle, jedan od naučnih ciljeva ITER-a je da dokaže da se Q vrijednost od 10 može postići.
Drugi naučni cilj je da će ITER imati veoma dugo vreme "gorenja" - puls produženog trajanja do jednog sata. ITER je eksperimentalni reaktor za istraživanje i razvoj koji ne može kontinuirano proizvoditi energiju. Kada ITER počne raditi, bit će uključen jedan sat, nakon čega će se morati isključiti. Ovo je važno jer su do sada tipični uređaji koje smo kreirali mogli imati vrijeme gorenja od nekoliko sekundi ili čak desetinki sekunde - to je maksimum. Koevropski torus je dostigao svoju Q vrijednost od 1 sa vremenom gorenja od približno dvije sekunde i dužinom impulsa od 20 sekundi. Ali proces koji traje nekoliko sekundi nije zaista trajan. Po analogiji s pokretanjem motora automobila: kratko paljenje motora, a zatim gašenje još nije pravi rad automobila. Tek kada odvezete svoj automobil pola sata, on će ući u kontinuirani rad i pokazati da je zaista moguće voziti takav automobil.
To jest, sa tehničke i naučne tačke gledišta, ITER će osigurati Q vrijednost od 10 i produženo vrijeme gorenja.
Program termonuklearne fuzije je zaista međunarodni i širok po prirodi. Ljudi već računaju na uspjeh ITER-a i razmišljaju o sljedećem koraku – stvaranju prototipa industrijskog termonuklearnog reaktora pod nazivom DEMO. Da bi se izgradio, ITER treba da radi. Moramo ostvariti naše naučne ciljeve, jer bi to značilo da su ideje koje iznosimo sasvim izvodljive. Međutim, slažem se da uvijek treba razmišljati o tome šta slijedi. Osim toga, tokom rada ITER-a 25-30 godina, naše znanje će se postepeno produbljivati i širiti, te ćemo moći preciznije ocrtati naš sljedeći korak.
Zaista, nema rasprave o tome da li bi ITER trebao biti tokamak. Neki naučnici postavljaju pitanje sasvim drugačije: treba li postojati ITER? Stručnjaci iz različitih zemalja koji razvijaju svoje, ne tako velike termonuklearne projekte, tvrde da tako veliki reaktor uopće nije potreban.
Međutim, njihovo mišljenje se teško može smatrati mjerodavnim. Fizičari koji rade sa toroidnim zamkama već nekoliko decenija su uključeni u stvaranje ITER-a. Dizajn eksperimentalnog termonuklearnog reaktora u Karadašu zasnovan je na svim saznanjima stečenim tokom eksperimenata na desetinama prethodnika tokamaka. A ovi rezultati ukazuju da reaktor mora nužno imati tokamak, i to veliki.
JET Trenutno se najuspješnijim tokamakom može smatrati JET, koji je EU izgradila u britanskom gradu Ebingdon. Ovo je najveći reaktor tipa tokamak napravljen do danas, sa velikim radijusom plazma torusa od 2,96 metara. Snaga termonuklearne reakcije već je dostigla više od 20 megavata sa vremenom zadržavanja do 10 sekundi. Reaktor vraća oko 40% energije uložene u plazmu.
Fizika plazme je ta koja određuje energetski balans, - rekao je Igor Semenov za Infox.ru. Vanredni profesor MIPT-a je na jednostavnom primjeru opisao šta je energetski bilans: „Svi smo vidjeli kako gori vatra. U stvari, ne gori drva, nego plin. Energetski lanac tamo je sljedeći: plin gori, drva se griju, drvo isparava, plin ponovo gori. Stoga, ako bacimo vodu u vatru, tada ćemo naglo uzeti energiju iz sistema za fazni prijelaz tekuće vode u stanje pare. Bilans će postati negativan, vatra će se ugasiti. Postoji još jedan način - možemo jednostavno uzeti vatrene žile i raširiti ih u svemiru. Vatra će se takođe ugasiti. Isto tako, u termonuklearnom reaktoru koji gradimo. Dimenzije se biraju tako da stvaraju odgovarajući pozitivni energetski bilans za dati reaktor. Dovoljno za izgradnju prave TNPP u budućnosti, nakon što su u ovoj eksperimentalnoj fazi riješeni svi problemi koji trenutno ostaju neriješeni.”
Jednom su promijenjene dimenzije reaktora. To se dogodilo na prijelazu iz XX-XXI stoljeća, kada su se Sjedinjene Države povukle iz projekta, a preostale članice su shvatile da je budžet ITER-a (do tada je procijenjen na 10 milijardi američkih dolara) prevelik. Bili su potrebni fizičari i inženjeri da smanje troškove instalacije. A to se moglo učiniti samo zbog veličine. "Redizajn" ITER-a vodio je francuski fizičar Robert Aymar, koji je prethodno radio u francuskom tokamaku Tore Supra u Karadašu. Vanjski polumjer plazma torusa smanjen je sa 8,2 metra na 6,3 metra. Međutim, rizici povezani sa smanjenjem veličine djelomično su nadoknađeni s nekoliko dodatnih supravodljivih magneta, koji su omogućili implementaciju režima zadržavanja plazme, koji je tada otkriven i istražen.
Svi su čuli nešto o termonuklearnoj energiji, ali malo ko se može sjetiti tehničkih detalja. Štaviše, kratka anketa pokazuje da su mnogi uvjereni da je sama mogućnost termonuklearne energije mit. Navešću izvode sa jednog od internet foruma, gde je iznenada počela rasprava.
pesimisti:
“Možete to uporediti sa komunizmom. U ovoj oblasti ima više problema nego očiglednih rješenja...”;
"Ovo je jedna od mojih omiljenih tema za pisanje futurističkih članaka o svijetloj budućnosti..."
optimisti:
“Biće zato što se sve nevjerovatno ispostavilo ili u početku nemoguće, ili je napredak bio kritičan faktor za razvoj tehnologije...”;
"Energija fuzije je, ljudi, naša neizbežna budućnost i od nje se ne može pobeći..."
Hajde da definišemo pojmove
- Šta je kontrolisana termonuklearna fuzija?
Elena Koresheva: Kontrolisana termonuklearna fuzija (CTF) je linija istraživanja, čija je svrha industrijsko korištenje energije termonuklearnih reakcija sinteze lakih elemenata.
Naučnici širom svijeta započeli su ova istraživanja kada je termonuklearna fuzija u njenoj nekontroliranoj fazi demonstrirana u eksploziji prve hidrogenske bombe na svijetu u blizini Semipalatinska. Projekat takve bombe razvili su u SSSR-u 1949. Andrej Saharov i Vitalij Ginzburg - budućnost Nobelovci sa FIAN-a - Institut za fiziku im P. N. Lebedeva Akademije nauka SSSR-a, a 5. maja 1951. godine izdat je dekret Vijeća ministara SSSR-a o raspoređivanju rada na termonuklearnom programu pod vodstvom I. V. Kurčatova.
Za razliku od nuklearne bombe, u čijoj se eksploziji energija oslobađa kao rezultat fisije atomsko jezgro, termonuklearna reakcija se odvija u hidrogenskoj bombi, čija se glavna energija oslobađa prilikom sagorevanja teškog izotopa vodonika - deuterijuma.
Preduslovi za pokretanje termonuklearne reakcije su: toplota(~ 100 miliona ° C) i velika gustoća goriva - u hidrogenskoj bombi postižu se eksplozijom nuklearnog fitilja male veličine.
Za implementaciju istih uslova u laboratoriji, odnosno prelazak sa nekontrolisane termonuklearne fuzije na kontrolisanu fuziju, naučnici FIAN-a, akademik N.G. Basov, laureat nobelova nagrada 1964., a akademik ON Krokhin je predložio korištenje laserskog zračenja. Bilo je to tada, 1964. godine, na Fizičkom institutu. PN Lebedeva, a potom iu drugim naučnim centrima naše zemlje, započela su istraživanja CTS-a u oblasti inercijalnog zatvaranja plazme. Ovaj pravac se naziva inercijalna termonuklearna fuzija ili ITS.
Klasična meta goriva koja se koristi u ICF eksperimentima je sistem ugniježđenih sfernih slojeva, čija je najjednostavnija verzija vanjska polimerna ljuska i kriogeni sloj goriva formiran na njegovoj unutrašnjoj površini. Glavna ideja ITS-a je komprimirati pet miligrama sferične mete goriva do gustoće više od hiljadu puta veće od gustine čvrste tvari.
Kompresiju vrši vanjska ljuska mete, čija tvar, intenzivno isparavajući pod utjecajem ultra-moćnih laserskih zraka ili snopa visokoenergetskih iona, stvara reaktivni trzaj. Neispareni dio školjke, poput snažnog klipa, sabija gorivo unutar mete, a u trenutku maksimalne kompresije, konvergentni udarni val podiže temperaturu u središtu komprimovanog goriva toliko da počinje termonuklearno sagorijevanje.
Pretpostavlja se da će se mete ubrizgavati u komoru ICF reaktora frekvencijom od 1-15 Hz kako bi se osiguralo njihovo kontinuirano zračenje i, shodno tome, kontinuirani niz termonuklearnih mikroeksplozija koje daju energiju. Podseća na rad motora. unutrašnjim sagorevanjem, samo mi možemo dobiti mnogo reda veličine više energije u takvom procesu.
Drugi pristup CTS-u povezan je sa zatvaranjem magnetne plazme. Ovaj pravac se naziva magnetna termonuklearna fuzija (MTS). Istraživanja u ovom pravcu započela su deset godina ranije, ranih 1950-ih. Institut nazvan po IV Kurčatova je pionir ovih studija u našoj zemlji.
- Šta je krajnji cilj ovih studija?
Vladimir Nikolaev: Krajnji zadatak je korištenje termonuklearnih reakcija u proizvodnji električne i toplinske energije u modernim visokotehnološkim, ekološki prihvatljivim proizvodnim objektima koji koriste praktično neiscrpne izvore energije - inercijalnim termonuklearnim elektranama. Ovaj novi tip elektrane bi s vremenom trebao zamijeniti konvencionalne termoelektrane (TE) koje rade na ugljikovodično gorivo (plin, ugalj, lož ulje), kao i nuklearne elektrane(NUKLEARNA STANICA). Kada će se to dogoditi? Prema riječima akademika L.A. Artsimovicha, jednog od vođa istraživanja TCF-a u našoj zemlji, termonuklearna energija će se stvoriti kada bude zaista neophodna čovječanstvu. Ova potreba postaje sve akutnija svake godine i to iz sljedećih razloga:
1. Prema prognozama Međunarodne agencije za energiju (IEA) iz 2011. godine, svjetska godišnja potrošnja električne energije između 2009. i 2035. povećat će se za više od 1,8 puta - sa 17.200 TWh godišnje na više od 31.700 TWh godišnje, na godišnjem nivou. stopa rasta od 2,4 posto.
2. Mjere koje čovječanstvo primjenjuje u cilju uštede energije, korištenje različitih vrsta tehnologija za uštedu energije u proizvodnji iu svakodnevnom životu, nažalost, ne daju opipljive rezultate.
3. Više od 80 posto energije koja se troši u svijetu sada se proizvodi sagorijevanjem fosilnih goriva - nafte, uglja i prirodnog plina. Iscrpljivanje rezervi ovog fosilnog goriva predviđeno je za pedeset do sto godina, kao i neujednačenost naslaga ovih sagorevanja.
4. Razvoj obnovljivih izvora energije na bazi sunčeve energije, energije vjetra, hidroenergije, bioplina (trenutno ovi izvori čine oko 13-15 posto svjetske potrošnje energije) ograničen je faktorima kao što su ovisnost o klimatskim karakteristikama lokacije elektrane, zavisnost od doba godine, pa čak i doba dana. Ovome treba dodati i relativno male nominalne kapacitete vjetroturbina i solarnih elektrana, potrebu izdvajanja velikih površina za vjetroelektrane, nestabilnost režima rada vjetra i solarne elektrane, što stvara tehničke poteškoće u integraciji ovih objekata u režim rada elektroenergetskog sistema itd.
- Kakve su prognoze za budućnost?
Vladimir Nikolaev: Glavni kandidat za vodeću poziciju u energetici budućnosti je nuklearna energija - energija nuklearnih elektrana i energija kontrolirane termonuklearne fuzije. Ako je trenutno oko 18 posto energije koja se troši u Rusiji energija nuklearnih elektrana, onda kontrolirana termonuklearna fuzija još nije implementirana u industrijskom obimu. Efikasno rješenje za praktičnu upotrebu TCB-a omogućit će vam da ovladate ekološki prihvatljivim, sigurnim i praktično neiscrpnim izvorom energije.
Gdje je pravo iskustvo implementacije?
- Zašto TCB tako dugo čeka na njegovu implementaciju? Uostalom, prvi rad u ovom pravcu izveo je Kurčatov još 1950-ih?
Vladimir Nikolaev: Dugo se vjerovalo da problem praktične upotrebe energije termonuklearne fuzije ne zahtijeva hitna rješenja, budući da su još 80-ih godina prošlog stoljeća izvori fosilnih goriva izgledali neiscrpni, a problemi ekologije i klimatske promjene nisu bile tako akutne kao sada.
Osim toga, savladavanje problema CCF u početku je zahtijevalo razvoj potpuno novih naučnih pravaca - fizike visokotemperaturne plazme, fizike ultra-visokih gustoća energije i fizike anomalnih pritisaka. Bio je potreban razvoj kompjuterske tehnologije i razvoj brojnih matematički modeli ponašanje materije pri pokretanju termonuklearnih reakcija. Za provjeru teorijskih rezultata bilo je potrebno napraviti tehnološki iskorak u stvaranju lasera, jonskih i elektronskih izvora, gorivnih mikrometa, dijagnostičke opreme, kao i stvaranje velikih laserskih i jonskih instalacija.
I ti napori nisu bili uzaludni. Nedavno, u rujnu 2013., takozvani naučni prekid je po prvi put demonstriran u američkim eksperimentima na moćnom laserskom postrojenju NIF: energija oslobođena u termonuklearnim reakcijama nadmašila je energiju uloženu u kompresiju i zagrijavanje goriva u meti. prema ICF šemi... Ovo služi kao dodatni poticaj za ubrzanje razvoja postojećih programa u svijetu koji imaju za cilj demonstriranje komercijalne upotrebe termonuklearnog reaktora.
Prema različitim prognozama, prvi prototip termonuklearnog reaktora biće pušten u rad u periodu do 2040. godine, kao rezultat niza međunarodnih projekata i vladinih programa, uključujući međunarodni reaktor ITER baziran na MTS-u, kao i nacionalne programe izgradnje Reaktori bazirani na ITS-u u Sjedinjenim Državama, Evropi i Japanu. Tako će od pokretanja nekontrolisanih procesa termonuklearne fuzije do pokretanja prve CTS elektrane proći sedamdeset do osamdeset godina.
Što se tiče trajanja uvođenja TCB-a, želim da pojasnim da 80 godina nikako nije dug period. Na primjer, od trenutka kada je Alessandro Volta izumio prvu elektrohemijsku ćeliju 1800. godine do lansiranja prvog prototipa elektrane od strane Thomasa Edisona 1882. godine, prošle su osamdeset dvije godine. A ako govorimo o otkriću i prvim studijama Williama Gilberta o električnim i magnetskim fenomenima (1600.), onda je prošlo više od dva stoljeća prije praktične primjene ovih fenomena.
- Koji su naučni i praktični pravci upotrebe inercijalne kontrolisane termonuklearne fuzije?
Elena Koresheva: ITS reaktor je ekološki prihvatljiv izvor energije koji može ekonomski konkurirati tradicionalnim izvorima fosilnih goriva i nuklearnim elektranama. Konkretno, prognoza američke Livermore National Laboratory predviđa potpuno odbacivanje američkog energetskog sektora od modernih nuklearnih elektrana i njihovu potpunu zamjenu ITS sistemima do 2090. godine.
Tehnologije razvijene tokom stvaranja ITS reaktora mogu se koristiti u različitim industrijama zemlje.
Ali prije svega, potrebno je stvoriti mehanički model reaktora, ili MMR, koji će optimizirati glavne procese povezane s učestalošću i vremenom isporuke ciljeva goriva u zonu fuzije. Lansiranje MMR-a i izvođenje probnih eksperimenata na njemu neophodna je faza u razvoju elemenata komercijalnog reaktora.
I, konačno, ITS reaktor je moćan izvor neutrona sa prinosom neutrona do 1020 n/s, a tok neutrona u njemu dostiže kolosalne vrijednosti i može premašiti 1020 n/s-cm 2 u prosjeku i 1027 n / s-cm 2 u pulsu u blizini reakcione zone. ITS reaktor kao moćan izvor neutrona jedinstven je istraživački alat u oblastima kao što su fundamentalna istraživanja, energija, nano- i biotehnologija, medicina, geologija i sigurnosni problemi.
Što se tiče naučnih pravaca korišćenja ITS-a, oni uključuju proučavanje fizike povezane sa evolucijom supernova i drugih astrofizičkih objekata, proučavanje ponašanja materije u ekstremnim uslovima, proizvodnju transuranskih elemenata i izotopa koji ne postoje u prirodi. , proučavanje fizike interakcije laserskog zračenja sa plazmom i još mnogo toga.
- Da li, po Vašem mišljenju, generalno postoji potreba za prelaskom na TCB kao alternativni izvor energije?
Vladimir Nikolaev: Postoji nekoliko aspekata potrebe za takvom tranzicijom. Prije svega, ovo je ekološki aspekt: dobro je poznata i dokazana činjenica štetnog utjecaja tradicionalnih tehnologija proizvodnje energije na okoliš, kako ugljikovodičnih tako i nuklearnih.
Ne zaboravite na politički aspekt ovog problema, jer razvoj alternativne energije omogućit će zemlji da osvoji svjetsko prvenstvo i zapravo diktirati cijene goriva.
Nadalje, primjećujemo činjenicu da postaje sve skuplje vađenje resursa goriva, a njihovo sagorijevanje postaje sve manje svrsishodno. Kao što je DI Mendeljejev rekao, „grijati se uljem je isto što i grijati novčanicama“. Stoga će prelazak na alternativne tehnologije u energetskom sektoru sačuvati izvore ugljovodonika zemlje za njihovu upotrebu u hemijskoj i drugim industrijama.
I konačno, kako broj i gustina stanovništva stalno rastu, sve je teže pronaći prostore za izgradnju nuklearnih elektrana i državnih regionalnih elektrana, gdje bi proizvodnja energije bila isplativa i sigurna za okoliš. .
Dakle, sa stanovišta društvenih, političkih, ekonomskih ili ekoloških aspekata stvaranja kontrolirane termonuklearne fuzije ne postavljaju se pitanja.
Glavna poteškoća leži u činjenici da je za postizanje cilja potrebno riješiti mnoge probleme s kojima se nauka dosad nije suočavala, a to su:
Razumjeti i opisati složene fizičke procese koji se dešavaju u reagirajućoj mješavini goriva,
Odaberite i testirajte odgovarajuće materijale za konstrukciju,
Razvijte moćne lasere i izvore rendgenskih zraka,
Dizajnirajte impulsne sisteme napajanja koji mogu generirati snažne snopove čestica,
Razviti tehnologiju za masovnu proizvodnju meta za gorivo i sistem za njihovo kontinuirano snabdijevanje u reaktorsku komoru sinhrono sa dolaskom laserskih impulsa ili zraka čestica tamo i još mnogo toga.
Stoga, u prvi plan dolazi problem kreiranja saveznog ciljanog državnog programa za razvoj inercijalno kontrolisane termonuklearne fuzije u našoj zemlji, kao i pitanja njegovog finansiranja.
- Hoće li kontrolirana termonuklearna fuzija biti sigurna? Koje su posljedice po životnu sredinu i stanovništvo kao rezultat vanredne situacije?
Elena Koresheva: Prvo, mogućnost kritične nesreće u termonuklearnoj elektrani potpuno je isključena zbog principa njenog rada. Gorivo za termonuklearnu fuziju nema kritičnu masu i, za razliku od reaktora nuklearnih elektrana, proces reakcije u UTS reaktoru može se zaustaviti u djeliću sekunde u slučaju bilo kakve nenormalne situacije.
Materijali konstrukcije za fuzijsku elektranu birat će se na način da neće formirati dugovječne izotope zbog aktivacije neutronima. To znači da je moguće napraviti "čist" reaktor, neopterećen problemom dugotrajnog skladištenja radioaktivnog otpada. Procjenjuje se da se nakon gašenja termonuklearne elektrane može zbrinuti za dvadeset do trideset godina bez primjene posebnih mjera zaštite.
Važno je naglasiti da je energija termonuklearne fuzije snažan i ekološki prihvatljiv izvor energije, koji u konačnici koristi običnu morsku vodu kao gorivo. Sa ovakvom šemom ekstrakcije energije ne nastaju efekti staklene bašte, kao kod sagorijevanja fosilnih goriva, niti dugovječni radioaktivni otpad, kao u radu nuklearne elektrane.
Termonuklearni reaktor je mnogo sigurniji od nuklearnog, prvenstveno u smislu radijacije. Kao što je već spomenuto, isključena je mogućnost kritične nesreće u termonuklearnoj elektrani. Naprotiv, u nuklearnoj elektrani postoji mogućnost velikog radijacionog udesa, što je povezano sa samim principom njenog rada. Najupečatljiviji primjer su nesreće na nuklearna elektrana u Černobilu 1986. i u nuklearnoj elektrani Fukušima-1 2011. godine. Količina radioaktivnih supstanci u CTS reaktoru je mala. Glavni radioaktivni element ovdje je tricij, koji je slabo radioaktivan, ima vrijeme poluraspada od 12,3 godine i lako se koristi. Osim toga, izgradnja CTS reaktora ima nekoliko prirodnih barijera koje sprječavaju širenje radioaktivnih tvari. Vijek trajanja nuklearne elektrane, uzimajući u obzir produženje njenog rada, je od trideset pet do pedeset godina, nakon čega se stanica mora staviti van pogona. Velika količina visokoradioaktivnih materijala ostaje u reaktoru nuklearne elektrane i oko reaktora i potrebno je mnogo desetljeća da se čeka smanjenje radioaktivnosti. To dovodi do povlačenja iz privrednog prometa ogromnih teritorija i materijalnih vrijednosti.
Također napominjemo da sa stanovišta mogućnosti hitnog curenja tritijuma, buduće ITS-bazirane stanice nesumnjivo imaju prednost u odnosu na stanice magnetne termonuklearne fuzije. U ITS stanicama količina tricijuma istovremeno u ciklusu goriva izračunava se u gramima, maksimalno desetinama grama, dok bi u magnetnim sistemima ta količina trebala biti desetine kilograma.
- Da li već imate instalacije koje rade na principima inercijalne termonuklearne fuzije? I ako jesu, koliko su efikasne?
Elena Koresheva: Kako bi se demonstrirala energija termonuklearne fuzije dobijena ITS shemom, izgrađene su eksperimentalne laboratorijske instalacije u mnogim zemljama svijeta. Najmoćniji među njima su sljedeći:
Nacionalna laboratorija Lawrence Livermore, SAD, upravljala je laserskim postrojenjem NIF sa laserskom energijom od 1,8 MJ koncentrisanom u 192 laserska zraka od 2009. godine;
Predstavljen u Francuskoj (Bordo) moćna instalacija LMJ sa laserskom energijom od 1,8 MJ u 240 laserskih zraka;
Evropska unija stvara laserski uređaj velike snage HiPER (High Power laser Energy Research) sa energijom od 0,3-0,5 MJ, za čiji rad je potrebna proizvodnja i isporuka goriva ciljeva visoke frekvencije> 1 Hz;
Američka Laboratorija za lasersku energiju upravlja laserskom instalacijom OMEGA, laserska energija - 30 kJ energije je koncentrisano u šezdeset snopova laserskog zračenja;
Američka mornarička laboratorija (NRL) izgradila je najmoćniji kripton-fluorni laser NIKE na svijetu sa energijama u rasponu od 3 do 5 kJ u pedeset šest laserskih zraka;
U Japanu, u Laboratoriji za lasersku tehnologiju Univerziteta u Osaki, radi laserska instalacija sa više zraka GEKKO-XII, energija lasera je 15-30 kJ;
Kina upravlja postrojenjem SG-III sa laserskom energijom od 200 kJ u šezdeset četiri laserske zrake;
Ruski federalni nuklearni centar - Sveruski istraživački institut za eksperimentalnu fiziku (RFNC-VNIIEF, Sarov) upravlja instalacijama ISKRA-5 (dvanaest laserskih zraka) i LUCH (četiri laserska zraka). Energija lasera u ovim instalacijama je 12-15 kJ. Ovdje je 2012. godine počela izgradnja novog UVL-2M objekta sa laserskom energijom od 2,8 MJ u 192 zraka. Lansiranje ovog najmoćnijeg lasera na svijetu planirano je za 2020. godinu.
Svrha rada navedenih ITS instalacija je demonstracija tehničke isplativosti ITS-a, kada energija oslobođena u termonuklearnim reakcijama premašuje ukupnu uloženu energiju. Do danas je demonstrirana takozvana naučna rentabilnost, odnosno naučna isplativost ITS-a: energija oslobođena u termonuklearnim reakcijama po prvi put je nadmašila energiju uloženu u kompresiju i zagrijavanje goriva.
- Po vašem mišljenju, instalacije koje koriste kontrolisanu termonuklearnu fuziju danas mogu biti ekonomski isplative? Mogu li se zaista takmičiti sa postojećim stanicama?
Vladimir Nikolaev: Kontrolirana termonuklearna fuzija je prava konkurencija dokazanim izvorima energije kao što su ugljikovodična goriva i nuklearne elektrane, budući da su rezerve goriva za CTS elektranu praktički neiscrpne. Količina teške vode koja sadrži deuterijum u svjetskim okeanima je oko ~ 1015 tona. Litijum, od koga se proizvodi druga komponenta termonuklearnog goriva, tricijum, već se proizvodi u svetu u desetinama hiljada tona godišnje i jeftin je. Štaviše, 1 gram deuterijuma može dati energiju 10 miliona puta više od 1 grama uglja, a 1 gram mješavine deuterijuma i tricijuma dat će istu količinu energije kao 8 tona nafte.
Osim toga, reakcije fuzije su snažniji izvor energije od reakcija fisije uranijuma-235: fuzijom deuterija i tricijuma oslobađa se 4,2 puta više energije od fisije iste mase jezgri uranijuma-235.
Odlaganje otpada u nuklearnoj elektrani je složen i skup tehnološki proces, dok je fuzijski reaktor praktički bez otpada i, shodno tome, čist.
Napomenimo i važan aspekt operativnih karakteristika ITPP-a, kao što je prilagodljivost sistema promjenama energetskih režima. Za razliku od nuklearnih elektrana, proces smanjenja snage u ITES-u je primitivno jednostavan - dovoljno je smanjiti učestalost dovođenja ciljeva termonuklearnog goriva u reaktorsku komoru. Otuda još jedna važna prednost ITES-a u poređenju sa tradicionalnom nuklearnom elektranom: ITES je lakši za manevrisanje. Možda će to u budućnosti omogućiti korištenje moćnih ITP-ova ne samo u "baznom" dijelu rasporeda opterećenja elektroenergetskog sistema, zajedno sa moćnim "baznim" HE i NE, već i da se ITP-ovi smatraju najmanevarnijim "vršnom" snagom. postrojenja koja osiguravaju stabilan rad velikih elektroenergetskih sistema. Ili koristite ITES u periodu dnevnog vršnog opterećenja električnog sistema, kada raspoloživi kapaciteti drugih stanica nisu dovoljni.
- Da li se danas održavaju u Rusiji ili drugim zemljama naučni razvoj stvoriti konkurentnu, isplativu i sigurnu inercijsku termonuklearnu elektranu?
Elena Koresheva: SAD, Evropa i Japan već imaju dugoročne nacionalne programe za izgradnju elektrane zasnovane na ITS-u do 2040. godine. Planirano je da se prelazak na optimalne tehnologije izvrši do 2015-2018, a demonstracija rada pilot postrojenja u kontinuiranom režimu proizvodnje električne energije - do 2020-2025. U Kini postoji program za izgradnju i puštanje u rad 2020. laserske instalacije veličine reaktora SG-IV sa laserskom energijom od 1,5 MJ.
Podsjetimo da kako bi se osigurao kontinuirani način proizvodnje energije, dovod goriva u centar ITES reaktorske komore i istovremeno dovod laserskog zračenja tamo moraju biti izvedeni s frekvencijom od 1-10 Herca.
U Američkoj mornaričkoj laboratoriji (NRL) za razvoj reaktorskih tehnologija stvorena je ELEKTRA instalacija koja radi na frekvenciji od 5 Hz sa laserskom energijom od 500-700 džula. Do 2020. planirano je povećanje energije lasera hiljadu puta.
U okviru evropskog HiPER projekta gradi se moćno eksperimentalno ITS postrojenje sa energijom od 0,3-0,5 MJ, koje će raditi u frekvencijskom režimu. Svrha ovog programa je da demonstrira mogućnost dobijanja energije termonuklearne fuzije u frekvencijskom režimu, što je tipično za rad inercijalne termonuklearne elektrane.
Napominjemo i ovdje državni projekat Republika Južna Koreja o stvaranju inovativnog frekventnog lasera velike snage na Korejskom institutu za progresivnu fiziku i tehnologiju KAIST.
U Rusiji, na Institutu za fiziku. PN Lebedeva, razvijena je i demonstrirana jedinstvena FST metoda, koja je obećavajući način za rješavanje problema formiranja frekvencije i isporuke ciljeva kriogenog goriva u ITS reaktor. Također je napravljena laboratorijska oprema koja simulira cijeli proces pripreme reaktorske mete - od njenog punjenja gorivom do implementacije frekventne isporuke do laserskog fokusa. Po nalogu HiPER programa, stručnjaci FIAN-a razvili su projekat za fabriku meta koja radi na bazi FST metode i obezbeđuje kontinuiranu proizvodnju ciljeva goriva i njihovu frekventnu isporuku u fokus eksperimentalne komore HiPER.
U SAD postoji dugoročni program LIFE, s ciljem izgradnje prve ITS elektrane do 2040. godine. Program LIFE će se razvijati na bazi NIF laserskog postrojenja velike snage koje radi u Sjedinjenim Državama sa laserskom energijom od 1,8 MJ.
Napominjemo da su posljednjih godina studije o interakciji vrlo intenzivnog (1017-1018 W/cm 2 i više) laserskog zračenja sa materijom dovele do otkrića novih, do sada nepoznatih fizičkih efekata. To je ponovo probudilo nade u implementaciju jednostavnog i efikasan način paljenje termonuklearne reakcije u nekomprimiranom gorivu plazma jedinicama (tzv. side-on ignition), koje je predloženo prije više od trideset godina, ali se nije moglo implementirati na tada dostupnom tehnološkom nivou. Za implementaciju ovog pristupa potreban je laser s trajanjem impulsa u pikosekundama i snagom od 10-100 petaW. Sada se širom svijeta intenzivno provode istraživanja na ovu temu, već su napravljeni laseri snage 10 petavata (PW). Na primjer, ovo je VULCAN lasersko postrojenje u laboratorijama Rutherford i Appleton u Velikoj Britaniji. Proračuni pokazuju da su pri upotrebi takvog lasera u ICF-u uslovi paljenja za reakcije bez neutrona, kao što su proton-bor ili proton-litijum, prilično dostižni. U ovom slučaju, u principu, otklanja se problem radioaktivnosti.
U okviru CTS-a, alternativna tehnologija u odnosu na inercijsku termonuklearnu fuziju je magnetna termonuklearna fuzija. Ova tehnologija se u svijetu razvija paralelno sa ITS-om, na primjer, u okviru međunarodnog programa ITER. Izgradnja međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER baziranog na sistemu TOKAMAK izvodi se na jugu Francuske u istraživačkom centru Cadarache. S ruske strane, mnoga preduzeća Rosatoma i drugih odjela uključena su u projekat ITER pod općom koordinacijom Projektnog centra ITER koji je osnovao Rosatom. Svrha stvaranja ITER-a je proučavanje uslova koji moraju biti ispunjeni tokom rada termonuklearnih elektrana, kao i stvaranje na osnovu toga ekonomski isplativih elektrana koje će po veličini premašiti ITER za najmanje 30 posto u svakoj dimenziji.
U Rusiji postoje izgledi
- A šta može da omete uspešnu izgradnju termonuklearne elektrane u Rusiji?
Vladimir Nikolaev: Kao što je već spomenuto, postoje dva smjera u razvoju CNF-a: sa magnetnim i inercijskim zatvaranjem plazme. Za uspješno rješavanje problema izgradnje termonuklearne elektrane potrebno je paralelno razvijati oba smjera u okviru odgovarajućih federalnih programa, kao i ruskih i međunarodnih projekata.
Rusija već sudjeluje u međunarodnom projektu stvaranja prvog prototipa CTS reaktora - ovo je projekt ITER koji se odnosi na magnetnu termonuklearnu fuziju.
Što se tiče elektrane na bazi ITS-a, u Rusiji još ne postoji takav državni program. Nedostatak finansiranja u ovoj oblasti može dovesti do značajnog zaostajanja Rusije u svijetu i do gubitka postojećih prioriteta.
Naprotiv, uz odgovarajuća finansijska ulaganja otvaraju se realni izgledi za izgradnju inercijalne termonuklearne elektrane, ili ITES, na teritoriji Rusije.
- Ima li izgleda za izgradnju inercijalne termonuklearne elektrane u Rusiji, pod uslovom adekvatnih finansijskih ulaganja?
Elena Koresheva: Izgledi postoje. Pogledajmo ovo pobliže.
ITES se sastoji od četiri bitna dijela:
1. Komora za sagorevanje, odnosno reaktorska komora, u kojoj se dešavaju termonuklearne mikroeksplozije, a njihova energija se prenosi na rashladno sredstvo.
2. Driver - moćni laser, ili jonski akcelerator.
3. Fabrika meta - sistem za pripremu i ubrizgavanje goriva u reaktorsku komoru.
4. Toplotna i električna oprema.
Gorivo za takvu stanicu biće deuterijum i tricijum, kao i litijum, koji je deo zida reaktorske komore. Tricij ne postoji u prirodi, ali u reaktoru nastaje iz litija kada stupi u interakciju s neutronima iz termonuklearnih reakcija. Količina teške vode koja sadrži deuterijum u Svjetskom okeanu, kao što je već spomenuto, iznosi oko ~ 1015 tona. Sa praktične tačke gledišta, to je beskonačno! Uklanjanje deuterija iz vode je dobro uspostavljen i jeftin proces. Litijum je pristupačan i prilično jeftin element koji se nalazi u zemljinoj kori. Ako se litijum koristi u ITES-u, on će trajati nekoliko stotina godina. Osim toga, dugoročno, kako se razvija tehnologija snažnih pokretača (tj. lasera, jonskih snopova), planira se izvođenje termonuklearne reakcije na čisti deuterij ili na mješavinu goriva koja sadrži samo malu količinu tritijuma. Shodno tome, cijena goriva će dati vrlo mali doprinos, manje od 1 posto, cijeni energije koju proizvodi fuzijska elektrana.
Komora za sagorevanje ITES-a je, grubo rečeno, kugla od 10 metara, na čijem unutrašnjem zidu je obezbeđena cirkulacija tečnosti, au nekim varijantama stanica praškaste rashladne tečnosti, na primer litijuma, što je istovremeno koristi se i za skidanje energije termonuklearne mikroeksplozije i za stvaranje tricijuma. Osim toga, u komori je predviđen potreban broj ulaznih prozora za ulazak u ciljeve i zračenje vozača. Dizajn podsjeća na trupove moćnih nuklearnih reaktora ili nekih industrijskih postrojenja za kemijsku sintezu, čije je praktično iskustvo dostupno. Ovdje ima još mnogo problema koje treba riješiti, ali nema temeljnih ograničenja. Neki razvoji materijala ovog dizajna i pojedinačnih jedinica već postoje, posebno u projektu ITER.
Termička i električna oprema je prilično dobro razvijen tehnički uređaj koji se već dugo koristi u nuklearnim elektranama. Naravno, na termonuklearnoj stanici ovi sistemi će imati uporedivu cenu.
Što se tiče najsloženijih ITES sistema – pokretača i ciljnih fabrika, u Rusiji postoji dobra osnova za usvajanje državnog ITES programa i realizaciju niza projekata kako u saradnji sa ruskim institucijama tako iu okviru međunarodne saradnje. . Sa ove tačke gledišta, važne su one metode i tehnologije koje su već razvijene u ruskim istraživačkim centrima.
Konkretno, ruski federalni nuklearni centar u Sarovu ima prioritetne razvoje u oblasti stvaranja moćni laseri, proizvodnju jednogorivih ciljeva, dijagnostiku laserskih sistema i termonuklearne plazme, kao i kompjutersku simulaciju procesa koji se odvijaju u ITS-u. Trenutno RFNC-VNIIEF implementira program UFL-2M za izgradnju najmoćnijeg lasera na svijetu sa energijom od 2,8 MJ. U programu učestvuju i brojne druge ruske organizacije, uključujući Institut za fiziku. P.N. Lebedeva. Uspješna implementacija programa UFL-2M, započeta 2012. godine, je još jedna veliki korak Rusija na putu ovladavanja energijom termonuklearne fuzije.
U Ruskom naučnom centru „Kurčatovski institut“ (Moskva), zajedno sa Politehničkim univerzitetom u Sankt Peterburgu, sprovedena su istraživanja u oblasti kriogene isporuke goriva pomoću pneumatskog injektora, koji se već koriste u sistemima magnetne termonuklearne fuzije kao npr. TOKAMAK; istraženi su različiti sistemi zaštite ciljeva goriva u procesu njihove isporuke u komoru reaktora ITS; istražena je mogućnost široke praktične upotrebe ICF-a kao moćnog izvora neutrona.
Na Institutu za fiziku. PN Lebedev RAS (Moskva) postoje neophodni razvoji u oblasti stvaranja fabrike reaktorskih meta. Ovdje razvijeno jedinstvena tehnologija frekventna proizvodnja ciljeva goriva i napravljen je prototip fabrike meta koja radi na frekvenciji od 0,1 Hz. Takođe je kreirao i istražio različite sisteme za isporuku ciljeva, uključujući gravitacioni injektor, elektromagnetni injektor i nove transportne uređaje zasnovane na kvantnoj levitaciji. Konačno, razvila je tehnologije za visoko preciznu kontrolu kvaliteta mete i njenu dijagnostiku tokom procesa isporuke. Neki od ovih radova izvedeni su u saradnji sa prethodno navedenim ITS centrima u okviru deset međunarodnih i ruskih projekata.
ali neophodno stanje implementacija metoda i tehnologija razvijenih u Rusiji je usvajanje dugoročnog saveznog ciljnog programa za ITS i njegovo finansiranje.
- Šta bi, po vašem mišljenju, trebalo da bude prvi korak ka razvoju termonuklearne energije zasnovane na ITS-u?
Vladimir Nikolaev: Prvi korak bi mogao biti projekat "Razvoj mehaničkog modela reaktora i prototipa CILJANE FABRIKE za frekventnu dopunu kriogenog goriva u elektrani koja radi na bazi inercijalne termonuklearne fuzije", čiji je predlagač Centar za Energetska efikasnost "INTER RAO UES" u saradnji sa Fizičkim institutom im PN Lebedeva i NRC Kurčatov institut. Rezultati dobijeni u projektu omogućit će Rusiji ne samo da osvoji stabilan prioritet u svijetu u oblasti TCF-a, već i da se približi izgradnji komercijalne elektrane na bazi ITS-a.
Već sada je jasno da buduće ITPP treba graditi sa velikim jediničnim kapacitetom - najmanje nekoliko gigavata. Pod ovim uslovom, oni će biti prilično konkurentni modernim nuklearnim elektranama. Osim toga, buduća termonuklearna energija omogućit će otklanjanje najakutnijih problema nuklearne energije - opasnost od radijacijske nesreće, odlaganje visokoaktivnog otpada, povećanje cijene i iscrpljivanje goriva za nuklearne elektrane, itd. fisija reaktor snage samo 1 kW!
- U kojim regijama je preporučljivo locirati ITES? Mjesto inercijalne termonuklearne elektrane u energetski sistem Rusija?
Vladimir Nikolaev: Kao što je gore navedeno, za razliku od TE (GRES, CHPP, KES), lokacija ITPP ne zavisi od lokacije izvora goriva. Godišnja potražnja za gorivom je oko 1 tona, a radi se o sigurnim i lako prenosivim materijalima.
Nuklearni reaktori ne bi trebali biti smješteni u blizini gusto naseljenih područja zbog opasnosti od nesreće. Ova ograničenja, tipična za NE, izostaju pri odabiru lokacije ITPP-a. ITES se može nalaziti u blizini velikih gradova i industrijskih centara. Ovo uklanja problem povezivanja stanice na jedan sistem napajanja. Osim toga, nema nedostataka za ITPP koji se odnose na složenost izgradnje i rada nuklearnih elektrana, kao i na poteškoće vezane za preradu i odlaganje nuklearnog otpada i demontažu nuklearnih instalacija nuklearnih elektrana.
ITPS se može nalaziti u udaljenim, slabo naseljenim i teško dostupnim područjima i raditi autonomno, obezbeđujući energetski intenzivne tehnološke procese, kao što je, na primer, proizvodnja aluminijuma i obojenih metala u istočnom Sibiru, Magadanskoj oblasti i Čukotki. , jakutski dijamanti i još mnogo toga.