У дома гъби Накратко термоядрен реактор. Термоядрена централа - проект ITER. В Русия има перспективи

гъби

Накратко термоядрен реактор. Термоядрена централа - проект ITER. В Русия има перспективи

Имате ли нужда от термоядрена енергия?

На този етап от развитието на цивилизацията можем спокойно да кажем, че човечеството е изправено пред „енергийно предизвикателство”. Това се дължи на няколко основни фактора едновременно:

- Човечеството сега изразходва огромно количество енергия.

- Световното потребление на енергия нараства бързо.

Според прогнозата на Международната агенция по енергетика (2006 г.), световното потребление на енергия се очаква да нарасне с 50% до 2030 г.

- В момента 80% от енергията, консумирана в света, се създава от изгаряне на изкопаеми природни горива (нефт, въглища и газ), чието използване потенциално носи опасност от катастрофални промени в околната среда.

Сред саудитците е популярен следният виц: „Баща ми язди камила. Имам кола, а синът ми вече управлява самолета. Но сега синът му отново ще седне на камила “.

Изглежда, че това е така, тъй като според всички сериозни прогнози световните петролни запаси ще се изчерпят основно след около 50 години.

Дори въз основа на оценките на Геоложката служба на САЩ (тази прогноза е много по-оптимистична от останалите), ръстът на световното производство на петрол ще продължи не повече от следващите 20 години (други експерти прогнозират, че производството ще достигне пик след 5-10 години). години), след което обемът на добития петрол ще започне да намалява с около 3% годишно. Перспективата за природния газ не изглежда много по-добра. Обикновено казват, че ще има достатъчно битуминозни въглища за още 200 години, но тази прогноза се основава на поддържане на текущото ниво на производство и потребление. Междувременно потреблението на въглища сега нараства с 4,5% годишно, което веднага намалява споменатия период от 200 години до едва 50 години.

По този начин вече е необходимо да се подготвим за края на ерата на използването на изкопаеми горива.

За съжаление съществуващите в момента алтернативни източници на енергия не са в състояние да покрият нарастващите нужди на човечеството. Според най-оптимистичните оценки максималното количество енергия (в посочения топлинен еквивалент), генерирано от изброените източници, е само 3 TW (вятър), 1 TW (хидроелектрически централи), 1 TW (биологични източници) и 100 GW ( геотермални и морски инсталации). Общото количество допълнителна енергия (дори и в тази най-оптимална прогноза) е само около 6 TW. Трябва да се отбележи, че разработването на нови енергийни източници е много сложна техническа задача, така че цената на произведената от тях енергия във всеки случай ще бъде по-висока, отколкото при обичайното изгаряне на въглища и т.н. Изглежда съвсем очевидно, че

човечеството трябва да търси други източници на енергия, които в момента наистина могат да се считат само за Слънцето и реакциите на термоядрен синтез.

Слънцето е потенциално почти неизчерпаем източник на енергия. Количеството енергия, падащо само върху 0,1% от повърхността на планетата, е еквивалентно на 3,8 TW (дори ако се преобразува с ефективност от само 15%). Проблемът се крие в неспособността ни да улавяме и преобразуваме тази енергия, което е свързано както с високата цена на слънчевите панели, така и с проблемите с акумулирането, съхраняването и по-нататъшното пренасяне на получената енергия към необходимите региони.

В момента в атомните електроцентрали в голям мащаб се получава енергията, освободена от реакциите на делене на атомни ядра. Считам, че създаването и развитието на такива станции трябва да се насърчава по всякакъв възможен начин, но трябва да се има предвид, че запасите от един от най-важните материали за тяхното функциониране (евтин уран) също могат да бъдат напълно изразходвани в рамките на следващите 50 години.

Друга важна област на развитие е използването на ядрен синтез (сливане на ядра), който сега действа като основна надежда за спасение, въпреки че времето на създаването на първите термоядрени електроцентрали остава несигурно. Тази лекция е посветена на тази тема.

Какво е ядрен синтез?

Ядреният синтез, който е в основата на съществуването на Слънцето и звездите, потенциално представлява неизчерпаем източник на енергия за развитието на Вселената като цяло. Експерименти, проведени в Русия (Русия е родното място на термоядрената инсталация Токамак), САЩ, Япония, Германия, както и в Обединеното кралство в рамките на програмата Joint European Torus (JET), която е едно от водещите научни изследвания. програми в света, показват, че ядреният синтез може да осигури не само настоящите енергийни нужди на човечеството (16 TW), но и много по-голямо количество енергия.

Енергията на ядрения синтез е напълно реална и основният въпрос е дали можем да създадем достатъчно надеждни и икономически жизнеспособни термоядрени инсталации.

Процесите на ядрен синтез се наричат реакции на сливане на леки атомни ядра в по-тежки с освобождаване на определено количество енергия.

На първо място, сред тях трябва да се отбележи реакцията между два изотопа (деутерий и тритий) на водорода, която е много разпространена на Земята, в резултат на която се образува хелий и се отделя неутрон. Реакцията може да се запише по следния начин:

D + T = 4 He + n + енергия (17,6 MeV).

Освободената енергия, произтичаща от факта, че хелий-4 има много силни ядрени връзки, се превръща в обикновена кинетична енергия, разпределена между неутрона и ядрото на хелий-4 в съотношение 14,1 MeV / 3,5 MeV.

За да се инициира (запали) реакцията на синтез, е необходимо напълно да се йонизира и загрее газът от смес от деутерий и тритий до температура над 100 милиона градуса по Целзий (ще го обозначаваме с M градуса), което е около пет пъти по-високо отколкото температурата в центъра на Слънцето. Вече при температура от няколко хиляди градуса, междуатомните сблъсъци водят до избиване на електрони от атоми, в резултат на което се образува смес от разделени ядра и електрони, известна като плазма, в която положително заредени и високоенергийни деутрони и тритоните (тоест ядрата на деутерий и тритий) изпитват силно взаимно отблъскване. Въпреки това, високата температура на плазмата (и свързаната с нея висока йонна енергия) позволява на тези деутериеви и тритиеви йони да преодолеят кулоновото отблъскване и да се сблъскат един с друг. При температури над 100 М градуса най-„енергичните“ дейтрони и тритони се приближават един към друг при сблъсъци на толкова близки разстояния, че между тях започват да действат мощни ядрени сили, принуждавайки ги да се слеят един с друг в едно цяло.

Извършването на този процес в лаборатория представлява три много трудни проблема. На първо място, газовата смес от ядрата D и T трябва да се нагрее до температури над 100 M градуса, като по някакъв начин се предотврати охлаждането и замърсяването (поради реакции със стените на съда).

За решаването на този проблем са изобретени "магнитни капани", наречени Токамак, които предотвратяват взаимодействието на плазмата със стените на реактора.

При описания метод плазмата се нагрява от електрически ток, протичащ вътре в тора, до около 3 М градуса, което обаче все още е недостатъчно за иницииране на реакцията. За допълнително нагряване на плазмата енергията или се „изпомпва“ от радиочестотно излъчване (както в микровълнова фурна), или в нея се инжектират лъчи от високоенергийни неутрални частици, които предават енергията си на плазмата по време на сблъсъци. Освен това отделянето на топлина се дължи всъщност на термоядрени реакции (както ще бъде описано по-долу), в резултат на които при достатъчно голяма инсталация трябва да се осъществи "запалването" на плазмата.

В момента във Франция започва изграждането на Международния термоядрен експериментален реактор (ITER), описан по-долу, който ще бъде първият токамак, способен да „запали“ плазма.

В най-модерните съществуващи инсталации от типа Токамак отдавна са постигнати температури от порядъка на 150 М градуса, близки до стойностите, необходими за работата на термоядрена станция, но реакторът ITER трябва да стане първият голям- мащабна електроцентрала, предназначена за продължителна експлоатация. В бъдеще ще е необходимо значително да се подобрят параметрите на неговата работа, което ще изисква преди всичко повишаване на налягането в плазмата, тъй като скоростта на ядрения синтез при дадена температура е пропорционална на квадрата на налягането.

Основният научен проблем в този случай е свързан с факта, че с увеличаване на налягането в плазмата възникват много сложни и опасни нестабилности, тоест нестабилни режими на работа.

Електрически заредените хелиеви ядра, произтичащи от реакцията на синтез, се задържат вътре в "магнитен капан", където постепенно се забавят поради сблъсъци с други частици, а енергията, освободена по време на сблъсъците, помага за поддържане на висока температура на плазмената колона. Неутралните (без електрически заряд) неутрони напускат системата и предават енергията си към стените на реактора, а топлината, взета от стените, е източник на енергия за работата на турбините, които генерират електричество. Проблемите и трудностите при експлоатацията на такова съоръжение се дължат преди всичко на факта, че мощен поток от високоенергийни неутрони и освободена енергия (под формата на електромагнитно излъчване и плазмени частици) сериозно засягат реактора и могат да разрушат материалите, от които той е създаден.

Поради това проектирането на термоядрени инсталации е много сложно. Физиците и инженерите са изправени пред задачата да осигурят висока надеждност на тяхната работа. Проектирането и изграждането на термоядрени станции изисква от тях решаване на редица разнообразни и много сложни технологични проблеми.

Устройството на термоядрена електроцентрала

Фигурата показва принципна диаграма (без да се спазва мащаба) на устройството и принципа на работа на термоядрена електроцентрала. В централната част има тороидална (с формата на поничка) камера с обем ~ 2000 m 3, пълна с тритиево-деутериева (T-D) плазма, нагрята до температури над 100 M градуса. Неутроните, генерирани по време на реакцията на синтез, напускат "магнитния капан" и влизат в обвивката, показана на фигурата, с дебелина около 1 m. 1

Вътре в черупката неутроните се сблъскват с литиеви атоми, което води до реакция с образуването на тритий:

неутрон + литий = хелий + тритий.

Освен това в системата възникват конкуриращи се реакции (без образуването на тритий), както и много реакции с освобождаване на допълнителни неутрони, които след това също водят до образуването на тритий (в този случай освобождаването на допълнителни неутрони може да бъде значително подобрени, например, поради въвеждането на атоми в черупката берилий и олово). Общото заключение е, че в тази инсталация може да възникне реакция на ядрен синтез (поне теоретично), при която ще се образува тритий. В този случай образуваното количество тритий трябва не само да отговаря на нуждите на самата инсталация, но и да бъде дори малко по-голямо, което ще направи възможно осигуряването на тритий и за нови инсталации.

Именно тази концепция за работа трябва да бъде тествана и приложена в реактора ITER, описан по-долу.

Предполага се, че неутроните загряват обвивката в така наречените пилотни инсталации (които ще използват относително „конвенционални“ материали на конструкцията) до около 400 градуса. В бъдеще се планира да се създадат подобрени инсталации с температура на нагряване на корпуса над 1000 градуса, което може да се постигне чрез използването на най-новите високоякостни материали (като композити от силициев карбид). Топлината, освободена в корпуса, както в конвенционалните инсталации, се поема от първичния охладителен кръг с охлаждаща течност (съдържаща например вода или хелий) и се прехвърля във вторичния кръг, където се произвежда водна пара и се подава към турбините.

Основното предимство на ядрения синтез е, че той изисква само много малко количество естествено срещащи се вещества като гориво.

Реакцията на ядрен синтез в описаните инсталации може да доведе до освобождаване на огромно количество енергия, десет милиона пъти по-високо от стандартното отделяне на топлина от конвенционалните химични реакции (като изгаряне на изкопаеми горива). За сравнение нека посочим, че количеството въглища, необходимо за поддържане на работата на 1 гигават (GW) ТЕЦ е 10 000 тона на ден (десет вагона), а термоядрена централа със същата мощност ще консумира само около 1 кг смес D+ на ден.

Деутерият е стабилен изотоп на водорода; в около една от всеки 3350 молекули обикновена вода, един от водородните атоми е заменен с деутерий (наследство, което наследихме от Големия взрив на Вселената). Този факт улеснява организирането на доста евтино производство на необходимото количество деутерий от вода. По-трудно е да се получи тритий, който е нестабилен (периодът на полуразпад е около 12 години, в резултат на което съдържанието му в природата е незначително), но, както е показано по-горе, тритият ще се произвежда директно вътре в термоядрена инсталация по време на работа поради реакцията на неутрони с литий.

По този начин първоначалното гориво за термоядрен реактор е литий и вода.

Литият е често срещан метал, широко използван в домакинските уреди (например в батериите на мобилни телефони). Описаната по-горе централа, дори като се вземе предвид несъвършената ефективност, ще може да произвежда 200 000 kWh електрическа енергия, което е еквивалентно на енергията, съдържаща се в 70 тона въглища. Необходимото количество литий се съдържа в една компютърна батерия, а количеството деутерий се съдържа в 45 литра вода. Горната стойност съответства на текущото потребление на електроенергия (по отношение на един човек) в страните от ЕС за 30 години. Самият факт, че толкова незначително количество литий може да осигури генерирането на такова количество електричество (без емисии на CO2 и без най-малкото замърсяване на атмосферата) е доста сериозен аргумент за най-бързото и енергично развитие на изследванията върху развитието на термоядрена енергия (въпреки всички трудности и проблеми), дори и с дългосрочната перспектива за създаване на икономически ефективен термоядрен реактор.

Деутерият трябва да издържи милиони години, а запасите от лесно достъпен литий са достатъчни, за да задоволят нуждите за стотици години.

Дори ако запасите от литий в скалите се изчерпят, можем да го извлечем от вода, където се съдържа в достатъчно висока концентрация (100 пъти концентрацията на урана), за да бъде икономически жизнеспособен.

Енергията на синтеза не само обещава на човечеството по принцип възможността за производство на огромно количество енергия в бъдеще (без емисии на CO2 и без замърсяване на атмосферата), но има и редица други предимства.

1 ) Висока вътрешна сигурност.

Плазмата, използвана в термоядрени инсталации, има много ниска плътност (около милион пъти по-ниска от плътността на атмосферата), в резултат на което работната среда на инсталациите никога няма да съдържа достатъчно енергия, за да предизвика сериозни инциденти или аварии.

Освен това зареждането с „гориво“ трябва да се извършва непрекъснато, което улеснява спирането на неговата работа, да не говорим за факта, че в случай на авария и рязка промяна в условията на околната среда, термоядреният „пламък“ трябва просто излез.

Какви са опасностите, свързани с термоядрената енергия? Първо, трябва да се отбележи, че въпреки че продуктите на синтеза (хелий и неутрони) не са радиоактивни, корпусът на реактора може да стане радиоактивен при продължително неутронно облъчване.

Второ, тритият е радиоактивен и има сравнително кратък полуживот (12 години). Но въпреки че обемът на използваната плазма е значителен, поради ниската си плътност, тя съдържа само много малко количество тритий (с общо тегло около десет пощенски марки). Ето защо

дори в най-тежките ситуации и аварии (пълно разрушаване на черупката и освобождаване на целия тритий, съдържащ се в нея, например по време на земетресение и катастрофа на самолет на станцията), само малко количество гориво ще влезе в околната среда, което не налага евакуация на населението от близките населени места.

2 ) Разход на енергия.

Очаква се т. нар. „вътрешна” цена на получената електроенергия (самата себестойност на производството) да стане приемлива, ако е 75% от вече съществуващата на пазара цена. „Приемливост“ в този случай означава, че цената ще бъде по-ниска от цената на енергията, получена при използване на стари въглеводородни горива. „Външните“ разходи (странични ефекти, въздействие върху общественото здраве, климат, екология и т.н.) ще бъдат по същество нулеви.

Международен експериментален термоядрен реактор ITER

Основната следваща стъпка е изграждането на реактора ITER, предназначен да демонстрира самата възможност за плазмено запалване и на тази основа да получи поне десетократно увеличение на енергията (по отношение на енергията, изразходвана за нагряване на плазмата). Реакторът ITER ще бъде експериментално устройство, което дори няма да бъде оборудвано с турбини за генериране на електричество и устройства за използването му. Целта на създаването му е да се проучат условията, които трябва да бъдат изпълнени по време на експлоатацията на такива електроцентрали, както и създаването на тази основа на реални, икономически жизнеспособни електроцентрали, които очевидно трябва да надвишават ITER по размер. Създаването на реални прототипи на термоядрени електроцентрали (т.е. инсталации, напълно оборудвани с турбини и др.) изисква решаването на следните две задачи. Първо, необходимо е да се продължи разработването на нови материали (способни да издържат на много тежки условия на работа при описаните условия) и да се тестват в съответствие със специалните правила за оборудването на системата IFMIF (Международно съоръжение за облъчване с синтез), описано по-долу . Второ, има много чисто технически проблеми, които трябва да бъдат решени и да се разработят нови технологии, свързани с дистанционно управление, отопление, дизайн на облицовки, горивни цикли и т.н. 2

На фигурата е показан реакторът ITER, който превъзхожда най-голямото JET съоръжение досега, не само във всичките си линейни размери (приблизително два пъти), но и по големината на използваните в него магнитни полета и токовете, протичащи през плазмата.

Целта на този реактор е да демонстрира възможностите на обединените усилия на физици и инженери при проектирането на мащабна термоядрена електроцентрала.

Проектната мощност на инсталацията е 500 MW (при консумация на енергия на входа на системата само около 50 MW). 3

Блокът ITER се изгражда от консорциум, който включва ЕС, Китай, Индия, Япония, Южна Корея, Русия и Съединените щати. Общото население на тези страни е около половината от общото население на Земята, така че проектът може да се нарече глобален отговор на глобално предизвикателство. Основните компоненти и възли на реактора ITER вече са създадени и тествани, а строителството вече е започнало в град Кадараш (Франция). Пускането на реактора е предвидено за 2020 г., а производството на деутерий-тритиева плазма е предвидено за 2027 г., тъй като пускането в експлоатация на реактора изисква продължителни и сериозни тестове за плазма от деутерий и тритий.

Магнитните намотки на реактора ITER са базирани на свръхпроводящи материали (които по принцип позволяват непрекъсната работа при условие, че токът в плазмата се поддържа), така че конструкторите се надяват да осигурят гарантиран работен цикъл от поне 10 минути. Ясно е, че наличието на свръхпроводящи магнитни намотки е от основно значение за непрекъснатата работа на истинска термоядрена електроцентрала. Свръхпроводящите намотки вече са били използвани в устройства от типа Токамак, но преди това не са били използвани в толкова мащабни инсталации, предназначени за тритиева плазма. В допълнение, съоръжението ITER за първи път ще използва и тества различни модули-обвивки, предназначени да работят в реални станции, където тритиеви ядра могат да бъдат генерирани или „възстановени“.

Основната цел на инсталацията е да демонстрира успешното управление на плазменото горене и възможността за реално производство на енергия в термоядрени устройства при настоящото ниво на развитие на технологиите.

По-нататъшното развитие в тази посока, разбира се, ще изисква много усилия за подобряване на ефективността на устройствата, особено от гледна точка на тяхната икономическа осъществимост, което е свързано със сериозни и продължителни изследвания, както на реактора ITER, така и на други устройства . Сред поставените задачи трябва да се подчертаят следните три:

1) Необходимо е да се покаже, че съществуващото ниво на наука и технология вече позволява да се получи 10-кратно увеличение на енергията (в сравнение с енергията, изразходвана за поддържане на процеса) в контролиран процес на ядрен синтез. Реакцията трябва да протича без възникване на опасни нестабилни режими, без прегряване и увреждане на строителните материали и без замърсяване на плазмата с примеси. С мощности на термоядрена енергия от около 50% от мощността на загряване на плазмата, тези цели вече са постигнати при експерименти върху малки инсталации, но създаването на реактора ITER ще направи възможно тестването на надеждността на методите за управление в много по-голяма инсталация , произвеждащи много повече енергия за дълго време. Реакторът ITER се проектира за проверка и съгласуване на изискванията за бъдещ термоядрен реактор и създаването му е много сложна и интересна задача.

2) Необходимо е да се проучат методи за повишаване на налягането в плазмата (припомнете си, че скоростта на реакцията при дадена температура е пропорционална на квадрата на налягането), за да се предотврати появата на опасни нестабилни режими на поведение на плазмата. Успехът на изследванията в тази насока ще позволи или да се осигури работата на реактора при по-висока плътност на плазмата, или да се намалят изискванията за интензитет на генерираните магнитни полета, което значително ще намали цената на произведената от реактора.

3) Тестовете трябва да потвърдят, че непрекъснатата работа на реактора в стабилен режим в действителност може да бъде осигурена (от икономическа и техническа гледна точка това изискване изглежда много важно, ако не и основно), и пускането на реактора в експлоатация инсталацията може да се извърши без огромни енергийни разходи. Изследователите и дизайнерите много се надяват, че "непрекъснатият" поток на електромагнитен ток през плазмата може да бъде осигурен чрез генерирането му в плазмата (поради високочестотно излъчване и инжектиране на бързи атоми).

Съвременният свят е изправен пред много сериозно енергийно предизвикателство, което по-точно може да се нарече „несигурна енергийна криза“.

Понастоящем почти цялата енергия, консумирана от човечеството, се създава от изгаряне на изкопаеми горива, а решението на проблема може да бъде свързано с използването на слънчева или ядрена енергия (създаване на реактори на бързи неутрони и др.). Глобалният проблем, причинен от нарастващото население на развиващите се страни и тяхната необходимост от подобряване на жизнения стандарт и увеличаване на обема на произведената енергия, не може да бъде решен въз основа на разглежданите подходи, въпреки че, разбира се, всякакви опити за разработване на алтернативни методи за производство на енергия трябва да бъдат насърчавани.

Ако няма големи и неочаквани изненади по пътя на развитието на термоядрената енергетика, то при спазване на разработената разумна и подредена програма за действие, която (разбира се, при добре организирана работа и достатъчно финансиране) трябва да доведе до създаването на прототип на термоядрена електроцентрала. В този случай след около 30 години ще можем за първи път да захранваме електрически ток от него към електропреносните мрежи, а след малко повече от 10 години ще заработи и първата търговска термоядрена централа. Възможно е през втората половина на този век енергията от ядрения синтез да започне да замества изкопаемите горива и постепенно да играе все по-важна роля в осигуряването на човечеството с енергия в глобален мащаб.

лазери,

Казваме, че ще сложим слънцето в кутия. Идеята е хубава. Проблемът е, че не знаем как да направим кутията.

Пиер-Жил дьо Жен
Френски нобелов лауреат

Всички електронни устройства и машини се нуждаят от енергия и човечеството консумира много от нея. Но изкопаемите горива свършват, а алтернативната енергия все още не е достатъчно ефективна.
Има начин за получаване на енергия, идеално подходящ за всички изисквания - Термоядрен синтез. Реакцията на термоядрен синтез (преобразуване на водорода в хелий и освобождаване на енергия) непрекъснато протича в слънцето и този процес дава на планетата енергия под формата на слънчеви лъчи. Просто трябва да го имитирате на Земята, в по-малък мащаб. Достатъчно е да се осигури високо налягане и много висока температура (10 пъти по-висока от тази на Слънцето) и реакцията на синтез ще започне. За да създадете такива условия, трябва да построите термоядрен реактор. Тя ще използва ресурси, по-разпространени на земята, ще бъде по-безопасна и по-мощна от конвенционалните атомни електроцентрали. Повече от 40 години се правят опити за изграждането му и се провеждат експерименти. През последните години един от прототипите дори успя да получи повече енергия, отколкото беше изразходвано. Най-амбициозните проекти в тази област са представени по-долу:

Правителствени проекти

Напоследък най-голямо обществено внимание е отделено на друг дизайн на термоядрен реактор - стелараторът Wendelstein 7-X (стелараторът е по-сложен по своята вътрешна структура от ITER, който е токамак). След като похарчиха малко над 1 милиард долара, немски учени за 9 години построиха намален демонстрационен модел на реактора до 2015 г. Ако покаже добри резултати, ще бъде създадена по-голяма версия.

MegaJoule Laser във Франция ще бъде най-мощният лазер в света и ще се опита да усъвършенства метода за изграждане на термоядрен реактор, базиран на използването на лазери. Пускането в експлоатация на френската фабрика се очаква през 2018 г.

NIF (National Ignition Facility) е построен в САЩ за 12 години и 4 милиарда долара до 2012 г. Те се надяваха да тестват технологията и след това веднага да построят реактора, но се оказа, че, както съобщава Wikipedia, е необходима значителна работа, ако системата винаги ще достигне запалване. В резултат на това амбициозните планове бяха отменени и учените започнаха постепенно да подобряват лазера. Последната задача е да се повиши ефективността на предаването на мощност от 7% на 15%. В противен случай финансирането от Конгреса за този метод за постигане на синтез може да приключи.

В края на 2015 г. в Саров започна изграждането на сграда за най-мощното лазерно съоръжение в света. Той ще бъде по-мощен от сегашния американски и бъдещ френски и ще позволи експериментите, необходими за изграждането на "лазерна" версия на реактора. Завършване на строителството през 2020г.

Базиран в САЩ лазер - MagLIF fusion е признат за тъмния кон на технологията за синтез. Напоследък този метод показа по-добри резултати от очакваното, но мощността все още трябва да се увеличи 1000 пъти. Сега лазерът е в процес на надграждане и до 2018 г. учените се надяват да получат толкова енергия, колкото са изразходвали. При успех ще бъде създадена по-голяма версия.

В руския INP упорито се провеждаха експерименти по метода на „отворените капани“, който САЩ изоставиха през 90-те години. В резултат на това бяха получени показатели, които се смятаха за невъзможни за този метод. Учените от INP смятат, че монтажът им вече е на нивото на германския Wendelstein 7-X (Q = 0,1), но по-евтин. Сега те строят нова инсталация за 3 милиарда рубли.

Ръководителят на института Курчатов постоянно припомня плановете за изграждане на малък термоядрен реактор в Русия - Ignitor. Според плана той трябва да бъде толкова ефективен, колкото ITER, макар и по-малко. Строителството му трябваше да започне преди 3 години, но тази ситуация е характерна за големи научни проекти.

Китайският токамак EAST в началото на 2016 г. успя да получи температура от 50 милиона градуса и да я задържи 102 секунди. Преди да започне изграждането на огромни реактори и лазери, всички новини за термоядрен синтез бяха такива. Човек може да си помисли, че това е просто съревнование между учените - кой ще поддържа все по-високата температура по-дълго. Колкото по-висока е температурата на плазмата и колкото по-дълго може да се поддържа, толкова по-близо сме до началото на реакцията на синтез. В света има десетки такива инсталации, изграждат се още няколко () (), така че рекордът EAST скоро ще бъде счупен. По същество тези малки реактори са само тестово оборудване, преди да бъдат изпратени в ITER.

Lockheed Martin обяви пробив в термоядрената енергия през 2015 г., който ще им позволи да построят малък мобилен термоядрен реактор след 10 години. Като се има предвид, че дори много големи и изобщо не мобилни търговски реактори се очакваха не по-рано от 2040 г., изявлението на корпорацията беше посрещнато със скептицизъм. Но компанията има много ресурси, така че кой знае. Прототипът се очаква през 2020 г.

Стартъпът Helion Energy от Силиконовата долина има свой собствен уникален план за постигане на термоядрен синтез. Компанията е събрала повече от 10 милиона долара и очаква да има построен прототип до 2019 г.

Засенчената стартираща компания Tri Alpha Energy наскоро постигна впечатляващ напредък в популяризирането на своя метод на синтез (теоретиците са разработили> 100 теоретични начина за постигане на синтез, токамакът е просто най-простият и популярен). Компанията също така събра над 100 милиона долара инвеститорски средства.

Проектът за реактор от канадския стартъп General Fusion е още по-различен от другите, но разработчиците са уверени в него и са привлекли повече от 100 милиона долара за 10 години, за да построят реактора до 2020 г.

Базираната в Обединеното кралство стартираща компания First light има най-достъпния уебсайт, създаден през 2014 г., и обяви планове за използване на най-новите научни доказателства за генериране на синтез на по-ниска цена.

Учени от MIT са написали статия, описваща компактен термоядрен реактор. Те залагат на новите технологии, които се появиха след началото на строителството на гигантски токамаци и обещават да завършат проекта до 10 години. Все още не се знае дали ще им бъде дадена зелена светлина за започване на строителството. Дори и да бъде одобрена, статията в списанието е дори по-ранен етап от стартиране.

Fusion е може би най-малкото краудфандинг индустрия. Но именно с негова помощ, а също и с финансиране от НАСА, Lawrenceville Plasma Physics ще построи прототип на своя реактор. От всички реализирани проекти този най-много прилича на измама, но кой знае, може би те ще внесат нещо полезно в тази грандиозна работа.

ITER ще бъде само прототип за изграждането на пълноценно DEMO съоръжение, първият търговски термоядрен реактор. Стартирането му сега е насрочено за 2044 г. и това все още е оптимистична прогноза.

Но има планове за следващия етап. Хибриден термоядрен реактор ще получава енергия както от разпадането на атом (като конвенционална ядрена електроцентрала), така и от синтеза. В тази конфигурация енергията може да бъде 10 пъти повече, но безопасността е по-ниска. Китай очаква да построи прототип до 2030 г., но експертите казват, че това е все едно да се опитвате да създавате хибридни автомобили, преди да бъде изобретен двигателят с вътрешно горене.

Резултат

Не липсват хора, желаещи да донесат нов източник на енергия в света. Проектът ITER има най-големи шансове, като се има предвид неговият мащаб и финансиране, но други методи, както и частни проекти, не бива да се пренебрегват. Учените са работили в продължение на десетилетия, за да започнат реакцията на синтез без особен успех. Но сега има повече проекти за постигане на термоядрена реакция от всякога. Дори всеки от тях да се провали, ще се правят нови опити. Малко вероятно е да си починем, докато не запалим миниатюрна версия на Слънцето тук, на Земята.

Етикети:

термоядрен реактор
енергетика
проекти на бъдещето

Добави тагове

Как започна всичко. „Енергийното предизвикателство“ възникна от комбинация от следните три фактора:

1. Човечеството сега консумира огромно количество енергия.

Текущата консумация на енергия в света е около 15,7 теравата (TW). Разделяйки тази стойност на населението на планетата, получаваме около 2400 вата на човек, което може лесно да се оцени и представи. Енергията, консумирана от всеки жител на Земята (включително деца), съответства на 24-часовата работа на 24 стоватови електрически лампи. Потреблението на тази енергия по цялата планета обаче е много неравномерно, тъй като е много високо в няколко страни и незначително в други. Консумацията (на човек) е 10,3 kW в САЩ (една от рекордните стойности), 6,3 kW в Руската федерация, 5,1 kW в Обединеното кралство и т.н., но, от друга страна, се равнява само на 0,21 kW в Бангладеш (само 2% от потреблението на енергия в САЩ!).

2. Световното потребление на енергия се увеличава драстично.

Според прогнозата на Международната агенция по енергетика (2006 г.), световното потребление на енергия се очаква да нарасне с 50% до 2030 г. Развитите страни, разбира се, биха могли да се справят добре без допълнителна енергия, но този растеж е необходим, за да се изведе населението от бедността в развиващите се страни, където 1,5 милиарда души изпитват остър недостиг на електроенергия.

3. В момента 80% от енергията, консумирана в света, се генерира от изгаряне на изкопаеми горива(нефт, въглища и газ), използването на които:

а) потенциално носи опасност от катастрофални промени в околната среда;

б) неизбежно трябва да свърши някой ден.

От казаното става ясно, че вече трябва да се подготвим за края на ерата на използването на изкопаеми горива.

В момента в атомните електроцентрали в голям мащаб се получава енергията, освободена от реакциите на делене на атомни ядра. Създаването и развитието на такива станции трябва да се насърчава по всякакъв възможен начин, но трябва да се има предвид, че запасите от един от най-важните материали за тяхното функциониране (евтин уран) също могат да бъдат напълно изразходвани през следващите 50 години . Възможностите на енергетиката, базирана на ядрено делене, могат (и трябва) да бъдат значително разширени чрез използването на по-ефективни енергийни цикли, които правят възможно почти удвояване на количеството получена енергия. За развитието на енергията в тази посока е необходимо да се създадат реактори на торий (т.нар. торийни реактори или реактори-размножители), в които реакцията произвежда повече торий от първоначалния уран, в резултат на което общото количество енергията, получена за дадено количество материя, се увеличава 40 пъти ... Също така изглежда обещаващо да се създадат размножители на бързи неутрони на плутоний, които са много по-ефективни от урановите реактори и позволяват получаването на 60 пъти повече енергия. Може би, за да се развият тези области, ще е необходимо да се разработят нови, нестандартни методи за получаване на уран (например от морска вода, която изглежда най-достъпната).

Термоядрени електроцентрали

Фигурата показва принципна диаграма (без да се спазва мащаба) на устройството и принципа на работа на термоядрена електроцентрала. В централната част е разположена тороидална (с формата на поничка) камера с обем ~ 2000 m3, пълна с тритиево-деутериева (T – D) плазма, нагрята до температури над 100 M ° C. Неутроните, образувани по време на реакцията на синтез (1), напускат "магнитната бутилка" и влизат в показаната на фигурата обвивка с дебелина около 1 m.

Вътре в черупката неутроните се сблъскват с литиеви атоми, което води до реакция с образуването на тритий:

неутрон + литий → хелий + тритий

Освен това в системата възникват конкурентни реакции (без образуването на тритий), както и много реакции с освобождаване на допълнителни неутрони, които след това също водят до образуването на тритий (в този случай освобождаването на допълнителни неутрони може да бъде значително подобрени, например, поради въвеждането на берилиеви атоми в черупката и олово). Общото заключение е, че в тази инсталация може да възникне реакция на ядрен синтез (поне теоретично), при която ще се образува тритий. В този случай образуваното количество тритий трябва не само да отговаря на нуждите на самата инсталация, но и да бъде дори малко по-голямо, което ще направи възможно осигуряването на тритий и за нови инсталации. Именно тази концепция за работа трябва да бъде тествана и приложена в реактора ITER, описан по-долу.

В допълнение, неутроните трябва да загреят облицовката в така наречените пилотни инсталации (които ще използват относително „конвенционални“ материали за конструкция) до около 400 ° C. В бъдеще се планира да се създадат подобрени инсталации с температура на нагряване на корпуса над 1000 ° C, което може да се постигне чрез използването на най-новите високоякостни материали (като композити от силициев карбид). Топлината, освободена в корпуса, както в конвенционалните инсталации, се поема от първичния охладителен кръг с охлаждаща течност (съдържаща например вода или хелий) и се прехвърля във вторичния кръг, където се произвежда водна пара и се подава към турбините.

1985 г. – Съветският съюз предлага следващото поколение Токамак, използвайки опита на четири водещи страни в създаването на термоядрен реактори. Съединените американски щати, заедно с Япония и Европейската общност, представиха предложение за проект.

В момента във Франция е в ход изграждането на международния експериментален реактор на токамак, описан по-долу, който ще бъде първият токамак, способен да „запалва“ плазма.

В най-модерните съществуващи инсталации от типа токамак отдавна са постигнати температури от порядъка на 150 M ° C, близки до стойностите, необходими за работата на термоядрена станция, но реакторът ITER трябва да стане първият голям- мащабна електроцентрала, предназначена за продължителна експлоатация. В бъдеще ще е необходимо значително да се подобрят параметрите на неговата работа, което ще изисква преди всичко повишаване на налягането в плазмата, тъй като скоростта на ядрения синтез при дадена температура е пропорционална на квадрата на налягането. Основният научен проблем в този случай е свързан с факта, че с увеличаване на налягането в плазмата възникват много сложни и опасни нестабилности, тоест нестабилни режими на работа.

Защо ни трябва това?

Основното предимство на ядрения синтез е, че той изисква само много малко количество естествено срещащи се вещества като гориво. Реакцията на ядрен синтез в описаните инсталации може да доведе до освобождаване на огромно количество енергия, десет милиона пъти по-високо от стандартното отделяне на топлина от конвенционалните химични реакции (като изгаряне на изкопаеми горива). За сравнение, нека посочим, че количеството въглища, необходимо за поддържане на работата на 1 гигават (GW) ТЕЦ е 10 000 тона на ден (десет вагона), а термоядрена инсталация със същата мощност ще изразходва само около 1 килограм D + T смес на ден....

Деутерият е стабилен изотоп на водорода; в около една от всеки 3350 молекули обикновена вода, един от водородните атоми е заменен с деутерий (наследство от Големия взрив). Този факт улеснява организирането на доста евтино производство на необходимото количество деутерий от вода. По-трудно е да се получи тритий, който е нестабилен (периодът на полуразпад е около 12 години, в резултат на което съдържанието му в природата е незначително), но, както е показано по-горе, тритият ще възникне директно вътре в термоядрена инсталация по време на работа, поради реакцията на неутрони с литий.

По този начин първоначалното гориво за термоядрен реактор е литий и вода. Литият е често срещан метал, широко използван в домакински уреди (батерии за мобилни телефони и др.). Описаната по-горе централа, дори като се вземе предвид несъвършената ефективност, ще може да произвежда 200 000 kWh електрическа енергия, което е еквивалентно на енергията, съдържаща се в 70 тона въглища. Необходимото количество литий се съдържа в една компютърна батерия, а количеството деутерий се съдържа в 45 литра вода. Горната стойност съответства на текущото потребление на електроенергия (по отношение на един човек) в страните от ЕС за 30 години. Самият факт, че такова незначително количество литий може да осигури генерирането на такова количество електроенергия (без емисии на CO2 и без най-малкото замърсяване на атмосферата) е доста сериозен аргумент за най-бързото и енергично развитие на термоядрената енергия (въпреки всички трудности и проблеми) и дори без сто процента увереност в успеха на подобно изследване.

Деутерият трябва да издържи милиони години, а запасите от лесно достъпен литий са достатъчни, за да задоволят нуждите за стотици години. Дори ако запасите от литий в скалите се изчерпят, можем да го извлечем от вода, където се съдържа в достатъчно висока концентрация (100 пъти концентрацията на урана), за да бъде икономически жизнеспособен.

Експериментален термоядрен реактор (International thermonuclear experimental reactor) се изгражда близо до град Кадараш във Франция. Основната цел на проекта ITER е да проведе контролирана реакция на термоядрен синтез в промишлен мащаб.

На единица тегло на термоядрено гориво се получава приблизително 10 милиона пъти повече енергия, отколкото при изгаряне на същото количество изкопаемо гориво и около сто пъти повече, отколкото когато урановите ядра се разделят в реакторите на действащите в момента атомни електроцентрали. Ако изчисленията на учени и дизайнери са оправдани, това ще даде на човечеството неизчерпаем източник на енергия.

Поради това редица държави (Русия, Индия, Китай, Корея, Казахстан, САЩ, Канада, Япония, страни от ЕС) обединиха усилията си за създаване на Международен термоядрен изследователски реактор – прототип на нови електроцентрали.

ITER е инсталация, която създава условия за синтез на водородни и тритиеви атоми (водороден изотоп), в резултат на което се образува нов атом - хелиев атом. Този процес е придружен от огромен прилив на енергия: температурата на плазмата, в която протича термоядрената реакция, е около 150 милиона градуса по Целзий (за сравнение температурата на слънчевото ядро е 40 милиона градуса). В този случай изотопите изгарят, като на практика не остават радиоактивни отпадъци.

Схемата за участие в международен проект предвижда доставка на компоненти на реактора и финансиране на изграждането му. В замяна на това всяка от участващите страни получава пълен достъп до всички технологии за създаване на термоядрен реактор и до резултатите от цялата експериментална работа по този реактор, които ще послужат като основа за проектиране на серийни мощни термоядрен реактори.

Реакторът, базиран на принципа на термоядрен синтез, няма радиоактивно излъчване и е напълно безопасен за околната среда. Може да се намира почти навсякъде по света и се захранва от обикновена вода. Изграждането на ITER ще отнеме около десет години, след което се очаква реакторът да се използва 20 години.

Интересите на Русия в Съвета на Международната организация за изграждане на термоядрен реактор ITER през следващите години ще бъдат представлявани от член-кореспондент на Руската академия на науките Михаил Ковалчук - директор на RRC Курчатовския институт, Института по кристалография на Русия. Академията на науките и научен секретар на Президентския съвет по наука, технологии и образование. Ковалчук временно ще замени на този пост академик Евгений Велихов, който беше избран за председател на Международния съвет на ITER за следващите две години и няма право да съчетава тази длъжност със задълженията на официален представител на участваща страна.

Общата стойност на строителството се оценява на 5 милиарда евро, същата сума ще е необходима за пилотната експлоатация на реактора. Дяловете на Индия, Китай, Корея, Русия, САЩ и Япония са приблизително 10 процента от общите, 45 процента са в страните от Европейския съюз. Европейските държави обаче все още не са се договорили как точно ще бъдат разпределени разходите между тях. Поради това началото на строителството беше отложено за април 2010 г. Въпреки поредното забавяне, учени и служители, участващи в създаването на ITER, твърдят, че могат да завършат проекта до 2018 г.

Изчислената термоядрена мощност на ITER е 500 мегавата. Отделните части на магнитите достигат тегло от 200 до 450 тона. За охлаждане на ITER ще са необходими 33 000 кубически метра вода на ден.

През 1998 г. САЩ спират да финансират участието си в проекта. След като републиканците дойдоха на власт в страната и започнаха непрекъснати прекъсвания в електроснабдяването в Калифорния, администрацията на Буш обяви увеличение на инвестициите в енергия. Съединените щати не възнамеряваха да участват в международния проект и бяха ангажирани със собствен термоядрен проект. В началото на 2002 г. съветникът на президента Буш по технологиите Джон Марбургър III обяви, че Съединените щати са променили мнението си и възнамеряват да се върнат към проекта.

По брой участници проектът е съпоставим с друг голям международен научен проект – Международната космическа станция. Цената на ITER, която преди това достигна 8 милиарда долара, след това възлизаше на по-малко от 4 милиарда. В резултат на излизането от членството на Съединените щати беше решено мощността на реактора да се намали от 1,5 GW на 500 MW. Съответно цената на проекта е "отслабнала".

През юни 2002 г. руската столица беше домакин на симпозиума ITER Days в Москва. На него бяха обсъдени теоретичните, практическите и организационните проблеми на съживяването на проекта, чийто успех може да промени съдбата на човечеството и да му даде нов вид енергия, по ефективност и икономичност, сравнима само с енергията на Слънцето.

През юли 2010 г. представители на страните, участващи в международния проект за термоядрен реактор ITER, одобриха бюджета и сроковете за изграждане на извънредна среща във френския Кадараш. Отчетът от срещата е достъпен тук.

На извънредна среща участниците в проекта одобриха началната дата за първите експерименти с плазма - 2019г. Пълните изпитания са насрочени за март 2027 г., въпреки че ръководството на проекта помоли техниците да се опитат да оптимизират процеса и да започнат изпитания през 2026 г. Участниците в срещата взеха решение и за разходите за изграждане на реактора, но не бяха оповестени сумите, които се планира да бъдат изразходвани за създаването на съоръжението. Според информация, получена от редактора на портала ScienceNOW от неназован източник, до момента на започване на експериментите цената на проекта ITER може да бъде 16 милиарда евро.

Срещата в Кадараш стана и първият официален работен ден за новия директор на проекта, японския физик Осаму Мотоджима. Преди него проектът се управляваше от 2005 г. от японеца Канаме Икеда, който пожела да напусне поста веднага след одобрение на бюджета и сроковете за строителство.

Термоядреният реактор ITER е съвместен проект на страните от ЕС, Швейцария, Япония, САЩ, Русия, Южна Корея, Китай и Индия. Идеята за създаване на ITER се обмисля от 80-те години на миналия век, но поради финансови и технически затруднения цената на проекта непрекъснато расте, а датата за започване на строителството непрекъснато се отлага . През 2009 г. експертите очакваха, че работата по създаването на реактора ще започне през 2010 г. По-късно тази дата беше преместена и като време на пускането на реактора първо беше наречена 2018 г., а след това 2019 г.

Реакциите на синтез са реакции на сливане на ядра от леки изотопи за образуване на ядро на по-тежко, които са придружени от огромно освобождаване на енергия. На теория термоядрените реактори могат да генерират много енергия на ниска цена, но в момента учените харчат много повече енергия и пари, за да започнат и поддържат реакция на синтез.

Fusion е евтин и екологичен начин за генериране на енергия. В продължение на милиарди години на Слънцето се извършва неконтролиран термоядрен синтез – хелият се образува от тежкия водороден изотоп деутерий. В същото време се отделя колосално количество енергия. Въпреки това на Земята хората все още не са се научили как да управляват подобни реакции.

Водородните изотопи ще бъдат използвани като гориво в реактора ITER. В хода на термоядрена реакция се отделя енергия, когато леките атоми се комбинират в по-тежки. За да направите това, трябва да загреете газа до температури над 100 милиона градуса - много по-високи от температурата в центъра на слънцето. При тази температура газът се превръща в плазма. В същото време атомите на водородните изотопи се сливат, превръщайки се в хелиеви атоми с освобождаването на голям брой неутрони. Електроцентрала, работеща на този принцип, ще използва енергията на неутроните, модерирана от слой от плътна материя (литий).

Защо толкова се забави създаването на термоядрени инсталации?

Защо все още не са създадени толкова важни и ценни насоки, чиито предимства се обсъждат от почти половин век? Има три основни причини (обсъдени по-долу), първата от които може да се нарече външна или обществена, а другите две - вътрешни, тоест обусловени от законите и условията на развитието на самата термоядрена енергия.

1. Дълго време се смяташе, че проблемът с практическото използване на енергията на термоядрен синтез не изисква спешни решения и действия, тъй като през 80-те години на миналия век източниците на изкопаеми горива изглеждаха неизчерпаеми, а проблемите на екологията и изменението на климата не засяга обществеността. През 1976 г. Консултативният комитет за термоядрена енергия към Министерството на енергетиката на САЩ се опитва да оцени времето за научноизследователска и развойна дейност и демонстрационна електроцентрала за термоядрен синтез при различни възможности за финансиране на научни изследвания. В същото време беше установено, че обемът на годишното финансиране за изследвания в тази насока е напълно недостатъчен и при запазване на съществуващото ниво на разпределения, създаването на термоядрени инсталации никога няма да приключи с успех, тъй като отпуснатите средства дори не отговарят на минималното, критично ниво.

2. По-сериозна пречка за развитието на изследванията в тази област е, че термоядрена инсталация от разглеждания тип не може да бъде създадена и демонстрирана в малки размери. От представените по-долу обяснения ще стане ясно, че термоядрен синтез изисква не само магнитно ограничаване на плазмата, но и нейното достатъчно нагряване. Съотношението на консумираната и получената енергия нараства поне пропорционално на квадрата на линейните размери на инсталацията, в резултат на което научните и технически възможности и предимства на термоядрените инсталации могат да бъдат тествани и демонстрирани само на достатъчно големи станции, напр. като гореспоменатия реактор ITER. Обществото просто не беше готово да финансира толкова големи проекти, докато нямаше достатъчно увереност в успеха.

3. Развитието на термоядрената енергия обаче беше много сложно (въпреки недостатъчното финансиране и трудностите при избора на центрове за създаване на инсталации JET и ITER), през последните години се наблюдава ясен напредък, въпреки че действащата станция все още не е създадена.

Съвременният свят е изправен пред много сериозно енергийно предизвикателство, което по-точно може да се нарече „несигурна енергийна криза“. Проблемът е свързан с факта, че запасите от изкопаеми горива може да изсъхнат през втората половина на този век. Освен това изгарянето на изкопаеми горива може да доведе до необходимостта по някакъв начин да се свърже и „съхрани“ въглеродният диоксид, освободен в атмосферата (програмата за CCS, спомената по-горе), за да се предотвратят сериозни промени в климата на планетата.

Понастоящем почти цялата енергия, консумирана от човечеството, се създава от изгаряне на изкопаеми горива и решението на проблема може да бъде свързано с използването на слънчева или ядрена енергия (създаване на реактори за бързо размножаване и др.). Глобалният проблем, причинен от нарастващото население на развиващите се страни и тяхната необходимост от подобряване на жизнения стандарт и увеличаване на обема на произведената енергия, не може да бъде решен въз основа на разглежданите подходи, въпреки че, разбира се, всякакви опити за разработване на алтернативни методи за производство на енергия трябва да бъдат насърчавани.

Всъщност имаме малък избор от стратегии за поведение и развитието на термоядрена енергия е изключително важно, въпреки че няма гаранция за успех. Вестник Financial Times (от 25.01.2004 г.) пише по този повод:

„Дори ако разходите по проекта ITER значително надвишават първоначалната оценка, е малко вероятно те да достигнат нивото от 1 милиард долара годишно. Това ниво на разходите трябва да се счита за много скромно плащане за една много разумна възможност за създаване на нов източник на енергия за цялото човечество, особено като се има предвид факта, че вече през този век неизбежно ще трябва да се разделим с навика на разточителство и безразсъдство изгаряне на изкопаеми горива."

Да се надяваме, че няма да има големи и неочаквани изненади по пътя на развитието на термоядрената енергия. В този случай след около 30 години ще можем за първи път да захранваме електрически ток от него към електропреносните мрежи, а след малко повече от 10 години ще заработи и първата търговска термоядрена централа. Възможно е през втората половина на този век енергията от ядрения синтез да започне да замества изкопаемите горива и постепенно да играе все по-важна роля в осигуряването на човечеството с енергия в глобален мащаб.

Няма абсолютна гаранция, че задачата за създаване на термоядрена енергия (като ефективен и мащабен източник на енергия за цялото човечество) ще бъде изпълнена успешно, но вероятността за успех в тази посока е доста висока. Предвид огромния потенциал на термоядрените електроцентрали, всички разходи за проекти за тяхното бързо (и дори ускорено) развитие могат да се считат за оправдани, особено след като тези инвестиции изглеждат много скромни на фона на чудовищния глобален енергиен пазар (4 трилиона долара годишно8 ). Задоволяването на енергийните нужди на човечеството е много сериозен проблем. Тъй като изкопаемите горива стават все по-малко достъпни (освен това използването им става нежелателно), ситуацията се променя и ние просто не можем да си позволим да не развиваме термоядрена енергия.

На въпроса "Кога ще се появи термоядрена енергия?" Лев Арцимович (признат пионер и лидер на изследванията в тази област) веднъж отговори, че „той ще бъде създаден, когато стане наистина необходим за човечеството“.

ITER ще бъде първият термоядрен реактор, който генерира повече енергия, отколкото консумира. Учените измерват тази характеристика, използвайки прост коефициент, който наричат "Q". Ако ITER направи възможно постигането на всички поставени научни цели, тогава той ще произвежда 10 пъти повече енергия, отколкото консумира. Последното от изградените устройства - "Joint European Torus" в Англия - е по-малък прототип на термоядрен реактор, който на последния етап от научните изследвания достигна стойност на Q почти 1. Това означава, че е произвел точно същото количество на изразходвана енергия. ITER ще надмине този резултат, като демонстрира създаването на енергия в процеса на термоядрен синтез и достига стойност на Q, равна на 10. Идеята е да генерира 500 MW с консумация на енергия от около 50 MW. По този начин една от научните цели на ITER е да докаже, че може да бъде постигната стойност на Q от 10.

Друга научна цел е, че ITER ще има много дълго време на "горене" - импулс с увеличена продължителност до един час. ITER е експериментален реактор за научноизследователска и развойна дейност, който не може да произвежда енергия непрекъснато. Когато ITER започне да работи, той ще бъде включен за един час, след което ще трябва да бъде изключен. Това е важно, защото досега типичните устройства, които създадохме, можеха да имат време на горене от няколко секунди или дори десети от секундата - това е максимумът. Съевропейският тор достигна своята Q стойност от 1 с време на горене от приблизително две секунди и дължина на импулса от 20 секунди. Но процес, който отнема няколко секунди, не е наистина постоянен. По аналогия със стартирането на двигателя на автомобил: краткото включване на двигателя и след това изключване все още не е реална работа на автомобила. Само когато карате колата си половин час, тя ще влезе в непрекъсната работа и ще демонстрира, че наистина е възможно да карате такава кола.

Тоест, от техническа и научна гледна точка, ITER ще осигури Q стойност от 10 и увеличено време на горене.

Програмата за термоядрен синтез е наистина международна и широка по своя характер. Хората вече разчитат на успеха на ITER и мислят за следващата стъпка - създаване на прототип на индустриален термоядрен реактор, наречен DEMO. За да го изгради, ITER трябва да работи. Ние трябва да постигнем нашите научни цели, защото това би означавало, че идеите, които предлагаме, са напълно осъществими. Въпреки това съм съгласен, че винаги трябва да мислите какво следва. Освен това, по време на експлоатацията на ITER в продължение на 25-30 години, нашите знания постепенно ще се задълбочават и разширяват и ще можем по-точно да очертаем следващата си стъпка.

Всъщност няма дебат дали ITER трябва да бъде токамак. Някои учени поставят въпроса съвсем различно: трябва ли да има ITER? Експерти от различни страни, разработващи свои собствени, не толкова мащабни термоядрени проекти, твърдят, че такъв голям реактор изобщо не е необходим.

Тяхното мнение обаче трудно може да се счита за авторитетно. Физиците, които работят с тороидални капани, са участвали в създаването на ITER от няколко десетилетия. Проектирането на експерименталния термоядрен реактор в Карадаш се основава на всички знания, получени по време на експерименти върху десетки предшественици токамаци. И тези резултати показват, че реакторът задължително трябва да има токамак, и то голям.

JET В момента за най-успешния токамак може да се счита JET, построен от ЕС в британския град Ебингдън. Това е най-големият от реакторите от типа токамак, създадени досега, с голям радиус на плазмен тор от 2,96 метра. Мощността на термоядрена реакция вече е достигнала повече от 20 мегавата с време на задържане до 10 секунди. Реакторът връща около 40% от енергията, вложена в плазмата.

Физиката на плазмата определя енергийния баланс, - каза Игор Семенов за Infox.ru. Доцентът от МФТИ описа какво представлява енергийният баланс, използвайки прост пример: „Всички видяхме как гори огън. Всъщност не горят дърва, а газ. Енергийната верига там е следната: газ гори, дърва се отопляват, дърва се изпаряват, газът гори отново. Следователно, ако хвърлим вода в огъня, тогава рязко ще вземем енергия от системата за фазовия преход на течната вода в състояние на пара. Балансът ще стане отрицателен, огънят ще изгасне. Има и друг начин - можем просто да вземем огнените огньове и да ги разнесем в космоса. Огънят също ще изгасне. По същия начин в термоядрен реактор, който изграждаме. Размерите са избрани така, че да създадат съответен положителен енергиен баланс за даден реактор. Достатъчно, за да се построи истинска ТЕЦ в бъдеще, като на този експериментален етап са решени всички проблеми, които остават нерешени в момента”.

Размерите на реактора бяха променени веднъж. Това се случи в началото на XX-XXI век, когато Съединените щати се оттеглиха от проекта, а останалите членове осъзнаха, че бюджетът на ITER (по това време той се оценяваше на 10 милиарда щатски долара) е твърде голям. Физици и инженери трябваше да намалят цената на инсталацията. И това можеше да стане само поради размера. „Редизайнът“ на ITER беше ръководен от френския физик Робърт Аймар, който преди това е работил във френския токамак Tore Supra в Карадаш. Външният радиус на плазмения тор е намален от 8,2 метра на 6,3 метра. Въпреки това, рисковете, свързани с намаляването на размера, бяха частично компенсирани от няколко допълнителни свръхпроводящи магнити, които направиха възможно прилагането на режима на задържане на плазмата, който беше открит и изследван по това време.

Правителствени проекти

Резултат

Етикети: Добавяне на етикети

Контролираният термоядрен синтез е мечта на физици и енергийни компании, която те ценят от десетилетия. Поставянето на изкуствено слънце в клетка е страхотна идея. "Но проблемът е, че не знаем как да създадем такава кутия",- каза нобеловият лауреат Пиер Жил дьо Жен през 1991 г. Въпреки това, до средата на 2018 г. вече знаем как. И дори строим. Най-добрите умове в света работят по проекта на международния експериментален термоядрен реактор ITER - най-амбициозният и скъп експеримент в съвременната наука.

Такъв реактор струва пет пъти повече от Големия адронен колайдер. По проекта работят стотици учени по целия свят. Неговото финансиране може спокойно да надхвърли 19 милиарда евро, а първата плазма през реактора ще бъде пусната едва през декември 2025 г. И въпреки постоянните закъснения, технологичните трудности, недостатъчното финансиране от отделни страни участнички, най-големият в света термоядрен „вечен двигател“ се изгражда. Той има много повече предимства, отколкото недостатъци. Кои? Започваме разказа за най-амбициозната научна строителна площадка на нашето време с теория.

Какво е токамак?

Под въздействието на огромни температури и гравитация в дълбините на нашето Слънце и други звезди се случва термоядрен синтез. Водородните ядра се сблъскват, образуват по-тежки хелиеви атоми и в същото време отделят неутрони и огромно количество енергия.

Съвременната наука стига до извода, че при най-ниската начална температура най-голямо количество енергия се произвежда от реакцията между изотопите на водорода - деутерий и тритий. Но за това са важни три условия: висока температура (около 150 милиона градуса по Целзий), висока плътност на плазмата и високо време на задържане.

Факт е, че няма да можем да създадем такава колосална плътност като тази на Слънцето. Остава само да се нагрее газът до плазмено състояние чрез свръхвисоки температури. Но нито един материал не може да издържи на контакт с толкова гореща плазма. За това академик Андрей Сахаров (по предложение на Олег Лаврентиев) през 50-те години на миналия век предлага използването на тороидални (под формата на куха поничка) камери с магнитно поле, което да задържа плазмата. По-късно е измислен терминът – токамак.

Съвременните електроцентрали, изгарящи изкопаеми горива, преобразуват механичната енергия (въртенето на турбината, например) в електрическа. Токамаците ще използват енергията на синтез, погълната под формата на топлина от стените на устройството, за да загреят и генерират пара, която ще завърти турбините.

Първият токамак в света. Съветски Т-1. 1954 година

Малки експериментални токамаци са построени по целия свят. И те успешно доказаха, че човек може да създаде високотемпературна плазма и да я поддържа в стабилно състояние за известно време. Но промишлените дизайни са все още далеч.

Монтаж на Т-15. 1980-те години

Предимства и недостатъци на термоядрените реактори

Типичните ядрени реактори работят с десетки тонове радиоактивно гориво (което в крайна сметка се превръща в десетки тонове радиоактивни отпадъци), докато термоядрен реактор се нуждае само от стотици грамове тритий и деутерий. Първият може да бъде произведен в самия реактор: отделените по време на синтеза неутрони ще действат върху стените на реактора с литиеви примеси, от които се появява тритий. Запасите от литий ще стигнат за хиляди години. Няма да има недостиг и на деутерий – той се произвежда в света в десетки хиляди тонове годишно.

Термоядреният реактор не отделя парникови газове, което е типично за изкопаемите горива. А страничният продукт под формата на хелий-4 е безвреден инертен газ.

Освен това термоядрените реактори са безопасни. При всяко бедствие термоядрената реакция просто ще спре без сериозни последици за околната среда или персонала, тъй като няма да има нищо, което да поддържа реакцията на синтез: тя се нуждае от твърде парникови условия.

Термоядрените реактори обаче имат и недостатъци. На първо място, това е баналната трудност при стартиране на самоподдържаща се реакция. Тя се нуждае от дълбок вакуум. Сложните магнитни ограничителни системи изискват огромни свръхпроводящи магнитни намотки.

И не забравяйте за радиацията. Въпреки някои стереотипи за безвредността на термоядрените реактори, бомбардирането на заобикалящата ги среда с неутрони, генерирани по време на синтеза, не може да бъде отменено. Тази бомбардировка води до радиация. Следователно поддръжката на реактора трябва да се извършва дистанционно. Гледайки напред, нека кажем, че след старта роботите ще бъдат ангажирани с директна поддръжка на токамака ITER.

Освен това радиоактивният тритий може да бъде опасен при поглъщане. Вярно е, че ще бъде достатъчно да се погрижим за правилното му съхранение и да създадем предпазни бариери по всички възможни маршрути на разпространението му в случай на авария. Освен това полуживотът на трития е 12 години.

Когато необходимата минимална основа на теорията е положена, можете да отидете на героя на статията.

Най-амбициозният проект на нашето време

През 1985 г. в Женева се състоя първата от много години лична среща на ръководителите на СССР и САЩ. Преди това Студената война достигна своя връх: суперсилите бойкотираха Олимпийските игри, изградиха своя ядрен потенциал и не възнамеряваха да преговарят. Тази среща на върха на двете страни на неутрална територия се отличава с още едно важно обстоятелство. По време на него генералният секретар на ЦК на КПСС Михаил Горбачов предложи да се реализира съвместен международен проект за развитие на термоядрена енергия за мирни цели.

Те пристигат във Франция по море и от пристанището до строителната площадка се транспортират по специално променен от френското правителство път. Страната похарчи 110 милиона евро за 104 км от пътя ITER и 4 години работа. Трасето беше разширено и укрепено. Факт е, че до 2021 г. през него ще преминат 250 конвоя с огромни товари. Най-тежките части достигат 900 тона, най-високите - 10 метра, най-дългите - 33 метра.

ITER все още не е въведен в експлоатация. Въпреки това, вече има проект за ДЕМО термоядрен синтез, чиято задача е именно да демонстрира привлекателността на комерсиалното използване на технологията. Този комплекс ще трябва непрекъснато (а не да пулсира, като ITER) да генерира 2 GW енергия.

Времето за изпълнение на новия глобален проект зависи от успеха на ITER, но според плана за 2012 г. първото стартиране на DEMO ще се проведе не по-рано от 2044 г.