¿Necesitas energía termonuclear?

En esta etapa del desarrollo de la civilización, podemos decir con seguridad que la humanidad se enfrenta a un "desafío energético". Se debe a varios factores fundamentales a la vez:

- La humanidad ahora consume una gran cantidad de energía..

El consumo actual de energía en el mundo es de unos 15,7 teravatios (TW). Dividiendo este valor por la población del planeta, obtenemos unos 2400 vatios por persona, que se pueden estimar e imaginar fácilmente. La energía consumida por cada habitante de la Tierra (incluidos los niños) corresponde al funcionamiento de 24 horas de lámparas eléctricas de 100 vatios durante 24 horas.

- El consumo mundial de energía está aumentando rápidamente.

Según el pronóstico de la Agencia Internacional de Energía (2006), se espera que el consumo mundial de energía aumente en un 50% para 2030.

- Actualmente el 80% de la energía consumida por el mundo se crea mediante la quema de combustibles naturales fósiles (petróleo, carbón y gas), cuyo uso conlleva potencialmente el peligro de cambios ambientales catastróficos.

La siguiente broma es popular entre los saudíes: “Mi padre montó en camello. Tengo un coche y mi hijo ya está pilotando el avión. Pero ahora su hijo volverá a sentarse en un camello ”.

Parece que este es el caso, ya que, según todos los pronósticos serios, las reservas mundiales de petróleo se agotarán en su mayoría en unos 50 años.

Incluso según las estimaciones del Servicio Geológico de EE. UU. (Este pronóstico es mucho más optimista que los demás), el crecimiento de la producción mundial de petróleo no continuará durante los próximos 20 años (otros expertos predicen que la producción alcanzará su punto máximo en 5-10 años). años), después de lo cual el volumen de petróleo producido comenzará a disminuir a una tasa de aproximadamente 3% anual. Las perspectivas para el gas natural no son mucho mejores. Se suele decir que habrá suficiente carbón bituminoso para otros 200 años, pero esta previsión se basa en mantener el nivel actual de producción y consumo. Mientras tanto, el consumo de carbón ahora está aumentando en un 4,5% por año, lo que reduce inmediatamente el período mencionado de 200 años a solo 50 años.

Por tanto, ya es necesario prepararse para el fin de la era del uso de combustibles fósiles.

Lamentablemente, las fuentes de energía alternativas que existen actualmente no pueden cubrir las crecientes necesidades de la humanidad. Según las estimaciones más optimistas, la cantidad máxima de energía (en el equivalente térmico indicado) generada por las fuentes enumeradas es de solo 3 TW (eólica), 1 TW (centrales hidroeléctricas), 1 TW (fuentes biológicas) y 100 GW ( instalaciones geotérmicas y marinas). La cantidad total de energía adicional (incluso en este, el pronóstico más óptimo) es solo de aproximadamente 6 TW. Cabe señalar que el desarrollo de nuevas fuentes de energía es una tarea técnica muy compleja, por lo que el coste de la energía que producen será en cualquier caso superior al de la quema habitual de carbón, etc. Parece bastante obvio que

la humanidad debería buscar algunas otras fuentes de energía, que en la actualidad sólo pueden ser consideradas como reacciones de fusión solar y termonuclear.

El sol es potencialmente una fuente de energía casi inagotable. La cantidad de energía que cae en solo el 0.1% de la superficie del planeta es equivalente a 3.8 TW (incluso si se convierte con una eficiencia de solo el 15%). El problema radica en nuestra incapacidad para capturar y convertir esta energía, que está asociada tanto con el alto costo de los paneles solares como con los problemas de acumulación, almacenamiento y transferencia adicional de la energía recibida a las regiones requeridas.

En la actualidad, en las centrales nucleares, a gran escala, se obtiene la energía liberada por las reacciones de fisión de los núcleos atómicos. Creo que se debe fomentar la creación y desarrollo de tales estaciones de todas las formas posibles, pero hay que tener en cuenta que las existencias de uno de los materiales más importantes para su funcionamiento (uranio barato) también pueden agotarse por completo dentro del próximos 50 años.

Otra área importante de desarrollo es el uso de la fusión nuclear (fusión de núcleos), que ahora actúa como la principal esperanza de salvación, aunque el momento de la creación de las primeras centrales termonucleares es aún incierto. Esta conferencia está dedicada a este tema.

¿Qué es la fusión nuclear?

La fusión nuclear, que es la base de la existencia del Sol y las estrellas, representa potencialmente una fuente inagotable de energía para el desarrollo del Universo en general. Experimentos llevados a cabo en Rusia (Rusia es la cuna de la instalación termonuclear de Tokamak), EE.UU., Japón, Alemania, así como en el Reino Unido en el marco del programa Joint European Torus (JET), que es una de las principales investigaciones programas en el mundo, muestran que la fusión nuclear puede proporcionar no solo las necesidades energéticas actuales de la humanidad (16 TW), sino también una cantidad mucho mayor de energía.

La energía de la fusión nuclear es perfectamente real y la cuestión principal es si podemos crear instalaciones termonucleares suficientemente fiables y económicamente viables.

Los procesos de fusión nuclear se denominan reacciones de fusión de núcleos atómicos ligeros en núcleos más pesados ​​con la liberación de una cierta cantidad de energía.

En primer lugar, entre ellos cabe destacar la reacción entre dos isótopos (deuterio y tritio) del hidrógeno, que es muy común en la Tierra, como resultado de lo cual se forma helio y se libera un neutrón. La reacción se puede escribir de la siguiente manera:

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

La energía liberada, que surge del hecho de que el helio-4 tiene enlaces nucleares muy fuertes, se convierte en energía cinética ordinaria, distribuida entre el neutrón y el núcleo de helio-4 en la proporción de 14,1 MeV / 3,5 MeV.

Para iniciar (encender) la reacción de fusión, es necesario ionizar completamente y calentar el gas de una mezcla de deuterio y tritio a una temperatura superior a 100 millones de grados Celsius (lo denotaremos por M grados), que es aproximadamente cinco veces mayor. que la temperatura en el centro del sol. Ya a temperaturas de varios miles de grados, las colisiones interatómicas conducen a la eliminación de electrones de los átomos, lo que da como resultado la formación de una mezcla de núcleos y electrones separados, conocida como plasma, en la que deuterones y tritones cargados positivamente y de alta energía (que es decir, núcleos de deuterio y tritio) experimentan una fuerte repulsión mutua. No obstante, la alta temperatura del plasma (y la alta energía iónica asociada) permite que estos iones deuterio y tritio superen la repulsión de Coulomb y colisionen entre sí. A temperaturas superiores a los 100 M grados, los deuterones y tritones más "enérgicos" se acercan entre sí en colisiones a distancias tan cortas que poderosas fuerzas nucleares comienzan a actuar entre ellos, obligándolos a fusionarse entre sí en un solo todo.

Llevar a cabo este proceso en un laboratorio presenta tres problemas muy difíciles. En primer lugar, la mezcla de gases de los núcleos D y T debe calentarse a temperaturas superiores a 100 M grados, evitando de alguna manera su enfriamiento y contaminación (debido a reacciones con las paredes del recipiente).

Para solucionar este problema se inventaron "trampas magnéticas", llamadas Tokamak, que evitan la interacción del plasma con las paredes del reactor.

En el método descrito, el plasma se calienta mediante una corriente eléctrica que fluye dentro del toro hasta aproximadamente 3 M grados, que, sin embargo, todavía es insuficiente para iniciar la reacción. Para un calentamiento adicional del plasma, se "bombea" energía mediante radiación de radiofrecuencia (como en un horno de microondas) o se inyectan haces de partículas neutras de alta energía, que transfieren su energía al plasma durante las colisiones. Además, la liberación de calor se produce debido, de hecho, a reacciones termonucleares (como se describirá más adelante), como resultado de las cuales, en una instalación suficientemente grande, debería tener lugar la "ignición" del plasma.

Actualmente, se está iniciando en Francia la construcción del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER), que se describe a continuación, que será el primer Tokamak capaz de “encender” un plasma.

En las instalaciones existentes más avanzadas del tipo Tokamak, se han alcanzado temperaturas del orden de 150 M grados, cercanas a los valores requeridos para el funcionamiento de una estación termonuclear, pero el reactor ITER debería convertirse en el primer gran reactor. Planta de energía a escala diseñada para operación a largo plazo. En el futuro, será necesario mejorar significativamente los parámetros de su funcionamiento, lo que requerirá, en primer lugar, un aumento de la presión en el plasma, ya que la velocidad de fusión nuclear a una temperatura determinada es proporcional al cuadrado de la presión.

El principal problema científico en este caso está asociado con el hecho de que con un aumento de la presión en el plasma, surgen inestabilidades muy complejas y peligrosas, es decir, modos de operación inestables.

Los núcleos de helio cargados eléctricamente que surgen de la reacción de fusión se mantienen dentro de una "trampa magnética", donde se desaceleran gradualmente debido a las colisiones con otras partículas, y la energía liberada durante las colisiones ayuda a mantener una alta temperatura de la columna de plasma. Los neutrones neutros (sin carga eléctrica) salen del sistema y transfieren su energía a las paredes del reactor, y el calor extraído de las paredes es la fuente de energía para el funcionamiento de las turbinas que generan electricidad. Los problemas y dificultades en el funcionamiento de una instalación de este tipo se deben principalmente al hecho de que un potente flujo de neutrones de alta energía y energía liberada (en forma de radiación electromagnética y partículas de plasma) afectan gravemente al reactor y pueden destruir los materiales de los que se trata. es creado.

Por ello, el diseño de instalaciones termonucleares es muy complejo. Los físicos e ingenieros se enfrentan a la tarea de garantizar una alta fiabilidad de su trabajo. El diseño y construcción de estaciones termonucleares les obliga a resolver una serie de problemas tecnológicos diversos y muy complejos.

El dispositivo de una planta de energía termonuclear

La figura muestra un diagrama esquemático (sin observar la escala) del dispositivo y el principio de funcionamiento de una central termonuclear. En la parte central hay una cámara toroidal (en forma de rosquilla) con un volumen de ~ 2000 m 3, llena de plasma de tritio-deuterio (T-D) calentado a una temperatura superior a 100 M grados. Los neutrones generados durante la reacción de fusión salen de la "trampa magnética" y entran en la capa que se muestra en la figura con un espesor de aproximadamente 1 m. 1

Dentro de la capa, los neutrones chocan con los átomos de litio, lo que resulta en una reacción con la formación de tritio:

neutrón + litio = helio + tritio.

Además, ocurren reacciones competitivas en el sistema (sin la formación de tritio), así como muchas reacciones con la liberación de neutrones adicionales, que luego también conducen a la formación de tritio (en este caso, la liberación de neutrones adicionales puede ser significativamente mejorado, por ejemplo, debido a la introducción de átomos en la capa de berilio y plomo). La conclusión general es que en esta instalación, puede ocurrir una reacción de fusión nuclear (al menos teóricamente), en la que se formará tritio. En este caso, la cantidad de tritio formado no solo debe cubrir las necesidades de la propia instalación, sino que también debe ser algo mayor, lo que permitirá proporcionar tritio también para nuevas instalaciones.

Es este concepto de funcionamiento el que debe probarse e implementarse en el reactor ITER que se describe a continuación.

Se supone que los neutrones calientan el caparazón en las llamadas instalaciones piloto (que utilizarán materiales de construcción relativamente "convencionales") a unos 400 grados. En el futuro, se planea crear instalaciones mejoradas con una temperatura de calentamiento de la carcasa superior a 1000 grados, lo que se puede lograr mediante el uso de los últimos materiales de alta resistencia (como los compuestos de carburo de silicio). El calor liberado en la carcasa, como en las plantas convencionales, es tomado por el circuito de enfriamiento primario con un refrigerante (que contiene, por ejemplo, agua o helio) y transferido al circuito secundario, donde se produce vapor de agua y se suministra a las turbinas.

La principal ventaja de la fusión nuclear es que solo requiere una cantidad muy pequeña de sustancias naturales como combustible.

La reacción de fusión nuclear en las instalaciones descritas puede conducir a la liberación de una gran cantidad de energía, diez millones de veces mayor que la liberación de calor estándar de las reacciones químicas convencionales (como la quema de combustibles fósiles). A modo de comparación, señalamos que la cantidad de carbón necesaria para sustentar el funcionamiento de una planta de energía térmica de 1 gigavatio (GW) es de 10.000 toneladas por día (diez vagones de ferrocarril), y una planta termonuclear de la misma potencia consumirá solo alrededor de 1 kg de mezcla D + por día. T.

El deuterio es un isótopo estable de hidrógeno; en aproximadamente una de cada 3350 moléculas de agua ordinaria, uno de los átomos de hidrógeno es reemplazado por deuterio (un legado que heredamos del Big Bang del Universo). Este hecho facilita la organización de una producción bastante barata de la cantidad requerida de deuterio a partir del agua. Es más difícil obtener tritio, que es inestable (la vida media es de aproximadamente 12 años, por lo que su contenido en la naturaleza es insignificante), sin embargo, como se muestra arriba, el tritio se producirá directamente dentro de una instalación termonuclear durante la operación. debido a la reacción de neutrones con litio.

Por tanto, el combustible inicial para un reactor de fusión es litio y agua.

El litio es un metal común muy utilizado en los electrodomésticos (en las baterías de los teléfonos móviles, por ejemplo). La planta descrita anteriormente, incluso teniendo en cuenta la eficiencia imperfecta, podrá producir 200.000 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a la energía contenida en 70 toneladas de carbón. La cantidad requerida de litio está contenida en una batería de computadora y la cantidad de deuterio está contenida en 45 litros de agua. El valor anterior corresponde al consumo eléctrico actual (en términos de una persona) en los países de la UE durante 30 años. El hecho mismo de que una cantidad tan insignificante de litio pueda proporcionar la generación de tal cantidad de electricidad (sin emisiones de CO2 y sin la más mínima contaminación de la atmósfera) es un argumento bastante serio para el desarrollo más rápido y enérgico de la investigación sobre el desarrollo. de energía termonuclear (a pesar de todas las dificultades y problemas), incluso con la perspectiva a largo plazo de crear un reactor de fusión económicamente eficiente.

El deuterio debería durar millones de años, y las reservas de litio fácilmente obtenible son suficientes para satisfacer las necesidades durante cientos de años.

Incluso si se agotan las reservas de litio en las rocas, podemos extraerlo del agua, donde está contenido en una concentración lo suficientemente alta (100 veces la concentración de uranio) para que sea económicamente viable.

La energía de fusión no solo promete a la humanidad, en principio, la posibilidad de producir una enorme cantidad de energía en el futuro (sin emisiones de CO2 y sin contaminación atmosférica), sino que también tiene una serie de otras ventajas.

1 ) Alta seguridad interna.

El plasma utilizado en las instalaciones termonucleares tiene una densidad muy baja (alrededor de un millón de veces menor que la densidad de la atmósfera), por lo que el entorno de trabajo de las instalaciones nunca contendrá la energía suficiente para provocar incidentes o accidentes graves.

Además, la carga de "combustible" debe realizarse de manera continua, lo que facilita la parada de su funcionamiento, sin mencionar el hecho de que en caso de accidente y un cambio brusco de las condiciones ambientales, la "llama" termonuclear simplemente debe salir.

¿Cuáles son los peligros asociados con la energía termonuclear? Primero, vale la pena señalar que aunque los productos de fusión (helio y neutrones) no son radiactivos, la carcasa del reactor puede volverse radiactiva bajo una irradiación prolongada de neutrones.

En segundo lugar, el tritio es radiactivo y tiene una vida media relativamente corta (12 años). Pero aunque la cantidad de plasma utilizada es significativa, debido a su baja densidad, contiene solo una cantidad muy pequeña de tritio (con un peso total de unos diez sellos postales). por lo tanto

Incluso en las situaciones y accidentes más graves (destrucción completa del caparazón y liberación de todo el tritio contenido en él, por ejemplo, durante un terremoto y un accidente aéreo en la estación), solo una pequeña cantidad de combustible ingresará al medio ambiente, lo que no requerirá la evacuación de la población de los asentamientos cercanos.

2 ) Costo energético.

Se espera que el llamado precio "interno" de la electricidad recibida (el costo de producción en sí) sea aceptable si es el 75% del precio ya existente en el mercado. “Aceptabilidad” en este caso significa que el precio será menor que el precio de la energía obtenida con combustibles de hidrocarburos antiguos. El costo “externo” (efectos secundarios, impacto en la salud pública, clima, ecología, etc.) será esencialmente cero.

Reactor termonuclear experimental internacional ITER

El siguiente paso principal es construir el reactor ITER, diseñado para demostrar la posibilidad misma de ignición del plasma y obtener, sobre esta base, una ganancia de energía al menos diez veces mayor (en relación con la energía gastada en calentar el plasma). El reactor ITER será un dispositivo experimental que ni siquiera estará equipado con turbinas para generar electricidad y dispositivos para su aprovechamiento. El propósito de su creación es estudiar las condiciones que deben cumplirse durante la operación de dichas centrales, así como la creación sobre esta base de centrales eléctricas reales y económicamente rentables, las cuales, aparentemente, deberían superar en tamaño al ITER. La creación de prototipos reales de centrales termonucleares (es decir, plantas totalmente equipadas con turbinas, etc.) requiere la solución de las dos tareas siguientes. Primero, es necesario continuar desarrollando nuevos materiales (capaces de soportar condiciones de operación muy duras bajo las condiciones descritas) y probarlos de acuerdo con las reglas especiales para el equipo del sistema IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) que se describe a continuación. En segundo lugar, hay muchos problemas puramente técnicos por resolver y nuevas tecnologías por desarrollar relacionadas con el control remoto, calefacción, diseño de revestimientos, ciclos de combustible, etc. 2

La figura muestra el reactor ITER, que supera a la mayor instalación JET hasta la fecha, no solo en todas sus dimensiones lineales (aproximadamente el doble), sino también en la magnitud de los campos magnéticos utilizados en él y las corrientes que fluyen por el plasma.

El propósito de este reactor es demostrar las capacidades de los esfuerzos combinados de físicos e ingenieros en el diseño de una planta de energía termonuclear a gran escala.

La capacidad de diseño de la planta es de 500 MW (con el consumo de energía en la entrada del sistema solo alrededor de 50 MW). 3

La unidad ITER está siendo construida por un consorcio que incluye a la UE, China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos. La población total de estos países es aproximadamente la mitad de la población total de la Tierra, por lo que el proyecto puede considerarse una respuesta global a un desafío global. Los principales componentes y conjuntos del reactor ITER ya han sido creados y probados, y ya se ha iniciado la construcción en la localidad de Cadarache (Francia). El lanzamiento del reactor está programado para 2020, y la producción de plasma de deuterio-tritio está programada para 2027, ya que la puesta en servicio del reactor requiere pruebas largas y serias de plasma a partir de deuterio y tritio.

Las bobinas magnéticas del reactor ITER se crean a partir de materiales superconductores (que, en principio, permiten un funcionamiento continuo siempre que se mantenga la corriente en el plasma), por lo que los diseñadores esperan proporcionar un ciclo de trabajo garantizado de al menos 10 minutos. . Está claro que la presencia de bobinas magnéticas superconductoras es fundamentalmente importante para el funcionamiento continuo de una planta de energía termonuclear real. Las bobinas superconductoras ya se han utilizado en dispositivos del tipo Tokamak, pero no se han utilizado anteriormente en instalaciones a gran escala diseñadas para plasma de tritio. Además, la instalación del ITER utilizará y probará por primera vez varios módulos de carcasa diseñados para funcionar en estaciones reales, donde se pueden generar o "recuperar" núcleos de tritio.

El objetivo principal de la instalación es demostrar el control exitoso de la combustión de plasma y la posibilidad de producción de energía real en dispositivos termonucleares al nivel actual de desarrollo tecnológico.

Un mayor desarrollo en esta dirección, por supuesto, requerirá muchos esfuerzos para mejorar la eficiencia de los dispositivos, especialmente desde el punto de vista de su viabilidad económica, que está asociada con una investigación seria y a largo plazo, tanto en el reactor ITER como en otros dispositivos. Entre las tareas planteadas, cabe destacar las siguientes tres:

1) Es necesario mostrar que el nivel de ciencia y tecnología existente ya permite obtener una ganancia de energía de 10 veces (en comparación con la energía gastada para mantener el proceso) en un proceso controlado de fusión nuclear. La reacción debe continuar sin que se produzcan modos inestables peligrosos, sin sobrecalentamiento y daños a los materiales de construcción, y sin contaminación del plasma con impurezas. Con potencias de energía termonuclear de aproximadamente el 50% de la potencia de calentamiento del plasma, estos objetivos ya se han logrado en experimentos en instalaciones pequeñas, sin embargo, la creación del reactor ITER permitirá probar la confiabilidad de los métodos de control en una instalación mucho más grande, produciendo mucho más energía durante mucho tiempo. El reactor ITER está siendo diseñado para verificar y consensuar los requisitos de un futuro reactor de fusión, y su creación es una tarea muy compleja e interesante.

2) Es necesario estudiar métodos para aumentar la presión en el plasma (recuerde que la velocidad de reacción a una temperatura dada es proporcional al cuadrado de la presión) para evitar la aparición de modos peligrosos e inestables de comportamiento del plasma. El éxito de la investigación en esta dirección permitirá asegurar el funcionamiento del reactor a una mayor densidad de plasma o reducir los requisitos de intensidad de los campos magnéticos generados, lo que reducirá significativamente el coste de la electricidad producida por el reactor.

3) Las pruebas deben confirmar que en la realidad se puede asegurar el funcionamiento continuo del reactor en modo estable (desde un punto de vista económico y técnico, este requisito parece ser muy importante, si no básico), y la puesta en marcha del la instalación se puede realizar sin grandes costes energéticos. Los investigadores y diseñadores tienen muchas esperanzas de que el flujo "continuo" de corriente electromagnética a través del plasma pueda ser proporcionado por su generación en el plasma (debido a la radiación de alta frecuencia y la inyección de átomos rápidos).

El mundo moderno se enfrenta a un desafío energético muy serio, que se puede llamar con mayor precisión una "crisis energética incierta".

En la actualidad, casi toda la energía que consume la humanidad se genera mediante la quema de combustibles fósiles, y la solución al problema puede estar asociada al uso de energía solar o nuclear (creación de reactores de neutrones rápidos, etc.). El problema global causado por la creciente población de los países en desarrollo y su necesidad de mejorar los niveles de vida y aumentar el volumen de energía producida no puede resolverse solo sobre la base de los enfoques considerados, aunque, por supuesto, cualquier intento de desarrollar métodos alternativos de energía. debe fomentarse la producción.

Si no hay sorpresas importantes e inesperadas en el camino hacia el desarrollo de la energía termonuclear, entonces, de conformidad con el programa de acción razonable y ordenado desarrollado, que (por supuesto, siempre que el trabajo esté bien organizado y suficientemente financiado) debería conducir a la creación de un prototipo de central termonuclear. En este caso, en unos 30 años, podremos abastecer de corriente eléctrica desde él a las redes eléctricas por primera vez, y en poco más de 10 años entrará en funcionamiento la primera central termonuclear comercial. Es posible que en la segunda mitad de este siglo, la energía de fusión nuclear comience a reemplazar a los combustibles fósiles y gradualmente juegue un papel cada vez más importante en el suministro de energía a la humanidad a escala mundial.

Láseres

Decimos que pondremos el sol en una caja. La idea es bonita. El problema es que no sabemos cómo hacer la caja.

Pierre-Gilles de Gennes
Premio Nobel francés

Todos los dispositivos y máquinas electrónicos necesitan energía y la humanidad consume mucha. Pero los combustibles fósiles se están agotando y la energía alternativa aún no es lo suficientemente eficiente.
Existe una forma de obtener energía que se adapta idealmente a todos los requisitos: la fusión termonuclear. La reacción de fusión termonuclear (la conversión de hidrógeno en helio y la liberación de energía) ocurre constantemente en el sol y este proceso le da energía al planeta en forma de rayos solares. Solo necesitas imitarlo en la Tierra, a menor escala. Basta con proporcionar alta presión y muy alta temperatura (10 veces más alta que en el Sol) y se lanzará la reacción de fusión. Para crear tales condiciones, necesita construir un reactor de fusión. Utilizará recursos más comunes en la tierra, será más seguro y más poderoso que las centrales nucleares convencionales. Durante más de 40 años, se ha intentado construirlo y se están realizando experimentos. En los últimos años, uno de los prototipos incluso logró obtener más energía de la que se gastó. Los proyectos más ambiciosos en esta área se presentan a continuación:

Proyectos gubernamentales

Recientemente, se ha prestado la mayor atención pública a otro diseño de un reactor termonuclear: el estelarador Wendelstein 7-X (el estelarador es más complejo en términos de su estructura interna que el ITER, que es un tokamak). Después de haber gastado un poco más de mil millones de dólares, los científicos alemanes en 9 años construyeron un modelo de demostración reducido del reactor para 2015. Si muestra buenos resultados, se construirá una versión más grande.

El láser MegaJoule en Francia será el láser más poderoso del mundo e intentará avanzar en el método de construcción del reactor de fusión basado en láser. La puesta en servicio de la planta francesa está prevista para 2018.

NIF (instalación nacional de ignición) se construyó en los Estados Unidos en 12 años y $ 4 mil millones en 2012. Esperaban probar la tecnología y luego construir inmediatamente un reactor, pero resultó que, como informa Wikipedia, se requiere un trabajo considerable si el sistema nunca debe alcanzar la ignición. Como resultado, se cancelaron planes ambiciosos y los científicos comenzaron a mejorar gradualmente el láser. La última tarea es aumentar la eficiencia de la transmisión de energía del 7% al 15%. De lo contrario, la financiación del Congreso para este método de lograr la síntesis puede terminar.

A fines de 2015, comenzó la construcción de un edificio para la instalación láser más poderosa del mundo en Sarov. Será más poderoso que el actual estadounidense y el futuro francés y permitirá los experimentos necesarios para construir una versión "láser" del reactor. Finalización de la construcción en 2020.

Láser con sede en EE. UU.: La fusión MagLIF es reconocida como el caballo oscuro de la tecnología de fusión. Recientemente, este método ha mostrado mejores resultados de lo esperado, pero la potencia aún debe aumentarse 1000 veces. Ahora el láser está experimentando una actualización, y para 2018 los científicos esperan obtener tanta energía como gastaron. Si tiene éxito, se creará una versión más grande.

En el INP ruso, se llevaron a cabo obstinadamente experimentos sobre el método de las "trampas abiertas", que Estados Unidos abandonó en los años 90. Como resultado, se obtuvieron indicadores que se consideraron imposibles para este método. Los científicos del INP creen que su instalación está ahora al nivel del alemán Wendelstein 7-X (Q = 0.1), pero más barata. Ahora están construyendo una nueva instalación por 3 mil millones de rublos.

El director del Instituto Kurchatov recuerda constantemente los planes para construir un pequeño reactor termonuclear en Rusia: Ignitor. Según el plan, debería ser tan eficaz como ITER, aunque menos. Se suponía que su construcción comenzaría hace 3 años, pero esta situación es típica de los grandes proyectos científicos.

El tokamak EAST chino a principios de 2016 logró obtener una temperatura de 50 millones de grados y mantenerla durante 102 segundos. Antes de que comenzara la construcción de enormes reactores y láseres, todas las noticias sobre la fusión termonuclear eran así. Uno podría pensar que esto es solo una competencia entre científicos, quienes mantendrán la temperatura cada vez más alta por más tiempo. Cuanto más alta sea la temperatura del plasma y más tiempo se pueda mantener, más cerca estamos del comienzo de la reacción de fusión. Hay docenas de instalaciones de este tipo en el mundo, se están construyendo varias más () (), por lo que pronto se romperá el récord de EAST. En esencia, estos pequeños reactores son solo equipos de prueba antes de enviarse al ITER.

Lockheed Martin anunció un gran avance en la energía de fusión en 2015 que les permitirá construir un pequeño reactor de fusión móvil en 10 años. Teniendo en cuenta que incluso los reactores comerciales muy grandes y nada móviles no se esperaban antes de 2040, la declaración de la corporación fue recibida con escepticismo. Pero la empresa tiene muchos recursos, así que quién sabe. Se espera el prototipo en 2020.

La startup de Silicon Valley, Helion Energy, tiene su propio plan único para lograr la fusión termonuclear. La compañía ha recaudado más de $ 10 millones y espera tener un prototipo construido para 2019.

La empresa emergente Tri Alpha Energy ha logrado recientemente un progreso impresionante en la promoción de su método de fusión (los teóricos han desarrollado más de 100 formas teóricas de lograr la fusión, el tokamak es simplemente el más simple y popular). La compañía también recaudó más de $ 100 millones en fondos de inversionistas.

El proyecto del reactor de la startup canadiense General Fusion es aún más diferente a los demás, pero los desarrolladores confían en él y han recaudado más de $ 100 millones en 10 años para construir el reactor para 2020.

La startup First Light, con sede en el Reino Unido, tiene el sitio web más accesible, formado en 2014, y anunció planes para utilizar los datos científicos más recientes para generar fusión a un costo menor.

Los científicos del MIT han escrito un artículo que describe un reactor de fusión compacto. Dependen de las nuevas tecnologías que aparecieron después del inicio de la construcción de tokamaks gigantes y prometen implementar el proyecto en 10 años. Aún no se sabe si se les dará luz verde para comenzar la construcción. Incluso si se aprueba, el artículo de la revista es una etapa incluso más temprana que una startup.

La fusión es quizás la industria menos financiada por el crowdfunding. Pero es con su ayuda, y también con fondos de la NASA, que Lawrenceville Plasma Physics va a construir un prototipo de su reactor. De todos los proyectos que se están implementando, este se parece más a una estafa, pero quién sabe, tal vez aporten algo útil a este grandioso trabajo.

ITER solo será un prototipo para la construcción de una instalación DEMO en toda regla, el primer reactor de fusión comercial. Su lanzamiento ahora está programado para 2044 y este sigue siendo un pronóstico optimista.

Pero hay planes para la siguiente etapa. Un reactor termonuclear híbrido recibirá energía tanto de la desintegración de un átomo (como una central nuclear convencional) como de la fusión. En esta configuración, la energía puede ser 10 veces mayor, pero la seguridad es menor. China espera construir un prototipo para 2030, pero los expertos dicen que es como intentar construir autos híbridos antes de que se invente el motor de combustión interna.

Salir

No hay escasez de personas dispuestas a traer una nueva fuente de energía al mundo. El proyecto ITER tiene las mayores posibilidades, dada su escala y financiación, pero no se deben descartar otros métodos, así como los proyectos privados. Los científicos han trabajado durante décadas para iniciar la reacción de fusión sin mucho éxito. Pero ahora hay más proyectos que nunca para lograr una reacción termonuclear. Incluso si cada uno de ellos falla, se realizarán nuevos intentos. Es poco probable que descansemos hasta que enciendamos una versión en miniatura del Sol aquí en la Tierra.

Etiquetas:

• reactor de fusión
• energéticos
• proyectos del futuro

Agregar etiquetas

Cómo empezó todo. El "desafío energético" surgió de una combinación de los siguientes tres factores:

1. La humanidad ahora consume una gran cantidad de energía.

El consumo actual de energía en el mundo es de unos 15,7 teravatios (TW). Dividiendo este valor por la población del planeta, obtenemos unos 2400 vatios por persona, que se pueden estimar e imaginar fácilmente. La energía consumida por cada habitante de la Tierra (incluidos los niños) corresponde al funcionamiento de 24 horas de 24 lámparas eléctricas de cien vatios. Sin embargo, el consumo de esta energía en todo el planeta es muy desigual, ya que es muy elevado en varios países e insignificante en otros. El consumo (por persona) es de 10,3 kW en EE. UU. (Uno de los valores récord), 6,3 kW en la Federación de Rusia, 5,1 kW en el Reino Unido, etc., pero por otro lado, es igual a solo 0,21 kW en Bangladesh. (¡solo el 2% del consumo de energía de EE. UU.!).

2. El consumo mundial de energía está aumentando drásticamente.

Según el pronóstico de la Agencia Internacional de Energía (2006), el consumo mundial de energía para 2030 debería aumentar en un 50%. Los países desarrollados, por supuesto, podrían hacerlo bien sin energía adicional, pero este crecimiento es necesario para sacar a la población de la pobreza en los países en desarrollo, donde 1.500 millones de personas sufren una grave escasez de electricidad.

3. Actualmente, el 80% de la energía consumida por el mundo se genera mediante la quema de combustibles naturales fósiles.(petróleo, carbón y gas), cuyo uso:

a) potencialmente conlleva el peligro de cambios ambientales catastróficos;

b) inevitablemente debe terminar algún día.

De lo dicho queda claro que ya ahora debemos prepararnos para el fin de la era del uso de combustibles fósiles.

En la actualidad, en las centrales nucleares, a gran escala, se obtiene la energía liberada por las reacciones de fisión de los núcleos atómicos. La creación y el desarrollo de tales estaciones debe fomentarse de todas las formas posibles, pero debe tenerse en cuenta que las reservas de uno de los materiales más importantes para su funcionamiento (uranio barato) también pueden agotarse por completo en los próximos 50 años. . Las capacidades de la ingeniería energética basada en la fisión nuclear pueden (y deben) expandirse significativamente mediante el uso de ciclos energéticos más eficientes, que hacen posible casi duplicar la cantidad de energía recibida. Para el desarrollo de energía en esta dirección, se requiere la creación de reactores de torio (los llamados reactores reproductores de torio o reactores reproductores), en los que la reacción produce más torio que el uranio inicial, como resultado de lo cual la cantidad total de energía recibida para una determinada cantidad de materia aumenta 40 veces ... La creación de reproductores de plutonio de neutrones rápidos, que son mucho más eficientes que los reactores de uranio y permiten obtener 60 veces más energía, también parece prometedora. Quizás, para desarrollar estas áreas, será necesario desarrollar nuevos métodos no estándar para obtener uranio (por ejemplo, a partir del agua de mar, que parece ser la más accesible).

Plantas de energía de fusión

La figura muestra un diagrama esquemático (sin observar la escala) del dispositivo y el principio de funcionamiento de una central termonuclear. En la parte central, hay una cámara toroidal (en forma de rosquilla) con un volumen de ~ 2000 m3, llena de plasma de tritio-deuterio (T - D) calentado a temperaturas superiores a 100 M ° C. Los neutrones generados durante la reacción de fusión (1) salen de la "botella magnética" y entran en la capa que se muestra en la figura con un espesor de aproximadamente 1 m.

Dentro de la capa, los neutrones chocan con los átomos de litio, lo que resulta en una reacción con la formación de tritio:

neutrón + litio → helio + tritio

Además, ocurren reacciones competitivas en el sistema (sin la formación de tritio), así como muchas reacciones con la liberación de neutrones adicionales, que luego también conducen a la formación de tritio (en este caso, la liberación de neutrones adicionales puede ser significativamente mejorado, por ejemplo, debido a la introducción de átomos de berilio en la capa y el plomo). La conclusión general es que en esta instalación, puede ocurrir una reacción de fusión nuclear (al menos teóricamente), en la que se formará tritio. En este caso, la cantidad de tritio formado no solo debe cubrir las necesidades de la propia instalación, sino que también debe ser algo mayor, lo que permitirá proporcionar tritio también para nuevas instalaciones. Es este concepto de funcionamiento el que debe probarse e implementarse en el reactor ITER que se describe a continuación.

Además, los neutrones deben calentar el revestimiento en las llamadas instalaciones piloto (que utilizarán materiales de construcción relativamente "convencionales") a unos 400 ° C. En el futuro, está previsto crear instalaciones mejoradas con una temperatura de calentamiento de la carcasa superior a 1000 ° C, lo que se puede lograr mediante el uso de los últimos materiales de alta resistencia (como los compuestos de carburo de silicio). El calor liberado en la carcasa, como en las plantas convencionales, es tomado por el circuito de enfriamiento primario con un refrigerante (que contiene, por ejemplo, agua o helio) y transferido al circuito secundario, donde se produce vapor de agua y se suministra a las turbinas.

1985 - La Unión Soviética propuso la próxima generación de Tokamak, utilizando la experiencia de cuatro países líderes en la creación de reactores de fusión. Los Estados Unidos de América, junto con Japón y la Comunidad Europea, presentaron una propuesta de proyecto.

En la actualidad, Francia está construyendo el Reactor Experimental Internacional Tokamak, que se describe a continuación, que será el primer tokamak capaz de “encender” un plasma.

En las instalaciones de tipo tokamak más avanzadas existentes, se han alcanzado temperaturas del orden de 150 M ° C, cercanas a los valores requeridos para el funcionamiento de una estación de fusión, pero el reactor ITER debería convertirse en el primer reactor de gran tamaño. Planta de energía a escala diseñada para operación a largo plazo. En el futuro, será necesario mejorar significativamente los parámetros de su funcionamiento, lo que requerirá, en primer lugar, un aumento de la presión en el plasma, ya que la velocidad de fusión nuclear a una temperatura determinada es proporcional al cuadrado de la presión. El principal problema científico en este caso está asociado con el hecho de que con un aumento de la presión en el plasma, surgen inestabilidades muy complejas y peligrosas, es decir, modos de operación inestables.

¿Porqué necesitamos esto?

La principal ventaja de la fusión nuclear es que solo requiere una cantidad muy pequeña de sustancias naturales como combustible. La reacción de fusión nuclear en las instalaciones descritas puede conducir a la liberación de una gran cantidad de energía, diez millones de veces mayor que la liberación de calor estándar de las reacciones químicas convencionales (como la quema de combustibles fósiles). A modo de comparación, señalamos que la cantidad de carbón necesaria para sustentar el funcionamiento de una planta de energía térmica de 1 gigavatio (GW) es de 10.000 toneladas por día (diez vagones de ferrocarril), y una planta termonuclear de la misma potencia consumirá solo alrededor de 1 kilogramo de mezcla D + T por día. ...

El deuterio es un isótopo estable de hidrógeno; en aproximadamente una de cada 3.350 moléculas de agua ordinaria, uno de los átomos de hidrógeno es reemplazado por deuterio (un legado del Big Bang). Este hecho facilita la organización de una producción bastante barata de la cantidad requerida de deuterio a partir del agua. Es más difícil obtener tritio, que es inestable (la vida media es de aproximadamente 12 años, por lo que su contenido en la naturaleza es insignificante), sin embargo, como se muestra arriba, el tritio surgirá directamente dentro de una instalación termonuclear durante la operación. debido a la reacción de neutrones con litio.

Por tanto, el combustible inicial para un reactor de fusión es litio y agua. El litio es un metal común muy utilizado en electrodomésticos (baterías de teléfonos móviles, etc.). La planta descrita anteriormente, incluso teniendo en cuenta la eficiencia imperfecta, podrá producir 200.000 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a la energía contenida en 70 toneladas de carbón. La cantidad requerida de litio está contenida en una batería de computadora y la cantidad de deuterio está contenida en 45 litros de agua. El valor anterior corresponde al consumo eléctrico actual (en términos de una persona) en los países de la UE durante 30 años. El hecho mismo de que una cantidad tan insignificante de litio pueda proporcionar la generación de tal cantidad de electricidad (sin emisiones de CO2 y sin la más mínima contaminación de la atmósfera) es un argumento bastante serio para el desarrollo más rápido y enérgico de la energía termonuclear (a pesar de todas las dificultades y problemas) e incluso sin una confianza al cien por cien en el éxito de dicha investigación.

El deuterio debería ser suficiente durante millones de años, y las reservas de litio de fácil extracción son suficientes para satisfacer las necesidades durante cientos de años. Incluso si se agotan las reservas de litio en las rocas, podemos extraerlo del agua, donde está contenido en una concentración lo suficientemente alta (100 veces la concentración de uranio) para que sea económicamente viable.

Se está construyendo un reactor termonuclear experimental (reactor experimental termonuclear internacional) cerca de la ciudad de Cadarache en Francia. La principal tarea del proyecto ITER es llevar a cabo una reacción de fusión termonuclear controlada a escala industrial.

Por unidad de peso de combustible termonuclear, se obtiene aproximadamente 10 millones de veces más energía que cuando se quema la misma cantidad de combustible fósil, y unas cien veces más que cuando se fisionan núcleos de uranio en los reactores de centrales nucleares en funcionamiento. Si los cálculos de científicos y diseñadores están justificados, proporcionará a la humanidad una fuente inagotable de energía.

Por lo tanto, varios países (Rusia, India, China, Corea, Kazajstán, EE. UU., Canadá, Japón, países de la UE) han combinado sus esfuerzos para crear un reactor de investigación termonuclear internacional, un prototipo de nuevas centrales eléctricas.

ITER es una instalación que crea las condiciones para la síntesis de átomos de hidrógeno y tritio (isótopo de hidrógeno), como resultado de lo cual se forma un nuevo átomo, un átomo de helio. Este proceso va acompañado de una enorme explosión de energía: la temperatura del plasma en el que tiene lugar la reacción termonuclear es de unos 150 millones de grados Celsius (en comparación, la temperatura del núcleo del sol es de 40 millones de grados). En este caso, los isótopos se queman, sin dejar prácticamente ningún residuo radiactivo.

El esquema de participación en un proyecto internacional contempla el suministro de componentes del reactor y el financiamiento de su construcción. A cambio de esto, cada uno de los países participantes recibe pleno acceso a todas las tecnologías para la creación de un reactor de fusión y a los resultados de todo el trabajo experimental en este reactor, que servirá de base para el diseño de reactores de fusión de potencia en serie.

El reactor basado en el principio de fusión termonuclear no tiene radiación radiactiva y es completamente seguro para el medio ambiente. Puede ubicarse en casi cualquier parte del mundo y se alimenta con agua corriente. La construcción del ITER debería llevar unos diez años, después de lo cual se supone que el reactor se utilizará durante 20 años.

Los intereses de Rusia en el Consejo de la Organización Internacional para la Construcción del Reactor Termonuclear ITER en los próximos años estarán representados por el Miembro Correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia Mikhail Kovalchuk - Director del Instituto RRC Kurchatov, el Instituto de Cristalografía de Rusia Academia de Ciencias y Secretaria Científica del Consejo Presidencial de Ciencia, Tecnología y Educación. Kovalchuk sustituirá temporalmente en este puesto al académico Yevgeny Velikhov, que ha sido elegido presidente del Consejo Internacional del ITER durante los próximos dos años y no tiene derecho a combinar este puesto con las funciones de un representante oficial de un país participante.

El costo total de construcción se estima en 5 mil millones de euros, y se requerirá la misma cantidad para la operación piloto del reactor. Las acciones de India, China, Corea, Rusia, Estados Unidos y Japón son aproximadamente el 10 por ciento del total, el 45 por ciento están en los países de la Unión Europea. Sin embargo, los estados europeos aún no se han puesto de acuerdo sobre cómo se distribuirán exactamente los costes entre ellos. Debido a esto, el inicio de la construcción se pospuso para abril de 2010. A pesar de otro retraso, los científicos y funcionarios involucrados en la creación del ITER afirman que pueden completar el proyecto para 2018.

La potencia termonuclear calculada del ITER es de 500 megavatios. Las partes individuales de los imanes alcanzan un peso de 200 a 450 toneladas. La refrigeración del ITER requerirá 33.000 metros cúbicos de agua al día.

En 1998, Estados Unidos dejó de financiar su participación en el proyecto. Después de que los republicanos llegaron al poder en el país y comenzaron los apagones en California, la administración Bush anunció un aumento en las inversiones en el sector energético. Estados Unidos no tenía la intención de participar en el proyecto internacional y estaba comprometido con su propio proyecto termonuclear. A principios de 2002, el asesor de tecnología del presidente Bush, John Marburger III, anunció que Estados Unidos había cambiado de opinión y tenía la intención de volver al proyecto.

En cuanto al número de participantes, el proyecto es comparable a otro importante proyecto científico internacional: la Estación Espacial Internacional. El costo del ITER, que anteriormente alcanzó los $ 8 mil millones, luego ascendió a menos de $ 4 mil millones. Como resultado de la retirada de la membresía de Estados Unidos, se decidió reducir la potencia del reactor de 1,5 GW a 500 MW. En consecuencia, el precio del proyecto ha "perdido peso".

En junio de 2002, la capital rusa acogió el simposio ITER Days en Moscú. Se discutieron los problemas teóricos, prácticos y organizativos de revivir el proyecto, cuyo éxito puede cambiar el destino de la humanidad y darle un nuevo tipo de energía, en términos de eficiencia y economía comparable solo a la energía del sol.

En julio de 2010, representantes de los países participantes en el proyecto del reactor termonuclear internacional ITER aprobaron su presupuesto y plazos de construcción en una reunión extraordinaria celebrada en Cadarache francés. El informe de la reunión está disponible aquí.

En una reunión extraordinaria, los participantes del proyecto aprobaron la fecha de inicio de los primeros experimentos con plasma - 2019. Las pruebas completas están programadas para marzo de 2027, aunque la dirección del proyecto pidió a los técnicos que intentaran optimizar el proceso y comenzar las pruebas en 2026. Los participantes en la reunión también decidieron los costos de construcción del reactor, pero no se dieron a conocer las sumas que se prevé gastar en la creación de la instalación. Según la información obtenida por el editor del portal ScienceNOW de una fuente no identificada, cuando comiencen los experimentos, el costo del proyecto ITER puede ser de 16 mil millones de euros.

La reunión en Cadarash también se convirtió en el primer día de trabajo oficial para el nuevo director del proyecto, el físico japonés Osamu Motojima. Antes de él, el proyecto fue liderado por el japonés Kaname Ikeda desde 2005, quien deseaba dejar el cargo inmediatamente después de que se aprobaran el presupuesto y los plazos de construcción.

El reactor de fusión ITER es un proyecto conjunto de los estados de la UE, Suiza, Japón, Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur, China e India. La idea de crear ITER ha sido planteada desde los años 80 del siglo pasado, sin embargo, debido a dificultades financieras y técnicas, el costo del proyecto está creciendo todo el tiempo, y la fecha para el inicio de la construcción se pospone constantemente. . En 2009, los expertos esperaban que los trabajos de creación del reactor comenzaran en 2010. Posteriormente, se trasladó esta fecha, y como momento del lanzamiento del reactor, primero se llamó 2018, y luego 2019.

Las reacciones de fusión son reacciones de fusión de núcleos de isótopos ligeros para formar un núcleo de uno más pesado, que van acompañadas de una enorme liberación de energía. En teoría, se puede obtener mucha energía en reactores de fusión a bajo costo, pero en este momento los científicos gastan mucha más energía y dinero para iniciar y mantener una reacción de fusión.

La fusión es una forma económica y ecológica de generar energía. Desde hace miles de millones de años, se ha estado produciendo una fusión termonuclear incontrolada en el Sol: el helio se forma a partir del isótopo de hidrógeno pesado deuterio. Al mismo tiempo, se libera una enorme cantidad de energía. Sin embargo, en la Tierra, la gente aún no ha aprendido a manejar tales reacciones.

Los isótopos de hidrógeno se utilizarán como combustible en el reactor ITER. En el curso de una reacción termonuclear, se libera energía cuando los átomos ligeros se combinan en otros más pesados. Para hacer esto, necesita calentar el gas a temperaturas superiores a los 100 millones de grados, mucho más altas que la temperatura en el centro del sol. El gas a esta temperatura se convierte en plasma. Al mismo tiempo, los átomos de los isótopos de hidrógeno se fusionan, convirtiéndose en átomos de helio con la liberación de una gran cantidad de neutrones. Una planta de energía que opere según este principio utilizará la energía de neutrones moderada por una capa de materia densa (litio).

¿Por qué tomó tanto tiempo la creación de instalaciones termonucleares?

¿Por qué no se han creado todavía unas directrices tan importantes y valiosas, cuyas ventajas se han debatido durante casi medio siglo? Hay tres razones principales (discutidas a continuación), la primera de las cuales puede llamarse externa o pública, y las otras dos, internas, es decir, condicionadas por las leyes y condiciones del desarrollo de la propia energía termonuclear.

1. Durante mucho tiempo se creyó que el problema del uso práctico de la energía de fusión termonuclear no requería de soluciones y acciones urgentes, ya que allá por los años 80 del siglo pasado, las fuentes de combustibles fósiles parecían inagotables, y los problemas de la ecología y el cambio climático no preocupa al público. En 1976, el Comité Asesor de Energía de Fusión del Departamento de Energía de EE. UU. Intentó estimar el tiempo de I + D y una planta de energía de fusión de demostración bajo diferentes opciones de financiación de la investigación. Al mismo tiempo, se constató que el volumen de financiación anual para la investigación en esta dirección es completamente insuficiente, y si bien se mantiene el nivel de asignaciones existente, la creación de instalaciones termonucleares nunca terminará con éxito, ya que los fondos asignados no corresponden incluso al mínimo nivel crítico.

2. Un obstáculo más serio para el desarrollo de la investigación en esta área es que una instalación termonuclear del tipo en discusión no puede crearse y demostrarse en tamaños pequeños. De las explicaciones que se presentan a continuación, quedará claro que la fusión termonuclear requiere no solo el confinamiento magnético del plasma, sino también su calentamiento suficiente. La proporción de energía consumida y recibida aumenta al menos en proporción al cuadrado de las dimensiones lineales de la instalación, como resultado de lo cual las capacidades científicas y técnicas y las ventajas de las instalaciones termonucleares pueden probarse y demostrarse solo en estaciones suficientemente grandes, como como el reactor ITER antes mencionado. La sociedad simplemente no estaba preparada para financiar proyectos tan grandes hasta que no hubiera suficiente confianza en el éxito.

3. El desarrollo de la energía termonuclear fue muy complejo, sin embargo (a pesar de la financiación insuficiente y las dificultades en la elección de los centros para la creación de instalaciones JET e ITER), se han observado avances claros en los últimos años, aunque todavía no se ha creado una estación de operación.

El mundo moderno se enfrenta a un desafío energético muy serio, que se puede llamar con mayor precisión una "crisis energética incierta". El problema está relacionado con el hecho de que las reservas de combustibles fósiles pueden agotarse en la segunda mitad de este siglo. Además, la quema de combustibles fósiles puede llevar a la necesidad de unir y "almacenar" de alguna manera el dióxido de carbono liberado a la atmósfera (el programa CCS mencionado anteriormente) para evitar cambios serios en el clima del planeta.

En la actualidad, casi la totalidad de la energía que consume la humanidad se genera mediante la quema de combustibles fósiles, y la solución al problema puede estar asociada al uso de energía solar o nuclear (creación de reactores reproductores rápidos, etc.). El problema global causado por la creciente población de los países en desarrollo y su necesidad de mejorar los niveles de vida y aumentar el volumen de energía producida no puede resolverse solo sobre la base de los enfoques considerados, aunque, por supuesto, cualquier intento de desarrollar métodos alternativos de energía. debe fomentarse la producción.

De hecho, tenemos una pequeña selección de estrategias de comportamiento y el desarrollo de la energía termonuclear es extremadamente importante, aunque no hay garantía de éxito. El periódico Financial Times (con fecha del 25 de enero de 2004) escribió en esta ocasión:

“Incluso si los costos del proyecto ITER exceden significativamente la estimación inicial, es poco probable que alcancen el nivel de $ 1 mil millones por año. Este nivel de costos debe considerarse un pago muy modesto por una oportunidad muy razonable de crear una nueva fuente de energía para toda la humanidad, especialmente dado el hecho de que ya en este siglo inevitablemente tendremos que abandonar el hábito de despilfarrar e imprudentemente. Quema de combustibles fósiles. "

Esperemos que no haya sorpresas importantes e inesperadas en el camino hacia el desarrollo de la energía termonuclear. En este caso, en unos 30 años, podremos abastecer de corriente eléctrica desde él a las redes eléctricas por primera vez, y en poco más de 10 años entrará en funcionamiento la primera central termonuclear comercial. Es posible que en la segunda mitad de este siglo, la energía de fusión nuclear comience a reemplazar a los combustibles fósiles y gradualmente juegue un papel cada vez más importante en el suministro de energía a la humanidad a escala mundial.

No hay garantía absoluta de que la tarea de crear energía termonuclear (como una fuente de energía eficiente y a gran escala para toda la humanidad) se complete con éxito, pero la probabilidad de éxito en esta dirección es bastante alta. Teniendo en cuenta el enorme potencial de las centrales termonucleares, todos los costos de los proyectos para su rápido (e incluso acelerado) desarrollo pueden considerarse justificados, especialmente porque estas inversiones parecen muy modestas en el contexto del monstruoso mercado mundial de la energía ($ 4 billones por año8). ). Satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad es un problema muy grave. A medida que los combustibles fósiles se vuelven cada vez menos disponibles (además, su uso se vuelve indeseable), la situación está cambiando y simplemente no podemos permitirnos no desarrollar energía termonuclear.

A la pregunta "¿Cuándo aparecerá la energía termonuclear?" Lev Artsimovich (un reconocido pionero y líder de la investigación en esta área) respondió una vez que "se creará cuando sea realmente necesario para la humanidad".

ITER será el primer reactor de fusión en generar más energía de la que consume. Los científicos miden esta característica usando un coeficiente simple que llaman "Q". Si el ITER permite alcanzar todos los objetivos científicos establecidos, producirá 10 veces más energía de la que consume. El último de los dispositivos construidos, el "Joint European Torus" en Inglaterra, es un prototipo más pequeño de un reactor termonuclear, que en la etapa final de la investigación científica alcanzó un valor Q de casi 1. Esto significa que produjo exactamente la misma cantidad. de energía a medida que se consume. El ITER superará este resultado demostrando la creación de energía en el proceso de fusión termonuclear y alcanzando un valor de Q igual a 10. La idea es generar 500 MW con un consumo energético de unos 50 MW. Por tanto, uno de los objetivos científicos del ITER es demostrar que se puede conseguir un valor Q de 10.

Otro objetivo científico es que el ITER tenga un tiempo de "combustión" muy prolongado: un pulso de duración aumentada de hasta una hora. ITER es un reactor experimental de investigación y desarrollo que no puede producir energía de forma continua. Cuando el ITER comience a funcionar, estará encendido durante una hora, después de lo cual deberá apagarse. Esto es importante porque hasta ahora los dispositivos típicos que hemos creado han podido tener un tiempo de grabación de unos pocos segundos o incluso décimas de segundo, este es el máximo. El toro europeo alcanzó su valor Q de 1 con un tiempo de combustión de aproximadamente dos segundos y una duración de pulso de 20 segundos. Pero un proceso que tarda unos segundos no es realmente permanente. Por analogía con el arranque del motor de un automóvil: encender brevemente el motor y luego apagarlo aún no es una operación real del automóvil. Solo cuando conduzca su automóvil durante media hora, entrará en funcionamiento continuo y demostrará que es realmente posible conducir un automóvil de este tipo.

Es decir, desde un punto de vista técnico y científico, ITER proporcionará un valor Q de 10 y un mayor tiempo de combustión.

El programa de fusión termonuclear es verdaderamente internacional y de naturaleza amplia. La gente ya cuenta con el éxito del ITER y está pensando en el siguiente paso: crear un prototipo de reactor termonuclear industrial llamado DEMO. Para construirlo, ITER necesita funcionar. Debemos lograr nuestros objetivos científicos, porque eso significaría que las ideas que presentamos son bastante factibles. Sin embargo, estoy de acuerdo en que siempre debes pensar en lo que viene después. Además, durante el funcionamiento del ITER durante 25-30 años, nuestro conocimiento se profundizará y expandirá gradualmente, y podremos delinear con mayor precisión nuestro próximo paso.

De hecho, no hay debate sobre si el ITER debería ser un tokamak. Algunos científicos plantean la pregunta de manera muy diferente: ¿debería existir el ITER? Expertos de diferentes países que desarrollan sus propios proyectos termonucleares, no tan grandes, argumentan que un reactor tan grande no es necesario en absoluto.

Sin embargo, su opinión difícilmente puede considerarse autorizada. Los físicos que han estado trabajando con trampas toroidales han estado involucrados en la creación de ITER durante varias décadas. El diseño del reactor termonuclear experimental en Karadash se basó en todo el conocimiento adquirido durante los experimentos con docenas de tokamaks predecesores. Y estos resultados indican que el reactor debe tener necesariamente un tokamak, y uno grande.

JET Por el momento, el tokamak más exitoso puede considerarse el JET, construido por la UE en la ciudad británica de Ebingdon. Este es el más grande de los reactores de tipo tokamak creados hasta la fecha, con un gran radio de toro de plasma de 2,96 metros. La potencia de una reacción termonuclear ya ha alcanzado más de 20 megavatios con un tiempo de retención de hasta 10 segundos. El reactor devuelve aproximadamente el 40% de la energía puesta en el plasma.

Es la física del plasma la que determina el equilibrio energético, dijo Igor Semenov a Infox.ru. El profesor asociado del MIPT describió qué es el balance energético con un ejemplo sencillo: “Todos vimos cómo arde un fuego. De hecho, no se quema leña, sino gas. La cadena energética es la siguiente: el gas se quema, la madera se calienta, la madera se evapora, el gas se quema nuevamente. Por lo tanto, si arrojamos agua al fuego, tomaremos bruscamente energía del sistema para la transición de fase del agua líquida a un estado de vapor. El saldo se volverá negativo, el fuego se apagará. Hay otra forma: simplemente podemos tomar los tizones y esparcirlos en el espacio. El fuego también se apagará. Asimismo, en el reactor de fusión que estamos construyendo. Las dimensiones se eligen para crear un balance energético positivo correspondiente para un reactor dado. Suficiente para construir un verdadero TNPP en el futuro, habiendo resuelto en esta etapa experimental todos los problemas que quedan por resolver en este momento ”.

Las dimensiones del reactor se cambiaron una vez. Esto sucedió a principios del siglo XX-XXI, cuando Estados Unidos se retiró del proyecto y los miembros restantes se dieron cuenta de que el presupuesto del ITER (en ese momento se estimaba en 10 mil millones de dólares estadounidenses) es demasiado grande. Se requirió de físicos e ingenieros para reducir el costo de la instalación. Y esto solo se podía hacer debido al tamaño. El "rediseño" del ITER fue dirigido por el físico francés Robert Aymar, quien anteriormente trabajó en el tokamak francés Tore Supra en Karadash. El radio exterior del toro de plasma se ha reducido de 8,2 metros a 6,3 metros. Sin embargo, los riesgos asociados con la reducción de tamaño fueron compensados ​​en parte por varios imanes superconductores adicionales, que hicieron posible implementar el régimen de confinamiento de plasma, que fue descubierto y estudiado en ese momento.

Decimos que pondremos el sol en una caja. La idea es bonita. El problema es que no sabemos cómo hacer la caja.

Pierre-Gilles de Gennes
Premio Nobel francés

Todos los dispositivos y máquinas electrónicos necesitan energía y la humanidad consume mucha. Pero los combustibles fósiles se están agotando y la energía alternativa aún no es lo suficientemente eficiente.
Existe una forma de obtener energía que se adapta idealmente a todos los requisitos: la fusión termonuclear. La reacción de fusión termonuclear (la conversión de hidrógeno en helio y la liberación de energía) ocurre constantemente en el sol y este proceso le da energía al planeta en forma de rayos solares. Solo necesitas imitarlo en la Tierra, a menor escala. Basta con proporcionar alta presión y muy alta temperatura (10 veces más alta que en el Sol) y se lanzará la reacción de fusión. Para crear tales condiciones, necesita construir un reactor de fusión. Utilizará recursos más comunes en la tierra, será más seguro y más poderoso que las centrales nucleares convencionales. Durante más de 40 años, se ha intentado construirlo y se están realizando experimentos. En los últimos años, uno de los prototipos incluso logró obtener más energía de la que se gastó. Los proyectos más ambiciosos en esta área se presentan a continuación:

Proyectos gubernamentales

Recientemente, se ha prestado la mayor atención pública a otro diseño de un reactor termonuclear: el estelarador Wendelstein 7-X (el estelarador es más complejo en términos de su estructura interna que el ITER, que es un tokamak). Después de haber gastado un poco más de mil millones de dólares, los científicos alemanes en 9 años construyeron un modelo de demostración reducido del reactor para 2015. Si muestra buenos resultados, se construirá una versión más grande.

El láser MegaJoule en Francia será el láser más poderoso del mundo e intentará avanzar en el método de construcción del reactor de fusión basado en láser. La puesta en servicio de la planta francesa está prevista para 2018.

NIF (instalación nacional de ignición) se construyó en los Estados Unidos en 12 años y $ 4 mil millones en 2012. Esperaban probar la tecnología y luego construir inmediatamente un reactor, pero resultó que, como informa Wikipedia, se requiere un trabajo considerable si el sistema nunca debe alcanzar la ignición. Como resultado, se cancelaron planes ambiciosos y los científicos comenzaron a mejorar gradualmente el láser. La última tarea es aumentar la eficiencia de la transmisión de energía del 7% al 15%. De lo contrario, la financiación del Congreso para este método de lograr la síntesis puede terminar.

A fines de 2015, comenzó la construcción de un edificio para la instalación láser más poderosa del mundo en Sarov. Será más poderoso que el actual estadounidense y el futuro francés y permitirá los experimentos necesarios para construir una versión "láser" del reactor. Finalización de la construcción en 2020.

Láser con sede en EE. UU.: La fusión MagLIF es reconocida como el caballo oscuro de la tecnología de fusión. Recientemente, este método ha mostrado mejores resultados de lo esperado, pero la potencia aún debe aumentarse 1000 veces. Ahora el láser está experimentando una actualización, y para 2018 los científicos esperan obtener tanta energía como gastaron. Si tiene éxito, se creará una versión más grande.

En el INP ruso, se llevaron a cabo obstinadamente experimentos sobre el método de las "trampas abiertas", que Estados Unidos abandonó en los años 90. Como resultado, se obtuvieron indicadores que se consideraron imposibles para este método. Los científicos del INP creen que su instalación está ahora al nivel del alemán Wendelstein 7-X (Q = 0.1), pero más barata. Ahora están construyendo una nueva instalación por 3 mil millones de rublos.

El director del Instituto Kurchatov recuerda constantemente los planes para construir un pequeño reactor termonuclear en Rusia: Ignitor. Según el plan, debería ser tan eficaz como ITER, aunque menos. Se suponía que su construcción comenzaría hace 3 años, pero esta situación es típica de los grandes proyectos científicos.

El tokamak EAST chino a principios de 2016 logró obtener una temperatura de 50 millones de grados y mantenerla durante 102 segundos. Antes de que comenzara la construcción de enormes reactores y láseres, todas las noticias sobre la fusión termonuclear eran así. Uno podría pensar que esto es solo una competencia entre científicos, quienes mantendrán la temperatura cada vez más alta por más tiempo. Cuanto más alta sea la temperatura del plasma y más tiempo se pueda mantener, más cerca estamos del comienzo de la reacción de fusión. Hay docenas de instalaciones de este tipo en el mundo, se están construyendo varias más () (), por lo que pronto se romperá el récord de EAST. En esencia, estos pequeños reactores son solo equipos de prueba antes de enviarse al ITER.

Lockheed Martin anunció un gran avance en la energía de fusión en 2015 que les permitirá construir un pequeño reactor de fusión móvil en 10 años. Teniendo en cuenta que incluso los reactores comerciales muy grandes y nada móviles no se esperaban antes de 2040, la declaración de la corporación fue recibida con escepticismo. Pero la empresa tiene muchos recursos, así que quién sabe. Se espera el prototipo en 2020.

La startup de Silicon Valley, Helion Energy, tiene su propio plan único para lograr la fusión termonuclear. La compañía ha recaudado más de $ 10 millones y espera tener un prototipo construido para 2019.

La empresa emergente Tri Alpha Energy ha logrado recientemente un progreso impresionante en la promoción de su método de fusión (los teóricos han desarrollado más de 100 formas teóricas de lograr la fusión, el tokamak es simplemente el más simple y popular). La compañía también recaudó más de $ 100 millones en fondos de inversionistas.

El proyecto del reactor de la startup canadiense General Fusion es aún más diferente a los demás, pero los desarrolladores confían en él y han recaudado más de $ 100 millones en 10 años para construir el reactor para 2020.

La startup First Light, con sede en el Reino Unido, tiene el sitio web más accesible, formado en 2014, y anunció planes para utilizar los datos científicos más recientes para generar fusión a un costo menor.

Los científicos del MIT han escrito un artículo que describe un reactor de fusión compacto. Dependen de las nuevas tecnologías que aparecieron después del inicio de la construcción de tokamaks gigantes y prometen implementar el proyecto en 10 años. Aún no se sabe si se les dará luz verde para comenzar la construcción. Incluso si se aprueba, el artículo de la revista es una etapa incluso más temprana que una startup.

La fusión es quizás la industria menos financiada por el crowdfunding. Pero es con su ayuda, y también con fondos de la NASA, que Lawrenceville Plasma Physics va a construir un prototipo de su reactor. De todos los proyectos que se están implementando, este se parece más a una estafa, pero quién sabe, tal vez aporten algo útil a este grandioso trabajo.

ITER solo será un prototipo para la construcción de una instalación DEMO en toda regla, el primer reactor de fusión comercial. Su lanzamiento ahora está programado para 2044 y este sigue siendo un pronóstico optimista.

Pero hay planes para la siguiente etapa. Un reactor termonuclear híbrido recibirá energía tanto de la desintegración de un átomo (como una central nuclear convencional) como de la fusión. En esta configuración, la energía puede ser 10 veces mayor, pero la seguridad es menor. China espera construir un prototipo para 2030, pero los expertos dicen que es como intentar construir autos híbridos antes de que se invente el motor de combustión interna.

Salir

No hay escasez de personas dispuestas a traer una nueva fuente de energía al mundo. El proyecto ITER tiene las mayores posibilidades, dada su escala y financiación, pero no se deben descartar otros métodos, así como los proyectos privados. Los científicos han trabajado durante décadas para iniciar la reacción de fusión sin mucho éxito. Pero ahora hay más proyectos que nunca para lograr una reacción termonuclear. Incluso si cada uno de ellos falla, se realizarán nuevos intentos. Es poco probable que descansemos hasta que enciendamos una versión en miniatura del Sol aquí en la Tierra.

Etiquetas: Agregar etiquetas

La fusión termonuclear controlada es un sueño de los físicos y las empresas de energía que han apreciado durante décadas. Enjaular un sol artificial es una gran idea. "Pero el problema es que no sabemos cómo crear una caja así",- dijo el premio Nobel Pierre Gilles de Gennes en 1991. Sin embargo, a mediados de 2018, ya sabemos cómo. E incluso construimos. Las mejores mentes del mundo están trabajando en el proyecto del reactor termonuclear experimental internacional ITER, el experimento más ambicioso y costoso de la ciencia moderna.

Un reactor de este tipo cuesta cinco veces más que el Gran Colisionador de Hadrones. Cientos de científicos de todo el mundo están trabajando en el proyecto. Su financiación puede superar fácilmente los 19.000 millones de euros, y el primer plasma del reactor no se lanzará hasta diciembre de 2025. Y a pesar de los constantes retrasos, las dificultades tecnológicas y la financiación insuficiente de los países participantes individuales, se está construyendo la "máquina de movimiento perpetuo" termonuclear más grande del mundo. Tiene muchas más ventajas que desventajas. ¿Cuáles? Comenzamos nuestra historia sobre el proyecto de construcción científica más ambicioso de nuestro tiempo con teoría.

¿Qué es un tokamak?

Bajo la influencia de enormes temperaturas y la gravedad, la fusión termonuclear se produce en las profundidades de nuestro Sol y otras estrellas. Los núcleos de hidrógeno chocan, forman átomos de helio más pesados ​​y, al mismo tiempo, liberan neutrones y una gran cantidad de energía.

La ciencia moderna ha llegado a la conclusión de que a la temperatura inicial más baja, la mayor cantidad de energía se produce por la reacción entre los isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. Pero tres condiciones son importantes para esto: alta temperatura (alrededor de 150 millones de grados Celsius), alta densidad de plasma y alto tiempo de retención.

El caso es que no podremos crear una densidad tan colosal como la del Sol. Todo lo que queda es calentar el gas a un estado de plasma por medio de temperaturas ultra altas. Pero ningún material puede resistir el contacto con un plasma tan caliente. Para ello, el académico Andrei Sakharov (con la sugerencia de Oleg Lavrentyev) en la década de 1950 propuso utilizar cámaras toroidales (en forma de rosquilla hueca) con un campo magnético que confinaría el plasma. Más tarde, se inventó el término: tokamak.

Las centrales eléctricas modernas, que queman combustibles fósiles, convierten la energía mecánica (rotación de turbinas, por ejemplo) en electricidad. Tokamaks utilizará la energía de fusión absorbida en forma de calor por las paredes del dispositivo para calentar y producir vapor, que hará girar las turbinas.

El primer tokamak del mundo. T-1 soviético. 1954 año

Se construyeron pequeños tokamaks experimentales en todo el mundo. Y demostraron con éxito que una persona puede crear un plasma de alta temperatura y mantenerlo en un estado estable durante algún tiempo. Pero los diseños industriales están todavía muy lejos.

Instalación de T-15. Decenio de 1980

Ventajas y desventajas de los reactores de fusión

Los reactores nucleares típicos funcionan con decenas de toneladas de combustible radiactivo (que eventualmente se convierten en decenas de toneladas de desechos radiactivos), mientras que un reactor de fusión solo necesita cientos de gramos de tritio y deuterio. El primero se puede producir en el propio reactor: los neutrones liberados durante la síntesis actuarán sobre las paredes del reactor con impurezas de litio, de las que surge el tritio. Las reservas de litio durarán miles de años. Tampoco habrá escasez de deuterio: se produce en el mundo en decenas de miles de toneladas por año.

Un reactor de fusión no emite gases de efecto invernadero, que es típico de los combustibles fósiles. Y el subproducto en forma de helio-4 es un gas inerte inofensivo.

Además, los reactores de fusión son seguros. En cualquier desastre, la reacción termonuclear simplemente se detendrá sin consecuencias graves para el medio ambiente o el personal, ya que no habrá nada que sustente la reacción de fusión: necesita demasiado condiciones de invernadero.

Sin embargo, los reactores termonucleares también tienen desventajas. En primer lugar, esta es la dificultad banal de lanzar una reacción autosuficiente. Necesita un vacío profundo. Los complejos sistemas de confinamiento magnético requieren enormes bobinas magnéticas superconductoras.

Y no te olvides de la radiación. A pesar de algunos estereotipos sobre la inocuidad de los reactores termonucleares, el bombardeo de su entorno con neutrones generados durante la fusión no se puede cancelar. Este bombardeo produce radiación. Por tanto, el mantenimiento del reactor debe realizarse de forma remota. De cara al futuro, digamos que después del lanzamiento, los robots participarán en el mantenimiento directo del tokamak ITER.

Además, el tritio radiactivo puede ser peligroso si se ingiere. Es cierto que bastará con cuidar su correcto almacenamiento y crear barreras de seguridad en todas las rutas posibles de su distribución en caso de accidente. Además, la vida media del tritio es de 12 años.

Cuando se haya establecido la base mínima necesaria de la teoría, puede ir al héroe del artículo.

El proyecto más ambicioso de nuestro tiempo

En 1985, tuvo lugar en Ginebra la primera en muchos años una reunión personal de los jefes de la URSS y los Estados Unidos. Antes de eso, la Guerra Fría había llegado a su apogeo: las superpotencias boicotearon los Juegos Olímpicos, desarrollaron su potencial nuclear y no iban a negociar. Esta cumbre de los dos países en territorio neutral destaca por otra circunstancia importante. Durante el mismo, el secretario general del Comité Central del PCUS, Mikhail Gorbachev, propuso implementar un proyecto internacional conjunto para el desarrollo de la energía termonuclear con fines pacíficos.

Llegan a Francia por vía marítima, y ​​desde el puerto hasta la obra son transportados por una carretera especialmente alterada por el gobierno francés. El país gastó 110 millones de euros en 104 km del Camino ITER y 4 años de trabajo. La pista se ensanchó y se reforzó. El caso es que para el 2021 pasarán por él 250 convoyes con enormes cargas. Las partes más pesadas alcanzan las 900 toneladas, las más altas, 10 metros, las más largas, 33 metros.

ITER aún no se ha puesto en marcha. Sin embargo, ya existe un proyecto para una central de fusión termonuclear DEMO, cuya tarea es precisamente demostrar el atractivo del uso comercial de la tecnología. Este complejo deberá generar de forma continua (y no pulsante, como ITER) 2 GW de energía.

El momento de implementación del nuevo proyecto global depende del éxito del ITER, pero de acuerdo con el plan de 2012, el primer lanzamiento de DEMO tendrá lugar no antes de 2044.