Ar reikalinga termobranduolinė energija?
Šiame civilizacijos vystymosi etape galime drąsiai teigti, kad žmonija susiduria su „energijos iššūkiu“. Taip yra dėl kelių pagrindinių veiksnių:
— Žmonija dabar sunaudoja didžiulį kiekį energijos.
Šiuo metu pasaulyje sunaudojama apie 15,7 teravatų (TW). Padalijus šią vertę iš planetos gyventojų skaičiaus, vienam žmogui gauname maždaug 2400 vatų, kuriuos galima nesunkiai įvertinti ir įsivaizduoti. Kiekvieno Žemės gyventojo (įskaitant vaikus) suvartojama energija atitinka 24 100 vatų elektros lempų veikimą visą parą.
— Pasaulio energijos suvartojimas sparčiai didėja.
Tarptautinės energetikos agentūros (2006 m.) duomenimis, iki 2030 m. pasaulio energijos suvartojimas turėtų padidėti 50 proc.
— Šiuo metu 80 % pasaulyje suvartojamos energijos sukuriama deginant iškastinį kurą (naftą, anglį ir dujas).), kurių naudojimas gali sukelti katastrofiškų aplinkos pokyčių pavojų.
Saudo arabų tarpe populiarus toks pokštas: „Mano tėvas jojo kupranugariais. Gavau mašiną, o sūnus jau skrenda lėktuvu. Bet dabar jo sūnus vėl jodins ant kupranugario“.
Panašu, kad taip ir yra, nes visos rimtos prognozės teigia, kad pasaulio naftos atsargos beveik baigsis maždaug po 50 metų.
Net remiantis JAV geologijos tarnybos skaičiavimais (ši prognozė yra daug optimistiškesnė nei kitos), pasaulio naftos gavybos augimas išliks ne ilgiau kaip ateinančius 20 metų (kiti ekspertai prognozuoja, kad gavybos pikas bus pasiektas per 5-10 metų). metų), po to išgaunamos naftos kiekis pradės mažėti maždaug 3% per metus. Gamtinių dujų gamybos perspektyvos atrodo ne ką geresnės. Paprastai sakoma, kad anglies užteks dar 200 metų, tačiau ši prognozė remiasi esamo gamybos ir vartojimo lygio palaikymu. Tuo tarpu anglies suvartojimas dabar didėja 4,5% per metus, o tai iš karto sumažina minėtą 200 metų laikotarpį iki vos 50 metų.
Taigi dabar turėtume pasiruošti iškastinio kuro naudojimo eros pabaigai.
Deja, šiuo metu egzistuojantys alternatyvūs energijos šaltiniai nepajėgūs patenkinti augančių žmonijos poreikių. Optimistiškiausiais vertinimais, iš išvardytų šaltinių didžiausias energijos kiekis (nurodytu šiluminiu ekvivalentu) yra tik 3 TW (vėjo), 1 TW (vandens), 1 TW (biologiniai šaltiniai) ir 100 GW (geoterminiai ir jūriniai). augalai). Bendras papildomos energijos kiekis (net ir šioje optimaliausioje prognozėje) yra tik apie 6 TW. Verta paminėti, kad naujų energijos šaltinių kūrimas yra labai sudėtinga techninė užduotis, todėl jų gaminamos energijos kaina bet kokiu atveju bus didesnė nei įprastai deginant anglį ir pan. Atrodo visiškai akivaizdu, kad
žmonija turi ieškoti kažkokių kitų energijos šaltinių, kuriems šiuo metu realiai galima svarstyti tik Saulę ir termobranduolinės sintezės reakcijas.
Saulė potencialiai yra beveik neišsenkantis energijos šaltinis. Vos 0,1 % planetos paviršiaus patekusios energijos kiekis prilygsta 3,8 TW (net jei konvertuojama tik 15 % efektyvumo). Problema slypi mūsų nesugebėjime pagauti ir konvertuoti šios energijos, kuri yra susijusi tiek su didelėmis saulės baterijų kainomis, tiek su kaupimo, saugojimo ir tolimesnio gautos energijos perdavimo į reikiamus regionus problemomis.
Šiuo metu atominės elektrinės dideliu mastu gamina energiją, išsiskiriančią vykstant atomų branduolių dalijimosi reakcijoms. Manau, kad tokių stočių kūrimas ir plėtra turėtų būti skatinama visais įmanomais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad vienos iš svarbiausių medžiagų joms eksploatuoti (pigaus urano) atsargos taip pat gali būti visiškai išnaudotos. ateinančius 50 metų.
Kita svarbi vystymosi kryptis – branduolių sintezės (branduolinės sintezės) panaudojimas, kuris dabar yra pagrindinė išsigelbėjimo viltis, nors pirmųjų termobranduolinių elektrinių sukūrimo laikas lieka neaiškus. Ši paskaita skirta šiai temai.
Kas yra branduolių sintezė?
Branduolio sintezė, kuri yra Saulės ir žvaigždžių egzistavimo pagrindas, potencialiai yra neišsenkantis energijos šaltinis Visatos vystymuisi apskritai. Eksperimentai, atlikti Rusijoje (Rusija yra Tokamako termobranduolinės elektrinės gimtinė), JAV, Japonijoje, Vokietijoje, taip pat JK pagal Jungtinę Europos Torus (JET) programą, kuri yra viena iš pirmaujančių mokslinių tyrimų programų. pasaulyje, parodyti, kad branduolių sintezė gali užtikrinti ne tik dabartinius žmonijos energijos poreikius (16 TW), bet ir daug didesnį energijos kiekį.
Branduolinės sintezės energija yra labai reali, o pagrindinis klausimas – ar galime sukurti pakankamai patikimas ir ekonomiškas sintezės jėgaines.
Branduolinės sintezės procesai – tai reakcijos, kurių metu lengvieji atomų branduoliai susilieja į sunkesnius, išskiriant tam tikrą energijos kiekį.
Visų pirma, tarp jų reikėtų pažymėti Žemėje labai paplitusią dviejų vandenilio izotopų (deuterio ir tričio) reakciją, dėl kurios susidaro helis ir išsiskiria neutronas. Reakciją galima parašyti taip:
D + T = 4 He + n + energija (17,6 MeV).
Išsiskyrusi energija, atsirandanti dėl to, kad helis-4 turi labai stiprius branduolinius ryšius, paverčiama įprasta kinetine energija, paskirstoma tarp neutrono ir helio-4 branduolio santykiu 14,1 MeV/3,5 MeV.
Norint inicijuoti (uždegti) sintezės reakciją, reikia visiškai jonizuoti ir pašildyti dujas iš deuterio ir tričio mišinio iki aukštesnės nei 100 milijonų laipsnių Celsijaus (žymėsime M laipsniais), kuri yra maždaug penkis kartus aukštesnė. nei temperatūra Saulės centre. Jau esant kelių tūkstančių laipsnių temperatūrai, tarpatominiai susidūrimai sukelia elektronų išmušimą iš atomų, todėl susidaro atskirtų branduolių ir elektronų mišinys, žinomas kaip plazma, kuriame teigiamai įkrauti ir labai energingi deuteronai ir tritonai (tai yra deuteris). ir tričio branduoliai) patiria stiprų abipusį atstūmimą. Tačiau aukšta plazmos temperatūra (ir su ja susijusi didelė jonų energija) leidžia šiems deuterio ir tričio jonams įveikti Kulono atstūmimą ir susidurti vienas su kitu. Esant aukštesnei nei 100 M laipsnių temperatūrai, „energiškiausi“ deuteronai ir tritonai susilieja tokiais artimais atstumais, kad tarp jų pradeda veikti galingos branduolinės jėgos, priversdamos juos sujungti vienas su kitu į vieną visumą.
Atliekant šį procesą laboratorijoje, iškyla trys labai sudėtingos problemos. Visų pirma, branduolių D ir T dujų mišinys turi būti įkaitintas iki aukštesnės nei 100 M laipsnių temperatūros, kažkaip neleidžiant jam atvėsti ir užsiteršti (dėl reakcijų su indo sienelėmis).
Norėdami išspręsti šią problemą, buvo išrasti „magnetiniai spąstai“, vadinami Tokamak, kurie neleidžia plazmai sąveikauti su reaktoriaus sienelėmis.
Taikant aprašytą metodą, plazma kaitinama elektros srove, tekančia toro viduje, iki maždaug 3 M laipsnių, tačiau to vis dar nepakanka reakcijai inicijuoti. Norint papildomai pašildyti plazmą, energija į ją arba „siurbiama“ radijo dažnio spinduliuote (kaip mikrobangų krosnelėje), arba įpurškiami didelės energijos neutralių dalelių pluoštai, kurie susidūrimų metu perduoda savo energiją plazmai. Be to, šilumos išsiskyrimas atsiranda dėl pačių termobranduolinių reakcijų (kaip bus aptarta toliau), dėl kurių plazma turėtų „užsidegti“ pakankamai dideliame įrenginyje.
Šiuo metu Prancūzijoje pradedamas statyti toliau aprašytas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), kuris bus pirmasis Tokamakas, galintis „uždegti“ plazmą.
Pažangiausiuose esamuose Tokamako tipo įrenginiuose jau seniai buvo pasiekta apie 150 M laipsnių temperatūra, artima termobranduolinės stoties darbui reikalingoms vertėms, tačiau ITER reaktorius turėtų tapti pirmąja didelio masto jėgaine. gamykla, skirta ilgalaikiam darbui. Ateityje reikės žymiai pagerinti jo veikimo parametrus, o tam visų pirma reikės padidinti slėgį plazmoje, nes branduolių sintezės greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas kvadratui spaudimas.
Pagrindinė mokslinė problema šiuo atveju susijusi su tuo, kad padidėjus slėgiui plazmoje, atsiranda labai sudėtingi ir pavojingi nestabilumai, tai yra nestabilūs darbo režimai.
Sintezės reakcijos metu atsirandantys elektra įkrauti helio branduoliai yra laikomi „magnetinėse spąstuose“, kur dėl susidūrimų su kitomis dalelėmis jie palaipsniui sulėtėja, o susidūrimų metu išsiskirianti energija padeda palaikyti aukštą plazmos laido temperatūrą. Neutralūs (neturintys elektros krūvio) neutronai palieka sistemą ir perduoda savo energiją reaktoriaus sienoms, o iš sienų paimama šiluma yra energijos šaltinis turbinoms, gaminančioms elektrą, veikti. Tokio įrenginio eksploatavimo problemos ir sunkumai pirmiausia yra susiję su tuo, kad galingas didelės energijos neutronų srautas ir išsiskirianti energija (elektromagnetinės spinduliuotės ir plazmos dalelių pavidalu) rimtai veikia reaktorių ir gali sunaikinti. medžiagos, iš kurių jis pagamintas.
Dėl šios priežasties termobranduolinių įrenginių projektavimas yra labai sudėtingas. Fizikai ir inžinieriai susiduria su užduotimi užtikrinti aukštą savo darbo patikimumą. Projektuojant ir statant termobranduolines stotis reikia išspręsti daugybę įvairių ir labai sudėtingų technologinių problemų.
Šiluminės elektrinės projektavimas
Paveikslėlyje parodyta termobranduolinės elektrinės įrenginio ir veikimo principo schema (ne pagal mastelį). Centrinėje dalyje yra ~ 2000 m 3 tūrio toroidinė (spurgos formos) kamera, užpildyta tričio-deuterio (T-D) plazma, įkaitinta iki aukštesnės nei 100 M laipsnių temperatūros. Sintezės reakcijos metu susidarę neutronai išeina iš „magnetinių spąstų“ ir patenka į paveikslėlyje pavaizduotą maždaug 1 m storio apvalkalą
Korpuso viduje neutronai susiduria su ličio atomais, todėl vyksta reakcija, kurios metu susidaro tritis:
neutronas + litis = helis + tritis.
Be to, sistemoje vyksta konkuruojančios reakcijos (nesusidarant tričiui), taip pat daug reakcijų, kai išsiskiria papildomi neutronai, dėl kurių taip pat susidaro tritis (šiuo atveju gali atsirasti papildomų neutronų išsiskyrimo). žymiai sustiprintas, pavyzdžiui, į apvalkalą įvedant atomus berilio ir švino). Bendra išvada yra tokia, kad šiame objekte (bent jau teoriškai) gali vykti branduolių sintezės reakcija, kurios metu susidarytų tritis. Tokiu atveju gaminamas tričio kiekis turėtų ne tik patenkinti paties įrenginio poreikius, bet ir būti dar kiek didesnis, o tai leis naujus įrenginius aprūpinti tričiu.
Būtent ši veikimo koncepcija turi būti išbandyta ir įdiegta toliau aprašytame ITER reaktoriuje.
Neutronai turėtų įkaitinti apvalkalą vadinamuosiuose bandomuosiuose įrenginiuose (kuriuose bus naudojamos santykinai „įprastos“ statybinės medžiagos) iki maždaug 400 laipsnių temperatūros. Ateityje planuojama sukurti patobulintus įrenginius, kurių korpuso įkaitimo temperatūra viršytų 1000 laipsnių, tai būtų galima pasiekti naudojant naujausias didelio stiprumo medžiagas (pavyzdžiui, silicio karbido kompozitus). Korpuse susidariusią šilumą, kaip ir įprastose stotyse, paima pirminis aušinimo kontūras su aušinimo skysčiu (kuriame yra, pavyzdžiui, vandens arba helio) ir perduodama antriniam kontūrui, kur gaminamas vandens garas ir tiekiamas į turbinas.
Pagrindinis branduolių sintezės privalumas yra tas, kad jai reikia tik labai nedidelio kiekio medžiagų, kurios gamtoje yra labai paplitusios kaip kuras.
Branduolinės sintezės reakcija aprašytuose įrenginiuose gali sukelti milžinišką energijos kiekį, dešimt milijonų kartų didesnį nei standartinė šiluma, išsiskirianti vykstant įprastoms cheminėms reakcijoms (pvz., deginant iškastinį kurą). Palyginimui nurodome, kad 1 gigavato (GW) šiluminės elektrinės energijai gaminti reikalingas anglies kiekis yra 10 000 tonų per dieną (dešimt geležinkelio vagonų), o tokios pat galios termobranduolinės sintezės jėgainė sunaudos tik apie 1 kg D+ mišinio per dieną T.
Deuteris yra stabilus vandenilio izotopas; Maždaug vienoje iš 3350 paprasto vandens molekulių vienas iš vandenilio atomų yra pakeistas deuteriu (palikimas iš Didžiojo Visatos sprogimo). Šis faktas leidžia lengvai organizuoti gana pigią reikiamo kiekio deuterio gamybą iš vandens. Sunkiau gauti tričio, kuris yra nestabilus (pusėjimo laikas yra apie 12 metų, todėl jo kiekis gamtoje yra nereikšmingas), tačiau, kaip parodyta aukščiau, tritis bus gaminamas tiesiogiai termobranduolinio įrenginio viduje eksploatacijos metu. dėl neutronų reakcijos su ličiu.
Taigi pradinis branduolių sintezės reaktoriaus kuras yra litis ir vanduo.
Litis yra įprastas metalas, plačiai naudojamas buitiniuose prietaisuose (pavyzdžiui, mobiliųjų telefonų baterijose). Aukščiau aprašytas įrenginys, net ir įvertinus ne idealų efektyvumą, galės pagaminti 200 000 kWh elektros energijos, o tai prilygsta energijai, esančiai 70 tonų anglies. Tam reikalingas ličio kiekis yra vienoje kompiuterio baterijoje, o deuterio – 45 litrais vandens. Aukščiau pateikta vertė atitinka dabartinį elektros suvartojimą (skaičiuojant vienam asmeniui) ES šalyse per 30 metų. Pats faktas, kad toks nežymus ličio kiekis gali užtikrinti tokį elektros energijos kiekį (be CO 2 emisijų ir be menkiausios oro taršos), yra gana rimtas argumentas sparčiai ir energingai plėtoti termobranduolinės energetikos plėtros tyrimus. energijos (nepaisant visų sunkumų ir problemų) net ir turint ilgalaikę perspektyvą sukurti ekonomišką termobranduolinį reaktorių.
Deuterio turėtų pakakti milijonams metų, o lengvai iškasamo ličio atsargų visiškai pakanka šimtų metų poreikiams patenkinti.
Net jei uolienose baigiasi ličio kiekis, galime jį išgauti iš vandens, kur jo koncentracija yra pakankamai didelė (100 kartų didesnė už urano koncentraciją), kad jo gavyba būtų ekonomiškai pagrįsta.
Sintezės energija žmonijai iš principo ne tik žada galimybę ateityje pagaminti didžiulius energijos kiekius (be CO 2 emisijų ir oro taršos), bet ir turi nemažai kitų privalumų.
1 ) Aukštas vidaus saugumas.
Termobranduoliniuose įrenginiuose naudojama plazma yra labai mažo tankio (apie milijoną kartų mažesnė už atmosferos tankį), dėl to įrenginių eksploatacinėje aplinkoje niekada nebus pakankamai energijos, kad būtų galima sukelti rimtų incidentų ar avarijų.
Be to, krovimas „kuru“ turi būti vykdomas nuolat, o tai leidžia lengvai sustabdyti jo veikimą, jau nekalbant apie tai, kad įvykus avarijai ir staigiai pasikeitus aplinkos sąlygoms termobranduolinė „liepsna“ turėtų tiesiog išeiti.
Kokie pavojai siejami su termobranduoline energija? Pirma, verta paminėti, kad nors sintezės produktai (helis ir neutronai) nėra radioaktyvūs, reaktoriaus apvalkalas gali tapti radioaktyvus ilgai apšvitinant neutronais.
Antra, tritis yra radioaktyvus ir jo pusinės eliminacijos laikas yra palyginti trumpas (12 metų). Tačiau nors naudojamos plazmos tūris yra didelis, dėl mažo tankio joje yra tik labai mažas tričio kiekis (bendras svoris apie dešimt pašto ženklų). Štai kodėl
net ir pačiomis sunkiausiomis situacijomis ir nelaimingais atsitikimais (visiškas korpuso sunaikinimas ir viso jame esančio tričio išleidimas, pavyzdžiui, žemės drebėjimo ir lėktuvo katastrofos stotyje metu) į korpusą pateks tik nedidelis degalų kiekis. aplinka, dėl kurios nereikės evakuoti gyventojų iš šalia esančių apgyvendintų vietovių.
2 ) Energijos kaina.
Tikimasi, kad vadinamoji „vidinė“ gautos elektros kaina (pačios gamybos savikaina) taps priimtina, jei ji sudarys 75% rinkoje jau esančios kainos. „Įperkama“ šiuo atveju reiškia, kad kaina bus mažesnė už energijos, pagamintos naudojant seną angliavandeninį kurą, kainą. „Išorinės“ sąnaudos (šalutinis poveikis, poveikis visuomenės sveikatai, klimatui, ekologijai ir kt.) iš esmės bus lygus nuliui.
Tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER
Kitas pagrindinis žingsnis yra pastatyti ITER reaktorių, skirtą parodyti, kad galima uždegti plazmą ir tuo remiantis gauti bent dešimt kartų daugiau energijos (palyginti su energija, sunaudota plazmai šildyti). ITER reaktorius bus eksperimentinis įrenginys, kuriame net nebus įrengtos turbinos elektrai gaminti ir jos panaudojimo įrenginiai. Jo kūrimo tikslas – ištirti sąlygas, kurios turi būti tenkinamos eksploatuojant tokias jėgaines, taip pat tuo pagrindu sukurti realias, ekonomiškai perspektyvias elektrines, kurios, matyt, savo dydžiu turėtų viršyti ITER. Norint sukurti tikrus branduolių sintezės jėgainių prototipus (ty jėgaines, kuriose yra pilnai įrengtos turbinos ir pan.), reikia išspręsti šias dvi problemas. Pirma, būtina toliau kurti naujas medžiagas (galinčias atlaikyti aprašytas labai atšiaurias eksploatavimo sąlygas) ir išbandyti jas pagal toliau aprašytas specialias IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) įrangos taisykles. Antra, reikia išspręsti daugybę grynai techninių problemų ir kurti naujas technologijas, susijusias su nuotoliniu valdymu, šildymu, apmušalų projektavimu, kuro ciklais ir kt.
Paveikslėlyje parodytas ITER reaktorius, kuris už didžiausią šiandienos JET instaliaciją pranoksta ne tik visais linijiniais matmenimis (apie du kartus), bet ir jame naudojamų magnetinių laukų bei plazma tekančių srovių dydžiu.
Šio reaktoriaus sukūrimo tikslas – pademonstruoti bendrų fizikų ir inžinierių pastangų, statant didelio masto branduolių sintezės jėgainę, galimybes.
Projektuotojų planuojama instaliacinė galia – 500 MW (su energijos sąnaudomis sistemos įvade tik apie 50 MW). 3
ITER įrenginį kuria konsorciumas, kurį sudaro ES, Kinija, Indija, Japonija, Pietų Korėja, Rusija ir JAV. Bendras šių šalių gyventojų skaičius sudaro apie pusę visų Žemės gyventojų, todėl projektą galima pavadinti pasauliniu atsaku į globalų iššūkį. Pagrindiniai ITER reaktoriaus komponentai ir komponentai jau sukurti ir išbandyti, o Kadaraše (Prancūzija) jau pradėtas statyti. Reaktoriaus paleidimas planuojamas 2020 m., o deuterio-tričio plazmos gamyba – 2027 m., nes reaktoriaus paleidimas reikalauja ilgų ir rimtų plazmos iš deuterio ir tričio bandymų.
ITER reaktoriaus magnetinės ritės yra pagamintos iš superlaidžių medžiagų (kurios iš principo leidžia nepertraukiamai veikti tol, kol plazmoje palaikoma srovė), todėl projektuotojai tikisi užtikrinti garantuotą bent 10 minučių darbo ciklą. Akivaizdu, kad superlaidžių magnetinių ritių buvimas yra iš esmės svarbus nenutrūkstamai tikros termobranduolinės elektrinės veikimui. Superlaidžios ritės jau buvo naudojamos Tokamako tipo įrenginiuose, tačiau anksčiau tokiose didelės apimties instaliacijose, skirtose tričio plazmai, jos nebuvo naudojamos. Be to, ITER įrenginys bus pirmasis, kuris naudos ir išbandys skirtingus apvalkalo modulius, sukurtus veikti realiose stotyse, kuriose galima generuoti arba „atgauti“ tričio branduolius.
Pagrindinis įrenginio statybos tikslas – parodyti sėkmingą plazmos degimo kontrolę ir galimybę realiai gauti energijos termobranduoliniuose įrenginiuose esant esamam technologijų išsivystymo lygiui.
Tolimesnė plėtra šia kryptimi, žinoma, pareikalaus daug pastangų siekiant pagerinti įrenginių efektyvumą, ypač jų ekonominio pagrįstumo požiūriu, kuris yra susijęs su rimtais ir ilgais tyrimais tiek ITER reaktoriuje, tiek toliau. Kiti įrenginiai. Tarp priskirtų užduočių reikėtų ypač pabrėžti šias tris:
1) Būtina parodyti, kad esamas mokslo ir technologijų lygis jau leidžia gauti 10 kartų didesnį energijos kiekį (palyginti su tuo, kuris sunaudojamas procesui palaikyti) kontroliuojamo branduolių sintezės procese. Reakcija turi vykti be pavojingų nestabilių sąlygų, be perkaitimo ir konstrukcinių medžiagų pažeidimo, be plazmos užteršimo priemaišomis. Kai branduolių sintezės energijos galia sudaro apie 50 % plazmos šildymo galios, šie tikslai jau buvo pasiekti atliekant eksperimentus mažuose įrenginiuose, tačiau sukūrus ITER reaktorių bus patikrintas valdymo metodų patikimumas daug didesniame įrenginyje, kuris gamina daug. daugiau energijos per ilgą laiką. ITER reaktorius skirtas išbandyti ir susitarti dėl reikalavimų būsimam branduolių sintezės reaktoriui, o jo statyba yra labai sudėtinga ir įdomi užduotis.
2) Būtina ištirti slėgio plazmoje didinimo metodus (prisiminti, kad reakcijos greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas slėgio kvadratui), kad būtų išvengta pavojingų nestabilių plazmos elgesio režimų. Šios krypties tyrimų sėkmė arba užtikrins reaktoriaus darbą esant didesniam plazmos tankiui, arba sumažins generuojamų magnetinių laukų stiprumo reikalavimus, o tai ženkliai sumažins reaktoriaus gaminamos elektros savikainą.
3) Bandymai turi patvirtinti, kad galima realiai užtikrinti nepertraukiamą reaktoriaus veikimą stabiliu režimu (ekonominiu ir techniniu požiūriu šis reikalavimas atrodo labai svarbus, jei ne pagrindinis), o įrengimą galima pradėti be didžiulių energijos sąnaudas. Tyrėjai ir dizaineriai labai tikisi, kad „nepertraukiamą“ elektromagnetinės srovės tekėjimą per plazmą gali užtikrinti jos generavimas plazmoje (dėl aukšto dažnio spinduliuotės ir greitųjų atomų įpurškimo).
Šiuolaikinis pasaulis susiduria su labai rimtu energetikos iššūkiu, kurį tiksliau būtų galima pavadinti „neaiškia energijos krize“.
Šiuo metu beveik visa žmonijos suvartojama energija sukuriama deginant iškastinį kurą, o problemos sprendimas gali būti siejamas su saulės energijos ar branduolinės energijos panaudojimu (greitųjų neutroninių reaktorių kūrimu ir pan.). Pasaulinė problema, kurią sukelia augantis besivystančių šalių gyventojų skaičius ir poreikis gerinti gyvenimo lygį bei didinti gaminamos energijos kiekį, negali būti išspręsta remiantis vien šiais metodais, nors, žinoma, bet kokie bandymai sukurti alternatyvius energijos gamybos būdus. turėtų būti skatinamas.
Jei termobranduolinės energetikos plėtros kelyje nėra didelių ir netikėtų netikėtumų, tada pagal parengtą pagrįstą ir tvarkingą veiksmų programą, kuri (žinoma, gerai organizuojant darbą ir pakankamai finansuojant) turėtų lemti kūrimą. termobranduolinės elektrinės prototipą. Tokiu atveju maždaug po 30 metų iš jos pirmą kartą galėsime tiekti elektros srovę į energetikos tinklus, o po kiek daugiau nei 10 metų pradės veikti pirmoji komercinė termobranduolinė elektrinė. Gali būti, kad antroje šio amžiaus pusėje branduolinės sintezės energija pradės pakeisti iškastinį kurą ir palaipsniui pradės vaidinti vis svarbesnį vaidmenį aprūpinant žmoniją energija pasauliniu mastu.
Sakome, kad įdėsime saulę į dėžutę. Idėja graži. Problema ta, kad mes nežinome, kaip padaryti dėžutę.
Pierre'as-Gilles'as de Gennes'as
Prancūzijos Nobelio premijos laureatas
Visiems elektroniniams prietaisams ir mašinoms reikia energijos, o žmonija jos sunaudoja labai daug. Tačiau iškastinis kuras baigiasi, o alternatyvi energija dar nėra pakankamai efektyvi.
Yra energijos gavimo būdas, kuris idealiai atitinka visus reikalavimus – termobranduolinė sintezė. Termobranduolinės sintezės reakcija (vandenilio pavertimas heliu ir energijos išsiskyrimas) nuolat vyksta saulėje ir šis procesas planetai suteikia energijos saulės spindulių pavidalu. Jums tereikia jį mėgdžioti Žemėje, mažesniu mastu. Pakanka užtikrinti aukštą slėgį ir labai aukštą temperatūrą (10 kartų aukštesnę nei Saulėje) ir prasidės sintezės reakcija. Norint sukurti tokias sąlygas, reikia pastatyti termobranduolinį reaktorių. Jis naudos gausesnius išteklius žemėje, bus saugesnis ir galingesnis nei įprastos atominės elektrinės. Daugiau nei 40 metų buvo bandoma ją statyti, buvo atliekami eksperimentai. Pastaraisiais metais vienam iš prototipų netgi pavyko gauti daugiau energijos nei buvo sunaudota. Žemiau pateikiami ambicingiausi šios srities projektai:
Vyriausybės projektai
Didžiausias visuomenės dėmesys pastaruoju metu buvo skirtas kitam termobranduolinio reaktoriaus dizainui – Wendelstein 7-X stelaratoriui (stellaratoriaus vidinė struktūra yra sudėtingesnė nei ITER, kuris yra tokamakas). Vokiečių mokslininkai, išleidę kiek daugiau nei 1 milijardą dolerių, per 9 metus iki 2015 metų sukūrė sumažintą demonstracinį reaktoriaus modelį. Jei jis parodys gerus rezultatus, bus sukurta didesnė versija.
Prancūzijos „MegaJoule Laser“ bus galingiausias pasaulyje lazeris ir bandys tobulinti lazeriu pagrįstą branduolių sintezės reaktoriaus statybos metodą. Tikimasi, kad prancūziška instaliacija bus pradėta eksploatuoti 2018 m.
NIF (National Ignition Facility) buvo pastatytas JAV per 12 metų ir iki 2012 m. už 4 milijardus dolerių. Jie tikėjosi išbandyti technologiją ir tuoj pat pastatyti reaktorių, tačiau paaiškėjo, kad, kaip praneša Vikipedija, reikės daug dirbti, jei sistema kada nors užsidegs. Dėl to grandioziniai planai buvo atšaukti ir mokslininkai ėmė palaipsniui tobulinti lazerį. Paskutinis iššūkis yra padidinti energijos perdavimo efektyvumą nuo 7% iki 15%. Priešingu atveju Kongreso finansavimas šiam sintezės metodui gali būti nutrauktas.
2015 m. pabaigoje Sarove buvo pradėtas statyti pastatas, skirtas galingiausiam pasaulyje lazeriniam įrenginiui. Jis bus galingesnis už dabartinius amerikietiškus ir būsimus prancūziškus ir leis atlikti eksperimentus, reikalingus „lazerinei“ reaktoriaus versijai statyti. Statybos pabaiga 2020 m.
JAV esantis MagLIF sintezės lazeris yra pripažintas tamsiuoju arkliu tarp termobranduolinės sintezės metodų. Pastaruoju metu šis metodas rodė geresnius rezultatus nei tikėtasi, tačiau galią vis tiek reikia padidinti 1000 kartų. Šiuo metu lazeris atnaujinamas, o iki 2018 metų mokslininkai tikisi gauti tiek pat energijos, kiek išleido. Jei pasiseks, bus sukurta didesnė versija.
Rusijos branduolinės fizikos institutas atkakliai eksperimentavo su „atvirų spąstų“ metodu, kurio Jungtinės Valstijos atsisakė 90-aisiais. Dėl to buvo gauti rodikliai, kurie buvo laikomi neįmanomi šiam metodui. BINP mokslininkai mano, kad jų įrengimas dabar yra vokiško Wendelstein 7-X lygio (Q=0,1), bet pigesnis. Dabar jie stato naują instaliaciją už 3 milijardus rublių
Kurchatovo instituto vadovas nuolat primena planus Rusijoje statyti nedidelį termobranduolinį reaktorių – „Ignitor“. Pagal planą jis turėtų būti toks pat efektyvus kaip ITER, nors ir mažesnis. Jo statyba turėjo būti pradėta prieš 3 metus, tačiau tokia situacija būdinga dideliems mokslo projektams.
2016 metų pradžioje Kinijos tokamakas EAST sugebėjo pasiekti 50 milijonų laipsnių temperatūrą ir išlaikyti ją 102 sekundes. Prieš pradedant statyti didžiulius reaktorius ir lazerius, visos žinios apie termobranduolinę sintezę buvo tokios. Galima manyti, kad tai tik mokslininkų konkurencija, kas gali ilgiau išlaikyti vis aukštesnę temperatūrą. Kuo aukštesnė plazmos temperatūra ir kuo ilgiau ją galima išlaikyti, tuo arčiau sintezės reakcijos pradžios. Pasaulyje yra dešimtys tokių instaliacijų, statomos dar kelios () (), tad netrukus bus sumuštas RYTŲ rekordas. Iš esmės šie maži reaktoriai tik išbando įrangą prieš siunčiant į ITER.
„Lockheed Martin“ paskelbė apie sintezės energijos proveržį 2015 m., kuris leistų per 10 metų pastatyti nedidelį ir mobilų branduolių sintezės reaktorių. Atsižvelgiant į tai, kad net labai didelių ir visai ne mobilių komercinių reaktorių nebuvo tikimasi iki 2040 m., korporacijos pranešimas buvo sutiktas skeptiškai. Tačiau įmonė turi daug išteklių, tad kas gali žinoti. Prototipas tikimasi 2020 m.
Populiarus Silicio slėnio startuolis „Helion Energy“ turi savo unikalų planą pasiekti termobranduolinės sintezės. Bendrovė surinko daugiau nei 10 milijonų dolerių ir tikisi sukurti prototipą iki 2019 m.
Žemo profilio startuolis Tri Alpha Energy pastaruoju metu pasiekė įspūdingų rezultatų propaguodamas savo sintezės metodą (teoretikai sukūrė >100 teorinių būdų, kaip pasiekti sintezę, tokamakas yra tiesiog paprasčiausias ir populiariausias). Bendrovė taip pat pritraukė daugiau nei 100 milijonų dolerių investuotojų lėšų.
Kanados startuolio „General Fusion“ reaktoriaus projektas dar labiau skiriasi nuo kitų, tačiau kūrėjai juo pasitiki ir per 10 metų surinko daugiau nei 100 mln. USD, kad iki 2020 m.
JK startuolis „First light“ turi labiausiai prieinamą svetainę, suformuotą 2014 m., ir paskelbė apie planus panaudoti naujausius mokslinius duomenis, kad branduolių sintezė būtų pasiekta mažesnėmis sąnaudomis.
MIT mokslininkai parašė dokumentą, kuriame aprašomas kompaktiškas branduolių sintezės reaktorius. Jie remiasi naujomis technologijomis, atsiradusiomis pradėjus statyti milžiniškus tokamakus, ir žada projektą užbaigti per 10 metų. Kol kas nežinoma, ar jiems bus uždegta žalia šviesa pradėti statybas. Net ir patvirtinus, straipsnis žurnale yra dar ankstesnis etapas nei startuolis
Branduolinė sintezė yra turbūt mažiausiai tinkama pramonė sutelktiniam finansavimui. Tačiau būtent su jo pagalba ir NASA finansavimu Lawrenceville Plasma Physics kompanija ketina sukurti savo reaktoriaus prototipą. Iš visų vykdomų projektų šis labiausiai atrodo kaip sukčiai, bet kas žino, gal jie įneš ką nors naudingo į šį grandiozinį darbą.
ITER bus tik prototipas, skirtas statyti visavertį DEMO įrenginį – pirmąjį komercinį branduolių sintezės reaktorių. Dabar jo pristatymas numatytas 2044 m. ir tai vis dar yra optimistinė prognozė.
Tačiau yra planų kitam etapui. Hibridinis termobranduolinis reaktorius gaus energiją ir iš atominio skilimo (kaip ir įprastinė atominė elektrinė), ir iš sintezės. Šioje konfigūracijoje energijos gali būti 10 kartų daugiau, tačiau saugumas mažesnis. Kinija tikisi sukurti prototipą iki 2030 m., tačiau ekspertai teigia, kad tai būtų panašu į bandymą sukurti hibridinius automobilius prieš išradus vidaus degimo variklį.
Apatinė eilutė
Norinčių į pasaulį atnešti naują energijos šaltinį netrūksta. ITER projektas turi didžiausią galimybę, atsižvelgiant į jo mastą ir finansavimą, tačiau nereikėtų atmesti kitų metodų, taip pat privačių projektų. Mokslininkai dešimtmečius dirbo, kad sukeltų sintezės reakciją be didelio pasisekimo. Tačiau dabar yra daugiau projektų, skirtų termobranduolinei reakcijai pasiekti, nei bet kada anksčiau. Net jei kiekvienas iš jų nepavyks, bus bandoma naujų. Mažai tikėtina, kad pailsėsime, kol neįžiebsime miniatiūrinės Saulės versijos čia, Žemėje.Žymos:
- sintezės reaktorius
- energijos
- ateities projektai
Kaip viskas prasidėjo? „Energijos iššūkis“ atsirado dėl šių trijų veiksnių derinio:
1. Žmonija dabar sunaudoja didžiulį kiekį energijos.
Šiuo metu pasaulyje sunaudojama apie 15,7 teravatų (TW). Padalijus šią vertę iš pasaulio gyventojų, gauname maždaug 2400 vatų vienam žmogui, kurį galima lengvai įvertinti ir vizualizuoti. Kiekvieno Žemės gyventojo (taip pat ir vaikų) suvartojama energija atitinka 24 šimto vatų elektros lempų veikimą visą parą. Tačiau šios energijos suvartojimas visoje planetoje yra labai netolygus, nes kai kuriose šalyse jis yra labai didelis, o kitose – nereikšmingas. Sunaudojimas (vienam žmogui) lygus 10,3 kW JAV (viena iš rekordinių dydžių), 6,3 kW Rusijos Federacijoje, 5,1 kW JK ir tt, bet, kita vertus, lygus. tik 0,21 kW Bangladeše (tik 2 % JAV energijos suvartojimo!).
2. Pasaulio energijos suvartojimas smarkiai didėja.
Tarptautinės energetikos agentūros (2006 m.) duomenimis, iki 2030 m. pasaulio energijos suvartojimas turėtų padidėti 50 proc. Žinoma, išsivysčiusios šalys galėtų puikiai išsiversti ir be papildomos energijos, tačiau šis augimas būtinas, kad žmonės išbristų iš skurdo besivystančiose šalyse, kur 1,5 mlrd. žmonių kenčia nuo didelio energijos trūkumo.
3. Šiuo metu 80 % pasaulio energijos gaunama deginant iškastinį kurą(nafta, anglis ir dujos), kurių naudojimas:
a) gali sukelti katastrofiškų aplinkos pokyčių pavojų;
b) kažkada neišvengiamai turi baigtis.
Iš to, kas pasakyta, aišku, kad dabar turime pasiruošti iškastinio kuro naudojimo eros pabaigai
Šiuo metu atominės elektrinės dideliu mastu gamina energiją, išsiskiriančią vykstant atomų branduolių dalijimosi reakcijoms. Tokių stočių kūrimas ir plėtra turėtų būti skatinama visais įmanomais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad per artimiausius 50 metų gali būti visiškai išnaudotos ir vienos iš svarbiausių medžiagų jų veiklai (pigaus urano) atsargos. . Branduolio dalijimosi energijos galimybes galima (ir turėtų) gerokai išplėsti naudojant efektyvesnius energijos ciklus, leidžiančius pagaminamos energijos kiekį beveik padvigubinti. Norint plėtoti energiją šia kryptimi, reikia sukurti torio reaktorius (vadinamuosius torio reaktorius arba dauginamuosius reaktorius), kuriuose vykstant reakcijai susidaro daugiau torio nei pirminiame urane, dėl to bendras pagaminamos energijos kiekis. tam tikram medžiagos kiekiui padidėja 40 kartų. Taip pat atrodo perspektyvu sukurti plutonio augintojus naudojant greituosius neutronus, kurie yra daug efektyvesni nei urano reaktoriai ir gali pagaminti 60 kartų daugiau energijos. Gali būti, kad plėtojant šias sritis reikės sukurti naujus, nestandartinius urano gavimo būdus (pavyzdžiui, iš jūros vandens, kuris atrodo labiausiai prieinamas).
Sintezės jėgainės
Paveikslėlyje parodyta termobranduolinės elektrinės įrenginio ir veikimo principo schema (ne pagal mastelį). Centrinėje dalyje yra ~2000 m3 tūrio toroidinė (spurgos formos) kamera, užpildyta tričio-deuterio (T–D) plazma, įkaitinta iki aukštesnės nei 100 M°C temperatūros. Sintezės reakcijos metu susidarę neutronai (1) palieka „magnetinį butelį“ ir patenka į paveikslėlyje pavaizduotą apie 1 m storio apvalkalą.
Korpuso viduje neutronai susiduria su ličio atomais, todėl vyksta reakcija, kurios metu susidaro tritis:
neutronas + litis → helis + tritis
Be to, sistemoje vyksta konkuruojančios reakcijos (nesusidarant tričiui), taip pat daug reakcijų, kai išsiskiria papildomi neutronai, dėl kurių taip pat susidaro tritis (šiuo atveju gali atsirasti papildomų neutronų išsiskyrimo). žymiai sustiprintas, pavyzdžiui, į apvalkalą įvedant berilio atomus ir šviną). Bendra išvada yra tokia, kad šiame objekte (bent jau teoriškai) gali vykti branduolių sintezės reakcija, kurios metu susidarytų tritis. Tokiu atveju gaminamas tričio kiekis turėtų ne tik patenkinti paties įrenginio poreikius, bet ir būti dar kiek didesnis, o tai leis naujus įrenginius aprūpinti tričiu. Būtent ši veikimo koncepcija turi būti išbandyta ir įdiegta toliau aprašytame ITER reaktoriuje.
Be to, neutronai turi įkaitinti apvalkalą vadinamuosiuose bandomuosiuose įrenginiuose (kuriuose bus naudojamos santykinai „įprastos“ statybinės medžiagos) iki maždaug 400 °C. Ateityje planuojama sukurti patobulintus įrenginius, kurių korpuso šildymo temperatūra viršytų 1000°C, o tai būtų galima pasiekti naudojant naujausias didelio stiprumo medžiagas (pavyzdžiui, silicio karbido kompozitus). Korpuse susidariusią šilumą, kaip ir įprastose stotyse, paima pirminis aušinimo kontūras su aušinimo skysčiu (kuriame yra, pavyzdžiui, vandens arba helio) ir perduodama antriniam kontūrui, kur gaminamas vandens garas ir tiekiamas į turbinas.
1985 – Sovietų Sąjunga pasiūlė naujos kartos Tokamako elektrinę, pasinaudodama keturių pirmaujančių šalių patirtimi kuriant branduolių sintezės reaktorius. Jungtinės Amerikos Valstijos kartu su Japonija ir Europos bendrija pateikė pasiūlymą dėl projekto įgyvendinimo.
Šiuo metu Prancūzijoje statomas toliau aprašytas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER (International Tokamak Experimental Reactor), kuris bus pirmasis tokamakas, galintis „uždegti“ plazmą.
Pažangiausi esami tokamako įrenginiai jau seniai pasiekė apie 150 M°C temperatūrą, artimą sintezės stočiai reikalingų verčių, tačiau ITER reaktorius turėtų būti pirmoji didelės apimties elektrinė, sukurta ilgą laiką. - terminuota operacija. Ateityje reikės žymiai pagerinti jo veikimo parametrus, todėl pirmiausia reikės padidinti slėgį plazmoje, nes branduolių sintezės greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas slėgio kvadratui. Pagrindinė mokslinė problema šiuo atveju susijusi su tuo, kad padidėjus slėgiui plazmoje, atsiranda labai sudėtingi ir pavojingi nestabilumai, tai yra nestabilūs darbo režimai.
Kodėl mums to reikia?
Pagrindinis branduolių sintezės privalumas yra tas, kad jai reikia tik labai nedidelio kiekio medžiagų, kurios gamtoje yra labai paplitusios kaip kuras. Branduolinės sintezės reakcija aprašytuose įrenginiuose gali sukelti milžinišką energijos kiekį, dešimt milijonų kartų didesnį nei standartinė šiluma, išsiskirianti vykstant įprastoms cheminėms reakcijoms (pvz., deginant iškastinį kurą). Palyginimui nurodome, kad 1 gigavato (GW) šiluminės elektrinės energijai gaminti reikalingas anglies kiekis yra 10 000 tonų per dieną (dešimt geležinkelio vagonų), o tokios pat galios termobranduolinės sintezės jėgainė sunaudos tik apie 1 kilogramas D+T mišinio per dieną.
Deuteris yra stabilus vandenilio izotopas; Maždaug vienoje iš 3350 paprasto vandens molekulių vienas iš vandenilio atomų yra pakeistas deuteriu (Didžiojo sprogimo palikimas). Šis faktas leidžia lengvai organizuoti gana pigią reikiamo kiekio deuterio gamybą iš vandens. Sunkiau gauti tričio, kuris yra nestabilus (pusėjimo laikas yra apie 12 metų, todėl jo kiekis gamtoje yra nereikšmingas), tačiau, kaip parodyta aukščiau, tritis eksploatacijos metu atsiras tiesiai termobranduolinio įrenginio viduje, dėl neutronų reakcijos su ličiu.
Taigi pradinis branduolių sintezės reaktoriaus kuras yra litis ir vanduo. Litis yra įprastas metalas, plačiai naudojamas buitiniuose prietaisuose (mobiliųjų telefonų baterijose ir kt.). Aukščiau aprašytas įrenginys, net ir įvertinus ne idealų efektyvumą, galės pagaminti 200 000 kWh elektros energijos, o tai prilygsta energijai, esančiai 70 tonų anglies. Tam reikalingas ličio kiekis yra vienoje kompiuterio baterijoje, o deuterio – 45 litrais vandens. Aukščiau pateikta vertė atitinka dabartinį elektros suvartojimą (skaičiuojant vienam asmeniui) ES šalyse per 30 metų. Pats faktas, kad toks nežymus ličio kiekis gali užtikrinti tokio kiekio elektros gamybą (be CO2 emisijų ir be menkiausios oro taršos), yra gana rimtas argumentas už sparčiausią ir energingiausią termobranduolinės energijos plėtrą (nepaisant visų sunkumų ir problemų) ir net šimtu procentų nepasitikėdami tokių tyrimų sėkme.
Deuterio turėtų užtekti milijonams metų, o lengvai išgaunamo ličio atsargų pakanka šimtų metų poreikiams patenkinti. Net jei uolienose baigiasi ličio kiekis, galime jį išgauti iš vandens, kur jo koncentracija yra pakankamai didelė (100 kartų didesnė už urano koncentraciją), kad jo gavyba būtų ekonomiškai pagrįsta.
Netoli Kadarašo miesto Prancūzijoje statomas eksperimentinis termobranduolinis reaktorius (International thermonuclear experimental reactor). Pagrindinis ITER projekto tikslas – įgyvendinti kontroliuojamą termobranduolinės sintezės reakciją pramoniniu mastu.
Termobranduolinio kuro svorio vienetui gaunama apie 10 milijonų kartų daugiau energijos nei deginant tokį pat kiekį organinio kuro ir apie šimtą kartų daugiau nei skaldant urano branduolius šiuo metu veikiančių atominių elektrinių reaktoriuose. Jei mokslininkų ir dizainerių skaičiavimai išsipildys, tai suteiks žmonijai neišsenkamą energijos šaltinį.
Todėl nemažai šalių (Rusija, Indija, Kinija, Korėja, Kazachstanas, JAV, Kanada, Japonija, Europos Sąjungos šalys) suvienijo jėgas kurdamos Tarptautinį termobranduolinių tyrimų reaktorių – naujų elektrinių prototipą.
ITER yra įrenginys, sukuriantis sąlygas vandenilio ir tričio atomų (vandenilio izotopų) sintezei, todėl susidaro naujas atomas – helio atomas. Šį procesą lydi didžiulis energijos pliūpsnis: plazmos, kurioje vyksta termobranduolinė reakcija, temperatūra yra apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus (palyginimui, Saulės šerdies temperatūra yra 40 milijonų laipsnių). Tokiu atveju izotopai išdega, todėl radioaktyviųjų atliekų praktiškai nelieka.
Dalyvavimo tarptautiniame projekte schemoje numatytas reaktoriaus komponentų tiekimas ir jo statybos finansavimas. Mainais už tai kiekviena dalyvaujanti šalis gauna visišką prieigą prie visų termobranduolinio reaktoriaus kūrimo technologijų ir visų eksperimentinių darbų, susijusių su šiuo reaktoriumi, rezultatais, kurie bus pagrindu kuriant serijinės galios termobranduolinius reaktorius.
Termobranduolinės sintezės principu veikiantis reaktorius neturi radioaktyvios spinduliuotės ir yra visiškai saugus aplinkai. Jis gali būti beveik bet kurioje pasaulio vietoje, o jo kuras yra paprastas vanduo. Numatoma, kad ITER statybos truks apie dešimt metų, o po to reaktorius bus naudojamas 20 metų.
Rusijos interesams Tarptautinės ITER termobranduolinio reaktoriaus statybos organizacijos taryboje artimiausiais metais atstovaus Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Michailas Kovalčiukas – Kurchatovo instituto direktorius, Rusijos akademijos Kristalografijos institutas. Prezidento tarybos mokslo, technologijų ir švietimo klausimais mokslai ir mokslinis sekretorius. Kovalčiukas šiose pareigose laikinai pakeis akademiką Jevgenijų Velikhovą, kuris kitiems dvejiems metams buvo išrinktas ITER tarptautinės tarybos pirmininku ir neturi teisės derinti šių pareigų su dalyvaujančios šalies oficialaus atstovo pareigomis.
Bendra statybų kaina skaičiuojama 5 milijardais eurų, tiek pat reikės bandomajam reaktoriaus eksploatavimui. Indijos, Kinijos, Korėjos, Rusijos, JAV ir Japonijos akcijos sudaro apie 10 procentų visos vertės, 45 procentus – iš Europos Sąjungos šalių. Tačiau Europos valstybės dar nesusitarė, kaip tiksliai bus paskirstytos išlaidos. Dėl šios priežasties statybų pradžia buvo nukelta į 2010 m. balandžio mėn. Nepaisant paskutinio vėlavimo, su ITER susiję mokslininkai ir pareigūnai teigia, kad projektą galės užbaigti iki 2018 m.
Numatoma ITER termobranduolinė galia yra 500 megavatų. Atskiros magnetinės dalys pasiekia 200–450 tonų svorį. ITER vėsinimui per dieną reikės 33 tūkst. kubinių metrų vandens.
1998 metais JAV nustojo finansuoti savo dalyvavimą projekte. Respublikonams atėjus į valdžią ir Kalifornijoje prasidėjus elektros energijos tiekimui, Busho administracija paskelbė apie didinančias investicijas į energetiką. JAV neketino dalyvauti tarptautiniame projekte ir užsiėmė savo termobranduoliniu projektu. 2002 m. pradžioje prezidento Bušo patarėjas technologijų klausimais Johnas Marburgeris III pasakė, kad Jungtinės Valstijos persigalvojo ir ketina grįžti prie projekto.
Dalyvių skaičiumi projektas lyginamas su kitu dideliu tarptautiniu moksliniu projektu – Tarptautine kosmine stotimi. ITER kaina, kuri anksčiau siekė 8 milijardus dolerių, tada siekė mažiau nei 4 mlrd. JAV pasitraukus iš dalyvavimo, buvo nuspręsta reaktoriaus galią sumažinti nuo 1,5 GW iki 500 MW. Atitinkamai sumažėjo ir projekto kaina.
2002 m. birželį Rusijos sostinėje vyko simpoziumas „ITER Days in Moscow“. Jame buvo aptartos teorinės, praktinės ir organizacinės projekto atgaivinimo problemos, kurių sėkmė gali pakeisti žmonijos likimą ir suteikti jai naujos rūšies energijos, efektyvumu ir ekonomiškumu prilygstančią tik Saulės energijai.
2010 m. liepą tarptautiniame termobranduolinio reaktoriaus projekte ITER dalyvaujančių šalių atstovai neeiliniame posėdyje, vykusiame Kadaraše (Prancūzija), patvirtino jo biudžetą ir statybos grafiką. Susitikimo ataskaitą rasite čia.
Paskutiniame neeiliniame posėdyje projekto dalyviai patvirtino pirmųjų eksperimentų su plazma pradžios datą – 2019 m. Visi eksperimentai planuojami 2027 m. kovo mėnesį, nors projekto vadovybė paprašė techninių specialistų pabandyti optimizuoti procesą ir pradėti eksperimentus 2026 m. Susitikimo dalyviai sprendė ir dėl reaktoriaus statybos sąnaudų, tačiau sumos, kurias planuojama išleisti įrenginiui sukurti, neatskleidžiamos. Remiantis informacija, kurią portalo ScienceNOW redaktorius gavo iš neįvardijamo šaltinio, iki eksperimentų pradžios ITER projekto kaina gali siekti 16 milijardų eurų.
Susitikimas Kadaraše taip pat buvo pirmoji oficiali naujojo projekto direktoriaus, japonų fiziko Osamu Motojimos darbo diena. Prieš jį projektui nuo 2005 metų vadovavo japonas Kaname Ikeda, kuris panoro palikti savo postą iš karto po to, kai buvo patvirtintas biudžetas ir statybos terminai.
ITER branduolių sintezės reaktorius yra bendras Europos Sąjungos, Šveicarijos, Japonijos, JAV, Rusijos, Pietų Korėjos, Kinijos ir Indijos projektas. ITER kūrimo idėja buvo svarstoma dar praėjusio amžiaus 80-aisiais, tačiau dėl finansinių ir techninių sunkumų projekto kaina nuolat auga, o statybų pradžios data vis atidedama. 2009 metais ekspertai tikėjosi, kad reaktoriaus kūrimo darbai prasidės 2010 metais. Vėliau ši data buvo perkelta ir iš pradžių 2018-ieji, o vėliau 2019-ieji buvo įvardinti kaip reaktoriaus paleidimo laikas.
Termobranduolinės sintezės reakcijos – tai lengvųjų izotopų branduolių susiliejimo reakcijos į sunkesnį branduolį, kurią lydi didžiulis energijos išsiskyrimas. Teoriškai branduolių sintezės reaktoriai gali pagaminti daug energijos už mažą kainą, tačiau šiuo metu mokslininkai išleidžia daug daugiau energijos ir pinigų sintezės reakcijai pradėti ir palaikyti.
Termobranduolinė sintezė yra pigus ir aplinkai nekenksmingas energijos gamybos būdas. Nekontroliuojama termobranduolinė sintezė Saulėje vyksta jau milijardus metų – helis susidaro iš sunkaus vandenilio izotopo deuterio. Taip išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Tačiau žmonės Žemėje dar neišmoko valdyti tokių reakcijų.
ITER reaktoriuje kaip kuras bus naudojami vandenilio izotopai. Termobranduolinės reakcijos metu energija išsiskiria, kai lengvieji atomai susijungia į sunkesnius. Kad tai būtų pasiekta, dujos turi būti įkaitintos iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių temperatūros – daug aukštesnės nei temperatūra Saulės centre. Dujos šioje temperatūroje virsta plazma. Tuo pačiu metu vandenilio izotopų atomai susilieja, virsdami helio atomais, išskirdami daug neutronų. Tokiu principu veikianti jėgainė naudos tankios medžiagos (ličio) sluoksnio sulėtintą neutronų energiją.
Kodėl termobranduolinių įrenginių kūrimas užtruko taip ilgai?
Kodėl tokios svarbios ir vertingos instaliacijos, apie kurių naudą kalbama beveik pusę amžiaus, dar nesukurtos? Yra trys pagrindinės priežastys (aptartos toliau), iš kurių pirmoji gali būti vadinama išorine arba socialine, o kitos dvi – vidinės, tai yra nulemtos pačios termobranduolinės energijos vystymosi dėsnių ir sąlygų.
1. Ilgą laiką buvo manoma, kad praktinio termobranduolinės sintezės energijos panaudojimo problema nereikalauja skubių sprendimų ir veiksmų, nes dar praėjusio amžiaus 80-aisiais iškastinio kuro šaltiniai atrodė neišsenkantys, o aplinkos problemos ir klimato kaita – tai. nerūpi visuomenei. 1976 m. JAV Energetikos departamento Branduolinės sintezės energijos patariamasis komitetas bandė įvertinti mokslinių tyrimų ir plėtros bei demonstracinės branduolių sintezės elektrinės laiką pagal įvairias mokslinių tyrimų finansavimo galimybes. Kartu buvo nustatyta, kad metinis finansavimas šios krypties tyrimams yra visiškai nepakankamas, o jei bus išlaikytas esamas asignavimų lygis, termobranduolinių įrenginių kūrimas niekada nebus sėkmingas, nes skirtos lėšos neatitinka net iki minimalaus, kritinio lygio.
2. Rimtesnė kliūtis plėtoti šios srities tyrimus yra ta, kad aptariamo tipo termobranduolinis įrenginys negali būti sukurtas ir demonstruojamas nedideliu mastu. Iš toliau pateiktų paaiškinimų paaiškės, kad termobranduolinės sintezės metu reikia ne tik magnetinio plazmos uždarymo, bet ir pakankamo jos kaitinimo. Išnaudotos ir gaunamos energijos santykis didėja bent jau proporcingai įrenginio linijinių matmenų kvadratui, dėl to termobranduolinių įrenginių mokslines ir technines galimybes bei pranašumus galima išbandyti ir įrodyti tik gana didelėse stotyse, pvz. kaip minėtas ITER reaktorius. Visuomenė tiesiog nebuvo pasirengusi finansuoti tokių didelių projektų, kol nebuvo pakankamai pasitikėjimo sėkme.
3. Termobranduolinės energijos plėtra buvo labai sudėtinga, tačiau (nepaisant nepakankamo finansavimo ir sunkumų parenkant centrus JET ir ITER įrenginiams kurti), pastaraisiais metais buvo pastebėta aiški pažanga, nors veikiančios stoties dar nebuvo sukurta.
Šiuolaikinis pasaulis susiduria su labai rimtu energetikos iššūkiu, kurį tiksliau būtų galima pavadinti „neaiškia energijos krize“. Problema susijusi su tuo, kad iškastinio kuro atsargos gali baigtis antroje šio amžiaus pusėje. Be to, deginant iškastinį kurą gali tekti kažkaip sekvestruoti ir „sandėliuoti“ į atmosferą išleistą anglies dioksidą (aukščiau minėta CCS programa), kad būtų išvengta didelių planetos klimato pokyčių.
Šiuo metu beveik visa žmonijos suvartojama energija sukuriama deginant iškastinį kurą, o problemos sprendimas gali būti siejamas su saulės energijos ar branduolinės energijos panaudojimu (greitųjų neutronų dauginimo reaktorių kūrimu ir pan.). Pasaulinė problema, kurią sukelia augantis besivystančių šalių gyventojų skaičius ir poreikis gerinti gyvenimo lygį bei didinti gaminamos energijos kiekį, negali būti išspręsta remiantis vien šiais metodais, nors, žinoma, bet kokie bandymai sukurti alternatyvius energijos gamybos būdus. turėtų būti skatinamas.
Griežtai kalbant, turime nedidelį elgesio strategijų pasirinkimą, o termobranduolinės energijos plėtra yra nepaprastai svarbi, net nepaisant sėkmės garantijos stokos. „Financial Times“ laikraštis (2004 m. sausio 25 d.) apie tai rašė:
„Net jei ITER projekto sąnaudos gerokai viršys pradinę sąmatą, mažai tikėtina, kad jos pasieks 1 mlrd. USD per metus lygį. Toks išlaidų lygis turėtų būti laikomas labai kuklia kaina už labai pagrįstą galimybę sukurti naują energijos šaltinį visai žmonijai, ypač atsižvelgiant į tai, kad jau šiame amžiuje neišvengiamai turėsime atsisakyti įpročio švaistyti. ir beatodairiškas iškastinio kuro deginimas“.
Tikėkimės, kad termobranduolinės energetikos plėtros kelyje didelių ir netikėtų netikėtumų nebus. Tokiu atveju maždaug po 30 metų iš jos pirmą kartą galėsime tiekti elektros srovę į energetikos tinklus, o po kiek daugiau nei 10 metų pradės veikti pirmoji komercinė termobranduolinė elektrinė. Gali būti, kad antroje šio amžiaus pusėje branduolinės sintezės energija pradės pakeisti iškastinį kurą ir palaipsniui pradės vaidinti vis svarbesnį vaidmenį aprūpinant žmoniją energija pasauliniu mastu.
Nėra absoliučios garantijos, kad termobranduolinės energijos (kaip veiksmingo ir didelio masto energijos šaltinio visai žmonijai) kūrimo užduotis bus sėkmingai atlikta, tačiau sėkmės tikimybė šia kryptimi yra gana didelė. Atsižvelgiant į didžiulį termobranduolinių stočių potencialą, visos sąnaudos projektams, skirtoms jų sparčiai (ir netgi paspartintai) plėtrai, gali būti laikomos pagrįstomis, juolab kad šios investicijos atrodo labai kuklios milžiniškos pasaulinės energijos rinkos fone (4 trilijonai USD per metus8). Žmonijos energijos poreikių tenkinimas yra labai rimta problema. Kadangi iškastinio kuro prieinamumas tampa vis mažiau prieinamas (ir jo naudojimas tampa nepageidautinas), situacija keičiasi, ir mes tiesiog negalime sau leisti nevystyti sintezės energijos.
Į klausimą „Kada atsiras termobranduolinė energija? Levas Artsimovičius (pripažintas šios srities tyrimų pradininkas ir lyderis) kartą atsakė, kad „jis bus sukurtas tada, kai tai taps tikrai reikalinga žmonijai“.
ITER bus pirmasis branduolių sintezės reaktorius, kuris pagamins daugiau energijos nei sunaudoja. Mokslininkai išmatuoja šią charakteristiką naudodami paprastą koeficientą, kurį jie vadina „Q“. Jei ITER pasieks visus savo mokslinius tikslus, jis pagamins 10 kartų daugiau energijos nei suvartoja. Paskutinis pastatytas prietaisas, Jungtinės Europos Torus Anglijoje, yra mažesnis prototipas branduolių sintezės reaktorius, kurio paskutiniuose mokslinių tyrimų etapuose Q vertė buvo beveik 1. Tai reiškia, kad jis pagamino lygiai tiek pat energijos, kiek sunaudojo. . ITER bus daugiau nei tai, pademonstruodamas energijos kūrimą sintezės būdu ir pasiekęs 10 Q vertę. Idėja yra pagaminti 500 MW sunaudojant maždaug 50 MW energijos. Taigi vienas iš mokslinių ITER tikslų yra įrodyti, kad galima pasiekti Q reikšmę 10.
Kitas mokslinis tikslas yra tai, kad ITER turėtų labai ilgą „degimo“ laiką – pailgintos trukmės impulsą iki vienos valandos. ITER yra eksperimentinis mokslinių tyrimų reaktorius, kuris negali nuolat gaminti energijos. Kai ITER pradės veikti, jis veiks vieną valandą, po to jį reikės išjungti. Tai svarbu, nes iki šiol mūsų sukurti standartiniai įrenginiai galėjo degti kelias sekundes ar net dešimtąsias sekundės dalis – tai yra maksimumas. „Joint European Torus“ pasiekė savo Q reikšmę 1, degimo trukmei maždaug dvi sekundės, o impulso trukmė – 20 sekundžių. Tačiau kelias sekundes trunkantis procesas tikrai nėra nuolatinis. Pagal analogiją su automobilio variklio užvedimu: trumpam užvesti variklį, o paskui jį išjungti, dar nėra tikras automobilio veikimas. Tik važinėjant savo automobiliu pusvalandį jis pasieks pastovų darbo režimą ir pademonstruos, kad tokį automobilį tikrai galima vairuoti.
Tai reiškia, kad techniniu ir moksliniu požiūriu ITER užtikrins Q reikšmę 10 ir padidins degimo laiką.
Termobranduolinės sintezės programa yra tikrai tarptautinė ir plataus pobūdžio. Žmonės jau tikisi ITER sėkmės ir galvoja apie kitą žingsnį – sukurti pramoninio termobranduolinio reaktoriaus prototipą, pavadintą DEMO. Norint jį sukurti, ITER turi veikti. Turime pasiekti savo mokslinius tikslus, nes tai reikš, kad mūsų pateiktos idėjos yra visiškai įgyvendinamos. Tačiau sutinku, kad visada reikia galvoti apie tai, kas bus toliau. Be to, ITER veikiant 25–30 metų, mūsų žinios palaipsniui gilės ir plėsis ir galėsime tiksliau nubrėžti kitą žingsnį.
Iš tiesų, nėra diskusijų, ar ITER turėtų būti tokamakas. Kai kurie mokslininkai klausimą kelia visai kitaip: ar ITER turėtų egzistuoti? Įvairių šalių ekspertai, plėtodami savo, ne tokio didelio masto termobranduolinius projektus, įrodinėja, kad tokio didelio reaktoriaus apskritai nereikia.
Tačiau jų nuomonė vargu ar turėtų būti laikoma autoritetinga. Kuriant ITER dalyvavo fizikai, kelis dešimtmečius dirbantys su toroidiniais spąstais. Eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus Karadaše projektavimas buvo pagrįstas visomis žiniomis, įgytomis eksperimentuojant su dešimtimis pirmtakų tokamakų. Ir šie rezultatai rodo, kad reaktorius turi būti tokamakas ir tuo pačiu didelis.
JET Šiuo metu sėkmingiausiu tokamaku galima laikyti JET, kurį ES pastatė Didžiosios Britanijos Abingdono mieste. Tai didžiausias iki šiol sukurtas tokamako tipo reaktorius, kurio didelis plazminio toro spindulys siekia 2,96 metro. Termobranduolinės reakcijos galia jau pasiekė daugiau nei 20 megavatų, o sulaikymo laikas yra iki 10 sekundžių. Reaktorius grąžina apie 40% energijos, įdėtos į plazmą.
Būtent plazmos fizika lemia energijos balansą“, – Infox.ru sakė Igoris Semenovas. MIPT docentas apibūdino, kas yra energijos balansas, pateikdamas paprastą pavyzdį: „Mes visi matėme ugnį. Tiesą sakant, ten dega ne mediena, o dujos. Energijos grandinė ten tokia: dega dujos, malkos įkaista, mediena išgaruoja, dujos vėl dega. Todėl, jei mes įmesime vandenį į ugnį, mes staiga paimsime energiją iš sistemos skysto vandens faziniam perėjimui į garų būseną. Likutis taps neigiamas ir ugnis užges. Yra ir kitas būdas – galime tiesiog paimti ugnies ženklus ir paskleisti juos erdvėje. Ugnis taip pat užges. Tas pats yra termobranduoliniame reaktoriuje, kurį statome. Matmenys parenkami taip, kad būtų sukurtas tinkamas teigiamas šio reaktoriaus energijos balansas. Pakanka ateityje pastatyti tikrą atominę elektrinę, šiame eksperimentiniame etape išsprendžiant visas šiuo metu neišspręstas problemas.
Vieną kartą buvo pakeisti reaktoriaus matmenys. Tai atsitiko XX–XXI amžių sandūroje, kai JAV pasitraukė iš projekto, o likę nariai suprato, kad ITER biudžetas (tuo metu buvo įvertintas 10 mlrd. JAV dolerių) yra per didelis. Fizikai ir inžinieriai turėjo sumažinti įrengimo išlaidas. Ir tai buvo galima padaryti tik dėl dydžio. ITER „perprojektavimui“ vadovavo prancūzų fizikas Robertas Aymaras, anksčiau dirbęs prie prancūziško Tore Supra tokamako Karadaše. Plazmos toro išorinis spindulys sumažintas nuo 8,2 iki 6,3 metro. Tačiau riziką, susijusią su dydžio sumažėjimu, iš dalies kompensavo keli papildomi superlaidūs magnetai, kurie leido įgyvendinti tuo metu atvirą ir ištirtą plazmos uždarymo režimą.
Sakome, kad įdėsime saulę į dėžutę. Idėja graži. Problema ta, kad mes nežinome, kaip padaryti dėžutę.
Pierre'as-Gilles'as de Gennes'as
Prancūzijos Nobelio premijos laureatas
Visiems elektroniniams prietaisams ir mašinoms reikia energijos, o žmonija jos sunaudoja labai daug. Tačiau iškastinis kuras baigiasi, o alternatyvi energija dar nėra pakankamai efektyvi.
Yra energijos gavimo būdas, kuris idealiai atitinka visus reikalavimus – termobranduolinė sintezė. Termobranduolinės sintezės reakcija (vandenilio pavertimas heliu ir energijos išsiskyrimas) nuolat vyksta saulėje ir šis procesas planetai suteikia energijos saulės spindulių pavidalu. Jums tereikia jį mėgdžioti Žemėje, mažesniu mastu. Pakanka užtikrinti aukštą slėgį ir labai aukštą temperatūrą (10 kartų aukštesnę nei Saulėje) ir prasidės sintezės reakcija. Norint sukurti tokias sąlygas, reikia pastatyti termobranduolinį reaktorių. Jis naudos gausesnius išteklius žemėje, bus saugesnis ir galingesnis nei įprastos atominės elektrinės. Daugiau nei 40 metų buvo bandoma ją statyti, buvo atliekami eksperimentai. Pastaraisiais metais vienam iš prototipų netgi pavyko gauti daugiau energijos nei buvo sunaudota. Žemiau pateikiami ambicingiausi šios srities projektai:
Vyriausybės projektai
Didžiausias visuomenės dėmesys pastaruoju metu buvo skirtas kitam termobranduolinio reaktoriaus dizainui – Wendelstein 7-X stelaratoriui (stellaratoriaus vidinė struktūra yra sudėtingesnė nei ITER, kuris yra tokamakas). Vokiečių mokslininkai, išleidę kiek daugiau nei 1 milijardą dolerių, per 9 metus iki 2015 metų sukūrė sumažintą demonstracinį reaktoriaus modelį. Jei jis parodys gerus rezultatus, bus sukurta didesnė versija.
Prancūzijos „MegaJoule Laser“ bus galingiausias pasaulyje lazeris ir bandys tobulinti lazeriu pagrįstą branduolių sintezės reaktoriaus statybos metodą. Tikimasi, kad prancūziška instaliacija bus pradėta eksploatuoti 2018 m.
NIF (National Ignition Facility) buvo pastatytas JAV per 12 metų ir iki 2012 m. už 4 milijardus dolerių. Jie tikėjosi išbandyti technologiją ir tuoj pat pastatyti reaktorių, tačiau paaiškėjo, kad, kaip praneša Vikipedija, reikės daug dirbti, jei sistema kada nors užsidegs. Dėl to grandioziniai planai buvo atšaukti ir mokslininkai ėmė palaipsniui tobulinti lazerį. Paskutinis iššūkis yra padidinti energijos perdavimo efektyvumą nuo 7% iki 15%. Priešingu atveju Kongreso finansavimas šiam sintezės metodui gali būti nutrauktas.
2015 m. pabaigoje Sarove buvo pradėtas statyti pastatas, skirtas galingiausiam pasaulyje lazeriniam įrenginiui. Jis bus galingesnis už dabartinius amerikietiškus ir būsimus prancūziškus ir leis atlikti eksperimentus, reikalingus „lazerinei“ reaktoriaus versijai statyti. Statybos pabaiga 2020 m.
JAV esantis MagLIF sintezės lazeris yra pripažintas tamsiuoju arkliu tarp termobranduolinės sintezės metodų. Pastaruoju metu šis metodas rodė geresnius rezultatus nei tikėtasi, tačiau galią vis tiek reikia padidinti 1000 kartų. Šiuo metu lazeris atnaujinamas, o iki 2018 metų mokslininkai tikisi gauti tiek pat energijos, kiek išleido. Jei pasiseks, bus sukurta didesnė versija.
Rusijos branduolinės fizikos institutas atkakliai eksperimentavo su „atvirų spąstų“ metodu, kurio Jungtinės Valstijos atsisakė 90-aisiais. Dėl to buvo gauti rodikliai, kurie buvo laikomi neįmanomi šiam metodui. BINP mokslininkai mano, kad jų įrengimas dabar yra vokiško Wendelstein 7-X lygio (Q=0,1), bet pigesnis. Dabar jie stato naują instaliaciją už 3 milijardus rublių
Kurchatovo instituto vadovas nuolat primena planus Rusijoje statyti nedidelį termobranduolinį reaktorių – „Ignitor“. Pagal planą jis turėtų būti toks pat efektyvus kaip ITER, nors ir mažesnis. Jo statyba turėjo būti pradėta prieš 3 metus, tačiau tokia situacija būdinga dideliems mokslo projektams.
2016 metų pradžioje Kinijos tokamakas EAST sugebėjo pasiekti 50 milijonų laipsnių temperatūrą ir išlaikyti ją 102 sekundes. Prieš pradedant statyti didžiulius reaktorius ir lazerius, visos žinios apie termobranduolinę sintezę buvo tokios. Galima manyti, kad tai tik mokslininkų konkurencija, kas gali ilgiau išlaikyti vis aukštesnę temperatūrą. Kuo aukštesnė plazmos temperatūra ir kuo ilgiau ją galima išlaikyti, tuo arčiau sintezės reakcijos pradžios. Pasaulyje yra dešimtys tokių instaliacijų, statomos dar kelios () (), tad netrukus bus sumuštas RYTŲ rekordas. Iš esmės šie maži reaktoriai tik išbando įrangą prieš siunčiant į ITER.
„Lockheed Martin“ paskelbė apie sintezės energijos proveržį 2015 m., kuris leistų per 10 metų pastatyti nedidelį ir mobilų branduolių sintezės reaktorių. Atsižvelgiant į tai, kad net labai didelių ir visai ne mobilių komercinių reaktorių nebuvo tikimasi iki 2040 m., korporacijos pranešimas buvo sutiktas skeptiškai. Tačiau įmonė turi daug išteklių, tad kas gali žinoti. Prototipas tikimasi 2020 m.
Populiarus Silicio slėnio startuolis „Helion Energy“ turi savo unikalų planą pasiekti termobranduolinės sintezės. Bendrovė surinko daugiau nei 10 milijonų dolerių ir tikisi sukurti prototipą iki 2019 m.
Žemo profilio startuolis Tri Alpha Energy pastaruoju metu pasiekė įspūdingų rezultatų propaguodamas savo sintezės metodą (teoretikai sukūrė >100 teorinių būdų, kaip pasiekti sintezę, tokamakas yra tiesiog paprasčiausias ir populiariausias). Bendrovė taip pat pritraukė daugiau nei 100 milijonų dolerių investuotojų lėšų.
Kanados startuolio „General Fusion“ reaktoriaus projektas dar labiau skiriasi nuo kitų, tačiau kūrėjai juo pasitiki ir per 10 metų surinko daugiau nei 100 mln. USD, kad iki 2020 m.
JK startuolis „First light“ turi labiausiai prieinamą svetainę, suformuotą 2014 m., ir paskelbė apie planus panaudoti naujausius mokslinius duomenis, kad branduolių sintezė būtų pasiekta mažesnėmis sąnaudomis.
MIT mokslininkai parašė dokumentą, kuriame aprašomas kompaktiškas branduolių sintezės reaktorius. Jie remiasi naujomis technologijomis, atsiradusiomis pradėjus statyti milžiniškus tokamakus, ir žada projektą užbaigti per 10 metų. Kol kas nežinoma, ar jiems bus uždegta žalia šviesa pradėti statybas. Net ir patvirtinus, straipsnis žurnale yra dar ankstesnis etapas nei startuolis
Branduolinė sintezė yra turbūt mažiausiai tinkama pramonė sutelktiniam finansavimui. Tačiau būtent su jo pagalba ir NASA finansavimu Lawrenceville Plasma Physics kompanija ketina sukurti savo reaktoriaus prototipą. Iš visų vykdomų projektų šis labiausiai atrodo kaip sukčiai, bet kas žino, gal jie įneš ką nors naudingo į šį grandiozinį darbą.
ITER bus tik prototipas, skirtas statyti visavertį DEMO įrenginį – pirmąjį komercinį branduolių sintezės reaktorių. Dabar jo pristatymas numatytas 2044 m. ir tai vis dar yra optimistinė prognozė.
Tačiau yra planų kitam etapui. Hibridinis termobranduolinis reaktorius gaus energiją ir iš atominio skilimo (kaip ir įprastinė atominė elektrinė), ir iš sintezės. Šioje konfigūracijoje energijos gali būti 10 kartų daugiau, tačiau saugumas mažesnis. Kinija tikisi sukurti prototipą iki 2030 m., tačiau ekspertai teigia, kad tai būtų panašu į bandymą sukurti hibridinius automobilius prieš išradus vidaus degimo variklį.
Apatinė eilutė
Norinčių į pasaulį atnešti naują energijos šaltinį netrūksta. ITER projektas turi didžiausią galimybę, atsižvelgiant į jo mastą ir finansavimą, tačiau nereikėtų atmesti kitų metodų, taip pat privačių projektų. Mokslininkai dešimtmečius dirbo, kad sukeltų sintezės reakciją be didelio pasisekimo. Tačiau dabar yra daugiau projektų, skirtų termobranduolinei reakcijai pasiekti, nei bet kada anksčiau. Net jei kiekvienas iš jų nepavyks, bus bandoma naujų. Mažai tikėtina, kad pailsėsime, kol neįžiebsime miniatiūrinės Saulės versijos čia, Žemėje.Žymos: pridėti žymų
Valdoma termobranduolinė sintezė – mėlyna fizikų ir energetikos įmonių svajonė, kurią jie puoselėjo dešimtmečius. Įtraukti dirbtinę saulę narve yra puiki idėja. „Bet problema ta, kad mes nežinome, kaip sukurti tokią dėžę“,- sakė Nobelio premijos laureatas Pierre'as Gillesas de Gennesas 1991 m. Tačiau 2018 m. viduryje jau žinome, kaip tai padaryti. Ir net statome. Geriausi pasaulio protai dirba prie tarptautinio eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus ITER projekto – ambicingiausio ir brangiausio šiuolaikinio mokslo eksperimento.
Toks reaktorius kainuoja penkis kartus daugiau nei Didysis hadronų greitintuvas. Šimtai mokslininkų visame pasaulyje dirba prie projekto. Jo finansavimas nesunkiai gali viršyti 19 milijardų eurų, o pirmoji plazma į reaktorių bus paleista tik 2025 metų gruodį. Ir nepaisant nuolatinių vėlavimų, technologinių sunkumų ir nepakankamo atskirų dalyvaujančių šalių finansavimo, didžiausia pasaulyje termobranduolinė „amžinasis variklis“ statomas. Jis turi daug daugiau privalumų nei trūkumų. Kurie? Pasakojimą apie ambicingiausią mūsų laikų mokslinį statybos projektą pradedame nuo teorijos.
Kas yra tokamakas?
Milžiniškos temperatūros ir gravitacijos įtakoje mūsų Saulės ir kitų žvaigždžių gelmėse vyksta termobranduolių sintezė. Vandenilio branduoliai susiduria, susidaro sunkesni helio atomai ir tuo pačiu metu išsiskiria neutronai bei milžiniški energijos kiekiai.
Šiuolaikinis mokslas priėjo prie išvados, kad žemiausioje pradinėje temperatūroje didžiausias energijos kiekis susidaro vykstant reakcijai tarp vandenilio izotopų – deuterio ir tričio. Tačiau tam svarbios trys sąlygos: aukšta temperatūra (apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus), didelis plazmos tankis ir didelis plazmos sulaikymo laikas.
Faktas yra tas, kad mes nesugebėsime sukurti tokio milžiniško tankio kaip Saulė. Belieka tik pašildyti dujas iki plazmos būsenos naudojant itin aukštas temperatūras. Tačiau jokia medžiaga negali atlaikyti sąlyčio su tokia karšta plazma. Tam 1950-aisiais akademikas Andrejus Sacharovas (Olego Lavrentjevo siūlymu) pasiūlė naudoti toroidines (tuščiavidures spurgos formos) kameras su magnetiniu lauku, kuris laikytų plazmą. Vėliau buvo sukurtas terminas – tokamakas.
Šiuolaikinės elektrinės, deginančios iškastinį kurą, mechaninę energiją (pavyzdžiui, turbinos sukimąsi) paverčia elektros energija. Tokamaks naudos sintezės energiją, kurią kaip šilumą sugeria įrenginio sienelės, šildyti ir gaminti garą, kuris suks turbinas.
Pirmasis tokamakas pasaulyje. Sovietų T-1. 1954 m
Maži eksperimentiniai tokamakai buvo statomi visame pasaulyje. Ir jie sėkmingai įrodė, kad žmogus gali sukurti aukštos temperatūros plazmą ir kurį laiką išlaikyti ją stabilioje būsenoje. Tačiau pramoninis dizainas dar toli.
T-15 montavimas. 1980-ieji
Sintezės reaktorių privalumai ir trūkumai
Įprasti branduoliniai reaktoriai veikia su dešimtimis tonų radioaktyvaus kuro (kuris galiausiai virsta dešimtimis tonų radioaktyviųjų atliekų), o branduolių sintezės reaktoriui reikia tik šimtų gramų tričio ir deuterio. Pirmasis gali būti gaminamas pačiame reaktoriuje: sintezės metu išsiskiriantys neutronai paveiks reaktoriaus sieneles ličio priemaišomis, iš kurių atsiranda tritis. Ličio atsargų užteks tūkstančius metų. Deuterio taip pat netrūks – per metus jo pasaulyje pagaminama po keliasdešimt tūkstančių tonų.
Branduolinės sintezės reaktorius neišskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų, o tai būdinga iškastiniam kurui. O šalutinis produktas helio-4 pavidalu yra nekenksmingos inertinės dujos.
Be to, termobranduoliniai reaktoriai yra saugūs. Bet kokios katastrofos atveju termobranduolinė reakcija tiesiog sustos be jokių rimtų pasekmių aplinkai ar personalui, nes nebus nieko, kas paremtų sintezės reakciją: jai reikia per daug šiltnamio sąlygų.
Tačiau termobranduoliniai reaktoriai turi ir trūkumų. Visų pirma, tai yra banalus sunkumas pradėti savarankišką reakciją. Jai reikia gilaus vakuumo. Sudėtingoms magnetinio uždarymo sistemoms reikalingos didžiulės superlaidžios magnetinės ritės.
Ir nepamirškite apie radiaciją. Nepaisant kai kurių stereotipų apie termobranduolinių reaktorių nekenksmingumą, jų aplinkos bombardavimas sintezės metu susidarančiais neutronais negali būti atšauktas. Šis bombardavimas sukelia radiaciją. Todėl reaktoriaus techninė priežiūra turi būti atliekama nuotoliniu būdu. Žvelgiant į ateitį, tarkime, kad po paleidimo robotai tiesiogiai prižiūrės ITER tokamaką.
Be to, radioaktyvusis tritis gali būti pavojingas patekęs į organizmą. Tiesa, pakaks pasirūpinti tinkamu jo laikymu ir visais įmanomais platinimo keliais sukurti apsauginius užtvarus įvykus avarijai. Be to, tričio pusinės eliminacijos laikas yra 12 metų.
Kai bus padėtas būtinas minimalus teorijos pagrindas, galite pereiti prie straipsnio herojaus.
Ambicingiausias mūsų laikų projektas
1985 metais Ženevoje įvyko pirmasis asmeninis po daugelio metų SSRS ir JAV vadovų susitikimas. Prieš tai Šaltasis karas buvo pasiekęs piką: supervalstybės boikotavo olimpines žaidynes, išugdė savo branduolinį potencialą ir nesiruošė leistis į jokias derybas. Šis dviejų šalių viršūnių susitikimas neutralioje teritorijoje išsiskiria dar viena svarbia aplinkybe. Jos metu TSKP CK generalinis sekretorius Michailas Gorbačiovas pasiūlė įgyvendinti bendrą tarptautinį termobranduolinės energetikos plėtros taikiems tikslams projektą.
Į Prancūziją jie atkeliauja jūra, o iš uosto į statybvietę pristatomi specialiai Prancūzijos vyriausybės pertvarkytu keliu. Šalis išleido 110 milijonų eurų ir 4 metus dirbo 104 km ITER kelyje. Trasa buvo išplėsta ir sustiprinta. Faktas yra tas, kad iki 2021 m. per jį pravažiuos 250 vilkstinių su didžiuliais kroviniais. Sunkiausios dalys siekia 900 tonų, aukščiausia – 10 metrų, ilgiausia – 33 metrus.
ITER dar nebuvo pradėtas eksploatuoti. Tačiau jau yra DEMO branduolių sintezės jėgainės projektas, kurio tikslas – pademonstruoti technologijos komercinio panaudojimo patrauklumą. Šis kompleksas turės nuolat (o ne pulsuoti, kaip ITER) generuoti 2 GW energijos.
Naujojo pasaulinio projekto laikas priklauso nuo ITER sėkmės, tačiau pagal 2012 m. planą pirmasis DEMO paleidimas įvyks ne anksčiau kaip 2044 m.
