Acasă Ciuperci Reactorul de fuziune pe scurt. Centrală termonucleară – proiect ITER. Există perspective în Rusia

Ciuperci

Reactorul de fuziune pe scurt. Centrală termonucleară – proiect ITER. Există perspective în Rusia

Ai nevoie de energie termonucleara?

În această etapă a dezvoltării civilizației, putem spune cu siguranță că omenirea se confruntă cu o „provocare energetică”. Se datorează mai multor factori fundamentali simultan:

- Omenirea consumă acum o cantitate imensă de energie.

- Consumul mondial de energie crește rapid.

Conform previziunilor Agenției Internaționale pentru Energie (2006), consumul mondial de energie este de așteptat să crească cu 50% până în 2030.

- În prezent, 80% din energia consumată de lume este creată din arderea combustibililor naturali fosili (petrol, cărbune și gaz).), a cărei utilizare implică potențial pericolul unor schimbări catastrofale de mediu.

Următoarea glumă este populară printre saudiți: „Tatăl meu a călărit o cămilă. Am o mașină și fiul meu deja zboară cu avionul. Dar acum fiul lui va sta din nou pe o cămilă”.

Se pare că așa este, întrucât, conform tuturor previziunilor serioase, rezervele mondiale de petrol se vor epuiza în mare parte în aproximativ 50 de ani.

Chiar și pe baza estimărilor US Geological Survey (această prognoză este mult mai optimistă decât celelalte), creșterea producției mondiale de petrol va continua nu mai mult de următorii 20 de ani (alți experți prevăd că producția va atinge vârful în 5-10 ani). ani), după care volumul de petrol produs va începe să scadă cu o rată de aproximativ 3% pe an. Perspectivele pentru gazele naturale nu sunt cu mult mai bune. De obicei se spune că va fi suficient cărbune bituminos pentru încă 200 de ani, dar această prognoză se bazează pe menținerea nivelului actual de producție și consum. Între timp, consumul de cărbune crește acum cu 4,5% pe an, ceea ce reduce imediat perioada menționată de 200 de ani la doar 50 de ani.

Astfel, deja acum este necesar să ne pregătim pentru sfârșitul erei utilizării combustibililor fosili.

Din păcate, sursele alternative de energie existente în prezent nu sunt capabile să acopere nevoile tot mai mari ale omenirii. Conform celor mai optimiste estimări, cantitatea maximă de energie (în echivalentul termic specificat) generată de sursele enumerate este de doar 3 TW (eolian), 1 TW (centrale hidroelectrice), 1 TW (surse biologice) și 100 GW ( instalatii geotermale si marine). Cantitatea totală de energie suplimentară (chiar și în aceasta, cea mai optimă prognoză) este de numai aproximativ 6 TW. Trebuie remarcat faptul că dezvoltarea de noi surse de energie este o sarcină tehnică foarte complexă, astfel încât costul energiei pe care o produc va fi în orice caz mai mare decât la arderea obișnuită a cărbunelui etc. Pare destul de evident că

omenirea ar trebui să caute alte surse de energie, care în prezent pot fi considerate doar Soarele și reacțiile de fuziune termonucleară.

Soarele este potențial o sursă aproape inepuizabilă de energie. Cantitatea de energie care cade pe doar 0,1% din suprafața planetei este echivalentă cu 3,8 TW (chiar dacă este convertită cu o eficiență de doar 15%). Problema constă în incapacitatea noastră de a capta și converti această energie, care este asociată atât cu costul ridicat al panourilor solare, cât și cu problemele de acumulare, stocare și transfer în continuare a energiei primite în regiunile necesare.

În prezent, la centralele nucleare, pe scară largă, se obține energia degajată de reacțiile de fisiune ale nucleelor atomice. Consider că crearea și dezvoltarea unor astfel de stații ar trebui încurajată în toate modurile posibile, dar trebuie avut în vedere că rezervele unuia dintre cele mai importante materiale pentru funcționarea lor (uraniul ieftin) pot fi, de asemenea, complet epuizate în cadrul următorii 50 de ani.

Un alt domeniu important de dezvoltare este utilizarea fuziunii nucleare (fuziunea nucleelor), care acum acționează ca principala speranță pentru salvare, deși momentul creării primelor centrale termonucleare este încă incert. Această prelegere este dedicată acestui subiect.

Ce este fuziunea nucleară?

Fuziunea nucleară, care stă la baza existenței Soarelui și a stelelor, reprezintă potențial o sursă inepuizabilă de energie pentru dezvoltarea Universului în general. Experimente efectuate în Rusia (Rusia este locul de naștere al instalației termonucleare Tokamak), SUA, Japonia, Germania, precum și în Marea Britanie în cadrul programului Joint European Torus (JET), care este una dintre principalele cercetări. programele din lume, arată că fuziunea nucleară poate asigura nu numai nevoile actuale de energie ale omenirii (16 TW), ci și o cantitate mult mai mare de energie.

Energia fuziunii nucleare este perfect reală, iar întrebarea principală este dacă putem crea instalații termonucleare suficient de fiabile și viabile din punct de vedere economic.

Procesele de fuziune nucleară se numesc reacții de fuziune a nucleelor atomice ușoare în altele mai grele cu eliberarea unei anumite cantități de energie.

În primul rând, printre aceștia trebuie remarcată reacția dintre doi izotopi (deuteriu și tritiu) ai hidrogenului, care este foarte comună pe Pământ, în urma căreia se formează heliu și se eliberează un neutron. Reacția poate fi scrisă astfel:

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

Energia eliberată, rezultată din faptul că heliul-4 are legături nucleare foarte puternice, este transformată în energie cinetică obișnuită, distribuită între neutron și nucleul de heliu-4 în proporție de 14,1 MeV / 3,5 MeV.

Pentru a iniția (aprinde) reacția de fuziune, este necesară ionizarea completă și încălzirea unui gaz dintr-un amestec de deuteriu și tritiu la o temperatură de peste 100 de milioane de grade Celsius (o vom nota cu M grade), care este de aproximativ cinci ori mai mare. decât temperatura din centrul Soarelui. Deja la temperaturi de câteva mii de grade, ciocnirile interatomice duc la eliminarea electronilor din atomi, în urma căruia se formează un amestec de nuclee și electroni separați, cunoscut sub numele de plasmă, în care deutroni și tritoni încărcați pozitiv și de înaltă energie. (adică nucleele de deuteriu și tritiu) experimentează o puternică repulsie reciprocă. Cu toate acestea, temperatura ridicată a plasmei (și energia ionică mare asociată) permite acestor ioni de deuteriu și tritiu să depășească repulsia Coulomb și să se ciocnească unul cu celălalt. La temperaturi de peste 100 M grade, cei mai „energici” deutroni și tritoni se apropie unul de celălalt în ciocniri la distanțe atât de apropiate încât forțe nucleare puternice încep să acționeze între ei, forțându-i să se contopească unul cu celălalt într-un singur întreg.

Efectuarea acestui proces într-un laborator prezintă trei probleme foarte dificile. În primul rând, amestecul de gaz al nucleelor D și T trebuie încălzit la temperaturi de peste 100 de grade M, prevenind cumva răcirea și contaminarea acestuia (datorită reacțiilor cu pereții vasului).

Pentru a rezolva această problemă, au fost inventate „capcane magnetice”, numite Tokamak, care împiedică interacțiunea plasmei cu pereții reactorului.

În metoda descrisă, plasma este încălzită de un curent electric care curge în interiorul torusului până la aproximativ 3 M grade, care, totuși, este încă insuficient pentru a iniția reacția. Pentru încălzirea suplimentară a plasmei, energia este fie „pompată” de radiații cu frecvență radio (ca într-un cuptor cu microunde), fie sunt injectate în ea fascicule de particule neutre de înaltă energie, care își transferă energia către plasmă în timpul coliziunilor. În plus, eliberarea de căldură are loc datorită, de fapt, reacțiilor termonucleare (așa cum va fi descris mai jos), în urma cărora, într-o instalație suficient de mare, ar trebui să aibă loc „aprinderea” plasmei.

În prezent, în Franța începe construcția Reactorului Termonuclear Experimental Internațional (ITER), descris mai jos, care va fi primul Tokamak capabil să „aprindă” o plasmă.

În cele mai avansate instalații existente de tip Tokamak, temperaturi de ordinul a 150 M grade, apropiate de valorile necesare funcționării unei stații termonucleare, au fost atinse de mult timp, dar reactorul ITER ar trebui să devină primul mare- centrală electrică la scară proiectată pentru funcționare pe termen lung. În viitor, va fi necesară îmbunătățirea semnificativă a parametrilor funcționării acestuia, ceea ce va necesita, în primul rând, o creștere a presiunii în plasmă, deoarece viteza de fuziune nucleară la o anumită temperatură este proporțională cu pătratul presiunea.

Principala problemă științifică în acest caz este asociată cu faptul că, odată cu creșterea presiunii în plasmă, apar instabilități foarte complexe și periculoase, adică moduri de funcționare instabile.

Nucleele de heliu încărcate electric care decurg din reacția de fuziune sunt ținute în interiorul unei „capcane magnetice”, unde sunt decelerate treptat din cauza coliziunilor cu alte particule, iar energia eliberată în timpul coliziunilor ajută la menținerea unei temperaturi ridicate a coloanei de plasmă. Neutronii neutri (neavând sarcină electrică) părăsesc sistemul și își transferă energia pe pereții reactorului, iar căldura preluată de pe pereți este sursa de energie pentru funcționarea turbinelor care generează electricitate. Problemele și dificultățile în funcționarea unei astfel de instalații sunt asociate, în primul rând, cu faptul că un flux puternic de neutroni de înaltă energie și energia eliberată (sub formă de radiații electromagnetice și particule de plasmă) afectează grav reactorul și poate distruge materialele din care este creat.

Din acest motiv, proiectarea instalațiilor termonucleare este foarte complexă. Fizicienii și inginerii se confruntă cu sarcina de a asigura o fiabilitate ridicată a muncii lor. Proiectarea și construcția stațiilor termonucleare necesită ca acestea să rezolve o serie de probleme tehnologice diverse și foarte complexe.

Dispozitivul unei centrale termonucleare

Figura prezintă o diagramă schematică (fără a respecta scara) a dispozitivului și principiul de funcționare a unei centrale termonucleare. În partea centrală se află o cameră toroidală (în formă de gogoașă) cu un volum de ~ 2000 m 3 umplută cu plasmă tritiu-deuteriu (T-D) încălzită la o temperatură de peste 100 M grade. Neutronii generați în timpul reacției de fuziune părăsesc „capcana magnetică” și intră în învelișul prezentat în figură cu o grosime de aproximativ 1 m. 1

În interiorul carcasei, neutronii se ciocnesc cu atomii de litiu, rezultând o reacție cu formarea tritiului:

neutron + litiu = heliu + tritiu.

În plus, în sistem apar reacții concurente (fără formarea de tritiu), precum și multe reacții cu eliberarea de neutroni suplimentari, care apoi conduc și la formarea tritiului (în acest caz, eliberarea de neutroni suplimentari poate fi îmbunătățit semnificativ, de exemplu, datorită introducerii de atomi în coajă beriliu și plumb). Concluzia generală este că în această instalație poate apărea (cel puțin teoretic) o reacție de fuziune nucleară, în care se va forma tritiu. În acest caz, cantitatea de tritiu formată nu trebuie să răspundă numai nevoilor instalației în sine, ci și să fie și ceva mai mare, ceea ce va face posibilă furnizarea de tritiu și pentru instalațiile noi.

Acest concept de funcționare este cel care trebuie testat și implementat în reactorul ITER descris mai jos.

Se presupune că neutronii încălzesc carcasa în așa-numitele instalații pilot (care vor folosi materiale de construcție relativ „convenționale”) până la aproximativ 400 de grade. În viitor, este planificată crearea de instalații îmbunătățite cu o temperatură de încălzire a carcasei de peste 1000 de grade, care poate fi realizată prin utilizarea celor mai noi materiale de înaltă rezistență (cum ar fi compozitele cu carbură de siliciu). Căldura degajată în carcasă, ca în instalațiile convenționale, este preluată de circuitul primar de răcire cu un lichid de răcire (conținând, de exemplu, apă sau heliu) și transferată în circuitul secundar, unde se produc vapori de apă și se furnizează turbinelor.

Principalul avantaj al fuziunii nucleare este că necesită doar o cantitate foarte mică de substanțe naturale ca combustibil.

Reacția de fuziune nucleară din instalațiile descrise poate duce la eliberarea unei cantități uriașe de energie, de zece milioane de ori mai mare decât degajarea standard de căldură din reacțiile chimice convenționale (cum ar fi arderea combustibililor fosili). Pentru comparație, subliniem că cantitatea de cărbune necesară pentru a susține funcționarea unei centrale termice de 1 gigawatt (GW) este de 10.000 de tone pe zi (zece vagoane de cale ferată), iar o centrală termonucleară de aceeași putere va consuma doar aproximativ 1 kg de amestec D + pe zi. T.

Deuteriul este un izotop stabil al hidrogenului; în aproximativ una din 3350 de molecule de apă obișnuită, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu deuteriu (o moștenire pe care am moștenit-o de la Big Bang-ul Universului). Acest fapt facilitează organizarea unei producții destul de ieftine a cantității necesare de deuteriu din apă. Este mai dificil să se obțină tritiu, care este instabil (timp de înjumătățire este de aproximativ 12 ani, drept urmare conținutul său în natură este neglijabil), totuși, așa cum se arată mai sus, tritiul va fi produs direct în interiorul unei instalații termonucleare în timpul funcționării. datorită reacţiei neutronilor cu litiul.

Astfel, combustibilul inițial pentru un reactor de fuziune este litiul și apa.

Litiul este un metal comun utilizat pe scară largă în aparatele de uz casnic (în bateriile telefoanelor mobile, de exemplu). Instalația descrisă mai sus, chiar și ținând cont de eficiența imperfectă, va putea produce 200.000 kWh de energie electrică, ceea ce este echivalent cu energia conținută în 70 de tone de cărbune. Cantitatea necesară de litiu este conținută într-o baterie de computer, iar cantitatea de deuteriu este conținută în 45 de litri de apă. Valoarea de mai sus corespunde consumului curent de energie electrică (în termeni de o persoană) în țările UE timp de 30 de ani. Însuși faptul că o cantitate atât de nesemnificativă de litiu poate asigura generarea unei asemenea cantități de energie electrică (fără emisii de CO2 și fără cea mai mică poluare a atmosferei) este un argument destul de serios pentru dezvoltarea cea mai rapidă și mai energică a cercetării privind dezvoltarea. de energie termonucleară (în ciuda tuturor dificultăților și problemelor), chiar și cu perspectiva pe termen lung a creării unui reactor de fuziune eficient din punct de vedere economic.

Deuteriul ar trebui să reziste milioane de ani, iar rezervele de litiu ușor de obținut sunt suficiente pentru a satisface nevoile de sute de ani.

Chiar dacă rezervele de litiu din roci se epuizează, îl putem extrage din apă, de unde este conținut într-o concentrație suficient de mare (de 100 de ori concentrația de uraniu) pentru a-l face viabil din punct de vedere economic.

Energia de fuziune nu numai că promite omenirii, în principiu, posibilitatea de a produce o cantitate imensă de energie în viitor (fără emisii de CO2 și fără poluare atmosferică), dar are și o serie de alte avantaje.

1 ) Securitate internă ridicată.

Plasma folosită în instalațiile termonucleare are o densitate foarte mică (de aproximativ un milion de ori mai mică decât densitatea atmosferei), drept urmare mediul de lucru al instalațiilor nu va conține niciodată suficientă energie pentru a produce incidente sau accidente grave.

În plus, încărcarea „combustibilului” trebuie efectuată în mod continuu, ceea ce facilitează oprirea funcționării acesteia, fără a mai vorbi de faptul că, în caz de accident și schimbare bruscă a condițiilor de mediu, „flacăra” termonucleară ar trebui pur și simplu ieși.

Care sunt pericolele asociate cu energia termonucleară? În primul rând, este de remarcat faptul că, deși produsele de fuziune (heliu și neutroni) nu sunt radioactive, carcasa reactorului poate deveni radioactivă în cazul iradierii prelungite cu neutroni.

În al doilea rând, tritiul este radioactiv și are un timp de înjumătățire relativ scurt (12 ani). Însă, deși volumul de plasmă folosit este semnificativ, datorită densității reduse, acesta conține doar o cantitate foarte mică de tritiu (cu o greutate totală de aproximativ zece mărci poștale). De aceea

Chiar și în cele mai grave situații și accidente (distrugerea completă a carcasei și eliberarea întregului tritiu conținut în acesta, de exemplu, în timpul unui cutremur și al prăbușirii unui avion în stație), doar o cantitate mică de combustibil va intra în mediu, ceea ce nu va necesita evacuarea populaţiei din aşezările din apropiere.

2 ) Costul energiei.

Este de așteptat ca așa-numitul preț „intern” al energiei electrice primite (costul de producție în sine) să devină acceptabil dacă este de 75% din prețul deja existent pe piață. „Acceptabilitate” în acest caz înseamnă că prețul va fi mai mic decât prețul energiei obținute folosind combustibili vechi de hidrocarburi. Prețul „extern” (efecte secundare, impact asupra sănătății publice, climei, ecologiei etc.) va fi în esență zero.

Reactor Termonuclear Experimental Internațional ITER

Următorul pas principal este construirea reactorului ITER, menit să demonstreze însăși posibilitatea aprinderii plasmei și să obțină, pe această bază, un câștig de energie de cel puțin zece ori (în raport cu energia cheltuită pentru încălzirea plasmei). Reactorul ITER va fi un dispozitiv experimental care nici măcar nu va fi echipat cu turbine pentru generarea energiei electrice și dispozitive pentru utilizarea acesteia. Scopul creării sale este de a studia condițiile care trebuie îndeplinite în timpul funcționării unor astfel de centrale electrice, precum și crearea pe această bază a unor centrale electrice reale, viabile din punct de vedere economic, care, aparent, ar trebui să depășească ITER ca dimensiune. Crearea de prototipuri reale de centrale termonucleare (adică centrale complet echipate cu turbine etc.) necesită rezolvarea următoarelor două sarcini. În primul rând, este necesar să se dezvolte în continuare materiale noi (capabile să reziste la condițiile foarte dure de funcționare în condițiile descrise) și să le testeze în conformitate cu regulile speciale pentru echipamentele sistemului IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) descrise mai jos. . În al doilea rând, există multe probleme pur tehnice de rezolvat și noi tehnologii care trebuie dezvoltate legate de control de la distanță, încălzire, proiectarea placajelor, ciclurile combustibilului etc. 2

Figura prezintă reactorul ITER, care depășește cea mai mare instalație JET de până acum, nu numai în toate dimensiunile sale liniare (aproximativ de două ori), ci și în mărimea câmpurilor magnetice utilizate în acesta și a curenților care curg prin plasmă.

Scopul acestui reactor este de a demonstra capacitățile eforturilor combinate ale fizicienilor și inginerilor în proiectarea unei centrale termonucleare la scară largă.

Capacitatea de proiectare a instalației este de 500 MW (cu consumul de energie la intrarea sistemului de doar aproximativ 50 MW). 3

Unitatea ITER este construită de un consorțiu care include UE, China, India, Japonia, Coreea de Sud, Rusia și Statele Unite. Populația totală a acestor țări reprezintă aproximativ jumătate din populația totală a Pământului, așa că proiectul poate fi numit un răspuns global la o provocare globală. Principalele componente și ansambluri ale reactorului ITER au fost deja create și testate, iar construcția a început deja în orașul Cadarache (Franța). Lansarea reactorului este programată pentru 2020, iar producția de plasmă de deuteriu-tritiu este programată pentru 2027, deoarece punerea în funcțiune a reactorului necesită teste îndelungate și serioase pentru plasmă din deuteriu și tritiu.

Bobinele magnetice ale reactorului ITER sunt create pe baza materialelor supraconductoare (care, în principiu, permit funcționarea continuă cu condiția menținerii curentului din plasmă), astfel că proiectanții speră să ofere un ciclu de lucru garantat de cel puțin 10 minute. . Este clar că prezența bobinelor magnetice supraconductoare este fundamentală pentru funcționarea continuă a unei centrale termonucleare reale. Bobinele supraconductoare au fost deja folosite în dispozitive de tip Tokamak, dar nu au fost folosite anterior în instalații atât de mari, concepute pentru plasmă cu tritiu. În plus, instalația ITER va folosi și testa pentru prima dată diverse module de tip shell concepute pentru a funcționa în stații reale, unde pot fi generate sau „recuperate” nuclee de tritiu.

Scopul principal al instalației este de a demonstra controlul cu succes al arderii plasmei și posibilitatea producerii reale de energie în dispozitive termonucleare la nivelul actual de dezvoltare tehnologică.

Dezvoltarea ulterioară în această direcție, desigur, va necesita multe eforturi pentru îmbunătățirea eficienței dispozitivelor, în special din punctul de vedere al fezabilității lor economice, care este asociată cu cercetări serioase și pe termen lung, atât la reactorul ITER, cât și la alte dispozitive. Dintre sarcinile stabilite, trebuie evidențiate următoarele trei:

1) Este necesar să se arate că nivelul existent de știință și tehnologie permite deja obținerea unui câștig de 10 ori în energie (în comparație cu energia cheltuită pentru menținerea procesului) într-un proces controlat de fuziune nucleară. Reacția ar trebui să aibă loc fără apariția unor moduri instabile periculoase, fără supraîncălzire și deteriorare a materialelor de construcție și fără contaminarea plasmei cu impurități. Cu puteri termonucleare de aproximativ 50% din puterea de încălzire a plasmei, aceste obiective au fost deja atinse în experimente pe instalații mici, totuși, crearea reactorului ITER va permite testarea fiabilității metodelor de control într-o instalație mult mai mare, producând mult mai multă energie pentru o lungă perioadă de timp. Reactorul ITER este proiectat pentru a verifica și a conveni asupra cerințelor unui viitor reactor de fuziune, iar crearea lui este o sarcină foarte complexă și interesantă.

2) Este necesar să se studieze metode de creștere a presiunii în plasmă (reamintim că viteza de reacție la o temperatură dată este proporțională cu pătratul presiunii) pentru a preveni apariția unor moduri instabile periculoase de comportament al plasmei. Succesul cercetărilor în această direcție va face posibilă fie asigurarea funcționării reactorului la o densitate de plasmă mai mare, fie scăderea cerințelor pentru intensitatea câmpurilor magnetice generate, ceea ce va reduce semnificativ costul energiei electrice produse de reactorul.

3) Testele ar trebui să confirme că funcționarea continuă a reactorului într-un mod stabil poate fi asigurată în mod realist (din punct de vedere economic și tehnic, această cerință pare a fi foarte importantă, dacă nu de bază), iar punerea în funcțiune a instalației poate fi realizat fără costuri mari de energie. Cercetătorii și designerii speră foarte mult că fluxul „continuu” de curent electromagnetic prin plasmă poate fi asigurat prin generarea acestuia în plasmă (datorită radiațiilor de înaltă frecvență și injectării de atomi rapizi).

Lumea modernă se confruntă cu o provocare energetică foarte serioasă, care poate fi numită mai exact o „criză energetică incertă”.

În prezent, aproape toată energia consumată de omenire este creată prin arderea combustibililor fosili, iar soluția problemei poate fi asociată cu utilizarea energiei solare sau a energiei nucleare (crearea de reactoare cu neutroni rapizi etc.). Problema globală a creșterii populației în țările în curs de dezvoltare și nevoia acestora de a îmbunătăți nivelul de trai și de a crește cantitatea de energie produsă nu poate fi rezolvată doar pe baza acestor abordări, deși, desigur, orice încercare de a dezvolta metode alternative de producere a energiei ar trebui să fie rezolvată. încurajat.

Dacă nu există surprize majore și neașteptate pe calea dezvoltării energiei termonucleare, atunci în conformitate cu programul de acțiune rezonabil și ordonat elaborat, care (desigur, cu condiția ca munca să fie bine organizată și suficient finanțată) ar trebui să conducă la realizarea unui prototip de centrală termonucleară. În acest caz, în aproximativ 30 de ani, vom putea furniza pentru prima dată curent electric din aceasta la rețelele electrice, iar în puțin mai mult de 10 ani va începe să funcționeze prima centrală termonucleară comercială. Este posibil ca în a doua jumătate a acestui secol, energia de fuziune nucleară să înceapă să înlocuiască combustibilii fosili și să joace treptat un rol din ce în ce mai important în furnizarea energiei omenirii la scară globală.

Lasere,

Spunem că vom pune soarele într-o cutie. Ideea este frumoasa. Problema este că nu știm cum să facem cutia.

Pierre-Gilles de Gennes
laureat al premiului Nobel francez

Toate dispozitivele și mașinile electronice au nevoie de energie, iar umanitatea consumă mult din ea. Dar combustibilii fosili se epuizează, iar energia alternativă nu este încă suficient de eficientă.
Există o modalitate de a obține energie, ideală pentru toate cerințele - fuziunea termonucleară. Reacția de fuziune termonucleară (conversia hidrogenului în heliu și eliberarea energiei) are loc în mod constant la soare și acest proces dă planetei energie sub formă de raze solare. Trebuie doar să o imiteți pe Pământ, la o scară mai mică. Este suficient să se asigure presiune mare și temperatură foarte ridicată (de 10 ori mai mare decât la Soare) și se va declanșa reacția de fuziune. Pentru a crea astfel de condiții, trebuie să construiți un reactor de fuziune. Va folosi resurse mai răspândite pe pământ, va fi mai sigur și mai puternic decât centralele nucleare convenționale. De mai bine de 40 de ani, s-au încercat să-l construiască și experimente sunt în desfășurare. În ultimii ani, unul dintre prototipuri a reușit chiar să obțină mai multă energie decât a fost cheltuită. Cele mai ambițioase proiecte din acest domeniu sunt prezentate mai jos:

Proiecte guvernamentale

Recent, cea mai mare atenție publică a fost acordată unui alt design al unui reactor termonuclear - stelarator Wendelstein 7-X (stelaratorul este mai complex în ceea ce privește structura sa internă decât ITER, care este un tokamak). După ce au cheltuit puțin peste 1 miliard de dolari, oamenii de știință germani au construit în 9 ani un model de demonstrație redus al reactorului până în 2015. Dacă arată rezultate bune, se va construi o versiune mai mare.

Laserul MegaJoule din Franța va fi cel mai puternic laser din lume și va încerca să avanseze metoda de construcție a reactorului de fuziune pe bază de laser. Punerea în funcțiune a fabricii franceze este așteptată în 2018.

NIF (National Ignition Facility) a fost construită în Statele Unite în 12 ani și 4 miliarde de dolari până în 2012. Ei se așteptau să testeze tehnologia și apoi să construiască imediat un reactor, dar s-a dovedit că, după cum raportează Wikipedia, este nevoie de muncă considerabilă dacă sistemul va ajunge mereu la aprindere. Ca urmare, planurile ambițioase au fost anulate, iar oamenii de știință au început să îmbunătățească treptat laserul. Ultima sarcină este creșterea eficienței transmisiei de putere de la 7% la 15%. În caz contrar, finanțarea Congresului pentru această metodă de realizare a sintezei se poate termina.

La sfârșitul anului 2015, la Sarov a început construcția unei clădiri pentru cea mai puternică instalație laser din lume. Va fi mai puternic decât actualul american și viitorul francez și va permite experimentele necesare pentru a construi o versiune „laser” a reactorului. Finalizarea construcției în 2020.

Laser din SUA - MagLIF fusion este recunoscut drept calul întunecat al tehnologiei de fuziune. Recent, această metodă a arătat rezultate mai bune decât cele așteptate, dar puterea trebuie încă mărită de 1000 de ori. Acum, laserul trece printr-o modernizare, iar până în 2018 oamenii de știință speră să obțină atâta energie cât au cheltuit. Dacă are succes, va fi construită o versiune mai mare.

La INP rus, s-au încăpățânat experimente cu metoda „capcanelor deschise”, pe care Statele Unite au abandonat-o în anii 90. Ca urmare, s-au obținut indicatori care au fost considerați imposibili pentru această metodă. Oamenii de știință INP cred că instalarea lor este acum la nivelul Wendelstein 7-X german (Q = 0,1), dar mai ieftină. Acum construiesc o nouă instalație pentru 3 miliarde de ruble.

Șeful Institutului Kurchatov își amintește în mod constant planurile de a construi un mic reactor termonuclear în Rusia - Ignitor. Conform planului, ar trebui să fie la fel de eficient ca ITER, deși mai puțin. Construcția sa trebuia să înceapă acum 3 ani, dar această situație este tipică pentru proiectele științifice mari.

Tokamak-ul chinezesc EAST la începutul anului 2016 a reușit să obțină o temperatură de 50 de milioane de grade și să o mențină timp de 102 secunde. Înainte să înceapă construcția de reactoare uriașe și lasere, toate știrile despre fuziunea termonucleară erau așa. S-ar putea crede că aceasta este doar o competiție între oamenii de știință - care vor menține temperatura tot mai ridicată mai mult timp. Cu cât temperatura plasmei este mai mare și cu cât poate fi menținută mai mult timp, cu atât suntem mai aproape de începutul reacției de fuziune. Există zeci de astfel de instalații în lume, mai multe () () sunt în curs de construcție, așa că în curând recordul EST va fi doborât. În esență, aceste reactoare mici testează doar echipamente înainte de a fi trimise la ITER.

Lockheed Martin a anunțat o descoperire în puterea de fuziune în 2015, care le va permite să construiască un mic reactor de fuziune mobil în 10 ani. Având în vedere că chiar și reactoare comerciale foarte mari și deloc mobile erau așteptate nu mai devreme de 2040, declarația corporației a fost întâmpinată cu scepticism. Dar compania are o mulțime de resurse, deci cine știe. Prototipul este așteptat în 2020.

Startup-ul Helion Energy din Silicon Valley are propriul său plan unic pentru a realiza fuziunea termonucleară. Compania a strâns peste 10 milioane de dolari și se așteaptă să aibă un prototip construit până în 2019.

Startup-ul umbrit Tri Alpha Energy a făcut recent progrese impresionante în promovarea metodei sale de fuziune (teoreticienii au dezvoltat> 100 de moduri teoretice de a realiza fuziunea, tokamak-ul este pur și simplu cel mai simplu și cel mai popular). De asemenea, compania a strâns peste 100 de milioane de dolari din fonduri pentru investitori.

Proiectul de reactor de la startup-ul canadian General Fusion este și mai diferit de celălalt, dar dezvoltatorii au încredere în el și au strâns peste 100 de milioane de dolari în 10 ani pentru a construi reactorul până în 2020.

Startup-ul First light din Marea Britanie are cel mai ușor site, format în 2014, și a anunțat planuri de a folosi cele mai recente dovezi științifice pentru a produce fuziune la un cost mai mic.

Oamenii de știință de la MIT au scris un articol care descrie un reactor de fuziune compact. Ei se bazează pe noile tehnologii apărute după începerea construcției de tokamak-uri gigantice și promit să implementeze proiectul în 10 ani. Deocamdată nu se știe dacă li se va da undă verde pentru a începe construcția. Chiar dacă este aprobat, articolul din revistă este o etapă chiar mai timpurie decât un startup.

Fusion este poate cea mai puțină industrie de crowdfunding. Dar cu ajutorul lui și, de asemenea, cu finanțare de la NASA, Lawrenceville Plasma Physics va construi un prototip al reactorului său. Dintre toate proiectele în curs de implementare, acesta arată cel mai mult ca o înșelătorie, dar cine știe, poate vor aduce ceva util acestei lucrări grandioase.

ITER va fi doar un prototip pentru construirea unei instalații DEMO cu drepturi depline - primul reactor de fuziune comercial. Lansarea sa este acum programată pentru 2044 și aceasta este încă o prognoză optimistă.

Dar există planuri pentru următoarea etapă. Un reactor termonuclear hibrid va primi energie atât din dezintegrarea unui atom (cum ar fi o centrală nucleară convențională), cât și din fuziune. În această configurație, energia poate fi de 10 ori mai mare, dar siguranța este mai mică. China se așteaptă să construiască un prototip până în 2030, dar experții spun că este ca și cum ai încerca să construiești mașini hibride înainte ca motorul cu ardere internă să fie inventat.

Rezultat

Nu lipsesc oamenii care doresc să aducă o nouă sursă de energie în lume. Proiectul ITER are cele mai mari șanse, având în vedere amploarea și finanțarea sa, dar alte metode, precum și proiectele private, nu trebuie ignorate. Oamenii de știință au lucrat zeci de ani pentru a începe reacția de fuziune fără prea mult succes. Dar acum există mai multe proiecte pentru a realiza o reacție termonucleară decât oricând. Chiar dacă fiecare dintre ele eșuează, se vor face noi încercări. Este puțin probabil să ne odihnim până când vom aprinde o versiune în miniatură a Soarelui aici pe Pământ.

Etichete:

reactor de fuziune
energetică
proiecte de viitor

Adaugă etichete

Cum a început totul. „Provocarea Energiei” a apărut dintr-o combinație a următorilor trei factori:

1. Omenirea consumă acum o cantitate imensă de energie.

Consumul actual de energie în lume este de aproximativ 15,7 terawați (TW). Împărțind această valoare la populația planetei, obținem aproximativ 2400 de wați de persoană, ceea ce poate fi ușor estimat și imaginat. Energia consumată de fiecare locuitor al Pământului (inclusiv copiii) corespunde cu funcționarea timp de 24 de ore a lămpilor electrice de 24 de sute de wați. Cu toate acestea, consumul acestei energie în întreaga planetă este foarte inegal, deoarece este foarte mare în mai multe țări și neglijabil în altele. Consumul (per persoană) este de 10,3 kW în SUA (una dintre valorile record), 6,3 kW în Federația Rusă, 5,1 kW în Marea Britanie etc., dar, pe de altă parte, este egal cu doar 0,21 kW în Bangladesh (doar 2% din consumul de energie al SUA!).

2. Consumul mondial de energie crește dramatic.

Conform prognozei Agenției Internaționale pentru Energie (2006), consumul mondial de energie până în 2030 ar trebui să crească cu 50%. Țările dezvoltate, desigur, s-ar descurca bine fără energie suplimentară, dar această creștere este necesară pentru a scoate populația din sărăcie în țările în curs de dezvoltare, unde 1,5 miliarde de oameni se confruntă cu o lipsă acută de electricitate.

3. În prezent, 80% din energia consumată de lume este generată din arderea combustibililor naturali fosili(petrol, cărbune și gaz), a căror utilizare:

a) prezintă potențial pericolul unor schimbări catastrofale ale mediului;

b) trebuie inevitabil să se termine într-o zi.

Din cele spuse, este clar că deja trebuie să ne pregătim pentru sfârșitul erei utilizării combustibililor fosili.

În prezent, la centralele nucleare, pe scară largă, se obține energia degajată de reacțiile de fisiune ale nucleelor atomice. Crearea și dezvoltarea unor astfel de stații ar trebui încurajată în toate modurile posibile, dar trebuie avut în vedere că stocurile unuia dintre cele mai importante materiale pentru funcționarea lor (uraniu ieftin) pot fi, de asemenea, complet epuizate în următorii 50 de ani. . Capacitățile ingineriei energetice bazate pe fisiune nucleară pot (și ar trebui) să fie extinse semnificativ prin utilizarea unor cicluri energetice mai eficiente, care fac posibilă aproape dublarea cantității de energie primită. Pentru dezvoltarea energiei în această direcție, este necesar să se creeze reactoare pe toriu (așa-numitele reactoare de reproducere a toriu sau reactoare de reproducere), în care reacția produce mai mult toriu decât uraniul inițial, în urma cărora cantitatea totală energia primită pentru o anumită cantitate de materie crește de 40 de ori... De asemenea, pare promițătoare crearea generatoarelor de plutoniu cu neutroni rapidi, care sunt mult mai eficienți decât reactoarele cu uraniu și fac posibilă obținerea de 60 de ori mai multă energie. Poate că, pentru dezvoltarea acestor zone, va fi necesar să se dezvolte metode noi, nestandardizate, de obținere a uraniului (de exemplu, din apa de mare, care pare a fi cea mai accesibilă).

Centrale de fuziune

Figura prezintă o diagramă schematică (fără a respecta scara) a dispozitivului și principiul de funcționare a unei centrale termonucleare. În partea centrală, există o cameră toroidală (în formă de gogoașă) cu un volum de ~ 2000 m3 umplută cu plasmă tritiu-deuteriu (T – D) încălzită la o temperatură de peste 100 M ° C. Neutronii generați în timpul reacției de fuziune (1) părăsesc „sticla magnetică” și intră în învelișul prezentat în figură cu o grosime de aproximativ 1 m.

În interiorul carcasei, neutronii se ciocnesc cu atomii de litiu, rezultând o reacție cu formarea tritiului:

neutron + litiu → heliu + tritiu

În plus, în sistem apar reacții concurente (fără formarea de tritiu), precum și multe reacții cu eliberarea de neutroni suplimentari, care apoi conduc și la formarea tritiului (în acest caz, eliberarea de neutroni suplimentari poate fi îmbunătățit semnificativ, de exemplu, datorită introducerii atomilor de beriliu în coajă și plumb). Concluzia generală este că în această instalație poate apărea (cel puțin teoretic) o reacție de fuziune nucleară, în care se va forma tritiu. În acest caz, cantitatea de tritiu formată nu trebuie să răspundă numai nevoilor instalației în sine, ci și să fie și ceva mai mare, ceea ce va face posibilă furnizarea de tritiu și pentru instalațiile noi. Acest concept de funcționare este cel care trebuie testat și implementat în reactorul ITER descris mai jos.

În plus, neutronii trebuie să încălzească placarea în așa-numitele instalații pilot (care vor folosi materiale de construcție relativ „convenționale”) până la aproximativ 400 ° C. În viitor, este planificată crearea de instalații îmbunătățite cu o temperatură de încălzire a carcasei de peste 1000 ° C, care poate fi realizată prin utilizarea celor mai noi materiale de înaltă rezistență (cum ar fi compozitele cu carbură de siliciu). Căldura degajată în carcasă, ca în instalațiile convenționale, este preluată de circuitul primar de răcire cu un lichid de răcire (conținând, de exemplu, apă sau heliu) și transferată în circuitul secundar, unde se produc vapori de apă și se furnizează turbinelor.

1985 - Uniunea Sovietică a propus următoarea generație Tokamak, folosind experiența a patru țări lider în crearea de reactoare de fuziune. Statele Unite ale Americii, împreună cu Japonia și Comunitatea Europeană, au înaintat o propunere de proiect.

În prezent, Franța construiește Reactorul Experimental Internațional Tokamak, descris mai jos, care va fi primul tokamak capabil să „aprindă” o plasmă.

În cele mai avansate instalații existente de tip tokamak, temperaturi de ordinul a 150 M ° C, apropiate de valorile necesare pentru funcționarea unei stații de fuziune, au fost atinse de mult timp, dar reactorul ITER ar trebui să devină primul mare- centrală electrică la scară proiectată pentru funcționare pe termen lung. În viitor, va fi necesară îmbunătățirea semnificativă a parametrilor funcționării acestuia, ceea ce va necesita, în primul rând, o creștere a presiunii în plasmă, deoarece viteza de fuziune nucleară la o anumită temperatură este proporțională cu pătratul presiunea. Principala problemă științifică în acest caz este asociată cu faptul că, odată cu creșterea presiunii în plasmă, apar instabilități foarte complexe și periculoase, adică moduri de funcționare instabile.

De ce avem nevoie de asta?

Principalul avantaj al fuziunii nucleare este că necesită doar o cantitate foarte mică de substanțe naturale ca combustibil. Reacția de fuziune nucleară din instalațiile descrise poate duce la eliberarea unei cantități uriașe de energie, de zece milioane de ori mai mare decât degajarea standard de căldură din reacțiile chimice convenționale (cum ar fi arderea combustibililor fosili). Pentru comparație, subliniem că cantitatea de cărbune necesară pentru a susține funcționarea unei centrale termice de 1 gigawatt (GW) este de 10.000 de tone pe zi (zece vagoane de cale ferată), iar o centrală termonucleară de aceeași putere va consuma doar aproximativ 1 kilogram de amestec D + T pe zi...

Deuteriul este un izotop stabil al hidrogenului; în aproximativ una din 3.350 de molecule de apă obișnuită, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu deuteriu (o moștenire de la Big Bang). Acest fapt facilitează organizarea unei producții destul de ieftine a cantității necesare de deuteriu din apă. Este mai dificil să obțineți tritiu, care este instabil (timp de înjumătățire este de aproximativ 12 ani, drept urmare conținutul său în natură este neglijabil), totuși, așa cum se arată mai sus, tritiul va apărea direct în interiorul unei instalații termonucleare în timpul funcționării, datorită reacţiei neutronilor cu litiul.

Astfel, combustibilul inițial pentru un reactor de fuziune este litiul și apa. Litiul este un metal comun utilizat pe scară largă în aparatele de uz casnic (baterii de telefoane mobile etc.). Instalația descrisă mai sus, chiar și ținând cont de eficiența imperfectă, va putea produce 200.000 kWh de energie electrică, ceea ce este echivalent cu energia conținută în 70 de tone de cărbune. Cantitatea necesară de litiu este conținută într-o baterie de computer, iar cantitatea de deuteriu este conținută în 45 de litri de apă. Valoarea de mai sus corespunde consumului curent de energie electrică (în termeni de o persoană) în țările UE timp de 30 de ani. Însuși faptul că o cantitate atât de nesemnificativă de litiu poate asigura generarea unei asemenea cantități de electricitate (fără emisii de CO2 și fără cea mai mică poluare a atmosferei) este un argument destul de serios pentru dezvoltarea cea mai rapidă și mai energică a energiei termonucleare (în ciuda toate dificultățile și problemele) și chiar fără încredere sută la sută în succesul unei astfel de cercetări.

Deuteriul ar trebui să reziste milioane de ani, iar rezervele de litiu ușor de extras sunt suficiente pentru a satisface nevoile de sute de ani. Chiar dacă rezervele de litiu din roci se epuizează, îl putem extrage din apă, de unde este conținut într-o concentrație suficient de mare (de 100 de ori concentrația de uraniu) pentru a-l face viabil din punct de vedere economic.

Un reactor termonuclear experimental (International thermonuclear experimental reactor) este construit în apropierea orașului Cadarache din Franța. Sarcina principală a proiectului ITER este de a realiza o reacție de fuziune termonucleară controlată la scară industrială.

Pe unitate de greutate a combustibilului termonuclear, se obține de aproximativ 10 milioane de ori mai multă energie decât atunci când se arde aceeași cantitate de combustibil fosil și de aproximativ o sută de ori mai mult decât atunci când nucleele de uraniu sunt fisionate în reactoarele centralelor nucleare care funcționează în prezent. Dacă calculele oamenilor de știință și proiectanților sunt justificate, aceasta va oferi omenirii o sursă inepuizabilă de energie.

Prin urmare, o serie de țări (Rusia, India, China, Coreea, Kazahstan, SUA, Canada, Japonia, țările UE) și-au combinat eforturile pentru a crea un Reactor Internațional de Cercetare Termonuclear - un prototip de noi centrale electrice.

ITER este o instalație care creează condiții pentru sinteza atomilor de hidrogen și tritiu (izotop de hidrogen), în urma cărora se formează un nou atom - un atom de heliu. Acest proces este însoțit de o explozie uriașă de energie: temperatura plasmei în care are loc reacția termonucleară este de aproximativ 150 de milioane de grade Celsius (pentru comparație, temperatura nucleului soarelui este de 40 de milioane de grade). În acest caz, izotopii se ard, practic nu lăsă deșeuri radioactive.

Schema de participare la un proiect internațional prevede furnizarea de componente ale reactorului și finanțarea construcției acestuia. În schimb, fiecare dintre țările participante primește acces deplin la toate tehnologiile pentru crearea unui reactor de fuziune și la rezultatele tuturor lucrărilor experimentale la acest reactor, care vor servi drept bază pentru proiectarea reactoarelor de fuziune de putere în serie.

Reactorul bazat pe principiul fuziunii termonucleare nu are radiații radioactive și este complet sigur pentru mediu. Poate fi localizat aproape oriunde în lume și este alimentat cu apă obișnuită. Construcția ITER ar trebui să dureze aproximativ zece ani, după care reactorul ar trebui să fie folosit timp de 20 de ani.

Interesele Rusiei în Consiliul Organizației Internaționale pentru Construcția Reactorului Termonuclear ITER în următorii ani vor fi reprezentate de Membru Corespondent al Academiei Ruse de Științe Mikhail Kovalchuk - Director al Institutului RRC Kurchatov, Institutul de Cristalografie al Rusiei Academia de Științe și secretar științific al Consiliului Prezidențial pentru Știință, Tehnologie și Educație. Kovalchuk îl va înlocui temporar pe academicianul Yevgeny Velikhov în acest post, care a fost ales președinte al Consiliului Internațional ITER pentru următorii doi ani și nu are dreptul de a combina această funcție cu atribuțiile de reprezentant oficial al unei țări participante.

Costul total al construcției este estimat la 5 miliarde de euro, aceeași sumă urmând să fie necesară pentru exploatarea pilot a reactorului. Cotele Indiei, Chinei, Coreei, Rusiei, Statelor Unite și Japoniei reprezintă aproximativ 10 la sută din total, 45 la sută sunt în țările Uniunii Europene. Cu toate acestea, statele europene nu s-au pus încă de acord asupra modului exact de repartizare a costurilor între ele. Din acest motiv, începerea construcției a fost amânată pentru aprilie 2010. În ciuda unei alte întârzieri, oamenii de știință și oficialii implicați în crearea ITER susțin că pot finaliza proiectul până în 2018.

Puterea termonucleară calculată a ITER este de 500 de megawați. Părțile individuale ale magneților ating o greutate de 200 până la 450 de tone. Răcirea ITER va necesita 33 de mii de metri cubi de apă pe zi.

În 1998, Statele Unite au încetat să își mai finanțeze participarea la proiect. După ce republicanii au ajuns la putere în țară și au început pane de curent în California, administrația Bush a anunțat o creștere a investițiilor în sectorul energetic. Statele Unite nu intenționau să participe la un proiect internațional și erau angajate în propriul proiect termonuclear. La începutul anului 2002, consilierul pentru tehnologie al președintelui Bush, John Marburger III, a anunțat că Statele Unite s-au răzgândit și intenționează să revină la proiect.

Din punct de vedere al numărului de participanți, proiectul este comparabil cu un alt proiect științific internațional major - Stația Spațială Internațională. Costul ITER, care a ajuns anterior la 8 miliarde de dolari, s-a ridicat apoi la mai puțin de 4 miliarde. Ca urmare a retragerii din calitatea de membru al Statelor Unite, s-a decis reducerea puterii reactorului de la 1,5 GW la 500 MW. În consecință, prețul proiectului a „slăbit”.

În iunie 2002, capitala Rusiei a găzduit simpozionul Zilele ITER de la Moscova. S-a discutat despre problemele teoretice, practice și organizatorice ale reînvierii proiectului, al cărui succes poate schimba soarta omenirii și îi poate conferi un nou tip de energie, din punct de vedere al eficienței și economiei comparabile doar cu energia Soarelui.

În iulie 2010, reprezentanții țărilor participante la proiectul internațional de reactor termonuclear ITER și-au aprobat bugetul și termenele de construcție în cadrul unei reuniuni extraordinare desfășurate la Cadarache franceză. Raportul întâlnirii este disponibil aici.

În cadrul unei ședințe extraordinare, participanții la proiect au aprobat data de începere a primelor experimente cu plasmă - 2019. Testele complete sunt programate pentru martie 2027, deși managementul de proiect a cerut tehnicienilor să încerce să optimizeze procesul și să înceapă testele în 2026. Participanții la întâlnire au decis și asupra costurilor de construire a reactorului, dar sumele care se preconizează a fi cheltuite pentru crearea instalației nu au fost dezvăluite. Potrivit informațiilor primite de editorul portalului ScienceNOW de la o sursă anonimă, până în momentul în care vor începe experimentele, costul proiectului ITER ar putea fi de 16 miliarde de euro.

Întâlnirea de la Cadarash a devenit și prima zi oficială de lucru pentru noul director de proiect, fizicianul japonez Osamu Motojima. Înainte de el, proiectul era condus de japonezul Kaname Ikeda încă din 2005, care dorea să părăsească postul imediat după aprobarea bugetului și a termenelor de construcție.

Reactorul de fuziune ITER este un proiect comun al statelor UE, Elveția, Japonia, SUA, Rusia, Coreea de Sud, China și India. Ideea creării ITER a fost luată în considerare încă din anii 80 ai secolului trecut, cu toate acestea, din cauza dificultăților financiare și tehnice, costul proiectului crește tot timpul, iar data începerii construcției este amânată constant. . În 2009, experții se așteptau ca lucrările la crearea reactorului să înceapă în 2010. Ulterior, această dată a fost mutată și, în momentul lansării reactorului, a fost numit mai întâi 2018, iar apoi 2019.

Reacțiile de fuziune sunt reacții de fuziune a nucleelor izotopilor ușori pentru a forma un nucleu al unuia mai greu, care sunt însoțite de o eliberare uriașă de energie. În teorie, reactoarele de fuziune pot genera multă energie la costuri reduse, dar în acest moment oamenii de știință cheltuiesc mult mai multă energie și bani pentru a începe și a menține o reacție de fuziune.

Fuziunea este o modalitate ieftină și ecologică de a genera energie. De miliarde de ani, fuziunea termonucleară necontrolată are loc pe Soare - heliul se formează din izotopul greu de hidrogen deuteriu. În același timp, se eliberează o cantitate colosală de energie. Cu toate acestea, pe Pământ, oamenii nu au învățat încă cum să gestioneze astfel de reacții.

Izotopii de hidrogen vor fi utilizați drept combustibil în reactorul ITER. În cursul unei reacții termonucleare, energia este eliberată atunci când atomii ușori se combină în alții mai grei. Pentru a realiza acest lucru, gazul trebuie încălzit la temperaturi care depășesc 100 de milioane de grade - mult mai mari decât temperatura din centrul soarelui. Gazul la această temperatură se transformă în plasmă. În același timp, atomii izotopilor de hidrogen se contopesc, transformându-se în atomi de heliu cu eliberarea unui număr mare de neutroni. O centrală electrică care funcționează pe acest principiu va folosi energia neutronilor moderată de un strat de materie densă (litiu).

De ce a durat atât de mult crearea instalațiilor termonucleare?

De ce nu au fost încă create linii directoare atât de importante și valoroase, ale căror avantaje au fost discutate timp de aproape jumătate de secol? Există trei motive principale (discutate mai jos), primul dintre care poate fi numit extern sau public, iar celelalte două - interne, adică condiționate de legile și condițiile de dezvoltare a energiei termonucleare în sine.

1. Multă vreme s-a crezut că problema utilizării practice a energiei de fuziune termonucleară nu necesita soluții și acțiuni urgente, deoarece în anii 80 ai secolului trecut, sursele de combustibili fosili păreau inepuizabile, iar problemele ecologiei și schimbările climatice nu au preocupat publicul. În 1976, Comitetul Consultativ pentru Energie de Fuziune al Departamentului de Energie al SUA a încercat să estimeze calendarul cercetării și dezvoltării și a unei centrale electrice de fuziune demonstrative în cadrul diferitelor opțiuni de finanțare a cercetării. Totodată, s-a constatat că volumul finanțării anuale pentru cercetare în această direcție este complet insuficient și, menținând nivelul de alocări existent, realizarea instalațiilor termonucleare nu se va încheia niciodată cu succes, întrucât fondurile alocate nu corespund. chiar la nivelul minim, critic.

2. Un obstacol mai serios în calea dezvoltării cercetării în acest domeniu este faptul că o instalație termonucleară de tipul în discuție nu poate fi creată și demonstrată la dimensiuni mici. Din explicațiile prezentate mai jos, va deveni clar că fuziunea termonucleară necesită nu numai limitarea magnetică a plasmei, ci și încălzirea ei suficientă. Raportul energiei consumate și primite crește cel puțin proporțional cu pătratul dimensiunilor liniare ale instalației, drept urmare capacitățile și avantajele științifice și tehnice ale instalațiilor termonucleare pot fi testate și demonstrate numai la stații suficient de mari, cum ar fi ca reactorul ITER menționat anterior. Societatea pur și simplu nu era pregătită să finanțeze proiecte atât de mari până când nu a existat suficientă încredere în succes.

3. Dezvoltarea energiei termonucleare a fost însă foarte complexă (în ciuda finanțării insuficiente și a dificultăților în alegerea centrelor pentru realizarea instalațiilor JET și ITER), în ultimii ani s-au observat progrese clare, deși încă nu a fost creată o stație de funcționare.

Lumea modernă se confruntă cu o provocare energetică foarte serioasă, care poate fi numită mai exact o „criză energetică incertă”. Problema este legată de faptul că rezervele de combustibili fosili se pot seca în a doua jumătate a acestui secol. Mai mult, arderea combustibililor fosili poate duce la necesitatea de a lega și „depozita” cumva dioxidul de carbon eliberat în atmosferă (programul CCS menționat mai sus) pentru a preveni schimbările grave ale climei planetei.

În prezent, aproape toată energia consumată de omenire este creată prin arderea combustibililor fosili, iar soluția problemei poate fi asociată cu utilizarea energiei solare sau a energiei nucleare (crearea de reactoare de generare rapidă etc.). Problema globală a creșterii populației în țările în curs de dezvoltare și nevoia acestora de a îmbunătăți nivelul de trai și de a crește cantitatea de energie produsă nu poate fi rezolvată doar pe baza acestor abordări, deși, desigur, orice încercare de a dezvolta metode alternative de producere a energiei ar trebui să fie rezolvată. încurajat.

De altfel, avem o gamă mică de strategii de comportament și dezvoltarea energiei termonucleare este extrem de importantă, deși nu există garanția succesului. Ziarul Financial Times (din 25.01.2004) a scris cu această ocazie:

„Chiar dacă costurile proiectului ITER depășesc semnificativ estimarea inițială, este puțin probabil ca acestea să atingă nivelul de 1 miliard de dolari pe an. Acest nivel al costurilor ar trebui considerat o plată foarte modestă pentru o oportunitate foarte rezonabilă de a crea o nouă sursă de energie pentru întreaga umanitate, mai ales având în vedere că deja în acest secol va trebui inevitabil să renunțăm la obiceiul arderii irosite și nesăbuite. combustibili fosili. "

Să sperăm că nu vor exista surprize majore și neașteptate în drumul spre dezvoltarea energiei termonucleare. În acest caz, în aproximativ 30 de ani, vom putea furniza pentru prima dată curent electric din aceasta la rețelele electrice, iar peste puțin mai mult de 10 ani va începe să funcționeze prima centrală termonucleară comercială. Este posibil ca în a doua jumătate a acestui secol, energia de fuziune nucleară să înceapă să înlocuiască combustibilii fosili și să joace treptat un rol din ce în ce mai important în furnizarea energiei omenirii la scară globală.

Nu există nicio garanție absolută că sarcina de a crea energie termonucleară (ca o sursă de energie eficientă și pe scară largă pentru întreaga omenire) va fi finalizată cu succes, dar probabilitatea de succes în această direcție este destul de mare. Având în vedere potențialul uriaș al centralelor termonucleare, toate costurile proiectelor pentru dezvoltarea lor rapidă (și chiar accelerată) pot fi considerate justificate, mai ales că aceste investiții par foarte modeste pe fondul monstruoasei piețe globale de energie (4 trilioane de dolari pe an8). ). Satisfacerea nevoilor de energie ale umanitatii este o problema foarte serioasa. Pe măsură ce combustibilii fosili devin din ce în ce mai puțin disponibili (în plus, utilizarea lor devine nedorită), situația se schimbă și pur și simplu nu ne putem permite să nu dezvoltăm energie de fuziune.

La întrebarea „Când va apărea energia termonucleară?” Lev Artsimovici (un pionier recunoscut și lider al cercetării în acest domeniu) a răspuns odată că „va fi creat atunci când va deveni cu adevărat necesar pentru omenire”.

ITER va fi primul reactor de fuziune care va genera mai multă energie decât consumă. Oamenii de știință măsoară această caracteristică folosind un coeficient simplu pe care îl numesc „Q”. Dacă ITER face posibilă atingerea tuturor obiectivelor științifice stabilite, atunci va produce de 10 ori mai multă energie decât consumă. Ultimul dintre dispozitivele construite – „Joint European Torus” din Anglia – este un prototip mai mic al unui reactor termonuclear, care în etapa finală a cercetării științifice a atins o valoare Q de aproape 1. Aceasta înseamnă că a produs exact aceeași cantitate. de energie pe măsură ce a consumat. ITER va depăși acest rezultat demonstrând crearea de energie în procesul de fuziune termonucleară și atingând o valoare a lui Q egală cu 10. Ideea este de a genera 500 MW cu un consum de energie de aproximativ 50 MW. Astfel, unul dintre obiectivele științifice ale ITER este de a demonstra că poate fi atinsă o valoare Q de 10.

Un alt obiectiv științific este ca ITER să aibă un timp de „ardere” foarte lung – un puls cu o durată crescută de până la o oră. ITER este un reactor experimental de cercetare și dezvoltare care nu poate produce energie în mod continuu. Când ITER începe să funcționeze, acesta va fi pornit timp de o oră, după care va trebui să fie oprit. Acest lucru este important pentru că până acum dispozitivele tipice pe care le-am creat au putut avea un timp de ardere de câteva secunde sau chiar zecimi de secundă - acesta este maximul. Torusul coeuropean și-a atins valoarea Q de 1 cu un timp de ardere de aproximativ două secunde și o lungime a pulsului de 20 de secunde. Dar un proces care durează câteva secunde nu este cu adevărat permanent. Prin analogie cu pornirea motorului unei mașini: pornirea scurtă a motorului și apoi oprirea acestuia nu este încă funcționarea reală a mașinii. Doar atunci când vă conduceți mașina timp de o jumătate de oră, aceasta va intra în funcțiune continuă și va demonstra că este cu adevărat posibil să conduceți o astfel de mașină.

Adică, din punct de vedere tehnic și științific, ITER va oferi o valoare Q de 10 și un timp de ardere crescut.

Programul de fuziune termonucleară este cu adevărat internațional și larg în natură. Oamenii mizează deja pe succesul ITER și se gândesc la următorul pas - crearea unui prototip de reactor termonuclear industrial numit DEMO. Pentru a-l construi, ITER trebuie să funcționeze. Trebuie să ne atingem obiectivele științifice, pentru că asta ar însemna că ideile pe care le propunem sunt destul de fezabile. Cu toate acestea, sunt de acord că trebuie să te gândești mereu la ce urmează. În plus, în timpul funcționării ITER timp de 25-30 de ani, cunoștințele noastre se vor aprofunda și extinde treptat și vom putea să ne conturăm mai precis următorul pas.

Într-adevăr, nu există nicio dezbatere dacă ITER ar trebui să fie un tokamak. Unii oameni de știință pun întrebarea cu totul diferit: ar trebui să existe ITER? Experții din diferite țări care își dezvoltă propriile proiecte termonucleare, nu atât de mari, susțin că un reactor atât de mare nu este deloc necesar.

Cu toate acestea, opinia lor cu greu poate fi considerată autoritară. Fizicienii care au lucrat cu capcane toroidale au fost implicați în crearea ITER de câteva decenii. Proiectarea reactorului termonuclear experimental din Karadash sa bazat pe toate cunoștințele acumulate în timpul experimentelor pe zeci de tokamak-uri predecesori. Și aceste rezultate indică faptul că reactorul trebuie să aibă neapărat un tokamak și unul mare.

JET În acest moment, cel mai de succes tokamak poate fi considerat JET, construit de UE în orașul britanic Ebingdon. Acesta este cel mai mare dintre reactoarele de tip tokamak create până în prezent, cu o rază mare a torului de plasmă de 2,96 metri. Puterea unei reacții termonucleare a atins deja peste 20 de megawați cu un timp de menținere de până la 10 secunde. Reactorul returnează aproximativ 40% din energia introdusă în plasmă.

Fizica plasmei este cea care determină echilibrul energetic, - a declarat Igor Semenov pentru Infox.ru. Profesorul asociat MIPT a descris ce înseamnă bilanțul energetic folosind un exemplu simplu: „Am văzut cu toții cum arde un foc. De fapt, nu arde lemne de foc, ci gaz. Lanțul energetic de acolo este următorul: gazul arde, lemnul se încălzește, lemnul se evaporă, gazul arde din nou. Prin urmare, dacă aruncăm apă în foc, atunci vom lua brusc energie din sistem pentru tranziția de fază a apei lichide într-o stare de vapori. Balanța va deveni negativă, focul se va stinge. Există o altă modalitate - putem pur și simplu să luăm firebrands și să le răspândim în spațiu. Se va stinge și focul. La fel, în reactorul de fuziune pe care îl construim. Dimensiunile sunt alese astfel încât să creeze un bilanț energetic pozitiv corespunzător pentru un reactor dat. Suficient pentru a construi un adevărat TNPP în viitor, rezolvând în această etapă experimentală toate problemele care rămân nerezolvate în acest moment”.

Dimensiunile reactorului au fost schimbate o dată. Acest lucru s-a întâmplat la începutul secolului XX-XXI, când Statele Unite s-au retras din proiect, iar membrii rămași și-au dat seama că bugetul ITER (la acea vreme era estimat la 10 miliarde de dolari SUA) este prea mare. Fizicienii și inginerii au fost obligați să reducă costul instalației. Și acest lucru s-a putut face doar datorită dimensiunii. „Reproiectarea” ITER a fost condusă de fizicianul francez Robert Aymar, care a lucrat anterior la tokamak francez Tore Supra din Karadash. Raza exterioară a torului de plasmă a fost redusă de la 8,2 metri la 6,3 metri. Cu toate acestea, riscurile asociate cu reducerea dimensiunii au fost parțial compensate de mai mulți magneți supraconductori suplimentari, care au făcut posibilă implementarea regimului de izolare a plasmei, care a fost descoperit și studiat la acel moment.

Spunem că vom pune soarele într-o cutie. Ideea este frumoasa. Problema este că nu știm cum să facem cutia.

Pierre-Gilles de Gennes
laureat al premiului Nobel francez

Proiecte guvernamentale

Rezultat

Etichete: Adăugați etichete

Fuziunea termonucleară controlată este visul fizicienilor și companiilor energetice pe care le-au prețuit de zeci de ani. A pune în cușcă un soare artificial este o idee grozavă. „Dar problema este că nu știm cum să creăm o astfel de cutie.”- a spus laureatul Nobel Pierre Gilles de Gennes în 1991. Cu toate acestea, până la jumătatea anului 2018, știm deja cum. Și chiar construim. Cele mai bune minți din lume lucrează la proiectul reactorului termonuclear experimental internațional ITER - cel mai ambițios și mai scump experiment din știința modernă.

Un astfel de reactor costă de cinci ori mai mult decât Large Hadron Collider. Sute de oameni de știință din întreaga lume lucrează la proiect. Finanțarea acestuia poate depăși cu ușurință 19 miliarde de euro, iar prima plasmă prin reactor va fi lansată abia în decembrie 2025. Și în ciuda întârzierilor constante, a dificultăților tehnologice, a finanțării insuficiente din partea țărilor participante individuale, se construiește cea mai mare „mașină de mișcare perpetuă” termonucleară din lume. Are mult mai multe avantaje decât dezavantaje. Care? Începem povestea noastră despre cel mai ambițios proiect de construcție științifică al timpului nostru cu teorie.

Ce este un tokamak?

Sub influența temperaturilor enorme și a gravitației, fuziunea termonucleară are loc în adâncurile Soarelui nostru și ale altor stele. Nucleele de hidrogen se ciocnesc, formează atomi de heliu mai grei și, în același timp, eliberează neutroni și o cantitate imensă de energie.

Știința modernă a ajuns la concluzia că la cea mai scăzută temperatură inițială, cea mai mare cantitate de energie este produsă de reacția dintre izotopii hidrogenului - deuteriu și tritiu. Dar trei condiții sunt importante pentru aceasta: temperatură ridicată (aproximativ 150 de milioane de grade Celsius), densitate mare a plasmei și timp mare de retenție.

Cert este că nu vom putea crea o densitate atât de colosală ca cea a Soarelui. Tot ce rămâne este să încălziți gazul până la o stare de plasmă prin intermediul temperaturilor ultra-înalte. Dar niciun material nu poate rezista la contactul cu o plasmă atât de fierbinte. Pentru aceasta, academicianul Andrei Saharov (cu sugestia lui Oleg Lavrentyev) în anii 1950 a propus folosirea unor camere toroidale (sub formă de gogoașă goală) cu un câmp magnetic care să rețină plasma. Mai târziu, a fost inventat termenul - tokamak.

Centralele moderne, care ard combustibili fosili, transformă puterea mecanică (rotația turbinei, de exemplu) în energie electrică. Tokamak-urile vor folosi energia de fuziune absorbită sub formă de căldură de pereții dispozitivului pentru a încălzi și a produce abur, care va transforma turbinele.

Primul tokamak din lume. T-1 sovietic. anul 1954

Tokamak-uri experimentale mici au fost construite în toată lumea. Și au demonstrat cu succes că o persoană poate crea o plasmă la temperatură înaltă și o poate menține într-o stare stabilă pentru ceva timp. Dar desenele industriale sunt încă departe.

Instalarea T-15. anii 1980

Avantajele și dezavantajele reactoarelor de fuziune

Reactoarele nucleare tipice funcționează cu zeci de tone de combustibil radioactiv (care se transformă în cele din urmă în zeci de tone de deșeuri radioactive), în timp ce un reactor de fuziune are nevoie doar de sute de grame de tritiu și deuteriu. Primul poate fi produs chiar pe reactor: neutronii eliberați în timpul sintezei vor acționa asupra pereților reactorului cu impurități de litiu, din care apare tritiul. Rezervele de litiu vor dura mii de ani. Nici deuteriu nu va lipsi - acesta este produs în lume în zeci de mii de tone pe an.

Un reactor de fuziune nu emite gaze cu efect de seră, ceea ce este tipic pentru combustibilii fosili. Iar produsul secundar sub formă de heliu-4 este un gaz inert inofensiv.

În plus, reactoarele de fuziune sunt sigure. În orice dezastru, reacția termonucleară se va opri pur și simplu fără consecințe grave pentru mediu sau personal, deoarece nu va exista nimic care să susțină reacția de fuziune: are nevoie de prea multe condiții de seră.

Cu toate acestea, reactoarele termonucleare au și dezavantaje. În primul rând, aceasta este dificultatea banală de a lansa o reacție autosusținută. Are nevoie de un vid profund. Sistemele complexe de izolare magnetică necesită bobine magnetice supraconductoare uriașe.

Și nu uitați de radiații. În ciuda unor stereotipuri despre inofensivitatea reactoarelor termonucleare, bombardarea împrejurimilor lor cu neutroni generați în timpul fuziunii nu poate fi anulată. Acest bombardament are ca rezultat radiații. Prin urmare, întreținerea reactorului trebuie efectuată de la distanță. Privind în viitor, să spunem că după lansare, roboții vor fi angajați în întreținerea directă a tokamak-ului ITER.

În plus, tritiul radioactiv poate fi periculos dacă este ingerat. Adevărat, va fi suficient să aveți grijă de depozitarea corespunzătoare a acestuia și să creați bariere de siguranță pe toate rutele posibile de distribuție a acestuia în cazul unui accident. În plus, timpul de înjumătățire al tritiului este de 12 ani.

Când a fost pusă baza minimă necesară a teoriei, puteți merge la eroul articolului.

Cel mai ambițios proiect al vremurilor noastre

În 1985, la Geneva a avut loc prima din mulți ani o întâlnire personală a șefilor URSS și SUA. Înainte de asta, Războiul Rece a atins apogeul: superputerile au boicotat Jocurile Olimpice, și-au construit potențialul nuclear și nu aveau de gând să negocieze. Acest summit al celor două țări pe teritoriu neutru este remarcabil pentru o altă circumstanță importantă. În cadrul acestuia, secretarul general al Comitetului Central al PCUS, Mihail Gorbaciov, a propus implementarea unui proiect internațional comun pentru dezvoltarea energiei termonucleare în scopuri pașnice.

Aceștia ajung în Franța pe mare, iar din port până la șantier sunt transportați de-a lungul unui drum special modificat de guvernul francez. Țara a cheltuit 110 milioane de euro pe 104 km din ITER Way și 4 ani de muncă. Pista a fost lărgită și consolidată. Cert este că până în 2021 vor trece prin el 250 de convoai cu încărcături uriașe. Cele mai grele părți ajung la 900 de tone, cea mai înaltă - 10 metri, cea mai lungă - 33 de metri.

ITER nu a fost încă pus în funcțiune. Cu toate acestea, există deja un proiect pentru o centrală de fuziune termonucleară DEMO, a cărei sarcină este tocmai să demonstreze atractivitatea utilizării comerciale a tehnologiei. Acest complex va trebui să genereze continuu (și nu puls, ca ITER) 2 GW de energie.

Momentul de implementare a noului proiect global depinde de succesul ITER, dar conform planului din 2012, prima lansare a DEMO va avea loc nu mai devreme de 2044.