Är termonukleär energi nödvändig?
I detta skede av civilisationens utveckling kan vi med säkerhet säga att mänskligheten står inför en "energiutmaning". Det beror på flera grundläggande faktorer:
— Mänskligheten förbrukar nu en enorm mängd energi.
För närvarande är världens energiförbrukning cirka 15,7 terawatt (TW). Om vi dividerar detta värde med planetens befolkning får vi cirka 2400 watt per person, vilket lätt kan uppskattas och föreställas. Den energi som förbrukas av varje invånare på jorden (inklusive barn) motsvarar 24 100-watts elektriska lampor dygnet runt.
— Världens energiförbrukning ökar snabbt.
Enligt International Energy Agency (2006) förväntas den globala energiförbrukningen öka med 50 % till 2030.
— För närvarande skapas 80 % av världens energi genom förbränning av fossila bränslen (olja, kol och gas).), vars användning potentiellt innebär risk för katastrofala miljöförändringar.
Följande skämt är populärt bland saudiaraber: ”Min far red på en kamel. Jag har en bil och min son flyger redan ett plan. Men nu ska hans son rida på en kamel igen.”
Så verkar vara fallet, eftersom alla seriösa prognoser är att världens oljereserver i stort sett kommer att ta slut om cirka 50 år.
Även baserat på uppskattningar från US Geological Survey (denna prognos är mycket mer optimistisk än andra), kommer tillväxten av världens oljeproduktion att fortsätta i högst de kommande 20 åren (andra experter förutspår att toppproduktionen kommer att nås om 5-10 år), varefter volymen producerad olja kommer att börja minska med cirka 3 % per år. Utsikterna för naturgasproduktion ser inte mycket bättre ut. Man brukar säga att vi kommer att ha tillräckligt med kol i ytterligare 200 år, men denna prognos bygger på att den befintliga produktions- och konsumtionsnivån upprätthålls. Samtidigt ökar nu kolkonsumtionen med 4,5 % per år, vilket omedelbart minskar den nämnda perioden på 200 år till bara 50 år.
Därför bör vi nu förbereda oss för slutet av eran med användning av fossila bränslen.
Tyvärr kan nuvarande alternativa energikällor inte täcka mänsklighetens växande behov. Enligt de mest optimistiska uppskattningarna är den maximala mängden energi (i specificerad termisk ekvivalent) som genereras av de listade källorna endast 3 TW (vind), 1 TW (vattenkraft), 1 TW (biologiska källor) och 100 GW (geotermisk och marin växter). Den totala mängden extra energi (även i denna mest optimala prognos) är bara cirka 6 TW. Det är värt att notera att utvecklingen av nya energikällor är en mycket komplicerad teknisk uppgift, så kostnaden för den energi de producerar blir i alla fall högre än vid vanlig förbränning av kol etc. Det verkar ganska uppenbart att
mänskligheten måste leta efter några andra energikällor, för vilka för närvarande bara solens och termonukleära fusionsreaktioner verkligen kan övervägas.
Solen är potentiellt en nästan outtömlig energikälla. Mängden energi som träffar bara 0,1 % av planetens yta motsvarar 3,8 TW (även om den omvandlas med endast 15 % effektivitet). Problemet ligger i vår oförmåga att fånga och omvandla denna energi, vilket är förknippat både med de höga kostnaderna för solpaneler och med problemen med ackumulering, lagring och vidare överföring av den resulterande energin till de nödvändiga regionerna.
För närvarande producerar kärnkraftverk energi som frigörs under fissionsreaktioner av atomkärnor i stor skala. Jag anser att skapandet och utvecklingen av sådana stationer bör uppmuntras på alla möjliga sätt, men man måste ta hänsyn till att reserverna av ett av de viktigaste materialen för deras drift (billigt uran) också helt kan förbrukas inom nästa 50 år.
En annan viktig utvecklingsriktning är användningen av kärnfusion (kärnfusion), som nu fungerar som det främsta hoppet om frälsning, även om tidpunkten för skapandet av de första termonukleära kraftverken är fortfarande osäker. Denna föreläsning är tillägnad detta ämne.
Vad är kärnfusion?
Kärnfusion, som är grunden för solens och stjärnornas existens, utgör potentiellt en outtömlig energikälla för utvecklingen av universum i allmänhet. Experiment utförda i Ryssland (Ryssland är födelseplatsen för den termonukleära anläggningen Tokamak), USA, Japan, Tyskland samt i Storbritannien som en del av Joint European Torus-programmet (JET), som är ett av de ledande forskningsprogrammen i världen, visar att kärnfusion inte bara kan tillhandahålla mänsklighetens nuvarande energibehov (16 TW), utan också en mycket större mängd energi.
Kärnfusionsenergi är mycket verklig, och huvudfrågan är om vi kan skapa tillräckligt pålitliga och kostnadseffektiva fusionsanläggningar.
Kärnfusionsprocesser är reaktioner som involverar fusion av lätta atomkärnor till tyngre, vilket frigör en viss mängd energi.
Först och främst bör det noteras reaktionen mellan två isotoper (deuterium och tritium) av väte, vilket är mycket vanligt på jorden, som ett resultat av vilket helium bildas och en neutron frigörs. Reaktionen kan skrivas så här:
D + T = 4 He + n + energi (17,6 MeV).
Den frigjorda energin, till följd av att helium-4 har mycket starka kärnbindningar, omvandlas till vanlig kinetisk energi, fördelad mellan neutronen och helium-4-kärnan i proportionen 14,1 MeV/3,5 MeV.
För att initiera (antända) fusionsreaktionen är det nödvändigt att helt jonisera och värma gasen från en blandning av deuterium och tritium till en temperatur över 100 miljoner grader Celsius (vi kommer att beteckna det med M grader), vilket är ungefär fem gånger högre än temperaturen i solens centrum. Redan vid temperaturer på flera tusen grader leder interatomära kollisioner till att elektroner slås ut ur atomerna, vilket resulterar i bildandet av en blandning av separerade kärnor och elektroner som kallas plasma, i vilka positivt laddade och högenergiska deuteroner och tritoner (det vill säga deuterium) och tritiumkärnor) upplever stark ömsesidig avstötning. Den höga temperaturen hos plasman (och den associerade höga jonenergin) gör det dock möjligt för dessa deuterium- och tritiumjoner att övervinna Coulomb-avstötning och kollidera med varandra. Vid temperaturer över 100 M grader möts de mest "energiska" deuteronerna och tritonerna i kollisioner på så nära avstånd att kraftfulla kärnkrafter börjar agera mellan dem, vilket tvingar dem att smälta samman till en enda helhet.
Att genomföra denna process i laboratoriet ställer till tre mycket svåra problem. Först och främst måste gasblandningen av kärnor D och T värmas till temperaturer över 100 M grader, vilket på något sätt förhindrar att den svalnar och blir förorenad (på grund av reaktioner med kärlets väggar).
För att lösa detta problem uppfanns "magnetiska fällor", kallade Tokamak, som förhindrar interaktion av plasma med reaktorns väggar.
I den beskrivna metoden värms plasmat upp av en elektrisk ström som flyter inuti torus till cirka 3 M grader, vilket dock fortfarande är otillräckligt för att initiera reaktionen. För att ytterligare värma plasman "pumpas" energi antingen in i den med radiofrekvent strålning (som i en mikrovågsugn), eller så injiceras strålar av neutrala partiklar med hög energi, som överför sin energi till plasman under kollisioner. Dessutom uppstår värmeavgivningen på grund av själva termonukleära reaktioner (som kommer att diskuteras nedan), vilket resulterar i att "antändningen" av plasman bör ske i en tillräckligt stor installation.
För närvarande, i Frankrike, börjar bygget av den internationella experimentella termonukleära reaktorn ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), som beskrivs nedan, som kommer att vara den första Tokamak som kan "antända" plasma.
I de mest avancerade befintliga installationerna av Tokamak-typ har temperaturer på cirka 150 M grader länge uppnåtts, nära de värden som krävs för driften av en termonukleär station, men ITER-reaktorn bör bli den första storskaliga kraften anläggning konstruerad för långvarig drift. I framtiden kommer det att vara nödvändigt att avsevärt förbättra parametrarna för dess drift, vilket först och främst kommer att kräva en ökning av trycket i plasman, eftersom kärnfusionshastigheten vid en given temperatur är proportionell mot kvadraten på trycket.
Det huvudsakliga vetenskapliga problemet i detta fall är relaterat till det faktum att när trycket i plasman ökar, uppstår mycket komplexa och farliga instabiliteter, det vill säga instabila driftslägen.
De elektriskt laddade heliumkärnorna som uppstår under fusionsreaktionen hålls inne i en "magnetisk fälla", där de gradvis bromsas ner på grund av kollisioner med andra partiklar, och energin som frigörs vid kollisioner hjälper till att hålla plasmakabelns höga temperatur. Neutrala (utan elektrisk laddning) neutroner lämnar systemet och överför sin energi till reaktorns väggar, och värmen som tas från väggarna är energikällan för driften av turbiner som genererar elektricitet. Problemen och svårigheterna med att driva en sådan anläggning är för det första förknippade med det faktum att ett kraftfullt flöde av högenergineutroner och den frigjorda energin (i form av elektromagnetisk strålning och plasmapartiklar) allvarligt påverkar reaktorn och kan förstöra materialen som den är gjord av.
På grund av detta är utformningen av termonukleära installationer mycket komplex. Fysiker och ingenjörer står inför uppgiften att säkerställa hög tillförlitlighet i sitt arbete. Utformningen och konstruktionen av termonukleära stationer kräver att de löser ett antal olika och mycket komplexa tekniska problem.
Utformning av termonukleärt kraftverk
Figuren visar ett schematiskt diagram (ej skalenligt) över enheten och funktionsprincipen för ett termonukleärt kraftverk. I den centrala delen finns en toroidformad (munkformad) kammare med en volym på ~ 2000 m 3, fylld med tritium-deuterium (T-D) plasma uppvärmd till en temperatur över 100 M grader. Neutronerna som produceras under fusionsreaktionen lämnar den "magnetiska fällan" och går in i skalet som visas i figuren med en tjocklek på cirka 1 m
Inuti skalet kolliderar neutroner med litiumatomer, vilket resulterar i en reaktion som producerar tritium:
neutron + litium = helium + tritium.
Dessutom inträffar konkurrerande reaktioner i systemet (utan bildning av tritium), liksom många reaktioner med frisättning av ytterligare neutroner, som då också leder till bildning av tritium (i detta fall kan frisättningen av ytterligare neutroner vara avsevärt förstärkt, till exempel genom att introducera atomer i skalet beryllium och bly). Den allmänna slutsatsen är att denna anläggning (åtminstone teoretiskt) skulle kunna genomgå en kärnfusionsreaktion som skulle producera tritium. Mängden tritium som produceras bör i detta fall inte bara tillgodose behoven för själva installationen, utan även vara ännu något större, vilket gör det möjligt att förse nya installationer med tritium.
Det är detta driftkoncept som måste testas och implementeras i ITER-reaktorn som beskrivs nedan.
Neutroner ska värma skalet i så kallade pilotanläggningar (där relativt "vanliga" byggmaterial kommer att användas) till en temperatur på cirka 400 grader. I framtiden är det planerat att skapa förbättrade installationer med en skalvärmetemperatur över 1000 grader, vilket kan uppnås genom användning av de senaste höghållfasta materialen (som kiselkarbidkompositer). Värmen som genereras i skalet, som i konventionella stationer, tas av den primära kylkretsen med ett kylmedel (innehållande till exempel vatten eller helium) och överförs till sekundärkretsen, där vattenånga produceras och tillförs turbinerna.
Den främsta fördelen med kärnfusion är att den endast kräver mycket små mängder ämnen som är mycket vanliga i naturen som bränsle.
Kärnfusionsreaktionen i de beskrivna installationerna kan leda till att enorma mängder energi frigörs, tio miljoner gånger högre än standardvärmen som frigörs vid konventionella kemiska reaktioner (som förbränning av fossila bränslen). Som jämförelse påpekar vi att mängden kol som krävs för att driva ett värmekraftverk med en kapacitet på 1 gigawatt (GW) är 10 000 ton per dag (tio järnvägsvagnar), och en fusionsanläggning med samma effekt kommer att förbruka endast ca. 1 kg D+ blandning per dag T.
Deuterium är en stabil isotop av väte; I ungefär en av 3 350 molekyler av vanligt vatten ersätts en av väteatomerna av deuterium (ett arv från universums Big Bang). Detta faktum gör det enkelt att organisera en ganska billig produktion av den erforderliga mängden deuterium från vatten. Det är svårare att få fram tritium, som är instabilt (halveringstid är cirka 12 år, vilket gör att dess innehåll i naturen är försumbart), men som visas ovan kommer tritium att produceras direkt inuti den termonukleära installationen under drift på grund av neutroners reaktion med litium.
Sålunda är det initiala bränslet för en fusionsreaktor litium och vatten.
Litium är en vanlig metall som ofta används i hushållsapparater (till exempel mobiltelefonbatterier). Den ovan beskrivna installationen kommer, även med hänsyn till icke-ideal verkningsgrad, att kunna producera 200 000 kWh elektrisk energi, vilket motsvarar den energi som finns i 70 ton kol. Mängden litium som krävs för detta finns i ett datorbatteri och mängden deuterium finns i 45 liter vatten. Ovanstående värde motsvarar den aktuella elförbrukningen (beräknad per person) i EU-länderna över 30 år. Just det faktum att en så obetydlig mängd litium kan ge generering av en sådan mängd elektricitet (utan CO 2 -utsläpp och utan den minsta luftförorening) är ett ganska allvarligt argument för den snabba och kraftfulla utvecklingen av forskning om utvecklingen av termonukleär energi. energi (trots alla svårigheter och problem) även med långsiktiga utsikter att skapa en kostnadseffektiv termonukleär reaktor.
Deuterium bör räcka i miljontals år, och reserver av lättminerat litium är ganska tillräckliga för att tillgodose behoven i hundratals år.
Även om litium i stenar tar slut kan vi utvinna det ur vatten, där det finns i koncentrationer som är tillräckligt höga (100 gånger urankoncentrationen) för att göra dess utvinning ekonomiskt lönsam.
Fusionsenergi lovar inte bara mänskligheten i princip möjligheten att producera enorma mängder energi i framtiden (utan CO 2 -utsläpp och utan luftföroreningar), utan har också en rad andra fördelar.
1 ) Hög intern säkerhet.
Plasma som används i termonukleära anläggningar har en mycket låg densitet (cirka en miljon gånger lägre än atmosfärens densitet), vilket gör att anläggningarnas driftsmiljö aldrig kommer att innehålla tillräckligt med energi för att orsaka allvarliga incidenter eller olyckor.
Dessutom måste lastning med "bränsle" utföras kontinuerligt, vilket gör det enkelt att stoppa dess drift, för att inte nämna det faktum att i händelse av en olycka och en kraftig förändring av miljöförhållandena, bör den termonukleära "lågan" helt enkelt gå ut.
Vilka är farorna med termonukleär energi? För det första är det värt att notera att även om fusionsprodukterna (helium och neutroner) inte är radioaktiva, kan reaktorskalet bli radioaktivt under långvarig neutronbestrålning.
För det andra är tritium radioaktivt och har en relativt kort halveringstid (12 år). Men även om volymen plasma som används är betydande, innehåller den på grund av sin låga densitet endast en mycket liten mängd tritium (en totalvikt på cirka tio frimärken). Det är därför
även i de mest allvarliga situationer och olyckor (fullständig förstörelse av skalet och frigörandet av allt tritium som finns i det, till exempel under en jordbävning och en flygplanskrasch på stationen), kommer endast en liten mängd bränsle att släppas ut i miljö, som inte kommer att kräva evakuering av befolkningen från närliggande befolkade områden.
2 ) Energikostnad.
Det förväntas att det så kallade "interna" priset på mottagen el (kostnaden för själva produktionen) kommer att bli acceptabelt om det är 75 % av det pris som redan finns på marknaden. "Prisvärd" betyder i detta fall att priset blir lägre än priset på energi som produceras med gamla kolvätebränslen. Den "externa" kostnaden (biverkningar, effekter på folkhälsan, klimat, ekologi, etc.) kommer att vara i stort sett noll.
Internationell experimentell termonukleär reaktor ITER
Det viktigaste nästa steget är att bygga ITER-reaktorn, utformad för att demonstrera själva möjligheten att antända ett plasma och, på grundval av detta, erhålla minst en tiofaldig energiökning (i förhållande till den energi som spenderas på att värma plasman). ITER-reaktorn kommer att vara en experimentell anordning som inte ens kommer att vara utrustad med turbiner för att generera elektricitet och anordningar för att använda den. Syftet med dess skapande är att studera de villkor som måste uppfyllas under driften av sådana kraftverk, såväl som skapandet på denna grund av verkliga, ekonomiskt lönsamma kraftverk, som uppenbarligen borde överstiga ITER i storlek. Att skapa riktiga prototyper av fusionskraftverk (det vill säga anläggningar fullt utrustade med turbiner etc.) kräver att man löser följande två problem. För det första är det nödvändigt att fortsätta att utveckla nya material (som kan motstå de mycket hårda driftsförhållandena som beskrivs) och testa dem i enlighet med de särskilda reglerna för IFMIF-utrustningen (International Fusion Irradiation Facility) som beskrivs nedan. För det andra måste många rent tekniska problem lösas och ny teknik måste utvecklas relaterade till fjärrkontroll, uppvärmning, beklädnadsdesign, bränslecykler, etc. 2
Figuren visar ITER-reaktorn, som är överlägsen dagens största JET-installation inte bara i alla linjära dimensioner (ungefär två gånger), utan också i storleken på de magnetiska fält som används i den och strömmarna som flyter genom plasman.
Syftet med att skapa denna reaktor är att visa förmågan hos fysikers och ingenjörers kombinerade ansträngningar för att bygga ett storskaligt fusionskraftverk.
Installationskapaciteten som planeras av konstruktörerna är 500 MW (med energiförbrukning vid systemeffekten på endast cirka 50 MW). 3
ITER-installationen skapas av ett konsortium som omfattar EU, Kina, Indien, Japan, Sydkorea, Ryssland och USA. Den totala befolkningen i dessa länder är ungefär hälften av jordens totala befolkning, så projektet kan kallas ett globalt svar på en global utmaning. Huvudkomponenterna och komponenterna i ITER-reaktorn har redan skapats och testats, och konstruktionen har redan påbörjats i Cadarache (Frankrike). Lanseringen av reaktorn är planerad till 2020, och produktionen av deuterium-tritiumplasma är planerad till 2027, eftersom driftsättningen av reaktorn kräver långa och seriösa tester för plasma från deuterium och tritium.
ITER-reaktorns magnetspolar är baserade på supraledande material (som i princip tillåter kontinuerlig drift så länge som ström upprätthålls i plasman), så konstruktörerna hoppas kunna ge en garanterad arbetscykel på minst 10 minuter. Det är tydligt att närvaron av supraledande magnetspolar är fundamentalt viktig för den kontinuerliga driften av ett riktigt termonukleärt kraftverk. Supraledande spolar har redan använts i enheter av Tokamak-typ, men de har inte tidigare använts i sådana storskaliga installationer avsedda för tritiumplasma. Dessutom kommer ITER-anläggningen att vara den första att använda och testa olika skalmoduler utformade för att fungera i verkliga stationer där tritiumkärnor kan genereras eller "återvinnas."
Huvudmålet med konstruktionen av installationen är att demonstrera framgångsrik kontroll av plasmaförbränning och möjligheten att faktiskt få energi i termonukleära anordningar på den befintliga teknikutvecklingsnivån.
Ytterligare utveckling i denna riktning kommer naturligtvis att kräva en hel del ansträngningar för att förbättra anordningarnas effektivitet, särskilt med tanke på deras ekonomiska genomförbarhet, vilket är förknippat med seriös och långvarig forskning, både vid ITER-reaktorn och på andra enheter. Bland de tilldelade uppgifterna bör följande tre särskilt lyftas fram:
1) Det är nödvändigt att visa att den befintliga nivån av vetenskap och teknik redan gör det möjligt att uppnå en 10-faldig energivinst (jämfört med den som går åt för att upprätthålla processen) i en kontrollerad kärnfusionsprocess. Reaktionen måste fortgå utan förekomsten av farliga instabila förhållanden, utan överhettning och skador på strukturella material, och utan kontaminering av plasman med föroreningar. Med fusionsenergieffekter i storleksordningen 50 % av plasmavärmeeffekten har dessa mål redan uppnåtts i experiment i små anläggningar, men skapandet av ITER-reaktorn kommer att testa tillförlitligheten hos kontrollmetoder i en mycket större anläggning som producerar mycket mer energi under lång tid. ITER-reaktorn är designad för att testa och komma överens om kraven för en framtida fusionsreaktor, och dess konstruktion är en mycket komplex och intressant uppgift.
2) Det är nödvändigt att studera metoder för att öka trycket i plasman (kom ihåg att reaktionshastigheten vid en given temperatur är proportionell mot kvadraten på trycket) för att förhindra uppkomsten av farliga instabila sätt för plasmabeteende. Framgången för forskning i denna riktning kommer antingen att säkerställa driften av reaktorn vid en högre plasmadensitet eller minska kraven på styrkan hos de genererade magnetfälten, vilket avsevärt kommer att minska kostnaden för den elektricitet som produceras av reaktorn.
3) Tester måste bekräfta att kontinuerlig drift av reaktorn i ett stabilt läge realistiskt kan säkerställas (ur ekonomisk och teknisk synvinkel verkar detta krav mycket viktigt, om inte det huvudsakliga), och installationen kan startas utan stora utgifter för energi. Forskare och designers hoppas verkligen att det "kontinuerliga" flödet av elektromagnetisk ström genom plasman kan säkerställas genom dess generering i plasmat (på grund av högfrekvent strålning och injicering av snabba atomer).
Den moderna världen står inför en mycket allvarlig energiutmaning, som mer exakt kan kallas en "osäker energikris."
För närvarande skapas nästan all energi som förbrukas av mänskligheten genom att förbränna fossila bränslen, och lösningen på problemet kan vara förknippad med användningen av solenergi eller kärnenergi (skapandet av snabba neutronreaktorer, etc.). Det globala problemet som orsakas av den växande befolkningen i utvecklingsländerna och deras behov av att förbättra levnadsstandarden och öka mängden energi som produceras kan inte lösas enbart på basis av dessa tillvägagångssätt, även om naturligtvis alla försök att utveckla alternativa metoder för energiproduktion bör uppmuntras.
Om det inte finns några större och oväntade överraskningar på vägen till utvecklingen av termonukleär energi, under förutsättning att det utvecklade rimliga och ordnade handlingsprogrammet, vilket (naturligtvis, med förbehåll för en god organisation av arbetet och tillräcklig finansiering) bör leda till skapandet av ett prototyp av termonukleärt kraftverk. I det här fallet kommer vi om cirka 30 år att kunna leverera elektrisk ström från den till energinäten för första gången, och om drygt 10 år kommer det första kommersiella termonukleära kraftverket att börja fungera. Det är möjligt att kärnfusionsenergin under andra hälften av detta århundrade kommer att börja ersätta fossila bränslen och gradvis börja spela en allt viktigare roll för att tillhandahålla energi till mänskligheten på en global skala.
Vi säger att vi ska lägga solen i en låda. Idén är snygg. Problemet är att vi inte vet hur man gör lådan.
Pierre-Gilles de Gennes
fransk nobelpristagare
Alla elektroniska enheter och maskiner behöver energi och mänskligheten förbrukar mycket av den. Men fossila bränslen håller på att ta slut, och alternativ energi är ännu inte tillräckligt effektiv.
Det finns en metod för att erhålla energi som passar alla krav - termonukleär fusion. Reaktionen av termonukleär fusion (omvandlingen av väte till helium och frigörandet av energi) sker ständigt i solen och denna process förser planeten med energi i form av solstrålar. Du behöver bara imitera det på jorden, i mindre skala. Det räcker med att ge högt tryck och mycket hög temperatur (10 gånger högre än på solen) och fusionsreaktionen kommer att startas. För att skapa sådana förhållanden måste du bygga en termonukleär reaktor. Det kommer att använda mer rikliga resurser på jorden, kommer att vara säkrare och kraftfullare än konventionella kärnkraftverk. I mer än 40 år har försök gjorts att bygga den och experiment har genomförts. Under de senaste åren har en av prototyperna till och med lyckats få ut mer energi än vad som förbrukades. De mest ambitiösa projekten inom detta område presenteras nedan:
Statliga projekt
Den största allmänhetens uppmärksamhet har nyligen ägnats åt en annan termonukleär reaktorkonstruktion - Wendelstein 7-X stellaratorn (stellaratorn är mer komplex i sin inre struktur än ITER, som är en tokamak). Efter att ha spenderat drygt 1 miljard dollar byggde tyska forskare en förminskad demonstrationsmodell av reaktorn på 9 år till 2015. Om den visar bra resultat kommer en större version att byggas.
Frankrikes MegaJoule Laser kommer att bli världens mest kraftfulla laser och kommer att försöka utveckla en laserbaserad metod för att bygga en fusionsreaktor. Den franska installationen förväntas tas i drift 2018.
NIF (National Ignition Facility) byggdes i USA under 12 år och 4 miljarder dollar till 2012. De förväntade sig att testa tekniken och sedan omedelbart bygga en reaktor, men det visade sig att, som Wikipedia rapporterar, krävs betydande arbete om systemet någonsin kommer att nå tändning. Som ett resultat avbröts grandiosa planer och forskare började gradvis förbättra lasern. Den sista utmaningen är att höja energiöverföringseffektiviteten från 7 % till 15 %. Annars kan kongressens finansiering för denna metod för att uppnå syntes upphöra.
I slutet av 2015 påbörjades bygget av en byggnad för världens kraftfullaste laserinstallation i Sarov. Det kommer att vara kraftfullare än de nuvarande amerikanska och framtida franska och kommer att göra det möjligt att utföra experiment som är nödvändiga för att bygga en "laser" version av reaktorn. Slutförande av bygget 2020.
Belägen i USA är MagLIF-fusionslasern erkänd som en mörk häst bland metoderna för att uppnå termonukleär fusion. Den här metoden har nyligen visat bättre resultat än förväntat, men effekten behöver fortfarande ökas med 1000 gånger. Lasern genomgår för närvarande en uppgradering och 2018 hoppas forskarna få samma mängd energi som de spenderade. Om det lyckas kommer en större version att byggas.
Det ryska kärnfysikinstitutet experimenterade ihärdigt med metoden "öppen fälla", som USA övergav på 90-talet. Som ett resultat erhölls indikatorer som ansågs omöjliga för denna metod. BINP-forskare tror att deras installation nu är på nivån för tyska Wendelstein 7-X (Q=0,1), men billigare. Nu bygger de en ny installation för 3 miljarder rubel
Chefen för Kurchatov-institutet påminner ständigt om planerna på att bygga en liten termonukleär reaktor i Ryssland - Ignitor. Enligt planen ska den vara lika effektiv som ITER, om än mindre. Dess konstruktion skulle ha börjat för 3 år sedan, men denna situation är typisk för stora vetenskapliga projekt.
I början av 2016 lyckades den kinesiska tokamak EAST nå en temperatur på 50 miljoner grader och behålla den i 102 sekunder. Innan byggandet av enorma reaktorer och lasrar började var alla nyheter om termonukleär fusion så här. Man kan tro att detta bara är en tävling bland forskare för att se vem som kan hålla den allt högre temperaturen längre. Ju högre plasmatemperaturen är och ju längre den kan bibehållas, desto närmare är vi början av fusionsreaktionen. Det finns dussintals sådana installationer i världen, flera fler () () byggs, så EAST-rekordet kommer snart att slås. I huvudsak är dessa små reaktorer bara testutrustning innan de skickas till ITER.
Lockheed Martin tillkännagav ett fusionsenergigenombrott 2015 som skulle göra det möjligt för dem att bygga en liten och mobil fusionsreaktor inom 10 år. Med tanke på att även mycket stora och inte alls mobila kommersiella reaktorer förväntades förrän 2040, möttes företagets besked med skepsis. Men företaget har mycket resurser, så vem vet. En prototyp väntas 2020.
Populära Silicon Valley-startupen Helion Energy har sin egen unika plan för att uppnå termonukleär fusion. Företaget har samlat in mer än 10 miljoner dollar och förväntar sig att skapa en prototyp till 2019.
Lågprofilstartup Tri Alpha Energy har nyligen uppnått imponerande resultat när det gäller att marknadsföra sin fusionsmetod (teoretiker har utvecklat >100 teoretiska sätt att uppnå fusion, tokamak är helt enkelt den enklaste och mest populära). Företaget samlade också in mer än 100 miljoner dollar i investerarfonder.
Reaktorprojektet från den kanadensiska startupen General Fusion skiljer sig ännu mer från de andra, men utvecklarna är säkra på det och har samlat in mer än 100 miljoner dollar på 10 år för att bygga reaktorn till 2020.
Den brittiska startupen First light har den mest tillgängliga webbplatsen, bildad 2014, och tillkännagav planer på att använda de senaste vetenskapliga data för att uppnå kärnfusion till en lägre kostnad.
Forskare från MIT skrev en artikel som beskrev en kompakt fusionsreaktor. De förlitar sig på ny teknik som dök upp efter att konstruktionen av gigantiska tokamak började och lovar att slutföra projektet om 10 år. Det är ännu inte känt om de får grönt ljus för att börja bygga. Även om den godkänns är en artikel i en tidning ett ännu tidigare skede än en start
Kärnfusion är kanske den minst lämpade industrin för crowdfunding. Men det är med hans hjälp och även med finansiering från NASA som företaget Lawrenceville Plasma Physics ska bygga en prototyp av sin reaktor. Av alla pågående projekt ser det här mest ut som en bluff, men vem vet, kanske kommer de att tillföra något användbart till detta storslagna arbete.
ITER kommer bara att vara en prototyp för byggandet av en fullfjädrad DEMO-installation - den första kommersiella fusionsreaktorn. Lanseringen är nu planerad till 2044 och detta är fortfarande en optimistisk prognos.
Men det finns planer för nästa etapp. En hybrid termonukleär reaktor kommer att få energi från både atomärt sönderfall (som ett konventionellt kärnkraftverk) och fusion. I denna konfiguration kan energin vara 10 gånger mer, men säkerheten är lägre. Kina hoppas kunna bygga en prototyp till 2030, men experter säger att det skulle vara som att försöka bygga hybridbilar före uppfinningen av förbränningsmotorn.
Slutsats
Det finns ingen brist på människor som vill ta med en ny energikälla till världen. ITER-projektet har störst chans, med tanke på dess omfattning och finansiering, men andra metoder, såväl som privata projekt, bör inte uteslutas. Forskare har arbetat i årtionden för att få igång fusionsreaktionen utan större framgång. Men nu finns det fler projekt för att uppnå termonukleär reaktion än någonsin tidigare. Även om var och en av dem misslyckas kommer nya försök att göras. Det är osannolikt att vi kommer att vila förrän vi lyser upp en miniatyrversion av solen, här på jorden.Taggar:
- fusionsreaktor
- energi
- framtida projekt
Hur började det hela? "Energiutmaningen" uppstod som ett resultat av en kombination av följande tre faktorer:
1. Mänskligheten förbrukar nu en enorm mängd energi.
För närvarande är världens energiförbrukning cirka 15,7 terawatt (TW). Delat detta värde med världens befolkning får vi cirka 2400 watt per person, vilket enkelt kan uppskattas och visualiseras. Energin som förbrukas av varje invånare på jorden (inklusive barn) motsvarar 24 hundra-watts elektriska lampor dygnet runt. Emellertid är förbrukningen av denna energi över planeten mycket ojämn, eftersom den är mycket stor i flera länder och försumbar i andra. Förbrukningen (i termer av en person) är lika med 10,3 kW i USA (ett av rekordvärdena), 6,3 kW i Ryska federationen, 5,1 kW i Storbritannien, etc., men å andra sidan är det lika. endast 0,21 kW i Bangladesh (endast 2 % av USA:s energiförbrukning!).
2. Världens energiförbrukning ökar dramatiskt.
Enligt Internationella energibyråns prognos (2006) ska den globala energiförbrukningen öka med 50 % till 2030. I-länder skulle naturligtvis klara sig fint utan ytterligare energi, men denna tillväxt är nödvändig för att lyfta människor ur fattigdom i utvecklingsländer, där 1,5 miljarder människor lider av allvarlig strömbrist.
3. För närvarande kommer 80 % av världens energi från förbränning av fossila bränslen(olja, kol och gas), vars användning:
a) potentiellt utgör en risk för katastrofala miljöförändringar;
b) måste oundvikligen ta slut en dag.
Av det som har sagts är det tydligt att nu måste vi förbereda oss för slutet av eran med fossila bränslen
För närvarande producerar kärnkraftverk energi som frigörs under fissionsreaktioner av atomkärnor i stor skala. Skapandet och utvecklingen av sådana stationer bör uppmuntras på alla möjliga sätt, men man måste ta hänsyn till att reserverna av ett av de viktigaste materialen för deras drift (billigt uran) också kan förbrukas helt inom de närmaste 50 åren . Möjligheterna med kärnklyvningsbaserad energi kan (och bör) utökas avsevärt genom användning av mer effektiva energicykler, vilket gör att mängden producerad energi nästan fördubblas. För att utveckla energi i denna riktning är det nödvändigt att skapa toriumreaktorer (de så kallade toriumförädlarreaktorer eller förädlarreaktorer), där reaktionen producerar mer torium än det ursprungliga uranet, vilket resulterar i att den totala mängden energi som produceras för en given mängd ämne ökar med 40 gånger. Det verkar också lovande att skapa plutoniumuppfödare med hjälp av snabba neutroner, som är mycket effektivare än uranreaktorer och kan producera 60 gånger mer energi. Det kan hända att det för att utveckla dessa områden kommer att bli nödvändigt att utveckla nya, icke-standardiserade metoder för att erhålla uran (till exempel från havsvatten, som verkar vara det mest tillgängliga).
Fusionskraftverk
Figuren visar ett schematiskt diagram (ej skalenligt) över enheten och funktionsprincipen för ett termonukleärt kraftverk. I den centrala delen finns en toroidformad (munkformad) kammare med en volym på ~2000 m3, fylld med tritium-deuterium (T–D) plasma uppvärmd till en temperatur över 100 M°C. Neutronerna som produceras under fusionsreaktionen (1) lämnar den "magnetiska flaskan" och går in i skalet som visas i figuren med en tjocklek på cirka 1 m.
Inuti skalet kolliderar neutroner med litiumatomer, vilket resulterar i en reaktion som producerar tritium:
neutron + litium → helium + tritium
Dessutom inträffar konkurrerande reaktioner i systemet (utan bildning av tritium), liksom många reaktioner med frisättning av ytterligare neutroner, som då också leder till bildning av tritium (i detta fall kan frisättningen av ytterligare neutroner vara avsevärt förstärkt, till exempel genom att introducera berylliumatomer i skalet och bly). Den allmänna slutsatsen är att denna anläggning (åtminstone teoretiskt) skulle kunna genomgå en kärnfusionsreaktion som skulle producera tritium. Mängden tritium som produceras bör i detta fall inte bara tillgodose behoven för själva installationen, utan även vara ännu något större, vilket gör det möjligt att förse nya installationer med tritium. Det är detta driftkoncept som måste testas och implementeras i ITER-reaktorn som beskrivs nedan.
Dessutom måste neutroner värma skalet i så kallade pilotanläggningar (där relativt "vanliga" byggmaterial kommer att användas) till cirka 400°C. I framtiden är det planerat att skapa förbättrade installationer med en skalvärmetemperatur över 1000°C, vilket kan uppnås genom användning av de senaste höghållfasta materialen (som kiselkarbidkompositer). Värmen som genereras i skalet, som i konventionella stationer, tas av den primära kylkretsen med ett kylmedel (innehållande till exempel vatten eller helium) och överförs till sekundärkretsen, där vattenånga produceras och tillförs turbinerna.
1985 - Sovjetunionen föreslog nästa generations Tokamak-anläggning, med hjälp av erfarenheterna från fyra ledande länder för att skapa fusionsreaktorer. Amerikas förenta stater har tillsammans med Japan och Europeiska gemenskapen lagt fram ett förslag för genomförandet av projektet.
För närvarande, i Frankrike, pågår konstruktion av den internationella experimentella termonukleära reaktorn ITER (International Tokamak Experimental Reactor), som beskrivs nedan, som kommer att vara den första tokamak som kan "antända" plasma.
De mest avancerade befintliga tokamak-installationerna har länge nått temperaturer på cirka 150 M°C, nära de värden som krävs för driften av en fusionsstation, men ITER-reaktorn bör vara det första storskaliga kraftverket som är konstruerat för länge -term drift. I framtiden kommer det att vara nödvändigt att avsevärt förbättra dess driftsparametrar, vilket först och främst kommer att kräva att trycket i plasman ökar, eftersom kärnfusionshastigheten vid en given temperatur är proportionell mot kvadraten på trycket. Det huvudsakliga vetenskapliga problemet i detta fall är relaterat till det faktum att när trycket i plasman ökar, uppstår mycket komplexa och farliga instabiliteter, det vill säga instabila driftslägen.
Varför behöver vi detta?
Den främsta fördelen med kärnfusion är att den endast kräver mycket små mängder ämnen som är mycket vanliga i naturen som bränsle. Kärnfusionsreaktionen i de beskrivna installationerna kan leda till att enorma mängder energi frigörs, tio miljoner gånger högre än standardvärmen som frigörs vid konventionella kemiska reaktioner (som förbränning av fossila bränslen). Som jämförelse påpekar vi att mängden kol som krävs för att driva ett värmekraftverk med en kapacitet på 1 gigawatt (GW) är 10 000 ton per dag (tio järnvägsvagnar), och en fusionsanläggning med samma effekt kommer att förbruka endast ca. 1 kg av D+T-blandningen per dag.
Deuterium är en stabil isotop av väte; I ungefär en av 3 350 molekyler av vanligt vatten ersätts en av väteatomerna av deuterium (ett arv från Big Bang). Detta faktum gör det enkelt att organisera en ganska billig produktion av den erforderliga mängden deuterium från vatten. Det är svårare att erhålla tritium, som är instabilt (halveringstid är cirka 12 år, vilket gör att dess innehåll i naturen är försumbart), men som visas ovan kommer tritium att dyka upp direkt inuti den termonukleära installationen under drift, på grund av neutroners reaktion med litium.
Sålunda är det initiala bränslet för en fusionsreaktor litium och vatten. Litium är en vanlig metall som ofta används i hushållsapparater (batterier till mobiltelefoner, etc.). Den ovan beskrivna installationen kommer, även med hänsyn till icke-ideal verkningsgrad, att kunna producera 200 000 kWh elektrisk energi, vilket motsvarar den energi som finns i 70 ton kol. Mängden litium som krävs för detta finns i ett datorbatteri och mängden deuterium finns i 45 liter vatten. Ovanstående värde motsvarar den aktuella elförbrukningen (beräknad per person) i EU-länderna över 30 år. Just det faktum att en så obetydlig mängd litium kan säkerställa genereringen av en sådan mängd elektricitet (utan CO2-utsläpp och utan den minsta luftförorening) är ett ganska seriöst argument för den snabbaste och mest kraftfulla utvecklingen av termonukleär energi (trots alla svårigheter och problem) och till och med utan hundraprocentigt förtroende för framgången med sådan forskning.
Deuterium bör räcka i miljontals år, och reserver av lättminerat litium är tillräckliga för att försörja behoven i hundratals år. Även om litium i stenar tar slut kan vi utvinna det ur vatten, där det finns i koncentrationer som är tillräckligt höga (100 gånger urankoncentrationen) för att göra dess utvinning ekonomiskt lönsam.
En experimentell termonukleär reaktor (International termonukleär experimentreaktor) byggs nära staden Cadarache i Frankrike. Huvudmålet med ITER-projektet är att implementera en kontrollerad termonukleär fusionsreaktion i industriell skala.
Per viktenhet termonukleärt bränsle erhålls cirka 10 miljoner gånger mer energi än vid förbränning av samma mängd organiskt bränsle, och cirka hundra gånger mer än vid klyvning av urankärnor i reaktorerna i kärnkraftverk i drift. Om beräkningarna från forskare och designers blir sanna kommer detta att ge mänskligheten en outtömlig energikälla.
Därför gick ett antal länder (Ryssland, Indien, Kina, Korea, Kazakstan, USA, Kanada, Japan, EU-länder) samman för att skapa den internationella termonukleära forskningsreaktorn - en prototyp av nya kraftverk.
ITER är en anläggning som skapar förutsättningar för syntes av väte- och tritiumatomer (en isotop av väte), vilket resulterar i bildandet av en ny atom - en heliumatom. Denna process åtföljs av en enorm energiutbrott: temperaturen på plasman där den termonukleära reaktionen sker är cirka 150 miljoner grader Celsius (som jämförelse är temperaturen på solens kärna 40 miljoner grader). I det här fallet brinner isotoperna ut och lämnar praktiskt taget inget radioaktivt avfall.
Systemet för deltagande i det internationella projektet tillhandahåller reaktorkomponenter och finansiering av dess konstruktion. I utbyte mot detta får vart och ett av de deltagande länderna full tillgång till all teknik för att skapa en termonukleär reaktor och till resultaten av allt experimentellt arbete på denna reaktor, som kommer att fungera som grund för designen av termonukleära seriekraftsreaktorer.
Reaktorn, baserad på principen om termonukleär fusion, har ingen radioaktiv strålning och är helt säker för miljön. Den kan placeras nästan var som helst i världen, och bränslet för den är vanligt vatten. Byggandet av ITER beräknas pågå i cirka tio år, varefter reaktorn beräknas vara i bruk i 20 år.
Rysslands intressen i rådet för Internationella organisationen för konstruktion av ITER termonukleär reaktor under de kommande åren kommer att representeras av motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin Mikhail Kovalchuk - chef för Kurchatov Institute, Institute of Crystallography vid Ryska akademin Vetenskaps- och vetenskaplig sekreterare för presidentrådet för vetenskap, teknik och utbildning. Kovalchuk kommer tillfälligt att ersätta akademikern Evgeniy Velikhov i denna post, som valdes till ordförande för ITER International Council för de kommande två åren och inte har rätt att kombinera denna position med uppgifterna för en officiell representant för ett deltagande land.
Den totala kostnaden för konstruktionen uppskattas till 5 miljarder euro, och samma summa kommer att krävas för provdrift av reaktorn. Indiens, Kinas, Koreas, Rysslands, USA:s och Japans andelar står vardera för cirka 10 procent av det totala värdet, 45 procent kommer från länderna i EU. De europeiska staterna har dock ännu inte kommit överens om hur exakt kostnaderna ska fördelas mellan dem. På grund av detta sköts byggstarten upp till april 2010. Trots den senaste förseningen säger forskare och tjänstemän som är involverade i ITER att de kommer att kunna slutföra projektet till 2018.
Den beräknade termonukleära effekten hos ITER är 500 megawatt. Enskilda magnetdelar når en vikt på 200 till 450 ton. För att kyla ITER kommer det att krävas 33 tusen kubikmeter vatten per dag.
1998 slutade USA att finansiera sitt deltagande i projektet. Efter att republikanerna kommit till makten och rullande strömavbrott började i Kalifornien, meddelade Bush-administrationen ökade investeringar i energi. USA hade inte för avsikt att delta i det internationella projektet och var engagerat i ett eget termonukleärt projekt. I början av 2002 sa president Bushs teknikrådgivare John Marburger III att USA hade ändrat uppfattning och hade för avsikt att återvända till projektet.
Sett till antalet deltagare är projektet jämförbart med ett annat stort internationellt vetenskapligt projekt - den internationella rymdstationen. Kostnaden för ITER, som tidigare nådde 8 miljarder dollar, uppgick då till mindre än 4 miljarder. Som ett resultat av USA:s tillbakadragande från deltagande beslutades det att minska reaktoreffekten från 1,5 GW till 500 MW. Priset på projektet har därför också sjunkit.
I juni 2002 hölls symposiet "ITER Days in Moscow" i den ryska huvudstaden. Den diskuterade de teoretiska, praktiska och organisatoriska problemen med att återuppliva projektet, vars framgång kan förändra mänsklighetens öde och ge den en ny typ av energi, jämförbar i effektivitet och ekonomi endast med solens energi.
I juli 2010 godkände representanter för de länder som deltar i det internationella termonukleära reaktorprojektet ITER dess budget och konstruktionsplan vid ett extra möte som hölls i Cadarache, Frankrike. Mötesrapporten finns här.
Vid det senaste extra mötet godkände projektdeltagarna startdatumet för de första experimenten med plasma - 2019. Fullständiga experiment är planerade till mars 2027, även om projektledningen bad tekniska specialister att försöka optimera processen och påbörja experiment 2026. Mötesdeltagarna beslutade också om kostnaderna för att bygga reaktorn, men vilka belopp som planerades att läggas på att skapa installationen avslöjades inte. Enligt information som redaktören för ScienceNOW-portalen fått från en icke namngiven källa kan kostnaden för ITER-projektet uppgå till 16 miljarder euro när experimenten börjar.
Mötet i Cadarache markerade också den första officiella arbetsdagen för den nya projektledaren, den japanske fysikern Osamu Motojima. Dessförinnan hade projektet letts sedan 2005 av japanen Kaname Ikeda, som ville lämna sin post omedelbart efter att budgeten och byggtidsfristerna godkänts.
Fusionsreaktorn ITER är ett gemensamt projekt av Europeiska unionen, Schweiz, Japan, USA, Ryssland, Sydkorea, Kina och Indien. Idén om att skapa ITER har övervägts sedan 80-talet av förra seklet, men på grund av ekonomiska och tekniska svårigheter växer kostnaderna för projektet ständigt och byggstartdatumet skjuts ständigt upp. 2009 förväntade experterna att arbetet med att skapa reaktorn skulle börja 2010. Senare flyttades detta datum, och först 2018 och sedan 2019 utsågs till starttiden för reaktorn.
Termonukleära fusionsreaktioner är reaktioner av fusion av kärnor av lätta isotoper för att bilda en tyngre kärna, som åtföljs av en enorm frigöring av energi. I teorin kan fusionsreaktorer producera mycket energi till låg kostnad, men för närvarande spenderar forskarna mycket mer energi och pengar för att starta och underhålla fusionsreaktionen.
Termonukleär fusion är ett billigt och miljövänligt sätt att producera energi. Okontrollerad termonukleär fusion har förekommit på solen i miljarder år - helium bildas från den tunga väteisotopen deuterium. Detta frigör en kolossal mängd energi. Men människor på jorden har ännu inte lärt sig att kontrollera sådana reaktioner.
ITER-reaktorn kommer att använda väteisotoper som bränsle. Under en termonukleär reaktion frigörs energi när lätta atomer kombineras till tyngre. För att uppnå detta måste gasen värmas upp till en temperatur på över 100 miljoner grader – mycket högre än temperaturen i solens centrum. Gas vid denna temperatur förvandlas till plasma. Samtidigt smälter atomer av väteisotoper samman och förvandlas till heliumatomer med frigörandet av ett stort antal neutroner. Ett kraftverk som arbetar enligt denna princip kommer att använda energin från neutroner som bromsas av ett lager av tätt material (litium).
Varför tog skapandet av termonukleära installationer så lång tid?
Varför har så viktiga och värdefulla installationer, vars fördelar har diskuterats i nästan ett halvt sekel, ännu inte skapats? Det finns tre huvudorsaker (diskuteras nedan), varav den första kan kallas extern eller social, och de andra två - interna, det vill säga bestäms av lagarna och villkoren för utvecklingen av själva termonukleär energi.
1. Under lång tid trodde man att problemet med den praktiska användningen av termonukleär fusionsenergi inte krävde brådskande beslut och åtgärder, eftersom fossila bränslekällor verkade outtömliga på 80-talet av förra seklet, och miljöproblem och klimatförändringar gjorde det. berör inte allmänheten. År 1976 försökte U.S. Department of Energy's Fusion Energy Advisory Committee uppskatta tidsramen för FoU och ett demonstrationsfusionskraftverk under olikav. Samtidigt upptäcktes att volymen av årlig finansiering för forskning i denna riktning är helt otillräcklig, och om den befintliga anslagsnivån bibehålls kommer skapandet av termonukleära anläggningar aldrig att lyckas, eftersom de tilldelade medlen inte motsvarar även till den minsta, kritiska nivån.
2. Ett allvarligare hinder för utvecklingen av forskning inom detta område är att en termonukleär anläggning av den typ som diskuteras inte kan skapas och demonstreras i liten skala. Från förklaringarna som presenteras nedan kommer det att bli tydligt att termonukleär fusion kräver inte bara magnetisk inneslutning av plasmat, utan också tillräcklig uppvärmning av det. Förhållandet mellan förbrukad och mottagen energi ökar åtminstone i proportion till kvadraten på installationens linjära dimensioner, vilket resulterar i att de vetenskapliga och tekniska förmågorna och fördelarna med termonukleära installationer endast kan testas och demonstreras vid ganska stora stationer, som t.ex. som den nämnda ITER-reaktorn. Samhället var helt enkelt inte redo att finansiera så stora projekt förrän det fanns tillräckligt med förtroende för framgång.
3. Utvecklingen av termonukleär energi har varit mycket komplex, men (trots otillräcklig finansiering och svårigheter att välja centra för skapandet av JET- och ITER-anläggningar) har tydliga framsteg observerats under de senaste åren, även om en driftstation ännu inte har skapats.
Den moderna världen står inför en mycket allvarlig energiutmaning, som mer exakt kan kallas en "osäker energikris." Problemet är relaterat till att reserver av fossila bränslen kan ta slut under andra hälften av detta århundrade. Dessutom kan förbränning av fossila bränslen resultera i ett behov av att på något sätt binda och "lagra" koldioxiden som släpps ut i atmosfären (CCS-programmet som nämns ovan) för att förhindra stora förändringar i planetens klimat.
För närvarande skapas nästan all energi som förbrukas av mänskligheten genom att bränna fossila bränslen, och lösningen på problemet kan vara förknippad med användningen av solenergi eller kärnenergi (skapandet av snabba neutronförädlarreaktorer, etc.). Det globala problemet som orsakas av den växande befolkningen i utvecklingsländerna och deras behov av att förbättra levnadsstandarden och öka mängden energi som produceras kan inte lösas enbart på basis av dessa tillvägagångssätt, även om naturligtvis alla försök att utveckla alternativa metoder för energiproduktion bör uppmuntras.
Strängt taget har vi ett litet urval av beteendestrategier och utvecklingen av termonukleär energi är oerhört viktig, även trots avsaknaden av en garanti för framgång. Tidningen Financial Times (daterad 25 januari 2004) skrev om detta:
"Även om kostnaderna för ITER-projektet avsevärt överstiger den ursprungliga uppskattningen, är det osannolikt att de når nivån på 1 miljard dollar per år. Denna utgiftsnivå bör betraktas som ett mycket blygsamt pris att betala för en mycket rimlig möjlighet att skapa en ny energikälla för hela mänskligheten, särskilt med tanke på det faktum att vi redan under detta århundrade oundvikligen kommer att behöva ge upp vanan att slösa bort. och hänsynslös förbränning av fossila bränslen.”
Låt oss hoppas att det inte kommer att finnas några större och oväntade överraskningar på vägen till utvecklingen av termonukleär energi. I det här fallet kommer vi om cirka 30 år att kunna leverera elektrisk ström från den till energinäten för första gången, och om drygt 10 år kommer det första kommersiella termonukleära kraftverket att börja fungera. Det är möjligt att kärnfusionsenergin under andra hälften av detta århundrade kommer att börja ersätta fossila bränslen och gradvis börja spela en allt viktigare roll för att tillhandahålla energi till mänskligheten på en global skala.
Det finns ingen absolut garanti för att uppgiften att skapa termonukleär energi (som en effektiv och storskalig energikälla för hela mänskligheten) kommer att slutföras framgångsrikt, men sannolikheten för framgång i denna riktning är ganska stor. Med tanke på termonukleära stationers enorma potential kan alla kostnader för projekt för deras snabba (och till och med accelererade) utveckling anses motiverade, särskilt eftersom dessa investeringar ser väldigt blygsamma ut mot bakgrund av den monstruösa globala energimarknaden (4 biljoner dollar per år8). Att tillgodose mänsklighetens energibehov är ett mycket allvarligt problem. I takt med att fossila bränslen blir mindre tillgängliga (och användningen av dem blir oönskad) förändras situationen, och vi har helt enkelt inte råd att inte utveckla fusionsenergi.
Till frågan "När kommer termonukleär energi att dyka upp?" Lev Artsimovich (en erkänd pionjär och ledare för forskning inom detta område) svarade en gång att "det kommer att skapas när det verkligen blir nödvändigt för mänskligheten"
ITER kommer att bli den första fusionsreaktorn som producerar mer energi än den förbrukar. Forskare mäter denna egenskap med en enkel koefficient som de kallar "Q". Om ITER uppnår alla sina vetenskapliga mål kommer den att producera 10 gånger mer energi än den förbrukar. Den sista enheten som byggdes, Joint European Torus i England, är en mindre prototyp av fusionsreaktor som i sitt slutskede av vetenskaplig forskning uppnådde ett Q-värde på nästan 1. Det betyder att den producerade exakt samma mängd energi som den förbrukade . ITER kommer att gå längre än detta genom att demonstrera energiskapande från fusion och uppnå ett Q-värde på 10. Tanken är att generera 500 MW från en energiförbrukning på cirka 50 MW. Således är ett av de vetenskapliga målen för ITER att bevisa att ett Q-värde på 10 kan uppnås.
Ett annat vetenskapligt mål är att ITER ska ha en mycket lång "brinntid" - en puls med förlängd varaktighet upp till en timme. ITER är en experimentell forskningsreaktor som inte kan producera energi kontinuerligt. När ITER börjar fungera kommer den att vara på i en timme, varefter den måste stängas av. Detta är viktigt eftersom standardenheterna vi har skapat hittills har kunnat ha en brinntid på flera sekunder eller till och med tiondels sekund – det här är max. "Joint European Torus" nådde sitt Q-värde på 1 med en brinntid på cirka två sekunder med en pulslängd på 20 sekunder. Men en process som varar några sekunder är inte riktigt permanent. I analogi med att starta en bilmotor: att kortvarigt slå på motorn och sedan stänga av den är ännu inte verklig drift av bilen. Först när du kör din bil i en halvtimme kommer den att nå ett konstant driftläge och visa att en sådan bil faktiskt kan köras.
Det vill säga, ur teknisk och vetenskaplig synvinkel kommer ITER att ge ett Q-värde på 10 och en ökad brinntid.
Programmet för termonukleär fusion är verkligen internationellt och brett till sin natur. Folk räknar redan med framgången för ITER och funderar på nästa steg - att skapa en prototyp av en industriell termonukleär reaktor som heter DEMO. För att bygga den måste ITER fungera. Vi måste uppnå våra vetenskapliga mål eftersom det kommer att innebära att de idéer vi lägger fram är fullt genomförbara. Jag håller dock med om att man alltid ska tänka på vad som kommer härnäst. Dessutom, eftersom ITER verkar i 25-30 år, kommer vår kunskap gradvis att fördjupas och utökas, och vi kommer att kunna beskriva vårt nästa steg mer exakt.
Det finns faktiskt ingen debatt om huruvida ITER ska vara en tokamak. Vissa forskare ställer frågan helt annorlunda: borde ITER existera? Experter i olika länder, som utvecklar sina egna, inte så storskaliga termonukleära projekt, hävdar att en så stor reaktor inte alls behövs.
Deras åsikt bör dock knappast anses vara auktoritativ. Fysiker som har arbetat med toroidformade fällor i flera decennier var involverade i skapandet av ITER. Designen av den experimentella termonukleära reaktorn i Karadash baserades på all kunskap som vunnits under experiment på dussintals föregångare tokamaks. Och dessa resultat indikerar att reaktorn måste vara en tokamak, och en stor sådan.
JET För tillfället kan den mest framgångsrika tokamak betraktas som JET, byggt av EU i den brittiska staden Abingdon. Detta är den största tokamak-typ reaktor som skapats hittills, den stora radien av plasma torus är 2,96 meter. Effekten av den termonukleära reaktionen har redan nått mer än 20 megawatt med en retentionstid på upp till 10 sekunder. Reaktorn återför cirka 40 % av energin som lagts in i plasman.
Det är plasmans fysik som bestämmer energibalansen, säger Igor Semenov till Infox.ru. MIPT-docent beskrev vad energibalans är med ett enkelt exempel: ”Vi har alla sett en eld brinna. Det är faktiskt inte ved som brinner där, utan gas. Energikedjan där är så här: gasen brinner, veden värms, veden avdunstar, gasen brinner igen. Därför, om vi kastar vatten på en eld, kommer vi abrupt att ta energi från systemet för fasövergången av flytande vatten till ett ångtillstånd. Balansen blir negativ och elden slocknar. Det finns ett annat sätt - vi kan helt enkelt ta brandvarorna och sprida dem i rymden. Elden ska också slockna. Det är samma sak i den termonukleära reaktorn vi bygger. Dimensionerna är valda för att skapa en lämplig positiv energibalans för denna reaktor. Tillräckligt för att bygga ett riktigt kärnkraftverk i framtiden, som i detta experimentella skede löser alla problem som för närvarande förblir olösta."
Dimensionerna på reaktorn ändrades en gång. Detta hände vid sekelskiftet 20-21, när USA drog sig ur projektet, och de återstående medlemmarna insåg att ITER-budgeten (vid den tiden uppskattades den till 10 miljarder US-dollar) var för stor. Fysiker och ingenjörer krävdes för att minska installationskostnaderna. Och detta kunde bara göras på grund av storleken. "Omdesignen" av ITER leddes av den franske fysikern Robert Aymar, som tidigare arbetat på den franska Tore Supra tokamak i Karadash. Plasmatorusens yttre radie har reducerats från 8,2 till 6,3 meter. Riskerna förknippade med storleksminskningen kompenserades dock delvis av flera extra supraledande magneter, vilket gjorde det möjligt att implementera plasmainneslutningsläget, som var öppet och studerat vid den tiden.
Vi säger att vi ska lägga solen i en låda. Idén är snygg. Problemet är att vi inte vet hur man gör lådan.
Pierre-Gilles de Gennes
fransk nobelpristagare
Alla elektroniska enheter och maskiner behöver energi och mänskligheten förbrukar mycket av den. Men fossila bränslen håller på att ta slut, och alternativ energi är ännu inte tillräckligt effektiv.
Det finns en metod för att erhålla energi som passar alla krav - termonukleär fusion. Reaktionen av termonukleär fusion (omvandlingen av väte till helium och frigörandet av energi) sker ständigt i solen och denna process förser planeten med energi i form av solstrålar. Du behöver bara imitera det på jorden, i mindre skala. Det räcker med att ge högt tryck och mycket hög temperatur (10 gånger högre än på solen) och fusionsreaktionen kommer att startas. För att skapa sådana förhållanden måste du bygga en termonukleär reaktor. Det kommer att använda mer rikliga resurser på jorden, kommer att vara säkrare och kraftfullare än konventionella kärnkraftverk. I mer än 40 år har försök gjorts att bygga den och experiment har genomförts. Under de senaste åren har en av prototyperna till och med lyckats få ut mer energi än vad som förbrukades. De mest ambitiösa projekten inom detta område presenteras nedan:
Statliga projekt
Den största allmänhetens uppmärksamhet har nyligen ägnats åt en annan termonukleär reaktorkonstruktion - Wendelstein 7-X stellaratorn (stellaratorn är mer komplex i sin inre struktur än ITER, som är en tokamak). Efter att ha spenderat drygt 1 miljard dollar byggde tyska forskare en förminskad demonstrationsmodell av reaktorn på 9 år till 2015. Om den visar bra resultat kommer en större version att byggas.
Frankrikes MegaJoule Laser kommer att bli världens mest kraftfulla laser och kommer att försöka utveckla en laserbaserad metod för att bygga en fusionsreaktor. Den franska installationen förväntas tas i drift 2018.
NIF (National Ignition Facility) byggdes i USA under 12 år och 4 miljarder dollar till 2012. De förväntade sig att testa tekniken och sedan omedelbart bygga en reaktor, men det visade sig att, som Wikipedia rapporterar, krävs betydande arbete om systemet någonsin kommer att nå tändning. Som ett resultat avbröts grandiosa planer och forskare började gradvis förbättra lasern. Den sista utmaningen är att höja energiöverföringseffektiviteten från 7 % till 15 %. Annars kan kongressens finansiering för denna metod för att uppnå syntes upphöra.
I slutet av 2015 påbörjades bygget av en byggnad för världens kraftfullaste laserinstallation i Sarov. Det kommer att vara kraftfullare än de nuvarande amerikanska och framtida franska och kommer att göra det möjligt att utföra experiment som är nödvändiga för att bygga en "laser" version av reaktorn. Slutförande av bygget 2020.
Belägen i USA är MagLIF-fusionslasern erkänd som en mörk häst bland metoderna för att uppnå termonukleär fusion. Den här metoden har nyligen visat bättre resultat än förväntat, men effekten behöver fortfarande ökas med 1000 gånger. Lasern genomgår för närvarande en uppgradering och 2018 hoppas forskarna få samma mängd energi som de spenderade. Om det lyckas kommer en större version att byggas.
Det ryska kärnfysikinstitutet experimenterade ihärdigt med metoden "öppen fälla", som USA övergav på 90-talet. Som ett resultat erhölls indikatorer som ansågs omöjliga för denna metod. BINP-forskare tror att deras installation nu är på nivån för tyska Wendelstein 7-X (Q=0,1), men billigare. Nu bygger de en ny installation för 3 miljarder rubel
Chefen för Kurchatov-institutet påminner ständigt om planerna på att bygga en liten termonukleär reaktor i Ryssland - Ignitor. Enligt planen ska den vara lika effektiv som ITER, om än mindre. Dess konstruktion skulle ha börjat för 3 år sedan, men denna situation är typisk för stora vetenskapliga projekt.
I början av 2016 lyckades den kinesiska tokamak EAST nå en temperatur på 50 miljoner grader och behålla den i 102 sekunder. Innan byggandet av enorma reaktorer och lasrar började var alla nyheter om termonukleär fusion så här. Man kan tro att detta bara är en tävling bland forskare för att se vem som kan hålla den allt högre temperaturen längre. Ju högre plasmatemperaturen är och ju längre den kan bibehållas, desto närmare är vi början av fusionsreaktionen. Det finns dussintals sådana installationer i världen, flera fler () () byggs, så EAST-rekordet kommer snart att slås. I huvudsak är dessa små reaktorer bara testutrustning innan de skickas till ITER.
Lockheed Martin tillkännagav ett fusionsenergigenombrott 2015 som skulle göra det möjligt för dem att bygga en liten och mobil fusionsreaktor inom 10 år. Med tanke på att även mycket stora och inte alls mobila kommersiella reaktorer förväntades förrän 2040, möttes företagets besked med skepsis. Men företaget har mycket resurser, så vem vet. En prototyp väntas 2020.
Populära Silicon Valley-startupen Helion Energy har sin egen unika plan för att uppnå termonukleär fusion. Företaget har samlat in mer än 10 miljoner dollar och förväntar sig att skapa en prototyp till 2019.
Lågprofilstartup Tri Alpha Energy har nyligen uppnått imponerande resultat när det gäller att marknadsföra sin fusionsmetod (teoretiker har utvecklat >100 teoretiska sätt att uppnå fusion, tokamak är helt enkelt den enklaste och mest populära). Företaget samlade också in mer än 100 miljoner dollar i investerarfonder.
Reaktorprojektet från den kanadensiska startupen General Fusion skiljer sig ännu mer från de andra, men utvecklarna är säkra på det och har samlat in mer än 100 miljoner dollar på 10 år för att bygga reaktorn till 2020.
Den brittiska startupen First light har den mest tillgängliga webbplatsen, bildad 2014, och tillkännagav planer på att använda de senaste vetenskapliga data för att uppnå kärnfusion till en lägre kostnad.
Forskare från MIT skrev en artikel som beskrev en kompakt fusionsreaktor. De förlitar sig på ny teknik som dök upp efter att konstruktionen av gigantiska tokamak började och lovar att slutföra projektet om 10 år. Det är ännu inte känt om de får grönt ljus för att börja bygga. Även om den godkänns är en artikel i en tidning ett ännu tidigare skede än en start
Kärnfusion är kanske den minst lämpade industrin för crowdfunding. Men det är med hans hjälp och även med finansiering från NASA som företaget Lawrenceville Plasma Physics ska bygga en prototyp av sin reaktor. Av alla pågående projekt ser det här mest ut som en bluff, men vem vet, kanske kommer de att tillföra något användbart till detta storslagna arbete.
ITER kommer bara att vara en prototyp för byggandet av en fullfjädrad DEMO-installation - den första kommersiella fusionsreaktorn. Lanseringen är nu planerad till 2044 och detta är fortfarande en optimistisk prognos.
Men det finns planer för nästa etapp. En hybrid termonukleär reaktor kommer att få energi från både atomärt sönderfall (som ett konventionellt kärnkraftverk) och fusion. I denna konfiguration kan energin vara 10 gånger mer, men säkerheten är lägre. Kina hoppas kunna bygga en prototyp till 2030, men experter säger att det skulle vara som att försöka bygga hybridbilar före uppfinningen av förbränningsmotorn.
Slutsats
Det finns ingen brist på människor som vill ta med en ny energikälla till världen. ITER-projektet har störst chans, med tanke på dess omfattning och finansiering, men andra metoder, såväl som privata projekt, bör inte uteslutas. Forskare har arbetat i årtionden för att få igång fusionsreaktionen utan större framgång. Men nu finns det fler projekt för att uppnå termonukleär reaktion än någonsin tidigare. Även om var och en av dem misslyckas kommer nya försök att göras. Det är osannolikt att vi kommer att vila förrän vi lyser upp en miniatyrversion av solen, här på jorden.Taggar: Lägg till taggar
Kontrollerad termonukleär fusion är fysikers och energiföretagens blå dröm, som de har värnat om i decennier. Att hålla en konstgjord sol i bur är en bra idé. "Men problemet är att vi inte vet hur man skapar en sådan låda,"- sa Nobelpristagaren Pierre Gilles de Gennes 1991. Men i mitten av 2018 vet vi redan hur. Och vi bygger till och med. De bästa hjärnorna i världen arbetar på projektet med den internationella experimentella termonukleära reaktorn ITER - det mest ambitiösa och dyra experimentet inom modern vetenskap.
En sådan reaktor kostar fem gånger mer än Large Hadron Collider. Hundratals forskare runt om i världen arbetar med projektet. Dess finansiering kan lätt överstiga 19 miljarder euro, och den första plasman kommer att släppas ut i reaktorn först i december 2025. Och trots ständiga förseningar, tekniska svårigheter och otillräcklig finansiering från enskilda deltagande länder, byggs världens största termonukleära "perpetual motion-maskin". Det har mycket fler fördelar än nackdelar. Vilka? Vi börjar berättelsen om vår tids mest ambitiösa vetenskapliga byggprojekt med teori.
Vad är en tokamak?
Under påverkan av enorma temperaturer och gravitation sker termonukleär fusion i djupet av vår sol och andra stjärnor. Vätekärnor kolliderar, bildar tyngre heliumatomer och frigör samtidigt neutroner och enorma mängder energi.
Modern vetenskap har kommit till slutsatsen att vid den lägsta initiala temperaturen produceras den största mängden energi av reaktionen mellan isotoper av väte - deuterium och tritium. Men tre förhållanden är viktiga för detta: hög temperatur (ca 150 miljoner grader Celsius), hög plasmadensitet och hög plasmaretentionstid.
Faktum är att vi inte kommer att kunna skapa en sådan kolossal täthet som solens. Allt som återstår är att värma gasen till plasmatillståndet med hjälp av ultrahöga temperaturer. Men inget material tål kontakt med en så varm plasma. För att göra detta föreslog akademikern Andrei Sakharov (på förslag av Oleg Lavrentyev) på 1950-talet att använda toroidformade (ihåliga munkformade) kammare med ett magnetfält som skulle hålla plasman. Senare myntades termen - tokamak.
Moderna kraftverk, förbränning av fossila bränslen, omvandlar mekanisk kraft (t.ex. turbinrotation) till elektricitet. Tokamaks kommer att använda fusionsenergi, absorberad som värme av enhetens väggar, för att värma och producera ånga, som kommer att snurra turbinerna.
Den första tokamaken i världen. Sovjetiska T-1. 1954
Små experimentella tokamaks byggdes över hela världen. Och de bevisade framgångsrikt att en person kan skapa högtemperaturplasma och hålla det i ett stabilt tillstånd under en tid. Men industridesign är fortfarande långt kvar.
Installation av T-15. 1980-talet
För- och nackdelar med fusionsreaktorer
Typiska kärnreaktorer drivs med tiotals ton radioaktivt bränsle (som så småningom förvandlas till tiotals ton radioaktivt avfall), medan en fusionsreaktor bara kräver hundratals gram tritium och deuterium. Den första kan produceras i själva reaktorn: neutronerna som frigörs under syntesen kommer att påverka reaktorns väggar med litiumföroreningar, från vilka tritium framträder. Litiumreserver kommer att räcka i tusentals år. Det kommer inte heller att råda brist på deuterium – det produceras i världen i tiotusentals ton per år.
En fusionsreaktor ger inga utsläpp av växthusgaser, vilket är typiskt för fossila bränslen. Och biprodukten i form av helium-4 är en ofarlig inert gas.
Dessutom är termonukleära reaktorer säkra. I varje katastrof kommer den termonukleära reaktionen helt enkelt att upphöra utan några allvarliga konsekvenser för miljön eller personalen, eftersom det inte kommer att finnas något som stöder fusionsreaktionen: den behöver för växthusförhållanden.
Men termonukleära reaktorer har också nackdelar. Först och främst är detta den banala svårigheten att starta en självuppehållande reaktion. Hon behöver ett djupt vakuum. Komplexa magnetiska inneslutningssystem kräver enorma supraledande magnetspolar.
Och glöm inte strålning. Trots vissa stereotyper om termonukleära reaktorers ofarlighet kan bombarderingen av deras omgivningar med neutroner som produceras under fusion inte avbrytas. Detta bombardemang resulterar i strålning. Därför måste underhållet av reaktorn utföras på distans. Om vi ser framåt, låt oss säga att efter lanseringen kommer robotar att direkt underhålla ITER-tokamak.
Dessutom kan radioaktivt tritium vara farligt om det kommer in i kroppen. Det är sant att det räcker med att ta hand om korrekt lagring och skapa säkerhetsbarriärer längs alla möjliga vägar för dess distribution i händelse av en olycka. Dessutom är halveringstiden för tritium 12 år.
När den nödvändiga minimigrunden för teorin har lagts kan du gå vidare till artikelns hjälte.
Vår tids mest ambitiösa projekt
1985 ägde det första personliga mötet mellan cheferna för Sovjetunionen och USA på många år rum i Genève. Innan detta hade det kalla kriget nått sin topp: supermakterna bojkottade OS, byggde upp sin kärnkraftspotential och skulle inte inleda några förhandlingar. Detta toppmöte mellan de två länderna på neutralt territorium är anmärkningsvärt för en annan viktig omständighet. Under den föreslog generalsekreteraren för SUKP:s centralkommitté Mikhail Gorbatjov att genomföra ett gemensamt internationellt projekt för att utveckla termonukleär energi för fredliga ändamål.
De anländer till Frankrike sjövägen, och från hamnen till byggarbetsplatsen levereras de längs en väg som är speciellt ombyggd av den franska regeringen. Landet spenderade 110 miljoner euro och 4 års arbete på den 104 km långa ITER-banan. Sträckan har breddats och förstärkts. Faktum är att 2021 kommer 250 konvojer med enorm last att passera genom den. De tyngsta delarna når 900 ton, den högsta - 10 meter, den längsta - 33 meter.
ITER har ännu inte tagits i drift. Det finns dock redan ett projekt för ett DEMO kärnfusionskraftverk, vars syfte är att demonstrera attraktiviteten i den kommersiella användningen av tekniken. Detta komplex måste kontinuerligt (och inte pulsera, som ITER) generera 2 GW energi.
Tidpunkten för det nya globala projektet beror på framgången för ITER, men enligt 2012 års plan kommer den första lanseringen av DEMO att ske tidigast 2044.
