Reaktory termojądrowe: czy mają przyszłość? Kto buduje reaktor termojądrowy. Dlaczego tworzenie instalacji termojądrowych trwało tak długo?

Przez długi czas trudnopisaka poprosił mnie o napisanie postu na temat budowanego reaktora termojądrowego. Poznaj ciekawe szczegóły technologii, dowiedz się dlaczego realizacja tego projektu trwa tak długo. W końcu zebrałem materiał. Zapoznajmy się ze szczegółami projektu.

Jak to wszystko się zaczęło? „Wyzwanie energetyczne” powstało w wyniku połączenia trzech następujących czynników:

1. Ludzkość zużywa obecnie ogromne ilości energii.

Obecnie światowe zużycie energii wynosi około 15,7 terawatów (TW). Dzieląc tę ​​wartość przez liczbę ludności świata, otrzymujemy około 2400 watów na osobę, co można łatwo oszacować i zwizualizować. Energia zużywana przez każdego mieszkańca Ziemi (w tym dzieci) odpowiada całodobowej pracy 24 stuwatowych lamp elektrycznych. Jednakże zużycie tej energii na całej planecie jest bardzo nierównomierne, gdyż w kilku krajach jest bardzo duże, a w innych znikome. Zużycie (w przeliczeniu na jedną osobę) wynosi w USA 10,3 kW (jedna z rekordowych wartości), w Federacji Rosyjskiej 6,3 kW, w Wielkiej Brytanii 5,1 kW itd., ale z drugiej strony jest równe tylko 0,21 kW w Bangladeszu (tylko 2% zużycia energii w USA!).

Według prognozy Międzynarodowej Agencji Energetycznej (2006) światowe zużycie energii powinno wzrosnąć o 50% do roku 2030. Kraje rozwinięte mogłyby oczywiście dobrze sobie poradzić bez dodatkowej energii, jednak wzrost ten jest niezbędny, aby wydobyć ludzi z ubóstwa w krajach rozwijających się, gdzie 1,5 miliarda ludzi cierpi z powodu poważnych niedoborów energii.

3. Obecnie 80% światowej energii pochodzi ze spalania paliw kopalnych(ropa, węgiel i gaz), których wykorzystanie:
a) potencjalnie stwarza ryzyko katastrofalnych zmian środowiska;
b) musi się kiedyś nieuchronnie zakończyć.

Z tego, co zostało powiedziane jasno wynika, że ​​teraz trzeba przygotować się na koniec ery wykorzystania paliw kopalnych

Obecnie elektrownie jądrowe wytwarzają na dużą skalę energię uwalnianą podczas reakcji rozszczepienia jąder atomowych. Należy wszelkimi możliwymi sposobami zachęcać do tworzenia i rozwoju takich stacji, należy jednak mieć na uwadze, że zasoby jednego z najważniejszych materiałów do ich funkcjonowania (taniego uranu) mogą również zostać całkowicie wyczerpane w ciągu najbliższych 50 lat . Możliwości energii opartej na rozszczepieniu jądrowym można (i należy) znacznie rozszerzyć poprzez zastosowanie bardziej wydajnych cykli energetycznych, dzięki czemu ilość wytwarzanej energii może niemal się podwoić. Aby rozwijać energię w tym kierunku, konieczne jest tworzenie reaktorów torowych (tzw. reaktory powielające tor lub reaktory powielające), w których w wyniku reakcji powstaje więcej toru niż pierwotnego uranu, w wyniku czego całkowita ilość wytworzonej energii dla danej ilości substancji wzrasta 40-krotnie. Obiecujące wydaje się także stworzenie generatorów plutonu z wykorzystaniem szybkich neutronów, które są znacznie wydajniejsze od reaktorów uranowych i mogą wytworzyć 60 razy więcej energii. Być może dla zagospodarowania tych obszarów konieczne będzie opracowanie nowych, niestandardowych metod pozyskiwania uranu (np. z wody morskiej, która wydaje się najbardziej dostępna).

Elektrownie termojądrowe

Rysunek przedstawia schematyczny diagram (nie w skali) urządzenia i zasadę działania elektrowni termojądrowej. W centralnej części znajduje się komora toroidalna (w kształcie pączka) o objętości ~2000 m3, wypełniona plazmą trytowo-deuterową (T-D) podgrzaną do temperatury powyżej 100 M°C. Neutrony powstałe podczas reakcji syntezy (1) opuszczają „butelkę magnetyczną” i wchodzą do pokazanej na rysunku powłoki o grubości około 1 m.

Wewnątrz powłoki neutrony zderzają się z atomami litu, powodując reakcję, w wyniku której powstaje tryt:

neutron + lit → hel + tryt

Ponadto w układzie zachodzą reakcje konkurencyjne (bez powstawania trytu), a także wiele reakcji z uwolnieniem dodatkowych neutronów, które następnie również prowadzą do powstania trytu (w tym przypadku uwolnienie dodatkowych neutronów może być znacznie wzmocnione, na przykład poprzez wprowadzenie atomów berylu do powłoki i ołowiu). Ogólny wniosek jest taki, że obiekt ten mógłby (przynajmniej teoretycznie) przejść reakcję syntezy jądrowej, w wyniku której powstałby tryt. W tym przypadku ilość produkowanego trytu powinna nie tylko odpowiadać potrzebom samej instalacji, ale być nawet nieco większa, co umożliwi zaopatrywanie nowych instalacji w tryt. To właśnie tę koncepcję działania należy przetestować i wdrożyć w opisanym poniżej reaktorze ITER.

Dodatkowo neutrony muszą rozgrzać powłokę w tzw. instalacjach pilotażowych (w których zostaną użyte stosunkowo „zwykłe” materiały konstrukcyjne) do temperatury około 400°C. W przyszłości planowane jest stworzenie ulepszonych instalacji o temperaturze nagrzewania płaszcza powyżej 1000°C, co będzie można osiągnąć dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych materiałów o dużej wytrzymałości (takich jak kompozyty węglika krzemu). Ciepło powstające w płaszczu, podobnie jak w stacjach konwencjonalnych, odbierane jest przez pierwotny obieg chłodzenia z czynnikiem chłodzącym (zawierającym np. wodę lub hel) i przekazywane do obiegu wtórnego, gdzie wytwarzana jest para wodna dostarczana do turbin.

1985 - Związek Radziecki zaproponował elektrownię Tokamak nowej generacji, korzystając z doświadczeń czterech wiodących krajów w tworzeniu reaktorów termojądrowych. Stany Zjednoczone Ameryki wraz z Japonią i Wspólnotą Europejską przedstawiły propozycję realizacji projektu.

Obecnie we Francji trwa budowa opisanego poniżej międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER (International Tokamak Experimental Reactor), który będzie pierwszym tokamakiem zdolnym do „zapalenia” plazmy.

Najbardziej zaawansowane istniejące instalacje tokamaków już dawno osiągnęły temperatury około 150 M°C, bliskie wartościom wymaganym do pracy stacji termojądrowej, ale reaktor ITER powinien być pierwszą tak dużą elektrownią zaprojektowaną na długie -operacja terminowa. W przyszłości konieczna będzie znaczna poprawa jego parametrów eksploatacyjnych, co będzie wymagało przede wszystkim zwiększenia ciśnienia w plazmie, gdyż szybkość syntezy jądrowej w danej temperaturze jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia. Główny problem naukowy w tym przypadku wiąże się z faktem, że wraz ze wzrostem ciśnienia w plazmie powstają bardzo złożone i niebezpieczne niestabilności, czyli niestabilne tryby pracy.

Dlaczego tego potrzebujemy?

Główną zaletą syntezy jądrowej jest to, że wymaga ona jedynie bardzo małych ilości substancji powszechnie występujących w przyrodzie jako paliwo. Reakcja syntezy jądrowej w opisywanych instalacjach może prowadzić do wyzwolenia ogromnych ilości energii, dziesięciomilionowo większej niż standardowe ciepło powstające podczas konwencjonalnych reakcji chemicznych (takich jak spalanie paliw kopalnych). Dla porównania wskazujemy, że ilość węgla potrzebna do zasilenia elektrowni cieplnej o mocy 1 gigawata (GW) wynosi 10 000 ton dziennie (dziesięć wagonów), a elektrownia termojądrowa o tej samej mocy będzie zużywać jedynie ok. 1 kilogram mieszanki D+T dziennie.

Deuter jest stabilnym izotopem wodoru; W około jednej na 3350 cząsteczek zwykłej wody jeden z atomów wodoru zostaje zastąpiony deuterem (pozostałość po Wielkim Wybuchu). Fakt ten ułatwia zorganizowanie w miarę taniej produkcji wymaganej ilości deuteru z wody. Trudniej jest uzyskać tryt, który jest niestabilny (okres półtrwania wynosi około 12 lat, w związku z czym jego zawartość w przyrodzie jest znikoma), jednak jak pokazano powyżej, tryt będzie pojawiał się bezpośrednio wewnątrz instalacji termojądrowej podczas eksploatacji, w wyniku reakcji neutronów z litem.

Zatem początkowym paliwem dla reaktora termojądrowego jest lit i woda. Lit jest powszechnie stosowanym metalem w sprzęcie gospodarstwa domowego (baterie do telefonów komórkowych itp.). Opisana powyżej instalacja, nawet przy nieidealnej sprawności, będzie w stanie wyprodukować 200 000 kWh energii elektrycznej, co odpowiada energii zawartej w 70 tonach węgla. Potrzebna do tego ilość litu zawarta jest w jednej baterii komputera, a ilość deuteru w 45 litrach wody. Powyższa wartość odpowiada aktualnemu zużyciu energii elektrycznej (w przeliczeniu na osobę) w krajach UE na przestrzeni 30 lat. Już sam fakt, że tak niewielka ilość litu może zapewnić wytworzenie takiej ilości energii elektrycznej (bez emisji CO2 i bez najmniejszego zanieczyszczenia powietrza) jest dość poważnym argumentem za najszybszym i najdynamiczniejszym rozwojem energetyki termojądrowej (mimo wszelkich trudności i problemy), a nawet bez stuprocentowej wiary w powodzenie takich badań.

Deuter powinien wystarczyć na miliony lat, a zasoby łatwo wydobywalnego litu wystarczą na setki lat. Nawet jeśli lit w skałach się wyczerpie, możemy go wydobyć z wody, gdzie występuje w stężeniach wystarczająco wysokich (100-krotność stężenia uranu), aby jego wydobycie było opłacalne ekonomicznie.

W pobliżu miasta Cadarache we Francji budowany jest eksperymentalny reaktor termojądrowy (Międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy). Głównym celem projektu ITER jest wdrożenie kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej na skalę przemysłową.

Na jednostkę masy paliwa termojądrowego uzyskuje się około 10 milionów razy więcej energii niż przy spalaniu tej samej ilości paliwa organicznego i około stu razy więcej niż przy rozszczepianiu jąder uranu w reaktorach obecnie działających elektrowni jądrowych. Jeśli obliczenia naukowców i projektantów się sprawdzą, ludzkość stanie się niewyczerpanym źródłem energii.

Dlatego szereg krajów (Rosja, Indie, Chiny, Korea, Kazachstan, USA, Kanada, Japonia, kraje Unii Europejskiej) połączyło siły w tworzeniu Międzynarodowego Reaktora Badawczego Termojądrowego – prototypu nowych elektrowni.

ITER to obiekt, który stwarza warunki do syntezy atomów wodoru i trytu (izotopu wodoru), w wyniku czego powstaje nowy atom – atom helu. Procesowi temu towarzyszy ogromny wybuch energii: temperatura plazmy, w której zachodzi reakcja termojądrowa, wynosi około 150 milionów stopni Celsjusza (dla porównania temperatura jądra Słońca wynosi 40 milionów stopni). W tym przypadku izotopy wypalają się, nie pozostawiając praktycznie żadnych odpadów radioaktywnych.
Schemat udziału w międzynarodowym projekcie przewiduje dostawę elementów reaktora i finansowanie jego budowy. W zamian za to każdy z uczestniczących krajów otrzymuje pełny dostęp do wszystkich technologii budowy reaktora termojądrowego oraz do wyników wszelkich prac eksperymentalnych nad tym reaktorem, które posłużą za podstawę do projektowania seryjnych reaktorów termojądrowych.

Reaktor oparty na zasadzie syntezy termojądrowej nie emituje promieniowania radioaktywnego i jest całkowicie bezpieczny dla środowiska. Może znajdować się niemal w dowolnym miejscu na świecie, a paliwem dla niego jest zwykła woda. Budowa ITER ma potrwać około dziesięciu lat, po czym reaktor będzie użytkowany przez 20 lat.

Klikalne 4000 pikseli

Interesy Rosji w Radzie Międzynarodowej Organizacji Budowy Reaktora Termojądrowego ITER w nadchodzących latach będzie reprezentował Członek Korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk Michaił Kowalczuk – Dyrektor Instytutu Kurczatowa, Instytutu Krystalografii Rosyjskiej Akademii Nauk Sekretarz ds. nauki i nauki Prezydenckiej Rady ds. Nauki, Technologii i Edukacji. Kowalczuk tymczasowo zastąpi na tym stanowisku akademika Jewgienija Wielichowa, który został wybrany na przewodniczącego Międzynarodowej Rady ITER na kolejne dwa lata i nie ma prawa łączyć tego stanowiska z obowiązkami oficjalnego przedstawiciela kraju uczestniczącego.

Całkowity koszt budowy szacuje się na 5 miliardów euro i tyle samo będzie potrzebne na próbną eksploatację reaktora. Udziały Indii, Chin, Korei, Rosji, USA i Japonii stanowią po około 10 proc. łącznej wartości, 45 proc. pochodzi z krajów Unii Europejskiej. Państwa europejskie nie uzgodniły jednak jeszcze, w jaki sposób dokładnie zostaną rozdzielone koszty pomiędzy nie. Z tego powodu rozpoczęcie budowy przesunięto na kwiecień 2010 roku. Pomimo ostatniego opóźnienia naukowcy i urzędnicy zaangażowani w ITER twierdzą, że uda im się ukończyć projekt do 2018 r.

Szacunkowa moc termojądrowa ITER wynosi 500 megawatów. Poszczególne części magnesu osiągają masę od 200 do 450 ton. Do ochłodzenia ITER-u potrzebne będzie 33 tys. metrów sześciennych wody dziennie.

W 1998 roku Stany Zjednoczone przestały finansować swój udział w projekcie. Po dojściu Republikanów do władzy i rozpoczęciu ciągłych przerw w dostawie prądu w Kalifornii administracja Busha ogłosiła zwiększenie inwestycji w energię. Stany Zjednoczone nie zamierzały uczestniczyć w międzynarodowym projekcie i zajmowały się własnym projektem termojądrowym. Na początku 2002 roku doradca prezydenta Busha ds. technologii, John Marburger III, powiedział, że Stany Zjednoczone zmieniły zdanie i zamierzają wrócić do projektu.

Projekt pod względem liczby uczestników jest porównywalny z innym dużym międzynarodowym projektem naukowym – Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Koszt ITER, który wcześniej sięgał 8 miliardów dolarów, wyniósł wówczas niecałe 4 miliardy. W wyniku wycofania się Stanów Zjednoczonych z udziału zdecydowano o zmniejszeniu mocy reaktora z 1,5 GW do 500 MW. W związku z tym cena projektu również spadła.

W czerwcu 2002 roku w stolicy Rosji odbyło się sympozjum „Dni ITER w Moskwie”. Omówiono teoretyczne, praktyczne i organizacyjne problemy wskrzeszenia projektu, którego powodzenie może odmienić losy ludzkości i dać jej nowy rodzaj energii, porównywalny pod względem wydajności i oszczędności jedynie z energią Słońca.

W lipcu 2010 r. przedstawiciele krajów uczestniczących w międzynarodowym projekcie reaktora termojądrowego ITER zatwierdzili jego budżet i harmonogram budowy na nadzwyczajnym spotkaniu, które odbyło się w Cadarache we Francji. .

Na ostatnim nadzwyczajnym spotkaniu uczestnicy projektu zatwierdzili datę rozpoczęcia pierwszych eksperymentów z plazmą – rok 2019. Pełne eksperymenty zaplanowano na marzec 2027 r., chociaż kierownictwo projektu poprosiło specjalistów technicznych o próbę optymalizacji procesu i rozpoczęcie eksperymentów w 2026 r. Uczestnicy spotkania zdecydowali także o kosztach budowy reaktora, nie ujawniono jednak, jakie kwoty mają zostać wydane na utworzenie instalacji. Według informacji otrzymanych przez redaktora portalu ScienceNOW z anonimowego źródła, do czasu rozpoczęcia eksperymentów koszt projektu ITER może sięgnąć 16 miliardów euro.

Spotkanie w Cadarache było także pierwszym oficjalnym dniem pracy nowego dyrektora projektu, japońskiego fizyka Osamu Motojimy. Przed nim projekt prowadził od 2005 roku Japończyk Kaname Ikeda, który chciał opuścić stanowisko natychmiast po zatwierdzeniu budżetu i terminów budowy.

Reaktor termojądrowy ITER to wspólny projekt Unii Europejskiej, Szwajcarii, Japonii, USA, Rosji, Korei Południowej, Chin i Indii. Pomysł budowy ITER rozważany był już w latach 80-tych ubiegłego wieku, jednakże ze względu na trudności finansowe i techniczne, koszt projektu stale rośnie, a termin rozpoczęcia budowy stale się przesuwa. W 2009 roku eksperci spodziewali się, że prace nad budową reaktora rozpoczną się w 2010 roku. Później datę tę przesunięto, a jako czas uruchomienia reaktora podano najpierw rok 2018, a następnie 2019.

Reakcje syntezy termojądrowej to reakcje fuzji jąder lekkich izotopów w cięższe jądro, którym towarzyszy ogromne uwolnienie energii. Teoretycznie reaktory termojądrowe mogą wytwarzać dużo energii niskim kosztem, ale obecnie naukowcy wydają znacznie więcej energii i pieniędzy na rozpoczęcie i utrzymanie reakcji termojądrowej.

Fuzja termojądrowa to tani i przyjazny dla środowiska sposób wytwarzania energii. Od miliardów lat na Słońcu zachodzi niekontrolowana fuzja termojądrowa - hel powstaje z ciężkiego izotopu wodoru, deuteru. To uwalnia kolosalną ilość energii. Jednak ludzie na Ziemi nie nauczyli się jeszcze kontrolować takich reakcji.

Reaktor ITER będzie wykorzystywał jako paliwo izotopy wodoru. Podczas reakcji termojądrowej energia jest uwalniana, gdy lekkie atomy łączą się w cięższe. Aby to osiągnąć, gaz musi zostać podgrzany do temperatury ponad 100 milionów stopni – znacznie wyższej niż temperatura w centrum Słońca. Gaz w tej temperaturze zamienia się w plazmę. Jednocześnie atomy izotopów wodoru łączą się, zamieniając się w atomy helu z uwolnieniem dużej liczby neutronów. Elektrownia działająca na tej zasadzie będzie wykorzystywać energię neutronów spowalnianych przez warstwę gęstego materiału (lit).

Dlaczego tworzenie instalacji termojądrowych trwało tak długo?

Dlaczego tak ważnych i cennych instalacji, o których zaletach mówi się od niemal pół wieku, jeszcze nie powstało? Istnieją trzy główne przyczyny (omówione poniżej), z których pierwszy można nazwać zewnętrznym lub społecznym, a dwa pozostałe - wewnętrznym, to znaczy określonym przez prawa i warunki rozwoju samej energii termojądrowej.

1. Przez długi czas uważano, że problem praktycznego wykorzystania energii termojądrowej nie wymaga pilnych decyzji i działań, gdyż jeszcze w latach 80. nie dotyczyć opinii publicznej. W 1976 r. Komitet Doradczy ds. Energii Termojądrowej Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych podjął próbę oszacowania ram czasowych badań i rozwoju oraz budowy demonstracyjnej elektrowni termojądrowej w ramach różnych opcji finansowania badań. Jednocześnie odkryto, że wielkość rocznego finansowania badań w tym kierunku jest całkowicie niewystarczająca i przy utrzymaniu dotychczasowego poziomu środków tworzenie instalacji termojądrowych nigdy nie zakończy się sukcesem, gdyż przyznane środki nie odpowiadają nawet do minimalnego, krytycznego poziomu.

2. Poważniejszą przeszkodą w rozwoju badań w tym obszarze jest brak możliwości stworzenia i zademonstrowania na małą skalę instalacji termojądrowej omawianego typu. Z przedstawionych poniżej wyjaśnień stanie się jasne, że fuzja termojądrowa wymaga nie tylko magnetycznego zamknięcia plazmy, ale także jej wystarczającego ogrzania. Stosunek energii wydatkowanej do odebranej wzrasta co najmniej proporcjonalnie do kwadratu wymiarów liniowych instalacji, w wyniku czego możliwości naukowo-techniczne i zalety instalacji termojądrowych można przetestować i wykazać jedynie na dość dużych stacjach, takich jak jak wspomniany reaktor ITER. Społeczeństwo po prostu nie było gotowe na finansowanie tak dużych projektów, dopóki nie było wystarczającej wiary w sukces.

3. Rozwój energetyki termojądrowej jest bardzo złożony, jednak (mimo niewystarczającego finansowania i trudności w wyborze ośrodków tworzenia instalacji JET i ITER) w ostatnich latach można zaobserwować wyraźny postęp, choć nie powstała jeszcze stacja operacyjna.

Współczesny świat stoi przed bardzo poważnym wyzwaniem energetycznym, które trafniej można nazwać „niepewnym kryzysem energetycznym”. Problem wiąże się z faktem, że zapasy paliw kopalnych mogą się wyczerpać w drugiej połowie tego stulecia. Co więcej, spalanie paliw kopalnych może wiązać się z koniecznością sekwestracji i „magazynowania” dwutlenku węgla uwalnianego do atmosfery (wspomniany program CCS), aby zapobiec poważnym zmianom klimatu planety.

Obecnie prawie cała energia zużywana przez ludzkość powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych, a rozwiązanie problemu można wiązać z wykorzystaniem energii słonecznej lub energii jądrowej (tworzenie reaktorów szybkiego powielania itp.). Globalnego problemu spowodowanego rosnącą populacją krajów rozwijających się i ich potrzebą poprawy standardów życia i zwiększenia ilości produkowanej energii nie można rozwiązać wyłącznie w oparciu o te podejścia, choć oczywiście wszelkie próby opracowania alternatywnych metod wytwarzania energii należy zachęcać.

Ściśle mówiąc, mamy niewielki wybór strategii behawioralnych, a rozwój energii termojądrowej jest niezwykle ważny, nawet pomimo braku gwarancji sukcesu. Gazeta Financial Times (z 25 stycznia 2004) napisała o tym:

Miejmy nadzieję, że na drodze rozwoju energetyki termojądrowej nie będzie żadnych większych i niespodziewanych niespodzianek. W tym przypadku za około 30 lat będziemy mogli po raz pierwszy dostarczać z niego prąd elektryczny do sieci energetycznych, a za nieco ponad 10 lat zacznie działać pierwsza komercyjna elektrownia termojądrowa. Możliwe, że w drugiej połowie tego stulecia energia termojądrowa zacznie zastępować paliwa kopalne i stopniowo zacznie odgrywać coraz większą rolę w dostarczaniu energii ludzkości w skali globalnej.

Nie ma absolutnej gwarancji, że zadanie wytworzenia energii termojądrowej (jako efektywnego i wielkoskalowego źródła energii dla całej ludzkości) zostanie zakończone sukcesem, ale prawdopodobieństwo powodzenia w tym kierunku jest dość wysokie. Biorąc pod uwagę ogromny potencjał elektrowni termojądrowych, wszelkie koszty projektów związanych z ich szybkim (a nawet przyspieszonym) rozwojem można uznać za uzasadnione, zwłaszcza że inwestycje te wyglądają bardzo skromnie na tle monstrualnego światowego rynku energii (4 biliony dolarów rocznie8). Zaspokojenie potrzeb energetycznych ludzkości jest bardzo poważnym problemem. W miarę jak paliwa kopalne stają się coraz mniej dostępne (a ich wykorzystanie staje się niepożądane), sytuacja się zmienia i po prostu nie możemy sobie pozwolić na to, aby nie rozwijać energii termojądrowej.

Na pytanie „Kiedy pojawi się energia termojądrowa?” Lew Artsimowicz (uznany pionier i lider badań w tej dziedzinie) odpowiedział kiedyś, że „zostanie stworzony, gdy stanie się to naprawdę konieczne dla ludzkości”

ITER będzie pierwszym reaktorem termojądrowym, który wyprodukuje więcej energii, niż zużywa. Naukowcy mierzą tę cechę za pomocą prostego współczynnika, który nazywają „Q”. Jeśli ITER osiągnie wszystkie swoje cele naukowe, wyprodukuje 10 razy więcej energii, niż zużywa. Ostatnie zbudowane urządzenie, Joint European Torus w Anglii, to mniejszy prototypowy reaktor termojądrowy, który w końcowej fazie badań naukowych osiągnął wartość Q wynoszącą prawie 1. Oznacza to, że wyprodukował dokładnie taką samą ilość energii, jaką zużył . ITER wykracza poza ten zakres, demonstrując wytwarzanie energii w wyniku syntezy termojądrowej i osiągając wartość Q wynoszącą 10. Pomysł polega na wygenerowaniu 500 MW przy zużyciu energii wynoszącym około 50 MW. Zatem jednym z celów naukowych ITER jest udowodnienie, że można osiągnąć wartość Q wynoszącą 10.

Innym celem naukowym jest zapewnienie bardzo długiego czasu „spalania” ITER – impulsu o przedłużonym czasie trwania do jednej godziny. ITER to eksperymentalny reaktor badawczy, który nie może wytwarzać energii w sposób ciągły. Kiedy ITER zacznie działać, będzie włączony przez godzinę, po czym będzie musiał zostać wyłączony. Jest to ważne, ponieważ do tej pory stworzone przez nas standardowe urządzenia mogły świecić w czasie kilku sekund, a nawet dziesiątych części sekundy – to maksimum. „Wspólny europejski torus” osiągnął wartość Q 1 przy czasie spalania około dwóch sekund i długości impulsu 20 sekund. Jednak proces trwający kilka sekund nie jest tak naprawdę trwały. Analogicznie do uruchamiania silnika samochodu: krótkie włączenie i wyłączenie silnika nie jest jeszcze prawdziwą pracą samochodu. Dopiero, gdy pojedziesz samochodem przez pół godziny, osiągnie on stały tryb pracy i pokaże, że takim samochodem naprawdę da się jeździć.

Oznacza to, że z technicznego i naukowego punktu widzenia ITER zapewni wartość Q wynoszącą 10 i wydłużony czas spalania.

Program syntezy termojądrowej ma prawdziwie międzynarodowy i szeroki charakter. Ludzie już liczą na sukces ITER i myślą o kolejnym kroku – stworzeniu prototypu przemysłowego reaktora termojądrowego o nazwie DEMO. Aby go zbudować, ITER musi działać. Musimy osiągnąć nasze cele naukowe, ponieważ będzie to oznaczać, że przedstawione przez nas pomysły będą w pełni wykonalne. Zgadzam się jednak, że zawsze należy myśleć o tym, co będzie dalej. Ponadto w miarę funkcjonowania ITER przez 25–30 lat nasza wiedza będzie stopniowo się pogłębiać i poszerzać, dzięki czemu będziemy mogli dokładniej określić nasz kolejny krok.

W rzeczywistości nie ma dyskusji na temat tego, czy ITER powinien być tokamakiem. Niektórzy naukowcy stawiają pytanie zupełnie inaczej: czy ITER powinien istnieć? Eksperci z różnych krajów, opracowujący własne, niezbyt duże projekty termojądrowe, twierdzą, że tak duży reaktor w ogóle nie jest potrzebny.

Ich opinii nie należy jednak uważać za autorytatywną. W stworzenie ITER zaangażowani byli fizycy, którzy od kilkudziesięciu lat zajmowali się pułapkami toroidalnymi. Projekt eksperymentalnego reaktora termojądrowego w Karadaszu powstał w oparciu o całą wiedzę zdobytą podczas eksperymentów na dziesiątkach poprzednich tokamaków. A te wyniki wskazują, że reaktorem musi być tokamak i to duży.

JET W tej chwili za najbardziej udany tokamak można uznać JET, zbudowany przez UE w brytyjskim mieście Abingdon. To największy stworzony do tej pory reaktor typu tokamak, duży promień torusa plazmowego wynosi 2,96 metra. Moc reakcji termojądrowej osiągnęła już ponad 20 megawatów przy czasie retencji do 10 sekund. Reaktor zwraca około 40% energii wprowadzonej do plazmy.

Bilans energetyczny determinuje fizyka plazmy” – powiedział Infox.ru Igor Semenow. Profesor nadzwyczajny MIPT opisał, czym jest bilans energetyczny na prostym przykładzie: „Wszyscy widzieliśmy płonący ogień. Tak naprawdę to nie pali się tam drewno, tylko gaz. Prowadnik energii wygląda następująco: gaz się pali, drewno się nagrzewa, drewno odparowuje, gaz znów się pali. Dlatego jeśli dorzucimy wodę do ognia, gwałtownie pobierzemy z układu energię do przejścia fazowego wody w stanie ciekłym w stan pary. Saldo stanie się ujemne i ogień zgaśnie. Jest inny sposób - możemy po prostu wziąć głownie i rozrzucić je w przestrzeni. Ogień również zgaśnie. Podobnie jest w budowanym przez nas reaktorze termojądrowym. Wymiary dobiera się tak, aby stworzyć odpowiedni dodatni bilans energetyczny dla tego reaktora. Wystarczające, aby w przyszłości zbudować prawdziwą elektrownię jądrową, rozwiązując na tym etapie eksperymentalnym wszystkie problemy, które obecnie pozostają nierozwiązane.”

Wymiary reaktora zostały raz zmienione. Stało się to na przełomie XX i XXI wieku, kiedy z projektu wycofały się Stany Zjednoczone, a pozostali członkowie zdali sobie sprawę, że budżet ITER (szacowany wówczas na 10 miliardów dolarów) jest za duży. Fizycy i inżynierowie musieli obniżyć koszty instalacji. A było to możliwe tylko ze względu na rozmiar. „Przeprojektowaniem” ITER kierował francuski fizyk Robert Aymar, który wcześniej pracował nad francuskim tokamakiem Tore Supra w Karadash. Zewnętrzny promień torusa plazmowego został zmniejszony z 8,2 do 6,3 metra. Jednakże ryzyko związane ze zmniejszeniem rozmiaru zostało częściowo zrekompensowane przez kilka dodatkowych magnesów nadprzewodzących, co umożliwiło wdrożenie otwartego i wówczas badanego trybu utrzymywania plazmy.

źródło
http://ehorussia.com
http://oko-planet.su

Druga połowa XX wieku to okres szybkiego rozwoju fizyki jądrowej. Stało się jasne, że reakcje jądrowe można wykorzystać do wytworzenia ogromnej energii z niewielkich ilości paliwa. Od wybuchu pierwszej bomby atomowej do powstania pierwszej elektrowni jądrowej minęło zaledwie dziewięć lat, a kiedy w 1952 r. testowano bombę wodorową, przewidywano, że elektrownie termojądrowe zostaną uruchomione w latach 60. XX wieku. Niestety, nadzieje te nie okazały się uzasadnione.

Reakcje termojądrowe Ze wszystkich reakcji termojądrowych tylko cztery są przedmiotem zainteresowania w najbliższej przyszłości: deuter + deuter (produkty - tryt i proton, uwolniona energia 4,0 MeV), deuter + deuter (hel-3 i neutron, 3,3 MeV), deuter + tryt (hel-4 i neutron, 17,6 MeV) i deuter + hel-3 (hel-4 i proton, 18,2 MeV). Pierwsza i druga reakcja zachodzą równolegle z równym prawdopodobieństwem. Powstały tryt i hel-3 „spalają się” w trzeciej i czwartej reakcji

Głównym źródłem energii dla ludzkości jest dziś spalanie węgla, ropy i gazu. Ich dostawy są jednak ograniczone, a produkty spalania zanieczyszczają środowisko. Elektrownia węglowa wytwarza więcej emisji radioaktywnych niż elektrownia jądrowa o tej samej mocy! Dlaczego więc jeszcze nie przeszliśmy na źródła energii jądrowej? Powodów jest wiele, ale ostatnio główną z nich jest radiofobia. Pomimo tego, że elektrownia węglowa nawet podczas normalnej pracy szkodzi zdrowiu o wiele większej liczby ludzi niż awaryjna emisja z elektrowni jądrowej, robi to po cichu i niezauważalnie przez społeczeństwo. Awarie w elektrowniach jądrowych natychmiast stają się głównym tematem mediów, wywołując powszechną panikę (często zupełnie bezpodstawną). Nie oznacza to jednak, że energetyka jądrowa nie ma obiektywnych problemów. Odpady radioaktywne sprawiają wiele problemów: technologie ich przetwarzania są w dalszym ciągu niezwykle drogie, a idealna sytuacja, w której wszystkie zostaną całkowicie poddane recyklingowi i wykorzystane, jest jeszcze odległa.

Ze wszystkich reakcji termojądrowych tylko cztery są interesujące w najbliższej przyszłości: deuter + deuter (produkty - tryt i proton, uwolniona energia 4,0 MeV), deuter + deuter (hel-3 i neutron, 3,3 MeV), deuter + tryt ( hel -4 i neutron, 17,6 MeV) oraz deuter + hel-3 (hel-4 i proton, 18,2 MeV). Pierwsza i druga reakcja zachodzą równolegle z równym prawdopodobieństwem. Powstały tryt i hel-3 „spalają się” w trzeciej i czwartej reakcji.

Od rozszczepienia do fuzji

Potencjalnym rozwiązaniem tych problemów jest przejście z reaktorów rozszczepialnych na reaktory termojądrowe. Podczas gdy typowy reaktor rozszczepialny zawiera dziesiątki ton paliwa radioaktywnego, które przekształca się w dziesiątki ton odpadów radioaktywnych zawierających szeroką gamę izotopów promieniotwórczych, reaktor termojądrowy zużywa jedynie setki gramów, maksymalnie kilogramów, jednego radioaktywnego izotopu wodoru, tryt. Oprócz tego, że do reakcji potrzebna jest niewielka ilość tego najmniej niebezpiecznego izotopu promieniotwórczego, planuje się, że jego produkcja będzie prowadzona bezpośrednio w elektrowni, aby zminimalizować ryzyko związane z transportem. Produkty syntezy to stabilny (nieradioaktywny) i nietoksyczny wodór i hel. Ponadto, w przeciwieństwie do reakcji rozszczepienia, reakcja termojądrowa zatrzymuje się natychmiast po zniszczeniu instalacji, bez stwarzania niebezpieczeństwa wybuchu termicznego. Dlaczego więc nie zbudowano jeszcze ani jednej działającej elektrowni termojądrowej? Powodem jest to, że wymienione zalety nieuchronnie pociągają za sobą wady: stworzenie warunków do syntezy okazało się znacznie trudniejsze, niż początkowo oczekiwano.

Kryterium Lawsona

Aby reakcja termojądrowa była korzystna energetycznie, należy zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę paliwa termojądrowego, odpowiednio dużą gęstość i odpowiednio niskie straty energii. Te ostatnie charakteryzują się liczbowo tzw. „czasem retencji”, który jest równy stosunkowi energii cieplnej zmagazynowanej w plazmie do mocy strat energii (wiele osób błędnie uważa, że ​​„czas retencji” to czas, w którym w instalacji utrzymywana jest gorąca plazma, ale tak nie jest). W temperaturze mieszaniny deuteru i trytu równej 10 keV (około 110 000 000 stopni) musimy otrzymać iloczyn liczby cząstek paliwa w 1 cm 3 (tj. stężenia w plazmie) i czasu retencji (w sekundach) z co najmniej 10 14. Nie ma znaczenia, czy mamy osocze o stężeniu 1014 cm -3 i czasie retencji 1 s, czy osocze o stężeniu 10 23 i czasie retencji 1 ns. Kryterium to nazywane jest kryterium Lawsona.
Oprócz kryterium Lawsona, które odpowiada za uzyskanie korzystnej energetycznie reakcji, istnieje również kryterium zapłonu plazmowego, które dla reakcji deuter-tryt jest około trzykrotnie większe niż kryterium Lawsona. „Zapłon” oznacza, że ​​część energii termojądrowej pozostająca w plazmie wystarczy do utrzymania wymaganej temperatury i dodatkowe ogrzewanie plazmy nie będzie już potrzebne.

Szczypta Z

Pierwszym urządzeniem, w którym planowano uzyskać kontrolowaną reakcję termojądrową, był tzw. Z-pinch. W najprostszym przypadku instalacja ta składa się tylko z dwóch elektrod umieszczonych w środowisku deuteru (wodoru-2) lub mieszaniny deuteru i trytu oraz baterii kondensatorów impulsowych wysokiego napięcia. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że umożliwia uzyskanie sprężonej plazmy podgrzanej do ogromnych temperatur: dokładnie takiej, jaka jest potrzebna do reakcji termojądrowej! Jednak w życiu wszystko okazało się, niestety, dalekie od różowego. Lina plazmowa okazała się niestabilna: najmniejsze zagięcie prowadzi do wzmocnienia pola magnetycznego z jednej strony i osłabienia z drugiej, powstałe siły dodatkowo zwiększają ugięcie liny - i cała plazma „wypada” na bocznej ścianie komory. Lina jest nie tylko niestabilna na zginanie, najmniejsze jej przerzedzenie powoduje wzrost pola magnetycznego w tej części, co jeszcze bardziej ściska plazmę, wciskając ją w pozostałą objętość liny, aż lina zostanie ostatecznie „ściśnięta” . Ściśnięta część ma wysoki opór elektryczny, w związku z czym prąd zostaje przerwany, pole magnetyczne zanika, a cała plazma ulega rozproszeniu.

Zasada działania zacisku Z jest prosta: prąd elektryczny wytwarza pierścieniowe pole magnetyczne, które oddziałuje z tym samym prądem i ściska go. W rezultacie wzrasta gęstość i temperatura plazmy, przez którą przepływa prąd.

Udało się ustabilizować wiązkę plazmy poprzez przyłożenie do niej silnego zewnętrznego pola magnetycznego, równoległego do prądu, i umieszczenie jej w grubej osłonie przewodzącej (w miarę ruchu plazmy porusza się także pole magnetyczne, które indukuje prąd elektryczny w obudowa, mająca tendencję do przywracania plazmy na swoje miejsce). Plazma przestała się wyginać i ściskać, ale nadal było jej daleko do reakcji termojądrowej na jakąkolwiek poważną skalę: plazma dotyka elektrod i oddaje im ciepło.

Współczesne prace w dziedzinie syntezy Z-pinch sugerują inną zasadę wytwarzania plazmy termojądrowej: prąd przepływa przez rurę plazmy wolframowej, która wytwarza silne promienie rentgenowskie, które ściskają i podgrzewają kapsułkę z paliwem termojądrowym znajdującym się wewnątrz rurki plazmowej, podobnie jak dzieje się to w bombie termojądrowej. Prace te mają jednak charakter czysto badawczy (badane są mechanizmy działania broni jądrowej), a energia uwalniana w tym procesie jest wciąż miliony razy mniejsza niż zużycie.

Im mniejszy jest stosunek dużego promienia torusa tokamaka (odległość od środka całego torusa do środka przekroju jego rury) do małego (promień przekroju rury), tym większe ciśnienie plazmy może znajdować się w tym samym polu magnetycznym. Zmniejszając ten stosunek, naukowcy przeszli z okrągłego przekroju komory plazmowo-próżniowej na kształt litery D (w tym przypadku rolę małego promienia pełni połowa wysokości przekroju). Wszystkie nowoczesne tokamaki mają dokładnie taki kształt przekroju. Przypadkiem ograniczającym był tzw. „tokamak sferyczny”. W takich tokamakach komora próżniowa i plazma mają kształt niemal kulisty, z wyjątkiem wąskiego kanału łączącego bieguny kuli. Przez kanał przechodzą przewodniki cewek magnetycznych. Pierwszy tokamak sferyczny, START, pojawił się dopiero w 1991 roku, więc jest to dość młody kierunek, ale już pokazał możliwość uzyskania takiego samego ciśnienia plazmy przy trzykrotnie słabszym polu magnetycznym.

Komora korkowa, stellarator, tokamak

Inną możliwością stworzenia warunków niezbędnych do reakcji są tzw. otwarte pułapki magnetyczne. Najbardziej znaną z nich jest „ogniwo korkowe”: rura z podłużnym polem magnetycznym, które wzmacnia się na końcach i słabnie w środku. Pole zwiększone na końcach tworzy „wtyczkę magnetyczną” (stąd rosyjska nazwa) lub „lustro magnetyczne” (po angielsku - maszyna lustrzana), które zapobiega opuszczeniu instalacji przez końcówki przez plazmę. Jednakże takie zatrzymanie jest niepełne; niektóre naładowane cząstki poruszające się po określonych trajektoriach są w stanie przejść przez te zatory. W wyniku zderzeń każda cząstka prędzej czy później spadnie na taką trajektorię. Dodatkowo plazma w komorze lustrzanej również okazała się niestabilna: jeśli w jakimś miejscu niewielki fragment plazmy odsunie się od osi instalacji, powstają siły, które wyrzucają plazmę na ściankę komory. Choć podstawowa idea ogniwa lustrzanego została znacznie ulepszona (co pozwoliło zmniejszyć zarówno niestabilność plazmy, jak i przepuszczalność zwierciadeł), w praktyce nie udało się nawet zbliżyć do parametrów niezbędnych do syntezy korzystnej energetycznie .

Czy można mieć pewność, że plazma nie wycieknie przez „korki”? Wydawałoby się, że oczywistym rozwiązaniem jest zwinięcie plazmy w pierścień. Jednak wtedy pole magnetyczne wewnątrz pierścienia jest silniejsze niż na zewnątrz i plazma ponownie ma tendencję do przemieszczania się w stronę ścianki komory. Wyjście z tej trudnej sytuacji również wydawało się dość oczywiste: zamiast pierścienia zrób „ósemkę”, wtedy w jednym odcinku cząstka odsunie się od osi instalacji, a w innym powróci. W ten sposób naukowcy wpadli na pomysł pierwszego stellaratora. Jednak takiej „ósemki” nie można wykonać w jednej płaszczyźnie, dlatego musieliśmy zastosować trzeci wymiar, zaginając pole magnetyczne w drugim kierunku, co również doprowadziło do stopniowego przemieszczania się cząstek od osi do ścianki komory .

Sytuacja uległa diametralnej zmianie wraz z pojawieniem się instalacji typu tokamak. Wyniki uzyskane na tokamaku T-3 w drugiej połowie lat 60. XX w. były na tamte czasy na tyle oszałamiające, że zachodni naukowcy przyjechali do ZSRR ze swoim sprzętem pomiarowym, aby sami zweryfikować parametry plazmy. Rzeczywistość przerosła nawet ich oczekiwania.

Te fantastycznie splecione rurki nie są projektem artystycznym, ale komorą gwiezdną wygiętą w złożoną trójwymiarową krzywą.

W rękach bezwładności

Oprócz zamknięcia magnetycznego istnieje zasadniczo inne podejście do syntezy termojądrowej - uwięzienie inercyjne. Jeśli w pierwszym przypadku staramy się utrzymać plazmę w bardzo niskim stężeniu przez długi czas (stężenie cząsteczek w otaczającym nas powietrzu jest setki tysięcy razy wyższe), to w drugim przypadku kompresujemy plazmę do ogromną gęstość, o rząd wielkości większą niż gęstość najcięższych metali, w oczekiwaniu, że reakcja będzie miała czas na przejście w tak krótkim czasie, zanim plazma zdąży rozproszyć się na boki.

Pierwotnie, w latach sześćdziesiątych XX wieku, plan zakładał użycie małej kulki zamrożonego paliwa termojądrowego, równomiernie napromieniowanej ze wszystkich stron wieloma wiązkami laserowymi. Powierzchnia kuli powinna natychmiast odparować i rozszerzając się równomiernie we wszystkich kierunkach, sprasować i podgrzać pozostałą część paliwa. W praktyce jednak napromieniowanie okazało się niewystarczająco równomierne. Dodatkowo część energii promieniowania przekazywana była do warstw wewnętrznych, powodując ich nagrzewanie, co utrudniało kompresję. W rezultacie piłka ściskała się nierównomiernie i słabo.

Istnieje wiele współczesnych konfiguracji gwiazd, z których wszystkie są zbliżone do torusa. Jedna z najczęstszych konfiguracji polega na zastosowaniu cewek podobnych do cewek pola poloidalnego tokamaków oraz czterech do sześciu przewodów skręconych wokół komory próżniowej z prądem wielokierunkowym. Wytworzone w ten sposób złożone pole magnetyczne pozwala na niezawodne zamknięcie plazmy bez konieczności przepływu przez nią pierścieniowego prądu elektrycznego. Ponadto stellaratory mogą również wykorzystywać cewki pola toroidalnego, takie jak tokamaki. I może nie być przewodów spiralnych, ale wtedy „toroidalne” cewki polowe są instalowane wzdłuż złożonej trójwymiarowej krzywej. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie stellaratorów obejmują zastosowanie cewek magnetycznych i komory próżniowej o bardzo złożonym kształcie (bardzo „pognieciony” torus), obliczonym komputerowo.

Problem nierówności został rozwiązany poprzez znaczną zmianę konstrukcji tarczy. Teraz kulę umieszcza się w specjalnej małej metalowej komorze (nazywa się to „holraum”, od niemieckiego hohlraum - wnęka) z otworami, przez które do środka wnikają promienie lasera. Ponadto stosowane są kryształy, które przekształcają promieniowanie lasera IR w ultrafiolet. To promieniowanie UV jest pochłaniane przez cienką warstwę materiału hohlraum, który nagrzewa się do ogromnych temperatur i emituje miękkie promieniowanie rentgenowskie. Z kolei promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez cienką warstwę na powierzchni kapsuły paliwowej (kulki z paliwem). Umożliwiło to również rozwiązanie problemu przedwczesnego nagrzewania się warstw wewnętrznych.

Moc laserów okazała się jednak niewystarczająca, aby zauważalna część paliwa mogła zareagować. Ponadto wydajność laserów była bardzo niska i wynosiła tylko około 1%. Aby synteza termojądrowa była energetycznie korzystna przy tak niskiej wydajności lasera, prawie całe sprężone paliwo musiało zareagować. Próbując zastąpić lasery wiązkami lekkich lub ciężkich jonów, które można wygenerować ze znacznie większą wydajnością, naukowcy również napotkali wiele problemów: lekkie jony odpychają się nawzajem, co uniemożliwia im skupienie się, a przy zderzeniu z pozostałościami są spowalniane. gaz w komorze i akceleratory Nie udało się wytworzyć ciężkich jonów o wymaganych parametrach.

Perspektywy magnetyczne

Największe nadzieje w dziedzinie energii termojądrowej pokłada się obecnie w tokamakach. Zwłaszcza po otwarciu trybu z ulepszoną retencją. Tokamak to zarówno szczypta Z zwinięta w pierścień (prąd elektryczny pierścienia przepływa przez plazmę, tworząc pole magnetyczne niezbędne do jego zatrzymania), jak i sekwencja komórek lustrzanych połączonych w pierścień i tworzących „fałdowany” toroidalny magnes pole. Dodatkowo pole prostopadłe do płaszczyzny torusa, utworzone przez kilka pojedynczych cewek, nakłada się na pole toroidalne cewek i pole prądu plazmowego. To dodatkowe pole, zwane poloidalnym, wzmacnia pole magnetyczne prądu plazmowego (również poloidalnego) na zewnątrz torusa i osłabia je od wewnątrz. Zatem całkowite pole magnetyczne ze wszystkich stron liny plazmowej okazuje się takie samo, a jej położenie pozostaje stabilne. Zmieniając to dodatkowe pole, możliwe jest przemieszczanie wiązki plazmy wewnątrz komory próżniowej w określonych granicach.

Zasadniczo odmienne podejście do syntezy proponuje koncepcja katalizy mionowej. Mion to niestabilna cząstka elementarna, która ma taki sam ładunek jak elektron, ale 207 razy większą masę. Mion może zastąpić elektron w atomie wodoru, a rozmiar atomu zmniejsza się 207-krotnie. Dzięki temu jedno jądro wodoru może zbliżyć się do drugiego bez wydatkowania energii. Aby jednak wyprodukować jeden mion, zużywa się około 10 GeV energii, co oznacza, że ​​w celu uzyskania korzyści energetycznych konieczne jest przeprowadzenie kilku tysięcy reakcji termojądrowych na mion. Ze względu na możliwość „przyklejenia się” mionu do powstałego w reakcji helu, nie udało się dotychczas przeprowadzić ponad kilkuset reakcji. Zdjęcie przedstawia montaż stellaratora Wendelsteina z-x w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka.

Istotnym problemem tokamaków przez długi czas była konieczność wytworzenia w plazmie prądu pierścieniowego. W tym celu przez centralny otwór torusa tokamaka przepuszczono obwód magnetyczny, w którym strumień magnetyczny ulegał ciągłym zmianom. Zmiana strumienia magnetycznego generuje wirowe pole elektryczne, które jonizuje gaz w komorze próżniowej i utrzymuje prąd w powstałej plazmie. Jednakże prąd w plazmie musi być utrzymywany w sposób ciągły, co oznacza, że ​​strumień magnetyczny musi stale zmieniać się w jednym kierunku. Jest to oczywiście niemożliwe, dlatego prąd w tokamakach mógł być utrzymywany jedynie przez ograniczony czas (od ułamka sekundy do kilku sekund). Na szczęście odkryto tzw. prąd ładowania początkowego, który występuje w plazmie pozbawionej zewnętrznego pola wirowego. Ponadto opracowano metody podgrzewania plazmy, jednocześnie indukując w niej niezbędny prąd pierścieniowy. Łącznie zapewniło to potencjał utrzymywania gorącej plazmy tak długo, jak jest to pożądane. W praktyce rekord należy obecnie do tokamaka Tore Supra, gdzie plazma „paliła się” nieprzerwanie przez ponad sześć minut.

Drugim typem instalacji zatrzymujących plazmę, który jest bardzo obiecujący, są stellaratory. W ciągu ostatnich dziesięcioleci konstrukcja gwiazd uległa dramatycznym zmianom. Z oryginalnej „ósemki” prawie nic nie pozostało, a instalacje te znacznie zbliżyły się do tokamaków. Choć czas uwięzienia stellaratorów jest krótszy niż tokamaków (ze względu na mniej wydajny tryb H), a koszt ich budowy jest wyższy, to plazma w nich zachowuje się spokojniej, co oznacza dłuższą żywotność pierwszego wewnętrzna ściana komory próżniowej. Czynnik ten ma ogromne znaczenie dla komercyjnego rozwoju syntezy termojądrowej.

Wybór reakcji

Na pierwszy rzut oka najbardziej logiczne jest użycie czystego deuteru jako paliwa termojądrowego: jest on stosunkowo tani i bezpieczny. Jednakże deuter reaguje z deuterem sto razy trudniej niż z trytem. Oznacza to, że do pracy reaktora na mieszaninie deuteru i trytu wystarcza temperatura 10 keV, a do pracy na czystym deuterze wymagana jest temperatura powyżej 50 keV. Im wyższa temperatura, tym większe straty energii. Dlatego przynajmniej po raz pierwszy planuje się budowę energetyki termojądrowej w oparciu o paliwo deuterowo-trytowe. Tryt będzie wytwarzany w samym reaktorze w wyniku napromieniowania wytwarzanymi w nim szybkimi neutronami litu.
„Niewłaściwe” neutrony. W kultowym filmie „9 dni jednego roku” główny bohater podczas pracy przy instalacji termojądrowej otrzymał poważną dawkę promieniowania neutronowego. Jednak później okazało się, że neutrony te nie powstały w wyniku reakcji termojądrowej. To nie jest wymysł reżysera, ale rzeczywisty efekt zaobserwowany w Z-szczypcach. W momencie przerwania prądu elektrycznego indukcyjność plazmy powoduje wygenerowanie ogromnego napięcia - milionów woltów. Pojedyncze jony wodoru, przyspieszane w tym polu, są w stanie dosłownie wybijać neutrony z elektrod. Początkowo zjawisko to rzeczywiście uznawano za pewny znak reakcji termojądrowej, jednak późniejsza analiza widma energii neutronów wykazała, że ​​miały one inne pochodzenie.
Ulepszony tryb przechowywania. Tryb H tokamaka to tryb jego działania, gdy przy dużej mocy dodatkowego ogrzewania straty energii plazmy gwałtownie maleją. Przypadkowe odkrycie ulepszonego trybu zamknięcia w 1982 roku jest równie znaczące jak wynalezienie samego tokamaka. Nie ma jeszcze ogólnie przyjętej teorii tego zjawiska, ale nie przeszkadza to w jego stosowaniu w praktyce. Wszystkie nowoczesne tokamaki działają w tym trybie, ponieważ zmniejsza to straty o ponad połowę. Następnie podobny reżim odkryto w gwiezdnych gwiazdach, co wskazuje, że jest to ogólna właściwość układów toroidalnych, ale uwięzienie jest w nich lepsze tylko o około 30%.
Ogrzewanie plazmowe. Istnieją trzy główne metody podgrzewania plazmy do temperatur termojądrowych. Ogrzewanie omowe to ogrzewanie plazmy w wyniku przepływu przez nią prądu elektrycznego. Ta metoda jest najskuteczniejsza na pierwszych etapach, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury maleje opór elektryczny plazmy. Ogrzewanie elektromagnetyczne wykorzystuje fale elektromagnetyczne o częstotliwości odpowiadającej częstotliwości obrotu wokół linii pola magnetycznego elektronów lub jonów. Wstrzykując szybkie atomy obojętne, powstaje strumień jonów ujemnych, które następnie są neutralizowane, zamieniając się w atomy obojętne, które mogą przejść przez pole magnetyczne do środka plazmy, aby przekazać tam swoją energię.
Czy to są reaktory? Tryt jest radioaktywny, a silne napromieniowanie neutronami powstające w reakcji D-T powoduje indukowaną radioaktywność w elementach konstrukcyjnych reaktora. Musimy korzystać z robotów, co komplikuje pracę. Jednocześnie zachowanie plazmy zwykłego wodoru lub deuteru jest bardzo zbliżone do zachowania plazmy z mieszaniny deuteru i trytu. Doprowadziło to do tego, że w historii tylko dwie instalacje termojądrowe działały w pełni na mieszaninie deuteru i trytu: tokamaki TFTR i JET. W innych instalacjach nie zawsze stosuje się nawet deuter. Zatem nazwa „termonuklearny” w definicji obiektu wcale nie oznacza, że ​​kiedykolwiek faktycznie zachodziły w nim reakcje termojądrowe (a w tych, które zachodzą, prawie zawsze używany jest czysty deuter).
Reaktor hybrydowy. W reakcji D-T powstają neutrony o energii 14 MeV, które mogą nawet rozszczepić zubożony uran. Rozszczepieniu jednego jądra uranu towarzyszy uwolnienie energii około 200 MeV, czyli ponad dziesięciokrotnie więcej niż energia uwolniona podczas syntezy. Zatem istniejące tokamaki mogłyby stać się korzystne pod względem energetycznym, gdyby były otoczone powłoką uranową. W porównaniu do reaktorów rozszczepialnych, takie reaktory hybrydowe miałyby tę zaletę, że zapobiegałyby rozwojowi w nich niekontrolowanej reakcji łańcuchowej. Dodatkowo niezwykle intensywne strumienie neutronów powinny przekształcać długożyciowe produkty rozszczepienia uranu w krótkotrwałe, co znacząco ogranicza problem utylizacji odpadów.

Inercyjne nadzieje

Fuzja inercyjna również nie stoi w miejscu. W ciągu kilkudziesięciu lat rozwoju technologii laserowej pojawiły się perspektywy zwiększenia wydajności laserów około dziesięciokrotnie. W praktyce ich moc została zwiększona setki i tysiące razy. Trwają także prace nad akceleratorami ciężkich jonów o parametrach odpowiednich do zastosowań termojądrowych. Ponadto koncepcja „szybkiego zapłonu” odegrała kluczową rolę w postępie syntezy bezwładnościowej. Polega ona na zastosowaniu dwóch impulsów: jeden spręża paliwo termojądrowe, a drugi podgrzewa jego niewielką część. Zakłada się, że reakcja rozpoczynająca się w niewielkiej części paliwa będzie następnie rozprzestrzeniać się dalej i obejmie całe paliwo. Takie podejście pozwala znacząco obniżyć koszty energii, a co za tym idzie sprawić, że reakcja będzie opłacalna przy mniejszym ułamku przereagowanego paliwa.

Problemy z tokamakiem

Pomimo postępu instalacji innych typów, tokamaki w chwili obecnej nadal pozostają poza konkurencją: jeśli dwa tokamaki (TFTR i JET) jeszcze w latach 90. choć taki tryb trwał tylko około sekundy), to przy innych typach instalacji niczego podobnego nie można było osiągnąć. Nawet proste zwiększenie rozmiaru tokamaków doprowadzi do wykonalności w nich korzystnej energetycznie fuzji. Międzynarodowy reaktor ITER jest obecnie budowany we Francji, która będzie musiała to wykazać w praktyce.

Jednak tokamaki też mają problemy. ITER kosztuje miliardy dolarów, co jest nie do przyjęcia w przypadku przyszłych reaktorów komercyjnych. Żaden reaktor nie działał nieprzerwanie nawet przez kilka godzin, nie mówiąc już o tygodniach i miesiącach, co z kolei jest konieczne w zastosowaniach przemysłowych. Nie ma jeszcze pewności, że materiały wewnętrznej ściany komory próżniowej będą w stanie wytrzymać długotrwałe działanie plazmy.

Koncepcja tokamaka z silnym polem może sprawić, że projekt będzie tańszy. Zwiększając pole dwu-, trzykrotnie, planuje się uzyskać wymagane parametry plazmy w stosunkowo małej instalacji. W szczególności ta koncepcja stanowi podstawę reaktora Ignitor, który wraz z włoskimi kolegami rozpoczyna budowę w TRINIT (Instytucie Innowacji i Badań Termonuklearnych Trójcy) pod Moskwą. Jeśli obliczenia inżynierów się sprawdzą, to kosztem wielokrotnie niższym niż ITER będzie można w tym reaktorze zapalić plazmę.

Naprzód do gwiazd!

Produkty reakcji termojądrowej odlatują w różnych kierunkach z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę. Dzięki temu możliwe jest tworzenie ultrawydajnych silników rakietowych. Ich impuls właściwy będzie wyższy niż w najlepszych elektrycznych silnikach odrzutowych, a ich energochłonność może być nawet ujemna (teoretycznie można energię generować, a nie konsumować). Co więcej, istnieją podstawy, aby sądzić, że wykonanie termojądrowego silnika rakietowego będzie jeszcze łatwiejsze niż reaktora naziemnego: nie ma problemu z wytworzeniem próżni, z izolacją termiczną magnesów nadprzewodzących, nie ma ograniczeń gabarytowych itp. Poza tym pożądane jest wytwarzanie prądu przez silnik, ale wcale nie jest to konieczne, wystarczy, żeby nie zużywał go za dużo.

Uwięzienie elektrostatyczne

Koncepcję elektrostatycznego uwięzienia jonów najłatwiej zrozumieć za pomocą układu zwanego fuzorem. Opiera się na elektrodzie sferycznej, do której przykładany jest potencjał ujemny. Jony przyspieszane w oddzielnym akceleratorze lub przez pole samej elektrody centralnej wpadają do jego wnętrza i są tam utrzymywane przez pole elektrostatyczne: jeśli jon ma tendencję do wylatywania, pole elektrody odwraca go. Niestety, prawdopodobieństwo zderzenia jonu z siecią jest o wiele rzędów wielkości wyższe od prawdopodobieństwa wejścia jonu w reakcję termojądrową, co uniemożliwia zajście energetycznie korzystnej reakcji. Instalacje takie znalazły zastosowanie jedynie jako źródła neutronów.
Próbując dokonać sensacyjnego odkrycia, wielu naukowców stara się widzieć syntezę tam, gdzie to możliwe. W prasie pojawiło się wiele doniesień na temat różnych opcji tzw. „zimnej fuzji”. Syntezę odkryto w metalach „impregnowanych” deuterem, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny, podczas elektrolizy cieczy nasyconych deuterem, podczas tworzenia się w nich pęcherzyków kawitacyjnych, a także w innych przypadkach. Jednakże większość tych eksperymentów nie uzyskała zadowalającej powtarzalności w innych laboratoriach, a ich wyniki prawie zawsze można wyjaśnić bez użycia syntezy.
Kontynuując „chwalebną tradycję”, która rozpoczęła się od „kamienia filozoficznego”, a następnie przekształciła się w „maszynę perpetuum mobile”, wielu współczesnych oszustów oferuje obecnie zakup od nich „generatora zimnej syntezy”, „reaktora kawitacyjnego” i innego „paliwa”. -darmowe generatory”: o filozofii O kamieniu zapomnieli już wszyscy, nie wierzą w perpetuum mobile, ale synteza jądrowa brzmi teraz całkiem przekonująco. Ale, niestety, w rzeczywistości takie źródła energii jeszcze nie istnieją (a kiedy uda się je stworzyć, będzie to we wszystkich komunikatach prasowych). Bądź więc świadomy: jeśli zaoferowano Ci zakup urządzenia wytwarzającego energię w procesie zimnej syntezy jądrowej, oznacza to, że po prostu próbują Cię „oszukać”!

Według wstępnych szacunków, nawet przy obecnym poziomie technologii możliwe jest stworzenie termojądrowego silnika rakietowego do lotu na planety Układu Słonecznego (przy odpowiednim finansowaniu). Opanowanie technologii takich silników dziesięciokrotnie zwiększy prędkość lotów załogowych i umożliwi posiadanie na pokładzie dużych rezerw paliwa, co sprawi, że lot na Marsa nie będzie trudniejszy niż obecnie praca na ISS. Stacje automatyczne potencjalnie udostępnią prędkości rzędu 10% prędkości światła, co oznacza, że ​​możliwe będzie wysyłanie sond badawczych do pobliskich gwiazd i pozyskiwanie danych naukowych jeszcze za życia ich twórców.

Za najbardziej rozwiniętą obecnie uważa się koncepcję termojądrowego silnika rakietowego opartego na syntezie inercyjnej. Różnica między silnikiem a reaktorem polega na polu magnetycznym, które kieruje naładowane produkty reakcji w jednym kierunku. Druga opcja polega na zastosowaniu syfonu otwartego, w którym celowo osłabia się jeden z korków. Wypływająca z niej plazma wytworzy siłę reaktywną.

Przyszłość termojądrowa

Opanowanie syntezy termojądrowej okazało się o wiele rzędów wielkości trudniejsze, niż początkowo się wydawało. I choć wiele problemów zostało już rozwiązanych, pozostałe wystarczą na kolejne kilkadziesiąt lat ciężkiej pracy tysięcy naukowców i inżynierów. Ale perspektywy, jakie otwierają przed nami przemiany izotopów wodoru i helu, są tak wielkie, a przebyta droga jest już na tyle znacząca, że ​​nie ma sensu zatrzymywać się w połowie. Niezależnie od tego, co twierdzi wielu sceptyków, przyszłość niewątpliwie leży w syntezie.

ITER – Międzynarodowy Reaktor Termonuklearny (ITER)

Zużycie energii przez ludzi rośnie z roku na rok, co popycha energetykę do aktywnego rozwoju. Tym samym wraz z pojawieniem się elektrowni jądrowych ilość energii wytwarzanej na całym świecie znacznie wzrosła, co umożliwiło bezpieczne wykorzystanie energii na wszystkie potrzeby ludzkości. Przykładowo 72,3% energii elektrycznej wytwarzanej we Francji pochodzi z elektrowni jądrowych, na Ukrainie – 52,3%, w Szwecji – 40,0%, w Wielkiej Brytanii – 20,4%, w Rosji – 17,1%. Technologia jednak nie stoi w miejscu i chcąc zaspokoić dalsze potrzeby energetyczne przyszłych krajów, naukowcy pracują nad szeregiem innowacyjnych projektów, z których jednym jest ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy).

Choć opłacalność tej instalacji wciąż stoi pod znakiem zapytania, to z prac wielu badaczy wynika, że ​​stworzenie i późniejszy rozwój technologii kontrolowanej syntezy termojądrowej może skutkować powstaniem potężnego i bezpiecznego źródła energii. Przyjrzyjmy się niektórym pozytywnym aspektom takiej instalacji:

• Głównym paliwem reaktora termojądrowego jest wodór, co oznacza praktycznie niewyczerpane zasoby paliwa jądrowego.
• Wodór można wytwarzać poprzez przetwarzanie wody morskiej, która jest dostępna w większości krajów. Wynika z tego, że nie może powstać monopol na zasoby paliwowe.
• Prawdopodobieństwo wybuchu awaryjnego podczas pracy reaktora termojądrowego jest znacznie mniejsze niż podczas pracy reaktora jądrowego. Zdaniem badaczy nawet w razie wypadku emisja promieniowania nie będzie stanowić zagrożenia dla ludności, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby ewakuacji.
• W przeciwieństwie do reaktorów jądrowych, reaktory termojądrowe wytwarzają odpady radioaktywne, które mają krótki okres półtrwania, co oznacza, że ​​rozkładają się szybciej. W reaktorach termojądrowych nie ma również produktów spalania.
• Reaktor termojądrowy nie wymaga materiałów wykorzystywanych również w broni nuklearnej. Eliminuje to możliwość ukrywania produkcji broni jądrowej przetwarzaniem materiałów na potrzeby reaktora jądrowego.

Reaktor termojądrowy - widok od środka

Istnieje jednak również szereg niedociągnięć technicznych, z którymi stale spotykają się badacze.

Przykładowo obecna wersja paliwa, prezentowana w postaci mieszaniny deuteru i trytu, wymaga opracowania nowych technologii. Na przykład pod koniec pierwszej serii testów w największym jak dotąd reaktorze termojądrowym JET reaktor stał się tak radioaktywny, że do zakończenia eksperymentu konieczne było opracowanie specjalnego zrobotyzowanego systemu konserwacji. Kolejnym czynnikiem rozczarowującym w działaniu reaktora termojądrowego jest jego sprawność - 20%, podczas gdy sprawność elektrowni jądrowej wynosi 33-34%, a elektrowni cieplnej 40%.

Stworzenie projektu ITER i uruchomienie reaktora

Początki projektu ITER sięgają 1985 roku, kiedy Związek Radziecki zaproponował wspólne stworzenie tokamaka – komory toroidalnej z cewkami magnetycznymi, która może utrzymać plazmę za pomocą magnesów, tworząc w ten sposób warunki niezbędne do zajścia reakcji syntezy termojądrowej. W 1992 roku podpisano czterostronne porozumienie w sprawie rozwoju ITER, którego stronami były UE, USA, Rosja i Japonia. W 1994 r. do projektu przystąpiła Republika Kazachstanu, w 2001 r. – Kanada, w 2003 r. – Korea Południowa i Chiny, w 2005 r. – Indie. W 2005 roku ustalono lokalizację budowy reaktora – Centrum Badań nad Energią Jądrową Cadarache we Francji.

Budowę reaktora rozpoczęto od przygotowania wykopu pod fundament. Zatem parametry wykopu wynosiły 130 x 90 x 17 metrów. Cały kompleks tokamaków będzie ważyć 360 000 ton, z czego sam tokamak będzie 23 000 ton.

Opracowywane i dostarczane na plac budowy będą różne elementy kompleksu ITER z całego świata. I tak w 2016 roku opracowano w Rosji część przewodników do cewek poloidalnych, które następnie wysłano do Chin, które same cewki wyprodukują.

Oczywiście organizacja tak zakrojonych na szeroką skalę prac wcale nie jest łatwa; wiele krajów wielokrotnie nie dotrzymywało harmonogramu projektu, przez co uruchomienie reaktora było stale odkładane. I tak, zgodnie z ubiegłorocznym (2016) czerwcowym komunikatem: „odbiór pierwszej plazmy planowany jest na grudzień 2025 roku”.

Mechanizm operacyjny tokamaka ITER

Termin „tokamak” pochodzi od rosyjskiego akronimu oznaczającego „komorę toroidalną z cewkami magnetycznymi”.

Sercem tokamaka jest komora próżniowa w kształcie torusa. Wewnątrz, pod ekstremalną temperaturą i ciśnieniem, wodór zamienia się w plazmę – gorący, naładowany elektrycznie gaz. Jak wiadomo, materia gwiazdowa jest reprezentowana przez plazmę, a reakcje termojądrowe w jądrze Słońca zachodzą właśnie w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia. Podobne warunki tworzenia, zatrzymywania, kompresji i ogrzewania plazmy powstają za pomocą masywnych cewek magnetycznych rozmieszczonych wokół naczynia próżniowego. Wpływ magnesów ograniczy gorącą plazmę ze ścian naczynia.

Przed rozpoczęciem procesu z komory próżniowej usuwane jest powietrze i zanieczyszczenia. Następnie ładowane są układy magnetyczne, które pomogą kontrolować plazmę i wprowadzane jest paliwo gazowe. Kiedy przez naczynie przepływa silny prąd elektryczny, gaz zostaje rozdzielony elektrycznie i ulega jonizacji (to znaczy, że elektrony opuszczają atomy) i tworzy plazmę.

Gdy cząstki plazmy są aktywowane i zderzają się, one również zaczynają się nagrzewać. Techniki wspomaganego ogrzewania pomagają doprowadzić plazmę do temperatury topnienia (150 do 300 milionów °C). Cząstki „wzbudzone” do tego stopnia mogą po zderzeniu pokonać swoje naturalne odpychanie elektromagnetyczne, uwalniając w wyniku takich zderzeń ogromne ilości energii.

Konstrukcja tokamaka składa się z następujących elementów:

Naczynie próżniowe

(„donut”) to toroidalna komora wykonana ze stali nierdzewnej. Jego duża średnica wynosi 19 m, mała 6 m, a wysokość 11 m. Objętość komory wynosi 1400 m 3, a jej waga ponad 5000 ton. Ściany zbiornika próżniowego są podwójne pomiędzy ściankami będzie krążył czynnik chłodzący, którym będzie woda destylowana. Aby uniknąć skażenia wody, wewnętrzna ściana komory jest chroniona przed promieniowaniem radioaktywnym za pomocą koca.

Koc

(„koc”) – składa się z 440 fragmentów pokrywających wewnętrzną powierzchnię komory. Całkowita powierzchnia bankietowa to 700m2. Każdy fragment to swego rodzaju kaseta, której korpus wykonany jest z miedzi, a przednia ścianka jest zdejmowana i wykonana z berylu. Parametry kaset wynoszą 1x1,5 m, a masa nie przekracza 4,6 tony. Takie kasety berylowe spowalniają powstające podczas reakcji neutrony wysokoenergetyczne. Podczas moderacji neutronów ciepło będzie uwalniane i usuwane przez układ chłodzenia. Należy zaznaczyć, że pył berylu powstający w wyniku pracy reaktora może powodować poważną chorobę zwaną berylem, a także ma działanie rakotwórcze. Z tego powodu na terenie kompleksu opracowywane są rygorystyczne środki bezpieczeństwa.

Tokamak w sekcji. Żółty - elektromagnes, pomarańczowy - magnesy pola toroidalnego (TF) i pola poloidalnego (PF), niebieski - koc, jasnoniebieski - VV - naczynie próżniowe, fioletowy - dywertor

(„popielniczka”) typu poloidalnego jest urządzeniem, którego głównym zadaniem jest „oczyszczenie” plazmy z zanieczyszczeń powstających w wyniku nagrzania i interakcji z nią pokrytych kocem ścianek komory. Kiedy takie zanieczyszczenia dostaną się do plazmy, zaczynają intensywnie promieniować, co powoduje dodatkowe straty promieniowania. Znajduje się na dnie tokomaka i wykorzystuje magnesy do kierowania górnych warstw plazmy (które są najbardziej zanieczyszczone) do komory chłodzącej. Tutaj plazma ochładza się i zamienia w gaz, po czym jest wypompowywana z powrotem z komory. Pył berylowy po wejściu do komory praktycznie nie ma możliwości powrotu do plazmy. Tym samym zanieczyszczenia plazmy pozostają jedynie na powierzchni i nie wnikają głębiej.

Kriostat

- największy element tokomaka, jakim jest płaszcz ze stali nierdzewnej o pojemności 16 000 m 2 (29,3 x 28,6 m) i masie 3850 ton. Pozostałe elementy systemu będą znajdować się wewnątrz kriostatu i sam będzie służył jako bariera pomiędzy tokamakiem a środowiskiem zewnętrznym. Na jego wewnętrznych ścianach umieszczone zostaną ekrany termiczne chłodzone krążącym azotem o temperaturze 80 K (-193,15°C).

Układ magnetyczny

– zespół elementów służących do przechowywania i kontrolowania plazmy wewnątrz naczynia próżniowego. Jest to zestaw 48 elementów:

• Cewki pola toroidalnego znajdują się na zewnątrz komory próżniowej i wewnątrz kriostatu. Są one prezentowane w 18 elementach, każdy o wymiarach 15 x 9 mi wadze około 300 ton. Cewki te łącznie wytwarzają pole magnetyczne o wartości 11,8 Tesli wokół torusa plazmy i magazynują energię o wartości 41 GJ.
• Cewki pola poloidalnego – umieszczone na górze cewek pola toroidalnego i wewnątrz kriostatu. Cewki te odpowiadają za wytwarzanie pola magnetycznego, które oddziela masę plazmy od ścianek komory i kompresuje plazmę w celu jej adiabatycznego ogrzewania. Liczba takich cewek wynosi 6. Dwie z nich mają średnicę 24 mi masę 400 ton. Pozostałe cztery są nieco mniejsze.
• Centralny elektrozawór znajduje się w wewnętrznej części komory toroidalnej, a właściwie w „okrągłej dziurze”. Zasada jego działania jest podobna do transformatora, a głównym zadaniem jest wzbudzenie prądu indukcyjnego w plazmie.
• Cewki korekcyjne znajdują się wewnątrz naczynia próżniowego, pomiędzy płaszczem a ścianą komory. Ich zadaniem jest utrzymanie kształtu plazmy, która może lokalnie „wybrzuszać się”, a nawet dotykać ścianek naczynia. Pozwala zmniejszyć poziom interakcji ścian komory z plazmą, a tym samym poziom jej zanieczyszczenia, a także zmniejsza zużycie samej komory.

Struktura kompleksu ITER

Opisana powyżej „w pigułce” konstrukcja tokamaka jest wysoce złożonym, innowacyjnym mechanizmem, zmontowanym dzięki wysiłkom kilku krajów. Jednak do jego pełnego funkcjonowania potrzebny jest cały kompleks budynków zlokalizowanych w pobliżu tokamaka. Pomiędzy nimi:

• System kontroli, dostępu do danych i komunikacji – CODAC. Mieści się w kilku budynkach kompleksu ITER.
• Magazyn paliwa i układ paliwowy - służy do dostarczania paliwa do tokamaka.
• Układ próżniowy – składa się z ponad czterystu pomp próżniowych, których zadaniem jest wypompowanie produktów reakcji termojądrowej, a także różnych zanieczyszczeń z komory próżniowej.
• Układ kriogeniczny – reprezentowany przez obieg azotu i helu. Obwód helu normalizuje temperaturę w tokamaku, którego praca (a co za tym idzie i temperatura) nie zachodzi w sposób ciągły, ale impulsowo. Obieg azotu będzie chłodził osłony termiczne kriostatu i sam obieg helu. Zastosowany zostanie także system chłodzenia wodą, który ma na celu obniżenie temperatury ścian płaszcza.
• Zasilacz. Do ciągłej pracy tokamak będzie potrzebował około 110 MW energii. Aby to osiągnąć, zostaną zainstalowane kilometrowe linie energetyczne, które zostaną podłączone do francuskiej sieci przemysłowej. Warto przypomnieć, że obiekt eksperymentalny ITER nie zajmuje się produkcją energii, a pracuje wyłącznie w celach naukowych.

finansowanie ITER

Międzynarodowy reaktor termojądrowy ITER to dość drogie przedsięwzięcie, które początkowo szacowano na 12 miliardów dolarów, przy czym Rosja, USA, Korea, Chiny i Indie stanowią 1/11 tej kwoty, Japonia 2/11, a UE 4 /11 . Kwota ta później wzrosła do 15 miliardów dolarów. Warto zauważyć, że finansowanie odbywa się poprzez dostawę sprzętu potrzebnego do kompleksu, który jest rozwijany w każdym kraju. W ten sposób Rosja dostarcza koce, urządzenia do ogrzewania plazmowego i magnesy nadprzewodzące.

Perspektywa projektu

W tej chwili trwa budowa kompleksu ITER i produkcja wszystkich niezbędnych komponentów do tokamaka. Po planowanym uruchomieniu tokamaka w 2025 roku rozpocznie się seria eksperymentów, na podstawie których zostaną wychwycone aspekty wymagające poprawy. Po pomyślnym uruchomieniu ITER planowana jest budowa elektrowni opartej na syntezie termojądrowej o nazwie DEMO (ang. DEMOnstration Power Plant). Celem DEMo jest wykazanie tak zwanej „atrakcyjności komercyjnej” energii termojądrowej. Jeśli ITER będzie w stanie wygenerować zaledwie 500 MW energii, to DEMO będzie w stanie w sposób ciągły generować energię o mocy 2 GW.

Należy jednak mieć na uwadze, że obiekt eksperymentalny ITER nie będzie wytwarzał energii, a jego celem jest uzyskanie korzyści czysto naukowych. A jak wiadomo, ten czy inny eksperyment fizyczny może nie tylko spełnić oczekiwania, ale także przynieść ludzkości nową wiedzę i doświadczenie.

Zarząd Lockheed Martin poinformował, że w lutym 2018 roku otrzymał patent na kompaktowy reaktor termojądrowy. Eksperci uważają to za niemożliwe, choć według The War Zone „niewykluczone, że amerykańska korporacja w najbliższej przyszłości wyda oficjalne oświadczenie”.

Reporter FlightGlobal, Stephen Trimble, napisał na Twitterze, że „nowy patent inżyniera Skunk Works przedstawia kompaktowy projekt reaktora termojądrowego z planem F-16 jako potencjalnym zastosowaniem. Prototypowy reaktor jest testowany w Palmdale.”

Według publikacji: „Fakt, że Skunk Works pozostawała zaangażowana w proces patentowy przez ostatnie cztery lata, również wydaje się wskazywać, że faktycznie poczyniła postępy w realizacji programu, przynajmniej w pewnym stopniu”. Autorzy materiału zauważają, że cztery lata temu twórcy projektu opublikowali podstawowe informacje na temat podstawowej konstrukcji reaktora, harmonogramu projektu i ogólnych celów programu, co wskazuje na poważną pracę.

Przypomnijmy, że 4 kwietnia 2013 roku Lockheed Martin złożył tymczasowy wniosek patentowy na „Enkapsulację pól magnetycznych do przechowywania plazmy”. Jednocześnie 2 kwietnia 2014 roku wpłynął oficjalny wniosek do Urzędu Patentów i Znaków Towarowych USA.

Lockheed Martin powiedział, że patent otrzymano 15 lutego 2018 r. Kiedyś kierownik projektu Compact Fusion Thomas McGuire powiedział, że instalacja pilotażowa powstanie w 2014 r., prototyp w 2019 r., a działający prototyp w 2024 r.

Firma na swojej stronie internetowej podaje, że reaktor termojądrowy, nad którym pracują jej specjaliści, będzie mógł dostarczyć energię lotniskowcowi, myśliwcowi czy małemu miastu.

W październiku 2014 roku korporacja podała, że ​​wstępne wyniki badań wskazują na możliwość stworzenia lekkich reaktorów termojądrowych o mocy około 100 megawatów i gabarytach porównywalnych z ciężarówką (która jest około dziesięciokrotnie mniejsza od istniejących modeli). W istocie mówimy o aplikacji na odkrycie stulecia - reaktorze bezpiecznym dla promieniowania, który jest w stanie dostarczyć energię do wszystkiego.

Ze swojej strony rosyjscy naukowcy zaangażowani w badania w dziedzinie kontrolowanej syntezy termojądrowej nazwali przesłanie Lockheeda Martina nienaukowym stwierdzeniem mającym na celu przyciągnięcie uwagi opinii publicznej. Na Twitterze pojawiło się jednak zdjęcie kompaktowego reaktora termojądrowego, tworzonego rzekomo przez amerykańską korporację Lockheed Martin.

„To nie może się zdarzyć. Faktem jest, że pojęcie reaktora termojądrowego jest bardzo dobrze znane z fizycznego punktu widzenia. Jeśli brzmi „hel 3? - Musisz od razu zrozumieć, że to oszustwo. To cecha charakterystyczna takich quasi-odkryć – gdzie jest jedno zdanie „jak to zrobić, jak to wdrożyć” i dziesięć stron o tym, jak będzie potem dobrze. To bardzo charakterystyczny znak – tutaj wynaleźliśmy zimną syntezę termojądrową, a potem nie mówią, jak ją wdrożyć, a dopiero dziesięć stron później, jak to będzie wspaniale” – powiedział zastępca dyrektora Laboratorium Reakcji Jądrowych Prawda.ru. Flerov JINR w Dubnej Andriej Papeko.

„Główne pytanie brzmi: jak wzbudzić reakcję termojądrową, czym ją ogrzać, czym ją trzymać - jest to ogólnie rzecz biorąc kwestia, która nie została teraz rozwiązana. I nawet, powiedzmy, laserowe instalacje termojądrowe, nie zapala się tam normalna reakcja termojądrowa. I niestety nie widać rozwiązania w najbliższej przyszłości” – wyjaśnił fizyk jądrowy.

„Rosja prowadzi dość dużo badań, jest to zrozumiałe, opublikowano je w całej otwartej prasie, to znaczy konieczne jest zbadanie warunków ogrzewania materiałów do reakcji termojądrowej. Ogólnie jest to mieszanina z deuterem - nie ma science fiction, ta fizyka jest bardzo dobrze znana. Jak ją ogrzać, jak ją utrzymać, jak usunąć energię, jeśli zapalimy bardzo gorącą plazmę, to pożre ona ściany reaktora, stopi je. W dużych instalacjach można zastosować pola magnetyczne, aby utrzymać i skupić go w środku komory, tak aby nie stopił ścianek reaktora. Ale w małych instalacjach to po prostu nie zadziała, stopi się i spali. Oznacza to, że moim zdaniem są to bardzo przedwczesne stwierdzenia” – podsumował.

„Lockheed Martin rozpoczął prace nad kompaktowym reaktorem termojądrowym… Na stronie internetowej firmy podano, że pierwszy prototyp zostanie zbudowany w ciągu roku. Jeśli to się potwierdzi, za rok będziemy żyć w zupełnie innym świecie” – tak zaczyna się jeden z „Strychu”. Od jej publikacji minęły trzy lata, a świat od tego czasu nie zmienił się aż tak bardzo.

Obecnie w reaktorach elektrowni jądrowych energia wytwarzana jest w wyniku rozpadu ciężkich jąder. W reaktorach termojądrowych energię uzyskuje się w procesie syntezy jąder, podczas którego powstają jądra o masie mniejszej niż suma masy pierwotnej, a „pozostałość” jest tracona w postaci energii. Odpady z reaktorów jądrowych są radioaktywne, a ich bezpieczna utylizacja przyprawia o duży ból głowy. Reaktory termojądrowe nie mają tej wady, a ponadto wykorzystują powszechnie dostępne paliwo, takie jak wodór.

Mają tylko jeden duży problem – wzory przemysłowe jeszcze nie istnieją. Zadanie nie jest łatwe: do reakcji termojądrowych paliwo trzeba sprężyć i podgrzać do temperatury setek milionów stopni – wyższej niż na powierzchni Słońca (gdzie w sposób naturalny zachodzą reakcje termojądrowe). Trudno jest osiągnąć tak wysoką temperaturę, ale jest to możliwe, jednak taki reaktor zużywa więcej energii niż wytwarza.

Jednak nadal mają tak wiele potencjalnych zalet, że oczywiście nie tylko Lockheed Martin jest zaangażowany w rozwój.

ITER

ITER to największy projekt w tej dziedzinie. Uczestniczą w nim Unia Europejska, Indie, Chiny, Korea, Rosja, USA i Japonia, a sam reaktor budowany jest na terytorium Francji od 2007 roku, choć jego historia sięga znacznie głębiej w przeszłość: Reagan i Gorbaczow zgodzili się na jego utworzenie w 1985. Reaktor to komora toroidalna, „pączek”, w którym plazma jest utrzymywana przez pola magnetyczne, dlatego nazywany jest tokamakiem - To androidalny ka mierzyć z mama zgniły Do atuszki. Reaktor będzie wytwarzał energię poprzez fuzję izotopów wodoru – deuteru i trytu.

Planuje się, że ITER otrzyma 10 razy więcej energii niż zużywa, ale nie nastąpi to szybko. Początkowo planowano, że reaktor zacznie pracować w trybie eksperymentalnym w 2020 roku, ale potem termin ten przesunięto na 2025 rok. Jednocześnie przemysłowa produkcja energii rozpocznie się nie wcześniej niż w 2060 roku, a rozpowszechnienia tej technologii możemy spodziewać się dopiero gdzieś pod koniec XXI wieku.

Wendelsteina 7-X

Wendelstein 7-X to największy reaktor termojądrowy typu stellarator. Stellarator rozwiązuje problem nękający tokamaki - „rozprzestrzenianie się” plazmy od środka torusa do jego ścian. To, z czym tokamak próbuje sobie poradzić dzięki sile pola magnetycznego, stellarator rozwiązuje dzięki swojemu złożonemu kształtowi: pole magnetyczne utrzymujące plazmę zakrzywia się, zatrzymując napływ naładowanych cząstek.

Wendelstein 7-X, jak mają nadzieję jego twórcy, będzie mógł działać przez pół godziny w 21, co da „bilet do życia” idei stacji termojądrowych podobnej konstrukcji.

Krajowa instalacja zapłonowa

Inny typ reaktora wykorzystuje potężne lasery do sprężania i podgrzewania paliwa. Niestety, największa instalacja laserowa do wytwarzania energii termojądrowej, amerykańska NIF, nie była w stanie wyprodukować więcej energii, niż zużywa.

Który z tych projektów naprawdę się powiedzie, a który spotka taki sam los jak NIF, trudno przewidzieć. Jedyne, co możemy zrobić, to czekać, mieć nadzieję i śledzić wiadomości: lata 20. XXI wieku zapowiadają się interesująco dla energetyki jądrowej.

„Technologie nuklearne” to jeden z profili Olimpiady NTI dla uczniów.