Termonükleer reaktörler: bir gelecekleri var mı? Termonükleer reaktörü kim inşa ediyor? Termonükleer tesislerin oluşturulması neden bu kadar uzun sürdü?

Uzun zamandır Trudnopisaka yapım aşamasındaki termonükleer reaktör hakkında bir yazı yapmamı istedi. Teknolojinin ilginç ayrıntılarını öğrenin, bu projenin hayata geçirilmesinin neden bu kadar uzun sürdüğünü öğrenin. Sonunda malzemeleri topladım. Gelin projenin detaylarını tanıyalım.

Herşey nasıl başladı? “Enerji sorunu” aşağıdaki üç faktörün birleşimi sonucu ortaya çıktı:

1. İnsanlık artık çok büyük miktarda enerji tüketiyor.

Şu anda dünyanın enerji tüketimi yaklaşık 15,7 terawatt (TW) civarındadır. Bu değeri dünya nüfusuna böldüğümüzde kişi başına yaklaşık 2400 watt elde ediyoruz ki bu da kolaylıkla tahmin edilebilecek ve görselleştirilebilecek bir değerdir. Dünyanın her sakininin (çocuklar dahil) tükettiği enerji, 24 yüz watt'lık elektrik lambalarının 24 saat çalışmasına karşılık gelir. Bununla birlikte, bu enerjinin gezegendeki tüketimi oldukça dengesizdir, çünkü bazı ülkelerde çok fazla, bazılarında ise ihmal edilebilir düzeydedir. Tüketim (bir kişi açısından) ABD'de 10,3 kW'a (rekor değerlerden biri), Rusya Federasyonu'nda 6,3 kW'a, İngiltere'de 5,1 kW'a vb. Eşittir, ancak diğer yandan eşittir Bangladeş'te yalnızca 0,21 kW (ABD enerji tüketiminin yalnızca %2'si!).

Uluslararası Enerji Ajansı'na (2006) göre küresel enerji tüketiminin 2030 yılına kadar %50 artması bekleniyor. Gelişmiş ülkeler elbette ek enerji olmadan da idare edebilirler, ancak bu büyüme, 1,5 milyar insanın ciddi elektrik kesintisi yaşadığı gelişmekte olan ülkelerdeki insanları yoksulluktan kurtarmak için gereklidir.

3. Şu anda dünya enerjisinin %80'i fosil yakıtların yakılmasından sağlanıyor(petrol, kömür ve gaz), kullanımı:
a) potansiyel olarak yıkıcı çevresel değişiklikler riski teşkil eden;
b) kaçınılmaz olarak bir gün sona ermelidir.

Söylenenlerden, artık fosil yakıt kullanma çağının sonuna hazırlanmamız gerektiği açıktır.

Günümüzde nükleer santraller, atom çekirdeğinin fisyon reaksiyonları sırasında açığa çıkan enerjiyi büyük ölçekte üretmektedir. Bu tür istasyonların oluşturulması ve geliştirilmesi mümkün olan her şekilde teşvik edilmeli, ancak bunların işletilmesi için en önemli malzemelerden birinin (ucuz uranyum) rezervlerinin de önümüzdeki 50 yıl içinde tamamen tükenebileceği dikkate alınmalıdır. . Nükleer fisyona dayalı enerjinin olanakları, daha verimli enerji döngülerinin kullanılması yoluyla önemli ölçüde genişletilebilir (ve genişletilmelidir), bu da üretilen enerji miktarının neredeyse iki katına çıkmasına olanak tanır. Bu yönde enerji geliştirmek için, reaksiyonun orijinal uranyumdan daha fazla toryum ürettiği ve bunun sonucunda toplam enerji miktarının üretildiği toryum reaktörleri (toryum üretici reaktörler veya üretici reaktörler olarak adlandırılan) oluşturmak gerekir. Belirli bir madde miktarı için 40 kat artar. Ayrıca, uranyum reaktörlerinden çok daha verimli olan ve 60 kat daha fazla enerji üretebilen hızlı nötronları kullanan plütonyum yetiştiricilerinin yaratılması da umut verici görünüyor. Bu alanları geliştirmek için, uranyum elde etmek için yeni, standart dışı yöntemler geliştirmek gerekebilir (örneğin, en erişilebilir gibi görünen deniz suyundan).

Füzyon enerji santralleri

Şekilde cihazın şematik diyagramı (ölçeksiz) ve bir termonükleer enerji santralinin çalışma prensibi gösterilmektedir. Orta kısımda, hacmi ~2000 m3 olan, 100 M°C'nin üzerinde bir sıcaklığa ısıtılan trityum-döteryum (T-D) plazması ile doldurulmuş toroidal (halka şeklinde) bir oda bulunmaktadır. Füzyon reaksiyonu (1) sırasında üretilen nötronlar “manyetik şişeyi” terk ederek yaklaşık 1 m kalınlığında şekilde gösterilen kabuğa girerler.

Kabuğun içinde nötronlar lityum atomlarıyla çarpışarak trityum üreten bir reaksiyona neden olur:

nötron + lityum → helyum + trityum

Ek olarak, sistemde (trityum oluşmadan) rakip reaksiyonlar meydana gelir ve ayrıca ek nötronların salınmasıyla birçok reaksiyon meydana gelir ve bu da daha sonra trityum oluşumuna yol açar (bu durumda ek nötronların salınması mümkündür) örneğin kabuğa ve kurşuna berilyum atomlarının eklenmesiyle önemli ölçüde arttırılmıştır). Genel sonuç, bu tesisin (en azından teorik olarak) trityum üretecek bir nükleer füzyon reaksiyonuna girebileceği yönündedir. Bu durumda, üretilen trityum miktarının sadece tesisin kendi ihtiyaçlarını karşılaması değil, aynı zamanda biraz daha fazla olması da gerekir, bu da yeni tesislerin trityumla beslenmesini mümkün kılacaktır. Aşağıda açıklanan ITER reaktöründe test edilmesi ve uygulanması gereken bu çalışma konseptidir.

Ek olarak, nötronların pilot tesisler olarak adlandırılan (nispeten "sıradan" inşaat malzemelerinin kullanılacağı) kabuktaki kabuğu yaklaşık 400°C'ye kadar ısıtması gerekir. Gelecekte, en yeni yüksek mukavemetli malzemelerin (silisyum karbür kompozitler gibi) kullanılmasıyla elde edilebilecek, 1000°C'nin üzerinde kabuk ısıtma sıcaklığına sahip gelişmiş tesislerin oluşturulması planlanmaktadır. Kabukta üretilen ısı, geleneksel istasyonlarda olduğu gibi, bir soğutucu (örneğin su veya helyum içeren) içeren birincil soğutma devresi tarafından alınır ve su buharının üretilip türbinlere beslendiği ikincil devreye aktarılır.

1985 - Sovyetler Birliği, önde gelen dört ülkenin füzyon reaktörleri oluşturma konusundaki deneyimlerini kullanarak yeni nesil Tokamak tesisini önerdi. Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Avrupa Topluluğu ile birlikte projenin uygulanmasına yönelik bir teklif sundu.

Şu anda Fransa'da, plazmayı "ateşleyebilen" ilk tokamak olacak olan, aşağıda açıklanan uluslararası deneysel termonükleer reaktör ITER'nin (Uluslararası Tokamak Deneysel Reaktörü) inşaatı devam etmektedir.

Mevcut en gelişmiş tokamak tesisleri, bir füzyon istasyonunun çalışması için gereken değerlere yakın olan, yaklaşık 150 M°C'lik sıcaklıklara uzun süredir ulaşmaktadır, ancak ITER reaktörü, uzun süre tasarlanmış ilk büyük ölçekli enerji santrali olmalıdır. süreli operasyon. Gelecekte, belirli bir sıcaklıkta nükleer füzyon hızı basıncın karesiyle orantılı olduğundan, her şeyden önce plazmadaki basıncın arttırılmasını gerektirecek çalışma parametrelerini önemli ölçüde iyileştirmek gerekecektir. Bu durumda temel bilimsel sorun, plazmadaki basınç arttığında çok karmaşık ve tehlikeli dengesizliklerin, yani dengesiz çalışma modlarının ortaya çıkmasıyla ilgilidir.

buna neden ihtiyacımız var?

Nükleer füzyonun temel avantajı, doğada yakıt olarak çok yaygın olan maddelerin yalnızca çok küçük miktarlarını gerektirmesidir. Açıklanan tesislerdeki nükleer füzyon reaksiyonu, geleneksel kimyasal reaksiyonlar (fosil yakıtların yanması gibi) sırasında açığa çıkan standart ısıdan on milyon kat daha fazla, muazzam miktarda enerjinin açığa çıkmasına yol açabilir. Karşılaştırma için, 1 gigawatt (GW) kapasiteli bir termik santrale güç sağlamak için gereken kömür miktarının günde 10.000 ton (on demiryolu vagonu) olduğunu ve aynı güçteki bir füzyon tesisinin yalnızca yaklaşık olarak yakl. Günde 1 kilogram D+T karışımı.

Döteryum, hidrojenin kararlı bir izotopudur; Yaklaşık her 3.350 sıradan su molekülünden birinde, hidrojen atomlarından birinin yerini döteryum alır (Büyük Patlama'dan kalma bir miras). Bu gerçek, gerekli miktarda döteryumun sudan oldukça ucuz üretimini organize etmeyi kolaylaştırır. Kararsız olan trityumun elde edilmesi daha zordur (yarı ömrü yaklaşık 12 yıldır, bunun sonucunda doğadaki içeriği ihmal edilebilir düzeydedir), ancak yukarıda gösterildiği gibi trityum, çalışma sırasında doğrudan termonükleer tesisin içinde görünecektir, Nötronların lityum ile reaksiyonu nedeniyle.

Bu nedenle, bir füzyon reaktörünün başlangıç ​​yakıtı lityum ve sudur. Lityum, ev aletlerinde (cep telefonu pilleri vb.) yaygın olarak kullanılan yaygın bir metaldir. Yukarıda anlatılan tesis, ideal olmayan verimlilik dikkate alındığında bile 70 ton kömürün içerdiği enerjiye eşdeğer olan 200.000 kWh elektrik enerjisi üretebilecektir. Bunun için gerekli olan lityum miktarı bir bilgisayar pilinde, döteryum miktarı ise 45 litre suda bulunmaktadır. Yukarıdaki değer, AB ülkelerinde 30 yıllık mevcut elektrik tüketimine (kişi başına hesaplanan) karşılık gelmektedir. Bu kadar önemsiz miktardaki lityumun, bu kadar miktarda elektrik üretimini (CO2 emisyonu olmadan ve en ufak bir hava kirliliği olmadan) sağlayabilmesi, (tüm gelişmelere rağmen) termonükleer enerjinin en hızlı ve en güçlü gelişimi için oldukça ciddi bir argümandır. zorluklar ve problemler) ve hatta bu tür bir araştırmanın başarısına yüzde yüz güven olmadan.

Döteryumun milyonlarca yıl dayanması gerekir ve kolaylıkla çıkarılabilen lityum rezervleri, yüzlerce yıllık ihtiyaçları karşılamaya yeterlidir. Kayalardaki lityum tükense bile, onu, ekonomik olarak uygun hale getirmeye yetecek kadar yüksek konsantrasyonlarda (uranyum konsantrasyonunun 100 katı) bulunduğu sudan çıkarabiliriz.

Fransa'nın Cadarache kenti yakınlarında deneysel bir termonükleer reaktör (Uluslararası termonükleer deneysel reaktör) inşa ediliyor. ITER projesinin temel amacı endüstriyel ölçekte kontrollü bir termonükleer füzyon reaksiyonu uygulamaktır.

Termonükleer yakıtın birim ağırlığı başına, aynı miktarda organik yakıt yakıldığından yaklaşık 10 milyon kat daha fazla enerji elde edilir ve şu anda faaliyette olan nükleer santrallerin reaktörlerinde uranyum çekirdeklerinin bölünmesinden yaklaşık yüz kat daha fazla enerji elde edilir. Bilim adamlarının ve tasarımcıların hesaplamaları gerçekleşirse bu, insanlığa tükenmez bir enerji kaynağı sağlayacaktır.

Bu nedenle, bir dizi ülke (Rusya, Hindistan, Çin, Kore, Kazakistan, ABD, Kanada, Japonya, Avrupa Birliği ülkeleri), yeni enerji santrallerinin prototipi olan Uluslararası Termonükleer Araştırma Reaktörünü oluşturmak için güçlerini birleştirdi.

ITER, hidrojen ve trityum atomlarının (hidrojenin bir izotopu) sentezi için koşullar yaratan ve bunun sonucunda yeni bir atomun (bir helyum atomu) oluşmasını sağlayan bir tesistir. Bu sürece büyük bir enerji patlaması eşlik ediyor: termonükleer reaksiyonun meydana geldiği plazmanın sıcaklığı yaklaşık 150 milyon santigrat derecedir (karşılaştırma için Güneş'in çekirdeğinin sıcaklığı 40 milyon derecedir). Bu durumda izotoplar yanarak neredeyse hiç radyoaktif atık bırakmaz.
Uluslararası projeye katılım planı, reaktör bileşenlerinin tedarikini ve inşaatının finansmanını öngörüyor. Bunun karşılığında, katılımcı ülkelerin her biri, bir termonükleer reaktör oluşturmaya yönelik tüm teknolojilere ve seri güçte termonükleer reaktörlerin tasarımına temel oluşturacak olan bu reaktör üzerindeki tüm deneysel çalışmaların sonuçlarına tam erişim hakkına sahip olacak.

Termonükleer füzyon prensibine dayanan reaktör, radyoaktif radyasyon içermiyor ve çevre için tamamen güvenli. Dünyanın hemen hemen her yerinde bulunabilir ve yakıtı sıradan sudur. ITER'in inşasının yaklaşık on yıl sürmesi bekleniyor, bunun ardından reaktörün 20 yıl süreyle kullanımda kalması bekleniyor.

Tıklanabilir 4000 piksel

Rusya'nın önümüzdeki yıllarda ITER Termonükleer Reaktör İnşaatı Uluslararası Organizasyonu Konseyi'ndeki çıkarları, Rusya Bilimler Akademisi Sorumlu Üyesi Mikhail Kovalchuk - Rusya Akademisi Kristalografi Enstitüsü, Kurchatov Enstitüsü Direktörü tarafından temsil edilecek. Bilim, Teknoloji ve Eğitim Başkanlık Konseyi Bilim ve Bilimsel Sekreteri. Kovalchuk, önümüzdeki iki yıl için ITER Uluslararası Konseyi başkanlığına seçilen ve bu pozisyonu katılımcı bir ülkenin resmi temsilcisinin görevleriyle birleştirme hakkına sahip olmayan bu görevde geçici olarak akademisyen Evgeniy Velikhov'un yerini alacak.

Toplam inşaat maliyetinin 5 milyar avro olduğu tahmin ediliyor ve aynı miktar reaktörün deneme işletmesi için de gerekli olacak. Hindistan, Çin, Kore, Rusya, ABD ve Japonya'nın payı toplam değerin yaklaşık yüzde 10'unu oluştururken, yüzde 45'i Avrupa Birliği ülkelerinden geliyor. Ancak Avrupa devletleri, maliyetlerin aralarında tam olarak nasıl dağıtılacağı konusunda henüz anlaşmaya varmadı. Bu nedenle inşaatın başlaması Nisan 2010'a ertelendi. Son gecikmeye rağmen ITER'de yer alan bilim insanları ve yetkililer projeyi 2018 yılına kadar tamamlayabileceklerini söylüyor.

ITER'in tahmini termonükleer gücü 500 megavattır. Bireysel mıknatıs parçaları 200 ila 450 ton ağırlığa ulaşır. ITER'i soğutmak için günde 33 bin metreküp suya ihtiyaç duyulacak.

1998 yılında ABD projeye katılımını finanse etmeyi bıraktı. Cumhuriyetçilerin iktidara gelmesinin ve Kaliforniya'da kesintilerin başlamasının ardından Bush yönetimi enerji yatırımlarını artıracağını duyurdu. Amerika Birleşik Devletleri uluslararası projeye katılma niyetinde değildi ve kendi termonükleer projesiyle meşguldü. 2002'nin başlarında Başkan Bush'un teknoloji danışmanı John Marburger III, ABD'nin fikrini değiştirdiğini ve projeye geri dönme niyetinde olduğunu söyledi.

Katılımcı sayısı açısından proje, bir başka büyük uluslararası bilimsel proje olan Uluslararası Uzay İstasyonu ile karşılaştırılabilir. Daha önce 8 milyar dolara ulaşan ITER'in maliyeti daha sonra 4 milyarın altına düştü. ABD'nin katılımdan çekilmesi sonucunda reaktör gücünün 1,5 GW'tan 500 MW'a düşürülmesine karar verildi. Buna göre projenin fiyatı da düştü.

Haziran 2002'de Rusya'nın başkentinde “Moskova'da ITER Günleri” sempozyumu düzenlendi. Başarısı insanlığın kaderini değiştirebilecek ve ona verimlilik ve ekonomi açısından yalnızca Güneş enerjisiyle karşılaştırılabilecek yeni bir enerji türü verebilecek bir projenin yeniden canlandırılmasının teorik, pratik ve organizasyonel sorunlarını tartıştı.

Temmuz 2010'da, uluslararası termonükleer reaktör projesi ITER'e katılan ülkelerin temsilcileri, Fransa'nın Cadarache kentinde düzenlenen olağanüstü bir toplantıda bütçesini ve inşaat programını onayladı. .

Son olağanüstü toplantıda proje katılımcıları, plazmayla ilgili ilk deneylerin başlangıç ​​tarihini - 2019 - onayladılar. Tam deneylerin Mart 2027 için planlanması planlanıyor, ancak proje yönetimi teknik uzmanlardan süreci optimize etmeye çalışmalarını ve deneylere 2026'da başlamalarını istedi. Toplantı katılımcıları ayrıca reaktörün inşasının maliyetine de karar verdi, ancak tesisin inşası için harcanması planlanan miktarlar açıklanmadı. ScienceNOW portalı editörünün isimsiz bir kaynaktan aldığı bilgiye göre, deneyler başladığında ITER projesinin maliyeti 16 milyar avroyu bulabilir.

Cadarache'deki toplantı aynı zamanda yeni proje yöneticisi Japon fizikçi Osamu Motojima'nın da ilk resmi çalışma günü oldu. Ondan önce projeyi, bütçe ve inşaat son tarihleri ​​onaylandıktan hemen sonra görevinden ayrılmak isteyen Japon Kaname Ikeda 2005 yılından bu yana yürütüyordu.

ITER füzyon reaktörü Avrupa Birliği, İsviçre, Japonya, ABD, Rusya, Güney Kore, Çin ve Hindistan'ın ortak projesidir. ITER oluşturma fikri geçen yüzyılın 80'li yıllarından beri düşünülüyor, ancak mali ve teknik zorluklar nedeniyle projenin maliyeti sürekli artıyor ve inşaatın başlama tarihi sürekli erteleniyor. 2009 yılında uzmanlar, reaktörün oluşturulmasına yönelik çalışmaların 2010 yılında başlamasını bekliyordu. Daha sonra bu tarih kaydırılarak reaktörün fırlatılma tarihi olarak önce 2018, ardından 2019 yılı seçildi.

Termonükleer füzyon reaksiyonları, hafif izotop çekirdeklerinin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere füzyonunun reaksiyonları olup, buna büyük bir enerji salınımı eşlik eder. Teorik olarak füzyon reaktörleri düşük maliyetle çok fazla enerji üretebiliyor ancak şu anda bilim insanları füzyon reaksiyonunu başlatmak ve sürdürmek için çok daha fazla enerji ve para harcıyor.

Termonükleer füzyon, enerji üretmenin ucuz ve çevre dostu bir yoludur. Güneş'te milyarlarca yıldır kontrolsüz termonükleer füzyon meydana geliyor - helyum, ağır hidrojen izotop döteryumdan oluşuyor. Bu muazzam miktarda enerji açığa çıkarır. Ancak Dünya'daki insanlar bu tür reaksiyonları kontrol etmeyi henüz öğrenemediler.

ITER reaktörü yakıt olarak hidrojen izotoplarını kullanacak. Termonükleer reaksiyon sırasında, hafif atomlar daha ağır atomlarla birleştiğinde enerji açığa çıkar. Bunu başarmak için gazın 100 milyon derecenin üzerinde bir sıcaklığa, yani Güneş'in merkezindeki sıcaklıktan çok daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılması gerekiyor. Bu sıcaklıkta gaz plazmaya dönüşür. Aynı zamanda hidrojen izotop atomları birleşerek çok sayıda nötronun salınmasıyla helyum atomlarına dönüşür. Bu prensiple çalışan bir enerji santrali, yoğun bir malzeme tabakası (lityum) tarafından yavaşlatılan nötronların enerjisini kullanacaktır.

Termonükleer tesislerin oluşturulması neden bu kadar uzun sürdü?

Yarım asra yakın süredir faydaları tartışılan bu kadar önemli ve değerli tesisler neden hala oluşturulmadı? Birincisi dış veya sosyal olarak adlandırılabilecek ve diğer ikisi iç, yani termonükleer enerjinin kendisinin gelişiminin yasaları ve koşulları tarafından belirlenen üç ana neden vardır (aşağıda tartışılmıştır).

1. Uzun bir süre, termonükleer füzyon enerjisinin pratik kullanımı sorununun acil kararlar ve eylemler gerektirmediğine inanılıyordu, çünkü geçen yüzyılın 80'li yıllarında fosil yakıt kaynakları tükenmez görünüyordu ve çevre sorunları ve iklim değişikliği kamuoyunu ilgilendirmiyor. 1976'da ABD Enerji Bakanlığı'nın Füzyon Enerjisi Danışma Komitesi, çeşitli araştırma finansmanı seçenekleri kapsamında Ar-Ge ve bir gösteri füzyon enerji santrali için zaman çerçevesini tahmin etmeye çalıştı. Aynı zamanda, bu yöndeki araştırmalar için yıllık fon hacminin tamamen yetersiz olduğu ve mevcut ödenek seviyesi korunursa, tahsis edilen fonlar uyuşmadığı için termonükleer tesislerin oluşturulmasının asla başarılı olmayacağı keşfedildi. minimum, kritik seviyeye kadar.

2. Bu alandaki araştırmaların gelişmesinin önündeki daha ciddi bir engel, tartışılan türden bir termonükleer tesisin küçük ölçekte oluşturulamaması ve gösterilememesidir. Aşağıda sunulan açıklamalardan, termonükleer füzyonun yalnızca plazmanın manyetik olarak hapsedilmesini değil, aynı zamanda yeterli derecede ısıtılmasını da gerektirdiği açıkça ortaya çıkacaktır. Harcanan ve alınan enerjinin oranı, en azından tesisin doğrusal boyutlarının karesiyle orantılı olarak artar, bunun sonucunda termonükleer tesislerin bilimsel ve teknik yetenekleri ve avantajları yalnızca oldukça büyük istasyonlarda test edilebilir ve gösterilebilir. bahsedilen ITER reaktörü gibi. Başarı konusunda yeterli güven sağlanana kadar toplum bu kadar büyük projeleri finanse etmeye hazır değildi.

3. Termonükleer enerjinin gelişimi oldukça karmaşıktır, ancak (yetersiz finansmana ve JET ve ITER tesislerinin oluşturulması için merkezlerin seçilmesindeki zorluklara rağmen), henüz bir işletim istasyonu oluşturulmamış olmasına rağmen son yıllarda net bir ilerleme gözlemlenmiştir.

Modern dünya, daha doğru bir ifadeyle “belirsiz enerji krizi” olarak adlandırılabilecek çok ciddi bir enerji sorunuyla karşı karşıyadır. Sorun, fosil yakıt rezervlerinin bu yüzyılın ikinci yarısında tükenebilecek olmasından kaynaklanıyor. Dahası, fosil yakıtların yakılması, gezegenin iklimindeki büyük değişiklikleri önlemek için atmosfere salınan karbondioksitin (yukarıda bahsedilen CCS programı) bir şekilde tecrit edilmesi ve "depolanması" ihtiyacına yol açabilir.

Şu anda insanlığın tükettiği enerjinin neredeyse tamamı fosil yakıtların yakılmasıyla üretiliyor ve sorunun çözümü güneş enerjisi veya nükleer enerjinin kullanılmasıyla (hızlı nötron üreten reaktörlerin oluşturulması vb.) ilişkilendirilebilir. Gelişmekte olan ülkelerin artan nüfusunun ve yaşam standartlarını iyileştirme ve üretilen enerji miktarını artırma ihtiyaçlarının neden olduğu küresel sorun, tek başına bu yaklaşımlar temelinde çözülemez, ancak elbette alternatif enerji üretim yöntemleri geliştirmeye yönelik herhangi bir girişimde bulunulamaz. teşvik edilmelidir.

Açıkça söylemek gerekirse, davranış stratejileri konusunda çok az seçeneğimiz var ve başarı garantisi olmamasına rağmen termonükleer enerjinin geliştirilmesi son derece önemli. Financial Times gazetesi (25 Ocak 2004 tarihli) bu konuda şunları yazdı:

Termonükleer enerjinin gelişimine giden yolda büyük ve beklenmedik sürprizlerin yaşanmayacağını umalım. Bu durumda, yaklaşık 30 yıl sonra ilk kez enerji ağlarına buradan elektrik akımı sağlayabileceğiz ve 10 yıldan biraz fazla bir süre sonra da ilk ticari termonükleer enerji santrali faaliyete geçecek. Nükleer füzyon enerjisinin bu yüzyılın ikinci yarısında fosil yakıtların yerini almaya başlaması ve giderek küresel ölçekte insanlığa enerji sağlamada giderek daha önemli bir rol oynamaya başlaması muhtemeldir.

Termonükleer enerji yaratma görevinin (tüm insanlık için etkili ve büyük ölçekli bir enerji kaynağı olarak) başarıyla tamamlanacağının kesin bir garantisi yoktur, ancak bu yönde başarı olasılığı oldukça yüksektir. Termonükleer istasyonların muazzam potansiyeli göz önüne alındığında, bunların hızlı (ve hatta hızlandırılmış) gelişimine yönelik projelerin tüm maliyetlerinin haklı olduğu düşünülebilir, özellikle de devasa küresel enerji piyasasının arka planında bu yatırımlar çok mütevazı göründüğü için (yılda 4 trilyon dolar8). İnsanlığın enerji ihtiyacının karşılanması çok ciddi bir sorundur. Fosil yakıtlar daha az bulunur hale geldikçe (ve bunların kullanımı istenmeyen hale geldikçe), durum değişiyor ve füzyon enerjisini geliştirmemeyi göze alamayız.

“Termonükleer enerji ne zaman ortaya çıkacak?” Sorusuna Lev Artsimovich (bu alanda tanınmış bir öncü ve araştırma lideri) bir keresinde şöyle yanıt vermişti: "İnsanlık için gerçekten gerekli olduğunda yaratılacak"

ITER, tükettiğinden daha fazla enerji üreten ilk füzyon reaktörü olacak. Bilim insanları bu özelliği "Q" adını verdikleri basit bir katsayı kullanarak ölçüyorlar. ITER tüm bilimsel hedeflerine ulaşırsa tükettiğinden 10 kat daha fazla enerji üretecek. İnşa edilen son cihaz, İngiltere'deki Ortak Avrupa Torus'u, bilimsel araştırmanın son aşamalarında neredeyse 1'lik bir Q değerine ulaşan daha küçük bir prototip füzyon reaktörüdür. Bu, tükettiği enerjiyle tamamen aynı miktarda enerji ürettiği anlamına gelir. . ITER, füzyondan enerji üretimini göstererek ve 10 Q değerine ulaşarak bunun ötesine geçecek. Buradaki fikir, yaklaşık 50 MW'lık enerji tüketiminden 500 MW üretmektir. Bu nedenle ITER'in bilimsel hedeflerinden biri, 10 Q değerine ulaşılabileceğini kanıtlamaktır.

Bir diğer bilimsel hedef ise ITER'in çok uzun bir "yanma" süresine (bir saate kadar uzatılmış bir darbe) sahip olmasıdır. ITER, sürekli enerji üretemeyen bir araştırma deneysel reaktörüdür. ITER çalışmaya başladığında bir saat süreyle açık kalacak, ardından kapatılması gerekecektir. Bu önemlidir, çünkü şimdiye kadar yarattığımız standart cihazlar birkaç saniye, hatta saniyenin onda biri kadar bir yanma süresine sahip olabiliyordu; bu maksimumdur. "Ortak Avrupa Torus", 20 saniyelik darbe uzunluğuyla yaklaşık iki saniyelik yanma süresiyle Q değeri 1'e ulaştı. Ancak birkaç saniye süren bir süreç gerçekten kalıcı değildir. Bir arabanın motorunu çalıştırmaya benzetmek gerekirse: motoru kısa süreliğine açıp sonra kapatmak, henüz arabanın gerçek çalışması değildir. Arabanızı ancak yarım saat kullandığınızda sabit bir çalışma moduna ulaşacak ve böyle bir arabanın gerçekten sürülebileceğini gösterecek.

Yani, teknik ve bilimsel açıdan ITER, 10'luk bir Q değeri ve artan yanma süresi sağlayacaktır.

Termonükleer füzyon programı gerçekten uluslararası ve doğası gereği geniştir. İnsanlar zaten ITER'in başarısına güveniyorlar ve bir sonraki adımı düşünüyorlar - DEMO adı verilen endüstriyel bir termonükleer reaktörün prototipini oluşturmak. Bunu oluşturmak için ITER'in çalışması gerekiyor. Bilimsel hedeflerimize ulaşmalıyız çünkü bu, ortaya koyduğumuz fikirlerin tamamen uygulanabilir olduğu anlamına gelecektir. Ancak her zaman bundan sonra ne olacağını düşünmeniz gerektiğine katılıyorum. Ayrıca ITER 25-30 yıldır faaliyet gösterdiği için bilgimiz giderek derinleşip genişleyecek ve bir sonraki adımımızı daha doğru bir şekilde çizebileceğiz.

Aslında ITER'in tokamak olup olmadığı konusunda hiçbir tartışma yok. Bazı bilim insanları soruyu oldukça farklı bir şekilde ortaya koyuyor: ITER var olmalı mı? Farklı ülkelerdeki uzmanlar, çok büyük ölçekli olmayan termonükleer projeler geliştirerek, bu kadar büyük bir reaktöre hiç ihtiyaç duyulmadığını savunuyorlar.

Ancak onların görüşlerinin otoriter olduğu düşünülmemelidir. Onlarca yıldır toroidal tuzaklarla çalışan fizikçiler ITER'in oluşturulmasında yer aldı. Karadaş'taki deneysel termonükleer reaktörün tasarımı, düzinelerce önceki tokamak üzerinde yapılan deneyler sırasında elde edilen tüm bilgilere dayanıyordu. Ve bu sonuçlar reaktörün bir tokamak, hem de büyük bir reaktör olması gerektiğini gösteriyor.

JET Şu anda en başarılı tokamak, AB tarafından Britanya'nın Abingdon kasabasında inşa edilen JET olarak kabul edilebilir. Bu bugüne kadar oluşturulan en büyük tokamak tipi reaktördür, plazma torusunun büyük yarıçapı 2,96 metredir. Termonükleer reaksiyonun gücü, 10 saniyeye kadar tutma süresiyle şimdiden 20 megavatın üzerine çıktı. Reaktör plazmaya aktarılan enerjinin yaklaşık %40'ını geri verir.

Enerji dengesini belirleyen şey plazmanın fiziğidir” dedi Igor Semenov Infox.ru'ya. MIPT doçenti enerji dengesinin ne olduğunu basit bir örnekle anlattı: “Ateşin nasıl yandığını hepimiz gördük. Aslında orada yanan odun değil gazdır. Oradaki enerji zinciri şu şekildedir: Gaz yanar, odun ısınır, odun buharlaşır, gaz tekrar yanar. Dolayısıyla ateşe su atarsak sıvı suyun buhar haline faz geçişi için sistemden aniden enerji çekmiş oluruz. Bakiye negatif olacak ve yangın sönecek. Başka bir yol daha var; ateş yakıcıları alıp uzaya yayabiliriz. Ateş de sönecek. İnşa ettiğimiz termonükleer reaktörde de durum aynı. Boyutlar, bu reaktör için uygun bir pozitif enerji dengesi oluşturacak şekilde seçilmiştir. Gelecekte gerçek bir nükleer enerji santrali inşa etmek için yeterli, bu deneysel aşamada şu anda çözülmemiş tüm sorunları çözüyor.

Reaktörün boyutları bir kez değiştirildi. Bu, Amerika Birleşik Devletleri'nin projeden çekildiği ve geri kalan üyelerin ITER bütçesinin (o zamana kadar 10 milyar ABD doları olarak tahmin ediliyordu) çok büyük olduğunu fark ettiği 20. ve 21. yüzyılların başında gerçekleşti. Kurulum maliyetini azaltmak için fizikçilere ve mühendislere ihtiyaç vardı. Ve bu ancak büyüklük nedeniyle yapılabilirdi. ITER'in "yeniden tasarlanması", daha önce Karadaş'ta Fransız Tore Supra tokamak üzerinde çalışmış olan Fransız fizikçi Robert Aymar tarafından yönetildi. Plazma torusunun dış yarıçapı 8,2 metreden 6,3 metreye düşürüldü. Bununla birlikte, boyutun küçültülmesiyle ilişkili riskler, o zamanlar açık olan ve üzerinde çalışılan plazma sınırlama modunun uygulanmasını mümkün kılan birkaç ek süper iletken mıknatısla kısmen telafi edildi.

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

20. yüzyılın ikinci yarısı nükleer fiziğin hızla geliştiği bir dönemdi. Nükleer reaksiyonların çok az miktardaki yakıttan muazzam enerji üretmek için kullanılabileceği ortaya çıktı. İlk nükleer bombanın patlamasından ilk nükleer santralin kurulmasına kadar sadece dokuz yıl geçti ve 1952'de hidrojen bombası test edildiğinde termonükleer santrallerin 1960'larda faaliyete geçeceğine dair tahminler vardı. Ne yazık ki, bu umutlar haklı değildi.

Termonükleer reaksiyonlar Tüm termonükleer reaksiyonlardan sadece dördü yakın gelecekte ilgi çekicidir: döteryum + döteryum (ürünler - trityum ve proton, salınan enerji 4,0 MeV), döteryum + döteryum (helyum-3 ve nötron, 3,3 MeV), döteryum + trityum (helyum-4 ve nötron, 17,6 MeV) ve döteryum + helyum-3 (helyum-4 ve proton, 18,2 MeV). Birinci ve ikinci reaksiyonlar eşit olasılıkla paralel olarak gerçekleşir. Ortaya çıkan trityum ve helyum-3, üçüncü ve dördüncü reaksiyonlarda "yanar"

Günümüzde insanlığın ana enerji kaynağı kömür, petrol ve gazın yakılmasıdır. Ancak kaynakları sınırlıdır ve yanma ürünleri çevreyi kirletmektedir. Bir kömür santrali, aynı güçteki bir nükleer santralden daha fazla radyoaktif emisyon üretir! Peki neden hâlâ nükleer enerji kaynaklarına geçemedik? Bunun pek çok nedeni var ama son zamanlarda en önemlisi radyofobi oldu. Kömürle çalışan bir elektrik santrali, normal çalışma sırasında bile, nükleer santralin acil durum emisyonlarından çok daha fazla insanın sağlığına zarar vermesine rağmen, bunu sessizce ve halk tarafından fark edilmeden yapıyor. Nükleer santrallerdeki kazalar hemen medyada ana haber haline geliyor ve genel paniğe neden oluyor (çoğunlukla tamamen asılsız). Ancak bu, nükleer enerjinin nesnel sorunlarının olmadığı anlamına gelmiyor. Radyoaktif atıklar pek çok soruna neden oluyor: Onunla çalışma teknolojileri hâlâ son derece pahalı ve tamamının tamamen geri dönüştürülüp kullanılacağı ideal durum hâlâ çok uzakta.

Tüm termonükleer reaksiyonlardan sadece dördü yakın gelecekte ilgi çekicidir: döteryum + döteryum (ürünler - trityum ve proton, salınan enerji 4,0 MeV), döteryum + döteryum (helyum-3 ve nötron, 3,3 MeV), döteryum + trityum ( helyum -4 ve nötron, 17,6 MeV) ve döteryum + helyum-3 (helyum-4 ve proton, 18,2 MeV). Birinci ve ikinci reaksiyonlar eşit olasılıkla paralel olarak gerçekleşir. Ortaya çıkan trityum ve helyum-3, üçüncü ve dördüncü reaksiyonlarda "yanar".

Füzyondan füzyona

Bu sorunlara potansiyel bir çözüm, fisyon reaktörlerinden füzyon reaktörlerine geçiştir. Tipik bir fisyon reaktörü, çok çeşitli radyoaktif izotoplar içeren onlarca ton radyoaktif atığa dönüştürülen onlarca ton radyoaktif yakıt içerirken, bir füzyon reaktörü yalnızca yüzlerce gram, maksimum kilogram, hidrojenin bir radyoaktif izotopunu kullanır. trityum. Reaksiyonun çok az miktarda bu en az tehlikeli radyoaktif izotopu gerektirmesinin yanı sıra, taşımayla ilgili riskleri en aza indirmek amacıyla üretiminin doğrudan santralde yapılması da planlanıyor. Sentez ürünleri stabil (radyoaktif olmayan) ve toksik olmayan hidrojen ve helyumdur. Ayrıca fisyon reaksiyonundan farklı olarak termonükleer reaksiyon, tesis tahrip edildiğinde termal patlama tehlikesi yaratmadan hemen durur. Peki neden henüz çalışır durumda tek bir termonükleer enerji santrali inşa edilmedi? Bunun nedeni, listelenen avantajların kaçınılmaz olarak dezavantajları da beraberinde getirmesidir: sentez için koşulların yaratılmasının başlangıçta beklenenden çok daha zor olduğu ortaya çıktı.

Lawson kriteri

Bir termonükleer reaksiyonun enerji açısından uygun olması için, termonükleer yakıtın yeterince yüksek bir sıcaklığının, yeterince yüksek bir yoğunluğun ve yeterince düşük enerji kaybının sağlanması gerekir. İkincisi, sayısal olarak, plazmada depolanan termal enerjinin enerji kaybı gücüne oranına eşit olan "tutma süresi" olarak adlandırılan süre ile karakterize edilir (birçok kişi yanlışlıkla "tutma süresinin", bu süre boyunca "tutma süresi" olduğuna inanır). Tesisatta sıcak plazma muhafaza edilir ancak durum böyle değildir) . Döteryum ve trityum karışımının 10 keV'ye (yaklaşık 110.000.000 derece) eşit bir sıcaklığında, 1 cm3'teki yakıt parçacıkları sayısının (yani plazma konsantrasyonu) ve alıkonma süresinin (saniye cinsinden) çarpımını elde etmemiz gerekir. en az 10 14. 1014 cm -3 konsantrasyonu ve 1 s'lik alıkonma süresine sahip bir plazmaya mı yoksa 10 23 konsantrasyonuna ve 1 ns'lik alıkonma süresine sahip bir plazmaya mı sahip olduğumuz önemli değildir. Bu kritere Lawson kriteri denir.
Enerji açısından uygun bir reaksiyonun elde edilmesinden sorumlu olan Lawson kriterine ek olarak, döteryum-trityum reaksiyonu için Lawson kriterinden yaklaşık üç kat daha büyük olan bir plazma ateşleme kriteri de vardır. "Ateşleme", plazmada kalan termonükleer enerji fraksiyonunun gerekli sıcaklığı korumak için yeterli olacağı ve artık plazmanın ilave ısıtılmasına gerek kalmayacağı anlamına gelir.

Z-tutam

Kontrollü bir termonükleer reaksiyon elde edilmesinin planlandığı ilk cihaz, Z-tutam adı verilen cihazdı. En basit durumda, bu kurulum döteryum (hidrojen-2) ortamında veya döteryum ve trityum karışımında bulunan yalnızca iki elektrottan ve yüksek voltajlı darbe kapasitörlerinden oluşan bir bataryadan oluşur. İlk bakışta, muazzam sıcaklıklara ısıtılan sıkıştırılmış plazma elde etmeyi mümkün kılıyor gibi görünüyor: termonükleer reaksiyon için tam olarak ihtiyaç duyulan şey! Ancak hayatta her şeyin ne yazık ki o kadar da pembe olmaktan uzak olduğu ortaya çıktı. Plazma ipinin dengesiz olduğu ortaya çıktı: en ufak bir bükülme, bir tarafta manyetik alanın güçlenmesine ve diğer tarafta zayıflamasına neden olur; ortaya çıkan kuvvetler, halatın bükülmesini daha da artırır ve tüm plazma, üzerine "düşer". odanın yan duvarı. Halat bükülmeye karşı kararsız olmakla kalmaz, en ufak bir incelme bu kısımdaki manyetik alanda bir artışa yol açar, bu da plazmayı daha da sıkıştırır ve ip sonunda "sıkılıp" kalana kadar onu halatın kalan hacmine sıkıştırır. .” Sıkıştırılmış parça yüksek bir elektrik direncine sahiptir, bu nedenle akım kesilir, manyetik alan kaybolur ve plazmanın tamamı dağılır.

Z-tutamının çalışma prensibi basittir: bir elektrik akımı, aynı akımla etkileşime giren ve onu sıkıştıran halka şeklinde bir manyetik alan üretir. Sonuç olarak akımın aktığı plazmanın yoğunluğu ve sıcaklığı artar.

Plazma demetini, akıma paralel olarak güçlü bir harici manyetik alan uygulayarak ve onu kalın iletken bir kasaya yerleştirerek (plazma hareket ettikçe manyetik alan da hareket eder, bu da plazmada bir elektrik akımına neden olur) stabilize etmek mümkündü. plazmayı yerine geri döndürme eğiliminde olan muhafaza). Plazma bükülmeyi ve sıkışmayı bıraktı, ancak ciddi ölçekte bir termonükleer reaksiyondan hala çok uzaktı: Plazma elektrotlara temas ediyor ve ısısını onlara veriyor.

Z-pinch füzyon alanındaki modern çalışmalar, füzyon plazması oluşturmak için başka bir prensip önermektedir: bir tungsten plazma tüpü içinden bir akım akar ve bu, tıpkı plazma tüpünün içinde bulunan füzyon yakıtıyla kapsülü sıkıştıran ve ısıtan güçlü X ışınları yaratır. termonükleer bombada da öyle. Bununla birlikte, bu çalışmalar doğası gereği tamamen araştırma niteliğindedir (nükleer silahların çalışma mekanizmaları incelenmektedir) ve bu süreçteki enerji salınımı hala tüketimden milyonlarca kat daha azdır.

Tokamak torusun büyük yarıçapının (tüm torusun merkezinden borusunun kesitinin merkezine kadar olan mesafe) küçük olana (borunun kesit yarıçapı) oranı ne kadar küçükse, Daha büyük plazma basıncı aynı manyetik alan altında olabilir. Bu oranı azaltarak, bilim adamları plazma ve vakum odasının dairesel bir kesitinden D şekilli bir kesite geçtiler (bu durumda, küçük yarıçapın rolü, kesitin yüksekliğinin yarısı kadar oynanır). Tüm modern tokamaklar tam olarak bu kesit şekline sahiptir. Sınırlayıcı durum sözde "küresel tokamak" idi. Bu tür tokamaklarda, kürenin kutuplarını birbirine bağlayan dar bir kanal haricinde, vakum odası ve plazma neredeyse küresel bir şekle sahiptir. Manyetik bobinlerin iletkenleri kanaldan geçer. İlk küresel tokamak START yalnızca 1991'de ortaya çıktı, yani bu oldukça genç bir yön, ancak üç kat daha düşük bir manyetik alanla aynı plazma basıncını elde etme olasılığını zaten gösterdi.

Mantar odası, yıldızlaştırıcı, tokamak

Reaksiyon için gerekli koşulları yaratmanın bir başka seçeneği de açık manyetik tuzaklardır. Bunlardan en ünlüsü "mantar hücresi"dir: uzunlamasına manyetik alana sahip, uçlarında güçlenen ve ortasında zayıflayan bir boru. Uçlarda artan alan, plazmanın uçlardan kurulumdan çıkmasını engelleyen bir “manyetik fiş” (dolayısıyla Rusça adı) veya “manyetik ayna” (İngilizce - ayna makinesi) oluşturur. Ancak bu tür bir tutma tam değildir; belirli yörüngeler boyunca hareket eden bazı yüklü parçacıklar bu sıkışmalardan geçebilir. Ve çarpışmaların bir sonucu olarak, herhangi bir parçacık er ya da geç böyle bir yörüngeye düşecektir. Ek olarak, ayna odasındaki plazmanın da kararsız olduğu ortaya çıktı: eğer bir yerde plazmanın küçük bir kısmı kurulum ekseninden uzaklaşırsa, plazmayı oda duvarına fırlatan kuvvetler ortaya çıkar. Ayna hücresinin temel fikri önemli ölçüde geliştirilmiş olsa da (bu, hem plazmanın kararsızlığını hem de aynaların geçirgenliğini azaltmayı mümkün kılmıştır), pratikte enerji açısından uygun sentez için gerekli parametrelere yaklaşmak bile mümkün değildi. .

Plazmanın “tıkaçlardan” kaçmadığından emin olmak mümkün mü? Görünüşe göre bariz çözüm plazmayı bir halka şeklinde yuvarlamak. Ancak halkanın içindeki manyetik alan dışarıdan daha güçlüdür ve plazma yine oda duvarına gitme eğilimi gösterir. Bu zor durumdan çıkış yolu da oldukça açık görünüyordu: Bir halka yerine bir "sekiz rakamı" yapın, ardından bir bölümde parçacık kurulumun ekseninden uzaklaşacak ve diğerinde geri dönecek. Bilim adamları ilk yıldız oyuncusu fikrini bu şekilde ortaya çıkardılar. Ancak böyle bir "sekiz rakamı" tek bir düzlemde yapılamaz, bu nedenle manyetik alanı ikinci yönde bükerek üçüncü boyutu kullanmak zorunda kaldık, bu da parçacıkların eksenden oda duvarına doğru kademeli olarak hareket etmesine neden oldu.

Tokamak tipi tesislerin oluşturulmasıyla durum çarpıcı biçimde değişti. 1960'ların ikinci yarısında T-3 tokamak'ta elde edilen sonuçlar o dönem için o kadar çarpıcıydı ki, Batılı bilim adamları plazma parametrelerini kendileri doğrulamak için ölçüm ekipmanlarıyla SSCB'ye geldiler. Gerçek onların beklentilerini bile aştı.

Bu fevkalade iç içe geçmiş tüpler bir sanat projesi değil, karmaşık bir üç boyutlu eğriye bükülmüş bir yıldız odasıdır.

Eylemsizliğin elinde

Manyetik sınırlamaya ek olarak, termonükleer füzyona yönelik temelde farklı bir yaklaşım daha vardır: eylemsizlik sınırlaması. İlk durumda plazmayı uzun süre çok düşük bir konsantrasyonda tutmaya çalışırsak (çevrenizdeki havadaki moleküllerin konsantrasyonu yüzbinlerce kat daha yüksektir), ikinci durumda plazmayı çok düşük bir konsantrasyonda sıkıştırırız. Plazmanın yanlara dağılması için zamana sahip olmadan önce reaksiyonun bu kısa sürede geçmesi için zamana sahip olacağı beklentisiyle, en ağır metallerin yoğunluğundan daha büyük bir mertebede büyük yoğunluk.

Başlangıçta, 1960'larda plan, her taraftan birden fazla lazer ışınıyla eşit şekilde ışınlanan küçük bir donmuş füzyon yakıtı topu kullanmaktı. Topun yüzeyi anında buharlaşmalı ve her yöne eşit şekilde genişleyerek yakıtın geri kalan kısmını sıkıştırıp ısıtmalıydı. Ancak pratikte ışınlamanın yeterince eşit olmadığı ortaya çıktı. Ayrıca radyasyon enerjisinin bir kısmı iç katmanlara aktarılarak ısınmalarına neden oldu ve bu da sıkıştırmayı zorlaştırdı. Sonuç olarak top dengesiz ve zayıf bir şekilde sıkıştı.

Hepsi bir torusa yakın olan çok sayıda modern yıldız konfigürasyonu vardır. En yaygın konfigürasyonlardan biri, tokamakların poloidal alan bobinlerine benzer bobinlerin ve çok yönlü akıma sahip bir vakum odası etrafında bükülmüş dört ila altı iletkenin kullanımını içerir. Bu şekilde oluşturulan karmaşık manyetik alan, içinden bir halka elektrik akımının geçmesine gerek kalmadan plazmanın güvenilir bir şekilde tutulmasını sağlar. Ayrıca yıldızlaştırıcılar tokamaklar gibi toroidal alan bobinlerini de kullanabilirler. Ve sarmal iletkenler olmayabilir, ancak daha sonra "toroidal" alan bobinleri karmaşık bir üç boyutlu eğri boyunca kurulur. Yıldızlaştırıcılar alanındaki son gelişmeler, manyetik bobinlerin ve bilgisayarda hesaplanan çok karmaşık şekilli bir vakum odasının (çok "buruşuk" bir simit) kullanımını içerir.

Hedefin tasarımı önemli ölçüde değiştirilerek eşitsizlik sorunu çözüldü. Şimdi top, lazer ışınlarının içeriye girdiği deliklere sahip özel bir küçük metal odanın (Alman hohlraum - boşluğundan "holraum" olarak adlandırılır) içine yerleştirilir. Ayrıca IR lazer ışınını ultraviyole ışına dönüştüren kristaller kullanılır. Bu UV radyasyonu, çok yüksek sıcaklıklara ısıtılan ve yumuşak X ışınları yayan ince bir hohlraum malzemesi tabakası tarafından emilir. Buna karşılık, X-ışını radyasyonu, yakıt kapsülünün (yakıtlı top) yüzeyindeki ince bir tabaka tarafından emilir. Bu aynı zamanda iç katmanların erken ısınması probleminin çözülmesini de mümkün kıldı.

Ancak lazerlerin gücünün, yakıtın gözle görülür bir kısmının reaksiyona girmesi için yetersiz olduğu ortaya çıktı. Ayrıca lazerlerin verimliliği çok düşüktü, yalnızca %1 civarındaydı. Füzyonun bu kadar düşük bir lazer verimliliğinde enerji açısından faydalı olabilmesi için, sıkıştırılmış yakıtın neredeyse tamamının reaksiyona girmesi gerekiyordu. Bilim adamları, lazerleri çok daha verimli bir şekilde üretilebilen hafif veya ağır iyon ışınlarıyla değiştirmeye çalışırken birçok sorunla da karşılaştılar: hafif iyonlar birbirlerini iterek odaklanmalarını engelliyor ve artık iyonlarla çarpıştıklarında yavaşlıyorlar. Odadaki gaz ve hızlandırıcılar ile gerekli parametrelerde ağır iyonlar oluşturmak mümkün olmadı.

Manyetik beklentiler

Füzyon enerjisi alanındaki umudun büyük kısmı artık tokamaklarda yatıyor. Özellikle daha iyi akılda tutma özelliğine sahip bir mod açıldıktan sonra. Bir tokamak, hem bir halkaya sarılmış bir Z-tutamıdır (bir halka elektrik akımı plazmadan akar, onu içermek için gerekli bir manyetik alan yaratır) hem de bir halka halinde birleştirilen ve "oluklu" toroidal bir manyetik oluşturan bir dizi ayna hücresinden oluşur. alan. Ek olarak, birkaç ayrı bobin tarafından oluşturulan torus düzlemine dik bir alan, bobinlerin toroidal alanı ve plazma akım alanı üzerine bindirilir. Poloidal adı verilen bu ek alan, torusun dış tarafındaki plazma akımının (aynı zamanda poloidal) manyetik alanını güçlendirir ve iç kısmında zayıflatır. Böylece plazma ipinin her tarafındaki toplam manyetik alan aynı olur ve konumu sabit kalır. Bu ek alanı değiştirerek plazma demetini vakum odasının içinde belirli sınırlar dahilinde hareket ettirmek mümkündür.

Müon katalizi kavramı, senteze temelde farklı bir yaklaşım önermektedir. Müon, elektronla aynı yüke sahip ancak kütlesi 207 kat daha fazla olan kararsız bir temel parçacıktır. Bir müon, bir hidrojen atomundaki bir elektronun yerini alabilir ve atomun boyutu 207 kat azalır. Bu, bir hidrojen çekirdeğinin enerji harcamadan diğerine yaklaşmasına olanak tanır. Ancak bir müon üretmek için yaklaşık 10 GeV enerji harcanır, bu da enerjiden fayda sağlamak için müon başına birkaç bin füzyon reaksiyonunun gerçekleştirilmesi gerektiği anlamına gelir. Reaksiyonda oluşan helyuma bir müonun "yapışması" olasılığı nedeniyle, yüzlerce reaksiyondan fazlası henüz gerçekleşmedi. Fotoğraf, Wendelstein z-x yıldızlaştırıcısının Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü'ndeki montajını gösteriyor.

Tokamakların uzun süredir önemli bir sorunu, plazmada halka akımı yaratma ihtiyacıydı. Bunu yapmak için tokamak torusun merkezi deliğinden manyetik akı sürekli olarak değişen bir manyetik devre geçirildi. Manyetik akıdaki değişiklik, vakum odasındaki gazı iyonize eden ve elde edilen plazmadaki akımı koruyan bir girdap elektrik alanı oluşturur. Ancak plazmadaki akımın sürekli olarak muhafaza edilmesi gerekir, bu da manyetik akının sürekli olarak bir yönde değişmesi gerektiği anlamına gelir. Bu elbette imkansızdır, dolayısıyla tokamaklardaki akım yalnızca sınırlı bir süre (saniyenin çok küçük bir kısmından birkaç saniyeye kadar) muhafaza edilebilir. Neyse ki, harici bir girdap alanı olmayan bir plazmada meydana gelen sözde önyükleme akımı keşfedildi. Ek olarak, plazmayı ısıtmak ve aynı anda içinde gerekli halka akımını indüklemek için yöntemler geliştirilmiştir. Bu durum, sıcak plazmanın istenildiği kadar uzun süre muhafaza edilmesi potansiyelini sağladı. Uygulamada rekor şu anda plazmanın altı dakikadan fazla sürekli olarak "yandığı" Tore Supra tokamak'a ait.

Büyük umut vaat eden ikinci tür plazma hapsetme tesisi yıldızlaştırıcılardır. Geçtiğimiz yıllarda yıldızlaştırıcıların tasarımı çarpıcı biçimde değişti. Orijinal "sekiz" den neredeyse hiçbir şey kalmadı ve bu tesisler tokamaklara çok daha yakın hale geldi. Her ne kadar yıldızlaştırıcıların hapsedilme süresi tokamaklardan daha kısa olsa da (daha az verimli H modu nedeniyle) ve yapım maliyetleri daha yüksek olsa da, içlerindeki plazmanın davranışı daha sakindir, bu da ilkinin daha uzun ömrü anlamına gelir. vakum odasının iç duvarı. Termonükleer füzyonun ticari gelişimi için bu faktör büyük önem taşımaktadır.

Bir reaksiyonun seçilmesi

İlk bakışta saf döteryumun termonükleer yakıt olarak kullanılması en mantıklısı: nispeten ucuz ve güvenli. Bununla birlikte döteryum, döteryumla trityumdan yüz kat daha az reaksiyona girer. Bu, bir reaktörün döteryum ve trityum karışımı üzerinde çalıştırılması için 10 keV'lik bir sıcaklığın yeterli olduğu ve saf döteryum üzerinde çalıştırılması için 50 keV'den fazla bir sıcaklığın gerekli olduğu anlamına gelir. Ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa, enerji kaybı da o kadar yüksek olur. Bu nedenle en azından ilk kez döteryum-trityum yakıtı üzerinden termonükleer enerji üretilmesi planlanıyor. İçinde üretilen hızlı lityum nötronlarla ışınlama nedeniyle reaktörün kendisinde trityum üretilecek.
"Yanlış" nötronlar. “Bir Yılın 9 Günü” kült filminde ana karakter, termonükleer bir tesiste çalışırken ciddi dozda nötron radyasyonu aldı. Ancak daha sonra bu nötronların bir füzyon reaksiyonu sonucu oluşmadığı ortaya çıktı. Bu yönetmenin icadı değil, Z-pinch'lerde gözlemlenen gerçek bir etki. Elektrik akımının kesildiği anda, plazmanın endüktansı büyük bir voltajın (milyonlarca volt) oluşmasına yol açar. Bu alanda hızlandırılan bireysel hidrojen iyonları, nötronları elektrotlardan tam anlamıyla dışarı atabilir. İlk başta, bu olay gerçekten de termonükleer reaksiyonun kesin bir işareti olarak kabul edildi, ancak daha sonra nötron enerji spektrumunun analizi bunların farklı bir kökene sahip olduğunu gösterdi.
Geliştirilmiş saklama modu. Tokamak'ın H modu, yüksek ek ısıtma gücüyle plazma enerji kayıplarının keskin bir şekilde azaldığı çalışma modudur. 1982 yılında geliştirilmiş hapsetme modunun tesadüfen keşfedilmesi, tokamak'ın icadı kadar önemlidir. Henüz bu fenomenin genel kabul görmüş bir teorisi yoktur, ancak bu onun pratikte kullanılmasını engellemez. Kayıpları yarıdan fazla azalttığı için tüm modern tokamaklar bu modda çalışır. Daha sonra, yıldızlaştırıcılarda benzer bir rejim keşfedildi; bu, bunun toroidal sistemlerin genel bir özelliği olduğunu, ancak içlerinde hapsetmenin yalnızca yaklaşık %30 oranında iyileştirildiğini gösteriyor.
Plazma ısıtma. Plazmayı termonükleer sıcaklıklara ısıtmanın üç ana yöntemi vardır. Ohmik ısıtma, içinden geçen elektrik akımı nedeniyle plazmanın ısıtılmasıdır. Bu yöntem ilk aşamalarda en etkilidir, çünkü sıcaklık arttıkça plazmanın elektrik direnci azalır. Elektromanyetik ısıtma, elektronların veya iyonların manyetik alan çizgileri etrafındaki dönme frekansıyla eşleşen frekansa sahip elektromanyetik dalgalar kullanır. Hızlı nötr atomların enjekte edilmesiyle, bir negatif iyon akışı yaratılır, bunlar daha sonra nötrleştirilir ve enerjilerini oraya aktarmak için manyetik alandan plazmanın merkezine geçebilen nötr atomlara dönüşür.
Bunlar reaktör mü? Trityum radyoaktiftir ve D-T reaksiyonundan kaynaklanan güçlü nötron ışınlaması, reaktör tasarım elemanlarında indüklenmiş radyoaktivite yaratır. Robotları kullanmak zorundayız, bu da işi zorlaştırıyor. Aynı zamanda, sıradan hidrojen veya döteryumdan oluşan bir plazmanın davranışı, döteryum ve trityum karışımından oluşan bir plazmanın davranışına çok yakındır. Bu, tarih boyunca yalnızca iki termonükleer tesisin tamamen döteryum ve trityum karışımıyla çalıştırılmasına yol açtı: TFTR ve JET tokamakları. Diğer tesislerde döteryum bile her zaman kullanılmaz. Dolayısıyla bir tesisin tanımındaki "termonükleer" adı, orada gerçekten termonükleer reaksiyonların meydana geldiği anlamına gelmez (ve meydana gelenlerde neredeyse her zaman saf döteryum kullanılır).
Hibrit reaktör. D-T reaksiyonu, tükenmiş uranyumu bile parçalayabilen 14 MeV nötron üretir. Bir uranyum çekirdeğinin fisyonuna, yaklaşık 200 MeV enerji salınımı eşlik eder; bu, füzyon sırasında açığa çıkan enerjinin on katından fazladır. Dolayısıyla mevcut tokamaklar, bir uranyum kabuğuyla çevrelenirlerse enerji açısından faydalı olabilirler. Fisyon reaktörleriyle karşılaştırıldığında bu tür hibrit reaktörler, içlerinde kontrolsüz bir zincirleme reaksiyonun gelişmesini önleme avantajına sahip olacaktır. Ek olarak, son derece yoğun nötron akıları, uzun ömürlü uranyum fisyon ürünlerini kısa ömürlü olanlara dönüştürmelidir, bu da atık bertaraf sorununu önemli ölçüde azaltır.

Atalet umutları

Ataletsel füzyon da yerinde durmuyor. Lazer teknolojisinin on yıllar boyunca gelişmesiyle, lazerlerin verimliliğini yaklaşık on kat artırma umutları ortaya çıktı. Ve pratikte güçleri yüzlerce, binlerce kat arttı. Termonükleer kullanıma uygun parametrelere sahip ağır iyon hızlandırıcılar üzerinde de çalışmalar sürüyor. Ayrıca "hızlı ateşleme" kavramı, eylemsiz füzyon alanındaki ilerlemede kritik bir faktör olmuştur. İki darbenin kullanılmasını içerir: biri termonükleer yakıtı sıkıştırır, diğeri ise küçük bir kısmını ısıtır. Yakıtın küçük bir kısmında başlayan reaksiyonun daha sonra daha da yayılarak yakıtın tamamını kapsayacağı varsayılmaktadır. Bu yaklaşım, enerji maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir ve dolayısıyla daha küçük bir reaksiyona giren yakıt oranıyla reaksiyonu karlı hale getirebilir.

Tokamak sorunları

Diğer türdeki kurulumların ilerlemesine rağmen, tokamaklar şu anda hala rekabet dışı kalıyor: 1990'larda iki tokamak (TFTR ve JET) aslında plazmayı ısıtmak için enerji tüketimine yaklaşık olarak eşit bir termonükleer enerji salınımı ürettiyse (hatta böyle bir mod sadece bir saniye kadar sürse de), o zaman diğer kurulum türleriyle benzer bir şey elde edilemezdi. Tokamakların boyutunda basit bir artış bile, içlerinde enerji açısından uygun bir füzyonun fizibilitesine yol açacaktır. Uluslararası reaktör ITER şu anda Fransa'da inşa ediliyor ve bunu pratikte göstermesi gerekecek.

Ancak tokamakların da sorunları var. ITER milyarlarca dolara mal oluyor ve bu da gelecekteki ticari reaktörler için kabul edilemez. Hiçbir reaktör, bırakın haftalar ve aylar bir yana, birkaç saat bile sürekli olarak çalışmamıştır ki bu da yine endüstriyel uygulamalar için gereklidir. Vakum odasının iç duvarındaki malzemelerin plazmaya uzun süre maruz kalmaya dayanabileceğine dair henüz bir kesinlik yok.

Alanı güçlü olan tokamak konsepti projeyi daha ucuz hale getirebilir. Alanın 2-3 kat artırılmasıyla nispeten küçük bir kurulumda gerekli plazma parametrelerinin elde edilmesi planlanıyor. Özellikle bu konsept, İtalyan meslektaşlarıyla birlikte Moskova yakınlarındaki TRINIT'te (Trinity Yenilik ve Termonükleer Araştırma Enstitüsü) inşa edilmeye başlanan Ateşleyici reaktörünün temelini oluşturuyor. Mühendislerin hesaplamaları doğru çıkarsa, ITER'den kat kat daha düşük bir maliyetle bu reaktörde plazmayı ateşlemek mümkün olacak.

Yıldızlara doğru ilerleyin!

Termonükleer reaksiyonun ürünleri saniyede binlerce kilometre hızla farklı yönlere uçup gider. Bu, ultra verimli roket motorları oluşturmayı mümkün kılar. Özgül itkileri en iyi elektrikli jet motorlarından daha yüksek olacaktır ve hatta enerji tüketimleri negatif bile olabilir (teorik olarak enerji tüketmek yerine üretmek mümkündür). Dahası, termonükleer bir roket motoru yapmanın yer tabanlı bir reaktörden daha kolay olacağına inanmak için her türlü neden var: vakum oluşturmada, süper iletken mıknatısların ısı yalıtımında herhangi bir sorun yok, boyutlarda herhangi bir kısıtlama yok, vb. Ayrıca motorun elektrik üretmesi de arzu edilir ama hiç de gerekli değil, çok fazla tüketmemesi yeterli.

Elektrostatik hapsetme

Elektrostatik iyon hapsi kavramı, en kolay şekilde füzör adı verilen bir düzenek aracılığıyla anlaşılır. Negatif bir potansiyelin uygulandığı küresel bir ağ elektrotuna dayanmaktadır. Ayrı bir hızlandırıcıda veya merkezi elektrotun alanı tarafından hızlandırılan iyonlar, bunun içine düşer ve bir elektrostatik alan tarafından orada tutulur: Bir iyon dışarı uçma eğilimindeyse, elektrot alanı onu geri döndürür. Ne yazık ki, bir iyonun bir ağ ile çarpışma olasılığı, bir füzyon reaksiyonuna girme olasılığından çok daha yüksektir, bu da enerji açısından uygun bir reaksiyonu imkansız hale getirir. Bu tür kurulumlar yalnızca nötron kaynakları olarak uygulama alanı bulmuştur.
Pek çok bilim insanı, sansasyonel bir keşif yapma çabasıyla, mümkün olan her yerde sentezi görmeye çalışıyor. Basında "soğuk füzyon" olarak adlandırılan çeşitli seçeneklere ilişkin çok sayıda haber yer aldı. Sentez, döteryumla "emprenye edilmiş" metallerde, içlerinden bir elektrik akımı geçtiğinde, döteryumla doymuş sıvıların elektrolizi sırasında, içlerinde kavitasyon kabarcıklarının oluşumu sırasında ve diğer durumlarda keşfedildi. Ancak bu deneylerin çoğu diğer laboratuvarlarda tatmin edici tekrarlanabilirliğe sahip değildir ve sonuçları neredeyse her zaman sentez kullanılmadan açıklanabilir.
"Felsefe taşı" ile başlayan ve daha sonra "sürekli hareket makinesine" dönüşen "görkemli geleneği" sürdüren birçok modern dolandırıcı, onlardan "soğuk füzyon jeneratörü", "kavitasyon reaktörü" ve diğer "yakıt" satın almayı teklif ediyor. özgür jeneratörler”: felsefi hakkında Herkes taşı çoktan unuttu, sürekli harekete inanmıyorlar, ancak nükleer füzyon artık oldukça ikna edici geliyor. Ancak ne yazık ki gerçekte bu tür enerji kaynakları henüz mevcut değil (ve yaratılabildikleri zaman tüm haberlerde yer alacak). Bu nedenle şunu unutmayın: Soğuk nükleer füzyon yoluyla enerji üreten bir cihaz satın almanız teklif edilirse, o zaman sizi "kandırmaya" çalışıyorlar demektir!

Ön tahminlere göre, mevcut teknoloji seviyesiyle bile, Güneş Sisteminin gezegenlerine uçuş için (uygun finansmanla) termonükleer bir roket motoru oluşturmak mümkündür. Bu tür motorların teknolojisinde ustalaşmak, insanlı uçuşların hızını on kat artıracak ve gemide büyük rezerv yakıt rezervlerinin bulunmasını mümkün kılacak, bu da Mars'a uçmayı şu anda ISS üzerinde çalışmaktan daha zor hale getirmeyecek. Işık hızının %10'u kadar hızlar potansiyel olarak otomatik istasyonlar için geçerli olacak; bu da, yaratıcılarının ömrü boyunca yakın yıldızlara araştırma sondaları göndermenin ve bilimsel veriler elde etmenin mümkün olacağı anlamına geliyor.

Ataletsel füzyona dayalı termonükleer roket motoru kavramı şu anda en gelişmiş olarak kabul edilmektedir. Motor ile reaktör arasındaki fark, yüklü reaksiyon ürünlerini tek yönde yönlendiren manyetik alanda yatmaktadır. İkinci seçenek, tıkaçlardan birinin kasıtlı olarak zayıflatıldığı açık bir tuzak kullanılmasını içerir. Ondan akan plazma reaktif bir kuvvet yaratacaktır.

Termonükleer gelecek

Termonükleer füzyonda ustalaşmanın ilk başta göründüğünden çok daha zor olduğu ortaya çıktı. Her ne kadar pek çok sorun halihazırda çözülmüş olsa da, geri kalanlar binlerce bilim insanı ve mühendisin önümüzdeki birkaç on yıllık sıkı çalışması için yeterli olacaktır. Ancak hidrojen ve helyum izotoplarının dönüşümlerinin bizim için açtığı umutlar o kadar büyük ki, kat edilen yol zaten o kadar önemli ki, yarı yolda durmanın bir anlamı yok. Pek çok şüpheci ne derse desin, gelecek şüphesiz sentezde yatmaktadır.

ITER - Uluslararası Termonükleer Reaktör (ITER)

İnsan enerji tüketimi her yıl artıyor ve bu da enerji sektörünü aktif gelişmeye doğru itiyor. Böylece nükleer santrallerin ortaya çıkmasıyla birlikte dünya çapında üretilen enerji miktarı önemli ölçüde artmış, bu da enerjinin insanlığın tüm ihtiyaçları için güvenli bir şekilde kullanılmasını mümkün kılmıştır. Örneğin, Fransa'da üretilen elektriğin %72,3'ü nükleer santrallerden, Ukrayna'da %52,3'ü, İsveç'te %40,0'ı, İngiltere'de %20,4'ü, Rusya'da %17,1'i elde edilmektedir. Ancak teknoloji durmuyor ve geleceğin ülkelerinin daha fazla enerji ihtiyacını karşılamak için bilim insanları bir dizi yenilikçi proje üzerinde çalışıyor, bunlardan biri ITER (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör).

Her ne kadar bu kurulumun karlılığı hala sorgulansa da, birçok araştırmacının çalışmasına göre, kontrollü termonükleer füzyon teknolojisinin yaratılması ve ardından geliştirilmesi, güçlü ve güvenli bir enerji kaynağıyla sonuçlanabilir. Böyle bir kurulumun bazı olumlu yönlerine bakalım:

• Termonükleer reaktörün ana yakıtı hidrojendir, bu da pratik olarak tükenmez nükleer yakıt rezervleri anlamına gelir.
• Hidrojen, çoğu ülkede mevcut olan deniz suyunun işlenmesiyle üretilebilir. Buradan yakıt kaynakları üzerinde tekelin ortaya çıkamayacağı sonucu çıkmaktadır.
• Bir termonükleer reaktörün çalışması sırasında acil bir patlama olasılığı, bir nükleer reaktörün çalışması sırasında olduğundan çok daha azdır. Araştırmacılara göre kaza durumunda bile radyasyon emisyonları halk için tehlike oluşturmayacak, bu da tahliyeye gerek olmadığı anlamına geliyor.
• Nükleer reaktörlerin aksine, füzyon reaktörleri yarılanma ömrü kısa olan, yani daha hızlı bozunan radyoaktif atık üretir. Ayrıca termonükleer reaktörlerde yanma ürünleri yoktur.
• Füzyon reaktörü nükleer silahlar için de kullanılan malzemelere ihtiyaç duymaz. Bu, nükleer reaktörün ihtiyaçlarına yönelik malzemeleri işleyerek nükleer silah üretiminin örtbas edilmesi olasılığını ortadan kaldırır.

Termonükleer reaktör - iç görünüm

Ancak araştırmacıların sürekli karşılaştığı bir takım teknik eksiklikler de vardır.

Örneğin yakıtın döteryum ve trityum karışımı şeklinde sunulan mevcut versiyonu, yeni teknolojilerin geliştirilmesini gerektiriyor. Örneğin, JET termonükleer reaktöründe bugüne kadarki en büyüğü olan ilk test serisinin sonunda reaktör o kadar radyoaktif hale geldi ki, deneyi tamamlamak için özel bir robotik bakım sisteminin geliştirilmesine ihtiyaç duyuldu. Termonükleer reaktörün çalışmasında hayal kırıklığı yaratan bir diğer faktör ise verimliliğidir - %20, nükleer santralin verimliliği %33-34, termik santralin verimliliği ise %40'tır.

ITER projesinin oluşturulması ve reaktörün başlatılması

ITER projesi, Sovyetler Birliği'nin, mıknatıslar kullanarak plazmayı tutabilen, böylece termonükleer füzyon reaksiyonunun meydana gelmesi için gerekli koşulları yaratabilen, manyetik bobinlere sahip toroidal bir oda olan tokamak'ın ortaklaşa oluşturulmasını önerdiği 1985 yılına kadar uzanıyor. 1992 yılında, tarafları AB, ABD, Rusya ve Japonya olan ITER'in geliştirilmesine ilişkin dörtlü bir anlaşma imzalandı. Projeye 1994 yılında Kazakistan Cumhuriyeti, 2001 yılında Kanada, 2003 yılında Güney Kore ve Çin, 2005 yılında ise Hindistan katılmıştır. 2005 yılında reaktörün inşa edileceği yer belirlendi - Fransa Cadarache Nükleer Enerji Araştırma Merkezi.

Reaktörün inşaatı temel için bir çukurun hazırlanmasıyla başladı. Yani çukurun parametreleri 130 x 90 x 17 metreydi. Tokamak kompleksinin tamamı 360.000 ton ağırlığında olacak ve bunun 23.000 tonu tokamak'ın kendisi olacak.

ITER kompleksinin çeşitli unsurları geliştirilecek ve dünyanın her yerinden şantiyeye teslim edilecek. Böylece 2016 yılında Rusya'da poloidal bobinler için iletkenlerin bir kısmı geliştirildi ve bunlar daha sonra bobinleri kendileri üretecek olan Çin'e gönderildi.

Açıkçası, bu kadar büyük ölçekli bir çalışmayı organize etmek hiç de kolay değil; birçok ülke proje takvimine uyma konusunda defalarca başarısız oldu ve bunun sonucunda reaktörün lansmanı sürekli ertelendi. Yani geçen yılın (2016) Haziran mesajına göre: “İlk plazmanın alınması Aralık 2025 için planlanıyor.”

ITER tokamak'ın çalışma mekanizması

"Tokamak" terimi, "manyetik bobinli toroidal oda" anlamına gelen Rusça bir kısaltmadan gelir.

Tokamak'ın kalbi torus şeklindeki vakum odasıdır. İçeride, aşırı sıcaklık ve basınç altında hidrojen yakıt gazı, sıcak, elektrik yüklü bir gaz olan plazmaya dönüşür. Bilindiği gibi yıldız maddesi plazma ile temsil edilir ve güneş çekirdeğindeki termonükleer reaksiyonlar tam olarak yüksek sıcaklık ve basınç koşulları altında meydana gelir. Plazmanın oluşumu, tutulması, sıkıştırılması ve ısıtılması için benzer koşullar, bir vakum kabının etrafına yerleştirilen devasa manyetik bobinler aracılığıyla yaratılır. Mıknatısların etkisi sıcak plazmayı kabın duvarlarından sınırlayacaktır.

İşlem başlamadan önce vakum odasından hava ve yabancı maddeler uzaklaştırılır. Plazmayı kontrol etmeye yardımcı olacak manyetik sistemler daha sonra şarj ediliyor ve gazlı yakıt veriliyor. Kabın içinden güçlü bir elektrik akımı geçtiğinde, gaz elektriksel olarak bölünerek iyonize olur (yani elektronlar atomları terk eder) ve bir plazma oluşturur.

Plazma parçacıkları etkinleştirilip çarpıştıkça ısınmaya da başlarlar. Yardımlı ısıtma teknikleri, plazmanın erime sıcaklıklarına (150 ila 300 milyon °C) getirilmesine yardımcı olur. Bu dereceye kadar "uyarılan" parçacıklar, çarpışma anında doğal elektromanyetik itme kuvvetinin üstesinden gelebilir ve bu tür çarpışmaların sonucunda muazzam miktarda enerji açığa çıkarabilir.

Tokamak tasarımı aşağıdaki unsurlardan oluşur:

Vakum kabı

(“çörek”) paslanmaz çelikten yapılmış toroidal bir haznedir. Büyük çapı 19 m, küçüğü 6 m, yüksekliği 11 m'dir. Haznenin hacmi 1.400 m3, ağırlığı ise 5.000 tonun üzerindedir. damıtılmış su olacak olan soğutucu duvarlar arasında dolaşacaktır. Suyun kirlenmesini önlemek için odanın iç duvarı bir battaniye kullanılarak radyoaktif radyasyondan korunur.

Battaniye

(“battaniye”) – odanın iç yüzeyini kaplayan 440 parçadan oluşur. Toplam ziyafet alanı 700 m2'dir. Her parça, gövdesi bakırdan, ön duvarı çıkarılabilir ve berilyumdan yapılmış bir tür kasettir. Kasetlerin parametreleri 1x1,5 m'dir ve kütle 4,6 tondan fazla değildir. Bu tür berilyum kasetleri, reaksiyon sırasında oluşan yüksek enerjili nötronları yavaşlatacaktır. Nötron moderasyonu sırasında, soğutma sistemi tarafından ısı açığa çıkacak ve uzaklaştırılacaktır. Reaktörün çalışması sonucu oluşan berilyum tozunun berilyum adı verilen ciddi bir hastalığa neden olabileceği ve aynı zamanda kanserojen etkiye de sahip olduğunu unutmamak gerekir. Bu nedenle komplekste sıkı güvenlik önlemleri geliştiriliyor.

Tokamak bölümünde. Sarı - solenoid, turuncu - toroidal alan (TF) ve poloidal alan (PF) mıknatısları, mavi - battaniye, açık mavi - VV - vakum kabı, mor - saptırıcı

Poloidal tipte ("küllük"), ana görevi battaniyeyle kaplı oda duvarlarının ısınması ve onunla etkileşiminden kaynaklanan kir plazmasını "temizlemek" olan bir cihazdır. Bu tür kirletici maddeler plazmaya girdiğinde yoğun bir şekilde yayılmaya başlar ve ek radyasyon kayıplarına neden olur. Tokomak'ın alt kısmında bulunur ve plazmanın (en kirli olan) üst katmanlarını soğutma odasına yönlendirmek için mıknatıslar kullanır. Burada plazma soğur ve gaza dönüşür, ardından odadan dışarı pompalanır. Berilyum tozu odaya girdikten sonra neredeyse plazmaya geri dönemez. Böylece plazma kirliliği yalnızca yüzeyde kalır ve daha derinlere nüfuz etmez.

Kriyostat

- 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) hacme ve 3.850 ton kütleye sahip paslanmaz çelik bir kabuk olan tokomak'ın en büyük bileşeni, sistemin diğer elemanları kriyostat içinde yer alacak ve kendisi hizmet verecek. tokamak ile dış çevre arasında bir bariyer görevi görür. İç duvarlarında 80 K (-193,15 °C) sıcaklıkta nitrojenin sirkülasyonu ile soğutulan termal ekranlar bulunacaktır.

Manyetik sistem

– plazmayı bir vakum kabı içinde tutmaya ve kontrol etmeye yarayan bir dizi öğe. 48 elementten oluşan bir settir:

• Toroidal alan bobinleri vakum odasının dışında ve kriyostatın içinde bulunur. Her biri 15 x 9 m boyutlarında ve yaklaşık 300 ton ağırlığında 18 parça halinde sunulan bu bobinler, birlikte plazma torusunun etrafında 11,8 Tesla'lık bir manyetik alan oluşturuyor ve 41 GJ enerji depoluyor.
• Poloidal alan bobinleri - toroidal alan bobinlerinin üstünde ve kriyostatın içinde bulunur. Bu bobinler, plazma kütlesini odanın duvarlarından ayıran ve plazmayı adyabatik ısıtma için sıkıştıran bir manyetik alan oluşturmaktan sorumludur. Bu tür kangalların sayısı 6'dır. Kangallardan ikisinin çapı 24 m, kütlesi ise 400 tondur. Geriye kalan dördü ise biraz daha küçüktür.
• Merkezi solenoid, toroidal haznenin iç kısmında veya daha doğrusu "halka deliğinde" bulunur. Çalışma prensibi bir transformatöre benzer ve asıl görevi plazmadaki endüktif akımı uyarmaktır.
• Düzeltme bobinleri vakum kabının içinde, battaniye ile oda duvarı arasında bulunur. Görevleri, yerel olarak "şişme" yapabilen ve hatta damarın duvarlarına dokunabilen plazmanın şeklini korumaktır. Oda duvarlarının plazma ile etkileşim seviyesini ve dolayısıyla kirlenme seviyesini azaltmanıza ve ayrıca odanın aşınmasını da azaltmanıza olanak tanır.

ITER kompleksinin yapısı

Yukarıda “özetle” açıklanan tokamak tasarımı, birçok ülkenin çabalarıyla bir araya getirilen oldukça karmaşık, yenilikçi bir mekanizmadır. Bununla birlikte, tam anlamıyla çalışması için tokamak yakınında bulunan bütün bir bina kompleksi gereklidir. Aralarında:

• Kontrol, Veri Erişimi ve İletişim Sistemi – CODAC. ITER kompleksinin bazı binalarında yer almaktadır.
• Yakıt depolama ve yakıt sistemi - tokamak'a yakıt dağıtmaya yarar.
• Vakum sistemi - görevi termonükleer reaksiyon ürünlerini ve ayrıca vakum odasındaki çeşitli kirletici maddeleri dışarı pompalamak olan dört yüzün üzerinde vakum pompasından oluşur.
• Kriyojenik sistem – nitrojen ve helyum devresi ile temsil edilir. Helyum devresi, işi (ve dolayısıyla sıcaklığı) sürekli olarak değil darbeler halinde meydana gelen tokamaktaki sıcaklığı normalleştirecektir. Nitrojen devresi, kriyostatın ısı kalkanlarını ve helyum devresinin kendisini soğutacaktır. Battaniye duvarlarının sıcaklığını düşürmeyi amaçlayan su soğutma sistemi de bulunacaktır.
• Güç kaynağı. Tokamak'ın sürekli çalışması için yaklaşık 110 MW enerjiye ihtiyaç duyulacak. Bunu başarmak için kilometrelerce uzunlukta enerji hatları kurulacak ve Fransız endüstriyel ağına bağlanacak. ITER deney tesisinin enerji üretimi sağlamadığını, yalnızca bilimsel çıkarlar doğrultusunda çalıştığını hatırlamakta fayda var.

ITER finansmanı

Uluslararası termonükleer reaktör ITER, başlangıçta 12 milyar dolar olarak tahmin edilen oldukça pahalı bir girişimdir; bu miktarın 1/11'i Rusya, ABD, Kore, Çin ve Hindistan'dan, 2/11'i Japonya'dan ve 4'ü AB'den kaynaklanmaktadır. /11 . Bu miktar daha sonra 15 milyar dolara çıktı. Finansmanın, her ülkede geliştirilen kompleks için gerekli ekipmanların temini yoluyla gerçekleşmesi dikkat çekiyor. Böylece Rusya battaniye, plazma ısıtma cihazları ve süper iletken mıknatıslar tedarik ediyor.

Proje perspektifi

Şu anda ITER kompleksinin inşaatı ve tokamak için gerekli tüm bileşenlerin üretimi devam ediyor. Tokamak'ın 2025 yılında planlanan lansmanının ardından, sonuçlara göre iyileştirilmesi gereken yönlerin not edileceği bir dizi deney başlayacak. ITER'in başarıyla devreye alınmasının ardından DEMO (DEMOnstration Power Plant) adı verilen termonükleer füzyona dayalı bir enerji santralinin kurulması planlanıyor. DEMo'nun amacı, füzyon gücünün sözde "ticari çekiciliğini" göstermektir. ITER yalnızca 500 MW enerji üretebilirse DEMO sürekli olarak 2 GW enerji üretebilecektir.

Ancak ITER deney tesisinin enerji üretmeyeceği, amacının tamamen bilimsel fayda elde etmek olduğu unutulmamalıdır. Ve bildiğiniz gibi şu veya bu fiziksel deney sadece beklentileri karşılamakla kalmıyor, aynı zamanda insanlığa yeni bilgi ve deneyimler de kazandırabiliyor.

Lockheed Martin yönetimi, Şubat 2018'de kompakt füzyon reaktörü için patent aldığını duyurdu. Uzmanlar bunu imkansız olarak nitelendiriyor ancak The War Zone'a göre "Amerikan şirketinin yakın gelecekte resmi bir açıklama yapması mümkün."

FlightGlobal muhabiri Stephen Trimble tweet attı: "Skunk Works mühendisinden alınan yeni bir patent, potansiyel bir uygulama olarak F-16'nın planını içeren kompakt bir füzyon reaktörü tasarımını gösteriyor. Palmdale'de bir prototip reaktör test ediliyor."

Yayına göre, "Skunk Works'ün son dört yıldır patent sürecine dahil olması, programda en azından bir dereceye kadar gerçekten ilerleme kaydettiklerini gösteriyor." Materyalin yazarları, dört yıl önce proje geliştiricilerinin reaktörün temel tasarımı, proje takvimi ve programın genel hedefleri hakkında ciddi çalışmalara işaret eden temel bilgileri yayınladıklarını belirtiyor.

Lockheed Martin'in 4 Nisan 2013 tarihinde "Plazma hapsi için manyetik alanların kapsüllenmesi" patenti için geçici başvuru yaptığını hatırlayalım. Aynı zamanda 2 Nisan 2014 tarihinde ABD Patent ve Ticari Marka Ofisine resmi başvuru alındı.

Lockheed Martin, patentin 15 Şubat 2018'de alındığını söyledi. Kompakt Füzyon proje yöneticisi Thomas McGuire bir keresinde bir pilot tesisin 2014'te, bir prototipin 2019'da ve çalışan bir prototipin ise 2024'te oluşturulacağını söylemişti.

Şirket web sitesinde, uzmanlarının üzerinde çalıştığı termonükleer reaktörün bir uçak gemisine, savaş uçağına veya küçük bir şehre enerji sağlamak için kullanılabileceğini bildirdi.

Ekim 2014'te şirket, ön araştırma sonuçlarının, yaklaşık 100 megawatt gücünde ve bir kamyonla karşılaştırılabilir boyutlarda (mevcut modellerden yaklaşık on kat daha küçük) hafif nükleer füzyon reaktörleri oluşturma olasılığını gösterdiğini söyledi. Esasen, yüzyılın keşfine yönelik bir uygulamadan bahsediyoruz: her şeye enerji sağlayabilen, radyasyona dayanıklı bir reaktör.

Kontrollü termonükleer füzyon alanında araştırma yapan Rus bilim adamları ise Lockheed Martin'in mesajını halkın dikkatini çekmeyi amaçlayan bilimsel olmayan bir ifade olarak nitelendirdi. Ancak Twitter'da Amerikan şirketi Lockheed Martin tarafından yaratıldığı iddia edilen kompakt bir termonükleer reaktörün fotoğrafı ortaya çıktı.

“Bu olamaz. Gerçek şu ki, termonükleer reaktörden ne kastedildiği fiziksel açıdan çok iyi bilinmektedir. “Helyum 3” gibi geliyorsa? - Bunun bir aldatmaca olduğunu hemen anlamalısınız. Bu, bu tür yarı keşiflerin karakteristik bir özelliğidir - "nasıl yapılır, nasıl uygulanır" şeklinde bir satır ve sonrasında nasıl iyi olacağına dair on sayfa vardır. Bu çok karakteristik bir işaret; burada soğuk termonükleer füzyonu icat ettik ve sonra bunun nasıl uygulanacağını söylemiyorlar ve sadece on sayfa sonra ne kadar harika olacağını söylüyorlar" dedi. Pravda.ru. Flerov JINR Dubna'da Andrey Papeko.

“Asıl soru, termonükleer reaksiyonun nasıl harekete geçirileceği, neyle ısıtılacağı, neyle tutulacağıdır - bu aynı zamanda genel olarak şu anda çözülmemiş bir sorudur. Ve diyelim ki lazer termonükleer tesislerde bile normal bir termonükleer reaksiyon orada tutuşmaz. Ve ne yazık ki yakın gelecekte görünürde bir çözüm yok" diye açıkladı nükleer fizikçi.

“Rusya oldukça fazla araştırma yürütüyor, bu anlaşılabilir bir durum, tüm açık basında yayınlandı, yani termonükleer reaksiyon için malzemeleri ısıtmanın koşullarını incelemek gerekiyor. Genel olarak bu, döteryum ile bir karışımdır - bilim kurgu yoktur, bu fizik çok iyi bilinmektedir. Nasıl ısıtılır, nasıl tutulur, enerjisi nasıl çıkarılır, çok sıcak bir plazmayı ateşlerseniz reaktörün duvarlarını yer, eritir. Büyük tesislerde, reaktörün duvarlarını eritmemesi için onu odanın merkezinde tutmak ve odaklamak için manyetik alanlar kullanılabilir. Ancak küçük tesislerde işe yaramayacak, eriyecek ve yanacaktır. Yani bunlar bana göre çok erken açıklamalardır” dedi.

“Lockheed Martin kompakt bir termonükleer reaktör geliştirmeye başladı... Şirketin internet sitesinde ilk prototipin bir yıl içinde üretileceği belirtiliyor. Eğer bu doğru çıkarsa, bir yıl sonra bambaşka bir dünyada yaşayacağız”, bu “Attic”ten birinin başlangıcı. Yayınlanmasının üzerinden üç yıl geçti ve o günden bu yana dünya pek değişmedi.

Günümüzde nükleer santral reaktörlerinde ağır çekirdeklerin bozunması sonucu enerji üretilmektedir. Termonükleer reaktörlerde, orijinal çekirdeklerin toplamından daha az kütleye sahip çekirdeklerin oluşturulduğu çekirdeklerin füzyonu işlemi sırasında enerji elde edilir ve “tortu” enerji şeklinde kaybolur. Nükleer reaktörlerden çıkan atıklar radyoaktiftir ve bunların güvenli bir şekilde bertaraf edilmesi büyük bir baş ağrısıdır. Füzyon reaktörlerinde bu dezavantaj yoktur ve ayrıca hidrojen gibi yaygın olarak bulunabilen yakıtlar kullanılır.

Tek bir büyük sorunları var; endüstriyel tasarımlar henüz mevcut değil. Görev kolay değil: Termonükleer reaksiyonlar için yakıtın sıkıştırılması ve yüz milyonlarca dereceye kadar ısıtılması gerekir; bu, Güneş'in yüzeyinden daha sıcaktır (termonükleer reaksiyonların doğal olarak meydana geldiği yer). Bu kadar yüksek bir sıcaklığa ulaşmak zordur ama mümkündür ancak böyle bir reaktör ürettiğinden daha fazla enerji tüketir.

Ancak yine de o kadar çok potansiyel avantajları var ki, elbette geliştirme sürecine yalnızca Lockheed Martin dahil değil.

İTER

ITER bu alandaki en büyük projedir. Avrupa Birliği'ni, Hindistan'ı, Çin'i, Kore'yi, Rusya'yı, ABD'yi ve Japonya'yı kapsıyor ve reaktörün kendisi 2007'den bu yana Fransız topraklarında inşa ediliyor, ancak tarihi çok daha derinlere gidiyor: Reagan ve Gorbaçov, reaktörün kurulması konusunda 2007'de anlaştılar. 1985. Reaktör, plazmanın manyetik alanlar tarafından tutulduğu bir "çörek" olan toroidal bir odadır, bu yüzden buna tokamak denir - O yuvarlak ka ile ölçmek anneçürük İle atushki. Reaktör, hidrojen izotopları olan döteryum ve trityumun füzyonu yoluyla enerji üretecek.

ITER'in tükettiğinden 10 kat daha fazla enerji alması planlanıyor ancak bu yakın zamanda gerçekleşmeyecek. Başlangıçta reaktörün 2020 yılında deneysel modda çalışmaya başlaması planlanıyordu ancak daha sonra bu tarih 2025 yılına ertelendi. Aynı zamanda endüstriyel enerji üretimi en erken 2060 yılında başlayacak ve bu teknolojinin ancak 21. yüzyılın sonlarında yaygınlaşmasını bekleyebiliriz.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X, en büyük yıldız tipi füzyon reaktörüdür. Yıldızlaştırıcı, tokamakların başına dert olan, plazmanın torusun merkezinden duvarlarına "yayılması" sorununu çözüyor. Tokamak'ın manyetik alanın gücü nedeniyle başa çıkmaya çalıştığı şeyi, yıldızlaştırıcı karmaşık şekli nedeniyle çözüyor: Plazmayı tutan manyetik alan, yüklü parçacıkların ilerlemesini durdurmak için bükülüyor.

Wendelstein 7-X, yaratıcılarının umduğu gibi, 21'te yarım saat çalışabilecek ve bu da benzer bir tasarıma sahip termonükleer istasyonlar fikrine "hayata bir bilet" verecek.

Ulusal Ateşleme Tesisi

Başka bir reaktör türü, yakıtı sıkıştırmak ve ısıtmak için güçlü lazerler kullanır. Ne yazık ki, termonükleer enerji üreten en büyük lazer tesisi olan Amerikan NIF, tükettiğinden daha fazla enerji üretemedi.

Tüm bu projelerden hangisinin gerçekten başarılı olacağını ve hangisinin NIF ile aynı kaderi paylaşacağını tahmin etmek zor. Yapabileceğimiz tek şey beklemek, umut etmek ve haberleri takip etmek: 2020'ler nükleer enerji için ilginç bir dönem olacağa benziyor.

“Nükleer Teknolojiler” okul çocukları için NTI Olimpiyatlarının profillerinden biridir.