Mówimy, że włożymy słońce do pudełka. Pomysł jest ładny. Problem w tym, że nie wiemy, jak to zrobić zrobić skrzynka.

Pierre-Gilles de Gennes
Francuski laureat Nagrody Nobla

Wszystkie urządzenia i maszyny elektroniczne potrzebują energii, a ludzkość zużywa jej dużo. Jednak paliwa kopalne się wyczerpują, a energia alternatywna nie jest jeszcze wystarczająco skuteczna.
Istnieje metoda pozyskiwania energii, która idealnie spełnia wszystkie wymagania - Fuzja termojądrowa. Reakcja termo fuzja jądrowa(przemiana wodoru w hel i uwolnienie energii) stale zachodzi na Słońcu i proces ten daje planecie energię w postaci promienie słoneczne. Wystarczy to naśladować na Ziemi, na mniejszą skalę. Wystarczy zapewnić wysokie ciśnienie i bardzo wysoką temperaturę (10 razy wyższą niż na Słońcu), a reakcja termojądrowa zostanie uruchomiona. Aby stworzyć takie warunki, trzeba zbudować reaktor termojądrowy. Wykorzysta większe zasoby Ziemi, będzie bezpieczniejsza i potężniejsza niż konwencjonalne elektrownie jądrowe. Próby jego zbudowania i eksperymenty trwały od ponad 40 lat. W ostatnie lata na jednym z prototypów udało się nawet uzyskać więcej energii, niż zużyto. Poniżej przedstawiono najbardziej ambitne projekty w tym obszarze:

Projekty rządowe

Największą uwagę opinii publicznej przykuł ostatnio inny projekt reaktora termojądrowego – stellarator Wendelstein 7-X (stellarator ma bardziej złożoną strukturę wewnętrzną niż ITER, czyli tokamak). Wydając nieco ponad 1 miliard dolarów, niemieccy naukowcy do 2015 roku zbudowali pomniejszony model demonstracyjny reaktora w ciągu 9 lat. Jeśli będzie wykazywać dobre wyniki, zostanie zbudowana większa wersja.

Francuski laser MegaJoule będzie najpotężniejszym laserem na świecie i będzie stanowić próbę udoskonalenia opartej na laserze metody budowy reaktora termojądrowego. Uruchomienie francuskiej instalacji planowane jest na rok 2018.

NIF (National Ignition Facility) budowano w USA przez 12 lat i do 2012 roku za 4 miliardy dolarów. Spodziewano się przetestować technologię, a następnie od razu zbudować reaktor, ale okazało się, że – jak podaje Wikipedia – potrzeba znacznych prac, aby system kiedykolwiek osiągnie zapłon. W rezultacie wspaniałe plany zostały anulowane, a naukowcy zaczęli stopniowo udoskonalać laser. Ostatnim wyzwaniem jest podniesienie efektywności przesyłu energii z 7% do 15%. W przeciwnym razie finansowanie Kongresu dla tej metody osiągnięcia syntezy może ustać.

Pod koniec 2015 roku w Sarowie rozpoczęła się budowa budynku najpotężniejszej na świecie instalacji laserowej. Będzie potężniejszy od obecnych amerykańskich i przyszłych francuskich oraz umożliwi prowadzenie eksperymentów niezbędnych do zbudowania „laserowej” wersji reaktora. Zakończenie budowy w 2020 roku.

Znajdujący się w USA laser fuzyjny MagLIF jest uznawany za czarnego konia wśród metod osiągnięcia syntezy termojądrowej. Ta metoda dała ostatnio lepsze niż oczekiwano wyniki, ale moc nadal wymaga zwiększenia 1000-krotnego. Laser jest obecnie w fazie modernizacji i do 2018 roku naukowcy mają nadzieję otrzymać taką samą ilość energii, jaką zużyli. Jeśli się powiedzie, zostanie zbudowana większa wersja.

Rosyjski Instytut Fizyki Jądrowej wytrwale eksperymentował z metodą „otwartej pułapki”, którą Stany Zjednoczone porzuciły w latach 90. W rezultacie uzyskano wskaźniki, które uznano za niemożliwe dla tej metody. Naukowcy BINP uważają, że ich instalacja jest obecnie na poziomie niemieckiego Wendelsteina 7-X (Q=0,1), ale jest tańsza. Teraz budują nową instalację za 3 miliardy rubli

Szef Instytutu Kurczatowa nieustannie przypomina o planach budowy małego reaktora termojądrowego w Rosji - Ignitor. Według planu ma być równie skuteczny jak ITER, choć mniejszy. Jego budowę należało rozpocząć już 3 lata temu, ale taka sytuacja jest typowa dla dużych projektów naukowych.

Na początku 2016 roku chiński tokamak EAST zdołał osiągnąć temperaturę 50 milionów stopni i utrzymać ją przez 102 sekundy. Zanim rozpoczęła się budowa ogromnych reaktorów i laserów, wszystkie wiadomości na temat syntezy termojądrowej były takie. Można by pomyśleć, że to tylko rywalizacja naukowców o to, kto dłużej utrzyma coraz wyższą temperaturę. Im wyższa jest temperatura plazmy i im dłużej można ją utrzymać, tym bliżej jesteśmy początku reakcji termojądrowej. Takich instalacji jest na świecie kilkadziesiąt, w budowie jest jeszcze kilka () (), więc rekord WSCHODU wkrótce zostanie pobity. Zasadniczo te małe reaktory służą jedynie do testowania sprzętu przed wysłaniem do ITER.

Lockheed Martin ogłosił w 2015 roku przełom w energii termojądrowej, który umożliwi mu zbudowanie małego i mobilnego reaktora termojądrowego w ciągu 10 lat. Biorąc pod uwagę, że nawet bardzo dużych i wcale nie mobilnych reaktorów komercyjnych spodziewano się dopiero w 2040 roku, zapowiedź koncernu spotkała się ze sceptycyzmem. Ale firma ma dużo zasobów, więc kto wie. Prototyp ma powstać w 2020 roku.

Popularny startup z Doliny Krzemowej Helion Energy ma swój własny, unikalny plan osiągnięcia syntezy termojądrowej. Firma zebrała ponad 10 milionów dolarów i planuje stworzyć prototyp do 2019 roku.

Niskoprofilowy startup Tri Alpha Energy osiągnął ostatnio imponujące wyniki w promowaniu swojej metody syntezy jądrowej (teoretycy opracowali ponad 100 teoretycznych sposobów osiągnięcia fuzji, tokamak jest po prostu najprostszy i najpopularniejszy). Firma zebrała także ponad 100 milionów dolarów funduszy inwestorów.

Projekt reaktora kanadyjskiego startupu General Fusion jeszcze bardziej różni się od pozostałych, ale deweloperzy są co do niego pewni i w ciągu 10 lat zebrali ponad 100 milionów dolarów na budowę reaktora do 2020 roku.

Utworzony w 2014 r. brytyjski start-up First Light ma najbardziej dostępną stronę internetową i ogłosił plany wykorzystania najnowszych danych naukowych w celu osiągnięcia syntezy jądrowej niższym kosztem.

Naukowcy z MIT napisali artykuł opisujący kompaktowy reaktor termojądrowy. Opierają się na nowych technologiach, które pojawiły się po rozpoczęciu budowy gigantycznych tokamaków i obiecują ukończenie projektu w ciągu 10 lat. Nie wiadomo jeszcze, czy dostaną zielone światło na rozpoczęcie budowy. Nawet jeśli zostanie zatwierdzony, artykuł w magazynie jest jeszcze wcześniejszym etapem niż start-up

Synteza jądrowa to być może najmniej odpowiednia branża do finansowania społecznościowego. Ale to z jego pomocą, a także przy wsparciu NASA, firma Lawrenceville Plasma Physics zamierza zbudować prototyp swojego reaktora. Ze wszystkich trwających projektów ten najbardziej przypomina oszustwo, ale kto wie, może wniosą coś przydatnego do tej wspaniałej pracy.

ITER będzie jedynie prototypem do budowy pełnoprawnej instalacji DEMO – pierwszego komercyjnego reaktora termojądrowego. Jego uruchomienie zaplanowano obecnie na rok 2044 i jest to w dalszym ciągu optymistyczna prognoza.

Ale są plany na kolejny etap. Hybrydowy reaktor termojądrowy będzie otrzymywać energię zarówno z rozpadu atomu (jak konwencjonalna elektrownia jądrowa), jak i syntezy jądrowej. W tej konfiguracji energia może być 10 razy większa, ale bezpieczeństwo jest mniejsze. Chiny mają nadzieję zbudować prototyp do 2030 r., ale eksperci twierdzą, że byłoby to jak próba zbudowania samochodów hybrydowych przed wynalezieniem silnika spalinowego.

Konkluzja

Chętnych do sprowadzenia na świat nowego źródła energii nie brakuje. Najlepsze szanse Projekt ITER to ma, biorąc pod uwagę jego skalę i finansowanie, ale nie należy lekceważyć innych metod, a także projektów prywatnych. Naukowcy od dziesięcioleci pracowali nad wywołaniem reakcji termojądrowej bez większego powodzenia. Ale teraz jest więcej projektów mających na celu osiągnięcie reakcji termojądrowej niż kiedykolwiek wcześniej. Nawet jeśli każde z nich zakończy się niepowodzeniem, zostaną podjęte nowe próby. Jest mało prawdopodobne, że odpoczniemy, dopóki nie rozświetlimy miniaturowej wersji Słońca tutaj, na Ziemi.

Tagi: Dodaj tagi

Obecnie wiele krajów bierze udział w badaniach termojądrowych. Liderami są Unia Europejska, Stany Zjednoczone, Rosja i Japonia, natomiast programy w Chinach, Brazylii, Kanadzie i Korei szybko się rozwijają. Początkowo z rozwojem kojarzono reaktory termojądrowe w USA i ZSRR broń nuklearna i pozostał tajemnicą aż do konferencji „Atomy dla Pokoju”, która odbyła się w Genewie w 1958 r. Po stworzeniu radzieckiego tokamaka badania nad syntezą jądrową stały się w latach 70. „wielką nauką”. Jednak koszt i złożoność urządzeń wzrosły do ​​tego stopnia, że ​​jedynym rozwiązaniem stała się współpraca międzynarodowa.

Reaktory termojądrowe na świecie

Od lat 70. komercyjne wykorzystanie energii termojądrowej jest stale opóźniane o 40 lat. Jednak w ostatnich latach wydarzyło się wiele, co mogło spowodować skrócenie tego okresu.

Zbudowano kilka tokamaków, w tym europejski JET, brytyjski MAST i eksperymentalny reaktor termojądrowy TFTR w Princeton w USA. Międzynarodowy projekt ITER jest obecnie w budowie w Cadarache we Francji. Będzie to największy tokamak, kiedy zacznie działać w 2020 roku. W 2030 roku Chiny zbudują CFETR, który przewyższy ITER. Tymczasem Chiny prowadzą badania nad eksperymentalnym nadprzewodzącym tokamakiem EAST.

Wśród badaczy popularny jest także inny rodzaj reaktorów termojądrowych, stellatory. Jeden z największych, LHD, rozpoczął pracę w Japońskim Instytucie Narodowym w 1998 roku. Służy do znalezienia najlepszej konfiguracji magnetycznej do zamknięcia plazmy. Niemiecki Instytut Maxa Plancka prowadził badania w reaktorze Wendelstein 7-AS w Garching w latach 1988-2002, a obecnie w reaktorze Wendelstein 7-X, którego budowa trwała ponad 19 lat. W Madrycie w Hiszpanii działa inny stellarator TJII. W USA Princeton Laboratory (PPPL), które zbudowało pierwszy tego typu reaktor termojądrowy w 1951 r., wstrzymało budowę NCSX w 2008 r. ze względu na przekroczenie kosztów i brak funduszy.

Ponadto poczyniono znaczne postępy w badaniach nad syntezą inercyjną. Budowa wartego 7 miliardów dolarów National Ignition Facility (NIF) w Livermore National Laboratory (LLNL), ufundowana przez Krajową Administrację Bezpieczeństwa Jądrowego, została ukończona w marcu 2009 roku. Francuski Laser Mégajoule (LMJ) rozpoczął działalność w październiku 2014 roku. Reaktory termojądrowe wykorzystują lasery dostarczające około 2 milionów dżuli energii świetlnej w ciągu kilku miliardowych części sekundy do celu o wielkości kilku milimetrów, aby wywołać reakcję syntezy jądrowej. Podstawową misją NIF i LMJ są badania wspierające krajowe wojskowe programy nuklearne.

ITER

W 1985 r Związek Radziecki zaproponował budowę tokamaka nowej generacji wspólnie z Europą, Japonią i USA. Prace prowadzono pod patronatem MAEA. W latach 1988–1990 powstały pierwsze projekty Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego ITER, co po łacinie oznacza także „ścieżkę” lub „podróż”, aby udowodnić, że synteza termojądrowa może wytworzyć więcej energii, niż pochłonęła. W spotkaniu uczestniczyły także Kanada i Kazachstan, za pośrednictwem odpowiednio Euratomu i Rosji.

Sześć lat później zarząd ITER zatwierdził pierwszy kompleksowy projekt reaktora oparty na ustalonej fizyce i technologii, kosztujący 6 miliardów dolarów. Następnie z konsorcjum wycofały się Stany Zjednoczone, co zmusiło je do zmniejszenia o połowę kosztów i zmiany projektu. W rezultacie powstał ITER-FEAT, który kosztuje 3 miliardy dolarów, ale zapewnia samowystarczalną reakcję i dodatni bilans mocy.

W 2003 roku do konsorcjum ponownie dołączyły Stany Zjednoczone, a Chiny ogłosiły chęć udziału. W rezultacie w połowie 2005 roku partnerzy zgodzili się na budowę ITER w Cadarache na południu Francji. UE i Francja wniosły połowę z 12,8 miliarda euro, podczas gdy Japonia, Chiny, Korea Południowa, USA i Rosja - po 10%. Japonia dostarczyła zaawansowane technologicznie komponenty, utrzymała obiekt IFMIF o wartości 1 miliarda euro przeznaczony do testowania materiałów i miała prawo zbudować kolejny reaktor testowy. Całkowity koszt ITER obejmuje połowę kosztów 10 lat budowy i połowę kosztów 20 lat eksploatacji. Pod koniec 2005 roku Indie zostały siódmym członkiem ITER.

Eksperymenty z wykorzystaniem wodoru mają się rozpocząć w 2018 r., aby uniknąć aktywacji magnesów. Korzystanie z D-T plazmy nie należy spodziewać się wcześniej niż w 2026 r.

Celem ITER jest wygenerowanie 500 MW (co najmniej przez 400 s) przy użyciu mniej niż 50 MW mocy wejściowej bez wytwarzania energii elektrycznej.

Elektrownia demonstracyjna Demo o mocy dwóch gigawatów będzie na bieżąco produkować na dużą skalę. Projekt koncepcyjny Demo zostanie ukończony do 2017 roku, a budowa rozpocznie się w 2024 roku. Premiera nastąpi w 2033 roku.

STRUMIEŃ

W 1978 r. UE (Euratom, Szwecja i Szwajcaria) rozpoczęła w Wielkiej Brytanii wspólny europejski projekt JET. JET jest dziś największym działającym tokamakiem na świecie. Podobny reaktor JT-60 działa w Japońskim Narodowym Instytucie Fuzji, ale tylko JET może wykorzystywać paliwo deuterowo-trytowe.

Reaktor został uruchomiony w 1983 roku i stał się pierwszym eksperymentem, w wyniku którego w listopadzie 1991 roku uzyskano kontrolowaną syntezę termojądrową o mocy do 16 MW na sekundę i 5 MW mocy stabilnej na plazmie deuterowo-trytowej. Przeprowadzono wiele eksperymentów w celu zbadania różnych schematów ogrzewania i innych technik.

Dalsze ulepszenia JET obejmują zwiększenie jego mocy. Kompaktowy reaktor MAST powstaje wspólnie z JET i stanowi część projektu ITER.

K-STAR

K-STAR to koreański tokamak nadprzewodzący z Narodowego Instytutu Badań nad Fuzją (NFRI) w Daejeon, który wyprodukował pierwszą plazmę w połowie 2008 roku. ITER, będący efektem współpracy międzynarodowej. Tokamak o promieniu 1,8 m jest pierwszym reaktorem, w którym zastosowano magnesy nadprzewodzące Nb3Sn, te same, które zaplanowano w ITER. W pierwszej fazie, zakończonej do 2012 r., projekt K-STAR musiał udowodnić wykonalność podstawowych technologii i uzyskać impulsy plazmowe trwające do 20 sekund. W drugim etapie (2013-2017) jest modernizowany w celu badania długich impulsów do 300 s w trybie H i przejścia na wysokowydajny tryb AT. Celem trzeciej fazy (2018-2023) jest osiągnięcie wysokiej produktywności i efektywności w trybie długoimpulsowym. W IV etapie (2023-2025) testowane będą technologie DEMO. Urządzenie nie obsługuje trytu i Paliwo D-T nie używa.

K-DEMO

Opracowany we współpracy z Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton (PPPL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i NFRI w Korei Południowej, K-DEMO ma stanowić kolejny krok w rozwoju reaktora komercyjnego po ITER i będzie pierwszą elektrownią zdolną do wytwarzania energii w sieci elektrycznej, czyli 1 milion kW w ciągu kilku tygodni. Będzie miał średnicę 6,65 m i będzie wyposażony w moduł strefy reprodukcyjnej powstały w ramach projektu DEMO. Koreańskie Ministerstwo Edukacji, Nauki i Technologii planuje zainwestować w niego około biliona wonów koreańskich (941 milionów dolarów).

WSCHÓD

Chiński eksperymentalny zaawansowany tokamak nadprzewodzący (EAST) w Instytucie Fizyki Chin w Hefei wytworzył plazmę wodorową o temperaturze 50 milionów °C i utrzymywał ją przez 102 sekundy.

TFTR

W amerykańskim laboratorium PPPL eksperymentalny reaktor termojądrowy TFTR działał od 1982 do 1997 roku. W grudniu 1993 roku TFTR stał się pierwszym tokamakiem magnetycznym, który przeprowadził szeroko zakrojone eksperymenty z plazmą deuterowo-trytową. W przyszły rok reaktor wytworzył rekordową wówczas moc 10,7 MW, a w 1995 r. osiągnięto rekord temperatury 510 mln °C. Obiekt nie osiągnął jednak progu rentowności energii termojądrowej, ale z powodzeniem spełnił cele projektowe sprzętu, wnosząc znaczący wkład w rozwój ITER.

LHD

Największym gwiazdorem na świecie był LHD w Japońskim Narodowym Instytucie Fuzji w Toki w prefekturze Gifu. Reaktor termojądrowy został uruchomiony w 1998 r. i wykazał właściwości zatrzymywania plazmy porównywalne z innymi dużymi obiektami. Osiągnięto temperaturę jonów 13,5 keV (około 160 milionów °C) i energię 1,44 MJ.

Wendelsteina 7-X

Po roku testów, które rozpoczęły się pod koniec 2015 r., temperatura helu na krótko osiągnęła 1 milion °C. W 2016 roku reaktor termojądrowy z plazmą wodorową o mocy 2 MW osiągnął temperaturę 80 milionów °C w ciągu kwadransa. W7-X jest największym stellaratorem na świecie i planuje się, że będzie działał nieprzerwanie przez 30 minut. Koszt reaktora wyniósł 1 miliard euro.

NIF

Prace nad National Ignition Facility (NIF) w Livermore National Laboratory (LLNL) zostały ukończone w marcu 2009 roku. Wykorzystując 192 wiązki laserowe, NIF jest w stanie skoncentrować 60 razy więcej energii niż jakikolwiek poprzedni system laserowy.

Zimna fuzja

W marcu 1989 roku dwóch badaczy, Amerykanin Stanley Pons i Brytyjczyk Martin Fleischman, ogłosiło, że uruchomili prosty, stołowy reaktor termojądrowy pracujący w temperaturze pokojowej. Proces polegał na elektrolizie ciężkiej wody przy użyciu elektrod palladowych, na których zatężono jądra deuteru do dużej gęstości. Naukowcy twierdzą, że wytworzyło się ciepło, które można wytłumaczyć jedynie procesami jądrowymi, a także powstały produkty uboczne syntezy jądrowej, w tym hel, tryt i neutrony. Jednak innym eksperymentatorom nie udało się powtórzyć tego eksperymentu. Większość społeczności naukowej nie wierzy w realność reaktorów zimnej syntezy.

Reakcje jądrowe niskoenergetyczne

Zapoczątkowane twierdzeniami o „zimnej syntezie”, badania w dziedzinie niskich energii są kontynuowane z pewnym poparciem empirycznym, ale bez ogólnie przyjętego wyjaśnienia naukowego. Najwyraźniej do tworzenia i wychwytywania neutronów wykorzystuje się słabe oddziaływania jądrowe (a nie potężną siłę, jak w przypadku ich syntezy). Eksperymenty polegają na przejściu wodoru lub deuteru przez warstwę katalityczną i reakcji z metalem. Naukowcy donoszą o zaobserwowanym uwolnieniu energii. Głównym praktycznym przykładem jest oddziaływanie wodoru ze sproszkowanym niklem, uwalniające ciepło w ilości większej niż jakakolwiek reakcja chemiczna może wytworzyć.

Niedawno w Moskiewskim Instytucie Fizyki i Technologii odbyła się rosyjska prezentacja projektu ITER, w ramach którego planowane jest stworzenie reaktora termojądrowego działającego na zasadzie tokamaka. Grupa naukowców z Rosji opowiedziała o międzynarodowym projekcie i udziale rosyjskich fizyków w powstaniu tego obiektu. Lenta.ru wzięła udział w prezentacji ITER i rozmawiała z jednym z uczestników projektu.

ITER (ITER, Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny) to projekt reaktora termojądrowego, który umożliwia demonstrację i badanie technologii termojądrowych w celu ich dalszego wykorzystania do celów pokojowych i komercyjnych. Twórcy projektu wierzą, że kontrolowana synteza termojądrowa może stać się energią przyszłości i stanowić alternatywę dla współczesnego gazu, ropy i węgla. Naukowcy zwracają uwagę na bezpieczeństwo, przyjazność dla środowiska i dostępność technologii ITER w porównaniu z energią konwencjonalną. Złożoność projektu jest porównywalna z Wielkim Zderzaczem Hadronów; Instalacja reaktora obejmuje ponad dziesięć milionów elementów konstrukcyjnych.

O ITERze

Magnesy toroidalne tokamaków wymagają 80 tysięcy kilometrów włókien nadprzewodzących; ich łączna waga sięga 400 ton. Sam reaktor będzie ważył około 23 tys. ton. Dla porównania waga Wieży Eiffla w Paryżu wynosi zaledwie 7,3 tys. ton. Objętość plazmy w tokamaku wyniesie 840 metrów sześciennych, podczas gdy np. w największym tego typu reaktorze pracującym w Wielkiej Brytanii – JET – objętość ta wyniesie sto metrów sześciennych.

Wysokość tokamaka wyniesie 73 metry, z czego 60 metrów nad ziemią i 13 metrów pod nią. Dla porównania wysokość Wieży Spasskiej na Kremlu moskiewskim wynosi 71 metrów. Główna platforma reaktora zajmie powierzchnię 42 hektarów, co jest porównywalne z powierzchnią 60 boisk piłkarskich. Temperatura w plazmie tokamaka osiągnie 150 milionów stopni Celsjusza, czyli dziesięciokrotnie więcej niż temperatura w centrum Słońca.

W budowę ITER w drugiej połowie 2010 roku planuje się zaangażować jednocześnie do pięciu tysięcy osób – będą to zarówno robotnicy i inżynierowie, jak i pracownicy administracyjni. Wiele elementów ITER zostanie przetransportowanych z portu w pobliżu Morza Śródziemnego specjalnie wybudowaną drogą o długości około 104 kilometrów. W szczególności przewożony będzie nim najcięższy fragment instalacji, którego masa wyniesie ponad 900 ton, a długość wyniesie około dziesięciu metrów. Z placu budowy instalacji ITER wywiezionych zostanie ponad 2,5 mln metrów sześciennych ziemi.

Całkowity koszt prac projektowych i budowlanych szacowany jest na 13 miliardów euro. Fundusze te rozdzielane są przez siedmiu głównych uczestników projektu, reprezentujących interesy 35 krajów. Dla porównania całkowite koszty budowy i utrzymania Wielkiego Zderzacza Hadronów są prawie o połowę mniejsze, a budowa i utrzymanie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej kosztuje prawie półtora raza więcej.

Tokamak

Dziś na świecie istnieją dwa obiecujące projekty reaktorów termojądrowych: tokamak ( To androidalny ka mierzyć z mama zgniły Do atushki) i stellarator. W obu instalacjach zawarta jest plazma pole magnetyczne natomiast w tokamaku ma ono postać toroidalnego sznura, przez który przepływa prąd elektryczny, natomiast w stellaratorze pole magnetyczne indukowane jest przez cewki zewnętrzne. W reaktorach termojądrowych zachodzą reakcje syntezy pierwiastków ciężkich z lekkich (hel z izotopów wodoru – deuteru i trytu), w przeciwieństwie do reaktorów konwencjonalnych, gdzie inicjowane są procesy rozpadu ciężkich jąder na lżejsze.

Zdjęcie: Narodowe Centrum Badawcze „Instytut Kurczatowa” / nrcki.ru

Prąd elektryczny w tokamaku służy również do wstępnego podgrzania plazmy do temperatury około 30 milionów stopni Celsjusza; dalsze ogrzewanie odbywa się za pomocą specjalnych urządzeń.

Teoretyczny projekt tokamaka zaproponowali w 1951 roku radzieccy fizycy Andriej Sacharow i Igor Tamm, a pierwszą instalację zbudowano w ZSRR w 1954 roku. Naukowcom nie udało się jednak długo utrzymać plazmy w stanie ustalonym i już w połowie lat 60. XX w. świat był przekonany, że kontrolowana fuzja termojądrowa w oparciu o tokamak jest niemożliwa.

Ale już trzy lata później w instalacji T-3 w Instytucie Energii Atomowej Kurczatowa pod kierownictwem Lwa Artsimowicza udało się podgrzać plazmę do temperatury ponad pięciu milionów stopni Celsjusza i utrzymać ją przez krótki czas czas; Obecni na eksperymencie naukowcy z Wielkiej Brytanii zanotowali na swoim sprzęcie temperaturę około dziesięciu milionów stopni. Potem rozpoczął się prawdziwy rozkwit tokamaków na świecie, dzięki czemu na świecie powstało około 300 instalacji, z czego największe znajdują się w Europie, Japonii, USA i Rosji.

Zdjęcie: Rfassbind/wikipedia.org

Zarządzanie ITERem

Jaka jest podstawa pewności, że ITER będzie operacyjny za 5–10 lat? Na jakich praktycznych i teoretycznych osiągnięciach?

Po stronie rosyjskiej wywiązujemy się z założonego harmonogramu prac i nie zamierzamy go łamać. Niestety, widzimy pewne opóźnienia w pracach prowadzonych przez innych, głównie w Europie; W Ameryce występuje częściowe opóźnienie i istnieje tendencja, że ​​projekt będzie nieco opóźniony. Zatrzymany, ale nie zatrzymany. Jest pewność, że to się uda. Sama koncepcja projektu jest całkowicie teoretyczna i praktycznie obliczona i rzetelna, więc myślę, że się sprawdzi. Czy w pełni da deklarowane rezultaty...poczekamy, zobaczymy.

Czy projekt ma raczej charakter badawczy?

Z pewnością. Podany wynik nie jest wynikiem uzyskanym. Jeśli otrzymam ją w całości, będę niezwykle szczęśliwy.

Jakie nowe technologie pojawiły się, pojawiają się lub pojawią się w projekcie ITER?

Projekt ITER to nie tylko niezwykle złożony, ale także niezwykle stresujący projekt. Stresujące pod względem obciążenia energetycznego, warunków pracy poszczególnych elementów, w tym naszych systemów. Dlatego w tym projekcie po prostu muszą narodzić się nowe technologie.

Czy jest przykład?

Przestrzeń. Na przykład nasze wykrywacze diamentów. Omówiliśmy możliwość zastosowania naszych detektorów diamentów w kosmicznych ciężarówkach, czyli pojazdach nuklearnych przewożących z orbity na orbitę określone obiekty takie jak satelity czy stacje. Istnieje taki projekt ciężarówki kosmicznej. Ponieważ jest to urządzenie z reaktorem jądrowym na pokładzie, trudne warunki pracy wymagają analizy i kontroli, więc nasze detektory z łatwością sobie z tym poradzą. Na chwilę obecną temat stworzenia takiej diagnostyki nie jest jeszcze sfinansowany. Jeśli zostanie stworzony, można go zastosować i wtedy nie będzie potrzeby inwestowania w niego pieniędzy na etapie rozwoju, a dopiero na etapie rozwoju i wdrożenia.

Jaki jest udział współczesnego rozwoju Rosji z lat 2000 i 90. w porównaniu z rozwojem Związku Radzieckiego i Zachodu?

Udział rosyjskiego wkładu naukowego w ITER w porównaniu do światowego jest bardzo duży. Nie wiem dokładnie, ale jest to bardzo istotne. Jest to wyraźnie nie mniej niż rosyjski procent udziału finansowego w projekcie, ponieważ ma to miejsce wiele innych zespołów duża liczba Rosjanie, którzy wyjechali za granicę, aby pracować w innych instytutach. W Japonii i Ameryce, wszędzie bardzo dobrze się z nimi komunikujemy i współpracujemy, niektórzy z nich reprezentują Europę, niektórzy reprezentują Amerykę. Oprócz tego działają tam także szkoły naukowe. A co do tego, czy rozwijamy mniej więcej to, co robiliśmy wcześniej... Jeden z wielkich powiedział, że „stoimy na ramionach tytanów”, zatem baza, która została stworzona w czasach sowieckich, jest niezaprzeczalnie wielka i bez niej nie moglibyśmy nie jest niczym, czego nie moglibyśmy zrobić. Ale nawet w tej chwili nie stoimy w miejscu, jesteśmy w ruchu.

Czym dokładnie Twoja grupa zajmuje się w ITER?

Mam sektor w wydziale. Dział opracowuje kilka rodzajów diagnostyki; nasz sektor w szczególności opracowuje pionową komorę neutronową, diagnostykę neutronów ITER i rozwiązuje szeroki zakres problemów, od projektowania po produkcję, a także prowadzi powiązane prace badawcze związane z rozwojem, w szczególności diamentu detektory. Detektor diamentów to wyjątkowe urządzenie, oryginalnie stworzone w naszym laboratorium. Wcześniej używany w wielu instalacjach termojądrowych, obecnie jest dość szeroko stosowany w wielu laboratoriach od Ameryki po Japonię; Powiedzmy, że poszli za nami, ale my nadal pozostajemy na szczycie. Zajmujemy się obecnie produkcją wykrywaczy diamentów i osiągniemy poziom produkcji przemysłowej (produkcja na małą skalę).

W jakich branżach można zastosować te detektory?

W tym przypadku są to badania termojądrowe, zakładamy, że w przyszłości będzie na nie zapotrzebowanie w energetyce jądrowej.

Co dokładnie robią detektory, co mierzą?

Neutrony. Nie ma cenniejszego produktu niż neutron. Ty i ja również składamy się z neutronów.

Jakie cechy neutronów mierzą?

Widmowy. Po pierwsze, bezpośrednim zadaniem, jakie stoi przed ITERem, jest pomiar widm energii neutronów. Ponadto monitorują liczbę i energię neutronów. Drugie, dodatkowe zadanie dotyczy energetyki jądrowej: mamy równoległe opracowania, które pozwalają także mierzyć neutrony termiczne, będące podstawą reaktorów jądrowych. Jest to dla nas zadanie drugorzędne, ale też jest rozwijane, czyli możemy tu pracować i jednocześnie wprowadzać rozwiązania, które z powodzeniem można zastosować w energetyce jądrowej.

Jakie metody wykorzystujesz w swoich badaniach: teoretyczne, praktyczne, modelowanie komputerowe?

Wszyscy: od złożonej matematyki (metody fizyki matematycznej) i modelowania matematycznego po eksperymenty. Wszystkie rodzaje obliczeń, które przeprowadzamy, są potwierdzane i weryfikowane eksperymentalnie, ponieważ bezpośrednio dysponujemy laboratorium eksperymentalnym z kilkoma działającymi generatorami neutronów, na których testujemy opracowane przez nas systemy.

Czy masz działający reaktor w swoim laboratorium?

Nie reaktor, ale generator neutronów. Generator neutronów jest w rzeczywistości minimodelem omawianych reakcji termojądrowych. Tam wszystko jest takie samo, tylko proces jest tam nieco inny. Działa na zasadzie akceleratora – jest to wiązka określonych jonów, która trafia w cel. Oznacza to, że w przypadku plazmy mamy gorący obiekt, w którym każdy atom ma dużą energię, a w naszym przypadku specjalnie przyspieszony jon uderza w cel nasycony podobnymi jonami. W związku z tym następuje reakcja. Powiedzmy, że jest to jeden ze sposobów, w jaki możesz zrobić to samo reakcja termojądrowa; jedyne, co zostało udowodnione, to to, że ta metoda nie ma wysokiej wydajności, to znaczy nie uzyskasz dodatniej energii wyjściowej, ale otrzymasz samą reakcję - bezpośrednio obserwujemy tę reakcję oraz cząstki i wszystko, co w nią wchodzi .

Międzynarodowy projekt eksperymentalnego reaktora termojądrowego ITER rozpoczął się w 2007 roku. Znajduje się w Cadarache na południu Francji. Głównym zadaniem ITER, zdaniem pomysłodawców i realizatorów projektu, jest pokazanie możliwości komercyjnego wykorzystania syntezy termojądrowej.

ITER to strategiczna międzynarodowa inicjatywa naukowa; w jej realizacji uczestniczy ponad 30 krajów.

„Jesteśmy w samym sercu przyszłego reaktora termojądrowego. Waży tyle, co trzy wieże Eiffla i ma łączną powierzchnię 60 boisk piłkarskich” – relacjonuje dziennikarz euronews Claudio Rocco.

Reaktor termojądrowy lub toroidalna instalacja do przechowywania plazmy magnetycznej, inaczej zwana tokomakiem, tworzona jest w celu osiągnięcia warunków niezbędnych do zajścia kontrolowanej syntezy termojądrowej. Plazma w tokamaku jest utrzymywana nie przez ścianki komory, ale przez specjalnie wytworzone połączone pole magnetyczne - toroidalne pole zewnętrzne i poloidalne prądu płynącego przez przewód plazmowy. W porównaniu do innych instalacji, które wykorzystują pole magnetyczne do ograniczenia plazmy, zastosowanie prąd elektryczny to główna cecha tokamaka

Podczas przeprowadzania kontrolowanej syntezy termojądrowej w tokamaku zostaną użyte deuter i tryt.
Szczegóły można znaleźć w wywiadzie z dyrektorem generalnym ITER Bernardem Bigotem.

Jaka jest zaleta energii wytwarzanej w wyniku kontrolowanej syntezy jądrowej?

„Przede wszystkim w wykorzystaniu izotopów wodoru, który z kolei uważany jest za źródło niemal niewyczerpane: wodór występuje wszędzie, także w Oceanie Światowym. Dopóki zatem na Ziemi będzie woda, morska i słodka, paliwo do tokamaka będzie nam zapewnione – mówimy tu o milionach lat. Drugą zaletą jest to, że odpady radioaktywne mają dość krótki okres półtrwania: kilkaset lat w porównaniu z odpadami po syntezie jądrowej.

Fuzja termojądrowa jest kontrolowana i według Bernarda Bigota stosunkowo łatwo ją przerwać w razie wypadku. Odmienna sytuacja w podobnym przypadku powstaje w przypadku syntezy jądrowej.

Ogrzewając substancję, można osiągnąć reakcję jądrową. To właśnie związek między ogrzewaniem substancji a reakcją jądrową odzwierciedla termin „reakcja termojądrowa”.

Projektowanie komponentów tokamaka odbywa się dzięki wysiłkom krajów uczestniczących w ITER, a części i komponenty technologiczne tokamaka produkowane są w Japonii, Korei Południowej, Rosji, Chinach, USA i innych krajach. Konstruując tokamaka, bierze się pod uwagę prawdopodobieństwo różne typy Wypadki

Bernard Bigot: „Mimo to możliwy jest wyciek pierwiastków radioaktywnych. Niektóre przedziały nie będą wystarczająco uszczelnione. Ale ich liczba będzie minimalna, a dla osób mieszkających w pobliżu reaktora nie będzie większego zagrożenia dla zdrowia i życia”.

Projekt przewiduje jednak możliwość wystąpienia awarii i wycieku, w szczególności pomieszczenia, w których zachodzi synteza termojądrowa oraz pomieszczenia sąsiednie, zostaną wyposażone w specjalne szyby wentylacyjne, do których będą zasysane pierwiastki promieniotwórcze, aby zapobiec ich przedostawaniu się do atmosfery. wypuścić na zewnątrz.

„Nie sądzę, aby szacunki na poziomie około 16 miliardów euro nie wyglądały tak gigantycznie, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę koszt energii, która będzie tu produkowana. Co więcej, produkcja zajmuje dużo czasu, bardzo dużo czasu, więc wszystkie koszty będą uzasadnione nawet w średnim okresie” – podsumowuje Bernard Bigot.

Rosyjska NIIEFA poinformowała niedawno o pomyślnych testach pełnowymiarowego prototypu układu rezystorów gaszących do ochrony cewek nadprzewodzących, zaprojektowanego specjalnie dla ITER.

Natomiast uruchomienie całego kompleksu ITER w Cadarache we Francji planowane jest na 2020 rok.

Ludzkość stopniowo zbliża się do granicy nieodwracalnego wyczerpywania się zasobów węglowodorów Ziemi. Od prawie dwóch stuleci wydobywamy ropę, gaz i węgiel z wnętrzności planety i już jest jasne, że ich zasoby wyczerpują się w ogromnym tempie. Czołowe kraje świata od dawna myślą o stworzeniu nowego źródła energii, przyjaznego dla środowiska, bezpiecznego z punktu widzenia eksploatacji, posiadającego ogromne rezerwy paliwa.

Reaktor termojądrowy

Dziś dużo mówi się o wykorzystaniu tzw. alternatywnych rodzajów energii – źródeł odnawialnych w postaci fotowoltaiki, energetyki wiatrowej czy hydroenergetyki. Jest oczywiste, że kierunki te ze względu na swoje właściwości mogą pełnić jedynie rolę pomocniczych źródeł zaopatrzenia w energię.

Jako długoterminową perspektywę dla ludzkości można rozważać jedynie energię opartą na reakcjach jądrowych.

Z jednej strony coraz więcej państw wykazuje zainteresowanie budową reaktorów jądrowych na swoim terytorium. Jednak nadal palącym problemem energii jądrowej jest przetwarzanie i unieszkodliwianie odpadów radioaktywnych, co wpływa na wskaźniki ekonomiczne i środowiskowe. Już w połowie XX wieku czołowi fizycy świata w poszukiwaniu nowych rodzajów energii zwrócili się ku źródłu życia na Ziemi - Słońcu, w którego głębinach w temperaturze około 20 milionów stopni zachodzą reakcje synteza (fuzja) lekkich pierwiastków następuje wraz z wyzwoleniem kolosalnej energii.

Krajowi specjaliści najlepiej poradzili sobie z zadaniem opracowania obiektu do realizacji reakcji syntezy jądrowej w warunkach ziemskich. Wiedza i doświadczenie z zakresu kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF), zdobyte w Rosji, stały się podstawą projektu, który jest bez przesady energetyczną nadzieją ludzkości – Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ITER), który jest w fazie budowy. zbudowany w Cadarache (Francja).

Historia syntezy termojądrowej

Pierwsze badania termojądrowe rozpoczęły się w krajach pracujących nad programami obrony atomowej. Nie jest to zaskakujące, ponieważ u zarania ery atomowej głównym celem pojawienia się reaktorów plazmowych deuteru było badanie procesów fizycznych w gorącej plazmie, których wiedza była niezbędna między innymi do stworzenia broni termojądrowej . Według odtajnionych danych ZSRR i USA rozpoczęły działalność niemal jednocześnie w latach pięćdziesiątych. pracować na UTS. Ale jednocześnie tak jest dowody historyczne, że już w 1932 roku stary rewolucjonista i bliski przyjaciel przywódcy światowego proletariatu Nikołaja Bucharina, który w tym czasie piastował stanowisko przewodniczącego komitetu Najwyższej Rady Gospodarczej i śledził rozwój nauka radziecka, zaproponował uruchomienie w kraju projektu mającego na celu badanie kontrolowanych reakcji termojądrowych.

Historia radzieckiego projektu termojądrowego nie jest pozbawiona zabawnego faktu. przyszłości znany akademik a twórca bomby wodorowej, Andriej Dmitriewicz Sacharow, zainspirował się ideą magnetycznej izolacji termicznej plazmą wysokotemperaturową z listu żołnierskiego Armia Radziecka. W 1950 r. sierżant Oleg Ławrentiew, służący na Sachalinie, wysłał pismo do Komitetu Centralnego Ogólnozwiązkowej Partii Komunistycznej, w którym zaproponował wykorzystanie bomba wodorowa deuterku litu-6 zamiast skroplonego deuteru i trytu, a także stworzyć system z elektrostatycznym zamknięciem gorącej plazmy w celu kontrolowanej syntezy termojądrowej. List został zrecenzowany przez ówczesnego młodego naukowca Andrieja Sacharow, który w swojej recenzji napisał, że „uważa za konieczne szczegółowe omówienie projektu towarzysza Ławrientiewa”.

Już w październiku 1950 roku Andriej Sacharow i jego kolega Igor Tamm dokonali pierwszych szacunków dotyczących magnetycznego reaktora termojądrowego (MTR). Pierwsza instalacja toroidalna z silnym podłużnym polem magnetycznym, oparta na pomysłach I. Tamma i A. Sacharowa, została zbudowana w 1955 roku w LIPANIE. Nazywano go TMP – torus z polem magnetycznym. Kolejne instalacje nosiły już nazwę TOKAMAK, od połączenia początkowych sylab w wyrażeniu „CEWKA MAGNETYCZNA KOMORY TORIDALNEJ”. W swojej klasycznej wersji tokamak to toroidalna komora w kształcie pączka, umieszczona w toroidalnym polu magnetycznym. Od 1955 do 1966 r W Instytucie Kurchatova zbudowano 8 takich instalacji, na których przeprowadzono wiele różnych badań. Jeśli przed 1969 rokiem tokamak budowano poza ZSRR tylko w Australii, to w kolejnych latach budowano go w 29 krajach, w tym w USA, Japonii, krajach europejskich, Indiach, Chinach, Kanadzie, Libii, Egipcie. W sumie do tej pory zbudowano na świecie około 300 tokamaków, w tym 31 w ZSRR i Rosji, 30 w USA, 32 w Europie i 27 w Japonii. Tak naprawdę trzy kraje – ZSRR, Wielka Brytania i USA – zaangażowały się w niewypowiedzianą rywalizację o to, kto jako pierwszy okiełzna plazmę i faktycznie zacznie produkować energię „z wody”.

Najważniejszą zaletą reaktora termojądrowego jest zmniejszenie zagrożenia biologicznego promieniowaniem około tysiąckrotnie w porównaniu ze wszystkimi nowoczesnymi reaktorami jądrowymi.

Reaktor termojądrowy nie emituje CO2 i nie wytwarza „ciężkich” odpadów radioaktywnych. Reaktor ten można umieścić w dowolnym miejscu.

Krok pół wieku

W 1985 roku akademik Evgeniy Velikhov w imieniu ZSRR zaproponował naukowcom z Europy, USA i Japonii współpracę przy budowie reaktora termojądrowego, a już w 1986 roku w Genewie osiągnięto porozumienie w sprawie projektu instalacji, która później otrzymał nazwę ITER. W 1992 roku partnerzy podpisali czterostronne porozumienie w sprawie opracowania projektu technicznego reaktora. Zakończenie pierwszego etapu budowy zaplanowano na rok 2020, kiedy planowany jest odbiór pierwszej plazmy. W 2011 r. rozpoczęła się właściwa budowa obiektu ITER.

Konstrukcja ITER nawiązuje do klasycznego rosyjskiego tokamaka, opracowanego w latach 60. XX wieku. Planuje się, że w pierwszym etapie reaktor będzie pracował w trybie impulsowym z mocą reakcji termojądrowych 400–500 MW, w drugim etapie testowana będzie ciągła praca reaktora, a także układ reprodukcji trytu .

Nie bez powodu reaktor ITER nazywany jest energetyczną przyszłością ludzkości. Po pierwsze, jest największy na świecie projekt naukowy, bo na terenie Francji buduje go niemal cały świat: biorą w nim udział UE + Szwajcaria, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i USA. Umowę na budowę instalacji podpisano w 2006 roku. Kraje europejskie wnoszą około 50% finansowania projektu, Rosja przypada na około 10% całkowitej kwoty, która zostanie zainwestowana w postaci najnowocześniejszego sprzętu. Jednak najważniejszym wkładem Rosji jest sama technologia tokamaków, która stanowiła podstawę reaktora ITER.

Po drugie, będzie to pierwsza na dużą skalę próba wykorzystania reakcji termojądrowej zachodzącej na Słońcu do wytwarzania energii elektrycznej. Po trzecie, to praca naukowa powinno przynieść bardzo praktyczne rezultaty, a pod koniec stulecia świat oczekuje pojawienia się pierwszego prototypu komercyjnej elektrowni termojądrowej.

Naukowcy zakładają, że pierwsza plazma w międzynarodowym eksperymentalnym reaktorze termojądrowym zostanie wyprodukowana w grudniu 2025 roku.

Dlaczego dosłownie cała światowa społeczność naukowa zaczęła budować taki reaktor? Faktem jest, że wiele technologii, które mają zostać wykorzystane przy budowie ITER, nie należy do wszystkich krajów naraz. Jedno państwo, nawet najbardziej rozwinięte pod względem naukowym i technicznym, nie może od razu posiadać stu technologii na najwyższym światowym poziomie we wszystkich dziedzinach techniki wykorzystywanych w tak zaawansowanym technologicznie i przełomowym projekcie, jakim jest reaktor termojądrowy. Ale ITER składa się z setek podobnych technologii.

Rosja przewyższa światowy poziom w wielu technologiach syntezy termojądrowej. Ale na przykład japońscy naukowcy zajmujący się energią jądrową również mają wyjątkowe kompetencje w tej dziedzinie, które można zastosować w ITER.

Dlatego już na samym początku projektu kraje partnerskie doszły do ​​porozumienia co do tego, kto i co zostanie dostarczone na plac budowy i że nie powinna to być tylko współpraca inżynieryjna, ale szansa na otrzymanie przez każdego z partnerów nowych technologii od innych uczestników, aby w przyszłości samodzielnie je rozwijać.

Andrey Retinger, dziennikarz międzynarodowy