Reactorul termonuclear este viitorul energetic al omenirii. Reactoarele de fuziune: au viitor?

Centrală termonucleară.

În prezent, oamenii de știință lucrează la crearea unei centrale termonucleare, al cărei avantaj este acela de a oferi omenirii energie electrică pentru un timp nelimitat. O centrală termonucleară funcționează pe baza fuziunii termonucleare - o reacție de fuziune a izotopilor grei de hidrogen cu formarea heliului și eliberarea de energie. Reacția de fuziune nu produce deșeuri radioactive gazoase și lichide, nu produce plutoniu, care este utilizat pentru producere. arme nucleare. Dacă mai ținem cont de faptul că combustibilul pentru stațiile termonucleare va fi izotopul greu de hidrogen deuteriu, care se obține din apă plată - jumătate de litru de apă conține energie de fuziune echivalentă cu cea obținută prin arderea unui baril de benzină - atunci avantajele centralele electrice bazate pe reacţii termonucleare devin evidente .

În timpul unei reacții termonucleare, energia este eliberată atunci când atomii ușori se combină și îi transformă în alții mai grei. Pentru a realiza acest lucru, este necesar să încălziți gazul la o temperatură de peste 100 de milioane de grade - mult mai mare decât temperatura din centrul Soarelui.

Gazul la această temperatură se transformă în plasmă. În același timp, atomii de izotop de hidrogen se contopesc, transformându-se în atomi de heliu și neutroni și eliberând o cantitate mare de energie. O centrală electrică comercială care funcționează pe acest principiu ar folosi energia neutronilor moderată de un strat de materie densă (litiu).

În comparație cu o centrală nucleară, un reactor de fuziune va lăsa în urmă mult mai puține deșeuri radioactive.

Reactorul termonuclear internațional ITER

Membrii consorțiului internațional pentru construirea primului reactor de fuziune din lume, ITER, au semnat la Bruxelles un acord care lansează implementarea practică a proiectului.

Reprezentanții Uniunii Europene, SUA, Japonia, China, Coreea de Sud și Rusia intenționează să înceapă construcția reactorului experimental în 2007 și să îl finalizeze în opt ani. Dacă totul decurge conform planului, până în 2040 ar putea fi construită o centrală electrică demonstrativă care funcționează pe noul principiu.

Aș vrea să cred că epoca hidrocentralelor periculoase pentru mediu și a centralelor nucleare se va încheia în curând și va veni timpul pentru o nouă centrală - una termonucleară, al cărei proiect este deja în derulare. Dar, în ciuda faptului că proiectul ITER (International Thermonuclear Reactor) este aproape gata; în ciuda faptului că deja la primele reactoare termonucleare experimentale în funcțiune s-a obținut o putere care depășește 10 MW - nivelul primului centrale nucleare, prima centrală termonucleară va funcționa nu mai devreme de douăzeci de ani, deoarece costul ei este foarte mare. Costul lucrării este estimat la 10 miliarde de euro - acesta este cel mai scump proiect internațional de centrală electrică. Jumătate din costul construcției reactorului este acoperit de Uniunea Europeană. Alți membri ai consorțiului vor aloca 10% din buget.

Acum planul pentru construcția reactorului, care va deveni cel mai scump articulație proiect științific după aceea, parlamentarii țărilor participante la consorțiu trebuie să ratifice.

Reactorul va fi construit în provincia sud-franceză Provence, în vecinătatea orașului Cadarache, unde se află centrul francez de cercetare nucleară.

ITER - Reactor Termonuclear Internațional (ITER)

Consumul de energie al omenirii crește în fiecare an, ceea ce împinge sectorul energetic la o dezvoltare activă. Deci, odată cu apariția centralelor nucleare, cantitatea de energie generată în întreaga lume a crescut semnificativ, ceea ce a făcut posibilă utilizarea în siguranță a energiei pentru toate nevoile omenirii. De exemplu, 72,3% din energia electrică generată în Franța provine din centrale nucleare, în Ucraina - 52,3%, în Suedia - 40,0%, în Marea Britanie - 20,4%, în Rusia - 17,1%. Cu toate acestea, tehnologia nu stă pe loc și, pentru a satisface nevoile energetice ulterioare ale țărilor viitorului, oamenii de știință lucrează la o serie de proiecte inovatoare, dintre care unul este ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER, International Thermonuclear). Reactor experimental).

Deși profitabilitatea acestei instalații este încă sub semnul întrebării, conform muncii multor cercetători, crearea și dezvoltarea ulterioară a tehnologiei de fuziune termonucleară controlată poate avea ca rezultat o sursă de energie puternică și sigură. Luați în considerare câteva dintre aspectele pozitive ale unei astfel de instalări:

Combustibilul principal al unui reactor termonuclear este hidrogenul, ceea ce înseamnă rezerve practic inepuizabile de combustibil nuclear.
Producția de hidrogen poate avea loc prin procesarea apei de mare, care este disponibilă pentru majoritatea țărilor. Aceasta implică imposibilitatea apariției unui monopol al resurselor de combustibil.
Probabilitatea unei explozii accidentale în timpul funcționării unui reactor termonuclear este mult mai mică decât în timpul funcționării unui reactor nuclear. Potrivit cercetătorilor, chiar și în cazul unui accident, emisiile de radiații nu vor reprezenta un pericol pentru populație, ceea ce înseamnă că nu este nevoie de evacuare.
Spre deosebire de reactoarele nucleare, reactoarele de fuziune produc deșeuri radioactive care au un timp de înjumătățire scurt, ceea ce înseamnă că se descompun mai repede. De asemenea, în reactoarele termonucleare nu există produse de ardere.
Funcționarea unui reactor de fuziune nu necesită materiale care sunt folosite și pentru arme nucleare. Acest lucru face posibilă excluderea posibilității de acoperire a producției de arme nucleare prin prelucrarea materialelor pentru nevoile unui reactor nuclear.

Reactorul de fuziune - vedere în interior

Cu toate acestea, există și o serie de deficiențe tehnice pe care cercetătorii le întâmpină în mod constant.

De exemplu, versiunea actuală a combustibilului, prezentată sub formă de amestec de deuteriu și tritiu, necesită dezvoltarea de noi tehnologii. De exemplu, la sfârșitul primei serii de teste la JET, cel mai mare reactor de fuziune până în prezent, reactorul a devenit atât de radioactiv încât a fost necesară dezvoltarea ulterioară a unui sistem special de întreținere robotizată pentru a finaliza experimentul. Un alt factor dezamăgitor în funcționarea unui reactor termonuclear este eficiența acestuia - 20%, în timp ce eficiența centralelor nucleare este de 33-34%, iar centralele termice - 40%.

Crearea proiectului ITER și lansarea reactorului

Proiectul ITER a început în 1985 când Uniunea Sovietică a propus crearea comună a unui tokamak - o cameră toroidală cu bobine magnetice, care este capabilă să rețină plasma cu ajutorul magneților, creând astfel condițiile necesare pentru ca reacția de fuziune să poată continua. În 1992, a fost semnat un acord cvadripartit privind dezvoltarea ITER, părți la care erau UE, SUA, Rusia și Japonia. În 1994, Republica Kazahstan s-a alăturat proiectului, în 2001 - Canada, în 2003 - Coreea de Sudși China, în 2005 - India. În 2005, a fost stabilit locul pentru construcția reactorului - centrul de cercetare pentru energie nucleară Cadarache, Franța.

Construcția reactorului a început cu pregătirea unei gropi de fundație. Deci parametrii gropii au fost 130 x 90 x 17 metri. Întregul complex cu tokamak-ul va cântări 360.000 de tone, dintre care 23.000 de tone va fi tokamak-ul propriu-zis.

Diverse elemente ale complexului ITER vor fi dezvoltate și livrate pe șantier din întreaga lume. Deci, în 2016, o parte din conductorii pentru bobinele poloidale a fost dezvoltat în Rusia, care apoi a mers în China, care va produce ei înșiși bobinele.

Evident, o astfel de lucrare de amploare nu este deloc ușor de organizat, o serie de țări nu au reușit în mod repetat să țină pasul cu programul stabilit al proiectului, drept urmare lansarea reactorului a fost amânată constant. Deci, conform mesajului de anul trecut (2016) din iunie: „obținerea primei plasme este programată pentru decembrie 2025”.

Mecanismul de funcționare al tokamak-ului ITER

Termenul „tokamak” provine dintr-un acronim rusesc care înseamnă „camera toroidală cu bobine magnetice”.

Inima tokamak-ului este camera sa de vid în formă de torus. În interior, sub influența temperaturii și presiunii extreme, combustibilul cu hidrogen gazos devine o plasmă - un gaz fierbinte încărcat electric. După cum se știe, materia stelară este reprezentată de plasmă, iar reacțiile termonucleare din miezul Soarelui au loc tocmai în condiții de temperatură și presiune ridicate. Condiții similare pentru formarea, reținerea, compresia și încălzirea plasmei sunt create prin intermediul unor bobine magnetice masive, care sunt situate în jurul vasului de vid. Impactul magneților va limita plasma fierbinte de pe pereții vasului.

Înainte de începerea procesului, aerul și impuritățile sunt îndepărtate din camera de vid. Apoi se încarcă sisteme magnetice, care va ajuta la controlul plasmei, iar combustibilul gazos este introdus. Când un curent electric puternic trece prin vas, gazul este divizat electric și devine ionizat (adică electronii părăsesc atomii) și formează o plasmă.

Pe măsură ce particulele de plasmă sunt activate și se ciocnesc, ele încep și să se încălzească. Tehnicile auxiliare de încălzire ajută la aducerea plasmei la temperaturi de topire (150 până la 300 milioane °C). Particulele „excitate” în această măsură își pot depăși repulsia electromagnetică naturală atunci când se ciocnesc și, ca urmare a unor astfel de ciocniri, este eliberată o cantitate imensă de energie.

Designul tokamak-ului constă din următoarele elemente:

vas cu vid

("gogoșă") - o cameră toroidală din oțel inoxidabil. A ei diametru mare este de 19 m, mic - 6 m, iar înălțimea - 11 m. Volumul camerei este de 1.400 m 3, iar masa este mai mare de 5.000 de tone. Pereții vasului de vid sunt dubli, un lichid de răcire va circula între pereți , care va fi apă distilată. Pentru a evita poluarea apei, peretele interior al camerei este protejat de radiatii radioactive folosind o pătură.

Pătură

(„pătură”) – constă din 440 de fragmente de acoperire suprafata interioara camere de luat vederi. suprafata totala banchetul este de 700m 2 . Fiecare fragment este un fel de casetă, al cărei corp este din cupru, iar peretele frontal este detașabil și din beriliu. Parametrii casetelor sunt 1x1,5 m, iar masa nu este mai mare de 4,6 tone. Astfel de casete cu beriliu vor încetini neutronii de înaltă energie produși în timpul reacției. În timpul moderarii neutronilor, căldura va fi eliberată, care este îndepărtată de sistemul de răcire. Trebuie remarcat faptul că praful de beriliu generat ca urmare a funcționării reactorului poate provoca o boală gravă numită berilioză și are, de asemenea, un efect cancerigen. Din acest motiv, în complex se dezvoltă măsuri stricte de securitate.

Tokamak în secțiune. Galben - solenoid, portocaliu - magneți de câmp toroidal (TF) și câmp poloidal (PF), albastru - pătură, albastru deschis - VV - vas de vid, violet - divertor

(„scrumiera”) de tip poloidal este un dispozitiv a cărui sarcină principală este „curățarea” plasmei de murdăria rezultată din încălzirea și interacțiunea pereților camerei acoperiți cu o pătură cu aceasta. Atunci când astfel de contaminanți intră în plasmă, ei încep să radieze intens, în urma cărora apar pierderi suplimentare de radiații. Este situat în partea inferioară a tokomak-ului și cu ajutorul magneților direcționează straturile superioare ale plasmei (care sunt cele mai contaminate) în camera de răcire. Aici, plasma se răcește și se transformă într-un gaz, după care este pompată înapoi din cameră. Praful de beriliu, după ce intră în cameră, practic nu se poate întoarce înapoi în plasmă. Astfel, contaminarea cu plasmă rămâne doar la suprafață și nu pătrunde adânc.

Criostat

- cea mai mare componentă a tokomak-ului, care este o carcasă din oțel inoxidabil cu un volum de 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) și o masă de 3.850 tone. Alte elemente ale sistemului vor fi amplasate în interiorul criostatului și acesta însuși va servesc ca o barieră între tokamak și mediul extern. Pe pereții săi interiori vor exista scuturi termice răcite prin circularea azotului la o temperatură de 80 K (-193,15 °C).

Sistem magnetic

- un complex de elemente care servesc la continerea si controlul plasma in interiorul vasului cu vid. Este un set de 48 de elemente:

Bobinele de câmp toroidal sunt situate în afara camerei de vid și în interiorul criostatului. Prezentate în cantitate de 18 bucăți, fiecare măsoară 15 x 9 m și cântărește aproximativ 300 de tone Împreună, aceste bobine generează un câmp magnetic de 11,8 T în jurul torului plasmei și stochează energie de 41 GJ.
Bobine de câmp poloidal - situate deasupra bobinelor de câmp toroidal și în interiorul criostatului. Aceste bobine sunt responsabile pentru formarea unui câmp magnetic care separă masa plasmei de pereții camerei și comprimă plasma pentru încălzirea adiabatică. Numărul de astfel de bobine este de 6. Două dintre bobine au un diametru de 24 m și o masă de 400 de tone, restul de patru sunt ceva mai mici.
Solenoidul central este situat în interiorul camerei toroidale, sau mai degrabă în „gaura pentru gogoși”. Principiul funcționării acestuia este similar cu un transformator, iar sarcina principală este de a excita curentul inductiv în plasmă.
Bobinele de corecție sunt amplasate în interiorul vasului de vid, între pătură și peretele camerei. Sarcina lor este de a păstra forma plasmei, capabilă să „bombă” local și chiar să atingă pereții vasului. Permite reducerea nivelului de interacțiune a pereților camerei cu plasma și, prin urmare, a nivelului de contaminare a acesteia și, de asemenea, reduce uzura camerei în sine.

Structura complexului ITER

Designul „pe scurt” descris mai sus al tokamak-ului este un mecanism inovator complex, asamblat prin eforturile mai multor țări. Cu toate acestea, pentru funcționarea sa cu drepturi depline, este necesar un întreg complex de clădiri situate lângă tokamak. Printre ei:

Sistem de control, acces la date și comunicații - CODAC. Este situat într-un număr de clădiri ale complexului ITER.
Sistem de stocare și combustibil - servește la livrarea combustibilului către tokamak.
Sistem de vid - constă din peste patru sute de pompe de vid, a căror sarcină este de a pompa produsele unei reacții termonucleare, precum și diferiți contaminanți din camera de vid.
Sistem criogenic – reprezentat de un circuit de azot și heliu. Circuitul de heliu va normaliza temperatura în tokamak, a cărui lucru (și, prin urmare, temperatura) nu se desfășoară continuu, ci în impulsuri. Circuitul de azot va răci ecranele termice ale criostatului și circuitul de heliu însuși. Va exista și un sistem de răcire cu apă, care are ca scop scăderea temperaturii pereților păturii.
Alimentare electrică. Tokamak-ul va necesita aproximativ 110 MW de putere pentru a funcționa continuu. Pentru aceasta vor fi așezate linii electrice pe kilometru, care vor fi conectate la rețeaua industrială franceză. Merită să reamintim că instalația experimentală ITER nu asigură generarea de energie, ci funcționează numai în interes științific.

Finanțarea ITER

Reactorul termonuclear internațional ITER este o întreprindere destul de costisitoare, care a fost estimată inițial la 12 miliarde de dolari, unde Rusia, SUA, Coreea, China și India reprezintă 1/11 din cantitate, Japonia - 2/11 și UE - 4/11 . Ulterior, această sumă a crescut la 15 miliarde de dolari. Este de remarcat faptul că finanțarea are loc prin furnizarea de echipamente necesare complexului, care este dezvoltat în fiecare dintre țări. Astfel, Rusia furnizează pături, dispozitive de încălzire cu plasmă și magneți supraconductori.

Perspectiva proiectului

În prezent, complexul ITER este în curs de construcție și se produc toate componentele necesare pentru tokamak. După lansarea planificată a tokamak-ului în 2025, vor începe o serie de experimente, pe baza rezultatelor cărora se vor remarca aspectele care necesită îmbunătățiri. După punerea în funcțiune cu succes a ITER, este planificată construirea unei centrale electrice bazate pe fuziune termonucleară numită DEMO (DEMOnstration Power Plant). Misiunea DEMo este de a demonstra așa-numita „atractie comercială” a energiei de fuziune. Dacă ITER este capabil să genereze doar 500 MW de energie, atunci DEMO va permite generarea continuă a 2 GW de energie.

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că instalația experimentală ITER nu va genera energie, iar scopul său este obținerea unui beneficiu pur științific. Și după cum știți, acest sau acel experiment fizic poate nu numai să justifice așteptările, ci și să aducă noi cunoștințe și experiență omenirii.

Pentru o lungă perioadă de timp trudnopisaka a cerut să facă o postare despre un reactor de fuziune în construcție. Aflați detalii interesante despre tehnologie, aflați de ce acest proiect durează atât de mult să fie implementat. În sfârșit am primit materialul. Să facem cunoștință cu detaliile proiectului.

Cum a început totul. „Provocarea energetică” a apărut ca urmare a unei combinații a următorilor trei factori:

1. Omenirea consumă acum o cantitate imensă de energie.

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

2. Consumul mondial de energie crește dramatic.

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

3. În prezent, 80% din energia lumii este generată prin arderea combustibililor fosili(petrol, cărbune și gaz), a căror utilizare:
a) prezintă riscul unor schimbări catastrofale de mediu;
b) trebuie inevitabil să se termine într-o zi.

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

În prezent, centralele nucleare pe scară largă primesc energie eliberată în timpul reacțiilor de fisiune nuclee atomice. Crearea și dezvoltarea unor astfel de stații ar trebui încurajată în toate modurile posibile, cu toate acestea, trebuie avut în vedere că rezervele unuia dintre cele mai importante materiale pentru funcționarea lor (uraniu ieftin) pot fi, de asemenea, complet epuizate în următorii 50 de ani. ani. Posibilitățile energiei bazate pe fisiune nucleară pot (și ar trebui) să fie extinse semnificativ prin utilizarea unor cicluri energetice mai eficiente, care aproape pot dubla cantitatea de energie produsă. Pentru dezvoltarea energiei în această direcție, este necesar să se creeze reactoare pe toriu (așa-numitele reactoare de reproducere a toriu sau reactoare de reproducere), în care în timpul reacției se produce mai mult toriu decât uraniul original, în urma căruia cantitatea totală de energie primită pentru o anumită cantitate de substanță crește de 40 de ori. De asemenea, pare promițătoare crearea de generatoare de plutoniu cu neutroni rapidi, care sunt mult mai eficiente decât reactoarele cu uraniu și fac posibilă obținerea de 60 de ori mai multă energie. Poate că, pentru dezvoltarea acestor zone, va fi necesară dezvoltarea unor metode noi, nestandardizate, de obținere a uraniului (de exemplu, din apa de mare, care pare a fi cea mai accesibilă).

Centrale de fuziune

Figura arată schema circuitului(nu la scară) dispozitivul și principiul de funcționare a unei centrale termonucleare. În partea centrală, există o cameră toroidală (în formă de gogoașă) cu un volum de ~2000 m3 umplută cu plasmă de tritiu-deuteriu (T-D) încălzită la o temperatură de peste 100 M°C. Neutronii produși în timpul reacției de fuziune (1) părăsesc „sticla magnetică” și cad în învelișul prezentat în figură cu o grosime de aproximativ 1 m.

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

neutron + litiu → heliu + tritiu

În plus, în sistem apar reacții concurente (fără formarea de tritiu), precum și multe reacții cu eliberarea de neutroni suplimentari, care apoi conduc și la formarea tritiului (în acest caz, eliberarea de neutroni suplimentari poate fi îmbunătățit semnificativ, de exemplu, prin introducerea de atomi de beriliu în coajă și plumb). Concluzia generală este că această instalație ar putea fi (cel puțin teoretic) o reacție de fuziune nucleară care ar produce tritiu. În acest caz, cantitatea de tritiu formată nu ar trebui să satisfacă numai nevoile instalației în sine, ci chiar să fie ceva mai mare, ceea ce va face posibilă furnizarea de noi instalații cu tritiu. Acest concept de operare este cel care trebuie testat și implementat în reactorul ITER descris mai jos.

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

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

Franța construiește în prezent Reactorul Experimental Tokamak Internațional (ITER), descris mai jos, care va fi primul tokamak capabil să „aprindă” plasmă.

Cele mai avansate instalații de tip tokamak existente au atins mult timp temperaturi de ordinul a 150 M°C, apropiate de cele necesare pentru funcționarea unei centrale de fuziune, dar reactorul ITER ar trebui să fie prima centrală electrică de mare amploare proiectată pentru operațiune pe termen. În viitor, va fi necesară îmbunătățirea semnificativă a parametrilor funcționării acestuia, ceea ce va necesita, în primul rând, o creștere a presiunii în plasmă, deoarece viteza de fuziune nucleară la o anumită temperatură este proporțională cu pătratul presiunea. Principala problemă științifică în acest caz este legată de faptul că atunci când presiunea din plasmă crește, apar instabilități foarte complexe și periculoase, adică moduri de funcționare instabile.

De ce avem nevoie de ea?

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

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

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

Deuteriul ar trebui să reziste milioane de ani, iar rezervele de litiu ușor de extras sunt destul de suficiente pentru a satisface nevoile de sute de ani. Chiar dacă rezervele de litiu în stânci se epuizează, îl putem extrage din apă, unde se găsește într-o concentrație suficient de mare (de 100 de ori mai mare decât a uraniului) pentru a-l face viabil din punct de vedere economic pentru mine.

Un reactor termonuclear experimental (International thermonuclear experimental reactor) este în curs de construire în apropierea orașului Cadarache din Franța. Sarcina principală a proiectului ITER este implementarea unei reacții de fuziune termonucleară controlată la scară industrială.

Pe unitatea de greutate a combustibilului termonuclear, se obține de aproximativ 10 milioane de ori mai multă energie decât prin arderea aceleiași cantități de combustibil organic și de aproximativ o sută de ori mai mult decât prin fisiunea nucleelor de uraniu în reactoarele centralelor nucleare care funcționează în prezent. Dacă calculele oamenilor de știință și ale designerilor sunt justificate, acest lucru va oferi omenirii o sursă inepuizabilă de energie.

Prin urmare, o serie de țări (Rusia, India, China, Coreea, Kazahstan, SUA, Canada, Japonia, țările UE) și-au unit eforturile în crearea Reactorului Internațional de Cercetare Termonuclear - un prototip de nou centrale electrice.

ITER este o instalație care creează condiții pentru sinteza atomilor de hidrogen și tritiu (un izotop al hidrogenului), în urma căruia se formează un nou atom - un atom de heliu. Acest proces este însoțit de un val uriaș de energie: temperatura plasmei în care are loc reacția termonucleară este de aproximativ 150 de milioane de grade Celsius (pentru comparație, temperatura nucleului Soarelui este de 40 de milioane de grade). În acest caz, izotopii se ard, practic nu lăsă deșeuri radioactive.
Schema de participare la proiectul internațional prevede furnizarea de componente ale reactorului și finanțarea construcției acestuia. În schimb, fiecare dintre țările participante primește acces deplin la toate tehnologiile pentru crearea unui reactor termonuclear și la rezultatele tuturor lucrărilor experimentale la acest reactor, care vor servi drept bază pentru proiectarea reactoarelor termonucleare de putere în serie.

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

Se poate face clic 4000 px

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

Costul total al construcției este estimat la 5 miliarde de euro, iar aceeași sumă va fi necesară pentru funcționarea de probă a reactorului. Acțiunile Indiei, Chinei, Coreei, Rusiei, SUA și Japoniei reprezintă fiecare aproximativ 10 la sută din valoarea totală, 45 la sută fiind reprezentate de țările Uniunii Europene. Cu toate acestea, în timp ce statele europene nu s-au convenit asupra modului exact de repartizare a costurilor între ele. Din acest motiv, începerea construcției a fost amânată pentru aprilie 2010. În ciuda unei alte întârzieri, oamenii de știință și oficialii implicați în crearea ITER spun că vor putea finaliza proiectul până în 2018.

Puterea termonucleară estimată a ITER este de 500 de megawați. Părțile individuale ale magneților ating o greutate de 200 până la 450 de tone. Pentru răcirea ITER, vor fi necesari 33.000 de metri cubi de apă pe zi.

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

În ceea ce privește numărul de participanți, proiectul este comparabil cu un alt proiect științific internațional major - International statie spatiala. Costul ITER, care a ajuns anterior la 8 miliarde de dolari, s-a ridicat apoi la mai puțin de 4 miliarde. Ca urmare a retragerii Statelor Unite, s-a decis reducerea puterii reactorului de la 1,5 GW la 500 MW. În consecință, prețul proiectului a „slăbit”.

În iunie 2002, în capitala Rusiei a avut loc simpozionul „Zilele ITER la Moscova”. S-a discutat despre problemele teoretice, practice și organizatorice ale renașterii proiectului, al cărui succes poate schimba soarta omenirii și îi poate da. noul fel energie, din punct de vedere al eficienței și al rentabilității comparabile doar cu energia solară.

În iulie 2010, reprezentanții țărilor participante la proiectul internațional de reactor termonuclear ITER și-au aprobat bugetul și programul de construcție în cadrul unei ședințe extraordinare desfășurate la Cadarache, Franța. .

La ultima ședință extraordinară, participanții la proiect au aprobat data începerii primelor experimente cu plasmă - 2019. Testele complete sunt planificate pentru martie 2027, deși managementul proiectului a cerut personalului tehnic să încerce să optimizeze procesul și să înceapă testele în 2026. Participanții la întâlnire au decis și asupra costurilor pentru construcția reactorului, cu toate acestea, sumele planificate a fi cheltuite pentru crearea instalației nu au fost dezvăluite. Potrivit informațiilor primite de editorul portalului ScienceNOW de la o sursă anonimă, până în momentul în care vor începe experimentele, costul proiectului ITER ar putea fi de 16 miliarde de euro.

Întâlnirea de la Cadarache a fost și prima zi oficială de lucru pentru noul director al proiectului, fizicianul japonez Osamu Motojima. Înaintea lui, proiectul a fost condus de japonezul Kaname Ikeda încă din 2005, care dorea să părăsească postul imediat după aprobarea bugetului și a timpului de construcție.

Reactorul de fuziune ITER este un proiect comun al Uniunii Europene, Elveția, Japonia, SUA, Rusia, Coreea de Sud, China și India. Ideea creării ITER a fost luată în considerare încă din anii 80 ai secolului trecut, totuși, din cauza dificultăților financiare și tehnice, costul proiectului este în continuă creștere, iar data de începere a construcției este amânată constant. În 2009, experții se așteptau ca lucrările la crearea reactorului să înceapă în 2010. Ulterior, această dată a fost mutată, iar mai întâi 2018 și apoi 2019 au fost numite ca ora de lansare a reactorului.

Reacțiile de fuziune sunt reacții de fuziune ale nucleelor izotopilor ușori cu formarea unui nucleu mai greu, care sunt însoțite de o eliberare uriașă de energie. În teorie, reactoarele de fuziune pot genera multă energie la costuri reduse, dar în prezent oamenii de știință cheltuiesc mult mai multă energie și bani pentru a începe și a menține o reacție de fuziune.

Fuziunea termonucleară este ieftină și ecologică. cale sigura extracția energiei. De miliarde de ani, fuziunea termonucleară necontrolată are loc pe Soare - heliul se formează din izotopul greu al hidrogenului deuteriu. Acest lucru eliberează o cantitate enormă de energie. Cu toate acestea, oamenii de pe Pământ nu au învățat încă să controleze astfel de reacții.

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

De ce a durat atât de mult crearea instalațiilor termonucleare?

De ce nu s-au creat încă instalații atât de importante și valoroase, despre avantajele cărora se discută de aproape jumătate de secol? Există trei motive principale (discutate mai jos), primul dintre care poate fi numit extern sau public, iar celelalte două - interne, adică datorită legilor și condițiilor de dezvoltare a energiei termonucleare în sine.

1. Perioadă lungă de timp se credea că problema utilizării practice a energiei de fuziune nu necesită decizii și acțiuni urgente, deoarece încă din anii 80 ai secolului trecut, sursele de combustibili fosili păreau inepuizabile, iar problemele de mediu și schimbările climatice nu priveau publicul. În 1976, Comitetul Consultativ pentru Energie de Fuziune de la Departamentul de Energie al SUA a încercat să estimeze momentul de cercetare și dezvoltare și crearea unei centrale electrice de fuziune demonstrative la opțiuni diferite fonduri de cercetare. În același timp, s-a dovedit că volumul finanțării anuale pentru cercetare în această direcție este complet insuficient și, menținând nivelul de credite existent, realizarea de instalații termonucleare nu va avea niciodată succes, întrucât fondurile alocate nici măcar nu corespund. la nivelul minim, critic.

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

3. Dezvoltarea puterii de fuziune a fost foarte natură complexă, cu toate acestea (în ciuda finanțării insuficiente și a dificultăților în alegerea centrelor pentru crearea instalațiilor JET și ITER), s-au observat progrese clare în ultimii ani, deși încă nu a fost creată o stație de funcționare.

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

În prezent, aproape toată energia consumată de omenire este creată prin arderea combustibililor fosili, iar soluția problemei poate fi asociată cu utilizarea energiei solare sau a energiei nucleare (crearea de reactoare de reproducere rapidă etc.). Problema globala, determinată de creșterea populației țărilor în curs de dezvoltare și de nevoia acestora de a îmbunătăți nivelul de trai și de a crește cantitatea de energie produsă, nu poate fi rezolvată doar pe baza abordărilor avute în vedere, deși, desigur, orice încercare de a dezvolta metode alternative generarea de energie electrică.

De altfel, avem o gamă mică de strategii comportamentale și dezvoltarea energiei termonucleare este extrem de importantă, deși nu există garanția succesului. Financial Times (din 25 ianuarie 2004) a scris despre asta:

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

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

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

ITER va fi primul reactor de fuziune care va genera mai multă energie decât consumă. Oamenii de știință măsoară această caracteristică cu un simplu factor pe care îl numesc „Q”. Dacă ITER face posibilă atingerea tuturor obiectivelor științifice stabilite, atunci va produce de 10 ori mai multă energie decât consumă. Ultimul dispozitiv construit, Joint European Torus din Anglia, este un prototip mai mic de reactor de fuziune care este în curs de finalizare. cercetare științifică a ajuns la o valoare Q de aproape 1. Aceasta înseamnă că a produs exact aceeași cantitate de energie pe care a consumat-o. ITER va depăși acest lucru demonstrând crearea de energie din fuziune și obținând o valoare Q de 10. Ideea este de a genera 500 MW cu un consum de energie de aproximativ 50 MW. Astfel, unul dintre obiectivele științifice ale ITER este de a demonstra că poate fi atinsă o valoare Q de 10.

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

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

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

Într-adevăr, nu există nicio dispută dacă ITER ar trebui să fie exact un tokamak. Unii savanți au pus întrebarea cu totul diferit: ar trebui să existe ITER? Specialisti in tari diferite, dezvoltând propriile proiecte termonucleare, nu atât de mari, susțin că un reactor atât de mare nu este deloc necesar.

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

JET În acest moment, cel mai de succes tokamak poate fi considerat JET, construit de UE în orașul britanic Abingdon. Acesta este cel mai mare dintre reactoarele de tip tokamak create până în prezent, raza mare a torului de plasmă este de 2,96 metri. Puterea reacției termonucleare ajunge deja la peste 20 de megawați cu un timp de reținere de până la 10 secunde. Reactorul returnează aproximativ 40% din energia investită în plasmă.

Fizica plasmei este cea care determină echilibrul energetic”, a declarat Igor Semenov pentru Infox.ru. Care este bilanțul energetic, a descris profesorul asociat MIPT exemplu simplu: „Toți am văzut focul aprins. De fapt, nu arde lemne de foc, ci gaze. Lanțul energetic de acolo este următorul: gazul arde, lemnul de foc se încălzește, lemnul de foc se evaporă, gazul arde din nou. Prin urmare, dacă aruncăm apă în foc, vom prelua brusc energie din sistem pentru tranziția de fază a apei lichide într-o stare de vapori. Balanța va deveni negativă, focul se va stinge. Există o altă modalitate - putem pur și simplu să luăm și să răspândim firebrands în spațiu. Se va stinge și focul. Același lucru este valabil și pentru reactorul de fuziune pe care îl construim. Dimensiunile sunt alese astfel încât să creeze un bilanț energetic pozitiv adecvat pentru acest reactor. Suficient pentru a construi un adevărat TNPP în viitor, rezolvând în această etapă experimentală toate problemele care în prezent rămân nerezolvate.”

Dimensiunile reactorului s-au schimbat odată. Acest lucru s-a întâmplat la începutul secolului 20-21, când Statele Unite s-au retras din proiect, iar membrii rămași și-au dat seama că bugetul ITER (la acea vreme era estimat la 10 miliarde de dolari SUA) era prea mare. Fizicienii și inginerii au fost obligați să reducă costul instalației. Și acest lucru ar putea fi făcut doar în detrimentul dimensiunii. „Reproiectarea” ITER a fost condusă de fizicianul francez Robert Aymar, care lucrase anterior la tokamak-ul francez Tore Supra din Karadash. Raza exterioară a torului plasmei a fost redusă de la 8,2 metri la 6,3 metri. Cu toate acestea, riscurile asociate cu reducerea dimensiunilor au fost oarecum compensate de câțiva magneți supraconductori suplimentari, care au făcut posibilă implementarea regimului de izolare a plasmei descoperit și explorat atunci.

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

Este necesara energia termonucleara?

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

Omenirea consumă acum o cantitate imensă de energie.

— Consumul global de energie crește rapid.

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

— În prezent, 80% din energia consumată de lume este creată din arderea combustibililor fosili (petrol, cărbune și gaz).), a căror utilizare poate presupune riscul unor schimbări catastrofale de mediu.

Următoarea glumă este populară printre oamenii din Arabia Saudită: „Tatăl meu a călărit pe o cămilă. Am o mașină și fiul meu pilota deja un avion. Dar acum fiul său va călăre din nou pe o cămilă.”

Acesta pare să fie cazul, deoarece, după toate previziunile serioase, rezervele mondiale de petrol se vor epuiza în mare parte în aproximativ 50 de ani.

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

Astfel, deja acum ar trebui să ne pregătim pentru sfârșitul erei utilizării combustibililor fosili.

Din păcate, curentul surse alternative energia nu este capabilă să acopere nevoile crescânde ale omenirii. Conform celor mai optimiste estimări, cantitatea maximă de energie (în echivalentul termic specificat) generată de sursele enumerate este de doar 3 TW (vânt), 1 TW (hidro), 1 TW (surse biologice) și 100 GW (geotermă și instalatii offshore). Cantitatea totală de energie suplimentară (chiar și în cea mai optimă prognoză) este de numai aproximativ 6 TW. În același timp, trebuie menționat că dezvoltarea de noi surse de energie este o sarcină tehnică foarte complexă, astfel încât costul energiei pe care o produc va fi în orice caz mai mare decât la arderea obișnuită a cărbunelui etc. Se pare destul de evident că

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

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

În prezent, centralele nucleare primesc pe scară largă energia eliberată în timpul reacțiilor de fisiune ale nucleelor atomice. Consider că crearea și dezvoltarea unor astfel de stații ar trebui încurajată în toate modurile posibile, dar trebuie avut în vedere faptul că rezervele unuia dintre cele mai importante materiale pentru funcționarea lor (uraniu ieftin) pot fi, de asemenea, complet epuizate de-a lungul următorii 50 de ani.

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

Ce este fuziunea nucleară?

Fuziunea nucleară, care stă la baza existenței Soarelui și a stelelor, este potențial o sursă inepuizabilă de energie pentru dezvoltarea Universului în general. Experimente efectuate în Rusia (Rusia este locul de naștere al unității de fuziune Tokamak), Statele Unite ale Americii, Japonia, Germania, precum și în Marea Britanie, ca parte a programului Joint European Torus (JET), care este unul dintre programele de cercetare de top în lume, să arate că fuziunea nucleară poate asigura nu numai nevoile actuale de energie ale omenirii (16 TW), ci și multe cantitate mare energie.

Energia fuziunii nucleare este foarte reală, iar întrebarea principală este dacă putem crea instalații termonucleare suficient de fiabile și rentabile.

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

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

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

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

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

Implementarea acestui proces în laborator este asociată cu trei probleme foarte dificile. În primul rând, amestecul gazos al nucleelor D și T ar trebui încălzit la temperaturi de peste 100 M grade, prevenind cumva răcirea și poluarea acestuia (datorită reacțiilor cu pereții vasului).

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

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

Construcția Reactorului Termonuclear Experimental Internațional (ITER), care va fi primul tokamak capabil să „aprindă” plasmă, este în curs de desfășurare în Franța.

Cele mai avansate instalații existente de tip Tokamak au atins de mult timp temperaturi de ordinul a 150 M grade, apropiate de valorile cerute pentru funcționarea unei centrale de fuziune, dar reactorul ITER ar trebui să fie prima centrală electrică de mare amploare proiectată pt. funcţionare pe termen lung. În viitor, va fi necesară îmbunătățirea semnificativă a parametrilor funcționării acestuia, ceea ce va necesita, în primul rând, o creștere a presiunii în plasmă, deoarece viteza de fuziune nucleară la o anumită temperatură este proporțională cu pătratul presiunea.

Principala problemă științifică în acest caz este legată de faptul că atunci când presiunea din plasmă crește, apar instabilități foarte complexe și periculoase, adică moduri de funcționare instabile.

Nucleele de heliu încărcate electric care apar în timpul reacției de fuziune sunt păstrate în interiorul unei „capcane magnetice”, unde sunt încetinite treptat din cauza ciocnirilor cu alte particule, iar energia eliberată în timpul ciocnirilor ajută la menținerea temperaturii ridicate a coloanei de plasmă. Neutru (neavând incarcare electrica) neutronii părăsesc sistemul și își transferă energia pe pereții reactorului, iar căldura preluată de pe pereți este sursa de energie pentru funcționarea turbinelor care generează energie electrică. Problemele și dificultățile de operare a unei astfel de instalații sunt legate în primul rând de faptul că un flux puternic de neutroni de înaltă energie și energia eliberată (sub formă radiatie electromagneticași particulele de plasmă) afectează grav reactorul și pot distruge materialele din care este fabricat.

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

Dispozitivul unei centrale termonucleare

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

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

neutron + litiu = heliu + tritiu.

În plus, în sistem apar reacții concurente (fără formarea de tritiu), precum și multe reacții cu eliberarea de neutroni suplimentari, care apoi conduc și la formarea tritiului (în acest caz, eliberarea de neutroni suplimentari poate fi îmbunătățit semnificativ, de exemplu, prin introducerea de atomi în coajă beriliu și plumb). Concluzia generală este că această instalație ar putea fi (cel puțin teoretic) o reacție de fuziune nucleară care ar produce tritiu. În acest caz, cantitatea de tritiu formată nu ar trebui să satisfacă numai nevoile instalației în sine, ci chiar să fie ceva mai mare, ceea ce va face posibilă furnizarea de noi instalații cu tritiu.

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

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

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

Reacția de fuziune nucleară din plantele descrise poate elibera cantități enorme de energie, de zece milioane de ori mai mare decât căldura standard generată de reacțiile chimice convenționale (cum ar fi arderea combustibililor fosili). Spre comparație, subliniem că cantitatea de cărbune necesară pentru a funcționa o centrală termică cu o capacitate de 1 gigawatt (GW) este de 10.000 de tone pe zi (zece vagoane de cale ferată), iar o centrală termonucleară de aceeași capacitate va consuma doar cca. 1 kg de D + amestec pe zi T.

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

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

Litiul este un metal comun utilizat pe scară largă în aparatele de uz casnic (de exemplu, bateriile telefoanelor mobile). Centrala descrisă mai sus, chiar și cu o eficiență imperfectă, va putea produce 200.000 kWh de energie electrică, ceea ce este echivalent cu energia conținută în 70 de tone de cărbune. Cantitatea de litiu necesară pentru aceasta este conținută într-o baterie pentru un computer, iar cantitatea de deuteriu este conținută în 45 de litri de apă. Valoarea de mai sus corespunde consumului curent de energie electrică (în termeni de o persoană) în țările UE timp de 30 de ani. Însuși faptul că o cantitate atât de nesemnificativă de litiu poate asigura generarea unei asemenea cantități de energie electrică (fără emisii de CO 2 și fără cea mai mică poluare a atmosferei) este un argument suficient de puternic pentru dezvoltarea rapidă și viguroasă a cercetării privind dezvoltarea a energiei de fuziune (în ciuda tuturor dificultăților și problemelor) chiar și cu perspectiva pe termen lung a creării unui reactor termonuclear rentabil.

Deuteriul ar trebui să fie suficient pentru milioane de ani, iar rezervele de litiu ușor de extras sunt destul de suficiente pentru a satisface nevoile de sute de ani.

Chiar dacă rămânem fără litiu în roci, îl putem extrage din apă, de unde se găsește într-o concentrație suficient de mare (de 100 de ori mai mare decât a uraniului) pentru a-l face viabil din punct de vedere economic pentru mine.

Energia termonucleară nu numai că promite omenirii, în principiu, posibilitatea de a produce o cantitate imensă de energie în viitor (fără emisii de CO 2 și fără poluare atmosferică), dar are și o serie de alte avantaje.

1 ) Securitate internă ridicată.

Plasma folosita in instalatiile termonucleare are o densitate foarte mica (de circa un milion de ori mai mica decat densitatea atmosferei), drept urmare mediul de lucru al instalatiilor nu va contine niciodata energie suficienta pentru a produce incidente sau accidente grave.

În plus, încărcarea „combustibilului” trebuie efectuată în mod continuu, ceea ce facilitează oprirea funcționării acestuia, ca să nu mai vorbim de faptul că în cazul unui accident și al unei schimbări bruște a condițiilor de mediu, „flacăra” termonucleară ar trebui să pur și simplu ieși.

Care sunt pericolele asociate cu energia de fuziune? În primul rând, este de remarcat faptul că, deși produsele de fuziune (heliu și neutroni) nu sunt radioactive, carcasa reactorului poate deveni radioactivă în timpul expunerii pe termen lung la neutroni.

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

chiar și în cele mai dificile situații și accidente (distrugerea completă a carcasei și eliberarea întregului tritiu conținut în acesta, de exemplu, în timpul unui cutremur și al unui accident de avion într-o stație), doar o cantitate mică de combustibil va intra în mediu. , care nu va necesita evacuarea populației din așezările din apropiere.

2 ) Costul energiei.

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

Reactor Termonuclear Experimental Internațional ITER

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

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

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

Capacitatea instalatiei planificate de proiectanti este de 500 MW (cu consumul de energie la intrarea in sistem de doar circa 50 MW). 3

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

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

Scopul principal al construirii instalației este de a demonstra controlul cu succes al arderii plasmei și posibilitatea obținerii efective a energiei în dispozitive termonucleare la nivelul actual de dezvoltare tehnologică.

Dezvoltarea ulterioară în această direcție, desigur, va necesita multe eforturi pentru îmbunătățirea eficienței dispozitivelor, mai ales din punct de vedere al fezabilității lor economice, care este asociată cu studii serioase și îndelungate, atât asupra reactorului ITER, cât și asupra altor dispozitive. Dintre sarcinile stabilite, trebuie evidențiate următoarele trei:

1) Este necesar să se arate că nivelul existent de știință și tehnologie permite deja obținerea unui câștig de 10 ori în energie (comparativ cu cel cheltuit pentru menținerea procesului) într-un proces de fuziune nucleară controlată. Reacția trebuie să aibă loc fără apariția unor moduri instabile periculoase, fără supraîncălzire și deteriorare a materialelor de construcție și fără contaminarea plasmei cu impurități. Cu o putere de fuziune de ordinul a 50% din puterea de încălzire a plasmei, aceste obiective au fost deja atinse în experimente pe instalații mici, dar crearea reactorului ITER va face posibilă testarea fiabilității metodelor de control pe o instalație mult mai mare. care produce mult mai multă energie pentru o perioadă lungă de timp. Reactorul ITER este conceput pentru a testa și armoniza cerințele pentru un viitor reactor de fuziune, iar crearea lui este o sarcină foarte complexă și interesantă.

2) Este necesar să se studieze metode de creștere a presiunii în plasmă (amintim că viteza de reacție la o anumită temperatură este proporțională cu pătratul presiunii) pentru a preveni apariția unor regimuri instabile periculoase de comportament al plasmei. Succesul cercetării în această direcție va asigura fie funcționarea reactorului la mai mult densitate mare plasmă, sau scăderea cerințelor pentru puterea câmpurilor magnetice generate, ceea ce va reduce semnificativ costul energiei electrice produse de reactor.

3) Testele ar trebui să confirme că funcționarea continuă a reactorului într-un regim stabil poate fi asigurată în mod realist (din punct de vedere economic și tehnic, această cerință pare a fi foarte importantă, dacă nu cea principală), iar lansarea instalația poate fi realizată fără costuri mari de energie. Cercetătorii și designerii au mare speranță că fluxul „continuu” de curent electromagnetic prin plasmă poate fi asigurat prin generarea acestuia în plasmă (datorită radiației de înaltă frecvență și injectării de atomi rapizi).

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

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

Dacă nu există surprize majore și neașteptate în calea dezvoltării energiei termonucleare, atunci, sub rezerva programului de acțiuni rezonabil și ordonat elaborat, care (desigur, sub rezerva unei bune organizări a muncii și a unei finanțări suficiente) ar trebui să conducă la realizarea unui prototip de centrală termonucleară. În acest caz, în aproximativ 30 de ani, vom putea furniza pentru prima dată curent electric din aceasta la rețelele energetice, iar peste puțin mai mult de 10 ani va începe să funcționeze prima centrală termonucleară comercială. Este posibil ca în a doua jumătate a secolului nostru, energia de fuziune nucleară să înceapă să înlocuiască combustibilii fosili și, treptat, să înceapă să joace un rol din ce în ce mai important în furnizarea energiei omenirii la scară globală.

„Lockheed Martin a început dezvoltarea unui reactor de fuziune compact... Site-ul web al companiei spune că primul prototip va fi construit într-un an. Dacă acest lucru se dovedește a fi adevărat, într-un an vom trăi într-o lume complet diferită”, acesta este începutul uneia dintre „Mansarda”. Au trecut trei ani de la publicare, iar lumea nu s-a schimbat prea mult de atunci.

Astăzi, în reactoarele centralelor nucleare, energia este generată prin degradarea nucleelor grele. În reactoarele termonucleare, energia se obține în timpul procesului de fuziune a nucleelor, în care se formează nuclee cu o masă mai mică decât suma celor inițiale, iar „reziduul” dispare sub formă de energie. Deșeurile de la reactoarele nucleare sunt radioactive, iar eliminarea lor în siguranță este o mare durere de cap. Reactoarele de fuziune nu au acest dezavantaj și folosesc, de asemenea, combustibili disponibili pe scară largă, cum ar fi hidrogenul.

Au o singură problemă mare - desenele industriale nu există încă. Sarcina nu este ușoară: pentru reacțiile termonucleare este necesară comprimarea combustibilului și încălzirea acestuia până la sute de milioane de grade - mai fierbinte decât la suprafața Soarelui (unde reacțiile termonucleare apar în mod natural). Este greu de realizat o temperatură atât de ridicată, dar este posibil, doar un astfel de reactor consumă mai multă energie decât produce.

Cu toate acestea, au încă atât de multe avantaje potențiale încât, desigur, nu numai Lockheed Martin este implicat în dezvoltare.

ITER

ITER este cel mai mare proiect din acest domeniu. La el participă Uniunea Europeană, India, China, Coreea, Rusia, Statele Unite și Japonia, iar reactorul în sine a fost construit în Franța din 2007, deși istoria lui merge mult mai adânc în trecut: Reagan și Gorbaciov au căzut de acord asupra sa. crearea in 1985. Reactorul este o cameră toroidală, o „goasă”, în care câmpurile magnetice dețin plasma, motiv pentru care se numește tokamak - apoi roidal ka măsura cu ma putred la atushkas. Reactorul va genera energie prin fuziunea izotopilor de hidrogen - deuteriu și tritiu.

Este planificat ca ITER să primească de 10 ori mai multă energie decât consumă, dar acest lucru nu se va întâmpla curând. Inițial a fost planificat ca reactorul să înceapă să funcționeze în mod experimental în 2020, dar apoi această perioadă a fost amânată pentru 2025. În același timp, producția de energie industrială va începe nu mai devreme de 2060 și este posibil să așteptăm răspândirea acestei tehnologii undeva la sfârșitul secolului XXI.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X este cel mai mare reactor de fuziune stellarator din lume. Stellaratorul rezolvă problema care bântuie tokamaks - „răspândirea” plasmei din centrul torusului către pereții săi. Ceea ce tokamak încearcă să facă față datorită puterii câmpului magnetic, stellaratorul rezolvă datorită formă complexă: Câmpul magnetic care deține plasmă se îndoaie pentru a opri invadarea particulelor încărcate.

Wendelstein 7-X, așa cum speră creatorii săi, va putea funcționa o jumătate de oră în al 21-lea an, ceea ce va da un „bilet de viață” pentru ideea de stații termonucleare cu un design similar.

Instalația Națională de Aprindere

Un alt tip de reactor folosește lasere puternice pentru a comprima și încălzi combustibilul. Din păcate, cea mai mare instalație laser pentru obținerea energiei termonucleare, NIF-ul american, nu putea produce mai multă energie decât consumă.

Care dintre toate aceste proiecte va „decolare” cu adevărat și care va suferi soarta NIF, este greu de prevăzut. Rămâne să așteptăm, să sperăm și să urmărim știrile: anii 2020 promit să fie o perioadă interesantă pentru energia nucleară.

„Tehnologii nucleare” - unul dintre profilurile olimpiadei NTI pentru școlari.