Nyumbani-Ngazi za nje-Reactor ya nyuklia ni mustakabali wa nishati ya ubinadamu. Vinu vya nyuklia: vina wakati ujao?

Reactor ya nyuklia ni mustakabali wa nishati ya ubinadamu. Vinu vya nyuklia: vina wakati ujao?

Kiwanda cha nguvu cha fusion.

Hivi sasa, wanasayansi wanafanya kazi katika kuundwa kwa mmea wa nguvu za nyuklia, faida ambayo ni kutoa ubinadamu kwa umeme kwa muda usio na ukomo. Kiwanda cha nguvu cha nyuklia hufanya kazi kwa misingi ya mchanganyiko wa thermonuclear - mmenyuko wa awali wa isotopu nzito za hidrojeni na malezi ya heliamu na kutolewa kwa nishati. Mmenyuko wa muunganisho wa thermonuclear hautoi taka zenye mionzi ya gesi au kioevu na haitoi plutonium, ambayo hutumiwa kwa uzalishaji. silaha za nyuklia. Ikiwa tunazingatia pia kwamba mafuta ya vituo vya nyuklia itakuwa deuterium ya isotopu ya hidrojeni, ambayo hupatikana kutoka kwa maji rahisi - nusu lita ya maji ina nishati ya fusion sawa na ile inayopatikana kwa kuchoma pipa ya petroli - basi faida za mitambo ya nguvu kulingana na athari za nyuklia inakuwa dhahiri.

Wakati wa mmenyuko wa nyuklia, nishati hutolewa wakati atomi za mwanga huchanganyika na kubadilika kuwa nzito zaidi. Ili kufikia hili, ni muhimu joto la gesi kwa joto la digrii zaidi ya milioni 100 - juu zaidi kuliko joto la katikati ya Jua.

Gesi kwa joto hili hugeuka kuwa plasma. Wakati huo huo, atomi za isotopu za hidrojeni huunganishwa, na kugeuka kuwa atomi za heliamu na neutroni na kutoa kiasi kikubwa cha nishati. Kiwanda cha nguvu cha kibiashara kinachofanya kazi kwa kanuni hii kingetumia nishati ya neutroni iliyodhibitiwa na safu ya nyenzo mnene (lithiamu).

Ikilinganishwa na mtambo wa nyuklia, kinu cha muunganisho kitaacha takataka chache za mionzi.


Kiyeyo cha kimataifa cha nyuklia ITER


Washiriki katika muungano wa kimataifa wa kuunda kinu cha kwanza cha nyuklia duniani, ITER, walitia saini makubaliano mjini Brussels ambayo yanazindua utekelezaji wa mradi huo kwa vitendo.

Wawakilishi wa Umoja wa Ulaya, Marekani, Japan, China, Korea Kusini na Urusi wanakusudia kuanza ujenzi wa kinu cha majaribio mwaka 2007 na kukikamilisha ndani ya miaka minane. Ikiwa kila kitu kinakwenda kulingana na mpango, basi kufikia 2040 mmea wa nguvu wa maandamano unaofanya kazi kwa kanuni mpya inaweza kujengwa.

Ningependa kuamini kwamba enzi ya mitambo ya umeme wa maji na nishati ya nyuklia hatari kwa mazingira itaisha hivi karibuni, na wakati utakuja kwa mtambo mpya wa nguvu - wa nyuklia, mradi ambao tayari unatekelezwa. Lakini, pamoja na ukweli kwamba mradi wa ITER (International Thermonuclear Reactor) uko karibu tayari; licha ya ukweli kwamba tayari katika mitambo ya kwanza ya majaribio ya nyuklia ya nyuklia nguvu inayozidi MW 10 ilipatikana - kiwango cha kwanza. mitambo ya nyuklia, mmea wa kwanza wa nguvu za nyuklia hautaanza kufanya kazi mapema zaidi ya miaka ishirini, kwa sababu gharama yake ni ya juu sana. Gharama ya kazi hiyo inakadiriwa kuwa euro bilioni 10 - huu ni mradi wa gharama kubwa zaidi wa mitambo ya kimataifa. Nusu ya gharama za ujenzi wa reactor hulipwa na Umoja wa Ulaya. Washiriki wengine wa muungano watatoa 10% ya makadirio.

Sasa mpango wa ujenzi wa kinu, ambao utakuwa mradi wa kisayansi wa gharama kubwa zaidi kuwahi kutokea, lazima uidhinishwe na wabunge wa nchi wanachama wa muungano huo.

Kinu hicho kitajengwa katika jimbo la kusini mwa Ufaransa la Provence, karibu na mji wa Cadarache, ambapo kituo cha utafiti wa nyuklia cha Ufaransa kinapatikana.

ITER - Reactor ya Kimataifa ya Thermonuclear (ITER)

Matumizi ya nishati ya binadamu yanaongezeka kila mwaka, jambo ambalo linasukuma sekta ya nishati kuelekea maendeleo ya kazi. Kwa hivyo, kwa kuibuka kwa mimea ya nguvu za nyuklia, kiasi cha nishati inayozalishwa ulimwenguni kiliongezeka sana, ambayo ilifanya iwezekane kutumia nishati kwa usalama kwa mahitaji yote ya wanadamu. Kwa mfano, 72.3% ya umeme unaozalishwa nchini Ufaransa hutoka kwa mitambo ya nyuklia, nchini Ukraine - 52.3%, nchini Uswidi - 40.0%, nchini Uingereza - 20.4%, nchini Urusi - 17.1%. Hata hivyo, teknolojia haijasimama tuli, na ili kukidhi mahitaji zaidi ya nishati ya nchi za baadaye, wanasayansi wanafanya kazi katika miradi kadhaa ya ubunifu, ambayo moja ni ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Ingawa faida ya usakinishaji huu bado inahojiwa, kulingana na kazi ya watafiti wengi, uundaji na maendeleo ya baadaye ya teknolojia ya muunganisho wa nyuklia iliyodhibitiwa inaweza kusababisha chanzo chenye nguvu na salama cha nishati. Hebu tuangalie baadhi vipengele vyema ufungaji sawa:

  • Mafuta kuu ya reactor ya thermonuclear ni hidrojeni, ambayo ina maana ya hifadhi isiyoweza kudumu ya mafuta ya nyuklia.
  • Uzalishaji wa hidrojeni unaweza kutokea kwa usindikaji maji ya bahari, ambayo inapatikana katika nchi nyingi. Inafuata kutoka kwa hili kwamba ukiritimba wa rasilimali za mafuta hauwezi kutokea.
  • Uwezekano wa mlipuko wa dharura wakati wa operesheni ya reactor ya thermonuclear ni kidogo sana kuliko wakati wa operesheni ya reactor ya nyuklia. Kulingana na watafiti, hata katika tukio la ajali, uzalishaji wa mionzi hautakuwa hatari kwa idadi ya watu, ambayo inamaanisha hakuna haja ya uokoaji.
  • Tofauti na vinu vya nyuklia, vinu vya muunganisho hutokeza taka zenye mionzi ambazo zina nusu ya maisha mafupi, kumaanisha kwamba huoza haraka. Pia, hakuna bidhaa za mwako katika mitambo ya nyuklia.
  • Reactor ya muunganisho haihitaji nyenzo ambazo hutumiwa pia kwa silaha za nyuklia. Hii inaondoa uwezekano wa kufunika utengenezaji wa silaha za nyuklia kwa usindikaji wa vifaa kwa mahitaji ya kinu cha nyuklia.

Reactor ya nyuklia - mtazamo wa ndani

Walakini, pia kuna idadi ya mapungufu ya kiufundi ambayo watafiti hukutana nayo kila wakati.

Kwa mfano, toleo la sasa la mafuta, iliyotolewa kwa namna ya mchanganyiko wa deuterium na tritium, inahitaji maendeleo ya teknolojia mpya. Kwa mfano, mwishoni mwa mfululizo wa kwanza wa majaribio kwenye kinu cha nyuklia cha JET, kikubwa zaidi hadi sasa, kinu hicho kilipata mionzi kiasi kwamba uundaji wa mfumo maalum wa matengenezo ya roboti ulihitajika zaidi kukamilisha jaribio hilo. Sababu nyingine ya kukatisha tamaa katika uendeshaji wa reactor ya thermonuclear ni ufanisi wake - 20%, wakati ufanisi wa mtambo wa nyuklia ni 33-34%, na kituo cha nguvu cha mafuta ni 40%.

Uundaji wa mradi wa ITER na uzinduzi wa kinu

Mradi wa ITER ulianza 1985, wakati Umoja wa Soviet ilipendekeza uundaji wa pamoja wa tokamak - chumba cha toroidal na coils ya sumaku ambayo ina uwezo wa kushikilia plasma kwa kutumia sumaku, na hivyo kuunda hali zinazohitajika kwa mmenyuko wa muunganisho wa thermonuclear kutokea. Mnamo 1992, makubaliano ya pande nne juu ya maendeleo ya ITER yalitiwa saini, vyama ambavyo vilikuwa EU, USA, Russia na Japan. Mnamo 1994, Jamhuri ya Kazakhstan ilijiunga na mradi huo, mnamo 2001 - Canada, mnamo 2003 - Korea Kusini na China, mwaka 2005 - India. Mnamo 2005, eneo la ujenzi wa reactor liliamuliwa - Kituo cha Utafiti wa Nishati ya Nyuklia cha Cadarache, Ufaransa.

Ujenzi wa reactor ulianza na maandalizi ya shimo kwa msingi. Kwa hivyo vigezo vya shimo vilikuwa 130 x 90 x 17 mita. Mchanganyiko mzima wa tokamak utakuwa na uzito wa tani 360,000, ambayo tani 23,000 ni tokamak yenyewe.

Vipengele mbalimbali vya tata ya ITER vitatengenezwa na kutolewa kwenye tovuti ya ujenzi kutoka duniani kote. Kwa hiyo mwaka wa 2016, sehemu ya waendeshaji wa coils ya poloidal ilitengenezwa nchini Urusi, ambayo ilitumwa kwa China, ambayo itazalisha coils wenyewe.

Kwa wazi, kazi kubwa kama hiyo sio rahisi kuandaa mara kadhaa; Kwa hivyo, kulingana na ujumbe wa mwaka jana (2016) wa Juni: "kupokea plasma ya kwanza imepangwa Desemba 2025."

Utaratibu wa uendeshaji wa ITER tokamak

Neno "tokamak" linatokana na kifupi cha Kirusi ambacho kinamaanisha "chumba cha toroidal na coils magnetic."

Moyo wa tokamak ni chumba chake cha utupu chenye umbo la torus. Ndani, chini ya joto kali na shinikizo, gesi ya mafuta ya hidrojeni huwa plasma - gesi ya moto, inayotokana na umeme. Kama inavyojulikana, vitu vya nyota vinawakilishwa na plasma, na athari za nyuklia kwenye msingi wa jua hutokea kwa usahihi chini ya hali ya joto la juu na shinikizo. Hali sawa za malezi, uhifadhi, ukandamizaji na joto la plasma huundwa kwa njia ya coil kubwa za magnetic ambazo ziko karibu na chombo cha utupu. Ushawishi wa sumaku utapunguza plasma ya moto kutoka kwa kuta za chombo.

Kabla ya mchakato kuanza, hewa na uchafu huondolewa kwenye chumba cha utupu. Kisha malipo mifumo ya sumaku, ambayo itasaidia kudhibiti plasma, na mafuta ya gesi huletwa. Wakati mwenye nguvu mkondo wa umeme, gesi hugawanyika kwa umeme na inakuwa ionized (yaani, elektroni huondoka kwenye atomi) na kuunda plasma.

Chembe za plasma zinapowashwa na kugongana, pia huanza kupata joto. Mbinu za kupokanzwa zinazosaidiwa husaidia kuleta plasma kwenye joto la kuyeyuka (150 hadi 300 milioni ° C). Chembe "zinazosisimka" kwa kiwango hiki zinaweza kushinda msukosuko wao wa asili wa sumakuumeme zinapogongana, na kutoa nishati nyingi sana kama matokeo ya migongano kama hiyo.

Muundo wa tokamak una vitu vifuatavyo:

Chombo cha utupu

(“donati”) ni chumba cha toroidal kilichotengenezwa kwa chuma cha pua. Yake kipenyo kikubwa ni 19 m, ndogo ni 6 m, na urefu ni 11 m. Kiasi cha chumba ni 1,400 m 3, na uzito ni zaidi ya tani 5,000 kati ya kuta, ambayo itakuwa maji distilled. Ili kuepuka uchafuzi wa maji, ukuta wa ndani wa chumba unalindwa kutoka mionzi ya mionzi kwa kutumia blanketi.

Blanketi

("blanketi") - linajumuisha vipande 440 vinavyofunika uso wa ndani kamera. Jumla ya eneo eneo la karamu ni 700m2. Kila kipande ni aina ya kaseti, mwili ambao hutengenezwa kwa shaba, na ukuta wa mbele huondolewa na hutengenezwa kwa berili. Vigezo vya kaseti ni 1x1.5 m, na wingi sio zaidi ya tani 4.6 za kaseti hizo za berili zitapunguza kasi ya neutroni za juu zinazoundwa wakati wa majibu. Wakati wa kiasi cha neutroni, joto litatolewa na kuondolewa na mfumo wa baridi. Ikumbukwe kwamba vumbi la berili linaloundwa kutokana na operesheni ya reactor inaweza kusababisha ugonjwa mbaya unaoitwa berili na pia ina athari ya kansa. Kwa sababu hii, hatua kali za usalama zinatengenezwa kwenye tata hiyo.

Tokamak katika sehemu. Njano - solenoid, machungwa - uwanja wa toroidal (TF) na sumaku za shamba la poloidal (PF), bluu - blanketi, bluu nyepesi - VV - chombo cha utupu, zambarau - kibadilishaji

("ashtray") ya aina ya poloidal ni kifaa ambacho kazi yake kuu ni "kusafisha" plasma ya uchafu unaotokana na joto na mwingiliano wa kuta za chumba kilichofunikwa na blanketi nayo. Wakati uchafuzi huo unapoingia kwenye plasma, huanza kuangaza kwa nguvu, na kusababisha hasara za ziada za mionzi. Iko chini ya tokomak na, kwa kutumia sumaku, inaongoza tabaka za juu za plasma (ambazo ni zilizochafuliwa zaidi) kwenye chumba cha baridi. Hapa plasma inapoa na inageuka kuwa gesi, baada ya hapo inarudishwa nje ya chumba. Vumbi la Beriliamu, baada ya kuingia kwenye chumba, kwa kweli haliwezi kurudi kwenye plasma. Kwa hivyo, uchafuzi wa plasma unabaki tu juu ya uso na hauingii zaidi.

Crystal

- sehemu kubwa zaidi ya tokomak, ambayo ni shell ya chuma cha pua yenye kiasi cha 16,000 m 2 (29.3 x 28.6 m) na wingi wa tani 3,850 za mfumo zitapatikana ndani ya cryostat, na yenyewe hutumikia kama kizuizi kati ya tokamak na mazingira ya nje. Juu ya kuta zake za ndani kutakuwa na skrini za joto zilizopozwa na nitrojeni inayozunguka kwa joto la 80 K (-193.15 ° C).

Mfumo wa sumaku

- seti ya vipengele ambavyo hutumikia vyenye na kudhibiti plasma ndani ya chombo cha utupu. Ni seti ya vipengele 48:

  • Coils ya toroidal ya shamba iko nje ya chumba cha utupu na ndani ya cryostat. Wao huwasilishwa kwa vipande 18, kila mmoja kupima 15 x 9 m na uzito wa takriban tani 300 Pamoja, coils hizi huzalisha shamba la magnetic ya 11.8 Tesla karibu na torus ya plasma na kuhifadhi nishati ya 41 GJ.
  • Vipuli vya shamba la Poloidal - ziko juu ya vijiti vya toroidal na ndani ya cryostat. Coil hizi zinawajibika kwa kutoa uwanja wa sumaku ambao hutenganisha misa ya plasma kutoka kwa kuta za chumba na kushinikiza plasma kwa joto la adiabatic. Idadi ya coils vile ni 6. Mbili ya coil ina kipenyo cha 24 m na wingi wa tani 400 nne iliyobaki ni ndogo.
  • Solenoid ya kati iko katika sehemu ya ndani ya chumba cha toroidal, au tuseme katika "shimo la donut". Kanuni ya uendeshaji wake ni sawa na transformer, na kazi kuu ni kusisimua sasa inductive katika plasma.
  • Vipu vya kurekebisha ziko ndani ya chombo cha utupu, kati ya blanketi na ukuta wa chumba. Kazi yao ni kudumisha sura ya plasma, yenye uwezo wa "bulging" ndani ya nchi na hata kugusa kuta za chombo. Inakuwezesha kupunguza kiwango cha mwingiliano wa kuta za chumba na plasma, na kwa hiyo kiwango cha uchafuzi wake, na pia hupunguza kuvaa kwa chumba yenyewe.

Muundo wa tata wa ITER

Muundo wa tokamak ulioelezewa hapo juu "kwa ufupi" ni utaratibu wa ubunifu ulio ngumu sana uliokusanywa kupitia juhudi za nchi kadhaa. Hata hivyo, kwa uendeshaji wake kamili, tata nzima ya majengo iko karibu na tokamak inahitajika. Miongoni mwao:

  • Udhibiti, Ufikiaji wa Data na Mfumo wa Mawasiliano - CODAC. Iko katika idadi ya majengo ya tata ya ITER.
  • Uhifadhi wa mafuta na mfumo wa mafuta - hutumikia kutoa mafuta kwa tokamak.
  • Mfumo wa utupu - una pampu za utupu zaidi ya mia nne, kazi ambayo ni kusukuma bidhaa za mmenyuko wa nyuklia, pamoja na uchafuzi mbalimbali kutoka kwenye chumba cha utupu.
  • Mfumo wa cryogenic - unaowakilishwa na mzunguko wa nitrojeni na heliamu. Mzunguko wa heliamu utarekebisha hali ya joto katika tokamak, kazi (na kwa hivyo hali ya joto) ambayo haitokei kila wakati, lakini kwa mapigo. Saketi ya nitrojeni itapunguza ngao za joto za cryostat na mzunguko wa heliamu yenyewe. Pia kutakuwa na mfumo wa baridi wa maji, ambayo inalenga kupunguza joto la kuta za blanketi.
  • Ugavi wa nguvu. Tokamak itahitaji takriban MW 110 za nishati ili kazi ya kudumu. Ili kufanikisha hili, nyaya za umeme za urefu wa kilomita zitawekwa na kuunganishwa kwenye mtandao wa viwanda wa Ufaransa. Inafaa kukumbuka kuwa kituo cha majaribio cha ITER haitoi uzalishaji wa nishati, lakini hufanya kazi kwa masilahi ya kisayansi tu.

Ufadhili wa ITER

Kinu cha kimataifa cha nyuklia cha ITER ni kazi ghali, ambayo awali ilikadiriwa kuwa dola bilioni 12, huku Urusi, Marekani, Korea, China na India zikichangia 1/11 ya kiasi hicho, Japan kwa 2/11, na EU kwa 4. /11 . Kiasi hiki baadaye kiliongezeka hadi dola bilioni 15. Ni vyema kutambua kwamba fedha hutokea kwa njia ya usambazaji wa vifaa vinavyohitajika kwa ajili ya tata, ambayo inatengenezwa katika kila nchi. Kwa hivyo, Urusi hutoa mablanketi, vifaa vya kupokanzwa plasma na sumaku za superconducting.

Mtazamo wa mradi

KATIKA kwa sasa Mchanganyiko wa ITER unajengwa na vipengele vyote vinavyohitajika kwa tokamak vinazalishwa. Baada ya uzinduzi uliopangwa wa tokamak mnamo 2025, mfululizo wa majaribio utaanza, kulingana na matokeo ambayo mambo ambayo yanahitaji uboreshaji yatazingatiwa. Baada ya kutumia ITER kwa mafanikio, imepangwa kujenga mtambo wa kuzalisha umeme kwa msingi wa muunganisho wa nyuklia unaoitwa DEMO (DEMOnstration Power Plant). Lengo la DEMo ni kuonyesha kile kinachoitwa "rufaa ya kibiashara" ya nguvu ya muunganisho. Ikiwa ITER ina uwezo wa kuzalisha MW 500 pekee za nishati, basi DEMO itaweza kuzalisha nishati ya GW 2 mfululizo.

Hata hivyo, inapaswa kukumbushwa katika akili kwamba kituo cha majaribio cha ITER hakitazalisha nishati, na madhumuni yake ni kupata faida za kisayansi tu. Na kama unavyojua, hii au jaribio hilo la kimwili haliwezi tu kufikia matarajio, lakini pia kuleta ujuzi mpya na uzoefu kwa ubinadamu.

Kwa muda mrefu trudnopisaka aliniuliza nitoe chapisho kuhusu kinu cha nyuklia kinachoendelea kujengwa. Pata maelezo ya kuvutia ya teknolojia, tafuta kwa nini mradi huu unachukua muda mrefu kutekelezwa. Hatimaye nimekusanya nyenzo. Hebu tufahamiane na maelezo ya mradi huo.

Yote yalianzaje? "Changamoto ya nishati" iliibuka kama matokeo ya mchanganyiko wa mambo matatu yafuatayo:

1. Ubinadamu sasa hutumia kiasi kikubwa cha nishati.

Hivi sasa, matumizi ya nishati duniani ni takriban terawati 15.7 (TW). Kugawanya thamani hii kwa idadi ya watu duniani, tunapata takriban wati 2400 kwa kila mtu, ambayo inaweza kukadiriwa na kuonekana kwa urahisi. Nishati inayotumiwa na kila mkaaji wa Dunia (ikiwa ni pamoja na watoto) inalingana na uendeshaji wa saa-saa wa taa za umeme za mia 24 za watt. Hata hivyo, matumizi ya nishati hii katika sayari yote hayalingani sana, kwani ni makubwa sana katika nchi kadhaa na hayafai katika nyingine. Matumizi (kwa suala la mtu mmoja) ni sawa na 10.3 kW nchini Marekani (moja ya maadili ya rekodi), 6.3 kW katika Shirikisho la Urusi, 5.1 kW nchini Uingereza, nk, lakini, kwa upande mwingine, ni sawa. 0.21 kW pekee nchini Bangladesh (asilimia 2 pekee ya matumizi ya nishati ya Marekani!).

2. Matumizi ya nishati duniani yanaongezeka kwa kasi.

Kulingana na Wakala wa Kimataifa wa Nishati (2006), matumizi ya nishati ulimwenguni yanatarajiwa kuongezeka kwa 50% ifikapo 2030. Nchi zilizoendelea zinaweza, bila shaka, kufanya vyema bila nishati ya ziada, lakini ukuaji huu ni muhimu ili kuwaondoa watu kutoka kwa umaskini katika nchi zinazoendelea, ambapo watu bilioni 1.5 wanakabiliwa na uhaba mkubwa wa nishati. nishati ya umeme.


3. Hivi sasa, 80% ya nishati duniani inatokana na kuchoma mafuta(mafuta, makaa ya mawe na gesi), matumizi ambayo:
a) uwezekano wa kuleta hatari ya mabadiliko mabaya ya mazingira;
b) lazima itamatike siku moja.

Kwa yale ambayo yamesemwa, ni wazi kwamba sasa ni lazima tujiandae kwa mwisho wa zama za kutumia nishati ya mafuta.

Hivi sasa, mitambo ya nyuklia huzalisha nishati iliyotolewa wakati wa athari za fission kwa kiwango kikubwa. viini vya atomiki. Uundaji na uendelezaji wa vituo hivyo unapaswa kuhimizwa kwa kila njia, lakini lazima izingatiwe kwamba akiba ya moja ya nyenzo muhimu kwa uendeshaji wao (uranium ya bei nafuu) inaweza pia kutumika kabisa ndani ya miaka 50 ijayo. . Uwezekano wa nishati inayotegemea mtengano wa nyuklia unaweza (na unapaswa) kupanuliwa kwa kiasi kikubwa kupitia matumizi ya mizunguko ya nishati yenye ufanisi zaidi, kuruhusu kiasi cha nishati inayozalishwa kuwa karibu mara mbili. Ili kuendeleza nishati katika mwelekeo huu, ni muhimu kuunda reactors za thorium (kinachojulikana kama reactors ya thorium breeder au reactors ya wafugaji), ambapo mmenyuko hutoa thoriamu zaidi kuliko uranium ya awali, kama matokeo ambayo jumla ya nishati inayozalishwa. kwa kiasi fulani cha dutu huongezeka kwa mara 40 . Pia inaonekana kuahidi kuunda wafugaji wa plutonium kwa kutumia neutroni za haraka, ambazo ni bora zaidi kuliko vinu vya urani na vinaweza kutoa nishati mara 60 zaidi. Inaweza kuhitajika kuunda mpya ili kuendeleza maeneo haya. mbinu zisizo za kawaida kupata uranium (kwa mfano, kutoka kwa maji ya bahari, ambayo inaonekana kuwa ni kupatikana zaidi).

Mitambo ya nguvu ya fusion

takwimu inaonyesha mchoro wa mzunguko(bila kuheshimu ukubwa) muundo na kanuni ya uendeshaji wa mtambo wa nguvu za nyuklia. Katika sehemu ya kati kuna chemba ya toroidal (umbo la donati) yenye ujazo wa ~ 2000 m3, iliyojaa plasma ya tritium-deuterium (T-D) iliyopashwa joto hadi zaidi ya 100 M°C. Neutroni zinazozalishwa wakati wa mmenyuko wa muunganisho (1) huacha "chupa ya sumaku" na kuingia kwenye ganda lililoonyeshwa kwenye mchoro na unene wa takriban 1 m.

Ndani ya ganda, neutroni hugongana na atomi za lithiamu, na kusababisha athari ambayo hutoa tritium:

nutroni + lithiamu → heliamu + tritium

Kwa kuongezea, athari za kushindana hufanyika kwenye mfumo (bila malezi ya tritium), na vile vile athari nyingi na kutolewa kwa neutroni za ziada, ambayo pia husababisha malezi ya tritium (katika kesi hii, kutolewa kwa neutroni za ziada kunaweza kutolewa. kuimarishwa kwa kiasi kikubwa, kwa mfano, kwa kuanzisha atomi za berili kwenye shell na risasi). Hitimisho la jumla ni kwamba kituo hiki kinaweza (angalau kinadharia) kupata athari ya muunganisho wa nyuklia ambayo inaweza kutoa tritium. Katika kesi hii, kiasi cha tritium kinachozalishwa haipaswi kukidhi mahitaji ya ufungaji yenyewe, lakini pia kuwa kubwa zaidi, ambayo itafanya iwezekanavyo kusambaza mitambo mpya na tritium. Ni dhana hii ya uendeshaji ambayo lazima ijaribiwe na kutekelezwa katika kinu cha ITER kilichoelezwa hapa chini.

Kwa kuongezea, neutroni lazima zipashe joto ganda katika kinachojulikana mimea ya majaribio (ambapo vifaa vya ujenzi "vya kawaida" vitatumika) hadi takriban 400°C. Katika siku zijazo, imepangwa kuunda mitambo iliyoboreshwa na joto la kupokanzwa shell zaidi ya 1000 ° C, ambayo inaweza kupatikana kwa kutumia vifaa vya hivi karibuni vya nguvu za juu (kama vile composites ya silicon carbudi). Joto linalotokana na shell, kama katika vituo vya kawaida, huchukuliwa na mzunguko wa baridi wa msingi na baridi (iliyo na, kwa mfano, maji au heliamu) na kuhamishiwa kwenye mzunguko wa pili, ambapo mvuke wa maji hutolewa na hutolewa kwa turbines.

1985 - Umoja wa Kisovyeti ulipendekeza mmea wa kizazi kijacho wa Tokamak, kwa kutumia uzoefu wa nchi nne zinazoongoza katika kuunda vinu vya fusion. Marekani, pamoja na Japan na Jumuiya ya Ulaya, walitoa pendekezo la utekelezaji wa mradi huo.

Hivi sasa, nchini Ufaransa, ujenzi unaendelea kwenye reactor ya kimataifa ya majaribio ya thermonuclear ITER (International Tokamak Experimental Reactor), iliyoelezwa hapa chini, ambayo itakuwa tokamak ya kwanza yenye uwezo wa "kuwasha" plasma.

Ufungaji wa hali ya juu zaidi wa tokamak kwa muda mrefu umefikia joto la karibu 150 M° C, karibu na thamani zinazohitajika kwa uendeshaji wa kituo cha muunganisho, lakini kinu cha ITER kinapaswa kuwa mtambo wa kwanza mkubwa wa nguvu iliyoundwa kwa muda mrefu. - operesheni ya muda. Katika siku zijazo, itakuwa muhimu kuboresha kwa kiasi kikubwa vigezo vyake vya uendeshaji, ambayo itahitaji, kwanza kabisa, kuongeza shinikizo katika plasma, kwani kiwango cha fusion ya nyuklia kwa joto fulani ni sawa na mraba wa shinikizo. Kuu tatizo la kisayansi hii ni kutokana na ukweli kwamba wakati shinikizo katika plasma linaongezeka, matatizo magumu sana na hatari hutokea, yaani, njia za uendeshaji zisizo imara.



Kwa nini tunahitaji hili?

Faida kuu ya muunganisho wa nyuklia ni kwamba inahitaji kiasi kidogo sana cha vitu ambavyo ni vya kawaida sana katika asili kama mafuta. Mwitikio wa muunganisho wa nyuklia katika mitambo iliyoelezewa inaweza kusababisha kutolewa kwa kiasi kikubwa cha nishati, mara milioni kumi zaidi ya kutolewa kwa joto la kawaida wakati wa kawaida. athari za kemikali(kama kuchoma mafuta ya kisukuku). Kwa kulinganisha, tunasema kwamba kiasi cha makaa ya mawe kinachohitajika kwa mtambo wa nguvu ya mafuta yenye uwezo wa gigawati 1 (GW) ni tani 10,000 kwa siku (magari kumi ya reli), na kiwanda cha kuunganisha cha nguvu sawa kitatumia tu kuhusu Kilo 1 ya mchanganyiko wa D+T kwa siku.

Deuterium ni isotopu imara ya hidrojeni; Katika takriban molekuli moja kati ya 3,350 za maji ya kawaida, moja ya atomi za hidrojeni hubadilishwa na deuterium (urithi kutoka kwa Big Bang). Ukweli huu hufanya iwe rahisi kuandaa vya kutosha nafuu kupokea kiasi kinachohitajika cha deuterium kutoka kwa maji. Ni ngumu zaidi kupata tritium, ambayo haina msimamo (nusu ya maisha ni kama miaka 12, kama matokeo ambayo yaliyomo katika maumbile hayana maana), hata hivyo, kama inavyoonyeshwa hapo juu, tritium itaonekana moja kwa moja ndani ya usakinishaji wa thermonuclear wakati wa operesheni. kutokana na mmenyuko wa nyutroni na lithiamu.

Kwa hivyo, mafuta ya awali ya reactor ya fusion ni lithiamu na maji. Lithium ni chuma cha kawaida kinachotumiwa sana katika vifaa vya nyumbani (betri za simu za mkononi nk). Ufungaji ulioelezwa hapo juu, hata kwa kuzingatia ufanisi usiofaa, utaweza kuzalisha 200,000 kWh ya nishati ya umeme, ambayo ni sawa na nishati iliyo katika tani 70 za makaa ya mawe. Kiasi cha lithiamu kinachohitajika kwa hili kimo kwenye betri moja ya kompyuta, na kiasi cha deuterium iko katika lita 45 za maji. Thamani iliyo hapo juu inalingana na matumizi ya sasa ya umeme (inayohesabiwa kwa kila mtu) katika nchi za EU zaidi ya miaka 30. Ukweli kwamba kiasi kidogo kama hicho cha lithiamu kinaweza kuhakikisha uzalishaji wa kiasi kama hicho cha umeme (bila uzalishaji wa CO2 na bila uchafuzi mdogo wa hewa) ni hoja nzito kwa maendeleo ya haraka na yenye nguvu zaidi ya nishati ya nyuklia (licha ya yote. matatizo na matatizo) na hata bila kujiamini kwa asilimia mia moja katika mafanikio ya utafiti huo.

Deuterium inapaswa kudumu kwa mamilioni ya miaka, na akiba ya lithiamu inayochimbwa kwa urahisi inatosha kusambaza mahitaji kwa mamia ya miaka. Hata kama akiba ya lithiamu ni miamba inaisha, tunaweza kuitoa kutoka kwa maji, ambapo hupatikana katika mkusanyiko wa juu wa kutosha (mara 100 ya ukolezi wa urani) ili kufanya uchimbaji wake ufanyike kiuchumi.

Kinu cha majaribio cha kinuklia (Kitena cha kimataifa cha majaribio ya thermonuclear) kinajengwa karibu na mji wa Cadarache nchini Ufaransa. Lengo kuu la mradi wa ITER ni kutekeleza athari ya muunganisho wa kinyuklia unaodhibitiwa kwa kiwango cha viwanda.

Kwa uzito wa kitengo cha mafuta ya nyuklia, karibu mara milioni 10 zaidi ya nishati hupatikana kuliko wakati wa kuchoma kiasi sawa cha mafuta ya kikaboni, na karibu mara mia zaidi ya wakati wa kugawanya viini vya urani katika vinu vya mitambo ya nyuklia inayoendesha sasa. Ikiwa mahesabu ya wanasayansi na wabunifu yatatimia, hii itawapa ubinadamu chanzo kisicho na mwisho cha nishati.

Kwa hivyo, nchi kadhaa (Urusi, India, Uchina, Korea, Kazakhstan, USA, Canada, Japan, nchi za Jumuiya ya Ulaya) ziliungana katika kuunda Reactor ya Kimataifa ya Utafiti wa Thermonuclear - mfano wa mpya. mitambo ya nguvu.

ITER ni kituo kinachounda hali ya usanisi wa atomi za hidrojeni na tritium (isotopu ya hidrojeni), na kusababisha kuundwa kwa atomi mpya - atomi ya heliamu. Utaratibu huu unaambatana na mlipuko mkubwa wa nishati: joto la plasma ambayo mmenyuko wa nyuklia hutokea ni karibu digrii milioni 150 za Celsius (kwa kulinganisha, joto la msingi wa Jua ni digrii milioni 40). Katika kesi hii, isotopu huwaka, na kuacha karibu hakuna taka ya mionzi.
Mpango wa ushiriki katika mradi wa kimataifa hutoa usambazaji wa vipengele vya reactor na ufadhili wa ujenzi wake. Kwa kubadilishana hii, kila moja ya nchi zinazoshiriki hupokea ufikiaji kamili wa teknolojia zote za kuunda kinu cha nyuklia na matokeo ya kazi yote ya majaribio kwenye kinu hiki, ambacho kitatumika kama msingi wa muundo wa mitambo ya serial ya nyuklia.

Reactor, kulingana na kanuni ya fusion ya thermonuclear, haina mionzi ya mionzi na ni salama kabisa kwa mazingira. Inaweza kuwa karibu popote duniani, na mafuta yake ni maji ya kawaida. Ujenzi wa ITER unatarajiwa kudumu kwa takriban miaka kumi, baada ya hapo kinu kinatarajiwa kutumika kwa miaka 20.


Inayoweza kubofya 4000 px

Masilahi ya Urusi katika Baraza la Shirika la Kimataifa la Ujenzi wa Reactor ya Thermonuclear ya ITER katika miaka ijayo itawakilishwa na Mwanachama Sambamba wa Chuo cha Sayansi cha Urusi Mikhail Kovalchuk - Mkurugenzi wa Taasisi ya Kurchatov, Taasisi ya Crystallography ya Chuo cha Sayansi cha Urusi. Katibu wa Sayansi na Sayansi wa Baraza la Rais la Sayansi, Teknolojia na Elimu. Kovalchuk atachukua nafasi ya msomi Evgeniy Velikhov kwa muda katika wadhifa huu, ambaye alichaguliwa kuwa mwenyekiti wa Baraza la Kimataifa la ITER kwa miaka miwili ijayo na hana haki ya kuchanganya msimamo huu na majukumu ya mwakilishi rasmi wa nchi inayoshiriki.

Gharama ya jumla ya ujenzi inakadiriwa kuwa euro bilioni 5, na kiasi sawa kitahitajika kwa uendeshaji wa majaribio ya reactor. Hisa za India, Uchina, Korea, Urusi, Marekani na Japan kila moja huchangia takriban asilimia 10 ya thamani yote, asilimia 45 inatoka katika nchi za Umoja wa Ulaya. Hata hivyo, mataifa ya Ulaya bado hayajakubaliana juu ya jinsi gani hasa gharama zitagawanywa kati yao. Kwa sababu hii, kuanza kwa ujenzi kuliahirishwa hadi Aprili 2010. Licha ya ucheleweshaji wa hivi punde, wanasayansi na maafisa wanaohusika katika ITER wanasema wataweza kukamilisha mradi huo kufikia 2018.

Kadirio la nishati ya nyuklia ya ITER ni megawati 500. Sehemu za sumaku za kibinafsi hufikia uzito wa tani 200 hadi 450. Ili kupoza ITER, mita za ujazo elfu 33 za maji kwa siku zitahitajika.

Mnamo 1998, Merika iliacha kufadhili ushiriki wake katika mradi huo. Baada ya Warepublican kuingia madarakani na kukatika kwa umeme kuanza huko California, utawala wa Bush ulitangaza kuongeza uwekezaji katika nishati. Merika haikukusudia kushiriki katika mradi wa kimataifa na ilijishughulisha na mradi wake wa nyuklia. Mapema mwaka wa 2002, mshauri wa Rais Bush wa teknolojia John Marburger III alisema kuwa Marekani ilikuwa imebadili mawazo yake na kunuia kurudi kwenye mradi huo.

Kwa upande wa idadi ya washiriki, mradi huo unalinganishwa na mradi mwingine mkubwa wa kimataifa wa kisayansi - wa Kimataifa kituo cha anga. Gharama ya ITER, ambayo hapo awali ilifikia dola bilioni 8, basi ilifikia chini ya bilioni 4. Kama matokeo ya kujiondoa kwa Merika kutoka kwa ushiriki, iliamuliwa kupunguza nguvu ya reactor kutoka 1.5 GW hadi 500 MW. Kwa hiyo, bei ya mradi pia imepungua.

Mnamo Juni 2002, kongamano la "ITER Days in Moscow" lilifanyika katika mji mkuu wa Urusi. Ilijadili shida za kinadharia, za vitendo na za shirika za kufufua mradi huo, mafanikio ambayo yanaweza kubadilisha hatima ya ubinadamu na kuwapa. sura mpya nishati, kulinganishwa kwa ufanisi na uchumi tu kwa nishati ya Jua.

Mnamo Julai 2010, wawakilishi wa nchi zinazoshiriki katika mradi wa kimataifa wa kinuklia wa ITER waliidhinisha bajeti yake na ratiba ya ujenzi katika mkutano usio wa kawaida uliofanyika Cadarache, Ufaransa. .

Katika mkutano wa mwisho usio wa kawaida, washiriki wa mradi waliidhinisha tarehe ya kuanza kwa majaribio ya kwanza ya plasma - 2019. Majaribio kamili yamepangwa kufanyika Machi 2027, ingawa usimamizi wa mradi uliwaomba wataalamu wa kiufundi kujaribu kuboresha mchakato na kuanza majaribio mwaka wa 2026. Washiriki wa mkutano pia waliamua juu ya gharama za ujenzi wa reactor, lakini kiasi kilichopangwa kutumika kuunda usakinishaji haukuwekwa wazi. Kulingana na habari iliyopokelewa na mhariri wa tovuti ya ScienceNOW kutoka kwa chanzo kisicho na jina, wakati majaribio yanaanza, gharama ya mradi wa ITER inaweza kufikia euro bilioni 16.

Mkutano wa Cadarache pia uliadhimisha siku ya kwanza rasmi ya kazi kwa mkurugenzi mpya wa mradi, mwanafizikia wa Kijapani Osamu Motojima. Kabla yake, mradi huo ulikuwa ukiongozwa tangu 2005 na Kaname Ikeda wa Japani, ambaye alitaka kuacha wadhifa wake mara baada ya bajeti na tarehe za mwisho za ujenzi kuidhinishwa.

Kinu cha ITER ni mradi wa pamoja wa Umoja wa Ulaya, Uswizi, Japan, Marekani, Urusi, Korea Kusini, China na India. Wazo la kuunda ITER limekuwa likizingatiwa tangu miaka ya 80 ya karne iliyopita, hata hivyo, kwa sababu ya shida za kifedha na kiufundi, gharama ya mradi inakua kila wakati, na tarehe ya kuanza kwa ujenzi inaahirishwa kila wakati. Mnamo 2009, wataalam walitarajia kwamba kazi ya kuunda kinu itaanza mnamo 2010. Baadaye, tarehe hii ilihamishwa, na kwanza 2018 na kisha 2019 ilitajwa kama wakati wa uzinduzi wa kinu.

Athari za muunganisho wa thermonuclear ni athari za muunganisho wa viini vya isotopu nyepesi kuunda kiini kizito, ambacho huambatana na kutolewa kwa nishati kubwa. Kwa nadharia, vinu vya muunganisho vinaweza kutoa nishati nyingi kwa gharama ya chini, lakini kwa sasa wanasayansi wanatumia nishati na pesa nyingi zaidi kuanza na kudumisha majibu ya muunganisho.



Fusion ni nafuu na rafiki wa mazingira njia salama uzalishaji wa nishati. Mchanganyiko wa nyuklia usiodhibitiwa umekuwa ukitokea kwenye Jua kwa mabilioni ya miaka - heliamu huundwa kutoka kwa deuterium ya isotopu ya hidrojeni. Hii hutoa kiasi kikubwa cha nishati. Walakini, watu Duniani bado hawajajifunza kudhibiti athari kama hizo.

Kitendo cha ITER kitatumia isotopu za hidrojeni kama mafuta. Wakati wa mmenyuko wa thermonuclear, nishati hutolewa wakati atomi za mwanga zinapounganishwa na kuwa nzito zaidi. Ili kufikia hili, gesi lazima iwe moto hadi joto la digrii zaidi ya milioni 100 - juu sana kuliko joto la katikati ya Jua. Gesi kwa joto hili hugeuka kuwa plasma. Wakati huo huo, atomi za isotopu za hidrojeni huunganishwa, na kugeuka kuwa atomi za heliamu na kutolewa kwa idadi kubwa ya neutroni. Kiwanda cha nguvu kinachofanya kazi kwa kanuni hii kitatumia nishati ya neutroni iliyopunguzwa kasi na safu ya nyenzo mnene (lithiamu).

Kwa nini uundaji wa mitambo ya nyuklia ulichukua muda mrefu?

Kwa nini ni muhimu sana na mitambo yenye thamani, faida ambazo zimejadiliwa kwa karibu nusu karne, bado hazijaundwa? Kuna sababu tatu kuu (kujadiliwa hapa chini), ya kwanza ambayo inaweza kuitwa nje au kijamii, na nyingine mbili - ndani, yaani, kuamua na sheria na masharti ya maendeleo ya nishati ya nyuklia yenyewe.

1. Kwa muda mrefu iliaminika kuwa tatizo la matumizi ya vitendo ya nishati ya fusion ya thermonuclear haukuhitaji maamuzi na vitendo vya haraka, tangu nyuma katika miaka ya 80 ya karne iliyopita, vyanzo vya mafuta vilionekana kuwa visivyo na mwisho, na matatizo ya mazingira na mabadiliko ya hali ya hewa hayakuhusu umma. Mnamo mwaka wa 1976, Kamati ya Ushauri ya Nishati ya Fusion katika Idara ya Nishati ya Marekani ilijaribu kukadiria muda wa R&D na mtambo wa uunganishaji wa maonyesho huko. chaguzi tofauti fedha za utafiti. Wakati huo huo, iligunduliwa kuwa kiasi cha fedha za kila mwaka kwa ajili ya utafiti katika mwelekeo huu haitoshi kabisa, na ikiwa kiwango kilichopo cha ugawaji kinadumishwa, uundaji wa mitambo ya nyuklia hautafanikiwa kamwe, kwani fedha zilizotengwa hazifanani. hata kwa kiwango cha chini, muhimu.

2. Kikwazo kikubwa zaidi kwa maendeleo ya utafiti katika eneo hili ni kwamba uwekaji wa nyuklia wa aina inayojadiliwa hauwezi kuundwa na kuonyeshwa kwa kiwango kidogo. Kutoka kwa maelezo yaliyowasilishwa hapa chini, itakuwa wazi kuwa mchanganyiko wa thermonuclear hauhitaji tu kufungwa kwa sumaku ya plasma, lakini pia inapokanzwa kwa kutosha. Uwiano wa nishati iliyotumiwa na iliyopokelewa huongezeka angalau kwa uwiano wa mraba wa vipimo vya mstari wa ufungaji, kwa sababu ambayo uwezo wa kisayansi na kiufundi na faida za mitambo ya nyuklia inaweza kujaribiwa na kuonyeshwa tu katika vituo vikubwa vya haki. kama kinu kilichotajwa cha ITER. Jamii haikuwa tayari kufadhili miradi hiyo mikubwa hadi kuwe na imani ya kutosha katika mafanikio.

3. Maendeleo ya nishati ya nyuklia yalikuwa sana tabia tata, hata hivyo (licha ya ufadhili wa kutosha na matatizo katika kuchagua vituo vya kuunda mitambo ya JET na ITER) katika miaka ya hivi karibuni Kuna maendeleo ya wazi, ingawa kituo kinachofanya kazi bado hakijaundwa.


Ulimwengu wa kisasa unakabiliwa na changamoto kubwa sana ya nishati, ambayo inaweza kuitwa kwa usahihi zaidi "shida ya nishati isiyo na uhakika." Tatizo linahusiana na ukweli kwamba hifadhi za mafuta zinaweza kumalizika katika nusu ya pili ya karne hii. Zaidi ya hayo, mwako wa nishati ya kisukuku unaweza kusababisha haja ya kwa namna fulani kufunga na "kuokoa" uzalishaji unaotolewa kwenye angahewa. kaboni dioksidi(mpango wa CCS uliotajwa hapo juu) ili kuzuia mabadiliko makubwa katika hali ya hewa ya sayari.

Hivi sasa, karibu nishati zote zinazotumiwa na ubinadamu huundwa kwa kuchoma mafuta ya mafuta, na suluhisho la tatizo linaweza kuhusishwa na matumizi ya nishati ya jua au nishati ya nyuklia (uundaji wa mitambo ya wafugaji wa haraka, nk). Tatizo la kimataifa, kutokana na kuongezeka kwa idadi ya watu wa nchi zinazoendelea na hitaji lao la kuboresha hali ya maisha na kuongeza kiwango cha nishati inayozalishwa, haiwezi kutatuliwa tu kwa misingi ya mbinu zinazozingatiwa, ingawa, bila shaka, majaribio yoyote ya maendeleo yanapaswa kuhimizwa. mbinu mbadala uzalishaji wa nishati.

Kwa kusema kweli, tuna chaguo ndogo la mikakati ya kitabia na ukuzaji wa nishati ya nyuklia ni muhimu sana, hata licha ya ukosefu wa dhamana ya mafanikio. Gazeti la Financial Times (la tarehe 25 Januari 2004) liliandika kuhusu hili:

Hebu tumaini kwamba hakutakuwa na mshangao mkubwa na zisizotarajiwa kwenye njia ya maendeleo ya nishati ya nyuklia. Katika kesi hii, katika takriban miaka 30 tutaweza kusambaza umeme wa sasa kutoka kwake hadi kwa mitandao ya nishati kwa mara ya kwanza, na kwa zaidi ya miaka 10 mtambo wa kwanza wa kibiashara wa nyuklia utaanza kufanya kazi. Inawezekana kwamba katika nusu ya pili ya karne hii, nishati ya muunganisho wa nyuklia itaanza kuchukua nafasi ya mafuta ya kisukuku na hatua kwa hatua kuanza kuchukua jukumu muhimu zaidi. jukumu muhimu katika kutoa nishati kwa binadamu kwa kiwango cha kimataifa.

Hakuna dhamana kamili kwamba kazi ya kuunda nishati ya nyuklia (kama chanzo bora na kikubwa cha nishati kwa wanadamu wote) itakamilika kwa mafanikio, lakini uwezekano wa mafanikio katika mwelekeo huu ni wa juu sana. Kwa kuzingatia uwezo mkubwa wa vituo vya nyuklia, gharama zote za miradi ya maendeleo yao ya haraka (na hata kuharakishwa) zinaweza kuchukuliwa kuwa sawa, haswa kwa vile uwekezaji huu unaonekana kuwa wa kawaida sana dhidi ya hali ya soko la kimataifa la nishati ($ 4 trilioni kwa mwaka8). Kukidhi mahitaji ya nishati ya binadamu ni tatizo kubwa sana. Kadiri mafuta ya visukuku yanavyopungua (na matumizi yake yanakuwa yasiyofaa), hali inabadilika, na hatuwezi kumudu kutokuza nishati ya muunganisho.

Kwa swali "Nishati ya nyuklia itaonekana lini?" Lev Artsimovich (mwanzilishi anayetambuliwa na kiongozi wa utafiti katika uwanja huu) aliwahi kujibu kwamba "itaundwa wakati itakuwa muhimu sana kwa ubinadamu"


ITER itakuwa mtambo wa kwanza wa muunganisho kutoa nishati zaidi kuliko inavyotumia. Wanasayansi hupima sifa hii kwa kutumia mgawo rahisi wanaouita "Q." Ikiwa ITER itafikia malengo yake yote ya kisayansi, itazalisha nishati mara 10 zaidi ya inavyotumia. Kifaa cha hivi punde zaidi kitakachojengwa, Joint European Thor nchini Uingereza, ni kinuni cha mfano cha mfano ambacho kiko katika hatua zake za mwisho. utafiti wa kisayansi ilifikia thamani ya Q ya karibu 1. Hii ina maana kwamba ilitoa kiasi sawa cha nishati kama ilitumia. ITER itaenda zaidi ya hili kwa kuonyesha uundaji wa nishati kutoka kwa muunganisho na kufikia thamani ya Q ya 10. Wazo ni kuzalisha MW 500 kutokana na matumizi ya nishati ya takriban MW 50. Kwa hivyo, mojawapo ya malengo ya kisayansi ya ITER ni kuthibitisha kwamba thamani ya Q ya 10 inaweza kupatikana.

Lengo lingine la kisayansi ni kwamba ITER itakuwa na muda mrefu sana wa "kuchoma" - mapigo ya muda uliopanuliwa hadi saa moja. ITER ni kinu cha majaribio cha utafiti ambacho hakiwezi kutoa nishati mfululizo. Wakati ITER inapoanza kufanya kazi, itawashwa kwa saa moja, baada ya hapo itahitaji kuzimwa. Hii ni muhimu kwa sababu kile tumeunda hadi sasa vifaa vya kawaida walikuwa na uwezo wa kuwa na wakati wa kuungua wa sekunde kadhaa au hata sehemu ya kumi ya pili - hii ndiyo kiwango cha juu. "Torus ya Pamoja ya Ulaya" ilifikia thamani yake ya Q ya 1 kwa muda wa kuchoma wa takriban sekunde mbili na urefu wa mpigo wa sekunde 20. Lakini mchakato unaochukua sekunde chache sio wa kudumu. Kwa mlinganisho na kuanzisha injini ya gari: kuwasha injini kwa muda mfupi na kisha kuizima bado sio operesheni halisi ya gari. Ni wakati tu unapoendesha gari lako kwa nusu saa ndipo litafikia hali ya kufanya kazi mara kwa mara na kuonyesha kwamba gari kama hilo linaweza kuendeshwa.

Hiyo ni, kutoka kwa kiufundi na pointi za kisayansi Kwa mtazamo, ITER itatoa thamani ya Q ya 10 na muda ulioongezeka wa kuchoma.


Mpango wa muunganisho wa nyuklia ni wa kimataifa na pana kimaumbile. Watu tayari wanategemea mafanikio ya ITER na wanafikiria juu ya hatua inayofuata - kuunda mfano wa kinu ya kinyuklia ya viwandani inayoitwa DEMO. Ili kuijenga, ITER inahitaji kufanya kazi. Lazima tufikie malengo yetu ya kisayansi kwa sababu hii itamaanisha kuwa mawazo tunayoweka mbele yanawezekana kabisa. Walakini, ninakubali kwamba unapaswa kufikiria kila wakati juu ya kile kinachofuata. Kwa kuongezea, ITER inavyofanya kazi kwa miaka 25-30, maarifa yetu yataongezeka polepole na kupanuka, na tutaweza kuelezea kwa usahihi hatua yetu inayofuata.

Hakika, hakuna mjadala kuhusu kama ITER inapaswa kuwa tokamak. Wanasayansi wengine huuliza swali kwa njia tofauti kabisa: Je, ITER inapaswa kuwepo? Wataalamu katika nchi mbalimbali, kuendeleza wao wenyewe, sio miradi mikubwa ya thermonuclear, wanasema kuwa reactor kubwa kama hiyo haihitajiki kabisa.

Walakini, maoni yao hayapaswi kuzingatiwa kuwa halali. Wanafizikia ambao wamekuwa wakifanya kazi na mitego ya toroidal kwa miongo kadhaa walihusika katika kuundwa kwa ITER. Ubunifu wa kinu cha majaribio cha kinuklia huko Karadash kilitokana na maarifa yote yaliyopatikana wakati wa majaribio ya tokamaks nyingi zilizotangulia. Na matokeo haya yanaonyesha kuwa reactor lazima iwe tokamak, na kubwa kwa hiyo.

JET Kwa sasa, tokamak yenye mafanikio zaidi inaweza kuchukuliwa kuwa JET, iliyojengwa na EU katika mji wa Uingereza wa Abingdon. Hii ni reactor kubwa zaidi ya aina ya tokamak iliyoundwa hadi sasa, radius kubwa ya torus ya plasma ni mita 2.96. Nguvu ya mmenyuko wa nyuklia tayari imefikia zaidi ya megawati 20 na muda wa kuhifadhi hadi sekunde 10. Reactor inarudisha karibu 40% ya nishati iliyowekwa kwenye plasma.


Ni fizikia ya plasma ambayo huamua usawa wa nishati, "Igor Semenov aliiambia Infox.ru. Usawa wa nishati ni nini, profesa msaidizi wa MIPT aliyeelezewa katika mfano rahisi: “Sote tuliona moto ukiwaka. Kwa kweli, sio kuni inayowaka huko, lakini gesi. Msururu wa nishati huko ni kama hii: gesi huwaka, kuni huchoma, kuni huvukiza, gesi huwaka tena. Kwa hiyo, ikiwa tunatupa maji kwenye moto, tutachukua ghafla nishati kutoka kwa mfumo kwa ajili ya mabadiliko ya awamu ya maji ya kioevu kwenye hali ya mvuke. Mizani itakuwa mbaya na moto utazima. Kuna njia nyingine - tunaweza kuchukua vijiti vya moto na kueneza angani. Moto pia utazimika. Ni sawa katika reactor ya thermonuclear tunayojenga. Vipimo huchaguliwa ili kuunda usawa unaofaa wa nishati kwa kinu hiki. Inatosha kujenga kinu halisi cha nishati ya nyuklia katika siku zijazo, kutatua katika hatua hii ya majaribio matatizo yote ambayo kwa sasa hayajatatuliwa.

Vipimo vya reactor vilibadilishwa mara moja. Hii ilitokea mwanzoni mwa karne ya 20-21, wakati Merika ilipojiondoa kwenye mradi huo, na washiriki waliobaki waligundua kuwa bajeti ya ITER (wakati huo ilikadiriwa kuwa dola bilioni 10 za Amerika) ilikuwa kubwa sana. Wanafizikia na wahandisi walihitajika kupunguza gharama ya ufungaji. Na hii inaweza kufanyika tu kwa sababu ya ukubwa. "Upya" wa ITER uliongozwa na mwanafizikia wa Kifaransa Robert Aymar, ambaye hapo awali alifanya kazi kwenye Tore Supra tokamak ya Kifaransa huko Karadash. Radi ya nje ya torus ya plasma imepunguzwa kutoka mita 8.2 hadi 6.3. Hata hivyo, hatari zinazohusiana na kupunguzwa kwa ukubwa zililipwa kwa sehemu na sumaku kadhaa za ziada za superconducting, ambayo ilifanya iwezekanavyo kutekeleza hali ya kufungwa kwa plasma, ambayo ilikuwa wazi na kujifunza wakati huo.



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

Nishati ya nyuklia inahitajika?

Washa katika hatua hii maendeleo ya ustaarabu, tunaweza kusema kwa usalama kwamba ubinadamu unakabiliwa na "changamoto ya nishati." Ni kutokana na mambo kadhaa ya msingi:

- Ubinadamu sasa hutumia kiasi kikubwa cha nishati.

Hivi sasa, matumizi ya nishati duniani ni takriban terawati 15.7 (TW). Kugawanya thamani hii na idadi ya watu wa sayari, tunapata takriban wati 2400 kwa kila mtu, ambayo inaweza kukadiriwa na kufikiria kwa urahisi. Nishati inayotumiwa na kila mkaaji wa Dunia (ikiwa ni pamoja na watoto) inafanana na uendeshaji wa saa-saa wa taa za umeme 24 100-watt.

- Matumizi ya nishati duniani yanaongezeka kwa kasi.

Kulingana na Wakala wa Kimataifa wa Nishati (2006), matumizi ya nishati ulimwenguni yanatarajiwa kuongezeka kwa 50% ifikapo 2030.

- Hivi sasa, 80% ya nishati inayotumiwa na ulimwengu huundwa kwa kuchoma mafuta ya kisukuku (mafuta, makaa ya mawe na gesi.), matumizi ambayo yanaweza kusababisha hatari ya mabadiliko mabaya ya mazingira.

Utani ufuatao ni maarufu miongoni mwa Wasaudi Arabia: “Baba yangu alipanda ngamia. Nilipata gari, na mwanangu tayari anaendesha ndege. Lakini sasa mwanawe atapanda ngamia tena.”

Hii inaonekana kuwa hivyo, kwani makadirio yote makubwa ni kwamba akiba ya mafuta ulimwenguni itaisha kwa takriban miaka 50.

Hata kulingana na makadirio kutoka kwa Utafiti wa Jiolojia wa Marekani (utabiri huu una matumaini zaidi kuliko wengine), ukuaji wa uzalishaji wa mafuta duniani utaendelea kwa muda usiozidi miaka 20 ijayo (wataalam wengine wanatabiri kwamba uzalishaji wa kilele utafikiwa katika 5-10. miaka), baada ya hapo kiasi cha mafuta kinachozalishwa kitaanza kupungua kwa kiwango cha karibu 3% kwa mwaka. Matarajio ya uzalishaji gesi asilia usionekane bora zaidi. Inasemekana kuwa tutakuwa na makaa ya mawe ya kutosha kwa miaka 200 nyingine, lakini utabiri huu unategemea kudumisha kiwango kilichopo cha uzalishaji na matumizi. Wakati huo huo, matumizi ya makaa ya mawe sasa yanaongezeka kwa 4.5% kwa mwaka, ambayo hupunguza mara moja kipindi kilichotajwa cha miaka 200 hadi miaka 50 tu.

Kwa hivyo, sasa tunapaswa kujiandaa kwa mwisho wa enzi ya kutumia nishati ya mafuta.

Kwa bahati mbaya, iliyopo sasa vyanzo mbadala nishati haiwezi kukidhi mahitaji yanayokua ya ubinadamu. Kulingana na makadirio yenye matumaini zaidi, kiwango cha juu nishati (katika hali ya joto iliyobainishwa) inayotokana na vyanzo vilivyoorodheshwa ni TW 3 tu (upepo), 1 TW (hydro), 1 TW (vyanzo vya kibayolojia) na GW 100 (mimea ya jotoardhi na baharini). Jumla ya nishati ya ziada (hata katika utabiri huu bora zaidi) ni takriban TW 6 tu. Ni muhimu kuzingatia kwamba maendeleo ya vyanzo vipya vya nishati ni kazi ngumu sana ya kiufundi, hivyo gharama ya nishati wanayozalisha itakuwa ya juu zaidi kuliko mwako wa kawaida wa makaa ya mawe, nk Inaonekana wazi kabisa kwamba

ubinadamu lazima utafute vyanzo vingine vya nishati, ambavyo kwa sasa ni Jua tu na athari za muunganisho wa nyuklia zinaweza kuzingatiwa.

Jua ni uwezekano wa chanzo kisicho na mwisho cha nishati. Kiasi cha nishati inayopiga 0.1% tu ya uso wa sayari ni sawa na 3.8 TW (hata ikiwa imebadilishwa kwa ufanisi wa 15% tu). Tatizo liko katika kutokuwa na uwezo wetu wa kunasa na kubadilisha nishati hii, ambayo inahusishwa na gharama ya juu paneli za jua, pamoja na matatizo ya kusanyiko, kuhifadhi na maambukizi zaidi ya nishati iliyopokelewa kwa mikoa inayohitajika.

Hivi sasa, mimea ya nguvu za nyuklia huzalisha nishati iliyotolewa wakati wa athari za fission ya nuclei ya atomiki kwa kiwango kikubwa. Ninaamini kwamba uundaji na uendelezaji wa vituo hivyo unapaswa kuhimizwa kwa kila njia, lakini lazima izingatiwe kwamba hifadhi ya moja ya nyenzo muhimu kwa uendeshaji wao (uranium ya bei nafuu) inaweza pia kutumika kabisa ndani ya miaka 50 ijayo.

Mwelekeo mwingine muhimu wa maendeleo ni utumiaji wa muunganisho wa nyuklia (muunganisho wa nyuklia), ambao sasa unafanya kama tumaini kuu la wokovu, ingawa wakati wa uundaji wa mitambo ya kwanza ya nguvu ya nyuklia bado hauna uhakika. Hotuba hii imejitolea kwa mada hii.

Mchanganyiko wa nyuklia ni nini?

Muunganiko wa nyuklia, ambao ndio msingi wa kuwepo kwa Jua na nyota, kwa uwezekano unawakilisha chanzo kisichokwisha cha nishati kwa maendeleo ya Ulimwengu kwa ujumla. Majaribio yaliyofanywa nchini Urusi (Urusi ndio mahali pa kuzaliwa kwa mmea wa nyuklia wa Tokamak), USA, Japan, Ujerumani, na vile vile nchini Uingereza kama sehemu ya mpango wa Pamoja wa Torus wa Ulaya (JET), ambayo ni moja ya programu zinazoongoza za utafiti. ulimwenguni, onyesha kuwa muunganisho wa nyuklia unaweza kutoa sio tu mahitaji ya sasa ya nishati ya wanadamu (16 TW), lakini pia mengi. zaidi nishati.

Nishati ya muunganisho wa nyuklia ni halisi sana, na swali kuu ni ikiwa tunaweza kuunda mimea ya muunganisho inayotegemewa vya kutosha na ya gharama nafuu.

Michakato ya muunganisho wa nyuklia ni miitikio inayohusisha muunganisho wa nuklei nyepesi za atomiki kuwa nzito zaidi, ikitoa kiasi fulani cha nishati.

Kwanza kabisa, kati yao inapaswa kuzingatiwa majibu kati ya isotopu mbili (deuterium na tritium) ya hidrojeni, ambayo ni ya kawaida sana duniani, kama matokeo ya ambayo heliamu huundwa na neutron hutolewa. Majibu yanaweza kuandikwa kama ifuatavyo:

D + T = 4 Yeye + n + nishati (17.6 MeV).

Nishati iliyotolewa kutokana na ukweli kwamba heliamu-4 ina nguvu sana mahusiano ya nyuklia, hubadilika kuwa nishati ya kinetiki ya kawaida, inayosambazwa kati ya neutroni na kiini cha heliamu-4 katika uwiano wa 14.1 MeV/3.5 MeV.

Ili kuanzisha (kuwasha) mmenyuko wa muunganisho, ni muhimu kuwasha kabisa ioni na joto gesi kutoka kwa mchanganyiko wa deuterium na tritium hadi joto la juu ya nyuzi milioni 100 Celsius (tutaashiria kwa digrii M), ambayo ni karibu mara tano zaidi. kuliko halijoto iliyo katikati ya Jua. Tayari kwa joto la digrii elfu kadhaa, migongano ya interatomiki husababisha kugonga kwa elektroni kutoka kwa atomi, na kusababisha uundaji wa mchanganyiko wa nuclei zilizotenganishwa na elektroni zinazojulikana kama plasma, ambayo deuteroni na tritoni zenye chaji chanya na zenye nguvu nyingi (yaani, deuterium na tritium nuclei) hupata msukosuko mkubwa wa pande zote. Hata hivyo, halijoto ya juu ya plazima (na nishati ya ioni ya juu inayohusishwa) huruhusu ioni hizi za deuterium na tritium kushinda msukosuko wa Coulomb na kugongana. Katika halijoto ya juu ya digrii 100 M, deuteron na tritons "zenye nguvu" zaidi hukutana kwa mgongano kwa umbali wa karibu hivi kwamba nguvu za nyuklia huanza kufanya kazi kati yao, na kuzilazimisha kuungana na kila mmoja kuwa moja.

Kufanya mchakato huu katika maabara huleta matatizo matatu magumu sana. Awali ya yote, mchanganyiko wa gesi ya nuclei D na T lazima iwe joto kwa joto la juu ya digrii 100 M, kwa namna fulani kuzuia kutoka kwa baridi na kuchafuliwa (kutokana na athari na kuta za chombo).

Ili kutatua tatizo hili, "mitego ya sumaku" iligunduliwa, inayoitwa Tokamak, ambayo inazuia mwingiliano wa plasma na kuta za reactor.

Katika njia iliyoelezwa, plasma inapokanzwa na sasa ya umeme inapita ndani ya torus hadi digrii takriban 3 M, ambayo, hata hivyo, bado haitoshi kuanzisha majibu. Ili kuongeza joto la plasma, nishati inaweza "kusukumwa" ndani yake na mionzi ya masafa ya redio (kama kwenye oveni ya microwave), au mihimili ya chembe zisizo na nguvu nyingi huingizwa, ambayo huhamisha nishati yao kwa plasma wakati wa mgongano. Kwa kuongezea, kutolewa kwa joto hutokea kwa sababu ya athari za nyuklia wenyewe (kama itajadiliwa hapa chini), kama matokeo ya ambayo "moto" wa plasma unapaswa kutokea katika usakinishaji mkubwa wa kutosha.

Hivi sasa, nchini Ufaransa, ujenzi unaanza kwenye kinu cha kimataifa cha majaribio cha thermonuclear ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), iliyoelezwa hapa chini, ambayo itakuwa Tokamak ya kwanza yenye uwezo wa "kuwasha" plasma.

Katika mitambo ya hali ya juu zaidi ya aina ya Tokamak, halijoto ya takriban digrii 150 M imepatikana kwa muda mrefu, karibu na maadili yanayohitajika kwa uendeshaji wa kituo cha nyuklia, lakini kinu cha ITER kinapaswa kuwa nguvu ya kwanza ya kiwango kikubwa. kiwanda iliyoundwa kwa ajili ya uendeshaji wa muda mrefu. Katika siku zijazo, itakuwa muhimu kuboresha kwa kiasi kikubwa vigezo vya uendeshaji wake, ambayo itahitaji, kwanza kabisa, ongezeko la shinikizo katika plasma, kwani kiwango cha fusion ya nuclei kwa joto fulani ni sawia na mraba. ya shinikizo.

Tatizo kuu la kisayansi katika kesi hii linahusiana na ukweli kwamba wakati shinikizo katika plasma linaongezeka, matatizo magumu sana na hatari hutokea, yaani, njia za uendeshaji zisizo imara.

Viini vya heliamu vinavyotokana na umeme vinavyotokea wakati wa mmenyuko wa fusion huwekwa ndani ya "mtego wa sumaku", ambapo hupunguzwa polepole kutokana na migongano na chembe nyingine, na nishati iliyotolewa wakati wa migongano husaidia kudumisha joto la juu la safu ya plasma. Neutral (kutokuwa na malipo ya umeme) neutroni huacha mfumo na kuhamisha nishati yao kwenye kuta za reactor, na joto lililochukuliwa kutoka kwa kuta ni chanzo cha nishati kwa uendeshaji wa turbines zinazozalisha umeme. Shida na shida za kufanya kazi kwa kituo kama hicho zinahusishwa, kwanza kabisa, na ukweli kwamba mtiririko wa nguvu wa neutroni zenye nguvu nyingi na nishati iliyotolewa (kwa fomu. mionzi ya sumakuumeme na chembe za plasma) huathiri vibaya kinu na inaweza kuharibu nyenzo ambayo imetengenezwa.

Kwa sababu hii, muundo wa mitambo ya nyuklia ni ngumu sana. Wanafizikia na wahandisi wanakabiliwa na kazi ya kuhakikisha uaminifu mkubwa wa kazi zao. Ubunifu na ujenzi wa vituo vya nyuklia vinahitaji kusuluhisha shida kadhaa tofauti na ngumu sana za kiteknolojia.

Ubunifu wa kiwanda cha nguvu ya nyuklia

Takwimu inaonyesha mchoro wa kimkakati (sio kwa kiwango) cha kifaa na kanuni ya uendeshaji wa mtambo wa nguvu wa nyuklia. Katika sehemu ya kati kuna chumba cha toroidal (umbo la donut) chenye kiasi cha ~ 2000 m 3, kilichojaa plasma ya tritium-deuterium (T-D) yenye joto hadi nyuzi 100 M. Neutroni zinazozalishwa wakati wa muunganisho huacha "mtego wa sumaku" na kuingia kwenye ganda lililoonyeshwa kwenye mchoro na unene wa takriban 1 m

Ndani ya ganda, neutroni hugongana na atomi za lithiamu, na kusababisha athari ambayo hutoa tritium:

nutroni + lithiamu = heliamu + tritium.

Kwa kuongezea, athari za kushindana hufanyika kwenye mfumo (bila malezi ya tritium), na vile vile athari nyingi na kutolewa kwa neutroni za ziada, ambayo pia husababisha malezi ya tritium (katika kesi hii, kutolewa kwa neutroni za ziada kunaweza kutolewa. kuimarishwa kwa kiasi kikubwa, kwa mfano, kwa kuanzisha atomi kwenye berili ya shell na risasi). Hitimisho la jumla ni kwamba kituo hiki kinaweza (angalau kinadharia) kupata athari ya muunganisho wa nyuklia ambayo inaweza kutoa tritium. Katika kesi hii, kiasi cha tritium kinachozalishwa haipaswi kukidhi mahitaji ya ufungaji yenyewe, lakini pia kuwa kubwa zaidi, ambayo itafanya iwezekanavyo kusambaza mitambo mpya na tritium.

Ni dhana hii ya uendeshaji ambayo lazima ijaribiwe na kutekelezwa katika kinu cha ITER kilichoelezwa hapa chini.

Neutroni zinapaswa kupasha joto ganda katika kinachojulikana kama mimea ya majaribio (ambayo vifaa vya ujenzi vya "kawaida" vitatumika) kwa joto la takriban digrii 400. Katika siku zijazo, imepangwa kuunda mitambo iliyoboreshwa na joto la joto la shell juu ya digrii 1000, ambayo inaweza kupatikana kwa kutumia vifaa vya hivi karibuni vya nguvu za juu (kama vile composites ya silicon carbudi). Joto linalotokana na shell, kama katika vituo vya kawaida, huchukuliwa na mzunguko wa baridi wa msingi na baridi (iliyo na, kwa mfano, maji au heliamu) na kuhamishiwa kwenye mzunguko wa pili, ambapo mvuke wa maji hutolewa na hutolewa kwa turbines.

Faida kuu ya muunganisho wa nyuklia ni kwamba inahitaji kiasi kidogo sana cha vitu ambavyo ni vya kawaida sana katika asili kama mafuta.

Mwitikio wa muunganisho wa nyuklia katika usakinishaji ulioelezewa unaweza kusababisha kutolewa kwa kiasi kikubwa cha nishati, mara milioni kumi zaidi ya joto la kawaida linalotolewa wakati wa athari za kawaida za kemikali (kama vile mwako wa nishati ya mafuta). Kwa kulinganisha, tunasema kwamba kiasi cha makaa ya mawe kinachohitajika kwa mtambo wa nguvu ya mafuta yenye uwezo wa gigawati 1 (GW) ni tani 10,000 kwa siku (magari kumi ya reli), na kiwanda cha kuunganisha cha nguvu sawa kitatumia tu kuhusu Kilo 1 ya mchanganyiko wa D+ kwa siku T.

Deuterium ni isotopu imara ya hidrojeni; Katika takriban molekuli moja kati ya 3,350 za maji ya kawaida, moja ya atomi za hidrojeni hubadilishwa na deuterium (urithi ambao tulirithi kutoka kwao. kishindo kikubwa Ulimwengu). Ukweli huu hufanya iwe rahisi kuandaa uzalishaji wa bei nafuu wa kiasi kinachohitajika cha deuterium kutoka kwa maji. Ni ngumu zaidi kupata tritium, ambayo haina msimamo (nusu ya maisha ni kama miaka 12, kama matokeo ambayo yaliyomo katika asili hayana maana), hata hivyo, kama inavyoonyeshwa hapo juu, tritium itatolewa moja kwa moja ndani ya ufungaji wa nyuklia wakati wa operesheni. kutokana na mmenyuko wa nyutroni na lithiamu.

Kwa hivyo, mafuta ya awali ya reactor ya fusion ni lithiamu na maji.

Lithiamu ni chuma cha kawaida kinachotumiwa sana katika vyombo vya nyumbani (betri za simu za mkononi, kwa mfano). Ufungaji ulioelezwa hapo juu, hata kwa kuzingatia ufanisi usiofaa, utaweza kuzalisha 200,000 kWh ya nishati ya umeme, ambayo ni sawa na nishati iliyo katika tani 70 za makaa ya mawe. Kiasi cha lithiamu kinachohitajika kwa hili kimo kwenye betri moja ya kompyuta, na kiasi cha deuterium iko katika lita 45 za maji. Thamani iliyo hapo juu inalingana na matumizi ya sasa ya umeme (inayohesabiwa kwa kila mtu) katika nchi za EU zaidi ya miaka 30. Ukweli kwamba kiasi kidogo kama hicho cha lithiamu kinaweza kutoa uzalishaji wa kiasi kama hicho cha umeme (bila uzalishaji wa CO 2 na bila uchafuzi mdogo wa hewa) ni hoja nzito kwa maendeleo ya haraka na yenye nguvu ya utafiti juu ya ukuzaji wa thermonuclear. nishati (licha ya matatizo na matatizo yote) hata kwa matarajio ya muda mrefu ya kuunda reactor ya thermonuclear ya gharama nafuu.

Deuterium inapaswa kudumu kwa mamilioni ya miaka, na akiba ya lithiamu inayochimbwa kwa urahisi inatosha kusambaza mahitaji kwa mamia ya miaka.

Hata kama lithiamu kwenye miamba itaisha, tunaweza kuitoa kutoka kwa maji, ambapo hupatikana katika viwango vya juu vya kutosha (mara 100 ya ukolezi wa urani) ili kufanya uchimbaji wake uwezekane kiuchumi.

Nishati ya fusion sio tu inaahidi ubinadamu, kimsingi, uwezekano wa kutoa kiasi kikubwa cha nishati katika siku zijazo (bila uzalishaji wa CO 2 na bila uchafuzi wa hewa), lakini pia ina faida zingine kadhaa.

1 ) Usalama wa juu wa ndani.

Plasma inayotumiwa katika mitambo ya nyuklia ina msongamano wa chini sana (karibu mara milioni chini kuliko msongamano wa angahewa), kwa sababu hiyo mazingira ya uendeshaji wa mitambo hayatakuwa na nishati ya kutosha kusababisha matukio makubwa au ajali.

Kwa kuongezea, upakiaji na "mafuta" lazima ufanyike kila wakati, ambayo inafanya iwe rahisi kusimamisha operesheni yake, bila kutaja ukweli kwamba katika tukio la ajali na mabadiliko makali katika hali ya mazingira, "moto" wa nyuklia unapaswa tu. kwenda nje.

Ni hatari gani zinazohusiana na nishati ya nyuklia? Kwanza, inafaa kuzingatia kwamba ingawa bidhaa za muunganisho (heliamu na nyutroni) hazina mionzi, ganda la kiyeyeyusha linaweza kuwa na mionzi chini ya mionzi ya neutroni ya muda mrefu.

Pili, tritium ni mionzi na ina nusu ya maisha mafupi (miaka 12). Lakini ingawa kiasi cha plasma inayotumiwa ni muhimu, kwa sababu ya msongamano wake mdogo ina kiasi kidogo sana cha tritium (jumla ya uzito wa takriban mihuri kumi ya posta). Ndiyo maana

hata katika hali mbaya zaidi na ajali (uharibifu kamili wa ganda na kutolewa kwa tritium yote iliyomo ndani yake, kwa mfano, wakati wa tetemeko la ardhi na ajali ya ndege kwenye kituo) mazingira Kiasi kidogo tu cha mafuta kitakuja, ambacho hakitahitaji uokoaji wa idadi ya watu kutoka kwa makazi ya karibu.

2 ) Gharama ya nishati.

Inatarajiwa kwamba bei inayoitwa "ndani" ya umeme iliyopokelewa (gharama ya uzalishaji yenyewe) itakubalika ikiwa ni 75% ya bei tayari iko kwenye soko. "Nafuu" katika kesi hii inamaanisha kuwa bei itakuwa chini kuliko bei ya nishati inayozalishwa kwa kutumia mafuta ya zamani ya hidrokaboni. Gharama ya "nje" (athari, athari kwa afya ya umma, hali ya hewa, ikolojia, n.k.) itakuwa sifuri.

Kiyeyea cha kimataifa cha majaribio cha thermonuclear ITER

Hatua kuu inayofuata ni kujenga kinu cha ITER, kilichoundwa ili kuonyesha uwezekano wa kuwasha plasma na kupata kwa msingi huu angalau faida mara kumi katika nishati (inayohusiana na nishati inayotumika kupokanzwa plasma). Reactor ya ITER itakuwa kifaa cha majaribio ambacho hata hakitakuwa na mitambo ya kuzalisha umeme na vifaa vya kukitumia. Madhumuni ya uumbaji wake ni kusoma masharti ambayo lazima yatimizwe wakati wa uendeshaji wa mitambo hiyo ya nguvu, na pia kuunda kwa msingi huu mitambo ya nguvu ya kweli, yenye uwezo wa kiuchumi, ambayo, inaonekana, inapaswa kuzidi ITER kwa ukubwa. Kuunda prototypes halisi za mimea ya nguvu ya fusion (yaani, mimea iliyo na vifaa vya turbines, nk) inahitaji kutatua matatizo mawili yafuatayo. Kwanza, ni muhimu kuendelea kuendeleza vifaa vipya (vinavyoweza kuhimili hali mbaya sana ya uendeshaji iliyoelezwa) na kuwajaribu kwa mujibu wa sheria maalum za mfumo wa IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) iliyoelezwa hapa chini. Pili, matatizo mengi ya kiufundi yanahitaji kutatuliwa na teknolojia mpya zinahitaji kuendelezwa kuhusiana na udhibiti wa kijijini, inapokanzwa, muundo wa kufunika, mizunguko ya mafuta, nk.

Takwimu inaonyesha reactor ya ITER, ambayo ni bora kuliko usakinishaji mkubwa zaidi wa leo wa JET sio tu katika vipimo vyote vya mstari (karibu mara mbili), lakini pia kwa ukubwa wa uwanja wa sumaku unaotumiwa ndani yake na mikondo inayopita kupitia plasma.

Madhumuni ya kuunda kinu hiki ni kuonyesha uwezo wa juhudi za pamoja za wanafizikia na wahandisi katika kujenga mtambo wa nguvu wa kuunganisha kwa kiwango kikubwa.

Uwezo wa ufungaji uliopangwa na wabunifu ni 500 MW (pamoja na matumizi ya nishati kwenye pembejeo ya mfumo wa takriban 50 MW). 3

Usakinishaji wa ITER unaundwa na muungano unaojumuisha EU, China, India, Japan, Korea Kusini, Urusi na Marekani. Idadi ya jumla ya nchi hizi ni karibu nusu ya idadi ya watu wote duniani, hivyo mradi unaweza kuitwa mwitikio wa kimataifa kwa changamoto ya kimataifa. Vipengele kuu na vipengele vya reactor ya ITER tayari vimeundwa na kupimwa, na ujenzi tayari umeanza Cadarache (Ufaransa). Uzinduzi wa reactor umepangwa kwa 2020, na utengenezaji wa plasma ya deuterium-tritium imepangwa kwa 2027, kwani kuwaagiza kwa reactor kunahitaji vipimo virefu na vikali vya plasma kutoka kwa deuterium na tritium.

Koili za sumaku za kinu cha ITER zinatokana na nyenzo za upitishaji umeme (ambazo, kimsingi, huruhusu utendakazi endelevu mradi mkondo udumishwe kwenye plasma), kwa hivyo wabunifu wanatarajia kutoa mzunguko wa wajibu uliohakikishwa wa angalau dakika 10. Ni wazi kwamba uwepo wa coil za sumaku za superconducting ni muhimu kimsingi kwa operesheni inayoendelea ya mmea halisi wa nguvu ya thermonuclear. Coil za superconducting tayari zimetumika katika vifaa vya aina ya Tokamak, lakini hazijatumiwa hapo awali katika mitambo hiyo mikubwa iliyoundwa kwa tritium plasma. Kwa kuongezea, kituo cha ITER kitakuwa cha kwanza kutumia na kujaribu moduli tofauti za ganda iliyoundwa kufanya kazi katika vituo halisi ambapo viini vya tritium vinaweza kuzalishwa au "kupatikana tena."

Lengo kuu la kujenga ufungaji ni kuonyesha udhibiti wa mafanikio wa mwako wa plasma na uwezekano wa kweli kupata nishati katika vifaa vya thermonuclear katika ngazi iliyopo ya maendeleo ya teknolojia.

Maendeleo zaidi katika mwelekeo huu, bila shaka, itahitaji jitihada nyingi ili kuboresha ufanisi wa vifaa, hasa kutoka kwa mtazamo wa uwezekano wao wa kiuchumi, ambao unahusishwa na utafiti mkubwa na wa muda mrefu, wote katika Reactor ya ITER na juu. vifaa vingine. Kati ya kazi ulizopewa, tatu zifuatazo zinapaswa kuonyeshwa haswa:

1) Ni muhimu kuonyesha kwamba kiwango kilichopo cha sayansi na teknolojia tayari kinawezesha kupata faida ya mara 10 katika nishati (ikilinganishwa na ile iliyotumiwa kudumisha mchakato) katika mchakato wa fusion ya nyuklia unaodhibitiwa. Mmenyuko lazima uendelee bila tukio la hali ya hatari isiyo na utulivu, bila overheating na uharibifu wa vifaa vya miundo, na bila uchafuzi wa plasma na uchafu. Kwa nguvu za nishati ya nyuklia ya mpangilio wa 50% ya nguvu ya kupokanzwa plasma, malengo haya tayari yamefikiwa katika majaribio ya mitambo midogo Walakini, uundaji wa kinu cha ITER utajaribu kuegemea kwa njia za udhibiti katika mmea mkubwa zaidi ambao hutoa nishati zaidi kwa muda mrefu. Reactor ya ITER imeundwa ili kupima na kukubaliana juu ya mahitaji ya reactor ya baadaye ya fusion, na ujenzi wake ni kazi ngumu sana na ya kuvutia.

2) Inahitajika kusoma njia za kuongeza shinikizo kwenye plasma (kumbuka kuwa kiwango cha majibu kwa joto fulani ni sawa na mraba wa shinikizo) ili kuzuia kutokea kwa njia hatari zisizo na utulivu za tabia ya plasma. Mafanikio ya utafiti katika mwelekeo huu yatahakikisha utendakazi wa mtambo zaidi msongamano mkubwa plasma, au kupunguza mahitaji ya nguvu ya mashamba ya magnetic yanayotokana, ambayo itapunguza kwa kiasi kikubwa gharama ya umeme inayozalishwa na reactor.

3) Uchunguzi lazima uthibitishe kuwa operesheni inayoendelea ya kiboreshaji katika hali thabiti inaweza kuhakikishwa kwa kweli (kutoka kwa mtazamo wa kiuchumi na kiufundi, hitaji hili linaonekana kuwa muhimu sana, ikiwa sio kuu), na usakinishaji unaweza kuanza bila kubwa. matumizi ya nishati. Watafiti na wabunifu wanatumaini kweli kwamba mtiririko "unaoendelea" wa mkondo wa umeme kupitia plasma unaweza kuhakikishwa na kizazi chake katika plasma (kutokana na mionzi ya juu-frequency na sindano ya atomi ya haraka).

Ulimwengu wa kisasa unakabiliwa na changamoto kubwa sana ya nishati, ambayo inaweza kuitwa kwa usahihi zaidi "shida ya nishati isiyo na uhakika."

Hivi sasa, karibu nishati zote zinazotumiwa na ubinadamu huundwa kwa kuchoma mafuta ya mafuta, na suluhisho la tatizo linaweza kuhusishwa na matumizi ya nishati ya jua au nishati ya nyuklia (kuundwa kwa mitambo ya neutron ya haraka, nk). Shida ya kimataifa inayosababishwa na kuongezeka kwa idadi ya watu wa nchi zinazoendelea na hitaji lao la kuboresha viwango vya maisha na kuongeza kiwango cha nishati inayozalishwa haiwezi kutatuliwa kwa msingi wa njia hizi peke yake, ingawa, kwa kweli, majaribio yoyote ya kukuza njia mbadala za uzalishaji wa nishati. inapaswa kutiwa moyo.

Ikiwa hakuna mshangao mkubwa na usiyotarajiwa kwenye njia ya maendeleo ya nishati ya nyuklia, basi chini ya mpango wa utekelezaji wa busara na wa utaratibu, ambao (bila shaka, chini ya shirika nzuri la kazi na fedha za kutosha) inapaswa kusababisha uumbaji. ya mfano wa mtambo wa nguvu wa nyuklia. Katika kesi hii, katika takriban miaka 30 tutaweza kusambaza umeme wa sasa kutoka kwake hadi kwa mitandao ya nishati kwa mara ya kwanza, na kwa zaidi ya miaka 10 mtambo wa kwanza wa kibiashara wa nyuklia utaanza kufanya kazi. Inawezekana kwamba katika nusu ya pili ya karne hii, nishati ya muunganisho wa nyuklia itaanza kuchukua nafasi ya nishati ya mafuta na hatua kwa hatua kuanza kuchukua jukumu muhimu zaidi katika kutoa nishati kwa wanadamu kwa kiwango cha kimataifa.

"Lockheed Martin ameanza kutengeneza kinu cha nguvu cha nyuklia... Tovuti ya kampuni hiyo inasema kwamba mfano wa kwanza utajengwa ndani ya mwaka mmoja. Ikiwa hii itageuka kuwa kweli, katika mwaka mmoja tutaishi katika ulimwengu tofauti kabisa," huu ni mwanzo wa moja ya "Jumba la Attic." Miaka mitatu imepita tangu kuchapishwa kwake, na ulimwengu haujabadilika sana tangu wakati huo.

Leo, katika mitambo ya mitambo ya nyuklia, nishati hutolewa na kuoza kwa nuclei nzito. Katika mitambo ya nyuklia, nishati hupatikana wakati wa kuunganishwa kwa viini, wakati ambapo nuclei ya molekuli kidogo kuliko jumla ya yale ya awali huundwa, na "mabaki" hupotea kwa namna ya nishati. Taka kutoka kwa vinu vya nyuklia ni mionzi, na utupaji wake salama ni maumivu ya kichwa. Reactors za mseto hazina upungufu huu, na pia hutumia mafuta yanayopatikana kwa wingi kama vile hidrojeni.

Wana tatizo moja tu kubwa - miundo ya viwanda bado haipo. Kazi si rahisi: kwa athari za nyuklia, mafuta lazima yamekandamizwa na joto hadi mamia ya mamilioni ya digrii - moto zaidi kuliko juu ya uso wa Jua (ambapo athari za nyuklia hutokea kwa kawaida). Ni vigumu kufikia joto hilo la juu, lakini inawezekana, lakini reactor vile hutumia nishati zaidi kuliko inazalisha.

Walakini, bado wana faida nyingi ambazo, kwa kweli, sio Lockheed Martin pekee anayehusika katika maendeleo.

ITER

ITER ndio mradi mkubwa zaidi katika eneo hili. Inahusisha Umoja wa Ulaya, India, China, Korea, Urusi, Marekani na Japan, na kinu chenyewe kimejengwa kwenye eneo la Ufaransa tangu 2007, ingawa historia yake inaingia ndani zaidi katika siku za nyuma: Reagan na Gorbachev walikubaliana juu ya kuundwa kwake. 1985. Reactor ni chumba cha toroidal, "donut", ambayo plasma inashikiliwa na uwanja wa sumaku, ndiyo sababu inaitwa tokamak - Hiyo roidi ka kupima na ma iliyooza Kwa atushki. Reactor itatoa nishati kupitia muunganisho wa isotopu za hidrojeni - deuterium na tritium.

Imepangwa kuwa ITER itapokea nishati mara 10 zaidi kuliko inavyotumia, lakini hii haitatokea hivi karibuni. Hapo awali ilipangwa kuwa kiboreshaji kitaanza kufanya kazi katika hali ya majaribio mnamo 2020, lakini tarehe hii iliahirishwa hadi 2025. Wakati huo huo, uzalishaji wa nishati ya viwanda hautaanza mapema zaidi ya 2060, na tunaweza tu kutarajia kuenea kwa teknolojia hii mahali fulani mwishoni mwa karne ya 21.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X ndio kinu kikubwa zaidi cha aina ya nyota. Nyota hutatua shida inayosumbua tokamaks - "kueneza" kwa plasma kutoka katikati ya torus hadi kuta zake. Kile tokamak inajaribu kukabiliana nacho kwa sababu ya nguvu ya uwanja wa sumaku, nyota hutatua kwa sababu ya sura tata: Sehemu ya sumaku inayofunga plazima inapinda ili kusimamisha maendeleo ya chembe zinazochajiwa.

Wendelstein 7-X, kama waundaji wake wanavyotumai, itaweza kufanya kazi kwa nusu saa katika 21, ambayo itatoa "tiketi ya kuishi" kwa wazo la vituo vya nyuklia vya muundo sawa.

Kituo cha Kitaifa cha Kuwasha

Aina nyingine ya reactor hutumia lasers yenye nguvu ili kukandamiza na joto mafuta. Ole, kubwa zaidi mashine ya laser ili kupata nishati ya nyuklia, NIF ya Marekani haikuweza kuzalisha nishati zaidi kuliko inavyotumia.

Ni ipi kati ya miradi hii yote itaanza na ambayo itapata hatima sawa na NIF ni ngumu kutabiri. Tunachoweza kufanya ni kusubiri, kutumaini na kufuata habari: miaka ya 2020 inaahidi kuwa wakati wa kuvutia wa nishati ya nyuklia.

"Teknolojia za Nyuklia" ni moja ya wasifu wa Olympiad ya NTI kwa watoto wa shule.

Machapisho yanayohusiana: