Nykyään monet maat osallistuvat lämpöydintutkimukseen. Johtajia ovat Euroopan unioni, USA, Venäjä ja Japani, kun taas Kiinan, Brasilian, Kanadan ja Korean ohjelmat kasvavat nopeasti. Aluksi Yhdysvaltojen ja Neuvostoliiton fuusioreaktorit yhdistettiin ydinaseiden kehittämiseen ja pysyivät turvaluokiteltuina Genevessä vuonna 1958 pidettyyn Atoms for Peace -konferenssiin asti. Neuvostoliiton tokamakin luomisen jälkeen ydinfuusiotutkimuksesta tuli 1970-luvulla "suuri tiede". Mutta laitteiden kustannukset ja monimutkaisuus ovat kasvaneet siihen pisteeseen, että kansainvälisestä yhteistyöstä on tullut ainoa tie eteenpäin.

Termoydinreaktorit maailmassa

1970-luvulta alkaen fuusioenergian kaupallista käyttöä siirrettiin jatkuvasti 40 vuodella taaksepäin. Viime vuosina on kuitenkin tapahtunut paljon, minkä vuoksi tätä ajanjaksoa voidaan lyhentää.

Useita tokamakkeja on rakennettu, mukaan lukien eurooppalainen JET, brittiläinen MAST ja kokeellinen fuusioreaktori TFTR Princetonissa, Yhdysvalloissa. Kansainvälinen ITER-projekti on parhaillaan rakenteilla Cadarachessa Ranskassa. Siitä tulee suurin tokamak, kun se otetaan käyttöön vuonna 2020. Vuonna 2030 Kiinaan rakennetaan CFETR, joka ohittaa ITERin. Samaan aikaan Kiinassa tutkitaan kokeellista EAST-suprajohtavaa tokamakia.

Myös toisen tyyppiset fuusioreaktorit - stellaattorit - ovat tutkijoiden suosiossa. Yksi suurimmista, LHD, aloitti työnsä Japanin kansallisessa instituutissa vuonna 1998. Sitä käytetään parhaan magneettisen plasmarajoituskokoonpanon löytämiseen. Saksalainen Max Planck Institute teki tutkimusta Wendelstein 7-AS -reaktorista Garchingissa vuosina 1988-2002 ja tällä hetkellä Wendelstein 7-X:stä, jota on rakenteilla yli 19 vuotta. Toinen TJII-stellaraattori on toiminnassa Madridissa, Espanjassa. Yhdysvalloissa Princeton Laboratory (PPPL), jossa ensimmäinen tämäntyyppinen fuusioreaktori rakennettiin vuonna 1951, keskeytti NCSX:n rakentamisen vuonna 2008 kustannusten ylittymisen ja rahoituksen puutteen vuoksi.

Lisäksi inertiaalisen lämpöydinfuusion tutkimuksessa on edistytty merkittävästi. National Nuclear Security Administrationin rahoittama 7 miljardin dollarin National Ignition Facility (NIF) rakentaminen Livermore National Laboratoryssa (LLNL) valmistui maaliskuussa 2009. Ranskalainen Laser Mégajoule (LMJ) aloitti toimintansa lokakuussa 2014. Fuusioreaktorit käyttävät noin 2 miljoonaa joulea valoenergiaa, jonka laserit toimittavat muutamassa sekunnin miljardisosassa muutaman millimetrin kokoiseen kohteeseen ydinfuusioreaktion käynnistämiseksi. NIF:n ja LMJ:n päätehtävänä on kansallisia sotilaallisia ydinohjelmia tukeva tutkimus.

ITER

Vuonna 1985 Neuvostoliitto ehdotti seuraavan sukupolven tokamakin rakentamista yhteistyössä Euroopan, Japanin ja Yhdysvaltojen kanssa. Työ tehtiin IAEA:n alaisuudessa. Vuosina 1988-1990 kansainvälisen lämpöydinkoereaktorin, ITERin, ensimmäiset suunnitelmat, joka tarkoittaa myös "polkua" tai "matkaa" latinaksi, luotiin todistamaan, että fuusio voisi tuottaa enemmän energiaa kuin se pystyisi absorboimaan. Myös Kanada ja Kazakstan osallistuivat Euratomin ja Venäjän välittämänä.

Kuusi vuotta myöhemmin ITERin johtokunta hyväksyi ensimmäisen kattavan, vakiintuneeseen fysiikkaan ja teknologiaan perustuvan reaktorihankkeen, arvoltaan 6 miljardia dollaria. Sitten Yhdysvallat vetäytyi konsortiosta, mikä pakotti ne puolittamaan kustannukset ja muuttamaan hanketta. Tuloksena oli ITER-FEAT, joka maksoi 3 miljardia dollaria, mutta saavutti itseään ylläpitävän vastauksen ja positiivisen tehotasapainon.

Vuonna 2003 Yhdysvallat liittyi uudelleen konsortioon, ja Kiina ilmoitti haluavansa osallistua siihen. Tämän seurauksena kumppanit sopivat vuoden 2005 puolivälissä ITERin rakentamisesta Cadaracheen Etelä-Ranskaan. EU ja Ranska maksoivat puolet 12,8 miljardista eurosta, kun taas Japani, Kiina, Etelä-Korea, Yhdysvallat ja Venäjä kukin 10 prosenttia. Japani toimitti korkean teknologian komponentteja, isännöi miljardin euron IFMIF-laitosta materiaalitestausta varten ja sillä oli oikeus rakentaa seuraava testireaktori. ITERin kokonaiskustannukset sisältävät puolet 10 vuoden rakentamisen kustannuksista ja puolet 20 vuoden käyttökustannuksista. Intiasta tuli ITERin seitsemäs jäsen vuoden 2005 lopussa.

Kokeilut tulisi aloittaa vuonna 2018 käyttämällä vetyä magneetin aktivoitumisen välttämiseksi. D-T-plasman käyttöä ei odoteta ennen vuotta 2026.

ITERin tavoitteena on tuottaa 500 MW (vähintään 400 s) alle 50 MW:n syöttöteholla ilman sähköä.

Demon kahden gigawatin demonstraatiovoimala tuottaa laajamittaisesti jatkuvasti. Demon konseptisuunnittelu valmistuu vuoteen 2017 mennessä ja rakentaminen alkaa vuonna 2024. Käyttöönotto tapahtuu vuonna 2033.

JET

Vuonna 1978 EU (Euratom, Ruotsi ja Sveitsi) aloitti yhteisen eurooppalaisen JET-hankkeen Isossa-Britanniassa. JET on tällä hetkellä maailman suurin toimiva tokamak. Samanlainen JT-60-reaktori toimii Japanin National Fusion Fusion Institutessa, mutta vain JET voi käyttää deuterium-tritiumpolttoainetta.

Reaktori käynnistettiin vuonna 1983, ja siitä tuli ensimmäinen koe, jonka seurauksena marraskuussa 1991 deuteriumilla suoritettiin hallittu lämpöydinfuusio, jonka teho oli enintään 16 MW sekunnissa ja 5 MW vakaata tehoa. tritium plasma. Useita kokeita on tehty erilaisten lämmitysmenetelmien ja muiden tekniikoiden tutkimiseksi.

JET:n lisäparannuksilla on tarkoitus lisätä sen tehoa. Kompaktia MAST-reaktoria kehitetään yhdessä JET:n kanssa ja se on osa ITER-projektia.

K-TÄHTI

K-STAR on korealainen suprajohtava tokamak National Fusion Research Institutesta (NFRI) Daejeonista, joka tuotti ensimmäisen plasmansa vuoden 2008 puolivälissä. ITER, joka on kansainvälisen yhteistyön tulos. 1,8 metrin säteellä oleva tokamak on ensimmäinen reaktori, jossa käytetään Nb3Sn-suprajohtavia magneetteja, samoja kuin ITERissä aiotaan käyttää. Ensimmäisessä, vuoteen 2012 mennessä valmistuneessa vaiheessa K-STAR:n piti todistaa perustekniikoiden toimivuus ja saavuttaa jopa 20 sekunnin mittaisia ​​plasmapulsseja. Toisessa vaiheessa (2013-2017) sitä päivitetään tutkimaan pitkiä jopa 300 s:n pulsseja H-tilassa ja siirtymään korkean suorituskyvyn AT-tilaan. Kolmannen vaiheen (2018-2023) tavoitteena on saavuttaa korkea suorituskyky ja hyötysuhde jatkuvassa pulssitilassa. Neljännessä vaiheessa (2023-2025) testataan DEMO-teknologioita. Laite ei ole tritium-yhteensopiva eikä käytä D-T-polttoainetta.

K-DEMO

Yhteistyössä Yhdysvaltain energiaministeriön Princetonin plasmafysiikan laboratorion (PPPL) ja Etelä-Korean NFRI:n kanssa kehitetty K-DEMO on seuraava askel kaupallisten reaktorien kehittämisessä ITERin jälkeen ja ensimmäinen voimalaitos, joka pystyy tuottamaan sähköverkkoon, eli 1 miljoona kW muutamassa viikossa. Sen halkaisija on 6,65 m, ja siihen luodaan osana DEMO-projektia toistovyöhykemoduuli. Korean opetus-, tiede- ja teknologiaministeriö suunnittelee sijoittavansa siihen noin biljoona Korean wonia (941 miljoonaa dollaria).

Itään

Chinese Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) Kiinan fysiikan instituutissa Hefeissä loi vetyplasman lämpötilassa 50 miljoonaa °C ja piti sitä 102 sekuntia.

TFTR

Amerikkalaisessa PPPL-laboratoriossa kokeellinen fuusioreaktori TFTR toimi vuosina 1982-1997. Joulukuussa 1993 TFTR:stä tuli ensimmäinen magneettinen tokamak, joka suoritti laajoja kokeita deuterium-tritiumplasmalla. Seuraavana vuonna reaktori tuotti tuolloin ennätyksellisen 10,7 MW säädettävää tehoa, ja vuonna 1995 saavutettiin lämpötilaennätys 510 miljoonaa °C. Laitos ei kuitenkaan saavuttanut kannattavaa fuusioenergian tavoitetta, mutta se saavutti onnistuneesti laitteistosuunnittelun tavoitteet, mikä vaikutti merkittävästi ITERin kehitykseen.

LHD

Japanin National Fusion Fusion Instituten Tokiossa Gifun prefektuurissa sijaitseva LHD oli maailman suurin stellaraattori. Fuusioreaktori otettiin käyttöön vuonna 1998, ja sen plasmaeristysominaisuudet ovat verrattavissa muihin suuriin tiloihin. Saavutettiin 13,5 keV (noin 160 miljoonaa °C) ionilämpötila ja 1,44 MJ energia.

Wendelstein 7-X

Vuoden 2015 lopulla alkaneen testauksen jälkeen heliumin lämpötila nousi hetkeksi 1 miljoonan asteeseen. Vuonna 2016 2 MW tehoa käyttävä vetyplasmafuusioreaktori saavutti 80 miljoonan °C:n lämpötilan neljännessekunnissa. W7-X on maailman suurin stellaraattori, ja sen on suunniteltu toimivan yhtäjaksoisesti 30 minuuttia. Reaktorin hinta oli miljardi euroa.

NIF

National Ignition Facility (NIF) Livermore National Laboratoryssa (LLNL) valmistui maaliskuussa 2009. 192 lasersädellään NIF pystyy keskittämään 60 kertaa enemmän energiaa kuin mikään aikaisempi laserjärjestelmä.

Kylmä ydinfuusio

Maaliskuussa 1989 kaksi tutkijaa, amerikkalainen Stanley Pons ja brittiläinen Martin Fleischman, ilmoittivat käynnistäneensä yksinkertaisen pöytäkoneen kylmäfuusioreaktorin, joka toimii huoneenlämmössä. Prosessi koostui raskaan veden elektrolyysistä käyttämällä palladiumelektrodeja, joihin deuteriumytimiä konsentroitiin suurella tiheydellä. Tutkijat väittävät, että syntyi lämpöä, joka voidaan selittää vain ydinprosesseilla, ja fuusiossa oli sivutuotteita, kuten heliumia, tritiumia ja neutroneja. Muut kokeet eivät kuitenkaan onnistuneet toistamaan tätä koetta. Suurin osa tiedeyhteisöstä ei usko, että kylmäfuusioreaktorit ovat todellisia.

Matalaenergiaiset ydinreaktiot

"Kylmäfuusiota koskevien väitteiden alullepanoa" tutkimusta on jatkettu matalaenergia-alalla empiirisellä tuella, mutta ei hyväksyttyä tieteellistä selitystä. Ilmeisesti heikkoja ydinvuorovaikutuksia käytetään neutronien luomiseen ja sieppaamiseen (eikä voimakasta voimaa, kuten niiden synteesissä). Kokeet sisältävät vedyn tai deuteriumin tunkeutumisen katalyyttikerroksen läpi ja reagoimisen metallin kanssa. Tutkijat raportoivat havaitusta energian vapautumisesta. Tärkein käytännön esimerkki on vedyn vuorovaikutus nikkelijauheen kanssa lämmön vapautuessa, jonka määrä on suurempi kuin mikään kemiallinen reaktio voi antaa.

Onko lämpöydinenergia tarpeellista?

Tässä sivilisaation kehityksen vaiheessa voimme turvallisesti sanoa, että ihmiskunta on "energiahaasteen" edessä. Se johtuu useista perustekijöistä kerralla:

Ihmiskunta kuluttaa nyt valtavasti energiaa.

Maailman nykyinen energiankulutus on noin 15,7 terawattia (TW). Jakamalla tämä arvo planeetan väestömäärällä, saadaan noin 2400 wattia henkilöä kohden, mikä voidaan helposti arvioida ja kuvitella. Jokaisen maapallon asukkaan (mukaan lukien lapset) kuluttama energia vastaa 24 100 watin sähkölampun ympärivuorokautista toimintaa.

– Globaali energiankulutus kasvaa nopeasti.

Kansainvälisen energiajärjestön ennusteen (2006) mukaan maailman energiankulutuksen pitäisi kasvaa 50 % vuoteen 2030 mennessä.

— Tällä hetkellä 80 prosenttia maailman kuluttamasta energiasta tuotetaan polttamalla fossiilisia polttoaineita (öljy, kivihiili ja kaasu).), joiden käyttöön saattaa liittyä katastrofaalisten ympäristömuutosten riski.

Seuraava vitsi on suosittu Saudi-Arabian asukkaiden keskuudessa: ”Isäni ratsasti kamelilla. Minulla on auto, ja poikani lentää jo lentokoneella. Mutta nyt hänen poikansa ratsastaa jälleen kamelin selässä."

Näin näyttää olevan, sillä kaikkien vakavien ennusteiden mukaan maailman öljyvarat loppuvat enimmäkseen noin 50 vuodessa.

Jopa US Geological Surveyn arvioiden perusteella (tämä ennuste on paljon optimistisempi kuin muut) maailman öljyntuotannon kasvu jatkuu enintään seuraavat 20 vuotta (muut asiantuntijat ennustavat, että tuotannon huippu saavutetaan v. 5-10 vuotta), jonka jälkeen tuotetun öljyn määrä alkaa laskea noin 3 % vuodessa. Maakaasun tuotannon näkymät eivät näytä juuri paremmalta. Yleensä sanotaan, että kivihiiltä riittää vielä 200 vuodeksi, mutta tämä ennuste perustuu nykyisen tuotannon ja kulutuksen säilyttämiseen. Samaan aikaan hiilen kulutus kasvaa nyt 4,5 % vuodessa, mikä lyhentää mainitun 200 vuoden ajanjakson välittömästi vain 50 vuoteen.

Siksi jo nyt on varauduttava fossiilisten polttoaineiden käytön aikakauden päättymiseen.

Valitettavasti nykyiset vaihtoehtoiset energialähteet eivät pysty kattamaan ihmiskunnan kasvavia tarpeita. Optimistisimpien arvioiden mukaan lueteltujen lähteiden tuottaman energian enimmäismäärä (määritetyssä lämpöekvivalentteina) on vain 3 TW (tuuli), 1 TW (vesi), 1 TW (biologiset lähteet) ja 100 GW (geoterminen ja offshore-asennukset). Lisäenergian kokonaismäärä (jopa tässä optimaalisimmassa ennusteessa) on vain noin 6 TW. Samalla on huomioitava, että uusien energialähteiden kehittäminen on erittäin monimutkainen tekninen tehtävä, joten niiden tuottaman energian hinta tulee joka tapauksessa olemaan korkeampi kuin tavallisella hiilen jne. poltolla. Vaikuttaa melkoiselta ilmeistä tuo

ihmiskunnan on etsittävä muita energianlähteitä, joita voidaan tällä hetkellä todella pitää vain aurinkona ja lämpöydinfuusioreaktioidena.

Mahdollisesti aurinko on lähes ehtymätön energianlähde. Energian määrä, joka putoaa vain 0,1 %:lle planeetan pinnasta, vastaa 3,8 TW:tä (vaikka se muunnetaan vain 15 %:n hyötysuhteella). Ongelmana on kyvyttömyys ottaa talteen ja muuntaa tätä energiaa, mikä liittyy sekä aurinkopaneelien korkeisiin kustannuksiin että ongelmiin, jotka liittyvät vastaanotetun energian keräämiseen, varastointiin ja edelleen siirtämiseen tarvittaville alueille.

Tällä hetkellä ydinvoimalat vastaanottavat suuressa mittakaavassa atomiytimien fissioreaktioiden aikana vapautuvaa energiaa. Uskon, että tällaisten asemien perustamista ja kehittämistä tulee kaikin tavoin rohkaista, mutta on otettava huomioon, että yhden niiden toiminnan kannalta tärkeimmän materiaalin (halpa uraani) varannot voidaan myös käyttää kokonaan loppuun. seuraavat 50 vuotta.

Toinen tärkeä kehityskohde on ydinfuusion (ydinfuusio) käyttö, joka toimii nyt pelastustoivona, vaikka ensimmäisten lämpöydinvoimaloiden luomisaika on edelleen epävarma. Tämä luento on omistettu tälle aiheelle.

Mikä on ydinfuusio?

Ydinfuusio, joka on Auringon ja tähtien olemassaolon perusta, on mahdollisesti ehtymätön energianlähde maailmankaikkeuden kehitykselle yleensä. Kokeita tehtiin Venäjällä (Venäjä on Tokamak-fuusiolaitoksen syntymäpaikka), Yhdysvalloissa, Japanissa, Saksassa sekä Isossa-Britanniassa osana Joint European Torus (JET) -ohjelmaa, joka on yksi johtavista tutkimusohjelmista. maailmassa, osoittavat, että ydinfuusio voi tarjota ihmiskunnan nykyisten energiatarpeiden (16 TW) lisäksi paljon suuremman määrän energiaa.

Ydinfuusion energia on hyvin todellista, ja pääkysymys on, pystymmekö luomaan riittävän luotettavia ja kustannustehokkaita lämpöydinlaitoksia.

Ydinfuusioprosesseja kutsutaan kevyiden atomiytimien fuusioreaktioksi raskaammiksi, jolloin vapautuu tietty määrä energiaa.

Ensinnäkin, niiden joukossa on huomattava vedyn kahden isotoopin (deuterium ja tritium) välinen reaktio, joka on hyvin yleinen maan päällä, jonka seurauksena heliumia muodostuu ja neutroni vapautuu. Reaktio voidaan kirjoittaa seuraavassa muodossa:

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

Vapautunut energia, joka syntyy siitä, että helium-4:llä on erittäin vahvat ydinsidokset, muunnetaan tavalliseksi kineettiseksi energiaksi, joka jakautuu neutronin ja helium-4-ytimen välillä suhteessa 14,1 MeV / 3,5 MeV.

Fuusioreaktion käynnistämiseksi (sytyttämiseksi) on tarpeen ionisoida täysin ja lämmittää kaasu deuteriumin ja tritiumin seoksesta yli 100 miljoonan celsiusasteen lämpötilaan (merkitsimme sitä M-asteina), joka on noin viisi kertaa korkeampi kuin lämpötila Auringon keskustassa. Jo useiden tuhansien asteiden lämpötilassa atomien väliset törmäykset johtavat elektronien irtoamiseen atomeista, minkä seurauksena muodostuu erottuneiden ytimien ja elektronien seos, joka tunnetaan nimellä plasma, jossa positiivisesti varautuneita ja korkeaenergiaisia ​​deuteroneja ja tritonit (eli deuteriumin ja tritiumin ytimet) kokevat voimakkaan keskinäisen hylkimisen. Plasman korkea lämpötila (ja siihen liittyvä ionien korkea energia) kuitenkin mahdollistaa näiden deuterium- ja tritium-ionien voittavan Coulombin hylkimisen ja törmätä toisiinsa. Yli 100 M asteen lämpötiloissa "energisimmat" deuteronit ja tritonit lähestyvät toisiaan törmäyksissä niin lähekkäin, että voimakkaat ydinvoimat alkavat toimia niiden välillä pakottaen ne sulautumaan toisiinsa yhdeksi kokonaisuudeksi.

Tämän prosessin toteuttamiseen laboratoriossa liittyy kolme erittäin vaikeaa ongelmaa. Ensinnäkin ytimien D ja T kaasuseos tulisi lämmittää yli 100 M asteen lämpötiloihin, joten se estää sen jäähtymisen ja saastumisen (johtuen reaktioista astian seinämien kanssa).

Tämän ongelman ratkaisemiseksi keksittiin "magneettisia ansoja", nimeltään Tokamak, jotka estävät plasman vuorovaikutuksen reaktorin seinien kanssa.

Kuvatussa menetelmässä plasmaa kuumennetaan toruksen sisällä virtaavalla sähkövirralla, noin 3 M asteeseen, joka ei kuitenkaan vielä riitä käynnistämään reaktiota. Plasman lisälämmitykseen energiaa joko "pumppataan" siihen radiotaajuisella säteilyllä (kuten mikroaaltouunissa) tai ruiskutetaan säteitä korkean energian neutraaleja hiukkasia, jotka siirtävät energiansa plasmaan törmäysten aikana. Lisäksi lämmön vapautuminen johtuu itse asiassa lämpöydinreaktioista (kuten jäljempänä kuvataan), minkä seurauksena riittävän suuressa asennuksessa plasman "sytytyksen" pitäisi tapahtua.

Ranskassa ollaan parhaillaan rakentamassa kansainvälistä lämpöydinkoereaktoria (ITER), joka on ensimmäinen tokamak, joka pystyy "sytyttämään" plasman.

Edistyksellisimmät olemassa olevat Tokamak-tyyppiset tilat ovat jo pitkään saavuttaneet 150 M asteen lämpötiloja, jotka ovat lähellä fuusiolaitoksen toiminnan edellyttämiä arvoja, mutta ITER-reaktorin pitäisi olla ensimmäinen suuren mittakaavan voimalaitos, joka on suunniteltu pitkäaikainen toiminta. Tulevaisuudessa on tarpeen parantaa merkittävästi sen toimintaparametreja, mikä edellyttää ensinnäkin plasman paineen nousua, koska ydinfuusion nopeus tietyssä lämpötilassa on verrannollinen neliöön. paine.

Suurin tieteellinen ongelma tässä tapauksessa liittyy siihen tosiasiaan, että kun plasman paine kasvaa, syntyy erittäin monimutkaisia ​​ja vaarallisia epävakauksia, toisin sanoen epävakaita toimintatapoja.

Fuusioreaktion aikana syntyvät sähköisesti varautuneet heliumytimet pidetään "magneettiloukun" sisällä, jossa niiden törmäykset hidastuvat asteittain muiden hiukkasten kanssa tapahtuvien törmäysten vuoksi, ja törmäyksissä vapautuva energia auttaa ylläpitämään plasmakolonnin korkeaa lämpötilaa. Neutraalit (ei sähkövarausta) neutronit poistuvat järjestelmästä ja siirtävät energiansa reaktorin seiniin, ja seinistä otettu lämpö on energianlähde sähköä tuottavien turbiinien toiminnalle. Tällaisen laitoksen käytön ongelmat ja vaikeudet liittyvät ensisijaisesti siihen, että voimakas korkeaenergisten neutronien virta ja vapautuva energia (sähkömagneettisen säteilyn ja plasmahiukkasten muodossa) vaikuttavat vakavasti reaktoriin ja voivat tuhota materiaalit se luotiin.

Tämän vuoksi lämpöydinlaitosten suunnittelu on hyvin monimutkaista. Fyysikoiden ja insinöörien tehtävänä on varmistaa työnsä korkea luotettavuus. Lämpöydinasemien suunnittelu ja rakentaminen edellyttävät niiltä useiden erilaisten ja erittäin monimutkaisten teknologisten ongelmien ratkaisemista.

Lämpöydinvoimalaitoksen laite

Kuvassa on kaavio (ei mittakaavassa) laitteesta ja lämpöydinvoimalaitoksen toimintaperiaatteesta. Keskiosassa on toroidinen (donitsin muotoinen) kammio, jonka tilavuus on ~ 2000 m 3 täytetty tritium-deuterium (T-D) plasmalla, joka on kuumennettu yli 100 M asteen lämpötilaan. Fuusioreaktion aikana syntyvät neutronit poistuvat "magneettisesta ansasta" ja putoavat kuvassa näkyvään kuoreen, jonka paksuus on noin 1 m. 1

Kuoren sisällä neutronit törmäävät litiumatomien kanssa, mikä johtaa reaktioon tritiumin muodostumisen kanssa:

neutroni + litium = helium + tritium.

Lisäksi järjestelmässä tapahtuu kilpailevia reaktioita (ilman tritiumin muodostumista), samoin kuin monia reaktioita, joissa vapautuu lisäneutroneja, jotka sitten johtavat myös tritiumin muodostumiseen (tässä tapauksessa lisäneutronien vapautuminen voi olla merkittävästi tehostettu esimerkiksi viemällä atomeja kuoreen beryllium ja lyijy). Yleinen johtopäätös on, että tämä laitos voisi (ainakin teoriassa) olla ydinfuusioreaktio, joka tuottaisi tritiumia. Tässä tapauksessa muodostuneen tritiumin määrän ei tulisi vain vastata itse asennuksen tarpeita, vaan se on jopa hieman suurempi, mikä mahdollistaa uusien asennuksien tarjoamisen tritiumilla.

Juuri tämä toimintakonsepti on testattava ja toteutettava alla kuvatussa ITER-reaktorissa.

Neutronien tulisi lämmittää kuori niin sanotuissa pilottilaitoksissa (jotka käyttävät suhteellisen "tavallisia" rakennemateriaaleja) noin 400 asteeseen. Jatkossa on tarkoitus luoda parannettuja asennuksia, joiden vaipan lämmityslämpötila on yli 1000 astetta, mikä voidaan saavuttaa käyttämällä uusimpia lujia materiaaleja (kuten piikarbidikomposiitteja). Kuoressa vapautuva lämpö, ​​kuten tavanomaisissa asemissa, otetaan primäärijäähdytyspiirissä jäähdytysnesteellä (joka sisältää esimerkiksi vettä tai heliumia) ja siirretään toisiopiiriin, jossa tuotetaan vesihöyryä ja syötetään turbiineille.

Ydinfuusion tärkein etu on, että se vaatii vain hyvin pienen määrän luonnossa esiintyviä aineita polttoaineena.

Ydinfuusioreaktio kuvatuissa laitoksissa voi vapauttaa valtavia määriä energiaa, kymmenen miljoonaa kertaa enemmän kuin tavanomaisten kemiallisten reaktioiden (kuten fossiilisten polttoaineiden polttaminen) tuottama standardilämpö. Vertailun vuoksi huomautamme, että 1 gigawatin (GW) lämpövoimalaitoksen toimintaan tarvittava hiilen määrä on 10 000 tonnia vuorokaudessa (kymmenen junavaunua), ja saman kapasiteetin lämpöydinvoimala kuluttaa vain n. 1 kg D + -seosta päivässä T.

Deuterium on stabiili vedyn isotooppi; noin yhdessä jokaisesta 3350 tavallisen veden molekyylistä yksi vetyatomeista on korvattu deuteriumilla (universumin alkuräjähdyksestä peritty perintö). Tämän tosiasian ansiosta on helppo järjestää melko halpa tarvittava määrä deuteriumia vedestä. Tritiumia on vaikeampi saada, koska se on epästabiili (puoliintumisaika on noin 12 vuotta, minkä seurauksena sen pitoisuus luonnossa on mitätön), mutta kuten yllä näkyy, tritiumia muodostuu käytön aikana suoraan lämpöydinlaitoksen sisällä. johtuu neutronien reaktiosta litiumin kanssa.

Näin ollen lämpöydinreaktorin alkupolttoaine on litium ja vesi.

Litium on yleinen metalli, jota käytetään laajalti kodinkoneissa (esim. matkapuhelinakuissa). Yllä kuvattu laitos pystyy tuottamaan epätäydelliselläkin hyötysuhteella 200 000 kWh sähköenergiaa, mikä vastaa 70 tonnin hiilen sisältämää energiaa. Tarvittava määrä litiumia on yhdessä tietokoneen akussa ja deuteriumin määrä 45 litrassa vettä. Yllä oleva arvo vastaa nykyistä sähkönkulutusta (yhdelle henkilölle) EU-maissa 30 vuoden ajalta. Jo se tosiasia, että niin merkityksetön määrä litiumia pystyy tuottamaan sellaisen määrän sähköä (ilman CO 2 -päästöjä ja ilman pienintäkään ilmakehän saastumista) on riittävän vahva argumentti kehitystutkimuksen nopealle ja voimakkaalle kehittämiselle. fuusioenergian (kaikki vaikeuksista ja ongelmista huolimatta) jopa pitkän aikavälin näkökulmasta kustannustehokkaan lämpöydinreaktorin luomiseen.

Deuteriumin pitäisi riittää miljooniksi vuosiksi, ja helposti louhittavat litiumvarat riittävät satojen vuosien tarpeisiin.

Vaikka litium loppuisi kivistä, voimme erottaa sen vedestä, jossa sitä löytyy tarpeeksi korkeana pitoisuutena (100 kertaa uraaniin verrattuna), jotta se olisi taloudellisesti kannattavaa louhia.

Lämpöydinenergia ei ainoastaan ​​lupaa ihmiskunnalle periaatteessa mahdollisuutta tuottaa tulevaisuudessa valtava määrä energiaa (ilman CO 2 -päästöjä ja ilman ilmansaasteita), vaan sillä on myös monia muita etuja.

1 ) Korkea sisäinen turvallisuus.

Lämpöydinlaitoksissa käytetyn plasman tiheys on erittäin pieni (noin miljoona kertaa pienempi kuin ilmakehän tiheys), minkä seurauksena laitosten työympäristö ei koskaan sisällä riittävästi energiaa aiheuttamaan vakavia vaaratilanteita tai onnettomuuksia.

Lisäksi "polttoaineen" lastaus on suoritettava jatkuvasti, mikä helpottaa sen työskentelyä, puhumattakaan siitä, että onnettomuuden ja ympäristöolosuhteiden jyrkän muutoksen sattuessa lämpöydin "liekin" tulisi yksinkertaisesti mennä ulos.

Mitä vaaroja fuusioenergiaan liittyy? Ensinnäkin on syytä huomata, että vaikka fuusiotuotteet (helium ja neutronit) eivät ole radioaktiivisia, reaktorin kuori voi muuttua radioaktiiviseksi pitkäaikaisen neutroneille altistumisen aikana.

Toiseksi tritium on radioaktiivista ja sillä on suhteellisen lyhyt puoliintumisaika (12 vuotta). Mutta vaikka käytetyn plasman tilavuus on merkittävä, se sisältää alhaisen tiheytensä vuoksi vain hyvin pienen määrän tritiumia (kokonaispaino noin kymmenen postimerkkiä). Niin

vaikeimmissakin tilanteissa ja onnettomuuksissa (kuoren täydellinen tuhoutuminen ja kaiken sen sisältämän tritiumin vapautuminen esimerkiksi maanjäristyksen ja lentokoneen törmäyksen aikana asemalle) ympäristöön pääsee vain pieni määrä polttoainetta , joka ei edellytä väestön evakuointia läheisistä siirtokunnista.

2 ) Energian hinta.

Vastaanotetun sähkön niin sanotun "sisäisen" hinnan (itse tuotantokustannusten) odotetaan olevan hyväksyttävä, jos se on 75 % markkinoilla jo olemassa olevasta hinnasta. "Hyväksyttävä" tarkoittaa tässä tapauksessa, että hinta on alhaisempi kuin vanhoilla hiilivetypolttoaineilla tuotetun energian hinta. "Ulkoiset" kustannukset (sivuvaikutukset, vaikutukset kansanterveyteen, ilmastoon, ympäristöön jne.) ovat käytännössä nolla.

Kansainvälinen kokeellinen lämpöydinreaktori ITER

Tärkein seuraava vaihe on rakentaa ITER-reaktori, joka on suunniteltu osoittamaan plasman syttymisen mahdollisuus ja tämän perusteella saavuttamaan vähintään kymmenkertainen lisäys energiassa (suhteessa plasman lämmitykseen käytettyyn energiaan). ITER-reaktorista tulee kokeellinen laite, johon ei tule edes sähköä tuottavia turbiineja ja sen käyttöä käyttäviä laitteita. Sen luomisen tarkoituksena on tutkia ehtoja, jotka tällaisten voimalaitosten toiminnan aikana on täytettävä, sekä todellisten, kustannustehokkaiden voimaloiden luomista tälle pohjalle, joiden pitäisi ilmeisesti ylittää ITERin koko. Todellisten fuusiovoimalaitosten prototyyppien (eli täysin turbiineilla varustettujen laitosten jne.) luominen edellyttää kahden seuraavan ongelman ratkaisemista. Ensinnäkin on tarpeen jatkaa uusien materiaalien kehittämistä (jotka kestävät erittäin ankaria käyttöolosuhteita kuvatuissa olosuhteissa) ja testata ne IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) -järjestelmän laitteistoa koskevien erityissääntöjen mukaisesti, jotka kuvataan alla. Toiseksi on ratkaistava monia puhtaasti teknisiä ongelmia ja kehitettävä uusia teknologioita liittyen kauko-ohjaukseen, lämmitykseen, verhoussuunnitteluun, polttoainekiertoihin jne. 2

Kuvassa on ITER-reaktori, joka ylittää nykyisen suurimman JET-laitoksen paitsi kaikissa lineaarisissa mitoissa (noin kaksinkertaisesti), myös siinä käytettyjen magneettikenttien ja plasman läpi kulkevien virtojen suuruuden osalta.

Tämän reaktorin luomisen tarkoituksena on osoittaa fyysikkojen ja insinöörien yhteisten ponnistelujen mahdollisuudet suuren mittakaavan lämpöydinvoimalan suunnittelussa.

Suunnittelijoiden suunnitteleman laitoksen kapasiteetti on 500 MW (energiankulutus järjestelmätulossa vain noin 50 MW). 3

ITER-laitosta rakentaa konsortio, johon kuuluvat EU, Kiina, Intia, Japani, Etelä-Korea, Venäjä ja Yhdysvallat. Näiden maiden kokonaisväestö on noin puolet maapallon kokonaisväestöstä, joten hanketta voidaan kutsua globaaliksi vastaukseksi globaaliin haasteeseen. ITER-reaktorin pääkomponentit ja kokoonpanot on jo luotu ja testattu, ja rakentaminen on jo aloitettu Cadarachen kaupungissa (Ranska). Reaktorin käynnistäminen on suunniteltu vuodelle 2020 ja deuterium-tritiumplasman tuotanto - vuodelle 2027, koska reaktorin käyttöönotto vaatii pitkiä ja vakavia testejä plasmalle deuteriumista ja tritiumista.

ITER-reaktorin magneettikelat perustuvat suprajohtaviin materiaaleihin (jotka periaatteessa mahdollistavat jatkuvan toiminnan, mikäli plasmassa oleva virta säilyy), joten suunnittelijat toivovat takaavan vähintään 10 minuutin käyttöjakson. On selvää, että suprajohtavien magneettikäämien läsnäolo on olennaisen tärkeää todellisen lämpöydinvoimalaitoksen jatkuvalle toiminnalle. Suprajohtavia keloja on jo käytetty Tokamakin kaltaisissa laitteissa, mutta niitä ei ole aiemmin käytetty niin suurissa tritiumplasmalle suunnitelluissa asennuksissa. Lisäksi ITER-laitos käyttää ja testaa ensimmäistä kertaa erilaisia ​​kuorimoduuleja, jotka on suunniteltu toimimaan oikeilla asemilla, joissa tritiumytimiä voidaan tuottaa tai "palauttaa".

Laitoksen rakentamisen päätarkoituksena on osoittaa plasman palamisen onnistunut hallinta ja mahdollisuus saada todellista energiaa lämpöydinlaitteissa nykyisellä teknologian kehitystasolla.

Jatkokehitys tähän suuntaan vaatii tietysti monia ponnisteluja laitteiden tehokkuuden parantamiseksi, erityisesti niiden taloudellisen kannattavuuden kannalta, mikä liittyy vakaviin ja pitkiin tutkimuksiin sekä ITER-reaktorin että muiden laitteiden osalta. Asetetuista tehtävistä on syytä korostaa seuraavia kolmea:

1) On tarpeen osoittaa, että nykyinen tieteen ja teknologian taso mahdollistaa jo 10-kertaisen lisäyksen energiassa (verrattuna prosessin ylläpitämiseen käytettyyn energiaan) hallitussa ydinfuusioprosessissa. Reaktion tulee tapahtua ilman vaarallisten epävakaiden tilojen esiintymistä, ilman ylikuumenemista ja rakennusmateriaalien vaurioitumista ja ilman plasman epäpuhtauksia. Fuusiovoimalla, joka on luokkaa 50 % plasman lämmitystehosta, nämä tavoitteet on jo saavutettu pienissä laitoksissa tehdyissä kokeissa, mutta ITER-reaktorin luominen mahdollistaa ohjausmenetelmien luotettavuuden testaamisen paljon suuremmassa laitoksessa. joka tuottaa paljon enemmän energiaa pitkäksi aikaa. ITER-reaktori on suunniteltu testaamaan ja harmonisoimaan tulevan fuusioreaktorin vaatimuksia, ja sen luominen on erittäin monimutkainen ja mielenkiintoinen tehtävä.

2) On tarpeen tutkia menetelmiä plasman paineen nostamiseksi (muistaa, että reaktionopeus tietyssä lämpötilassa on verrannollinen paineen neliöön), jotta estetään vaarallisten epävakaiden plasman käyttäytymismuotojen esiintyminen. Tämänsuuntaisen tutkimuksen onnistuminen joko varmistaa reaktorin toiminnan korkeammalla plasmatiheydellä tai vähentää syntyvien magneettikenttien voimakkuutta koskevia vaatimuksia, mikä alentaa merkittävästi reaktorin tuottaman sähkön kustannuksia.

3) Testien tulee varmistaa, että reaktorin jatkuva toiminta vakaassa tilassa voidaan realistisesti varmistaa (taloudellisesta ja teknisestä näkökulmasta tämä vaatimus näyttää olevan erittäin tärkeä, ellei tärkein), ja reaktorin käynnistäminen. laitos voidaan toteuttaa ilman suuria energiakustannuksia. Tutkijat ja suunnittelijat ovat hyvin toiveikkaita, että sähkömagneettisen virran "jatkuva" virtaus plasman läpi voidaan tarjota sen synnyttämisellä plasmassa (korkeataajuisen säteilyn ja nopeiden atomien ruiskutuksen vuoksi).

Moderni maailma on erittäin vakavan energiahaasteen edessä, jota voidaan tarkemmin kutsua "epävarmaksi energiakriisiksi".

Tällä hetkellä lähes kaikki ihmiskunnan kuluttama energia syntyy polttamalla fossiilisia polttoaineita, ja ongelman ratkaisu voi liittyä aurinkoenergian tai ydinenergian käyttöön (nopeiden neutronireaktorien luominen jne.). Kehitysmaiden väestönkasvun aiheuttamaa globaalia ongelmaa ja tarvetta parantaa elintasoa ja lisätä tuotetun energian määrää ei voida ratkaista pelkästään harkittujen lähestymistapojen pohjalta, vaikka tietysti yritetään kehittää vaihtoehtoisia energiamuotoja. sukupolvea pitäisi kannustaa.

Jos lämpöydinenergian kehityksen tiellä ei ole suuria ja odottamattomia yllätyksiä, niin kehitetyn järkevän ja säännöllisen toimintaohjelman mukaisesti, jonka (tietysti hyvällä työn organisoinnilla ja riittävällä rahoituksella) tulisi johtaa lämpöydinvoimalan prototyypin luominen. Tällöin noin 30 vuoden kuluttua pystymme syöttämään siitä sähkövirtaa ensimmäistä kertaa energiaverkkoihin, ja reilun 10 vuoden kuluttua alkaa toimia ensimmäinen kaupallinen lämpöydinvoimala. On mahdollista, että vuosisadamme toisella puoliskolla ydinfuusioenergia alkaa korvata fossiilisia polttoaineita ja alkaa vähitellen olla yhä tärkeämpi rooli ihmiskunnan energian tarjoamisessa maailmanlaajuisesti.

Pitkään aikaan trudnopisaka pyydettiin julkaisemaan postaus rakenteilla olevasta fuusioreaktorista. Opi mielenkiintoisia yksityiskohtia tekniikasta ja selvitä, miksi tämän projektin toteuttaminen kestää niin kauan. Lopulta materiaali löytyi. Tutustutaan projektin yksityiskohtiin.

Miten kaikki alkoi. "Energiahaaste" syntyi seuraavan kolmen tekijän yhdistelmän seurauksena:

1. Ihmiskunta kuluttaa nyt valtavan määrän energiaa.

Maailman nykyinen energiankulutus on noin 15,7 terawattia (TW). Jakamalla tämä arvo planeetan väestömäärällä, saadaan noin 2400 wattia henkilöä kohden, mikä voidaan helposti arvioida ja kuvitella. Jokaisen maan asukkaan (mukaan lukien lapset) kuluttama energia vastaa 24 sadan watin sähkölampun ympärivuorokautista toimintaa. Tämän energian kulutus planeetalla on kuitenkin hyvin epätasaista, koska se on erittäin korkea useissa maissa ja mitätön toisissa. Kulutus (yhdelle henkilölle) on USA:ssa 10,3 kW (yksi ennätysarvoista), Venäjällä 6,3 kW, Isossa-Britanniassa 5,1 kW jne., mutta toisaalta se on vain 0,21 kW Bangladeshissa (vain 2 % Yhdysvaltain energiankulutuksesta!).

2. Maailman energiankulutus kasvaa dramaattisesti.

Kansainvälisen energiajärjestön ennusteen (2006) mukaan maailman energiankulutuksen pitäisi kasvaa 50 % vuoteen 2030 mennessä. Kehittyneet maat pärjäisivät tietysti hyvin ilman lisäenergiaa, mutta tämä kasvu on välttämätöntä kehitysmaiden väestön nostamiseksi köyhyydestä, missä 1,5 miljardia ihmistä kärsii akuutista sähköpulasta.

3. Tällä hetkellä 80 % maailman energiasta tuotetaan polttamalla fossiilisia polttoaineita(öljy, hiili ja kaasu), joiden käyttö:
a) sisältää mahdollisesti katastrofaalisten ympäristömuutosten riskin;
b) täytyy väistämättä päättyä jonain päivänä.

Sen perusteella, mitä on sanottu, on selvää, että jo nyt on varauduttava fossiilisten polttoaineiden käytön aikakauden päättymiseen.

Tällä hetkellä ydinvoimalat vastaanottavat suuressa mittakaavassa atomiytimien fissioreaktioiden aikana vapautuvaa energiaa. Tällaisten asemien perustamista ja kehittämistä tulee rohkaista kaikin mahdollisin tavoin, mutta on kuitenkin otettava huomioon, että yhden niiden toiminnan kannalta tärkeimmän materiaalin (halpa uraani) reservit voidaan myös käyttää kokonaan loppuun seuraavan 50 vuoden aikana. vuotta. Fissiopohjaisen energian mahdollisuuksia voidaan (ja pitäisi) laajentaa merkittävästi käyttämällä tehokkaampia energiakiertoja, jotka voivat lähes kaksinkertaistaa tuotetun energian määrän. Energian kehittämiseksi tähän suuntaan on tarpeen luoda reaktoreita toriumin päälle (ns. torium-jalostusreaktorit tai jalostusreaktorit), joissa reaktion aikana syntyy enemmän toriumia kuin alkuperäistä uraania, minkä seurauksena Tietystä ainemäärästä vastaanotetun energian kokonaismäärä kasvaa 40 kertaa. Lupaavalta vaikuttaa myös nopeiden neutronien plutoniumin kasvattajien luominen, jotka ovat paljon tehokkaampia kuin uraanireaktorit ja mahdollistavat 60 kertaa enemmän energiaa. Ehkä näiden alueiden kehittämiseksi on tarpeen kehittää uusia, epätyypillisiä menetelmiä uraanin saamiseksi (esimerkiksi merivedestä, joka näyttää olevan kaikkein saavutettavin).

Fuusiovoimalaitokset

Kuvassa on kaavio (ei mittakaavassa) laitteesta ja lämpöydinvoimalaitoksen toimintaperiaatteesta. Keskiosassa on toroidinen (donitsin muotoinen) kammio, jonka tilavuus on ~2000 m3, täytetty tritium-deuterium (T-D) plasmalla, joka on kuumennettu yli 100 M°C:n lämpötilaan. Fuusioreaktion (1) aikana muodostuneet neutronit poistuvat "magneettipullosta" ja putoavat kuvan mukaiseen kuoreen, jonka paksuus on noin 1 m.

Kuoren sisällä neutronit törmäävät litiumatomien kanssa, mikä johtaa reaktioon tritiumin muodostumisen kanssa:

neutroni + litium → helium + tritium

Lisäksi järjestelmässä tapahtuu kilpailevia reaktioita (ilman tritiumin muodostumista), samoin kuin monia reaktioita, joissa vapautuu lisäneutroneja, jotka sitten johtavat myös tritiumin muodostumiseen (tässä tapauksessa lisäneutronien vapautuminen voi olla merkittävästi tehostettu esimerkiksi viemällä berylliumatomeja kuoreen ja lyijyä). Yleinen johtopäätös on, että tämä laitos voisi (ainakin teoriassa) olla ydinfuusioreaktio, joka tuottaisi tritiumia. Tässä tapauksessa muodostuneen tritiumin määrän ei tulisi vain vastata itse asennuksen tarpeita, vaan se on jopa hieman suurempi, mikä mahdollistaa uusien asennuksien tarjoamisen tritiumilla. Juuri tämä toimintakonsepti on testattava ja toteutettava alla kuvatussa ITER-reaktorissa.

Lisäksi neutronien on lämmitettävä verhous niin sanotuissa pilottilaitoksissa (joissa käytetään suhteellisen "tavanomaisia" rakennemateriaaleja) noin 400 °C:seen. Tulevaisuudessa on tarkoitus luoda parempia asennuksia, joiden vaipan lämmityslämpötila on yli 1000 °C, mikä voidaan saavuttaa käyttämällä uusimpia lujia materiaaleja (kuten piikarbidikomposiitteja). Kuoressa vapautuva lämpö, ​​kuten tavanomaisissa asemissa, otetaan primäärijäähdytyspiirissä jäähdytysnesteellä (joka sisältää esimerkiksi vettä tai heliumia) ja siirretään toisiopiiriin, jossa tuotetaan vesihöyryä ja syötetään turbiineille.

1985 - Neuvostoliitto ehdotti seuraavan sukupolven Tokamak-laitosta käyttämällä neljän johtavan maan kokemusta lämpöydinreaktorien luomiseen. Amerikan Yhdysvallat yhdessä Japanin ja Euroopan yhteisön kanssa tekivät ehdotuksen hankkeen toteuttamisesta.

Ranska rakentaa parhaillaan alla kuvattua kansainvälistä Tokamak Experimental Reactoria (ITER), joka on ensimmäinen tokamak, joka pystyy "sytyttämään" plasman.

Edistyksellisimmät olemassa olevat tokamak-tyyppiset laitokset ovat jo pitkään saavuttaneet luokkaa 150 M°C, lähellä fuusiolaitoksen toiminnan edellyttämiä lämpötiloja, mutta ITER-reaktorin pitäisi olla ensimmäinen laajamittainen voimalaitos, joka on suunniteltu pitkäaikaiseen määräaikainen operaatio. Tulevaisuudessa on tarpeen parantaa merkittävästi sen toimintaparametreja, mikä edellyttää ensinnäkin plasman paineen nousua, koska ydinfuusion nopeus tietyssä lämpötilassa on verrannollinen neliöön. paine. Suurin tieteellinen ongelma tässä tapauksessa liittyy siihen tosiasiaan, että kun plasman paine kasvaa, syntyy erittäin monimutkaisia ​​ja vaarallisia epävakauksia, toisin sanoen epävakaita toimintatapoja.

Miksi tarvitsemme sitä?

Ydinfuusion tärkein etu on, että se vaatii vain hyvin pienen määrän luonnossa esiintyviä aineita polttoaineena. Ydinfuusioreaktio kuvatuissa laitoksissa voi vapauttaa valtavia määriä energiaa, kymmenen miljoonaa kertaa enemmän kuin tavanomaisten kemiallisten reaktioiden (kuten fossiilisten polttoaineiden polttaminen) tuottama standardilämpö. Vertailun vuoksi huomautamme, että 1 gigawatin (GW) lämpövoimalaitoksen toimintaan tarvittava hiilen määrä on 10 000 tonnia vuorokaudessa (kymmenen junavaunua), ja saman kapasiteetin fuusiolaitos kuluttaa vain noin n. 1 kilogramma D + T -seosta päivässä.

Deuterium on stabiili vedyn isotooppi; noin yhdessä jokaisesta 3350 tavallisen veden molekyylistä yksi vetyatomeista on korvattu deuteriumilla (alkuräjähdyksestä peritty perintö). Tämän tosiasian ansiosta on helppo järjestää melko halpa tarvittava määrä deuteriumia vedestä. Tritiumia on vaikeampi saada, koska se on epästabiili (puoliintumisaika on noin 12 vuotta, minkä seurauksena sen pitoisuus luonnossa on mitätön), mutta kuten yllä näkyy, tritiumia syntyy suoraan lämpöydinlaitoksen sisällä käytön aikana, johtuu neutronien reaktiosta litiumin kanssa.

Näin ollen lämpöydinreaktorin alkupolttoaine on litium ja vesi. Litium on yleinen metalli, jota käytetään laajalti kodinkoneissa (matkapuhelinakut jne.). Yllä kuvattu laitos pystyy tuottamaan epätäydelliselläkin hyötysuhteella 200 000 kWh sähköenergiaa, mikä vastaa 70 tonnin hiilen sisältämää energiaa. Tarvittava määrä litiumia on yhdessä tietokoneen akussa ja deuteriumin määrä 45 litrassa vettä. Yllä oleva arvo vastaa nykyistä sähkönkulutusta (yhdelle henkilölle) EU-maissa 30 vuoden ajalta. Jo se tosiasia, että niin merkityksetön määrä litiumia voi tuottaa sellaisen määrän sähköä (ilman CO2-päästöjä ja ilman pienintäkään ilmakehän saastumista), on melko vakava argumentti lämpöydinenergian nopeimman ja voimakkaimman kehittämisen puolesta (huolimatta kaikki vaikeudet ja ongelmat) ja jopa ilman sataprosenttista luottamusta tällaisen tutkimuksen onnistumiseen.

Deuteriumin pitäisi kestää miljoonia vuosia, ja helposti louhittavat litiumvarat riittävät kattamaan satojen vuosien tarpeet. Vaikka litium loppuisi kivistä, voimme erottaa sen vedestä, jossa sitä löytyy tarpeeksi korkeana pitoisuutena (100 kertaa uraaniin verrattuna), jotta se olisi taloudellisesti kannattavaa louhia.

Cadarachen kaupungin lähelle Ranskassa rakennetaan kokeellista lämpöydinreaktoria (International thermonuclear experimental reactor). ITER-hankkeen päätehtävänä on hallitun lämpöydinfuusioreaktion toteuttaminen teollisessa mittakaavassa.

Termoydinpolttoaineen painoyksikköä kohti saadaan noin 10 miljoonaa kertaa enemmän energiaa kuin polttamalla sama määrä orgaanista polttoainetta ja noin sata kertaa enemmän kuin halkeamalla uraaniytimiä parhaillaan toimivien ydinvoimalaitosten reaktoreissa. Jos tutkijoiden ja suunnittelijoiden laskelmat ovat perusteltuja, tämä antaa ihmiskunnalle ehtymättömän energialähteen.

Siksi useat maat (Venäjä, Intia, Kiina, Korea, Kazakstan, USA, Kanada, Japani, EU-maat) yhdistivät ponnistelunsa luodakseen kansainvälisen lämpöydintutkimusreaktorin - uusien voimalaitosten prototyypin.

ITER on laitos, joka luo olosuhteet vety- ja tritiumatomien (vedyn isotoopin) synteesille, jonka seurauksena muodostuu uusi atomi - heliumatomi. Tähän prosessiin liittyy valtava energiahuippu: sen plasman lämpötila, jossa lämpöydinreaktio tapahtuu, on noin 150 miljoonaa celsiusastetta (vertailun vuoksi Auringon ytimen lämpötila on 40 miljoonaa astetta). Tässä tapauksessa isotoopit palavat, jättämättä käytännössä mitään radioaktiivista jätettä.
Kansainväliseen hankkeeseen osallistumissuunnitelmassa määrätään reaktorin komponenttien toimittamisesta ja rakentamisen rahoituksesta. Vastineeksi tästä kukin osallistujamaa saa täyden pääsyn kaikkiin lämpöydinreaktorin luomiseen tarvittaviin teknologioihin ja kaikkien tätä reaktoria koskevien kokeellisten töiden tuloksiin, jotka toimivat pohjana sarjatehoisten lämpöydinreaktorien suunnittelulle.

Termoydinfuusion periaatteeseen perustuva reaktori ei sisällä radioaktiivista säteilyä ja on täysin turvallinen ympäristölle. Se voi sijaita melkein kaikkialla maailmassa, ja tavallinen vesi toimii sen polttoaineena. ITERin rakentaminen kestää noin kymmenen vuotta, jonka jälkeen reaktorin on tarkoitus olla käytössä 20 vuotta.

Klikattava 4000 px

Venäjän etuja ITER-lämpöydinreaktorin kansainvälisen rakennusjärjestön neuvostossa tulevina vuosina edustaa Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtaja Mihail Kovaltšuk, Kurchatov-instituutin johtaja, Venäjän Akatemian kristallografian instituutti. tieteet ja tiede-, teknologia- ja koulutusasioiden presidentin neuvoston tieteellinen sihteeri. Kovaltšuk korvaa väliaikaisesti akateemikko Jevgeni Velikhovin, joka on valittu ITERin kansainvälisen neuvoston puheenjohtajaksi seuraaviksi kahdeksi vuodeksi ja jolla ei ole oikeutta yhdistää tätä tehtävää osallistujamaan virallisen edustajan tehtäviin.

Rakentamisen kokonaiskustannusarvio on 5 miljardia euroa, ja saman verran tarvitaan reaktorin koekäyttöön. Intian, Kiinan, Korean, Venäjän, Yhdysvaltojen ja Japanin osuudet muodostavat kukin noin 10 prosenttia kokonaisarvosta ja 45 prosenttia Euroopan unionin maiden osuudesta. Euroopan valtiot eivät kuitenkaan ole sopineet, kuinka tarkalleen kustannukset jaetaan niiden kesken. Tämän vuoksi rakentamisen aloitus siirrettiin huhtikuulle 2010. Toisesta viivästyksestä huolimatta ITERin luomiseen osallistuvat tutkijat ja virkamiehet sanovat voivansa saattaa projektin päätökseen vuoteen 2018 mennessä.

ITERin arvioitu lämpöydinteho on 500 megawattia. Magneettien yksittäiset osat painavat 200-450 tonnia. ITERin jäähdyttämiseen tarvitaan 33 000 kuutiometriä vettä päivässä.

Vuonna 1998 Yhdysvallat lopetti osallistumisensa rahoituksen hankkeeseen. Kun republikaanit tulivat valtaan maassa ja katkokset alkoivat Kaliforniassa, Bushin hallinto ilmoitti lisäävänsä energiainvestointeja. Yhdysvallat ei aikonut osallistua kansainväliseen projektiin ja oli mukana omassa lämpöydinprojektissaan. Vuoden 2002 alussa presidentti Bushin teknologianeuvoja John Marburger III ilmoitti, että Yhdysvallat oli muuttanut mieltään ja aikonut palata projektiin.

Osallistujamäärältään hanke on verrattavissa toiseen suureen kansainväliseen tieteelliseen hankkeeseen - Kansainväliseen avaruusasemaan. ITERin kustannukset, jotka aiemmin olivat 8 miljardia dollaria, olivat silloin alle 4 miljardia. Yhdysvaltojen vetäytymisen seurauksena reaktorin tehoa päätettiin vähentää 1,5 GW:sta 500 MW:iin. Näin ollen projektin hinta "laihtui".

Kesäkuussa 2002 symposiumi "ITER Days in Moscow" pidettiin Venäjän pääkaupungissa. Siinä keskusteltiin teoreettisista, käytännöllisistä ja organisatorisista ongelmista, jotka liittyvät hankkeen elvyttämiseen, jonka onnistuminen voi muuttaa ihmiskunnan kohtalon ja antaa sille uudenlaista energiaa, tehokkuudeltaan ja taloudellisuudeltaan verrattavissa vain aurinkoenergiaan.

Heinäkuussa 2010 kansainväliseen ITER-lämpöydinreaktorihankkeeseen osallistuvien maiden edustajat hyväksyivät sen budjetin ja rakennusaikataulun Ranskan Cadarachessa pidetyssä ylimääräisessä kokouksessa. .

Projektin osallistujat hyväksyivät viimeisessä ylimääräisessä kokouksessa päivämäärän ensimmäisten plasmakokeiden alkamiselle - 2019. Täydelliset kokeilut on suunniteltu maaliskuulle 2027, vaikka projektin johto on pyytänyt teknistä henkilökuntaa optimoimaan prosessin ja aloittamaan kokeilut vuonna 2026. Kokoukseen osallistuneet päättivät myös reaktorin rakentamisen kustannuksista, mutta laitoksen rakentamiseen suunniteltuja summia ei julkistettu. ScienceNOW-portaalin toimittajan nimettömästä lähteestä saamien tietojen mukaan ITER-projektin kustannukset voivat kokeiden alkaessa olla 16 miljardia euroa.

Cadarachen tapaaminen oli myös ensimmäinen virallinen työpäivä projektin uudelle johtajalle, japanilaiselle fyysikolle Osamu Motojimalle. Ennen häntä projektia johti vuodesta 2005 japanilainen Kaname Ikeda, joka halusi jättää tehtävänsä välittömästi budjetin ja rakennusajan hyväksymisen jälkeen.

ITER-fuusioreaktori on Euroopan unionin, Sveitsin, Japanin, USA:n, Venäjän, Etelä-Korean, Kiinan ja Intian yhteinen hanke. Ajatusta ITERin luomisesta on harkittu viime vuosisadan 80-luvulta lähtien, mutta taloudellisten ja teknisten vaikeuksien vuoksi projektin kustannukset kasvavat jatkuvasti, ja rakentamisen aloituspäivää lykätään jatkuvasti. Vuonna 2009 asiantuntijat odottivat, että työ reaktorin luomiseksi alkaisi vuonna 2010. Myöhemmin tätä päivämäärää siirrettiin ja ensin 2018 ja sitten 2019 kutsuttiin reaktorin käynnistysajaksi.

Fuusioreaktiot ovat kevyiden isotooppien ytimien fuusioreaktioita, joissa muodostuu raskaampi ydin, joihin liittyy valtava energian vapautuminen. Teoriassa fuusioreaktorit voivat tuottaa paljon energiaa alhaisin kustannuksin, mutta tällä hetkellä tutkijat käyttävät paljon enemmän energiaa ja rahaa fuusioreaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen.

Fuusio on halpa ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa. Miljardeja vuosia Auringossa on tapahtunut hallitsematonta lämpöydinfuusiota – heliumia muodostuu vetydeuteriumin raskaasta isotoopista. Tämä vapauttaa valtavan määrän energiaa. Ihmiset maan päällä eivät kuitenkaan ole vielä oppineet hallitsemaan tällaisia ​​reaktioita.

ITER-reaktorin polttoaineena käytetään vedyn isotooppeja. Termoydinreaktion aikana vapautuu energiaa, kun kevyet atomit yhdistyvät muodostaen raskaampia atomeja. Tämän saavuttamiseksi on välttämätöntä lämmittää kaasu yli 100 miljoonan asteen lämpötilaan - paljon korkeammalle kuin Auringon keskipisteen lämpötila. Kaasu muuttuu tässä lämpötilassa plasmaksi. Samaan aikaan vety-isotooppiatomit sulautuvat ja muuttuvat heliumatomeiksi vapauttaen suuren määrän neutroneja. Tällä periaatteella toimiva voimalaitos käyttää neutronien energiaa, jota hidastaa tiheä ainekerros (litium).

Miksi lämpöydinlaitosten luominen kesti niin kauan?

Miksi näin tärkeitä ja arvokkaita installaatioita, joiden eduista on puhuttu lähes puoli vuosisataa, on sitten vielä luotu? On kolme pääsyytä (käsitelty alla), joista ensimmäistä voidaan kutsua ulkoiseksi tai julkiseksi ja kaksi muuta - sisäistä, toisin sanoen itse lämpöydinenergian kehittämisen laeista ja ehdoista.

1. Pitkään uskottiin, että fuusioenergian käytännön käytön ongelma ei vaadi kiireellisiä päätöksiä ja toimia, koska vielä viime vuosisadan 80-luvulla fossiilisten polttoaineiden lähteet näyttivät ehtymättömiltä, ​​ja ympäristöongelmat ja ilmastonmuutos eivät huolta yleisöstä. Vuonna 1976 Yhdysvaltain energiaministeriön fuusioenergian neuvoa-antava komitea yritti arvioida tutkimus- ja kehitystyön ja demonstraatiofuusiovoimalan rakentamisen ajoitusta eri tutkimusrahoitusvaihtoehdoilla. Samalla kävi ilmi, että tämänsuuntaisen tutkimuksen vuosittaisen rahoituksen määrä on täysin riittämätön ja nykyisellä määrärahatasolla lämpöydinvoimalaitosten luominen ei koskaan onnistu, koska myönnetyt varat eivät edes vastaa. minimiin, kriittiseen tasoon.

2. Vakavampi este alan tutkimuksen kehittämiselle on se, että esillä olevan tyyppistä lämpöydinlaitosta ei voida luoda ja demonstroida pienessä mittakaavassa. Alla esitetyistä selityksistä käy selväksi, että lämpöydinfuusio vaatii plasman magneettisen rajauksen lisäksi sen riittävän lämmityksen. Kulutetun ja vastaanotetun energian suhde kasvaa ainakin suhteessa laitoksen lineaaristen mittojen neliöön, minkä seurauksena lämpöydinvoimalaitosten tieteelliset ja tekniset mahdollisuudet ja edut voidaan testata ja osoittaa vain melko suurilla asemilla, kuten esim. kuten edellä mainittu ITER-reaktori. Yhteiskunta ei yksinkertaisesti ollut valmis rahoittamaan niin suuria hankkeita, ennen kuin luottamus onnistumiseen oli riittävä.

3. Lämpöydinenergian kehittäminen on kuitenkin ollut erittäin monimutkaista (huolimatta riittämättömästä rahoituksesta ja vaikeuksista valita keskuksia JET- ja ITER-laitosten perustamiseen), viime vuosina on edistytty selvästi, vaikka toimintaasemaa ei ole vielä perustettu.

Moderni maailma on erittäin vakavan energiahaasteen edessä, jota voidaan tarkemmin kutsua "epävarmaksi energiakriisiksi". Ongelma liittyy siihen, että fossiilisten polttoaineiden varastot voivat loppua tämän vuosisadan toisella puoliskolla. Lisäksi fossiilisten polttoaineiden polttaminen voi johtaa tarpeeseen jollakin tavalla ottaa talteen ja "varastoida" ilmakehään vapautuva hiilidioksidi (yllä mainittu CCS-ohjelma), jotta voidaan estää vakavia muutoksia planeetan ilmastossa.

Tällä hetkellä lähes kaikki ihmiskunnan kuluttama energia syntyy polttamalla fossiilisia polttoaineita, ja ongelman ratkaisu voi liittyä aurinkoenergian tai ydinenergian käyttöön (nopeiden jalostusreaktoreiden luominen jne.). Kehitysmaiden väestönkasvun aiheuttamaa globaalia ongelmaa ja tarvetta parantaa elintasoa ja lisätä tuotetun energian määrää ei voida ratkaista pelkästään harkittujen lähestymistapojen pohjalta, vaikka tietysti yritetään kehittää vaihtoehtoisia energiamuotoja. sukupolvea pitäisi kannustaa.

Itse asiassa meillä on pieni valikoima käyttäytymisstrategioita ja lämpöydinenergian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, vaikka onnistumisesta ei ole takeita. Financial Times (päivätty 25. tammikuuta 2004) kirjoitti tästä:

Toivotaan, ettei lämpöydinenergian kehityksen tiellä tule suuria ja odottamattomia yllätyksiä. Tällöin noin 30 vuoden kuluttua pystymme syöttämään siitä sähkövirtaa ensimmäistä kertaa energiaverkkoihin, ja reilun 10 vuoden kuluttua alkaa toimia ensimmäinen kaupallinen lämpöydinvoimala. On mahdollista, että vuosisadamme toisella puoliskolla ydinfuusioenergia alkaa korvata fossiilisia polttoaineita ja alkaa vähitellen olla yhä tärkeämpi rooli ihmiskunnan energian tarjoamisessa maailmanlaajuisesti.

Ei ole absoluuttista takeita siitä, että lämpöydinenergian luomistehtävä (koko ihmiskunnan tehokkaana ja laajamittaisena energialähteenä) saadaan päätökseen onnistuneesti, mutta onnistumisen todennäköisyys tähän suuntaan on melko korkea. Ottaen huomioon lämpöydinvoimaloiden valtava potentiaali, kaikkia niiden nopean (ja jopa kiihtyneen) kehityksen hankkeiden kustannuksia voidaan pitää perusteltuina, varsinkin kun nämä investoinnit näyttävät erittäin vaatimattomilta maailman hirviömäisten energiamarkkinoiden (4 biljoonaa dollaria vuodessa8) taustalla. ). Ihmiskunnan energiatarpeiden tyydyttäminen on erittäin vakava ongelma. Fossiilisten polttoaineiden saatavuuden vähentyessä (lisäksi niiden käytöstä tulee ei-toivottua), tilanne muuttuu, eikä meillä yksinkertaisesti ole varaa olla kehittämättä fuusiovoimaa.

Kysymykseen "Milloin lämpöydinenergia ilmestyy?" Lev Artsimovich (tunnustettu edelläkävijä ja tutkimuksen johtaja tällä alalla) vastasi kerran, että "se luodaan, kun siitä tulee todella tarpeellista ihmiskunnalle"

ITER on ensimmäinen fuusioreaktori, joka tuottaa enemmän energiaa kuin kuluttaa. Tutkijat mittaavat tämän ominaisuuden yksinkertaisella tekijällä, jota he kutsuvat "Q". Jos ITER mahdollistaa kaikkien asetettujen tieteellisten tavoitteiden saavuttamisen, se tuottaa 10 kertaa enemmän energiaa kuin kuluttaa. Viimeisin rakennettu laite, "Joint European Tor" Englannissa, on pienempi fuusioreaktorin prototyyppi, joka saavutti tieteellisen tutkimuksen viimeisessä vaiheessa lähes 1:n, mikä tarkoittaa, että se tuotti täsmälleen yhtä paljon tehoa kuin kulutti. ITER ylittää tämän osoittamalla energian tuottamista fuusiosta ja saavuttamalla Q-arvon 10. Ajatuksena on tuottaa 500 MW noin 50 MW:n energiankulutuksella. Siten yksi ITERin tieteellisistä tavoitteista on osoittaa, että Q-arvo 10 voidaan saavuttaa.

Toinen tieteellinen tavoite on, että ITERillä on erittäin pitkä "palamisaika" - pulssi, jonka kesto on pitempi, jopa tunti. ITER on tutkimuskokeellinen reaktori, joka ei pysty tuottamaan energiaa jatkuvasti. Kun ITER alkaa toimia, se on päällä tunnin, jonka jälkeen se on sammutettava. Tämä on tärkeää, koska tähän asti luomillamme vakiolaitteilla on ollut useiden sekuntien tai jopa sekunnin kymmenesosien paloaika - tämä on maksimi. "Yhteinen eurooppalainen torus" saavutti Q-arvonsa 1 noin kahden sekunnin paloajalla ja 20 sekunnin pulssin pituudella. Mutta muutaman sekunnin kestävä prosessi ei ole todella pysyvä. Vastaavasti auton moottorin käynnistämiseen: moottorin käynnistäminen lyhyeksi ajaksi ja sen jälkeen sammuttaminen ei ole auton todellista toimintaa. Vain kun ajat autollasi puoli tuntia, se siirtyy pysyvään toimintatilaan ja osoittaa, että sellaisella autolla voi todella ajaa.

Toisin sanoen teknisestä ja tieteellisestä näkökulmasta ITER tarjoaa Q-arvon 10 ja pidentyneen palamisajan.

Termoydinfuusioohjelmalla on todella kansainvälinen ja laaja luonne. Ihmiset luottavat jo ITERin menestykseen ja ajattelevat seuraavaa askelta - DEMO-nimisen teollisen lämpöydinreaktorin prototyypin luomista. Sen rakentamiseksi on välttämätöntä, että ITER toimii. Meidän on saavutettava tieteelliset tavoitteemme, koska tämä tarkoittaa, että esittämämme ideat ovat varsin toteuttamiskelpoisia. Olen kuitenkin samaa mieltä siitä, että sinun tulee aina ajatella, mitä tapahtuu seuraavaksi. Lisäksi ITERin 25-30 vuoden toiminnan aikana tietomme syvenee ja laajenee vähitellen ja pystymme hahmottelemaan seuraavaa askeleemme tarkemmin.

Ei todellakaan ole kiistaa siitä, pitäisikö ITER olla täsmälleen tokamak. Jotkut tutkijat esittävät kysymyksen aivan eri tavalla: pitäisikö olla ITER? Eri maiden asiantuntijat, jotka kehittävät omia, ei niin suuria lämpöydinprojektejaan, väittävät, että näin suurta reaktoria ei tarvita ollenkaan.

Heidän mielipidettään tuskin kuitenkaan kannattaa pitää arvovaltaisena. Fyysikot, jotka ovat työskennelleet toroidiloukkujen parissa useiden vuosikymmenien ajan, ovat olleet mukana ITERin luomisessa. Karadashin kokeellisen lämpöydinreaktorin suunnittelu perustui kaikkeen tietoon, joka saatiin kymmenillä esiaste-tokamakeilla tehdyissä kokeissa. Ja nämä tulokset osoittavat, että reaktorissa täytyy olla tokamak, ja suuri.

JET Tällä hetkellä menestyneimpana tokamakina voidaan pitää EU:n Iso-Britannian Abingdonin kaupunkiin rakentamaa JETiä. Tämä on suurin tähän mennessä luoduista tokamak-tyyppisistä reaktoreista, plasmatoruksen suuri säde on 2,96 metriä. Termoydinreaktion teho saavuttaa jo yli 20 megawattia, ja retentioaika on jopa 10 sekuntia. Reaktori palauttaa noin 40 % plasmaan sijoitetusta energiasta.

Se on plasmafysiikka, joka määrittää energiatasapainon, Igor Semenov kertoi Infox.ru:lle. Moskovan fysiikan ja teknologian instituutin apulaisprofessori kuvaili energiatasapainoa yksinkertaisella esimerkillä: "Me kaikki näimme kuinka tuli palaa. Itse asiassa polttopuita ei polteta, vaan kaasua. Energiaketju siellä on seuraava: kaasu palaa, polttopuut lämpenevät, polttopuut haihtuu, kaasu palaa taas. Siksi, jos heitämme vettä tuleen, otamme jyrkästi energiaa järjestelmästä nestemäisen veden vaiheen muuttamiseksi höyrytilaan. Saldo muuttuu negatiiviseksi, tuli sammuu. On toinenkin tapa - voimme yksinkertaisesti ottaa ja levittää tulipaloja avaruuteen. Myös tuli sammuu. Sama pätee rakentamaamme fuusioreaktoriin. Mitat valitaan siten, että saadaan aikaan sopiva positiivinen energiatasapaino tälle reaktorille. Riittää rakentamaan todellinen TNPP tulevaisuudessa, ratkaisemalla tässä kokeellisessa vaiheessa kaikki ongelmat, jotka ovat tällä hetkellä ratkaisematta."

Reaktorin mitat muuttuivat kerran. Tämä tapahtui 1900-2000-luvun vaihteessa, kun Yhdysvallat vetäytyi hankkeesta ja muut jäsenet ymmärsivät, että ITER-budjetti (silloin arvioitiin 10 miljardia dollaria) oli liian suuri. Fyysikot ja insinöörit joutuivat vähentämään asennuksen kustannuksia. Ja tämä voidaan tehdä vain koon kustannuksella. ITERin "uudelleensuunnittelua" johti ranskalainen fyysikko Robert Aymar, joka oli aiemmin työskennellyt ranskalaisen Tore Supran parissa Karadashissa. Plasmatoruksen ulkosäde on pienennetty 8,2 metristä 6,3 metriin. Koon pienentämiseen liittyviä riskejä kuitenkin tasoitti jonkin verran muutama ylimääräinen suprajohtava magneetti, mikä mahdollisti silloin löydetyn ja tutkitun plasmarajoitusjärjestelmän toteuttamisen.

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

10:14 - Kansainvälinen kokeellinen lämpöydinreaktori ITER

ITER-fuusioreaktorin rakennustyömaa lokakuussa 2016. Itse reaktori tulee olemaan keskellä, missä on ympyrä nosturin kanssa.

Joten, tämä on ensimmäinen viesti, jossa on tietue ja lyhyt kuvaus siitä, mitä keskustelimme rubriikissani Hopeinen sade. Eilisen numeron aiheena oli lämpöydinenergia ja maailman kallein tieteellinen laitos ITER.

Joten mikä on ITER?
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) on kansainvälinen kokeellinen lämpöydinreaktori. Sitä rakennetaan kymmenien maiden ponnisteluilla ranskalaiseen Cadarache-ydinkeskukseen. Sen suunnittelu aloitettiin jo 1980-luvulla, hanketta kehitettiin vuosina 1992-2007, rakentaminen aloitettiin vuonna 2009. Ensimmäisen plasman odotetaan saapuvan vuonna 2025, ja lopullinen valmistuminen ja projektin mukaisten suunniteltujen enimmäistyöparametrien saavuttaminen on noin vuonna 2035. Miksi tämä on tärkeää ja mielenkiintoista? Ensinnäkin ITER on maailman kallein ja monimutkaisin tieteellinen ja kokeellinen laitos. Sen kustannusarvio on jo yli 20 miljardia euroa. Vertailun vuoksi Large Hadron Collider maksoi 6 miljardia euroa ja kesti seitsemän vuotta. Toiseksi ITER on tärkein asia, jota nyt tehdään lämpöydinenergian kehittämiseksi, sillä se voi mahdollisesti ratkaista kaikki ihmiskunnan energiaongelmat tulevaisuudessa. Laitoksen tarkoituksena on osoittaa hallitun lämpöydinfuusion mahdollisuus teollisen mittakaavan kapasiteetilla ja kerätä kokemusta ensimmäisen lämpöydinvoimalan rakentamisesta. Joten ITER itse ei tuota vielä sähköä.

Termoydinreaktorissa, toisin kuin perinteisessä atomireaktorissa, ei käytetä uraanin tai plutoniumin raskaiden ytimien fissioreaktiota, vaan vetyisotoopeista - deuteriumista ja tritiumista - peräisin olevien kevyiden heliumytimien fuusioreaktiota. Samanlainen fuusioreaktio tapahtuu auringossa, joten "vaihtoehtoinen" aurinko- ja tuulienergia on jollain tavalla epäsuoraa tähtemme lämpöydinenergian käyttöä.

Samanaikaisesti on erittäin vaikeaa luoda hallittua lämpöydinfuusioreaktiota. He oppivat saamaan aikaan hallitsemattoman lämpöydinreaktion maan päällä - vetylämpöydinpommeina, voimakkaimmin ihmisen luomista pommeista. Mutta rauhanomaisiin tarkoituksiin sitä ei voi vielä käyttää. Tässä on useita vaikeuksia. Ensinnäkin fuusioreaktio vaatii korkean lämpötilan. On välttämätöntä hajottaa ja törmätä kaksi samalla positiivisella varauksella olevaa kevyttä ydintä, jotka pienemmillä nopeuksilla yksinkertaisesti hylkivät. Siksi Auringon lämpötila saavuttaa 15 miljoonaa astetta, ja ITER-reaktorissa on vielä enemmän - 150 miljoonaa astetta.

Aine on sellaisessa lämpötilassa vain plasman muodossa - neljäs aineen aggregaattitila kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen jälkeen, jossa ei ole enää atomeja, vaan vain erilliset varautuneet hiukkaset - ytimet, protonit ja elektronit. Siksi lämpöydinlaitteiston toinen vaikeus on tämän plasman pysyminen reaktorin sisällä. Mikään materiaali ei kestä kosketusta tämän plasman kanssa, joten sitä ei tarvitse pitää aineen, vaan magneettikentän avulla. Jos annat kentälle suljetun muodon, varautuneet hiukkaset ovat sen sisällä. Pallomaisen suljetun magneettikentän luominen on kuitenkin jopa teoriassa mahdotonta (siilikampausteoreeman vuoksi), joten plasman sisältäväksi ehdotettiin toruksen muotoista kenttää. Bagel, toisin sanoen. Ja sen keksivät ja toteuttivat ensimmäistä kertaa Neuvostoliiton tutkijat. Siksi tällaisen mallin nimi - Tokamak (Toroidaalinen kammio magneettikeloilla) tuli tieteen maailmaan venäjän kielestä. ITERistä tulee maailman suurin ja tehokkain tokamak, vaikka niitä on jo yli 300 planeetalla.

No, ja vielä yksi vaikeus - tarvittavan magneettikentän luomiseksi tarvitaan valtavia suprajohtavia magneetteja, jotka jäähdytetään nestemäisellä heliumilla alle -270 celsiusasteen lämpötiloihin. Joten käy ilmi, että tokamak on laite, jossa täydellisessä tyhjiössä (koska polttoainetta, deuteriumia ja tritiumia lukuun ottamatta kaasun epäpuhtaudet eivät ole sallittuja sisällä) tapahtuu reaktio kelojen sisällä, joiden lämpötila on miinus 150 miljoonan lämpötilassa. astetta. Tämä on kuuma voileipä. Tarkemmin sanottuna bagel.

Asennuksen koko ja monimutkaisuus voidaan arvioida tästä kaaviosta.

Mutta mikä on niiden magneettirenkaiden todellinen koko, joista yllä olevassa kaaviossa esitetty tokamak-kammio kootaan. Lisää jännittäviä kuvia.

Lue lisää tokamakin ja sen sormissa olevan laitteen fysiikasta täältä.

Jopa kaikkein kehittyneimpien maiden olisi vaikea toteuttaa tällaista hanketta yksin. Asennuksen monimutkaisuuden vuoksi oli välttämätöntä yhdistää kaikkien fuusiotutkimukseen osallistuvien maiden tietämys ja kokemus. ITER-projektissa ovat mukana yhdistynyt Euroopan unioni, Yhdysvallat, Venäjä, Japani, Etelä-Korea, Kiina ja Intia. Myöhemmin siihen liittyi Kazakstan ja hiljattain jopa Iran. Joku sijoittaa hankkeeseen rahalla ja joku rakennustarvikkeiden muodossa. Esimerkiksi Venäjä rakentaa monia tärkeitä komponentteja, kuten alla olevasta kuvasta näkyy. Ja voit lukea lisää Venäjän osallistumisesta venäläisen projektikeskuksen ITERin verkkosivuilta.

ITER-suunnittelun osat, jotka on valmistettu Venäjällä. Niiden arvo on useita miljardeja euroja.

Pyrkimysten yhdistäminen hyödyttää kaikkia – investoimalla osansa maat pääsevät sitten käsiksi kaikkeen pilottilaitoksessa saatuun tietoon. Termoydinenergia voi todellakin tulla koko ihmiskunnan omaisuutta. Toinen mahdollinen syy hankkeen toteuttamiselle kansainvälisenä yhteistyönä on riskinjako. Se on vielä hyvin kaukana kaupallisten laitosten ilmestymisestä (ITER itse ei edes tuota energiaa vielä, sen jälkeen seuraava DEMO-reaktori tekee sen), kaikki ymmärtävät tämän, ja niin kalliin kokeilun vetäminen yksin on kannattamatonta. Maat investoivat karkeasti sanottuna kaukaiseen tulevaisuuteen ja ylläpitävät tieteellistä potentiaalia lämpöydinenergian alalla, mutta samalla ne jakavat riskit, että tuote ei ilmesty pian eikä siinä muodossa, jossa sitä voidaan käyttää.

Vaikka olinkin mukana ydinenergian tutkimuksessa, mutta lämpöydinreaktori on niin erillinen ja perinteisistä ydinvoimaloista kaukana oleva aihe, että vasta nyt olen sukeltanut siihen tarpeeksi syvälle. Nyt minusta näyttää siltä, ​​että hallitun lämpöydinenergian rauhanomaisen käytön ongelma ratkaistaan ​​teknisesti. Juuri näin paljon sillä on kysyntää luomishetkellä, ja milloin tämä tapahtuu, on vielä vaikea sanoa.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") on laajamittainen tieteellinen ja tekninen hanke, jonka tavoitteena on rakentaa ensimmäinen kansainvälinen kokeellinen lämpöydinreaktori.

Toteuttaja on seitsemän pääkumppania (Euroopan unioni, Intia, Kiina, Korean tasavalta, Venäjä, Yhdysvallat, Japani) Cadarachessa (Provence-Alpes-Côte d'Azurin alue, Ranska). ITER perustuu tokamak-laitokseen (nimetty ensimmäisten kirjainten mukaan: toroidaalinen kammio magneettikeloilla), jota pidetään lupaavimpana hallitun lämpöydinfuusion laitteena. Ensimmäinen tokamak rakennettiin Neuvostoliitossa vuonna 1954.

Hankkeen tavoitteena on osoittaa, että fuusioenergiaa voidaan käyttää teollisessa mittakaavassa. ITERin oletetaan tuottavan energiaa fuusioreaktiolla raskaiden vedyn isotooppien kanssa yli 100 miljoonan asteen lämpötilassa.

Oletetaan, että 1 g polttoainetta (deuteriumin ja tritiumin seos), jota käytetään laitoksessa, antaa saman määrän energiaa kuin 8 tonnia öljyä. ITERin arvioitu lämpöydinteho on 500 MW.

Asiantuntijat sanovat, että tämäntyyppinen reaktori on paljon turvallisempi kuin nykyiset ydinvoimalaitokset ja merivesi voi tarjota sille polttoainetta lähes rajattomasti. Siten ITERin onnistunut toteuttaminen tarjoaa ehtymättömän puhtaan energian lähteen.

Projektin historia

Reaktorin konsepti kehitettiin Atomienergiainstituutissa. I. V. Kurchatov. Vuonna 1978 Neuvostoliitto esitti idean hankkeen toteuttamisesta Kansainvälisessä atomienergiajärjestössä (IAEA). Sopimus hankkeen toteuttamisesta saavutettiin vuonna 1985 Genevessä Neuvostoliiton ja USA:n välisissä neuvotteluissa.

Ohjelma hyväksyttiin myöhemmin IAEA:ssa. Vuonna 1987 hanke sai nykyisen nimensä, vuonna 1988 perustettiin hallintoelin, ITER-neuvosto. Vuosina 1988-1990. Neuvostoliiton, amerikkalaiset, japanilaiset ja eurooppalaiset tiedemiehet ja insinöörit suorittivat projektin käsitteellisen tutkimuksen.

EU, Venäjä, USA ja Japani allekirjoittivat Washingtonissa 21. heinäkuuta 1992 sopimuksen ITERin teknisen projektin kehittämisestä, joka valmistui vuonna 2001. Vuosina 2002-2005. Etelä-Korea, Kiina ja Intia liittyivät hankkeeseen. Sopimus ensimmäisen kansainvälisen kokeellisen lämpöydinreaktorin rakentamisesta allekirjoitettiin Pariisissa 21.11.2006.

Vuotta myöhemmin, 7.11.2007, allekirjoitettiin ITER-rakennustyömaa koskeva sopimus, jonka mukaan reaktori sijoitetaan Ranskaan Cadarachen ydinkeskukseen lähellä Marseillea. Valvonta- ja tietojenkäsittelykeskus sijoittuu Nakaan (Ibarakin prefektuuri, Japani).

Työmaan valmistelu aloitettiin Cadarachessa tammikuussa 2007, ja täysimittainen rakentaminen aloitettiin vuonna 2013. Kompleksi tulee sijoittumaan 180 hehtaarin alueelle. 60 m korkea ja 23 tuhannen tonnin massa reaktori sijoitetaan 1 km pitkälle ja 400 m leveälle paikalle, jonka rakentamista koordinoi lokakuussa 2007 perustettu kansainvälinen järjestö ITER.

Hankkeen kustannusarvio on 15 miljardia euroa, josta EU:n (Euratomin kautta) osuus on 45,4 % ja kuuden muun osallistujan (mukaan lukien Venäjän federaatio) osuus 9,1 %. Vuodesta 1994 lähtien myös Kazakstan on osallistunut hankkeeseen Venäjän kiintiön puitteissa.

Reaktorin elementit toimitetaan laivoilla Ranskan Välimeren rannikolle ja sieltä erikoisvaunuilla Cadarachen alueelle. Tätä tarkoitusta varten osia olemassa olevista teistä varustettiin merkittävästi vuonna 2013, siltoja vahvistettiin, uusia risteyksiä ja erityisen vahvapintaisia ​​teitä rakennettiin. Vuosina 2014-2019 vahvistetun tien varrella tulisi kulkea vähintään kolme tusinaa superraskasta maantiejunia.

ITERin plasmadiagnostiikkajärjestelmiä kehitetään Novosibirskissä. Kansainvälisen ITER-järjestön johtaja Osamu Motojima ja Venäjän federaation kansallisen ITER-viraston johtaja Anatoli Krasilnikov allekirjoittivat tästä sopimuksen 27.1.2014.

Uuden sopimuksen mukaisen diagnostisen kompleksin kehitystyötä tehdään Fysikaalisen teknisen instituutin pohjalta. A. F. Ioffe Venäjän tiedeakatemiasta.

Reaktorin odotetaan käynnistyvän vuonna 2020, ensimmäiset ydinfuusion reaktiot suoritetaan siihen aikaisintaan vuonna 2027. Vuonna 2037 on tarkoitus saada hankkeen kokeellinen osa valmiiksi ja vuoteen 2040 mennessä siirtyä sähköntuotanto. Asiantuntijoiden alustavien ennusteiden mukaan reaktorin teollinen versio valmistuu aikaisintaan vuonna 2060, ja sarja tämän tyyppisiä reaktoreita voidaan luoda vasta 2000-luvun loppuun mennessä.