Fuzijski reaktor. Termonuklearni reaktori: imaju li budućnost? Termonuklearni reaktori u svijetu

Kako je sve počelo? “Energetski izazov” je nastao kao rezultat kombinacije sljedeća tri faktora:

1. Čovječanstvo sada troši ogromnu količinu energije.

Trenutno, svjetska potrošnja energije iznosi oko 15,7 teravata (TW). Podijeleći ovu vrijednost sa svjetskom populacijom, dobijamo otprilike 2400 vati po osobi, što se lako može procijeniti i vizualizirati. Energija koju potroši svaki stanovnik Zemlje (uključujući djecu) odgovara danonoćnom radu 24 električne lampe od sto vati. Međutim, potrošnja ove energije širom planete je veoma neujednačena, jer je u nekoliko zemalja veoma velika, a u drugim zanemarljiva. Potrošnja (po jednoj osobi) je jednaka 10,3 kW u SAD (jedna od rekordnih vrijednosti), 6,3 kW u Ruskoj Federaciji, 5,1 kW u UK, itd., ali je, s druge strane, jednaka samo 0,21 kW u Bangladešu (samo 2% potrošnje energije u SAD!).

2. Svjetska potrošnja energije dramatično raste.

Prema prognozi Međunarodne agencije za energiju (2006.), globalna potrošnja energije trebala bi porasti za 50% do 2030. godine. Razvijene zemlje bi se, naravno, mogle dobro snaći i bez dodatne energije, ali ovaj rast je neophodan da bi se ljudi izvukli iz siromaštva u zemljama u razvoju, gdje 1,5 milijardi ljudi pati od ozbiljnih nestašica struje.

3. Trenutno, 80% svjetske energije dolazi od sagorijevanja fosilnih goriva (nafta, ugalj i plin), čija upotreba:
a) potencijalno predstavlja rizik od katastrofalnih promjena životne sredine;
b) jednog dana neizbježno mora završiti.

Iz rečenog je jasno da se sada moramo pripremiti za kraj ere korišćenja fosilnih goriva

Trenutno uključeno nuklearne elektrane u velikim razmerama primaju energiju oslobođenu tokom reakcija fisije atomska jezgra. Stvaranje i razvoj ovakvih stanica treba poticati na svaki mogući način, ali se mora voditi računa da se i rezerve jednog od najvažnijih materijala za njihov rad (jeftinog uranijuma) mogu u potpunosti istrošiti u narednih 50 godina. . Mogućnosti energije zasnovane na nuklearnoj fisiji mogu (i treba) biti značajno proširene upotrebom efikasnijih energetskih ciklusa, omogućavajući da se količina proizvedene energije gotovo udvostruči. Za razvoj energije u ovom smjeru potrebno je stvoriti torijske reaktore (tzv. torium breeder reaktori ili breeder reaktori), u kojima se reakcijom proizvodi više torija od originalnog uranijuma, uslijed čega se ukupna količina proizvedene energije za datu količinu supstance se povećava za 40 puta. Također se čini obećavajućim stvaranje uzgajivača plutonijuma koristeći brze neutrone, koji su mnogo efikasniji od uranijumskih reaktora i mogu proizvesti 60 puta više energije. Može biti da će za razvoj ovih područja biti potrebno razviti nove, nestandardne metode za dobijanje uranijuma (npr. morska voda, koji se čini najpristupačnijim).

Fuzijske elektrane

Na slici je prikazan šematski dijagram (ne u mjerilu) uređaja i princip rada termonuklearne elektrane. U središnjem dijelu nalazi se toroidna (u obliku krofne) komora zapremine ~2000 m3, ispunjena tricij-deuterijumom (T-D) plazmom zagrijanom na temperaturu iznad 100 M°C. Neutroni nastali tokom reakcije fuzije (1) napuštaju „magnetnu bocu“ i ulaze u školjku prikazanu na slici debljine oko 1 m.

Unutar ljuske, neutroni se sudaraju s atomima litija, što rezultira reakcijom koja proizvodi tricij:

neutron + litijum → helijum + tricijum

Osim toga, u sistemu se javljaju kompetitivne reakcije (bez stvaranja tricijuma), kao i mnoge reakcije sa oslobađanjem dodatnih neutrona, koji potom također dovode do stvaranja tricijuma (u ovom slučaju može doći do oslobađanja dodatnih neutrona). značajno poboljšana, na primjer, uvođenjem atoma berilija u ljusku i olovo). Opšti zaključak je da u ovoj instalaciji može (barem teoretski) doći do reakcije nuklearne fuzije u kojoj će nastati tricij. U tom slučaju količina proizvedenog tritijuma ne samo da treba zadovoljiti potrebe same instalacije, već i biti nešto veća, što će omogućiti opskrbu novih instalacija tritijem. Upravo ovaj koncept rada mora biti testiran i implementiran u reaktoru ITER opisanom u nastavku.

Osim toga, neutroni moraju zagrijati ljusku u takozvanim pilot postrojenjima (u kojima će se koristiti relativno “obični” građevinski materijali) na približno 400°C. U budućnosti se planira izrada poboljšanih instalacija sa temperaturom zagrijavanja ljuske iznad 1000°C, što se može postići upotrebom najnovijih materijala visoke čvrstoće (kao što su kompoziti silicijum karbida). Toplinu koja se stvara u omotaču, kao u konvencionalnim stanicama, prima primarni rashladni krug s rashladnim sredstvom (koji sadrži, na primjer, vodu ili helijum) i prenosi u sekundarni krug, gdje se proizvodi vodena para i dovodi do turbina.

1985 - Sovjetski savez predložio sljedeću generaciju instalacije Tokamak, koristeći iskustvo četiri vodeće zemlje u stvaranju fuzijskih reaktora. Sjedinjene Američke Države, zajedno sa Japanom i Evropskom zajednicom, iznijele su prijedlog za implementaciju projekta.

Trenutno je u Francuskoj u toku izgradnja međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER (International Tokamak Experimental Reactor), opisanog u nastavku, koji će biti prvi tokamak sposoban da "zapali" plazmu.

Najnaprednije postojeće instalacije tokamaka odavno su dostigle temperature od oko 150 M°C, blizu vrijednosti koje su potrebne za rad fuzijske stanice, ali reaktor ITER trebao bi biti prva elektrana velikih razmjera dizajnirana za dugo vremena. -terminalni rad. U budućnosti će biti potrebno značajno poboljšati njegove radne parametre, što će zahtijevati, prije svega, povećanje tlaka u plazmi, jer je brzina nuklearne fuzije na datoj temperaturi proporcionalna kvadratu tlaka. Main naučni problem to je zbog činjenice da kada se pritisak u plazmi poveća, nastaju vrlo složene i opasne nestabilnosti, odnosno nestabilni režimi rada.

Zašto nam ovo treba?

Glavna prednost nuklearne fuzije je da zahtijeva samo vrlo male količine tvari koje su u prirodi vrlo česte kao gorivo. Reakcija nuklearne fuzije u opisanim instalacijama može dovesti do oslobađanja ogromne količine energije, deset miliona puta većeg od standardnog oslobađanja toplote tokom konvencionalnih hemijske reakcije(kao sagorevanje fosilnih goriva). Poređenja radi, ističemo da je količina uglja potrebna za napajanje termoelektrane snage 1 gigavat (GW) 10.000 tona dnevno (deset željezničkih vagona), a fuzijsko postrojenje iste snage će potrošiti samo oko 1 kilogram D+T mješavine dnevno.

Deuterijum je stabilan izotop vodonika; U otprilike jednom od svakih 3.350 molekula obične vode, jedan od atoma vodika je zamijenjen deuterijumom (naslijeđe koje smo naslijedili od Veliki prasak). Ova činjenica olakšava organiziranje prilično jeftine proizvodnje potrebne količine deuterija iz vode. Teže je dobiti tricijum, koji je nestabilan (poluživot je oko 12 godina, zbog čega je njegov sadržaj u prirodi zanemarljiv), međutim, kao što je gore prikazano, tricij će se tokom rada pojaviti direktno unutar termonuklearne instalacije, zbog reakcije neutrona sa litijumom.

Dakle, početno gorivo za fuzijski reaktor su litijum i voda. Litijum je uobičajen metal koji se široko koristi u kućanskim aparatima (baterije za mobilni telefoni i tako dalje.). Gore opisana instalacija, čak i ako se uzme u obzir neidealna efikasnost, moći će proizvesti 200.000 kWh električne energije, što je ekvivalentno energiji sadržanoj u 70 tona uglja. Količina litijuma potrebna za to nalazi se u jednoj bateriji računara, a količina deuterijuma je u 45 litara vode. Navedena vrijednost odgovara trenutnoj potrošnji električne energije (obračunato po osobi) u zemljama EU preko 30 godina. Sama činjenica da tako beznačajna količina litijuma može osigurati proizvodnju tolike količine električne energije (bez emisije CO2 i bez najmanjeg zagađenja zraka) prilično je ozbiljan argument za najbrži i najsnažniji razvoj termonuklearne energije (unatoč svim teškoće i problemi) pa čak i bez stopostotnog uverenja u uspeh takvog istraživanja.

Deuterijum bi trebalo da traje milionima godina, a rezerve litijuma koje se lako kopaju dovoljne su za snabdevanje potreba stotinama godina. Čak i ako ponestane litijuma u stijenama, možemo ga izvući iz vode, gdje se nalazi u dovoljno visokim koncentracijama (100 puta veća od koncentracije uranijuma) da bi njegova ekstrakcija bila ekonomski isplativa.

Eksperimentalni termonuklearni reaktor (International thermonuclear experimental reactor) gradi se u blizini grada Cadarache u Francuskoj. Glavni cilj projekta ITER je implementacija kontrolirane reakcije termonuklearne fuzije u industrijskim razmjerima.

Po jedinici težine termonuklearnog goriva dobija se oko 10 miliona puta više energije nego pri sagorevanju iste količine organskog goriva i oko stotinu puta više nego pri cijepanju jezgri uranijuma u reaktorima trenutno aktivnih nuklearnih elektrana. Ako se proračuni naučnika i dizajnera ostvare, to će čovječanstvu dati neiscrpni izvor energije.

Stoga su se brojne zemlje (Rusija, Indija, Kina, Koreja, Kazahstan, SAD, Kanada, Japan, zemlje Evropske unije) udružile u stvaranju Međunarodnog termonuklearnog istraživačkog reaktora - prototipa novih elektrana.

ITER je postrojenje koje stvara uslove za sintezu atoma vodika i tricijuma (izotop vodonika), što rezultira formiranjem novog atoma - atoma helija. Ovaj proces je praćen ogromnim naletom energije: temperatura plazme u kojoj se odvija termonuklearna reakcija je oko 150 miliona stepeni Celzijusa (za poređenje, temperatura jezgra Sunca je 40 miliona stepeni). U ovom slučaju izotopi izgaraju, ne ostavljajući gotovo nikakav radioaktivni otpad.
Šema učešća u međunarodnom projektu predviđa nabavku komponenti reaktora i finansiranje njegove izgradnje. U zamjenu za to, svaka od zemalja učesnica dobija pun pristup svim tehnologijama za stvaranje termonuklearnog reaktora i rezultatima svih eksperimentalni rad na ovom reaktoru, koji će poslužiti kao osnova za projektovanje serijskih energetskih termonuklearnih reaktora.

Reaktor, zasnovan na principu termonuklearne fuzije, nema radioaktivno zračenje i potpuno je bezbedan za okolinu. Može se nalaziti gotovo bilo gdje globus, a gorivo za to je obična voda. Očekuje se da će izgradnja ITER-a trajati oko deset godina, nakon čega se očekuje da će reaktor biti u upotrebi 20 godina.

U narednim godinama interese Rusije u Savetu Međunarodne organizacije za izgradnju termonuklearnog reaktora ITER zastupaće dopisni član Ruske akademije nauka Mihail Kovalčuk, direktor Ruskog istraživačkog centra Institut Kurčatov, Institut za Kristalografija Ruske akademije nauka i naučni sekretar Predsedničkog saveta za nauku, tehnologiju i obrazovanje. Kovalčuk će na ovoj funkciji privremeno zamijeniti akademika Evgenija Velikhova, koji je izabran za predsjedavajućeg Međunarodnog vijeća ITER-a u naredne dvije godine i nema pravo kombinirati ovu funkciju sa dužnostima službenog predstavnika zemlje učesnice.

Ukupni troškovi izgradnje procijenjeni su na 5 milijardi eura, a isto toliko će biti potrebno i za probni rad reaktora. Udjeli Indije, Kine, Koreje, Rusije, SAD-a i Japana čine po oko 10 posto ukupne vrijednosti, 45 posto dolazi iz zemalja Evropske unije. Međutim, evropske države se još nisu dogovorile o tome kako će tačno troškovi biti raspoređeni između njih. Zbog toga je početak izgradnje odgođen za april 2010. godine. Uprkos posljednjem kašnjenju, naučnici i zvaničnici uključeni u ITER kažu da će moći završiti projekat do 2018.

Procijenjena termonuklearna snaga ITER-a je 500 megavata. Pojedinačni magnetni dijelovi dostižu težinu od 200 do 450 tona. Za hlađenje ITER-a biće potrebno 33 hiljade kubnih metara vode dnevno.

Godine 1998. Sjedinjene Države su prestale finansirati svoje učešće u projektu. Nakon što su republikanci došli na vlast i počeli nestanci struje u Kaliforniji, Bushova administracija najavila je povećanje ulaganja u energiju. Sjedinjene Američke Države nisu imale namjeru da učestvuju u međunarodnom projektu i bile su angažovane na sopstvenom termonuklearnom projektu. Početkom 2002. savjetnik predsjednika Busha za tehnologiju John Marburger III rekao je da su Sjedinjene Države promijenile mišljenje i namjeravaju se vratiti projektu.

Po broju učesnika projekat je uporediv sa drugim velikim međunarodnim naučnim projektom - Međunarodnom svemirskom stanicom. Trošak ITER-a, koji je ranije dostigao 8 milijardi dolara, tada je iznosio manje od 4 milijarde. Kao rezultat povlačenja Sjedinjenih Država iz učešća, odlučeno je da se snaga reaktora smanji sa 1,5 GW na 500 MW. Shodno tome, cijena projekta je također smanjena.

U junu 2002. godine u ruskoj prijestolnici održan je simpozijum „Dani ITER-a u Moskvi“. Razgovaralo se o teorijskim, praktičnim i organizacijskim problemima oživljavanja projekta čiji uspjeh može promijeniti sudbinu čovječanstva i dati joj nova vrsta energije, uporedive po efikasnosti i ekonomičnosti samo sa energijom Sunca.

U julu 2010. godine, predstavnici zemalja koje učestvuju u projektu međunarodnog termonuklearnog reaktora ITER odobrili su njegov budžet i raspored izgradnje na vanrednom sastanku održanom u Cadaracheu u Francuskoj. .

Na posljednjem vanrednom sastanku učesnici projekta odobrili su datum početka prvih eksperimenata sa plazmom - 2019. Puni eksperimenti planirani su za mart 2027. godine, iako je menadžment projekta zatražio od tehničkih stručnjaka da pokušaju optimizirati proces i započeti eksperimente 2026. godine. Učesnici sastanka odlučivali su i o troškovima izgradnje reaktora, ali nisu objavljeni iznosi planirani za izgradnju postrojenja. Prema informacijama koje je urednik portala ScienceNOW dobio od neimenovanog izvora, do početka eksperimenata cijena projekta ITER mogla bi dostići 16 milijardi eura.

Sastanak u Cadaracheu ujedno je označio i prvi službeni radni dan za novog direktora projekta, japanskog fizičara Osamua Motojima. Prije njega, projekat je od 2005. godine vodio Japanac Kaname Ikeda, koji je želio da napusti svoju funkciju odmah nakon odobrenja budžeta i rokova izgradnje.

ITER fuzijski reaktor je zajednički projekat Evropske unije, Švicarske, Japana, SAD-a, Rusije, Južne Koreje, Kine i Indije. Ideja o stvaranju ITER-a razmatra se od 80-ih godina prošlog stoljeća, međutim, zbog finansijskih i tehničkih poteškoća, cijena projekta stalno raste, a datum početka izgradnje se stalno odgađa. Stručnjaci su 2009. očekivali da će radovi na stvaranju reaktora početi 2010. godine. Kasnije je ovaj datum pomjeren, pa su prvo 2018., a potom 2019. imenovane kao vrijeme lansiranja reaktora.

Reakcije termonuklearne fuzije su reakcije fuzije jezgara lakih izotopa da se formira teže jezgro, koje su praćene ogromnim oslobađanjem energije. U teoriji, termonuklearni reaktori mogu proizvesti mnogo energije po niskoj cijeni, ali ovog trenutka naučnici troše mnogo više energije i novca da započnu i održe reakciju fuzije.

Termonuklearna fuzija je jeftin i ekološki prihvatljiv način proizvodnje energije. Na Suncu se nekontrolisani događaji dešavaju milijardama godina. termonuklearne fuzije- helijum nastaje iz teškog izotopa vodika deuterijuma. Ovo oslobađa kolosalnu količinu energije. Međutim, ljudi na Zemlji još nisu naučili da kontrolišu takve reakcije.

ITER reaktor će koristiti izotope vodika kao gorivo. Tokom termonuklearne reakcije, energija se oslobađa kada se laki atomi spoje u teže. Da bi se to postiglo, gas se mora zagrejati na temperaturu od preko 100 miliona stepeni – mnogo više od temperature u centru Sunca. Gas na ovoj temperaturi pretvara se u plazmu. Istovremeno se atomi izotopa vodika spajaju, pretvarajući se u atome helija uz oslobađanje velikog broja neutrona. Elektrana koja radi na ovom principu koristit će energiju neutrona koju usporava sloj gustog materijala (litij).

Zašto je stvaranje termonuklearnih instalacija trajalo toliko dugo?

Zašto još nisu stvorene tako važne i vrijedne instalacije o čijim se dobrobitima govori skoro pola stoljeća? Postoje tri glavna razloga (o kojima se govori u nastavku), od kojih se prvi može nazvati vanjskim ili društvenim, a druga dva - unutrašnjim, odnosno određenim zakonima i uvjetima razvoja same termonuklearne energije.

1. Dugo se vjerovalo da je problem praktična upotreba Energija termonuklearne fuzije ne zahtijeva hitne odluke i radnje, budući da su još 80-ih godina prošlog stoljeća izvori fosilnih goriva izgledali neiscrpni, a ekološki problemi i klimatske promjene nisu zabrinjavali javnost. Godine 1976. Savjetodavni odbor za fuzijsku energiju američkog Ministarstva energetike pokušao je procijeniti vremenski okvir za istraživanje i razvoj i demonstracijsku fuzijsku elektranu u okviru različitih opcija finansiranja istraživanja. Istovremeno je otkriveno da obim godišnjeg finansiranja istraživanja u u ovom pravcu su potpuno nedovoljne, a ako se zadrži postojeći nivo izdvajanja, stvaranje termonuklearnih instalacija nikada neće biti uspješno, jer izdvojena sredstva ne odgovaraju ni minimalnom, kritičnom nivou.

2. Ozbiljnija prepreka razvoju istraživanja u ovoj oblasti je to što se termonuklearna instalacija onog tipa ne može stvoriti i demonstrirati u malom obimu. Iz objašnjenja predstavljenih u nastavku, postat će jasno da termonuklearna fuzija zahtijeva ne samo magnetsko ograničenje plazme, već i njeno dovoljno zagrijavanje. Odnos potrošene i primljene energije raste barem proporcionalno kvadratu linearnih dimenzija instalacije, zbog čega se naučne i tehničke mogućnosti i prednosti termonuklearnih instalacija mogu testirati i demonstrirati samo na prilično velikim stanicama, kao što je npr. kao pomenuti reaktor ITER. Društvo jednostavno nije bilo spremno da finansira tako velike projekte sve dok nije bilo dovoljno poverenja u uspeh.

3. Međutim, razvoj termonuklearne energije bio je vrlo složen (uprkos nedovoljnom financiranju i poteškoćama u odabiru centara za stvaranje JET i ITER instalacija) poslednjih godina Postoji jasan napredak, iako funkcionalna stanica još nije stvorena.

Savremeni svijet se suočava sa vrlo ozbiljnim energetskim izazovom, koji se preciznije može nazvati “neizvjesnom energetskom krizom”. Problem je vezan za činjenicu da bi rezerve fosilnih goriva mogle da nestanu u drugoj polovini ovog veka. Štaviše, sagorijevanje fosilnih goriva može dovesti do potrebe da se nekako vežu i „sačuvaju“ emisije koje se ispuštaju u atmosferu. ugljen-dioksid(gore spomenuti CCS program) kako bi se spriječile ozbiljne promjene klime na planeti.

Trenutno, gotovo sva energija koju troši čovječanstvo nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva, a rješenje problema može biti povezano s upotrebom solarna energija ili nuklearna energija (stvaranje reaktora za razmnožavanje brzih neutrona, itd.). Globalni problem, potaknuti rastućom populacijom zemalja u razvoju i njihovom potrebom da poboljšaju životni standard i povećaju količinu proizvedene energije, ne mogu se riješiti samo na osnovu razmatranih pristupa, iako, naravno, bilo kakvi pokušaji razvoja alternativnih metoda proizvodnje energije treba podsticati.

Strogo govoreći, imamo mali izbor strategija ponašanja i razvoj termonuklearne energije je izuzetno važan, čak i bez garancije uspjeha. List Financial Times (od 25. januara 2004.) pisao je o tome:

Nadajmo se da neće biti većih i neočekivanih iznenađenja na putu razvoja termonuklearne energije. U ovom slučaju, za otprilike 30 godina moći ćemo da podnesemo po prvi put struja od nje do energetskih mreža, a za nešto više od 10 godina počet će s radom prva komercijalna termonuklearna elektrana. Moguće je da će u drugoj polovini ovog stoljeća energija nuklearne fuzije početi zamjenjivati fosilna goriva i postepeno početi igrati sve važniju ulogu. važnu ulogu u obezbeđivanju energije čovečanstvu na globalnom nivou.

Ne postoji apsolutna garancija da će zadatak stvaranja termonuklearne energije (kao efikasnog i velikog izvora energije za cijelo čovječanstvo) biti uspješno završen, ali vjerovatnoća uspjeha u ovom pravcu je prilično velika. S obzirom na ogroman potencijal termonuklearnih stanica, svi troškovi za projekte njihovog brzog (pa čak i ubrzanog) razvoja mogu se smatrati opravdanim, tim prije što ove investicije izgledaju vrlo skromno na pozadini monstruoznog globalnog energetskog tržišta (4 triliona dolara godišnje8). Zadovoljavanje energetskih potreba čovečanstva je veoma ozbiljan problem. Kako fosilna goriva postaju sve manje dostupna (a njihova upotreba postaje nepoželjna), situacija se mijenja i jednostavno ne možemo priuštiti da ne razvijamo fuzijsku energiju.

Na pitanje "Kada će se pojaviti termonuklearna energija?" Lev Artsimovich (priznati pionir i vođa istraživanja u ovoj oblasti) je jednom odgovorio da će „nastati kada bude zaista neophodno čovečanstvu“

ITER će biti prvi fuzijski reaktor koji proizvodi više energije nego što troši. Naučnici mjere ovu karakteristiku koristeći jednostavan koeficijent koji nazivaju "Q". Ako ITER ostvari sve svoje naučne ciljeve, proizvešće 10 puta više energije nego što troši. Najnoviji uređaj koji će biti izgrađen, Joint European Thor u Engleskoj, manji je prototip fuzijskog reaktora koji je u završnoj fazi naučno istraživanje dostigao Q vrijednost od skoro 1. To znači da je proizveo potpuno istu količinu energije koliko je i potrošio. ITER će ići dalje od ovoga pokazujući stvaranje energije fuzijom i postizanjem Q vrijednosti od 10. Ideja je da se proizvede 500 MW iz potrošnje energije od približno 50 MW. Dakle, jedan od naučnih ciljeva ITER-a je da dokaže da se Q vrijednost od 10 može postići.

Još jedan naučni cilj je da ITER ima veoma dugo vreme "sagorevanja" - puls produženog trajanja do jednog sata. ITER je istraživački eksperimentalni reaktor koji ne može kontinuirano proizvoditi energiju. Kada ITER počne raditi, bit će uključen jedan sat, nakon čega će se morati isključiti. Ovo je važno jer su do sada tipični uređaji koje smo kreirali mogli imati vrijeme gorenja od nekoliko sekundi ili čak desetinki sekunde - to je maksimum. "Joint European Torus" je dostigao svoju Q vrijednost od 1 sa vremenom sagorevanja od približno dvije sekunde sa dužinom impulsa od 20 sekundi. Ali proces koji traje nekoliko sekundi nije zaista trajan. Po analogiji s pokretanjem motora automobila: kratko paljenje motora, a zatim gašenje još nije pravi rad automobila. Tek kada vozite svoj automobil pola sata, on će dostići konstantan režim rada i pokazati da se takav automobil zaista može voziti.

To jest, sa tehničke i naučne tačke gledišta, ITER će osigurati Q vrijednost od 10 i produženo vrijeme sagorijevanja.

Program termonuklearne fuzije je zaista međunarodni i širok po prirodi. Ljudi već računaju na uspjeh ITER-a i razmišljaju o sljedećem koraku – stvaranju prototipa industrijskog termonuklearnog reaktora pod nazivom DEMO. Da bi se izgradio, ITER treba da radi. Moramo ostvariti naše naučne ciljeve jer će to značiti da su ideje koje smo iznijeli u potpunosti izvodljive. Međutim, slažem se da uvijek treba razmišljati o tome šta slijedi. Osim toga, kako ITER radi 25-30 godina, naše znanje će se postepeno produbljivati i širiti, te ćemo moći preciznije ocrtati naš sljedeći korak.

Zaista, nema rasprave o tome da li bi ITER trebao biti tokamak. Neki naučnici postavljaju pitanje sasvim drugačije: da li ITER postoji? Specijalisti u različite zemlje, razvijajući svoje, ne tako velike termonuklearne projekte, tvrde da tako veliki reaktor uopće nije potreban.

Međutim, njihovo mišljenje teško da bi trebalo smatrati mjerodavnim. U kreiranju ITER-a bili su uključeni fizičari koji su nekoliko decenija radili sa toroidnim zamkama. Dizajn eksperimentalnog termonuklearnog reaktora u Karadašu zasnovan je na svim saznanjima stečenim tokom eksperimenata na desetinama prethodnika tokamaka. A ovi rezultati ukazuju da reaktor mora biti tokamak, i to veliki.

JET Trenutno se najuspješnijim tokamakom može smatrati JET, koji je izgradila EU u britanskom gradu Abingdon. Ovo je najveći reaktor tipa tokamak stvoren do danas, veliki radijus torusa plazme je 2,96 metara. Snaga termonuklearne reakcije već je dostigla više od 20 megavata sa vremenom zadržavanja do 10 sekundi. Reaktor vraća oko 40% energije uložene u plazmu.

To je fizika plazme koja određuje energetski balans”, rekao je Igor Semenov za Infox.ru. Šta je energetski bilans, opisao je vanredni profesor MIPT-a na jednostavan primjer: “Svi smo vidjeli kako vatra gori. U stvari, tamo ne gori drva, već plin. Energetski lanac tamo je ovakav: plin gori, drvo se zagrijava, drvo isparava, plin ponovo gori. Stoga, ako bacimo vodu na vatru, naglo ćemo uzeti energiju iz sistema za fazni prijelaz tečna voda u stanje pare. Bilans će postati negativan i vatra će se ugasiti. Postoji još jedan način - možemo jednostavno uzeti žile i raširiti ih u svemiru. Vatra će se takođe ugasiti. Isto je i u termonuklearnom reaktoru koji gradimo. Dimenzije su odabrane kako bi se stvorio odgovarajući pozitivni energetski bilans za ovaj reaktor. Dovoljno za izgradnju prave nuklearne elektrane u budućnosti, rješavajući u ovoj eksperimentalnoj fazi sve probleme koji trenutno ostaju neriješeni.”

Jednom su promijenjene dimenzije reaktora. To se dogodilo na prijelazu iz 20. u 21. stoljeće, kada su se Sjedinjene Države povukle iz projekta, a preostale članice su shvatile da je budžet ITER-a (do tada je procijenjen na 10 milijardi američkih dolara) prevelik. Bili su potrebni fizičari i inženjeri da smanje troškove instalacije. A to se moglo učiniti samo zbog veličine. “Redizajn” ITER-a vodio je francuski fizičar Robert Aymar, koji je prethodno radio na francuskom tokamaku Tore Supra u Karadašu. Vanjski polumjer plazma torusa smanjen je sa 8,2 na 6,3 metra. Međutim, rizici povezani sa smanjenjem veličine bili su djelomično nadoknađeni s nekoliko dodatnih supravodljivih magneta, koji su omogućili implementaciju režima zadržavanja plazme, koji je u to vrijeme bio otvoren i proučavan.

ITER - Međunarodni termonuklearni reaktor (ITER)

Potrošnja ljudske energije svake godine raste, što energetski sektor gura ka aktivnom razvoju. Dakle, s pojavom nuklearnih elektrana, količina proizvedene energije širom svijeta značajno se povećala, što je omogućilo sigurno korištenje energije za sve potrebe čovječanstva. Na primjer, 72,3% električne energije proizvedene u Francuskoj dolazi iz nuklearnih elektrana, u Ukrajini - 52,3%, u Švedskoj - 40,0%, u Velikoj Britaniji - 20,4%, u Rusiji - 17,1%. Međutim, tehnologija ne miruje, a kako bi se zadovoljile daljnje energetske potrebe budućih zemalja, naučnici rade na nizu inovativnih projekata, od kojih je jedan ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Iako je isplativost ove instalacije još uvijek pod znakom pitanja, prema radu mnogih istraživača, stvaranje i kasniji razvoj tehnologije kontrolirane termonuklearne fuzije može rezultirati moćnim i sigurnim izvorom energije. Pogledajmo neke od pozitivnih aspekata takve instalacije:

Glavno gorivo termonuklearnog reaktora je vodonik, što znači praktički neiscrpne rezerve nuklearnog goriva.
Vodik se može proizvesti preradom morske vode, koja je dostupna većini zemalja. Iz ovoga proizilazi da monopol nad izvorima goriva ne može nastati.
Vjerojatnost eksplozije u nuždi tijekom rada termonuklearnog reaktora je mnogo manja nego tijekom rada nuklearnog reaktora. Prema istraživačima, čak ni u slučaju nesreće, emisije radijacije neće predstavljati opasnost za stanovništvo, što znači da nema potrebe za evakuacijom.
Za razliku od nuklearnih reaktora, fuzijski reaktori proizvode radioaktivni otpad koji ima kratko vrijeme poluraspada, što znači da se brže raspada. Takođe, u termonuklearnim reaktorima nema produkata sagorevanja.
Fuzijski reaktor ne zahtijeva materijale koji se također koriste za nuklearno oružje. Time se eliminiše mogućnost prikrivanja proizvodnje nuklearnog oružja preradom materijala za potrebe nuklearnog reaktora.

Termonuklearni reaktor - pogled iznutra

Međutim, postoji i niz tehničkih nedostataka s kojima se istraživači stalno susreću.

Na primjer, trenutna verzija goriva, predstavljena u obliku mješavine deuterija i tritijuma, zahtijeva razvoj novih tehnologija. Na primjer, na kraju prve serije testova na termonuklearnom reaktoru JET, najvećem do sada, reaktor je postao toliko radioaktivan da je bio potreban razvoj posebnog robotskog sistema za održavanje kako bi se eksperiment završio. Još jedan razočaravajući faktor u radu termonuklearnog reaktora je njegova efikasnost - 20%, dok je efikasnost nuklearne elektrane 33-34%, a termoelektrane 40%.

Izrada projekta ITER i pokretanje reaktora

Projekt ITER datira iz 1985. godine, kada je Sovjetski Savez predložio zajedničko stvaranje tokamaka - toroidne komore s magnetskim zavojnicama koje mogu držati plazmu pomoću magneta, stvarajući tako uvjete potrebne za reakciju termonuklearne fuzije. Godine 1992. potpisan je četverostrani sporazum o razvoju ITER-a, u kojem su strane bile EU, SAD, Rusija i Japan. 1994. godine projektu se pridružila Republika Kazahstan, 2001. Kanada, 2003. - sjeverna koreja i Kina, 2005. - Indija. Godine 2005. određena je lokacija za izgradnju reaktora - Centar za istraživanje nuklearne energije Cadarache, Francuska.

Izgradnja reaktora počela je pripremom jame za temelj. Dakle, parametri jame su bili 130 x 90 x 17 metara. Cijeli tokamak kompleks će biti težak 360.000 tona, od čega je 23.000 tona sam tokamak.

Različiti elementi kompleksa ITER će biti razvijeni i isporučeni na gradilište iz cijelog svijeta. Tako je 2016. godine u Rusiji razvijen dio provodnika za poloidne zavojnice, koji su potom poslani u Kinu, koja će sama proizvoditi zavojnice.

Očigledno, ovako obimni posao nije nimalo lako organizirati, brojne zemlje u više navrata nisu ispoštovale plan projekta, zbog čega je puštanje reaktora u pogon stalno odlagano. Dakle, prema prošlogodišnjoj (2016.) poruci iz juna: „primanje prve plazme planirano je za decembar 2025. godine“.

Radni mehanizam ITER tokamaka

Termin "tokamak" dolazi od ruskog akronima koji znači "toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama".

Srce tokamaka je njegova vakuumska komora u obliku torusa. Unutra, pod ekstremnom temperaturom i pritiskom, gas vodonik postaje plazma - vrući, električno nabijeni plin. Kao što je poznato, zvezdana materija je predstavljena plazmom, a termonuklearne reakcije u Sunčevom jezgru odvijaju se upravo u uslovima povišene temperature i pritiska. Slični uslovi za formiranje, zadržavanje, kompresiju i zagrijavanje plazme stvaraju se pomoću masivnih magnetnih zavojnica koje se nalaze oko vakuumske posude. Utjecaj magneta će ograničiti vruću plazmu sa zidova posude.

Prije početka procesa, zrak i nečistoće se uklanjaju iz vakuum komore. Magnetski sistemi koji će pomoći u kontroli plazme se tada pune i uvodi gasovito gorivo. Kada se snažna električna struja prođe kroz posudu, plin se električni cijepa i ionizira (to jest, elektroni napuštaju atome) i formira plazmu.

Kako se čestice plazme aktiviraju i sudaraju, one također počinju da se zagrijavaju. Tehnike potpomognutog grijanja pomažu da se plazma dovede do temperature topljenja (150 do 300 miliona °C). Čestice koje su "pobuđene" do ovog stepena mogu savladati svoje prirodno elektromagnetno odbijanje nakon sudara, oslobađajući ogromne količine energije kao rezultat takvih sudara.

Dizajn tokamaka sastoji se od sljedećih elemenata:

Vakuumska posuda

(“krofna”) je toroidna komora od nerđajućeg čelika. Njegov veliki prečnik je 19 m, mali 6 m, a visina 11 m. Zapremina komore je 1.400 m 3, a težina više od 5.000 tona. Zidovi vakuumske posude su dvostruki; a između zidova će cirkulisati rashladna tečnost koja će biti destilovana voda. Kako bi se izbjegla kontaminacija vode, unutrašnji zid komore je zaštićen od radioaktivnog zračenja pomoću ćebe.

Ćebe

(“pokrivač”) – sastoji se od 440 fragmenata pokrivača unutrašnja površina kamere. Ukupna površina banketa je 700m2. Svaki fragment je svojevrsna kaseta, čije je tijelo izrađeno od bakra, a prednji zid je odvojiv i napravljen od berilija. Parametri kaseta su 1x1,5 m, a masa nije veća od 4,6 tona Takve berilijumske kasete će usporiti neutrone visoke energije koji nastaju tokom reakcije. Tokom neutronske moderacije, toplota će se osloboditi i ukloniti sistemom za hlađenje. Treba napomenuti da prašina berilijuma nastala kao rezultat rada reaktora može izazvati ozbiljnu bolest zvanu berilijum, a takođe ima i kancerogeno dejstvo. Zbog toga se u kompleksu razvijaju stroge mjere sigurnosti.

Tokamak u sekciji. Žuti - solenoidni, narandžasti - magneti toroidnog polja (TF) i poloidnog polja (PF), plavi - pokrivač, svijetloplavi - VV - vakuum posuda, ljubičasti - divertor

(“pepeljara”) poloidnog tipa je uređaj čiji je glavni zadatak da “očisti” plazmu od prljavštine koja nastaje zagrijavanjem i interakcijom zidova komore prekrivenih dekom sa njom. Kada takvi zagađivači uđu u plazmu, počinju intenzivno zračiti, što rezultira dodatnim gubicima zračenja. Nalazi se na dnu tokomaka i pomoću magneta usmjerava gornje slojeve plazme (koji su najkontaminiraniji) u rashladnu komoru. Ovdje se plazma hladi i pretvara u plin, nakon čega se ispumpava nazad iz komore. Berilijumska prašina, nakon što uđe u komoru, praktično nije u stanju da se vrati nazad u plazmu. Dakle, kontaminacija plazmom ostaje samo na površini i ne prodire dublje.

Kriostat

- najveća komponenta tokomaka, a to je školjka od nerđajućeg čelika zapremine 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) i mase 3.850 tona.Ostali elementi sistema biće smešteni unutar kriostata, a on sam služi kao barijera između tokamaka i spoljašnje sredine. Na njegovim unutrašnjim zidovima će se nalaziti termalni ekrani koji se hlade cirkulišućim azotom na temperaturi od 80 K (-193,15 °C).

Magnetski sistem

– skup elemenata koji služe za zadržavanje i kontrolu plazme unutar vakuumske posude. To je set od 48 elemenata:

Toroidalni namotaji polja nalaze se izvan vakuumske komore i unutar kriostata. Predstavljeni su u 18 komada, svaki dimenzija 15 x 9 m i težine oko 300 tona, zajedno stvaraju magnetno polje od 11,8 Tesla oko torusa plazme i skladište energiju od 41 GJ.
Poloidni zavojnici polja – nalaze se na vrhu toroidnih zavojnica polja i unutar kriostata. Ovi kalemovi su odgovorni za formiranje magnetsko polje, odvajanje mase plazme od zidova komore i sabijanje plazme za adijabatsko zagrijavanje. Broj takvih kotura je 6. Dva kotura imaju prečnik 24 m i masu 400 tona, a preostala četiri su nešto manja.
Centralni solenoid nalazi se u unutrašnjem dijelu toroidne komore, odnosno u „rupi za krofne“. Princip njegovog rada sličan je transformatoru, a glavni zadatak je pobuditi induktivnu struju u plazmi.
Korekcioni zavojnici se nalaze unutar vakuumske posude, između pokrivača i zida komore. Njihov zadatak je održavati oblik plazme, sposoban da se lokalno "izboči", pa čak i dodiruje zidove posude. Omogućava vam da smanjite nivo interakcije zidova komore sa plazmom, a time i nivo njene kontaminacije, a takođe smanjuje habanje same komore.

Struktura kompleksa ITER

Gore opisani dizajn tokamaka "ukratko" je vrlo složen inovativni mehanizam koji je sastavljen naporima nekoliko zemalja. Međutim, za njegov potpuni rad potreban je cijeli kompleks zgrada smještenih u blizini tokamaka. Među njima:

Sistem upravljanja, pristupa podacima i komunikacije – CODAC. Smješten u nizu zgrada kompleksa ITER.
Skladište goriva i sistem za gorivo - služi za isporuku goriva u tokamak.
Vakum sistem - sastoji se od više od četiri stotine vakuum pumpi, čiji je zadatak da ispumpaju produkte termonuklearne reakcije, kao i razne zagađivače iz vakuum komore.
Kriogeni sistem – predstavljen krugom azota i helijuma. Helijev krug će normalizirati temperaturu u tokamaku, čiji se rad (a samim tim i temperatura) ne odvija kontinuirano, već u impulsima. Krug azota će hladiti toplotne štitove kriostata i sam krug helija. Postojaće i sistem vodenog hlađenja, koji ima za cilj snižavanje temperature zidova pokrivača.
Napajanje. Tokamak će zahtijevati oko 110 MW energije za kontinuirani rad. Da bi se to postiglo, biće postavljeni kilometarski dalekovodi i povezani na francusku industrijsku mrežu. Vrijedi podsjetiti da eksperimentalno postrojenje ITER ne omogućava proizvodnju energije, već radi samo u naučnim interesima.

finansiranje ITER-a

Međunarodni termonuklearni reaktor ITER je prilično skup poduhvat, koji je u početku procijenjen na 12 milijardi dolara, pri čemu Rusija, SAD, Koreja, Kina i Indija čine 1/11 iznosa, Japan 2/11, a EU 4 /11 . Ovaj iznos je kasnije porastao na 15 milijardi dolara. Važno je napomenuti da se finansiranje odvija kroz nabavku opreme potrebne za kompleks, koji se razvija u svakoj zemlji. Tako Rusija isporučuje ćebad, uređaje za grijanje plazmom i supravodljive magnete.

Projektna perspektiva

Trenutno je u toku izgradnja kompleksa ITER i proizvodnja svih potrebnih komponenti za tokamak. Nakon planiranog puštanja tokamaka u promet 2025. godine, počet će niz eksperimenata na osnovu čijih rezultata će se uočiti aspekti koji zahtijevaju poboljšanje. Nakon uspješnog puštanja u rad ITER-a, planirana je izgradnja elektrane na bazi termonuklearne fuzije pod nazivom DEMO (DEMOnstration Power Plant). DEMo-ov cilj je demonstrirati takozvanu "komercijalnu privlačnost" snage fuzije. Ako je ITER sposoban proizvesti samo 500 MW energije, onda će DEMO moći kontinuirano proizvoditi energiju od 2 GW.

Međutim, treba imati na umu da eksperimentalno postrojenje ITER neće proizvoditi energiju, a njegova je svrha da dobije čisto naučne koristi. I kao što znate, ovaj ili onaj fizički eksperiment ne samo da može ispuniti očekivanja, već i donijeti novo znanje i iskustvo čovječanstvu.

Uprava Lockheed Martina objavila je da je u februaru 2018. dobila patent za kompaktni fuzijski reaktor. Stručnjaci to nazivaju nemogućim, iako je prema The War Zone “moguće da će američka korporacija dati službenu izjavu u bliskoj budućnosti”.

Reporter FlightGlobala Stephen Trimble je tvitovao da „novi patent inženjera Skunk Works-a prikazuje kompaktni dizajn fuzionog reaktora sa nacrtom za F-16 kao potencijalnu primjenu. Prototip reaktora se testira u Palmdaleu.”

Prema publikaciji, "Činjenica da je Skunk Works ostao uključen u proces patentiranja u protekle četiri godine također izgleda ukazuje da su zapravo ostvarili napredak u programu, barem u određenoj mjeri." Autori materijala napominju da su projektanti prije četiri godine objavili osnovne podatke o osnovnom projektu reaktora, rasporedu projekta i ukupnim ciljevima programa, što ukazuje na ozbiljan rad.

Podsjetimo, Lockheed Martin je 4. aprila 2013. godine podnio privremenu prijavu za patent “Encapsulating magnetic fields for plazma confination”. Istovremeno, 2. aprila 2014. primljena je zvanična prijava Uredu za patente i žigove SAD-a.

Lockheed Martin je rekao da je patent primljen 15. februara 2018. godine. Svojevremeno je menadžer projekta Compact Fusion Thomas McGuire rekao da će pilot postrojenje biti stvoreno 2014., prototip 2019., a prototip koji radi 2024. godine.

Kompanija na svojoj web stranici izvještava da se termonuklearni reaktor, na kojem rade njeni stručnjaci, može koristiti za snabdijevanje energijom nosača aviona, borbenog aviona ili malog grada.

U oktobru 2014. korporacija je saopštila da rezultati preliminarnog istraživanja ukazuju na mogućnost stvaranja lakih nuklearnih fuzijskih reaktora snage oko 100 megavata i dimenzija uporedivih sa kamionom (koji je oko deset puta manji od postojećih modela). U suštini, riječ je o aplikaciji za otkriće stoljeća - reaktoru bezbednom od zračenja, sposobnom da pruži energiju bilo čemu.

Sa svoje strane, ruski naučnici uključeni u istraživanja u oblasti kontrolisane termonuklearne fuzije nazvali su poruku Lockheed Martina nenaučnom izjavom koja ima za cilj da privuče pažnju šire javnosti. Međutim, na Twitteru se pojavila fotografija kompaktnog termonuklearnog reaktora, koji je navodno kreirala američka korporacija Lockheed Martin.

“Ovo se ne može dogoditi. Činjenica je da je ono što se podrazumijeva pod termonuklearnim reaktorom vrlo dobro poznato sa fizičke tačke gledišta. Ako zvuči „helijum 3? - Morate odmah shvatiti da je ovo obmana. To je karakteristična karakteristika ovakvih kvaziotkrića – gdje postoji jedan red “kako to učiniti, kako to implementirati” i deset stranica o tome kako će poslije biti dobro. Ovo je vrlo karakterističan znak - mi smo izmislili hladnu termonuklearnu fuziju, a onda ne kažu kako da to sprovedemo, a onda samo deset stranica kasnije, koliko će to biti sjajno", rekao je zamenik direktora laboratorije za Pravda.ru. nuklearne reakcije njima. Flerov JINR u Dubni Andrey Papeko.

“Glavno pitanje je kako potaknuti termonuklearnu reakciju, čime je zagrijati, čime zadržati - to je također, općenito, pitanje koje sada nije riješeno. Čak i, recimo, laserske termonuklearne instalacije, normalna termonuklearna reakcija se tamo ne zapali. I, nažalost, u dogledno vrijeme nema rješenja na vidiku”, objasnio je nuklearni fizičar.

“Rusija provodi dosta istraživanja, to je razumljivo, objavljeno je u cijeloj otvorenoj štampi, odnosno potrebno je proučiti uslove za zagrijavanje materijala za termonuklearnu reakciju. Generalno, ovo je mešavina sa deuterijumom - nema naučne fantastike, ova fizika je svima dobro poznata. Kako ga zagrijati, kako ga zadržati, kako ukloniti energiju, ako zapalite jako vruću plazmu, ona će pojesti zidove reaktora, rastopiće ih. U velikim instalacijama, magnetska polja se mogu koristiti za držanje i fokusiranje u centru komore tako da ne otapa zidove reaktora. Ali u malim instalacijama jednostavno neće raditi, otopit će se i izgorjeti. Odnosno, ovo su, po mom mišljenju, vrlo preuranjene izjave”, zaključio je on.

Danas mnoge zemlje učestvuju u termonuklearnim istraživanjima. Lideri su Evropska unija, Sjedinjene Američke Države, Rusija i Japan, dok se programi u Kini, Brazilu, Kanadi i Koreji ubrzano šire. U početku su fuzijski reaktori u SAD-u i SSSR-u bili povezani s razvojem nuklearnog oružja i ostali su povjerljivi do konferencije Atoms for Peace, koja je održana u Ženevi 1958. godine. Nakon stvaranja sovjetskog tokamaka, istraživanje nuklearne fuzije postalo je "velika nauka" 1970-ih. Ali cijena i složenost uređaja porasli su do te mjere da je međunarodna saradnja postala jedini put naprijed.

Termonuklearni reaktori u svijetu

Od 1970-ih, komercijalna upotreba fuzijske energije neprestano se odgađala 40 godina. Međutim, posljednjih godina se dogodilo mnogo toga što bi moglo dozvoliti da se ovaj period skrati.

Izgrađeno je nekoliko tokamaka, uključujući evropski JET, britanski MAST i eksperimentalni fuzijski reaktor TFTR u Princetonu, SAD. Međunarodni projekat ITER je trenutno u izgradnji u Cadaracheu u Francuskoj. Biće to najveći tokamak kada počne sa radom 2020. godine. Kina će 2030. izgraditi CFETR, koji će nadmašiti ITER. U međuvremenu, Kina provodi istraživanje eksperimentalnog supravodljivog tokamaka EAST.

Druga vrsta fuzionog reaktora, stelatori, također je popularna među istraživačima. Jedan od najvećih, LHD, počeo je sa radom u Japanu Nacionalni institut 1998. godine. Koristi se za pronalaženje najbolje magnetske konfiguracije za zadržavanje plazme. Njemački institut Max Planck sproveo je istraživanje na reaktoru Wendelstein 7-AS u Garchingu između 1988. i 2002. godine, a trenutno na reaktoru Wendelstein 7-X, čija je izgradnja trajala više od 19 godina. Još jedan TJII stelarator je u funkciji u Madridu, Španija. U SAD-u, Princeton Laboratory (PPPL), koji je izgradio prvi fuzijski reaktor ovog tipa 1951. godine, zaustavio je izgradnju NCSX-a 2008. zbog prekoračenja troškova i nedostatka sredstava.

Osim toga, napravljen je značajan napredak u istraživanju inercijalne fuzije. Izgradnja Nacionalnog postrojenja za paljenje (NIF) vrijednog 7 milijardi dolara u Livermore National Laboratory (LLNL), finansiranog od strane Nacionalne administracije za nuklearnu sigurnost, završena je u martu 2009. Francuski Laser Mégajoule (LMJ) počeo je s radom u oktobru 2014. Fuzijski reaktori koriste lasere koji isporučuju oko 2 miliona džula svjetlosne energije u roku od nekoliko milijarditih dijelova sekunde do cilja veličine nekoliko milimetara kako bi pokrenuli reakciju nuklearne fuzije. Primarna misija NIF-a i LMJ-a je istraživanje u prilog nacionalnim vojnim nuklearnim programima.

ITER

Sovjetski Savez je 1985. predložio izgradnju tokamaka sljedeće generacije zajedno s Evropom, Japanom i Sjedinjenim Državama. Radovi su obavljeni pod pokroviteljstvom IAEA. Između 1988. i 1990. godine stvoreni su prvi dizajni Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora ITER, što na latinskom također znači "put" ili "putovanje", kako bi se dokazalo da fuzija može proizvesti više energije nego što je apsorbirala. Kanada i Kazahstan su takođe učestvovali, uz posredovanje Euratoma i Rusije.

Šest godina kasnije, odbor ITER-a odobrio je prvi sveobuhvatni dizajn reaktora zasnovan na utvrđenoj fizici i tehnologiji, koji je koštao 6 milijardi dolara. Tada su se Sjedinjene Američke Države povukle iz konzorcija, što ih je natjeralo da prepolove troškove i promijene projekat. Rezultat je ITER-FEAT, koji košta 3 milijarde dolara, ali postiže samoodrživi odgovor i pozitivan bilans snage.

2003. Sjedinjene Države su se ponovo pridružile konzorcijumu, a Kina je objavila želju da učestvuje. Kao rezultat toga, sredinom 2005. godine partneri su se dogovorili da izgrade ITER u Cadaracheu na jugu Francuske. EU i Francuska dale su polovinu od 12,8 milijardi eura, dok su Japan, Kina, Južna Koreja, SAD i Rusija dale po 10%. Japan je obezbijedio komponente visoke tehnologije, održavao postrojenje IFMIF vrijedno 1 milijardu eura dizajnirano za ispitivanje materijala i imao je pravo da izgradi sljedeći testni reaktor. Ukupni trošak ITER-a uključuje polovinu troškova za 10 godina izgradnje i polovinu za 20 godina rada. Indija je postala sedma članica ITER-a krajem 2005.

Eksperimenti bi trebali početi 2018. godine koristeći vodonik kako bi se izbjeglo aktiviranje magneta. Upotreba D-T plazma ne očekuje se prije 2026

Cilj ITER-a je proizvesti 500 MW (najmanje 400 s) koristeći manje od 50 MW ulazne snage bez proizvodnje električne energije.

Demo-ova demonstraciona elektrana od dva gigavata će kontinuirano proizvoditi velike količine. Idejni projekat Demo će biti završen do 2017. godine, a izgradnja će početi 2024. godine. Lansiranje će se održati 2033.

JET

EU (Euratom, Švedska i Švicarska) je 1978. godine započela zajednički evropski projekat JET u Velikoj Britaniji. JET je danas najveći operativni tokamak na svijetu. Sličan reaktor JT-60 radi u Japanskom nacionalnom institutu za fuziju, ali samo JET može koristiti gorivo deuterijum-tricijum.

Reaktor je pokrenut 1983. godine i postao je prvi eksperiment koji je rezultirao kontroliranom termonuklearnom fuzijom snage do 16 MW za jednu sekundu i 5 MW stabilne snage na deuterijum-tricij plazmi u novembru 1991. godine. Provedeni su mnogi eksperimenti radi proučavanja razne šeme grijanje i druge tehnike.

Dalja poboljšanja JET-a uključuju povećanje njegove snage. MAST kompaktni reaktor razvija se zajedno s JET-om i dio je projekta ITER.

K-STAR

K-STAR je korejski supravodljivi tokamak iz Nacionalnog instituta za istraživanje fuzije (NFRI) u Daejeonu, koji je sredinom 2008. proizveo svoju prvu plazmu. ITER, koji je rezultat međunarodne saradnje. Tokamak radijusa 1,8 m je prvi reaktor koji koristi Nb3Sn supravodljive magnete, iste one planirane za ITER. Tokom prve faze, završene do 2012. godine, K-STAR je morao dokazati održivost osnovnih tehnologija i postići plazma impulse u trajanju do 20 sekundi. U drugoj fazi (2013-2017) se modernizuje za proučavanje dugih impulsa do 300 s u H režimu i prelazak na AT režim visokih performansi. Cilj treće faze (2018-2023) je postizanje visoke produktivnosti i efikasnosti u dugopulsnom režimu. U fazi 4 (2023-2025) će se testirati DEMO tehnologije. Uređaj nije sposoban za rad s tritijem i ne koristi D-T gorivo.

K-DEMO

Razvijen u saradnji sa Laboratorijom za fiziku plazme (PPPL) američkog Ministarstva energetike i južnokorejskim NFRI, K-DEMO bi trebalo da bude sledeći korak u razvoju komercijalnog reaktora izvan ITER-a, i biće prva elektrana sposobna da proizvodi energiju u električnu mrežu, odnosno 1 milion kW u roku od nekoliko sedmica. Imaće prečnik od 6,65 m i imaće modul zone reprodukcije kreiran u okviru DEMO projekta. Korejsko ministarstvo obrazovanja, nauke i tehnologije planira u njega uložiti oko trilion korejskih vona (941 milion dolara).

ISTOK

Kineski eksperimentalni napredni superprovodljivi tokamak (EAST) na Institutu za fiziku Kine u Hefeiju stvorio je vodikovu plazmu na temperaturi od 50 miliona °C i održavao je 102 s.

TFTR

U američkoj laboratoriji PPPL eksperimentalni fuzijski reaktor TFTR radio je od 1982. do 1997. godine. U decembru 1993. TFTR je postao prvi magnetni tokamak koji je sproveo opsežne eksperimente deuterijum-tricijum plazma. Sljedeće godine reaktor je proizveo tada rekordnih 10,7 MW kontrolisane snage, a 1995. je postignut temperaturni rekord od 510 miliona °C. Međutim, postrojenje nije postiglo cilj rentabilnosti fuzijske energije, ali je uspješno ispunilo ciljeve hardverskog dizajna, dajući značajan doprinos razvoju ITER-a.

LHD

LHD na japanskom nacionalnom institutu za fuziju u Tokiju, prefektura Gifu, bio je najveći stelarator na svijetu. Fuzijski reaktor je pušten u rad 1998. godine i pokazao je svojstva zadržavanja plazme uporediva sa drugim velikim objektima. Postignuta je temperatura jona od 13,5 keV (oko 160 miliona °C) i energija od 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Nakon godinu dana testiranja, koje je počelo krajem 2015., temperature helijuma su nakratko dostigle 1 milion °C. Godine 2016. reaktor hidrogen plazme fuzije koji koristi 2 MW snage dostigao je temperaturu od 80 miliona °C u roku od četvrt sekunde. W7-X je najveći stelarator na svijetu i planirano je da radi neprekidno 30 minuta. Cijena reaktora iznosila je milijardu eura.

NIF

National Ignition Facility (NIF) u Livermore National Laboratory (LLNL) završen je u martu 2009. Koristeći svoja 192 laserska zraka, NIF je u stanju da koncentriše 60 puta više energije nego bilo koji prethodni laserski sistem.

Hladna fuzija

U martu 1989., dva istraživača, Amerikanac Stanley Pons i Britanac Martin Fleischman, objavili su da su lansirali jednostavan stoni reaktor hladne fuzije koji radi na sobnoj temperaturi. Proces je uključivao elektrolizu teške vode pomoću paladijumskih elektroda na kojima su jezgra deuterija bila koncentrisana do velike gustine. Istraživači kažu da je proizvodila toplinu koja se mogla objasniti samo u terminima nuklearnih procesa, a postojali su i nusprodukti fuzije, uključujući helij, tricij i neutrone. Međutim, drugi eksperimentatori nisu mogli ponoviti ovaj eksperiment. Večina naučna zajednica ne vjeruje da su reaktori hladne fuzije stvarni.

Nuklearne reakcije niske energije

Pokrenuta tvrdnjama o "hladnoj fuziji", istraživanja su nastavljena u niskoenergetskom polju uz određenu empirijsku potporu, ali nisu općenito prihvaćena naučno objašnjenje. Očigledno, slabe nuklearne interakcije se koriste za stvaranje i hvatanje neutrona (a ne moćne sile, kao u njihovoj fuziji). Eksperimenti uključuju vodonik ili deuterijum koji prolaze kroz katalitički sloj i reagiraju s metalom. Istraživači navode uočeno oslobađanje energije. Glavni praktični primjer je interakcija vodika sa prahom nikla, oslobađajući toplinu u količini većoj od bilo koje kemijske reakcije.

fuzijski reaktor

Trenutno se razvija. (80s) uređaj za dobijanje energije reakcijama sinteze svetlosti na. jezgra koja se javljaju na veoma visokim temperaturama (=108 K). Basic Zahtjev koji termonuklearne reakcije moraju zadovoljiti je da oslobađanje energije kao rezultat termonuklearnih reakcija više nego kompenzira troškove energije iz vanjskih izvora. izvora za održavanje reakcije.

Postoje dvije vrste T. r. Prvi tip uključuje TR, do-Krim je potrebno od vanjskog. izvori samo za paljenje termonuklearne fuzije. reakcije. Dalje reakcije su podržane energijom koja se oslobađa u plazmi tokom fuzije. reakcije; na primjer, u smjesi deuterijum-tricijum, energija a-čestica formiranih tokom reakcija se troši za održavanje visoke temperature plazme. U stacionarnom režimu rada T.r. energija koju nose a-čestice kompenzuje energiju. gubitke iz plazme, uglavnom zbog toplotne provodljivosti plazme i zračenja. Ovom tipu T. r. primjenjuje se, na primjer, .

Na drugu vrstu T. r. Reaktori uključuju reaktore u kojima energija oslobođena u obliku a-čestica nije dovoljna za održavanje izgaranja reakcija, već je potrebna energija iz vanjskih izvora. izvori. To se dešava u onim reaktorima u kojima su nivoi energije visoki. gubici, npr. otvorena magnetna zamka.

T.r. mogu se graditi na bazi sistema sa magnetnim. zatvaranje plazme, kao što je tokamak, otvoreno magnetno. trap, itd., ili sistemi sa inercijskim zatvaranjem plazme, kada se energija unese u plazmu u kratkom vremenu (10-8-10-7 s) (bilo korišćenjem laserskog zračenja ili pomoću snopova relativnih elektrona ili jona), dovoljno za nastanak i održavanje reakcija. T.r. sa magnetnim plazma konfinacija može raditi u kvazistacionarnom ili stacionarnom režimu. U slučaju inercijalnog zatvaranja plazme T. r. mora raditi u kratkom pulsnom režimu.

T.r. karakterizira koef. pojačanje snage (faktor kvaliteta) Q, jednak omjeru toplinske snage dobivene u reaktoru i cijene energije njegove proizvodnje. Thermal T.r. sastoji se od snage oslobođene tokom fuzije. reakcije u plazmi, a snaga koja se oslobađa u tzv. TR pokrivač - posebna ljuska koja okružuje plazmu, koja koristi energiju termonuklearnih jezgara i neutrona. Čini se da je najperspektivnija tehnologija ona koja radi na mješavini deuterijuma i tricija zbog veće brzine reakcije od ostalih reakcija fuzije.

T.r. na deuterijum-tricijum gorivu, u zavisnosti od sastava pokrivača, može biti „čisto“ ili hibridno. Pokrivač od “čistog” T. r. sadrži Li; u njemu se pod utjecajem neutrona proizvodi koji "gori" u deuterijum-tricijskoj plazmi, a energija termonukleara raste. reakcije od 17,6 do 22,4 MeV. U pokrivaču hibrida T. r. Ne samo da se proizvodi tricijum, već postoje zone u kojima se, kada se u njih stavi 238U, može dobiti 239Pu (vidi NUKLEARNI REAKTOR). Istovremeno se u pokrivaču oslobađa energija u iznosu od cca. 140 MeV po jednoj termonukleari. . Dakle, kod hibridnog T. r. moguće je dobiti otprilike šest puta više energije nego u "čistom" nuklearnom reaktoru, ali prisustvo fisijskih radioakta u prvom. in-in stvara okruženje blisko onom u kojem postoji otrov. fisijskih reaktora.

Fizički enciklopedijski rječnik. - M.: Sovjetska enciklopedija. Glavni i odgovorni urednik A. M. Prokhorov. 1983 .

fuzijski reaktor

Razvijen 1990-ih. uređaj za dobijanje energije reakcijama fuzije lakih atomskih jezgara koje se javljaju u plazmi na veoma visokim temperaturama (10 8 K). Basic Zahtjev koji T.R. mora zadovoljiti je oslobađanje energije kao rezultat termonuklearne reakcije(TP) više nego kompenzirao troškove energije iz eksternih izvora. izvora za održavanje reakcije.

Postoje dvije vrste T. r. Prvi uključuje reaktore koji proizvode energiju iz vanjskih izvora. izvori su neophodni samo za paljenje TP. Dalje reakcije su podržane energijom koja se oslobađa u plazmi na TP, na primjer. u smjesi deuterijum-tricijum, energija a-čestica formiranih tokom reakcija se troši za održavanje visoke temperature. U mješavini deuterija sa 3 He, energija svih produkta reakcije, odnosno a-čestica i protona, troši se na održavanje potrebne temperature plazme. U stacionarnom režimu rada T.r. energija koja nosi naboj. produkti reakcije, kompenzira energiju. gubici iz plazme uzrokovani uglavnom toplotna provodljivost plazme i zračenje. Takvi reaktori se nazivaju reaktori sa paljenjem samoodržive termonuklearne reakcije (vidi. Kriterijum paljenja). Primjer takvog T.r.-a: tokamak, stelarator.

Na druge vrste T. r. Reaktori uključuju reaktore u kojima je energija oslobođena u plazmi u obliku naboja nedovoljna za održavanje izgaranja reakcija. produkti reakcije, ali je potrebna energija iz vanjskih izvora. izvori. Takvi se reaktori obično nazivaju reaktori koji podržavaju sagorijevanje termonuklearnih reakcija. To se dešava u onim T. rijekama gdje je energija visoka. gubici, npr. open mag. trap, tokamak, koji radi u režimu sa gustinom plazme i temperaturom ispod krive paljenja TP. Ova dva tipa reaktora uključuju sve moguće tipove T. r., koji se mogu graditi na bazi sistema sa magnetnim. zatvaranje plazme (tokamak, stelarator, otvorena magnetna zamka, itd.) ili sistemi sa inercijalno držanje plazma.

Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor ITER: 1 - centralno; 2 - ćebe - ; 3 - plazma; 4 - vakuumski zid; 5 - pumpni cjevovod; 6- kriostat; 7- zavojnice aktivne kontrole; 8 - zavojnice toroidnog magnetnog polja; 9 - prvi zid; 10 - Divertor plates; 11 - zavojnice poloidnog magnetnog polja.

Reaktor s inercijalnim zatvaranjem plazme karakterizira činjenica da se u kratko vrijeme (10 -8 -10 -7 s) u njega unosi energija koristeći bilo lasersko zračenje ili snopove relativističkih elektrona ili jona, dovoljno za nastanak i održavanje TP. Takav reaktor će raditi samo u kratkom pulsnom režimu, za razliku od reaktora sa magnetom. ograničenje plazme, koje može raditi u kvazistacionarnim ili čak stacionarnim modovima.

T.r. karakterizira koef. pojačanje snage (faktor kvaliteta) Q, jednak omjeru toplinske snage reaktora i troškova energije njegove proizvodnje. Toplotna snaga reaktora sastoji se od snage koja se oslobađa za vrijeme TP u plazmi, snage uvedene u plazmu za održavanje temperature sagorijevanja TP ili održavanja stacionarne struje u plazmi u slučaju tokamaka, i snage oslobođene u plazmi. plazma.

Razvoj T.r. sa magnetnim Retencija je naprednija od inercijalnih sistema zadržavanja. Shema međunarodnog termonuklearnog eksperimenta. ITER tokamak reaktor, projekat koji su od 1988. razvijale četiri strane - SSSR (od 1992. Rusija), SAD, zemlje Euratoma i Japan, prikazan je na slici. T.r. Ima . parametri: veliki radijus plazme 8,1 m; mali radijus plazme u pros. ravnina 3 m; izduženje poprečnog presjeka plazme 1,6; toroidal mag. na osi 5,7 Tesla; nazivna plazma 21 MA; nazivna termonuklearna snaga sa DT gorivom 1500 MW. Reaktor sadrži tragove. osnovni čvorovi: centar. solenoid I, električni polje koje vrši, reguliše povećanje struje i održava ga zajedno sa specijal. sistem će biti dopunjen grijanje plazmom; prvi zid 9, ivice su direktno okrenute plazmi i percipiraju toplotne tokove u obliku zračenja i neutralnih čestica; pokrivač - zaštita 2, koje pojave sastavni dio T. r. na deuterijum-tri-tijum (DT) gorivu, budući da se tricijum koji sagoreva u plazmi reprodukuje u pokrivaču. T.r. na DT gorivu, zavisno od materijala pokrivača, može biti „čisto“ ili hibridno. Pokrivač od "čistog" T. r. sadrži Li; u njemu se pod uticajem termonuklearnih neutrona proizvodi tricijum: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, a energija TP raste sa 17,6 MeV na 22,4 MeV. U prazno hibridni fuzijski reaktor Ne samo da se proizvodi tricijum, već postoje zone u kojima se otpad 238 U stavlja za proizvodnju 239 Pu. Istovremeno, u pokrivaču se oslobađa energija jednaka 140 MeV po termonuklearnom neutronu. T. o., u hibridu T. r. moguće je dobiti otprilike šest puta više energije po početnom događaju fuzije nego u "čistom" TR, ali prisustvo u prvom slučaju fisijskih radioakta. supstance stvaraju zračenje. okruženje slično onome na nebu koje postoji nuklearnih reaktora divizije.

U T.r. sa gorivom na mešavini D sa 3 He, nema pokrivača, jer nema potrebe za reprodukcijom tricijuma: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), a sva energija se oslobađa u oblik naknade. produkti reakcije. Radijacija Zaštita je dizajnirana da apsorbuje energiju neutrona i radioaktivnih dejstava. zračenje i redukcija topline i radijacije teče u supravodljivi magnet. sistem do nivoa prihvatljivog za stacionarni rad. Toroidalni magnetni namotaji polja 8 služe za stvaranje toroidnog magneta. polja i napravljeni su kao supravodljivi korišćenjem Nb 3 Sn superprovodnika i bakrene matrice koja radi na temperaturi tečnog helijuma (4,2 K). Razvoj tehnologije za dobijanje visokotemperaturne supravodljivosti može omogućiti da se eliminiše hlađenje zavojnica tečnim helijumom i pređe na jeftiniji način hlađenja, na primer. tečni azot. Dizajn reaktora se neće značajno mijenjati. Poloidni zavojnici polja 11 su takođe supravodljivi i zajedno sa magnezijumom. strujno polje plazme stvara ravnotežnu konfiguraciju poloidnog magnetnog polja. polja sa jednim ili dva nula poloidnim d i v e r t o r 10, služe za uklanjanje toplote iz plazme u obliku toka naelektrisanja. čestice i za ispumpavanje produkta reakcije neutralisanih na divertorskim pločama: helijum i protij. U T.r. sa D 3 He gorivom, divertorske ploče mogu poslužiti kao jedan od elemenata sistema direktne konverzije energije punjenja. produkti reakcije u električnu energiju. Kriostat 6 služi za hlađenje supravodljivih zavojnica do temperature tekućeg helijuma ili viših temperatura kada se koriste napredniji visokotemperaturni supravodiči. Vakumska komora 4 a sredstva za pumpanje 5 su projektovana za postizanje visokog vakuuma u radnoj komori reaktora, u kojoj se stvara plazma 3, iu svim pomoćnim volumenima, uključujući kriostat.

Kao prvi korak ka stvaranju termonuklearne energije, čini se da termonuklearni reaktor radi na DT mješavini zbog veće brzine reakcije od drugih reakcija fuzije. U budućnosti se razmatra mogućnost stvaranja niskoradioaktivnog T. r.-a. na mješavini D sa 3 He, u kojoj je bas. energija nosi naboj. produkti reakcije, a neutroni se pojavljuju samo u DD i DT reakcijama tokom sagorijevanja tritijuma nastalog u DD reakcijama. Kao rezultat, biol. opasnost T. r. može se očigledno smanjiti za četiri do pet redova veličine u poređenju sa nuklearnih reaktora divizije, nema potrebe za industrijskom obrada radioakta materijala i njihovog transporta, odlaganje radioaktivnih materijala je kvalitativno pojednostavljeno. otpad. Međutim, izgledi za stvaranje ekološki prihvatljivog TR u budućnosti. na mješavini D sa 3 Nije komplikovano problemom sirovina: prirodni. koncentracije izotopa 3 He na Zemlji su dijelovi na milion izotopa 4 He. Stoga se postavlja teško pitanje dobijanja sirovina, npr. isporukom sa Meseca.