Fúziós reaktor: ITER. Hőatomerőmű – ITER projekt
A közelmúltban a Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézetben került sor az ITER projekt oroszországi bemutatójára, melynek keretében egy tokamak elven működő termonukleáris reaktor létrehozását tervezik. Az oroszországi tudósok egy csoportja a nemzetközi projektről és az orosz fizikusok részvételéről beszélt ennek az objektumnak a létrehozásában. A Lenta.ru részt vett az ITER bemutatóján, és beszélt a projekt egyik résztvevőjével.
Az ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor – International Thermonuclear Experimental Reactor) egy fúziós reaktor projekt, amely lehetővé teszi termonukleáris technológiák demonstrációját és kutatását, azok békés és kereskedelmi célú további felhasználását. A projekt megalkotói úgy vélik, hogy a szabályozott termonukleáris fúzió a jövő energiájává válhat, és a modern gáz, olaj és szén alternatívájaként szolgálhat. A kutatók megjegyzik az ITER technológia biztonságát, környezetbarátságát és elérhetőségét a hagyományos energiához képest. A projekt összetettsége a Large Hadron Collideréhez hasonlítható; a reaktortelepítés több mint tízmillió szerkezeti elemet tartalmaz.
Az ITER-ről
A toroid tokamak mágnesek 80 000 kilométernyi szupravezető szálat igényelnek; össztömegük eléri a 400 tonnát. Maga a reaktor körülbelül 23 000 tonnát fog nyomni. Összehasonlításképpen a párizsi Eiffel-torony súlya mindössze 7,3 ezer tonna. A tokamak plazma térfogata eléri a 840-et köbméter, míg például az Egyesült Királyságban működő legnagyobb ilyen típusú reaktorban - a JET-ben - a térfogat száz köbméter.
A tokamak magassága 73 méter lesz, ebből 60 méter a talaj felett, 13 méter pedig alatta. Összehasonlításképpen a moszkvai Kreml Szpasszkaja tornyának magassága 71 méter. A fő reaktorplatform 42 hektárnyi területet fog lefedni, ami 60 futballpálya területéhez mérhető. A tokamak plazma hőmérséklete eléri a 150 millió Celsius-fokot, ami tízszer magasabb, mint a Nap középpontjában uralkodó hőmérséklet.
Az ITER 2010 második felében történő építésébe a tervek szerint legfeljebb ötezer embert vonnak be egyszerre - köztük munkásokat és mérnököket, valamint adminisztratív személyzetet. Számos ITER-alkatrészt egy Földközi-tengerhez közeli kikötőből szállítanak majd egy speciálisan megépített, körülbelül 104 kilométer hosszú úton. Ezen belül különösen az üzem legnehezebb töredékét szállítják, amelynek tömege meghaladja a 900 tonnát, hossza pedig körülbelül tíz méter. Több mint 2,5 millió köbméter földet távolítanak el az ITER-gyár építési területéről.
A projekt teljes költsége és építési munkák 13 milliárd euróra becsülik. Ezeket a forrásokat a projekt hét fő résztvevője biztosítja, akik 35 ország érdekeit képviselik. Összehasonlításképpen: a Nagy Hadronütköztető megépítésének és fenntartásának összköltsége csaknem kétszer kevesebb, a Nemzetközi Űrállomás építése és fenntartása pedig csaknem másfélszer drágább.
tokamak
Ma a világon két ígéretes termonukleáris reaktor projekt létezik: a tokamak ( azután rhoidális ka mérje meg ma rothadt Nak nek atushkas) és egy sztellarátor. Mindkét készülékben a plazmát mágneses tér tartja, de a tokamaknál toroid zsinór formájú, amelyen elektromos áram halad át, míg a sztellarátorban külső tekercsek indukálják a mágneses teret. A termonukleáris reaktorokban nehéz elemek könnyűből (hidrogénizotópokból hélium - deutérium és trícium) való fúziós reakciói mennek végbe, ellentétben a hagyományos reaktorokkal, ahol a nehéz atommagok könnyebb atomokká bomlási folyamatai indulnak meg.
Fotó: NRC "Kurchatov Institute" / nrcki.ru
A tokamak elektromos áramát a plazma körülbelül 30 millió Celsius fokos kezdeti hőmérsékletre történő felmelegítésére is használják; a további fűtést speciális eszközök végzik.
A tokamak elméleti sémáját 1951-ben Andrej Szaharov és Igor Tamm szovjet fizikusok javasolták, és 1954-ben megépült az első létesítmény a Szovjetunióban. A tudósok azonban nem tudták sokáig álló helyzetben tartani a plazmát, és az 1960-as évek közepére a világ meg volt győződve arról, hogy a tokamakon alapuló szabályozott termonukleáris fúzió lehetetlen.
De már három évvel később, a Kurchatov Atomenergia Intézet T-3 létesítményében, Lev Artsimovich vezetésével sikerült a plazmát több mint ötmillió Celsius fokos hőmérsékletre melegíteni és rövid ideig tartani. idő; a kísérletben jelen lévő brit tudósok körülbelül tízmillió fokos hőmérsékletet rögzítettek berendezésükön. Ezt követően a tokamakok igazi fellendülése kezdődött el a világon, így mintegy 300 létesítmény épült a világon, amelyek közül a legnagyobbak Európában, Japánban, az USA-ban és Oroszországban találhatók.
Kép: Rfassbind/wikipedia.org
ITER menedzsment
Mi az alapja annak a bizalomnak, hogy az ITER 5-10 éven belül megkezdi működését? Milyen gyakorlati és elméleti fejleményekről?
Orosz oldalon a bejelentett munkarendet teljesítjük és nem fogjuk megszegni. Sajnos némi késést tapasztalunk mások, főleg Európa által végzett munkában; részben Amerikában van késés, és van egy tendencia, hogy a projekt némileg késik. Késik, de nem állt meg. Megvan a bizalom, hogy sikerülni fog. Maga a projekt koncepciója elméletileg és gyakorlatilag is teljesen kiszámított és megbízható, úgyhogy szerintem működni fog. Hogy teljes mértékben meghozza-e a bejelentett eredményeket... várjuk meg.
A projekt inkább feltáró jellegű?
Biztosan. Az állítólagos eredmény nem a kapott eredmény. Ha hiánytalanul megérkezik, nagyon boldog leszek.
Milyen új technológiák jelentek meg, jelennek meg vagy fognak megjelenni az ITER projektben?
Az ITER projekt nemcsak rendkívül összetett, hanem rendkívül stresszes projekt is. Megterhelő az energiaterhelés, egyes elemek működési feltételei, beleértve a rendszereinket is. Ezért az új technológiáknak egyszerűen meg kell születniük ebben a projektben.
Van rá példa?
Tér. Például a gyémántdetektoraink. Megbeszéltük annak lehetőségét, hogy gyémántdetektorainkat űrteherautókon használjuk, amelyek olyan nukleáris járművek, amelyek bizonyos tárgyakat, például műholdakat vagy állomásokat szállítanak pályáról pályára. Van egy űrkamion projekt. Mivel ez egy olyan berendezés, amelynek fedélzetén van egy atomreaktor, akkor nehéz körülmények A műveletek elemzést és vezérlést igényelnek, így detektoraink ezt is meg tudják tenni. Jelenleg az ilyen diagnosztika létrehozásának témája még nem finanszírozott. Ha létrejön, akkor lehet alkalmazni, és akkor nem a fejlesztési szakaszban kell bele pénzt fektetni, hanem csak a fejlesztés és a megvalósítás szakaszában.
Mi a részesedése a nulladik és a kilencvenes évek modern orosz fejlesztéseinek a szovjet és a nyugati fejlesztésekhez képest?
Az ITER-hez nyújtott orosz tudományos hozzájárulás aránya a globális hozzájárulás fényében igen nagy. Nem tudom pontosan, de nagyon súlyos. Nyilvánvalóan nem kevesebb, mint a projektben való pénzügyi részvétel orosz százalékos aránya, mert sok más csapatban nagy számban vannak olyan oroszok, akik külföldre mentek más intézményekbe dolgozni. Japánban és Amerikában, mindenhol nagyon jó a kapcsolatunk és az együttműködésünk velük, van, aki Európát, van, aki Amerikát képviseli. Ezen kívül vannak még tudományos iskolák. Ezért, hogy erősebbek vagyunk-e, vagy jobban fejlesztjük azt, amit korábban... Az egyik nagy azt mondta, hogy „titánok vállán állunk”, ezért a szovjet időkben kialakult bázis tagadhatatlanul nagyszerű és anélkül is nem vagyunk semmire ne tudnánk. De még jelen pillanatban sem állunk egy helyben, hanem mozgunk.
És pontosan mivel foglalkozik az Ön csoportja az ITER-nél?
Van egy szektorom az osztályon. Az osztály számos diagnosztika fejlesztésével foglalkozik, ágazatunk kifejezetten vertikális neutronkamra, ITER neutrondiagnosztika fejlesztésével foglalkozik és a tervezéstől a gyártásig sokrétű probléma megoldásával, valamint a fejlesztéshez kapcsolódó kutatási munkákkal is foglalkozik. különösen a gyémántdetektorok esetében. A gyémántdetektor egy egyedi eszköz, eredetileg a mi laboratóriumunkban készült. Korábban számos fúziós létesítményben használták, ma pedig Amerikától Japánig számos laboratórium széles körben alkalmazza; ők mondjuk követtek minket, de továbbra is a csúcson vagyunk. Most gyémántdetektorokat készítünk, és elérjük a szintjüket ipari termelés(kisüzemi termelés).
Milyen iparágakban használhatók ezek a detektorok?
Jelen esetben termonukleáris kutatásokról van szó, a jövőben feltételezzük, hogy az atomenergiában lesz rájuk kereslet.
Mit csinálnak pontosan a detektorok, mit mérnek?
Neutronok. Több értékes termék mint a neutron nem létezik. Te és én is neutronokból állunk.
Milyen jellemzőit mérik a neutronok?
Spektrális. Először is, az ITER-ben megoldandó azonnali probléma a neutronenergia-spektrumok mérése. Emellett figyelik a neutronok számát és energiáját. A második, többletfeladat az atomenergiát érinti: párhuzamosan vannak olyan fejlesztéseink, amelyek az atomreaktorok alapját képező termikus neutronokat is képesek mérni. Számunkra ez a feladat másodlagos, de egyben kidolgozás alatt is, vagyis itt dolgozhatunk, és egyúttal olyan fejlesztéseket valósíthatunk meg, amelyek az atomenergiában meglehetősen sikeresen alkalmazhatók.
Milyen módszereket alkalmaz kutatásai során: elméleti, gyakorlati, számítógépes szimuláció?
Mindent: a komplex matematikától (a matematikai fizika módszerei) és a matematikai modellezéstől a kísérletekig. Az általunk végzett különféle számításokat kísérletekkel igazoljuk és igazoljuk, mert van egy kísérleti laboratóriumunk több működő neutrongenerátorral, amelyeken teszteljük az általunk fejlesztett rendszereket.
Van működő reaktor a laborjában?
Nem reaktor, hanem neutrongenerátor. A neutrongenerátor valójában a szóban forgó termonukleáris reakciók mini-modellje. Minden ugyanaz benne, csak ott a folyamat némileg más. A gyorsító elvén működik – bizonyos ionok nyalábja, amely célba ütközik. Vagyis a plazma esetében van egy forró tárgyunk, amelyben minden atom nagy energiával rendelkezik, és esetünkben egy speciálisan gyorsított ion találja el a hasonló ionokkal telített célpontot. Ennek megfelelően reakció megy végbe. Tegyük fel, hogy ez az egyik módja annak, hogy ugyanazt a fúziós reakciót végrehajtsa; az egyetlen bebizonyosodott dolog az ez a módszer nem rendelkezik nagy hatásfokkal, vagyis nem kap pozitív energiakibocsátást, hanem magát a reakciót - közvetlenül megfigyeljük ezt a reakciót és a részecskéket és mindent, ami benne van.
Korunk leggrandiózusabb tudományos épülete. Hogyan épül az ITER fúziós reaktor Franciaországban
A szabályozott termonukleáris fúzió a fizikusok és az energetikai cégek kék álma, amelyet évtizedek óta dédelgetnek. A mesterséges Nap ketrecbe zárása remek ötlet. "De az a probléma, hogy nem tudjuk, hogyan készítsünk ilyen dobozt"- mondta a Nobel-díjas Pierre Gilles de Gennes 1991-ben. 2018 közepére azonban már tudjuk, hogyan. Még építünk is. A világ legjobb elméi az ITER nemzetközi kísérleti termonukleáris reaktor projektjén dolgoznak – ez a modern tudomány legambiciózusabb és legdrágább kísérlete.
Egy ilyen reaktor ötször többe kerül, mint a Large Hadron Collider. Világszerte tudósok százai dolgoznak a projekten. Finanszírozása könnyen meghaladhatja a 19 milliárd eurót, és az első plazma csak 2025 decemberében indul a reaktoron keresztül. Az állandó késések, technológiai nehézségek, az egyes részt vevő országok elégtelen finanszírozása ellenére pedig készül a világ legnagyobb termonukleáris „örökmozgója”. Sokkal több előnye van, mint hátránya. Mit? Korunk leggrandiózusabb tudományos építésének története az elmélettel kezdődik.
Mi az a tokamak?
A hatalmas hőmérséklet és a gravitáció hatására a termonukleáris fúzió a Nap és más csillagok mélyén megy végbe. A hidrogénatommagok ütköznek, nehezebb hélium atomokat képeznek, és egyúttal neutronokat és hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel.
A modern tudomány legalábbis arra a következtetésre jutott referencia hőmérséklet a legnagyobb számban energiát a hidrogénizotópok – deutérium és trícium – reakciója állít elő. De ehhez három feltétel fontos: magas hőmérséklet (kb. 150 millió Celsius fok), nagy sűrűségű plazma és magas retenciós idő.
A helyzet az, hogy nem leszünk képesek olyan kolosszális sűrűséget létrehozni, mint a Napé. Csak a gázt ultramagas hőmérsékleten plazma állapotúra kell melegíteni. De egyetlen anyag sem bírja elviselni az ilyen forró plazmával való érintkezést. Ennek érdekében Andrej Szaharov akadémikus (Oleg Lavrentiev javaslatára) az 1950-es években toroid alakú (üreges fánk formájú) kamrák alkalmazását javasolta mágneses térrel, amely megtartja a plazmát. Később megalkották a kifejezést - tokamak.
A modern erőművek fosszilis tüzelőanyagok elégetésével átalakulnak mechanikai erő(például turbinák torziója) villamos energiává. A tokamak a készülék falai által hő formájában elnyelt fúziós energiát melegítésre és gőz előállítására fogja felhasználni, ami megforgatja a turbinákat.
Az első tokamak a világon. Szovjet T-1. 1954
Kis kísérleti tokamakokat építettek szerte a világon. És sikeresen bebizonyították, hogy az ember képes magas hőmérsékletű plazmát létrehozni és egy ideig stabilan tartani. De az ipari formatervezés még messze van.
T-15 telepítése. 1980-as évek
A fúziós reaktorok előnyei és hátrányai
A tipikus atomreaktorok több tíz tonna radioaktív fűtőanyaggal működnek (amely idővel több tíz tonna radioaktív hulladékká alakul), míg egy fúziós reaktorhoz mindössze több száz gramm trícium és deutérium szükséges. Az elsőt magában a reaktorban lehet előállítani: a fúzió során felszabaduló neutronok lítiumszennyeződésekkel hatnak a reaktor falára, amelyből trícium jelenik meg. A lítiumtartalékok több ezer évig kitartanak. Deutériumból sem lesz hiány – évente több tízezer tonnában állítják elő a világon.
A fúziós reaktor nem bocsát ki üvegházhatású gázokat, ami a fosszilis tüzelőanyagokra jellemző. A hélium-4 formájú melléktermék pedig egy ártalmatlan inert gáz.
Ezenkívül a fúziós reaktorok biztonságosak. Bármilyen katasztrófa esetén a termonukleáris reakció egyszerűen leáll anélkül, hogy komoly következményekkel járna környezet vagy személyzettel, mivel semmi sem támogatja a szintézis reakcióját: túl melegházi körülmények szükségesek ahhoz.
A fúziós reaktoroknak azonban vannak hátrányai is. Először is ez az önfenntartó reakció elindításának banális bonyolultsága. Mély vákuumra van szüksége. A kifinomult mágneses behatárolási rendszerek hatalmas szupravezető mágnestekercseket igényelnek.
És ne feledkezzünk meg a sugárzásról sem. A termonukleáris reaktorok ártalmatlanságával kapcsolatos sztereotípiák ellenére a környezetük fúzió során keletkező neutronokkal való bombázása nem törölhető. Ez a bombázás sugárzást eredményez. Ezért a reaktor karbantartását távolról kell elvégezni. A jövőre nézve tegyük fel, hogy a start után az ITER tokamakot közvetlenül robotok fogják kiszolgálni.
Ezenkívül a radioaktív trícium lenyelés esetén veszélyes lehet. Igaz, elég lesz vigyázni rá megfelelő tárolásés egyáltalán biztonsági korlátokat hozzon létre lehetséges módjai elosztása baleset esetén. Ezenkívül a trícium felezési ideje 12 év.
Ha az elmélet szükséges minimális alapja megvan, akkor továbbléphet a cikk hősére.
Korunk legambiciózusabb projektje
1985-ben Genfben került sor a Szovjetunió és az USA vezetőinek évek óta első személyes találkozójára. Előtt hidegháború elérte a csúcsot: a szuperhatalmak bojkottálták az olimpiát, növelték nukleáris potenciáljukat, és nem akartak tárgyalásokat folytatni. A két ország semleges területen zajló csúcstalálkozója egy másik fontos körülményről is nevezetes. Ennek során Mihail Gorbacsov, az SZKP Központi Bizottságának főtitkára közös nemzetközi projekt megvalósítását javasolta a termonukleáris energia békés célú fejlesztésére.
Egy évvel később megállapodás született amerikai, szovjet, európai és japán tudósok között a projektről, és megkezdődtek az ITER nagy termonukleáris komplexum elvi tervezése. A mérnöki részletek tanulmányozása késett, az Egyesült Államok vagy kiszállt, vagy visszatért a projekthez, végül Kína, Dél-Korea és India is csatlakozott hozzá. A résztvevők közösen vállalták a finanszírozást és a közvetlen munkavégzést, és 2010-ben végre elkezdődött a leendő komplexum alapozási gödrének előkészítése. Úgy döntöttek, hogy megépítik Dél-Franciaországban, Aix-en-Provence városa közelében.
Tehát mi az ITER? Ez egy hatalmas tudományos kísérlet és egy ambiciózus energiaprojekt a világ legnagyobb tokamakjának megépítésére. A kivitelezésnek bizonyítania kell a termonukleáris reaktor kereskedelmi célú felhasználásának lehetőségét, valamint meg kell oldani a felmerülő fizikai és technológiai problémákat.
Miből készül az ITER reaktor?
A Tokamak egy toroid alakú vákuumkamra mágnestekercsekkel és egy 23 000 tonnás kriosztáttal. Ahogy a definícióból már kiderül, van kameránk. Mély vákuum kamra. Az ITER esetében ez a kamra 850 köbméter szabad térfogata lesz, amelyben induláskor mindössze 0,1 gramm deutérium és trícium keveréke lesz.
1. Vákuumkamra, ahol a plazma él. 2. Semleges sugárinjektor és RF plazma melegítés akár 150 millió fokig. 3. Szupravezető mágnesek, amelyek a plazmát hasznosítják. 4. Takarók, amelyek védik a kamrát és a mágneseket a neutronbombázástól és a felmelegedéstől. 5. Diverter, amely eltávolítja a hőt és a termonukleáris reakció termékeit. 6. Diagnosztikai eszközök a plazmafizika tanulmányozásához. Tartalmazza a manométereket és a neutronkamrákat. 7. Kriosztát - egy hatalmas termosz mélyvákuummal, amely megvédi a mágneseket és egy vákuumkamrát a felmelegedéstől
És így néz ki egy „kis” vákuumkamra, amelyben dolgozók modelljei vannak. Magassága 11,4 méter, súlya takaróval és terelővel együtt 8,5 ezer tonna lesz.
A kamra belső falain speciális modulok, úgynevezett takarók találhatók. Víz kering bennük. A plazmából kiszabaduló szabad neutronok bejutnak ezekbe a takarókba, és a víz lelassítja őket. Amiatt ami felmelegszik. Maguk a takarók védik a kolosszus többi részét a hő-, röntgen- és a plazma már említett neutronsugárzásától.
Egy ilyen rendszer szükséges a reaktor élettartamának meghosszabbításához. Mindegyik takaró körülbelül 4,5 tonnát nyom, és körülbelül 5-10 évente egyszer robotkarra cserélik, mivel ez az első védelmi vonal párolgásnak és neutronsugárzásnak lesz kitéve.
De ez még nem minden. Kamrán belüli berendezések, hőelemek, gyorsulásmérők, a takarórendszer már említett 440 blokkja, hűtőrendszerek, árnyékoló blokk, terelő, 48 elemből álló mágneses rendszer, nagyfrekvenciás plazmamelegítők, semleges atomok injektora stb. És mindez egy hatalmas, 30 méter magas, azonos átmérőjű és 16 ezer köbméter térfogatú kriosztátban található. A kriosztát mélyvákuumot és ultrahideg hőmérsékletet garantál a tokamak kamra és a szupravezető mágnesek számára, amelyeket folyékony hélium hűt le -269 Celsius fokos hőmérsékletre.
Alsó. A kriosztát alapjának egyharmada. Ez a "termosz" összesen 54 elemből fog állni.
És így néz ki a kriosztát a renderen. Gyártását Indiára bízták. A "termosz" belsejében egy reaktort szerelnek majd össze
A kriosztát már összeszerelés alatt áll. Itt például láthat egy ablakot, amelyen keresztül részecskéket dobnak a reaktorba, hogy felmelegítsék a plazmát.
Mindezen berendezések gyártása megoszlik a résztvevő országok között. Például a takarók egy részét Oroszországban, a kriosztát testén - Indiában, a vákuumkamra szegmensein - Európában és Koreában dolgozzák fel.
De ez semmiképpen sem gyors folyamat. Ráadásul a tervezőknek nincs lehetőségük hibázni. Az ITER csapata először a szerkezeti elemek terheléseit és követelményeit szimulálja, ezeket padon tesztelik (például plazmapisztolyok hatására, mint egy terelőt), javítják és véglegesítik, a prototípusokat összeállítják és újra tesztelik a végső elem kiadása előtt.
A toroid tekercs első háza. Az első a 18 óriási mágnes közül. Az egyik fele Japánban, a másik fele Koreában készült
18 óriási D-alakú mágnes körben elhelyezve áthatolhatatlan mágneses falat alkotva. Mindegyikben 134 menetnyi szupravezető kábel található.
Minden ilyen tekercs tömege körülbelül 310 tonna.
De egy dolog gyűjteni. És egészen más - mindezt szolgálni. Mert magas szint elrendelték a reaktorba való sugárzási hozzáférést. Karbantartására robotrendszerek egész családját fejlesztették ki. Vannak, akik takarót és terelőkazettát cserélnek (10 tonna alatti súlyúak), van, amelyik távirányítós lesz a balesetek kiküszöbölése érdekében, van, amelyik HD kamerákkal és lézerszkennerekkel ellátott vákuumkamra-zsebekben épül a gyors ellenőrzés érdekében. És mindezt légüres térben, szűk helyen kell megtenni nagy pontosságúés világos kölcsönhatásban minden rendszerrel. A feladat nehezebb, mint az ISS javítása.Az ITER tokamak lesz az első fúziós reaktor, amely több energiát termel, mint amennyi magának a plazmának a felmelegítéséhez szükséges. Ráadásul most sokkal tovább tudja majd stabil állapotban tartani. meglévő létesítmények. A tudósok azzal érvelnek, hogy pontosan erre van szükség egy ilyen nagyszabású projektre.
Egy ilyen reaktor segítségével a szakértők áthidalják a szakadékot a mai kis kísérleti létesítmények és a jövőbeli fúziós erőművek között. Például a fúziós teljesítmény rekordját 1997-ben állították fel egy tokamak Nagy-Britanniában – 16 MW 24 MW-tal, míg az ITER tervezésénél 50 MW bemenő hőenergiából származó 500 MW fúziós teljesítményt tartottak szem előtt.
A tokamak a fűtési, vezérlési, diagnosztikai, kriogenikus és távkarbantartási technológiákat, vagyis a termonukleáris reaktorok ipari tervezéséhez szükséges összes technikát teszteli majd.
A világ tríciumtermelésének volumene nem lesz elegendő a jövő erőművei számára. Ezért az ITER egy lítiumot tartalmazó szaporító takaró technológiáját is kidolgozza. A tríciumot termonukleáris neutronok hatására szintetizálják majd belőle.
Ne felejtse el azonban, hogy ez, bár drága, egy kísérlet. A tokamak nem lesz felszerelve turbinákkal vagy más rendszerekkel, amelyek a hőt villamos energiává alakítják át. Azaz nem lesz kereskedelmi kibocsátás közvetlen energiatermelés formájában. Miért? Mert az csak mérnöki szempontból bonyolítaná a projektet és még drágábbá tenné.
A finanszírozási rendszer meglehetősen zavaros. Az építkezés, a reaktor és a komplexum egyéb rendszereinek kialakítása szakaszában a költségek mintegy 45%-át az EU-országok, a többi résztvevő 9%-át viselik. A legtöbb hozzájárulás azonban „természetbeni”. Az alkatrészek többségét közvetlenül a részt vevő országokból szállítják az ITER-hez.
Tengeren érkeznek Franciaországba, és a kikötőből az építkezésre a francia kormány által speciálisan átalakított úton szállítják őket. Az ország 110 millió eurót és 4 évnyi munkát költött az ITER-út 104 km-én. A pályát kiszélesítették és megerősítették. Az tény, hogy 2021-ig 250 konvoj halad át rajta hatalmas rakományokkal. A legnehezebb részek elérik a 900 tonnát, a legmagasabbak - 10 métert, a leghosszabbak - 33 métert.
Eddig az ITER-t nem helyezték üzembe. Már van azonban egy DEMO fúziós erőmű projektje, amelynek éppen az a feladata, hogy demonstrálja a technológia kereskedelmi felhasználásának vonzerejét. Ennek a komplexumnak folyamatosan (és nem impulzussal, mint az ITER-rel) 2 GW energiát kell termelnie.
Az új globális projekt megvalósításának időzítése az ITER sikerétől függ, de a 2012-es terv szerint a DEMO első indítása legkorábban 2044-ben fog megtörténni.
Azt mondjuk, hogy a napot egy dobozba helyezzük. Az ötlet szép. A probléma az, hogy nem tudjuk, hogyan készítsük el a dobozt.
Pierre-Gilles de Gennes
francia Nobel-díjas
Minden elektronikai eszköznek és gépnek szüksége van energiára, és ebből sokat fogyaszt az emberiség. De a fosszilis tüzelőanyagok kimerülnek, és az alternatív energia még mindig nem elég hatékony.
Létezik egy módja annak, hogy energiát nyerjen, amely ideálisan megfelel minden követelménynek - Fusion. A fúziós reakció (a hidrogén héliummá történő átalakulása és energia felszabadulása) folyamatosan zajlik a napon, és ez a folyamat napfény formájában energiával látja el a bolygót. Csak szimulálnia kell a Földön, kisebb léptékben. Elég nagy nyomást biztosítani és nagyon magas hőmérsékletű(10-szer magasabb, mint a Napon), és beindul a fúziós reakció. Az ilyen feltételek megteremtéséhez termonukleáris reaktort kell építeni. Több földi erőforrást használ majd fel, biztonságosabb és erősebb lesz, mint a hagyományos atomerőművek. Több mint 40 éve próbálkoznak megépítésével és végeznek kísérleteket. V utóbbi évek az egyik prototípusnak még több energiát is sikerült szereznie, mint amennyit elköltöttek. Az alábbiakban bemutatjuk a terület legambiciózusabb projektjeit:
Állami projektek
A közelmúltban a legnagyobb közfigyelmet a termonukleáris reaktor egy másik terve, a Wendelstein 7-X sztellarátor kapta (a sztellarátor bonyolultabb belső eszköz mint az ITER, amely egy tokamak). Alig több mint 1 milliárd dollárt elköltött német tudósok 2015-re 9 év alatt megépítették a reaktor kicsinyített, demonstrációs modelljét. Ha jól teljesít, akkor nagyobb verzió készül.
A franciaországi MegaJoule Laser lesz a világ legerősebb lézere, és megpróbálja előmozdítani a fúziós reaktor lézerek felhasználásán alapuló módszerét. A francia telepítés üzembe helyezése 2018-ban várható.
Az USA-ban 12 év alatt és 2012-re 4 milliárd dollárból felépült a NIF (National Ignition Operating). A technológia tesztelését, majd azonnali reaktor építését várták, de kiderült, hogy a Wikipédia szerint jelentős munkára van szükség, ha a a rendszer mindig eléri a gyulladást. Ennek eredményeként a grandiózus terveket törölték, és a tudósok fokozatosan fejleszteni kezdték a lézert. Az utolsó kihívás az energiaátvitel hatékonyságának 7%-ról 15%-ra való emelése. Ellenkező esetben a szintézis elérésének ezen módszerére vonatkozó kongresszusi finanszírozás megszűnhet.
2015 végén Sarovban megkezdődött a világ legerősebb lézeres létesítményének épületének építése. Erősebb lesz, mint a jelenlegi amerikai és jövőbeli francia, és lehetővé teszi a reaktor "lézeres" változatának megépítéséhez szükséges kísérletek elvégzését. Az építkezés befejezése 2020.
Az egyesült államokbeli lézer-MagLIF fúziót sötét lóként ismerik el a termonukleáris fúzió megvalósításának módszerei között. Az utóbbi időben ez a módszer a vártnál jobban teljesített, de a teljesítményt még 1000-szeresére kell növelni. A lézert most fejlesztik, és 2018-ra a tudósok azt remélik, hogy annyi energiához jutnak, amennyit elköltöttek. Siker esetén nagyobb verzió készül.
Az orosz INP-ben kitartóan végeztek kísérleteket a „nyílt csapdák” módszerével, amelyet az Egyesült Államok a 90-es években felhagyott. Ennek eredményeként olyan mutatókat kaptak, amelyeket lehetetlennek tartottak ennél a módszernél. Az INP tudósai úgy vélik, hogy telepítésük ma már a német Wendelstein 7-X szintjén van (Q=0,1), de olcsóbb. Most 3 milliárd rubelért új létesítményt építenek
A Kurchatov Intézet vezetője folyamatosan emlékeztet egy kis termonukleáris reaktor felépítésére Oroszországban - az Ignitor. A terv szerint ugyanolyan hatékonynak kell lennie, mint az ITERnek, bár kevésbé. Építését már 3 éve el kellett volna kezdeni, de ez a helyzet a nagy tudományos projektekre jellemző.
A kínai EAST tokamak 2016 elején 50 millió fokos hőmérsékletet tudott elérni és 102 másodpercig tartani. A hatalmas reaktorok és lézerek építése előtt a fúzióról minden hír ilyen volt. Azt gondolhatnánk, hogy ez csak a tudósok közötti versengés – ki tudja tovább tartani az egyre magasabb hőmérsékletet. Minél magasabb a plazma hőmérséklete és minél tovább tartható, annál közelebb vagyunk a fúziós reakció kezdetéhez. Több tucat ilyen telepítés létezik a világon, még több () () épül, így hamarosan megdől a keleti rekord. Lényegében ezek a kis reaktorok csak tesztelik a berendezéseket, mielőtt azokat az ITER-be küldik.
A Lockheed Martin 2015-ben jelentette be a fúziós energia terén elért áttörést, amely lehetővé teszi számukra, hogy 10 éven belül egy kisméretű és mobil fúziós reaktort építsenek. Tekintettel arra, hogy még nagyon nagy és egyáltalán nem mobil kereskedelmi reaktorok létesítésére is legkorábban 2040-re lehetett számítani, a társaság nyilatkozatát szkepticizmussal fogadták. De a cégnek rengeteg erőforrása van, szóval ki tudja. A prototípus 2020-ban várható.
A Helion Energy népszerű Szilícium-völgyi startup saját egyedi tervet dolgozott ki a magfúzió megvalósítására. A vállalat több mint 10 millió dollárt gyűjtött össze, és 2019-re várható, hogy elkészül egy prototípus.
A Shadowy startup Tri Alpha Energy a közelmúltban lenyűgöző eredményeket ért el a termonukleáris fúziós módszerének fejlesztésében (több mint 100 elméleti módszert dolgoztak ki a fúzió elérésére a teoretikusok, a tokamak egyszerűen a legegyszerűbb és legnépszerűbb). A társaság több mint 100 millió dollár befektetői alapokat is bevont.
A kanadai startup, a General Fusion reaktorprojektje még jobban eltér a többitől, de a fejlesztők bíznak benne, és 10 év alatt több mint 100 millió dollárt gyűjtöttek össze, hogy 2020-ig megépítsék a reaktort.
Startup az Egyesült Királyságból – A First light rendelkezik a legelérhetőbb helyszínnel, 2014-ben alakult, és bejelentette, hogy a legújabb tudományos adatokat felhasználja a termonukleáris fúzió olcsóbb megszerzésére.
Az MIT tudósai cikket írtak egy kompakt fúziós reaktorról. Olyan új technológiákra támaszkodnak, amelyek az óriási tokamak építésének megkezdése után jelentek meg, és azt ígérik, hogy 10 éven belül befejezik a projektet. Egyelőre nem tudni, hogy zöld utat kapnak-e az építkezés megkezdéséhez. Még ha jóváhagyják is, egy cikk egy folyóiratban még több korai fázis mint egy startup
A fúzió talán a legkevésbé alkalmas iparág a közösségi finanszírozásra. De a Lawrenceville Plasma Physics az ő segítségével és a NASA finanszírozásával fogja megépíteni reaktora prototípusát. A folyamatban lévő projektek közül ez hasonlít leginkább a csaláshoz, de ki tudja, talán hoznak valami hasznosat ebbe a grandiózus munkába.
Az ITER csak egy prototípus lesz egy teljes értékű DEMO létesítmény – az első kereskedelmi forgalomban lévő fúziós reaktor – építéséhez. Bevezetését most 2044-re tervezik, és ez még mindig optimista előrejelzés.
De vannak tervek a következő szakaszra. Egy hibrid termonukleáris reaktor egy atom bomlásából (mint egy hagyományos atomerőműből) és fúzióból is kap energiát. Ebben a konfigurációban az energia 10-szer több lehet, de a biztonság alacsonyabb. Kína 2030-ra várja a prototípus megépítését, de szakértők szerint ez olyan, mintha hibrid autókat próbálna építeni a belső égésű motor feltalálása előtt.
Eredmény
Nincs hiány olyan emberekből, akik hajlandóak új energiaforrást hozni a világba. Mértéke és finanszírozása miatt az ITER-projektnek van a legnagyobb esélye, de nem szabad figyelmen kívül hagyni az egyéb módszereket és a magánprojekteket sem. A tudósok évtizedek óta dolgoznak a fúziós reakció elindításán, sikertelenül. De most több projekt van a termonukleáris reakció megvalósítására, mint valaha. Még ha mindegyik kudarcot vall, újabb kísérletek fognak történni. Nem valószínű, hogy addig pihenünk, amíg meg nem világítjuk a Nap miniatűr változatát, itt a Földön.Címkék: Címkék hozzáadása
Az ITER nemzetközi kísérleti termonukleáris reaktort túlzás nélkül a legjelentősebbnek nevezhetjük kutatási projekt modernség. Az építés léptékét tekintve könnyen felülmúlja a Nagy Hadronütköztetőt, és ha sikerül, sokkal nagyobb lépést jelent az egész emberiség számára, mint egy Holdra repülés. Valójában a potenciálisan szabályozott termonukleáris fúzió a példátlanul olcsó és tiszta energia szinte kimeríthetetlen forrása.
Ezen a nyáron több jó ok is volt arra, hogy felfrissítsük az ITER-projekt műszaki részleteit. Először is, egy grandiózus vállalkozás, amelynek hivatalos kezdete Mihail Gorbacsov és Ronald Reagan 1985-ös találkozása, az anyagi megtestesülést veszi szemünk elé. Egy új generációs reaktor tervezése Oroszország, az Egyesült Államok, Japán, Kína, India, Dél-Korea és az Európai Unió részvételével több mint 20 évig tartott. Ma az ITER már nem kilogramm technikai dokumentáció, és 42 hektár (1 km x 420 m) tökéletesen sík felület a világ egyik legnagyobb mesterséges platformján, amely a franciaországi Cadarache városában, Marseille-től 60 km-re északra található. Valamint a leendő 360 000 tonnás reaktor alapja, amely 150 000 köbméter betonból, 16 000 tonna vasalásból és 493 oszlopból áll, gumi-fém antiszeizmikus bevonattal. És természetesen a legkifinomultabb tudományos műszerek és kutatási létesítmények ezrei a világ egyetemein szétszórva.
2007. március. Az első fotó a jövő ITER platformjáról a levegőből.
A reaktor kulcselemeinek gyártása folyamatban van teljes lendülettel. Tavasszal Franciaország 70 keret gyártásáról számolt be a toroidális mező D-alakú tekercseihez, júniusban pedig megkezdődött az első szupravezető kábelekből készült tekercsek tekercselése, amelyeket Oroszországból kaptak a Podolszki Kábelipari Intézettől.
A második jó ok, hogy most emlékezzünk az ITER-re, politikai. Egy új generációs reaktor nem csak a tudósok, hanem a diplomaták számára is próbatétel. Nagyon drága és műszaki komplex projekt hogy a világon egyetlen ország sem tudja egyedül húzni. Az államok azon képességétől függ, hogy képesek-e megállapodni egymással tudományos és pénzügyi téren, hogy sikerül-e az ügyet lezárni.
2009. március. 42 ha lapított területen vár a tudományos komplexum megépítése.
A szentpétervári ITER-tanácsot június 18-ra tervezték, de az amerikai külügyminisztérium a szankciók részeként megtiltotta amerikai tudósoknak, hogy Oroszországba látogatjanak. Figyelembe véve azt a tényt, hogy maga a tokamak (az ITER alapját képező mágnestekercses toroid kamra) ötlete Oleg Lavrentiev szovjet fizikusé, a projekt résztvevői ezt a döntést érdekességként kezelték, és egyszerűen átköltöztették a tanácsot Cadarache-ba. ugyanaz a dátum. Ezek az események ismét emlékeztették az egész világot, hogy Oroszország (valamint Dél-Korea) felelős az ITER-projekttel kapcsolatos kötelezettségeinek teljesítéséért.
2011. február. A szeizmikus szigetelő aknában több mint 500 lyukat fúrtak, minden föld alatti üreget betonnal töltöttek ki.
tudósok kihasználják
A „fúziós reaktor” kifejezés sok emberben óvatos. Az asszociációs lánc egyértelmű: a termonukleáris bomba rosszabb, mint egy nukleáris bomba, ami azt jelenti, hogy a termonukleáris reaktor veszélyesebb, mint Csernobil.
Valójában a magfúzió, amelyen a tokamak működési elve alapul, sokkal biztonságosabb és hatékonyabb, mint a modern atomerőművekben alkalmazott maghasadás. A szintézist maga a természet alkalmazza: a Nap nem más, mint egy természetes termonukleáris reaktor.
A tesztelésre a német Max Planck Intézetben 1991-ben épített ASDEX tokamakot használnak különféle anyagok a reaktor első fala, különösen a volfrám és a berillium. Az ASDEX-ben a plazmatérfogat 13 m 3 , ami majdnem 65-ször kevesebb, mint az ITER-ben.
A reakcióban a deutérium és a trícium, a hidrogén izotópjai vesznek részt. A deutérium atommag egy protonból és egy neutronból, míg a trícium atommag egy protonból és két neutronból áll. Normál körülmények között az azonos töltésű atommagok taszítják egymást, de nagyon magas hőmérsékleten összeütközhetnek.
Ütközéskor az erős erő lép működésbe, amely a protonok és neutronok atommagokká egyesüléséért felelős. Az új magja kémiai elem- hélium. Ebben az esetben egy szabad neutron keletkezik, és nagy mennyiségű energia szabadul fel. Az erős kölcsönhatás energiája a héliummagban kisebb, mint az eredeti elemek magjaiban. Emiatt a keletkező mag még tömeget is veszít (a relativitáselmélet szerint az energia és a tömeg egyenértékű). Emlékezve a híres E \u003d mc 2 egyenletre, ahol c a fénysebesség, elképzelhető, milyen kolosszális energiapotenciál van tele magfúzióval.
2011. augusztus. Megkezdődött a monolit vasbeton szeizmikus szigetelő födém öntése.
A kölcsönös taszítás erejének leküzdéséhez az eredeti magoknak nagyon gyorsan kell mozogniuk, ezért a hőmérséklet kulcsszerepet játszik a magfúzióban. A Nap középpontjában a folyamat 15 millió Celsius fokos hőmérsékleten megy végbe, de ezt elősegíti az anyag kolosszális sűrűsége, a gravitáció hatására. A csillag kolosszális tömege hatékony termonukleáris reaktorrá teszi.
Ilyen sűrűséget nem lehet létrehozni a Földön. Csak a hőmérsékletet tudjuk növelni. Ahhoz, hogy a hidrogénizotópok adják a földlakóknak magjuk energiáját, 150 millió fokos hőmérsékletre van szükség, vagyis tízszer magasabb, mint a Napon.
Az univerzumban egyetlen szilárd anyag sem tud közvetlenül érintkezni ilyen hőmérséklettel. Tehát csak egy hélium kályha építése nem fog működni. Ugyanaz a toroid kamra mágnestekercsekkel, vagy tokamak segít megoldani a problémát. A tokamak létrehozásának ötlete a tudósok okos elméjében támadt fel különböző országok az 1950-es évek elején Oleg Lavrentjev szovjet fizikus és kiváló kollégái, Andrej Szaharov és Igor Tamm egyértelműen az elsőbbséget tulajdonították.
A tórusz (üreges "fánk") formájú vákuumkamrát szupravezető elektromágnesek veszik körül, amelyek toroidális mágneses teret hoznak létre benne. Ez a mező az, amely a kamra falaitól bizonyos távolságra tíz napig melegíti a plazmát. A központi elektromágnessel (induktorral) együtt a tokamak egy transzformátor. Az induktorban lévő áram megváltoztatásával áramot hoznak létre a plazmában - a szintézishez szükséges részecskék mozgását.
2012. február. 493 db 1,7 méteres, gumi-fém szendvicsből készült szeizmikus párnás oszlopot telepítettek.
A tokamak joggal tekinthető a technológiai kifinomultság mintájának. A plazmában áramló elektromos áram poloidális mágneses teret hoz létre, amely körülveszi a plazmaoszlopot és megőrzi alakját. A plazma szigorúan meghatározott körülmények között létezik, és azok legkisebb változása esetén a reakció azonnal leáll. Az atomerőművi reaktoroktól eltérően a tokamak nem tud „szénabadúlni” és ellenőrizhetetlenül növelni a hőmérsékletét.
Abban a valószínűtlen esetben, ha a tokamak megsemmisül, nem történik radioaktív szennyeződés. Az atomerőművel ellentétben a fúziós reaktor nem termel radioaktív hulladékot, és a fúziós reakció egyetlen terméke - a hélium - nem üvegházhatású gáz, és hasznos a gazdaságban. Végül a tokamak nagyon takarékosan fogyaszt üzemanyagot: a fúzió során vákuumkamra csak néhány száz gramm van az anyagból, és egy ipari erőmű becsült éves tüzelőanyag-készlete mindössze 250 kg.
2014. április. Befejeződött a kriosztát épület építése, kiöntötték a tokamak 1,5 méter vastag alapfalát.
Miért van szükségünk az ITER-re?
tokamak klasszikus séma A fent leírtak az USA-ban és Európában, Oroszországban és Kazahsztánban, Japánban és Kínában épültek. Segítségükkel sikerült igazolni a magas hőmérsékletű plazma létrehozásának alapvető lehetőségét. A fogyasztottnál több energiát leadni képes ipari reaktor megépítése azonban alapvetően más léptékű feladat.
A klasszikus tokamaknál a plazmában az áram áramlását az induktor áramának megváltoztatásával hozzák létre, és ez a folyamat nem lehet végtelen. Így a plazma élettartama korlátozott, és a reaktor csak impulzus üzemmódban tud működni. A plazma meggyulladásához óriási energia szükséges – nem vicc valamit 150 000 000 °C-ra felmelegíteni. Ez azt jelenti, hogy el kell érni a plazma olyan élettartamát, amely biztosítja a gyújtást kifizetődő energiatermelést.
A fúziós reaktor egy elegáns műszaki koncepció, minimális negatívumokkal mellékhatások. A plazmában folyó áram önmagában poloidális mágneses teret hoz létre, amely megtartja a plazmaszál alakját, és a keletkező nagy energiájú neutronok lítiummal egyesülve értékes tríciumot állítanak elő.
Például 2009-ben a kínai tokamak EAST-en (az ITER projekt része) végzett kísérlet során sikerült 400 másodpercig tartani a plazmát 10 7 K hőmérsékleten 400 másodpercig és 10 8 K hőmérsékleten 60 másodpercig.
A plazma hosszabb ideig tartó megtartásához többféle kiegészítő fűtőelemre van szükség. Mindegyiket az ITER-ben tesztelik. Az első módszer - a semleges deutérium atomok injektálása - feltételezi, hogy az atomok egy további gyorsító segítségével 1 MeV kinetikus energiára előgyorsítva lépnek be a plazmába.
Ez a folyamat kezdetben ellentmondásos: csak a töltött részecskéket lehet gyorsítani (elektromágneses tér hat rájuk), és csak semleges részecskéket lehet bevinni a plazmába (egyébként befolyásolják a plazmaoszlopon belüli áramáramlást). Ezért a deutérium atomoktól először egy elektront vesznek el, és a pozitív töltésű ionok belépnek a gyorsítóba. Ezután a részecskék belépnek a semlegesítőbe, ahol semleges atomokká redukálódnak, és kölcsönhatásba lépnek velük ionizált gázés plazmába fecskendezik. Az ITER megavolt befecskendezőjét jelenleg az olaszországi Padovában fejlesztik.
A második melegítési módnak van valami közös az étel mikrohullámú sütőben történő melegítésével. Ez magában foglalja a részecskék sebességének megfelelő frekvenciájú elektromágneses sugárzás plazmára gyakorolt hatását (ciklotron frekvencia). Pozitív ionoknál ez a frekvencia 40-50 MHz, elektronoknál 170 GHz. Ilyen magas frekvenciájú erőteljes sugárzás létrehozásához girotron nevű eszközt használnak. A 24 ITER girotronból kilencet a Nyizsnyij Novgorodban található Gycom üzemben gyártanak.
A tokamak klasszikus koncepciója abból indul ki, hogy a plazmaszál alakját poloidális mágneses tér tartja fenn, amely magától jön létre, amikor áram folyik a plazmában. Hosszú távú plazmazárás esetén ez a megközelítés nem alkalmazható. Az ITER tokamak speciális poloid mező tekercsekkel rendelkezik, amelyek célja, hogy a forró plazmát távol tartsák a reaktor falától. Ezek a tekercsek a legmasszívabb és összetett elemek tervez.
Annak érdekében, hogy a plazma alakját aktívan szabályozni lehessen, időben kiküszöbölve a zsinór szélei mentén fellépő oszcillációkat, a fejlesztők kis, kis teljesítményű elektromágneses áramköröket helyeztek el, amelyek közvetlenül a vákuumkamrában, a burkolat alatt helyezkednek el.
A fúziós üzemanyag-infrastruktúra különálló érdekes téma. A deutérium szinte minden vízben megtalálható, és készletei korlátlannak tekinthetők. De a világ tríciumkészlete legfeljebb több tíz kilogrammra tehető. 1 kg trícium körülbelül 30 millió dollárba kerül, az ITER első indításához 3 kg tríciumra lesz szükség. Ehhez képest évente körülbelül 2 kg tríciumra van szükség az Egyesült Államok hadseregének nukleáris képességének fenntartásához.
A jövőben azonban a reaktor tríciummal fogja ellátni magát. A fő fúziós reakció során nagy energiájú neutronok képződnek, amelyek képesek a lítiummagokat tríciummal alakítani. Az első lítiumot tartalmazó reaktorfal kifejlesztése és tesztelése az ITER egyik legfontosabb célja. Az első teszteknél berillium-réz burkolatot használnak, melynek célja a reaktormechanizmusok hővédelme. Számítások szerint még ha a bolygó teljes energiáját tokamakká alakítják is, a világ lítiumtartalékai ezer évnyi működésre elegendőek.
A 104 kilométeres "Way ITER" előkészítése 110 millió euróba és négy év munkába került Franciaországnak. A Fos-sur-Mer kikötőtől Cadarache-ig vezető utat kiszélesítették és megerősítették, hogy a tokamak legnehezebb és legnagyobb részeit a helyszínre lehessen szállítani. A képen: 800 tonnás próbaterhelésű szállítószalag.
A világból tokamak által
A fúziós reaktor precíz vezérléséhez pontos diagnosztikai eszközökre van szükség. Az ITER egyik kiemelt feladata, hogy a ma tesztelés alatt álló öttucatnyi eszköz közül kiválasztja a legmegfelelőbbet, és megkezdje az újak fejlesztését.
Legalább kilenc diagnosztikai eszközt fejlesztenek ki Oroszországban. Három a Moszkvai Kurcsatov Intézetben található, köztük egy neutronsugár-elemző. A gyorsító fókuszált neutronáramot küld a plazmán keresztül, amely spektrális változásokon megy keresztül, és a fogadó rendszer felfogja. A másodpercenkénti 250 mérési frekvenciájú spektrometria mutatja a plazma hőmérsékletét és sűrűségét, az elektromos tér erősségét és a részecskék forgási sebességét - a reaktor vezérléséhez szükséges paramétereket a plazma hosszú távú megtartása érdekében .
Az Ioffe Research Institute három műszert készít elő, köztük egy semleges részecskeanalizátort, amely egy tokamak atomjait rögzíti, és segít szabályozni a deutérium és a trícium koncentrációját a reaktorban. A fennmaradó eszközöket a Trinity Institute-ban készítik majd, ahol jelenleg az ITER függőleges neutronkamrájához való gyémántdetektorokat gyártják. Ezen intézetek mindegyike saját tokamakot használ a teszteléshez. Az Efremovról elnevezett NIIEFA termikus kamrájában pedig a leendő ITER reaktor első falának töredékeit és terelőcélpontját tesztelik.
Sajnos az a tény, hogy a jövőbeli megareaktor számos alkatrésze már fémben létezik, nem feltétlenül jelenti azt, hogy a reaktor megépül. Az elmúlt évtizedben a projekt becsült költsége 5 milliárdról 16 milliárd euróra nőtt, a tervezett első indítást pedig 2010-ről 2020-ra halasztották. Az ITER sorsa teljes mértékben jelenünk, elsősorban gazdasági és politikai realitásaitól függ. Mindeközben minden, a projektben részt vevő tudós őszintén hisz abban, hogy sikere a felismerhetetlenségig megváltoztathatja jövőnket.
Azt mondjuk, hogy a napot egy dobozba helyezzük. Az ötlet szép. A probléma az, hogy nem tudjuk, hogyan készítsük el a dobozt.
Pierre-Gilles de Gennes
francia Nobel-díjas
Minden elektronikai eszköznek és gépnek szüksége van energiára, és ebből sokat fogyaszt az emberiség. De a fosszilis tüzelőanyagok kimerülnek, és az alternatív energia még mindig nem elég hatékony.
Létezik egy módja annak, hogy energiát nyerjen, amely ideálisan megfelel minden követelménynek - Fusion. A fúziós reakció (a hidrogén héliummá történő átalakulása és energia felszabadulása) folyamatosan zajlik a napon, és ez a folyamat napfény formájában energiával látja el a bolygót. Csak szimulálnia kell a Földön, kisebb léptékben. Elég magas nyomást és nagyon magas hőmérsékletet biztosítani (10-szer magasabb, mint a Napon), és beindul a fúziós reakció. Az ilyen feltételek megteremtéséhez termonukleáris reaktort kell építeni. Több földi erőforrást használ majd fel, biztonságosabb és erősebb lesz, mint a hagyományos atomerőművek. Több mint 40 éve próbálkoznak megépítésével és végeznek kísérleteket. Az elmúlt években az egyik prototípusnak még több energiát is sikerült szereznie, mint amennyit elköltött. Az alábbiakban bemutatjuk a terület legambiciózusabb projektjeit:
Állami projektek
A közelmúltban a legnagyobb közfigyelmet a termonukleáris reaktor egy másik konstrukciója kapta, a Wendelstein 7-X sztellarátor (a sztellarátor belső szerkezete bonyolultabb, mint az ITER, amely egy tokamak). Alig több mint 1 milliárd dollárt elköltött német tudósok 2015-re 9 év alatt megépítették a reaktor kicsinyített, demonstrációs modelljét. Ha jól teljesít, akkor nagyobb verzió készül.
A franciaországi MegaJoule Laser lesz a világ legerősebb lézere, és megpróbálja előmozdítani a fúziós reaktor lézerek felhasználásán alapuló módszerét. A francia telepítés üzembe helyezése 2018-ban várható.
Az USA-ban 12 év alatt és 2012-re 4 milliárd dollárból felépült a NIF (National Ignition Operating). A technológia tesztelését, majd azonnali reaktor építését várták, de kiderült, hogy a Wikipédia szerint jelentős munkára van szükség, ha a a rendszer mindig eléri a gyulladást. Ennek eredményeként a grandiózus terveket törölték, és a tudósok fokozatosan fejleszteni kezdték a lézert. Az utolsó kihívás az energiaátvitel hatékonyságának 7%-ról 15%-ra való emelése. Ellenkező esetben a szintézis elérésének ezen módszerére vonatkozó kongresszusi finanszírozás megszűnhet.
2015 végén Sarovban megkezdődött a világ legerősebb lézeres létesítményének épületének építése. Erősebb lesz, mint a jelenlegi amerikai és jövőbeli francia, és lehetővé teszi a reaktor "lézeres" változatának megépítéséhez szükséges kísérletek elvégzését. Az építkezés befejezése 2020.
Az egyesült államokbeli lézer-MagLIF fúziót sötét lóként ismerik el a termonukleáris fúzió megvalósításának módszerei között. Az utóbbi időben ez a módszer a vártnál jobban teljesített, de a teljesítményt még 1000-szeresére kell növelni. A lézert most fejlesztik, és 2018-ra a tudósok azt remélik, hogy annyi energiához jutnak, amennyit elköltöttek. Siker esetén nagyobb verzió készül.
Az orosz INP-ben kitartóan végeztek kísérleteket a „nyílt csapdák” módszerével, amelyet az Egyesült Államok a 90-es években felhagyott. Ennek eredményeként olyan mutatókat kaptak, amelyeket lehetetlennek tartottak ennél a módszernél. Az INP tudósai úgy vélik, hogy telepítésük ma már a német Wendelstein 7-X szintjén van (Q=0,1), de olcsóbb. Most 3 milliárd rubelért új létesítményt építenek
A Kurchatov Intézet vezetője folyamatosan emlékeztet egy kis termonukleáris reaktor felépítésére Oroszországban - az Ignitor. A terv szerint ugyanolyan hatékonynak kell lennie, mint az ITERnek, bár kevésbé. Építését már 3 éve el kellett volna kezdeni, de ez a helyzet a nagy tudományos projektekre jellemző.
A kínai EAST tokamak 2016 elején 50 millió fokos hőmérsékletet tudott elérni és 102 másodpercig tartani. A hatalmas reaktorok és lézerek építése előtt a fúzióról minden hír ilyen volt. Azt gondolhatnánk, hogy ez csak a tudósok közötti versengés – ki tudja tovább tartani az egyre magasabb hőmérsékletet. Minél magasabb a plazma hőmérséklete és minél tovább tartható, annál közelebb vagyunk a fúziós reakció kezdetéhez. Több tucat ilyen telepítés létezik a világon, még több () () épül, így hamarosan megdől a keleti rekord. Lényegében ezek a kis reaktorok csak tesztelik a berendezéseket, mielőtt azokat az ITER-be küldik.
A Lockheed Martin 2015-ben jelentette be a fúziós energia terén elért áttörést, amely lehetővé teszi számukra, hogy 10 éven belül egy kisméretű és mobil fúziós reaktort építsenek. Tekintettel arra, hogy még nagyon nagy és egyáltalán nem mobil kereskedelmi reaktorok létesítésére is legkorábban 2040-re lehetett számítani, a társaság nyilatkozatát szkepticizmussal fogadták. De a cégnek rengeteg erőforrása van, szóval ki tudja. A prototípus 2020-ban várható.
A Helion Energy népszerű Szilícium-völgyi startup saját egyedi tervet dolgozott ki a magfúzió megvalósítására. A vállalat több mint 10 millió dollárt gyűjtött össze, és 2019-re várható, hogy elkészül egy prototípus.
A Shadowy startup Tri Alpha Energy a közelmúltban lenyűgöző eredményeket ért el a termonukleáris fúziós módszerének fejlesztésében (több mint 100 elméleti módszert dolgoztak ki a fúzió elérésére a teoretikusok, a tokamak egyszerűen a legegyszerűbb és legnépszerűbb). A társaság több mint 100 millió dollár befektetői alapokat is bevont.
A kanadai startup, a General Fusion reaktorprojektje még jobban eltér a többitől, de a fejlesztők bíznak benne, és 10 év alatt több mint 100 millió dollárt gyűjtöttek össze, hogy 2020-ig megépítsék a reaktort.
Startup az Egyesült Királyságból – A First light rendelkezik a legelérhetőbb helyszínnel, 2014-ben alakult, és bejelentette, hogy a legújabb tudományos adatokat felhasználja a termonukleáris fúzió olcsóbb megszerzésére.
Az MIT tudósai cikket írtak egy kompakt fúziós reaktorról. Olyan új technológiákra támaszkodnak, amelyek az óriási tokamak építésének megkezdése után jelentek meg, és azt ígérik, hogy 10 éven belül befejezik a projektet. Egyelőre nem tudni, hogy zöld utat kapnak-e az építkezés megkezdéséhez. Még ha jóváhagyják is, egy magazincikk még korábbi szakasz, mint egy startup.
A fúzió talán a legkevésbé alkalmas iparág a közösségi finanszírozásra. De a Lawrenceville Plasma Physics az ő segítségével és a NASA finanszírozásával fogja megépíteni reaktora prototípusát. A folyamatban lévő projektek közül ez hasonlít leginkább a csaláshoz, de ki tudja, talán hoznak valami hasznosat ebbe a grandiózus munkába.
Az ITER csak egy prototípus lesz egy teljes értékű DEMO létesítmény – az első kereskedelmi forgalomban lévő fúziós reaktor – építéséhez. Bevezetését most 2044-re tervezik, és ez még mindig optimista előrejelzés.
De vannak tervek a következő szakaszra. Egy hibrid termonukleáris reaktor egy atom bomlásából (mint egy hagyományos atomerőműből) és fúzióból is kap energiát. Ebben a konfigurációban az energia 10-szer több lehet, de a biztonság alacsonyabb. Kína 2030-ra várja a prototípus megépítését, de szakértők szerint ez olyan, mintha hibrid autókat próbálna építeni a belső égésű motor feltalálása előtt.
Eredmény
Nincs hiány olyan emberekből, akik hajlandóak új energiaforrást hozni a világba. Mértéke és finanszírozása miatt az ITER-projektnek van a legnagyobb esélye, de nem szabad figyelmen kívül hagyni az egyéb módszereket és a magánprojekteket sem. A tudósok évtizedek óta dolgoznak a fúziós reakció elindításán, sikertelenül. De most több projekt van a termonukleáris reakció megvalósítására, mint valaha. Még ha mindegyik kudarcot vall, újabb kísérletek fognak történni. Nem valószínű, hogy addig pihenünk, amíg meg nem világítjuk a Nap miniatűr változatát, itt a Földön.Címkék:
- fúziós reaktor
- energia
- jövőbeli projektek
