Iter este un reactor termonuclear internațional (iter). Reactor de fuziune: centrală ITER Fusion din Franța

Pesimiști:

„Poți compara asta cu comunismul. Există mai multe probleme în acest domeniu decât soluții evidente...”;

„Acesta este unul dintre subiectele preferate pentru a scrie articole futuriste despre un viitor luminos...”

Optimiști:

„Acest lucru se va întâmpla pentru că totul incredibil s-a dovedit fie inițial imposibil, fie ceva al cărui progres a fost un factor critic pentru dezvoltarea tehnologiei...”;

„Energia termonucleară este, băieți, viitorul nostru inevitabil și nu există nicio scăpare din ea...”

Să definim termenii

– Ce este fuziunea termonucleară controlată?

Elena Koresheva: Fuziunea termonucleară controlată (CTF) este un domeniu de cercetare al cărui scop este utilizarea industrială a energiei reacțiilor de fuziune termonucleară a elementelor ușoare.

Oamenii de știință din întreaga lume au început această cercetare atunci când fuziunea termonucleară în stadiul ei necontrolat a fost demonstrată în timpul exploziei primei bombe cu hidrogen din lume, lângă Semipalatinsk. Proiectul unei astfel de bombe a fost dezvoltat în URSS în 1949 de Andrei Saharov și Vitaly Ginzburg, viitori laureați ai Premiului Nobel de la Institutul de Fizică Lebedev. P. N. Lebedev al Academiei de Științe a URSS, iar la 5 mai 1951 a fost emis un decret al Consiliului de Miniștri al URSS privind dezvoltarea lucrărilor la programul termonuclear sub conducerea lui I. V. Kurchatov.

Spre deosebire de o bombă nucleară, în timpul exploziei căreia se eliberează energie ca urmare a fisiunii nucleului atomic, are loc o reacție termonucleară într-o bombă cu hidrogen, a cărei energie principală este eliberată în timpul arderii unui izotop greu de hidrogen - deuteriu.

Condițiile necesare pentru începerea unei reacții termonucleare - temperatură ridicată (~100 milioane °C) și densitate mare a combustibilului - într-o bombă cu hidrogen sunt realizate prin explozia unei siguranțe nucleare de dimensiuni mici.

Pentru a realiza aceleași condiții în laborator, adică pentru a trece de la fuziunea termonucleară necontrolată la una controlată, oamenii de știință de la FIAN academicianul N. G. Basov, laureat al Premiului Nobel în 1964, și academicianul O. N. Krokhin au propus utilizarea radiației laser. Era atunci, în 1964, la Institutul de Fizică. P. N. Lebedev, iar apoi în alte centre științifice ale țării noastre, au fost demarate cercetările CTS în domeniul confinării inerțiale a plasmei. Această direcție se numește fuziune termonucleară inerțială sau ITS.

Ținta clasică de combustibil utilizată în experimentele ITS este un sistem de straturi sferice imbricate, a cărui versiune cea mai simplă este o carcasă polimerică exterioară și un strat de combustibil criogenic format pe suprafața sa interioară. Ideea de bază a ITS este de a comprima cinci miligrame dintr-o țintă de combustibil sferic la densități care sunt de peste o mie de ori densitatea unui solid.

Comprimarea este efectuată de învelișul exterior al țintei, a cărei substanță, evaporându-se intens sub influența unor fascicule laser super-puternice sau fascicule de ioni de înaltă energie, creează recul reactiv. Partea neevaporată a carcasei, ca un piston puternic, comprimă combustibilul aflat în interiorul țintei, iar în momentul compresiei maxime, unda de șoc convergentă ridică temperatura în centrul combustibilului comprimat atât de mult încât începe arderea termonucleară. .

Se presupune că țintele vor fi injectate în camera reactorului ITS la o frecvență de 1-15 Hz pentru a asigura iradierea lor continuă și, în consecință, o secvență continuă de microexplozii termonucleare care furnizează energie. Acest lucru amintește de funcționarea unui motor cu ardere internă, doar că în acest proces putem obține multe ordine de mărime mai multă energie.

O altă abordare în CTS este asociată cu limitarea magnetică a plasmei. Această direcție se numește fuziune termonucleară magnetică (MTF). Cercetările în această direcție au început cu zece ani mai devreme, la începutul anilor ’50. Institutul care poartă numele I. V. Kurchatova este un pionier al acestei cercetări în țara noastră.

– Care este scopul final al acestor studii?

Vladimir Nikolaev: Scopul final este utilizarea reacțiilor termonucleare în producția de energie electrică și termică la instalații moderne de înaltă tehnologie, ecologice, care utilizează resurse energetice practic inepuizabile - centrale termonucleare inerțiale. Acest nou tip de centrală ar trebui să înlocuiască în cele din urmă centralele termice (TPP), precum și centralele nucleare (NPP), care ne sunt familiare folosind combustibili cu hidrocarburi (gaz, cărbune, păcură). Când se va întâmpla asta? Potrivit academicianului L.A. Artsimovici, unul dintre liderii cercetării CTS din țara noastră, energia termonucleară va fi creată atunci când va deveni cu adevărat necesară umanității. Această nevoie devine din ce în ce mai urgentă în fiecare an și din următoarele motive:

1. Conform previziunilor făcute în 2011 de Agenția Internațională pentru Energie (AIE), consumul anual de energie electrică global între 2009 și 2035 va crește de peste 1,8 ori - de la 17.200 TWh pe an la peste 31.700 TWh pe an, cu o creștere anuală. rata de 2,4 la sută.

2. Măsurile luate de umanitate care vizează economisirea energiei, utilizarea diferitelor tipuri de tehnologii de economisire a energiei în producție și acasă, din păcate, nu produc rezultate tangibile.

3. Peste 80 la sută din consumul mondial de energie provine acum din arderea combustibililor fosili - petrol, cărbune și gaze naturale. Epuizarea prognozată a rezervelor acestui combustibil fosil în cincizeci până la o sută de ani, precum și localizarea inegală a depozitelor acestor fosile, îndepărtarea acestor zăcăminte de centralele electrice, necesitând costuri suplimentare pentru transportul resurselor energetice, necesitatea în unele cazuri. să suporte costuri suplimentare foarte semnificative pentru îmbogățire și pentru pregătirea combustibilului pentru ardere.

4. Dezvoltarea surselor regenerabile de energie bazate pe energie solară, energie eoliană, hidroenergie, biogaz (în prezent aceste surse reprezintă aproximativ 13-15 la sută din energia consumată în lume) este limitată de factori precum dependența de caracteristicile climatice ale locația centralei electrice, dependența de perioada anului și chiar de ora din zi. Aici trebuie adăugate și capacitățile nominale relativ mici ale turbinelor eoliene și stațiilor solare, necesitatea alocarii unor suprafețe mari pentru parcuri eoliene, instabilitatea modurilor de funcționare a centralelor eoliene și solare, care creează dificultăți tehnice în integrarea acestor instalații în modul de funcționare al sistemului de energie electrică etc.

– Care sunt prognozele pentru viitor?

Vladimir Nikolaev: Principalul candidat pentru o poziție de lider în sectorul energetic al viitorului este energia nucleară - energia centralelor nucleare și energia fuziunii termonucleare controlate. Dacă în prezent aproximativ 18% din energia consumată în Rusia este energia centralelor nucleare, atunci fuziunea termonucleară controlată nu a fost încă implementată la scară industrială. O soluție eficientă pentru utilizarea practică a CTS vă va permite să stăpâniți o sursă de energie ecologică, sigură și practic inepuizabilă.

Unde este experiența reală de implementare?

– De ce TTS așteaptă atât de mult pentru implementarea sa? La urma urmei, prima lucrare în această direcție a fost realizată de Kurchatov în anii 1950?

Vladimir Nikolaev: Multă vreme, s-a crezut în general că problema utilizării practice a energiei de fuziune termonucleară nu necesita soluții urgente, deoarece în anii 80 ai secolului trecut, sursele de combustibili fosili păreau inepuizabile, iar problemele de mediu și schimbările climatice erau nu la fel de presante ca acum.

În plus, stăpânirea problemei CTS a necesitat inițial dezvoltarea unor direcții științifice complet noi - fizica plasmei de înaltă temperatură, fizica densităților de energie ultra-înaltă, fizica presiunilor anormale. A necesitat dezvoltarea tehnologiei informatice și dezvoltarea unui număr de modele matematice ale comportamentului materiei la declanșarea reacțiilor termonucleare. Pentru verificarea rezultatelor teoretice, a fost necesar să se facă o descoperire tehnologică în crearea de lasere, surse ionice și electronice, microținte de combustibil, echipamente de diagnosticare, precum și crearea de instalații cu laser și ionii la scară largă.

Și aceste eforturi nu au fost în zadar. Mai recent, în septembrie 2013, în experimentele americane de la puternica instalație cu laser NIF, așa-numitul „reveniment științific” a fost demonstrat pentru prima dată: energia eliberată în reacțiile termonucleare a depășit energia investită în comprimarea și încălzirea combustibilului în țintă conform schemei ITS . Acesta servește ca un stimulent suplimentar pentru accelerarea dezvoltării programelor existente în întreaga lume care vizează demonstrarea posibilității utilizării comerciale a unui reactor de fuziune.

Potrivit diferitelor prognoze, primul prototip de reactor termonuclear va fi lansat înainte de 2040, ca urmare a unui număr de proiecte internaționale și programe guvernamentale, inclusiv reactorul internațional ITER bazat pe MTS, precum și programe naționale de construire a reactoarelor bazate pe ITS în SUA, Europa și Japonia. Astfel, de la lansarea proceselor de fuziune termonucleară necontrolată până la lansarea primei centrale CTS vor trece șaptezeci până la optzeci de ani.

În ceea ce privește durata de implementare a CTS, aș dori să precizez că 80 de ani nu este deloc mult timp. De exemplu, au trecut optzeci și doi de ani de la inventarea primei celule voltaice de către Alessandro Volta în 1800 până la lansarea primului prototip de centrală electrică de către Thomas Edison în 1882. Și dacă vorbim despre descoperirea și primele studii ale fenomenelor electrice și magnetice de către William Gilbert (1600), atunci au trecut mai bine de două secole înainte de aplicarea practică a acestor fenomene.

– Care sunt direcțiile științifice și practice pentru utilizarea fuziunii termonucleare controlate inerțial?

Elena Koresheva: Reactorul ITS este o sursă de energie ecologică care poate concura economic cu sursele tradiționale de combustibili fosili și cu centralele nucleare. În special, prognoza Laboratorului Național Livermore din SUA prevede o abandonare completă a centralelor nucleare moderne de către sectorul energetic din SUA și înlocuirea lor completă cu sisteme ITS până în 2090.

Tehnologiile dezvoltate în timpul creării reactorului ITS pot fi utilizate în diverse industrii ale țării.

Dar, în primul rând, este necesar să se creeze o machetă mecanică a reactorului sau SMR, care să permită optimizarea proceselor de bază asociate cu frecvența și sincronicitatea livrării țintelor de combustibil în zona de ardere termonucleară. Lansarea unui SMR și efectuarea experimentelor de testare pe acesta este o etapă necesară în dezvoltarea elementelor unui reactor comercial.

Și, în sfârșit, reactorul ITS este o sursă puternică de neutroni cu un randament de neutroni de până la 1020 n/sec, iar densitatea fluxului de neutroni în acesta atinge valori colosale și poate depăși în medie 1020 n/sec-cm 2 și 1027 n/sec-cm2 în impuls în apropierea zonei de reacţie. Reactorul ITS, ca o sursă puternică de neutroni, este un instrument unic de cercetare în domenii precum cercetarea fundamentală, energie, nano și biotehnologie, medicină, geologie și probleme de siguranță.

În ceea ce privește domeniile științifice de utilizare a ITS, acestea includ studiul fizicii legate de evoluția supernovelor și a altor obiecte astrofizice, studiul comportării materiei în condiții extreme, producerea de elemente transuraniu și izotopi care nu există în natură. , studiul fizicii interacțiunii radiației laser cu plasma și multe altele.

– În opinia dumneavoastră, este nevoie să treceți la CTS ca sursă alternativă de energie?

Vladimir Nikolaev: Există mai multe aspecte ale necesității unei astfel de tranziții. În primul rând, acesta este aspectul de mediu: faptul impactului nociv al tehnologiilor tradiționale de producere a energiei, atât hidrocarburi, cât și nucleare, asupra mediului este bine cunoscut și dovedit.

Nu trebuie să uităm aspectul politic al acestei probleme, deoarece dezvoltarea energiei alternative va permite țării să pretindă lider mondial și să dicteze efectiv prețurile la resursele de combustibil.

În continuare, remarcăm faptul că extragerea resurselor de combustibil devine din ce în ce mai costisitoare, iar arderea acestora devine din ce în ce mai puțin fezabilă. După cum spunea D.I. Mendeleev, „a te îneci cu ulei este același lucru cu a te îneca cu bancnote”. Prin urmare, tranziția la tehnologii alternative în sectorul energetic va permite conservarea resurselor de hidrocarburi ale țării pentru utilizarea acestora în industriile chimice și în alte industrii.

Și, în sfârșit, pe măsură ce dimensiunea și densitatea populației sunt în continuă creștere, devine din ce în ce mai dificil să găsești zone pentru construcția de centrale nucleare și centrale de stat, unde producția de energie ar fi profitabilă și sigură pentru mediu.

Astfel, din punct de vedere al aspectelor sociale, politice, economice sau de mediu ale creării fuziunii termonucleare controlate, nu se ridică întrebări.

Principala dificultate este că pentru a atinge scopul este necesar să se rezolve multe probleme care nu s-au confruntat anterior științei, și anume:

Să înțeleagă și să descrie procesele fizice complexe care au loc într-un amestec de combustibil care reacţionează,

Selectați și testați materiale de construcție adecvate,

Dezvoltați lasere puternice și surse de raze X,

Dezvoltați sisteme de alimentare cu impulsuri capabile să creeze fascicule puternice de particule,

Dezvoltați o tehnologie pentru producția în masă a țintelor de combustibil și un sistem pentru alimentarea continuă a acestora în camera reactorului sincron cu sosirea impulsurilor de radiație laser sau a fasciculelor de particule și multe altele.

Prin urmare, problema creării unui program federal de stat țintă pentru dezvoltarea fuziunii termonucleare controlate inerțial în țara noastră, precum și problemele finanțării acestuia, ies în prim-plan.

– Fuziunea termonucleară controlată va fi sigură? Ce consecințe pentru mediu și populație ar putea rezulta dintr-o situație de urgență?

Elena Koresheva: În primul rând, posibilitatea unui accident critic la o centrală termonucleară este complet exclusă datorită principiului funcționării acesteia. Combustibilul pentru fuziunea termonucleară nu are o masă critică și, spre deosebire de reactoarele centralei nucleare, în reactorul UTS procesul de reacție poate fi oprit într-o fracțiune de secundă în cazul oricăror situații de urgență.

Materialele structurale pentru o centrală termonucleară vor fi selectate în așa fel încât să nu formeze izotopi cu viață lungă datorită activării de către neutroni. Aceasta înseamnă că este posibil să se creeze un reactor „curat”, fără probleme de stocare pe termen lung a deșeurilor radioactive. Potrivit estimărilor, după închiderea unei centrale termonucleare epuizate, aceasta poate fi eliminată în douăzeci până la treizeci de ani fără utilizarea unor măsuri speciale de protecție.

Este important de subliniat faptul că energia de fuziune termonucleară este o sursă de energie puternică și prietenoasă cu mediul, folosind în cele din urmă apa de mare simplă drept combustibil. Cu această schemă de extracție a energiei nu apar nici efecte de seră, ca la arderea combustibilului organic, nici deșeuri radioactive cu viață lungă, ca la exploatarea centralelor nucleare.

Un reactor de fuziune este mult mai sigur decât un reactor nuclear, în primul rând din punct de vedere al radiațiilor. După cum sa menționat mai sus, este exclusă posibilitatea unui accident critic la o centrală termonucleară. Dimpotrivă, la o centrală nucleară există posibilitatea unui accident major de radiații, care este asociat cu însuși principiul funcționării acesteia. Cel mai frapant exemplu sunt accidentele de la centrala nucleară de la Cernobîl în 1986 și de la centrala nucleară Fukushima-1 în 2011. Cantitatea de substanțe radioactive din reactorul CTS este mică. Principalul element radioactiv aici este tritiul, care este slab radioactiv, are un timp de înjumătățire de 12,3 ani și este ușor de eliminat. În plus, proiectarea reactorului UTS conține mai multe bariere naturale care împiedică răspândirea substanțelor radioactive. Durata de viață a unei centrale nucleare, ținând cont de extinderea funcționării acesteia, variază de la treizeci și cinci la cincizeci de ani, după care stația trebuie dezafectată. O cantitate mare de materiale foarte radioactive rămâne în reactorul unei centrale nucleare și în jurul reactorului și va dura multe decenii pentru a aștepta ca radioactivitatea să scadă. Acest lucru duce la retragerea unor vaste teritorii și bunuri materiale din circulația economică.

Mai remarcăm că din punctul de vedere al posibilității unei scurgeri de tritiu de urgență, viitoarele stații bazate pe ITS au, fără îndoială, un avantaj față de stațiile bazate pe fuziune termonucleară magnetică. În stațiile ITS, cantitatea de tritiu prezentă simultan în ciclul combustibilului este calculată în grame, maxim zeci de grame, în timp ce în sistemele magnetice această cantitate ar trebui să fie de zeci de kilograme.

– Există deja instalații care funcționează pe principiile fuziunii termonucleare inerțiale? Și dacă da, cât de eficiente sunt?

Elena Koresheva: Pentru a demonstra energia fuziunii termonucleare obținută cu ajutorul schemei ITS, în multe țări din lume au fost construite instalații pilot de laborator. Cele mai puternice dintre ele sunt următoarele:

Din 2009, Laboratorul Național Lawrence Livermore din Statele Unite a operat o instalație laser NIF cu o energie laser de 1,8 MJ, concentrată în 192 de fascicule de radiație laser;

În Franța (Bordeaux), a fost pusă în funcțiune o instalație LMJ puternică cu o energie laser de 1,8 MJ în 240 de fascicule laser;

În Uniunea Europeană se creează o instalație laser puternică HiPER (High Power laser Energy Research) cu o energie de 0,3-0,5 MJ, a cărei funcționare necesită producerea și livrarea țintelor de combustibil cu o frecvență înaltă >1 Hz;

Laboratorul de energie laser din SUA operează o instalație laser OMEGA, energia laser de 30 kJ de energie este concentrată în șaizeci de fascicule de radiație laser;

Laboratorul Naval al SUA (NRL) a construit cel mai puternic laser cu cripton-fluor NIKE din lume cu o energie de 3 până la 5 kJ în cincizeci și șase de fascicule laser;

În Japonia, la Laboratorul de Tehnologie Laser de la Universitatea Osaka, există o instalație laser multi-razuri GEKKO-XII, energie laser - 15-30 kJ;

În China, există o instalație SG-III cu o energie laser de 200 kJ în șaizeci și patru de fascicule laser;

Centrul nuclear federal din Rusia - Institutul de Cercetare a Fizicii Experimentale (RFNC-VNIIEF, Sarov) operează instalații ISKRA-5 (douăsprezece fascicule de radiații laser) și LUCH (patru fascicule de radiații laser). Energia laser in aceste instalatii este de 12-15 kJ. Aici, în 2012, a început construcția unei noi instalații UFL-2M cu o energie laser de 2,8 MJ în 192 de fascicule. Este planificat ca lansarea acestuia, cel mai puternic laser din lume, să aibă loc în 2020.

Scopul exploatării instalațiilor ITS enumerate este de a demonstra rentabilitatea tehnică a ITS atunci când energia eliberată în reacțiile termonucleare depășește întreaga energie investită. Până în prezent, a fost demonstrat așa-numitul breakeven științific, adică rentabilitatea științifică a ITS: energia eliberată în reacțiile termonucleare a depășit pentru prima dată energia investită în comprimarea și încălzirea combustibilului.

– În opinia dumneavoastră, instalațiile care folosesc fuziunea termonucleară controlată pot fi profitabile din punct de vedere economic astăzi? Chiar pot concura cu stațiile existente?

Vladimir Nikolaev: Fuziunea termonucleară controlată este un concurent real pentru astfel de surse de energie dovedite precum combustibilii cu hidrocarburi și centralele nucleare, deoarece rezervele de combustibil pentru centrala UTS sunt practic inepuizabile. Cantitatea de apă grea care conține deuteriu în oceanele lumii este de aproximativ 1015 tone. Litiul, din care se produce a doua componentă a combustibilului termonuclear, tritiul, este deja produs în lume în zeci de mii de tone pe an și este ieftin. Mai mult, 1 gram de deuteriu poate furniza de 10 milioane de ori mai multă energie decât 1 gram de cărbune, iar 1 gram de amestec de deuteriu-tritiu va furniza aceeași energie ca 8 tone de ulei.

În plus, reacțiile de fuziune sunt o sursă de energie mai puternică decât reacțiile de fisiune ale uraniului-235: fuziunea termonucleară a deuteriului și tritiului eliberează de 4,2 ori mai multă energie decât fisiunea aceleiași mase de nuclee de uraniu-235.

Eliminarea deșeurilor la centralele nucleare este un proces tehnologic complex și costisitor, în timp ce un reactor termonuclear este practic fără deșeuri și, în consecință, curat.

Remarcăm, de asemenea, un aspect important al caracteristicilor operaționale ale ITES, cum ar fi adaptabilitatea sistemului la schimbările regimurilor energetice. Spre deosebire de centralele nucleare, procesul de reducere a puterii în ITES este primitiv simplu - este suficient să se reducă frecvența furnizării țintelor de combustibil termonuclear în camera reactorului. Prin urmare, un alt avantaj important al ITES în comparație cu centralele nucleare tradiționale: ITES este mai manevrabil. Poate că, în viitor, acest lucru va face posibilă utilizarea ITES puternică nu numai în partea „de bază” a programului de încărcare a sistemului energetic, împreună cu centrale hidroelectrice puternice „de bază” și centrale nucleare, ci și să se considere ITES ca fiind cel mai mare. centrale manevrabile „de vârf” care asigură funcționarea stabilă a sistemelor energetice mari. Sau utilizați ITES în perioada de vârfuri zilnice de sarcină a sistemului electric, când capacitățile disponibile ale altor stații nu sunt suficiente.

– Se desfășoară astăzi dezvoltări științifice în Rusia sau în alte țări pentru a crea o centrală termonucleară inerțială competitivă, rentabilă și sigură?

Elena Koresheva: În SUA, Europa și Japonia, există deja programe naționale pe termen lung pentru construirea unei centrale electrice bazate pe ITS până în 2040. Este planificat ca accesul la tehnologii optime să aibă loc până în 2015-2018, iar demonstrarea funcționării unei centrale pilot în modul de generare continuă a energiei până în 2020-2025. China are un program pentru construirea și lansarea în 2020 a unei instalații laser la scară de reactor SG-IV, cu o energie laser de 1,5 MJ.

Să reamintim că, pentru a asigura un mod continuu de generare a energiei, alimentarea cu combustibil în centrul camerei reactorului ITES și furnizarea simultană a radiației laser trebuie efectuată la o frecvență de 1-10 Hz.

Pentru a testa tehnologiile reactoarelor, Laboratorul Naval al SUA (NRL) a creat instalația ELEKTRA, care funcționează la o frecvență de 5 Hz cu o energie laser de 500-700 Jouli. Până în 2020, este planificată creșterea energiei laserului de o mie de ori.

În cadrul proiectului european HiPER este creată o puternică instalație pilot ITS cu o energie de 0,3-0,5 MJ, care va funcționa în modul de frecvență. Scopul acestui program: de a demonstra posibilitatea de a obține energie de fuziune termonucleară într-un mod de frecvență, așa cum este tipic pentru funcționarea unei centrale termonucleare inerțiale.

De asemenea, menționăm aici proiectul de stat al Republicii Coreea de Sud de a crea un laser inovator de mare putere la Institutul Progresiv de Fizică și Tehnologie din Coreea KAIST.

În Rusia, la Institutul de Fizică care poartă numele. P. N. Lebedev, a fost dezvoltată și demonstrată o metodă unică FST, care este o modalitate promițătoare de a rezolva problema formării frecvenței și a livrării țintelor de combustibil criogenic către un reactor ITS. Aici au fost create și echipamente de laborator care simulează întregul proces de pregătire a țintei unui reactor - de la umplerea acesteia cu combustibil până la livrarea frecvenței către focalizarea laser. La solicitarea programului HiPER, specialiștii FIAN au dezvoltat un design pentru o fabrică țintă care funcționează pe baza metodei FST și care asigură producția continuă de ținte de combustibil și livrarea frecvenței acestora la focalizarea camerei experimentale HiPER.

În Statele Unite, există un program LIFE pe termen lung care vizează construirea primei centrale electrice ITS până în 2040. Programul LIFE va fi dezvoltat pe baza puternicei instalații laser NIF care operează în Statele Unite cu o energie laser de 1,8 MJ.

Rețineți că în ultimii ani, cercetările privind interacțiunea radiațiilor laser foarte intense (1017-1018 W/cm2 și mai mult) cu materia au condus la descoperirea unor efecte fizice noi, necunoscute anterior. Acest lucru a reînviat speranțele pentru implementarea unei metode simple și eficiente de aprindere a unei reacții termonucleare în combustibilul necomprimat folosind blocuri de plasmă (așa-numita aprindere laterală), care a fost propusă cu mai bine de treizeci de ani în urmă, dar nu a putut fi implementată la atunci nivelul tehnologic disponibil. Pentru a implementa această abordare, este necesar un laser cu o durată de impuls de picosecundă și o putere de 10-100 petaWatt. În prezent, cercetările pe această temă se desfășoară intens în întreaga lume; lasere cu o putere de 10 petawați (PW) au fost deja construite. De exemplu, aceasta este instalația laser VULCAN de la laboratorul Rutherford și Appleton din Marea Britanie. Calculele arată că atunci când se utilizează un astfel de laser în ITS, condițiile de aprindere pentru reacțiile fără neutroni, cum ar fi proton-bor sau proton-litiu, sunt destul de realizabile. În acest caz, în principiu, problema radioactivității este eliminată.

În cadrul CTS, o tehnologie alternativă la fuziunea termonucleară inerțială este fuziunea termonucleară magnetică. Această tehnologie este dezvoltată în întreaga lume în paralel cu ITS, de exemplu, în cadrul programului internațional ITER. Construcția reactorului termonuclear experimental internațional ITER bazat pe sistemul de tip TOKAMAK se realizează în sudul Franței la centrul de cercetare Cadarache. Pe partea rusă, multe întreprinderi ale Rosatom și ale altor departamente sunt implicate în proiectul ITER sub coordonarea generală a „Centrului de proiect ITER” înființat de Rosatom. Scopul creării ITER este de a studia condițiile care trebuie îndeplinite în timpul funcționării centralelor de fuziune, precum și de a crea pe această bază centrale electrice rentabile, care vor fi cu cel puțin 30 la sută mai mari ca dimensiune decât ITER în fiecare dimensiune. .

Există perspective în Rusia

– Ce ar putea împiedica construirea cu succes a unei centrale termonucleare în Rusia?

Vladimir Nikolaev: După cum sa menționat deja, există două direcții de dezvoltare a CTS: cu confinarea plasmei magnetice și inerțiale. Pentru a rezolva cu succes problema construirii unei centrale termonucleare, ambele direcții trebuie dezvoltate în paralel în cadrul programelor federale relevante, precum și al proiectelor rusești și internaționale.

Rusia participă deja la proiectul internațional de creare a primului prototip al reactorului UTS - acesta este proiectul ITER legat de fuziunea termonucleară magnetică.

În ceea ce privește o centrală electrică bazată pe ITS, nu există încă un astfel de program de stat în Rusia. Lipsa finanțării în acest domeniu ar putea duce la o întârziere semnificativă a Rusiei în lume și la pierderea priorităților existente.

Dimpotrivă, sub rezerva unor investiții financiare adecvate, pe teritoriul Rusiei se deschid perspective reale pentru construirea unei centrale termonucleare inerțiale sau ITES.

– Există perspective pentru construirea unei centrale termonucleare inerțiale în Rusia, cu investiții financiare adecvate?

Elena Koresheva: Există perspective. Să ne uităm la asta mai detaliat.

ITES constă din patru părți fundamental necesare:

1. Camera de ardere, sau camera reactorului, unde au loc microexploziile termonucleare și energia lor este transferată lichidului de răcire.

2. Driver – un laser puternic sau un accelerator ionic.

3. Fabrică țintă - un sistem de pregătire și introducere a combustibilului în camera reactorului.

4. Echipamente termice și electrice.

Combustibilul pentru o astfel de stație va fi deuteriu și tritiu, precum și litiu, care face parte din peretele camerei reactorului. Tritiul nu există în natură, dar într-un reactor se formează din litiu atunci când interacționează cu neutronii din reacțiile termonucleare. Cantitatea de apă grea care conține deuteriu în Oceanul Mondial, așa cum sa menționat deja aici, este de aproximativ ~1015 tone. Din punct de vedere practic, aceasta este o valoare infinită! Extragerea deuteriului din apă este un proces bine stabilit și ieftin. Litiul este un element accesibil și destul de ieftin găsit în scoarța terestră. Când litiul este utilizat în ITES, acesta va dura câteva sute de ani. În plus, pe termen lung, pe măsură ce se dezvoltă tehnologia driverelor puternice (adică lasere, fascicule ionice), este planificată să se efectueze o reacție termonucleară pe deuteriu pur sau pe un amestec de combustibil care conține doar o cantitate mică de tritiu. În consecință, costul combustibilului va avea o contribuție foarte mică, mai mică de 1 la sută, la costul energiei produse de o centrală de fuziune.

Camera de ardere a unui ITES este, aproximativ vorbind, o sferă de 10 metri, pe al cărei perete interior este asigurată circulația lichidului, iar în unele versiuni de stații, este asigurată lichid de răcire sub formă de pulbere, precum litiu, care este utilizat simultan atât pentru elimina energia unei microexplozii termonucleare și pentru a produce tritiu. În plus, camera oferă numărul necesar de ferestre de intrare pentru introducerea țintelor și radiația driverului. Designul amintește de clădirile reactoarelor nucleare puternice sau a unor instalații industriale de sinteză chimică, a căror experiență practică este disponibilă. Mai sunt multe probleme de rezolvat, dar nu există restricții fundamentale. Unele evoluții ale materialelor acestui design și ale componentelor individuale există deja, în special în proiectul ITER.

Echipamentele termice și electrice sunt dispozitive tehnice destul de bine dezvoltate, care au fost folosite de mult timp la centralele nucleare. Desigur, la o stație termonucleară aceste sisteme vor avea costuri comparabile.

În ceea ce privește cele mai complexe sisteme ITES - drivere și fabrici țintă, în Rusia există o bază bună necesară pentru adoptarea unui program de stat pentru ITES și implementarea unui număr de proiecte atât în ​​colaborare cu instituțiile ruse, cât și în cadrul internațional. cooperare. Din acest punct de vedere, un punct important îl reprezintă acele metode și tehnologii care au fost deja dezvoltate în centrele de cercetare rusești.

În special, Centrul Nuclear Federal Rus din Sarov are dezvoltări prioritare în domeniul creării de lasere de mare putere, producție de ținte unice cu combustibil, diagnosticarea sistemelor laser și a plasmei termonucleare, precum și modelarea computerizată a proceselor care au loc în ITS. În prezent, RFNC-VNIIEF implementează programul UFL-2M pentru a construi cel mai puternic laser din lume cu o energie de 2,8 MJ. La program participă și alte organizații ruse, inclusiv Institutul de Fizică care poartă numele. P. N. Lebedeva. Implementarea cu succes a programului UFL-2M, lansat în 2012, este un alt pas mare pentru Rusia pe calea stăpânirii energiei de fuziune termonucleară.

La Centrul Științific Rus „Institutul Kurchatov” (Moscova), împreună cu Universitatea Politehnică din Sankt Petersburg, au fost efectuate cercetări în domeniul livrării de combustibil criogenic folosind un injector pneumatic, care sunt deja utilizate în sistemele de fuziune termonucleară magnetică, cum ar fi TOKAMAK; au fost studiate diverse sisteme de protejare a țintelor de combustibil în timpul livrării acestora în camera reactorului ITS; A fost investigată posibilitatea utilizării practice pe scară largă a ITS ca sursă puternică de neutroni.

La Institutul de Fizică care poartă numele. P. N. Lebedev RAS (Moscova) există evoluțiile necesare în domeniul creării unei fabrici țintă a reactorului. Aici, a fost dezvoltată o tehnologie unică pentru producerea în frecvență a țintelor de combustibil și a fost creat un prototip de fabrică țintă care funcționează la o frecvență de 0,1 Hz. Aici au fost create și studiate diverse sisteme de livrare a țintei, inclusiv un injector gravitațional, un injector electromagnetic, precum și noi dispozitive de transport bazate pe levitația cuantică. În cele din urmă, aici au fost dezvoltate tehnologii pentru controlul calității și diagnosticarea țintelor de înaltă precizie în timpul livrării. O parte din această activitate a fost realizată în colaborare cu centrele ITS menționate anterior în cadrul a zece proiecte internaționale și rusești.

Cu toate acestea, o condiție necesară pentru implementarea metodelor și tehnologiilor dezvoltate în Rusia este adoptarea unui program țintă federal pe termen lung pentru ITS și finanțarea acestuia.

– Care ar trebui să fie, în opinia dumneavoastră, primul pas către dezvoltarea energiei termonucleare bazată pe ITS?

Vladimir Nikolaev: Primul pas ar putea fi proiectul „Dezvoltarea unui model mecanic de reactor și a unui prototip de FABRICA ȚINTĂ pentru reumplerea în frecvență a unei centrale electrice care funcționează pe baza fuziunii termonucleare inerțiale cu combustibil criogenic”, propus de Centrul pentru Eficiență Energetică „INTER RAO UES” împreună cu Institutul de Fizică care poartă numele. P. N. Lebedeva și Centrul Național de Cercetare Institutul Kurchatov. Rezultatele obținute în cadrul proiectului vor permite Rusiei nu doar să obțină o prioritate stabilă în lume în domeniul ITS, ci și să se apropie de construirea unei centrale electrice comerciale bazată pe ITS.

Este deja clar că viitorul ITES trebuie construit cu o capacitate unitară mare - cel puțin câțiva gigawați. În această condiție, ele vor fi destul de competitive cu centralele nucleare moderne. În plus, viitoarea energie termonucleară va elimina cele mai stringente probleme ale energiei nucleare - pericolul unui accident de radiații, eliminarea deșeurilor de mare activitate, creșterea costurilor și epuizarea combustibilului pentru centralele nucleare etc. Rețineți că un inerțial centrala termonucleara cu o putere termica de 1 gigawatt (GW) este echivalenta din punct de vedere al reactorului de fisiune cu pericol de radiatii cu o putere de doar 1 kW!

– În ce regiuni este recomandabil să localizați ITES? Locul unei centrale termonucleare inerțiale în sistemul energetic rus?

Vladimir Nikolaev: După cum sa menționat mai sus, spre deosebire de centralele termice (centrale districtuale de stat, centrale termice și electrice combinate, centrale termice și electrice combinate), amplasarea ITES nu depinde de locația surselor de combustibil. Necesarul anual de alimentare cu combustibil este de aproximativ 1 tonă, iar acestea sunt materiale sigure și ușor de transportat.

Reactoarele nucleare nu pot fi amplasate în apropierea zonelor dens populate din cauza riscului de accident. Aceste restricții, caracteristice centralelor nucleare, sunt absente la alegerea locației ITES. ITES poate fi situat în apropierea orașelor mari și a centrelor industriale. Acest lucru elimină problema conectării stației la o rețea electrică unificată. În plus, pentru ITES nu există dezavantaje asociate cu complexitatea construcției și exploatării centralelor nucleare, precum și cu dificultățile asociate cu procesarea și eliminarea deșeurilor nucleare și dezmembrarea instalațiilor centralelor nucleare.

ITES poate fi situat în zone îndepărtate, slab populate și greu accesibile și poate funcționa autonom, furnizând procese tehnologice consumatoare de energie, cum ar fi, de exemplu, producția de aluminiu și metale neferoase în Siberia de Est, regiunea Magadan și Chukotka, diamante Yakut și multe altele.

Reactorul termonuclear nu funcționează încă și nu va funcționa în curând. Dar oamenii de știință știu deja exact cum funcționează.

Teorie

Heliul-3, unul dintre izotopii heliului, poate fi folosit ca combustibil pentru un reactor termonuclear. Este rar pe Pământ, dar este foarte abundent pe Lună. Acesta este intriga filmului Duncan Jones cu același nume. Dacă citiți acest articol, atunci cu siguranță vă va plăcea filmul.

O reacție de fuziune nucleară este atunci când două nuclee atomice mici fuzionează într-unul mare. Aceasta este reacția opusă. De exemplu, puteți sparge două nuclee de hidrogen împreună pentru a face heliu.

Cu o astfel de reacție, se eliberează o cantitate imensă de energie datorită diferenței de masă: masa particulelor înainte de reacție este mai mare decât masa nucleului mare rezultat. Această masă este transformată în energie datorită.

Dar pentru ca fuziunea a două nuclee să aibă loc, este necesar să le depășim forța de repulsie electrostatică și să le apăsăm puternic unul împotriva celuilalt. Și la distanțe mici, de ordinul mărimii nucleelor, acționează forțe nucleare mult mai mari, datorită cărora nucleele sunt atrase unul de celălalt și se combină într-un singur nucleu mare.

Prin urmare, reacția de fuziune termonucleară poate avea loc doar la temperaturi foarte ridicate, astfel încât viteza nucleelor ​​este de așa natură încât atunci când se ciocnesc, au suficientă energie pentru a se apropia unul de celălalt pentru ca forțele nucleare să funcționeze și să aibă loc o reacție. . De aici provine „termo” din nume.

Practică

Acolo unde este energie, există arme. În timpul Războiului Rece, URSS și SUA au dezvoltat bombe termonucleare (sau cu hidrogen). Aceasta este cea mai distructivă armă creată de umanitate, teoretic poate distruge Pământul.

Temperatura este principalul obstacol în calea utilizării energiei termonucleare în practică. Nu există materiale care să poată menține această temperatură fără să se topească.

Dar există o cale de ieșire, poți reține plasma datorită energiei puternice. În tokamak-urile speciale, plasma poate fi ținută în formă de gogoși de magneți uriași și puternici.

O centrală electrică de fuziune este sigură, ecologică și foarte economică. Poate rezolva toate problemele energetice ale umanității. Tot ce rămâne de făcut este să înveți cum să construiești centrale termonucleare.

Reactor internațional de fuziune experimentală

Construirea unui reactor de fuziune este foarte dificilă și foarte costisitoare. Pentru a rezolva o sarcină atât de grandioasă, oamenii de știință din mai multe țări și-au combinat eforturile: Rusia, SUA, țările UE, Japonia, India, China, Republica Coreea și Canada.

În prezent se construiește un tokamak experimental în Franța, acesta va costa aproximativ 15 miliarde de dolari, conform planurilor va fi finalizat până în 2019 și se vor face experimente pe el până în 2037. Dacă au succes, atunci poate că vom mai avea timp să trăim în era fericită a energiei termonucleare.

Așa că concentrați-vă mai mult și începeți să așteptați cu nerăbdare rezultatele experimentelor, acesta nu este un al doilea iPad pe care să îl așteptați - viitorul umanității este în joc.

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

1. Omenirea consumă acum o cantitate imensă de energie.

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

2. Consumul mondial de energie crește dramatic.

Conform previziunilor Agenției Internaționale pentru Energie (2006), consumul global de energie ar trebui să crească cu 50% până în 2030. Țările dezvoltate s-ar putea, desigur, să se descurce bine fără energie suplimentară, dar această creștere este necesară pentru a scoate oamenii din sărăcie în țările în curs de dezvoltare, unde 1,5 miliarde de oameni suferă de lipsuri severe de energie.

3. În prezent, 80% din energia lumii provine din arderea combustibililor fosili(petrol, cărbune și gaz), a căror utilizare:

a) prezintă potențial un risc de schimbări catastrofale de mediu;

b) inevitabil trebuie să se termine într-o zi.

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

În prezent, centralele nucleare produc energie eliberată în timpul reacțiilor de fisiune ale nucleelor ​​atomice la scară largă. Crearea și dezvoltarea unor astfel de stații ar trebui încurajată în toate modurile posibile, dar trebuie avut în vedere că rezervele unuia dintre cele mai importante materiale pentru funcționarea lor (uraniu ieftin) pot fi, de asemenea, epuizate complet în următorii 50 de ani. . Posibilitățile energiei bazate pe fisiune nucleară pot (și ar trebui) să fie extinse semnificativ prin utilizarea unor cicluri energetice mai eficiente, permițând aproape dublarea cantității de energie produsă. Pentru a dezvolta energia în această direcție, este necesară crearea unor reactoare cu toriu (așa-numitele reactoare de reproducere a toriu sau reactoare de reproducere), în care reacția produce mai mult toriu decât uraniul original, în urma cărora cantitatea totală de energie produsă. pentru o cantitate dată de substanță crește de 40 de ori . De asemenea, pare promițătoare să se creeze generatoare de plutoniu folosind neutroni rapizi, care sunt mult mai eficienți decât reactoarele cu uraniu și pot produce de 60 de ori mai multă energie. Este posibil ca pentru dezvoltarea acestor zone să fie necesară dezvoltarea unor metode noi, nestandardizate, de obținere a uraniului (de exemplu, din apa de mare, care pare a fi cea mai accesibilă).

Centrale electrice de fuziune

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

În interiorul carcasei, neutronii se ciocnesc cu atomii de litiu, rezultând o reacție care produce tritiu:

neutron + litiu → heliu + tritiu

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

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

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

În prezent, în Franța, este în curs de construcție reactorul termonuclear experimental internațional ITER (International Tokamak Experimental Reactor), descris mai jos, care va fi primul tokamak capabil să „aprindă” plasmă.

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

De ce avem nevoie de asta?

Principalul avantaj al fuziunii nucleare este că necesită doar cantități foarte mici de substanțe care sunt foarte comune în natură ca combustibil. Reacția de fuziune nucleară din instalațiile descrise poate duce la eliberarea de cantități enorme de energie, de zece milioane de ori mai mare decât căldura standard degajată în timpul reacțiilor chimice convenționale (cum ar fi arderea combustibililor fosili). Pentru comparație, subliniem că cantitatea de cărbune necesară pentru alimentarea unei centrale termice cu o capacitate de 1 gigawatt (GW) este de 10.000 de tone pe zi (zece vagoane de cale ferată), iar o centrală de fuziune de aceeași putere va consuma doar aproximativ 1 kilogram de amestec D+T pe zi.

Deuteriul este un izotop stabil al hidrogenului; În aproximativ una din 3.350 de molecule de apă obișnuită, unul dintre atomii de hidrogen este înlocuit cu deuteriu (o moștenire de la Big Bang). Acest fapt facilitează organizarea unei producții destul de ieftine a cantității necesare de deuteriu din apă. Este mai dificil să obțineți tritiu, care este instabil (timpul de înjumătățire este de aproximativ 12 ani, drept urmare conținutul său în natură este neglijabil), totuși, așa cum se arată mai sus, tritiul va apărea direct în interiorul instalației termonucleare în timpul funcționării, datorită reacţiei neutronilor cu litiul.

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

Deuteriul ar trebui să reziste milioane de ani, iar rezervele de litiu ușor de extras sunt suficiente pentru a satisface nevoile de sute de ani. Chiar dacă litiul din roci se epuizează, îl putem extrage din apă, unde se găsește în concentrații suficient de mari (de 100 de ori concentrația de uraniu) pentru a face extracția sa fezabilă din punct de vedere economic.

Un reactor termonuclear experimental (International thermonuclear experimental reactor) este construit în apropierea orașului Cadarache din Franța. Scopul principal al proiectului ITER este de a implementa o reacție de fuziune termonucleară controlată la scară industrială.

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

Prin urmare, o serie de țări (Rusia, India, China, Coreea, Kazahstan, SUA, Canada, Japonia, țările Uniunii Europene) și-au unit forțele pentru a crea Reactorul Internațional de Cercetare Termonuclear - un prototip de noi centrale electrice.

ITER este o instalație care creează condiții pentru sinteza atomilor de hidrogen și tritiu (un izotop al hidrogenului), ducând la formarea unui nou atom - un atom de heliu. Acest proces este însoțit de o explozie uriașă de energie: temperatura plasmei în care are loc reacția termonucleară este de aproximativ 150 de milioane de grade Celsius (pentru comparație, temperatura nucleului Soarelui este de 40 de milioane de grade). În acest caz, izotopii se ard, practic nu lăsând deșeuri radioactive.

Schema de participare la proiectul internațional prevede furnizarea de componente ale reactorului și finanțarea construcției acestuia. În schimb, fiecare dintre țările participante primește acces deplin la toate tehnologiile pentru crearea unui reactor termonuclear și la rezultatele tuturor lucrărilor experimentale asupra acestui reactor, care vor servi drept bază pentru proiectarea reactoarelor termonucleare de putere în serie.

Reactorul, bazat pe principiul fuziunii termonucleare, nu are radiații radioactive și este complet sigur pentru mediu. Poate fi localizat aproape oriunde în lume, iar combustibilul pentru acesta este apa obișnuită. Construcția ITER este de așteptat să dureze aproximativ zece ani, după care se preconizează că reactorul va fi în funcțiune timp de 20 de ani.

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

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

Puterea termonucleară estimată a ITER este de 500 de megawați. Piesele de magnet individuale ajung la o greutate de 200 până la 450 de tone. Pentru răcirea ITER, vor fi necesari 33 de mii de metri cubi de apă pe zi.

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

Din punct de vedere al numărului de participanți, proiectul este comparabil cu un alt proiect științific internațional major - Stația Spațială Internațională. Costul ITER, care a ajuns anterior la 8 miliarde de dolari, s-a ridicat apoi la mai puțin de 4 miliarde. Ca urmare a retragerii Statelor Unite de la participare, s-a decis reducerea puterii reactorului de la 1,5 GW la 500 MW. În consecință, și prețul proiectului a scăzut.

În iunie 2002, în capitala Rusiei a avut loc simpozionul „Zilele ITER la Moscova”. S-a discutat despre problemele teoretice, practice și organizatorice ale reînvierii proiectului, al cărui succes poate schimba soarta umanității și îi poate oferi un nou tip de energie, comparabilă ca eficiență și economie doar cu energia Soarelui.

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

La ultima ședință extraordinară, participanții la proiect au aprobat data de începere a primelor experimente cu plasmă - 2019. Experimente complete sunt planificate pentru martie 2027, deși managementul proiectului a cerut specialiștilor tehnici să încerce să optimizeze procesul și să înceapă experimentele în 2026. Participanții la întâlnire au decis și asupra costurilor de construcție a reactorului, dar sumele planificate a fi cheltuite pentru realizarea instalației nu au fost dezvăluite. Potrivit informațiilor primite de editorul portalului ScienceNOW de la o sursă anonimă, până la începerea experimentelor, costul proiectului ITER ar putea ajunge la 16 miliarde de euro.

Întâlnirea de la Cadarache a marcat și prima zi oficială de lucru pentru noul director de proiect, fizicianul japonez Osamu Motojima. Înainte de el, proiectul era condus din 2005 de japonezul Kaname Ikeda, care dorea să-și părăsească postul imediat după aprobarea bugetului și a termenelor de construcție.

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

Reacțiile de fuziune termonucleară sunt reacții de fuziune a nucleelor ​​izotopilor de lumină pentru a forma un nucleu mai greu, care sunt însoțite de o eliberare uriașă de energie. În teorie, reactoarele de fuziune pot produce multă energie la costuri reduse, dar în prezent oamenii de știință cheltuiesc mult mai multă energie și bani pentru a porni și menține reacția de fuziune.

Fuziunea termonucleară este o modalitate ieftină și ecologică de a produce energie. Fuziunea termonucleară necontrolată are loc pe Soare de miliarde de ani - heliul se formează din izotopul greu de hidrogen deuteriu. Acest lucru eliberează o cantitate colosală de energie. Cu toate acestea, oamenii de pe Pământ nu au învățat încă să controleze astfel de reacții.

Reactorul ITER va folosi izotopi de hidrogen drept combustibil. În timpul unei reacții termonucleare, energia este eliberată atunci când atomii ușori se combină în alții mai grei. Pentru a realiza acest lucru, gazul trebuie încălzit la o temperatură de peste 100 de milioane de grade - mult mai mare decât temperatura din centrul Soarelui. Gazul la această temperatură se transformă în plasmă. În același timp, atomii de izotopi de hidrogen se contopesc, transformându-se în atomi de heliu cu eliberarea unui număr mare de neutroni. O centrală electrică care funcționează pe acest principiu va folosi energia neutronilor încetinită de un strat de material dens (litiu).

De ce a durat atât de mult crearea instalațiilor termonucleare?

De ce nu au fost încă create instalații atât de importante și valoroase, ale căror beneficii se discută de aproape jumătate de secol? Există trei motive principale (discutate mai jos), primul dintre care poate fi numit extern sau social, iar celelalte două - interne, adică determinate de legile și condițiile dezvoltării energiei termonucleare în sine.

1. Multă vreme s-a crezut că problema utilizării practice a energiei de fuziune termonucleară nu necesita decizii și acțiuni urgente, deoarece în anii 80 ai secolului trecut, sursele de combustibili fosili păreau inepuizabile, iar problemele de mediu și schimbările climatice au făcut-o. nu privesc publicul. În 1976, Comitetul consultativ pentru energie de fuziune al Departamentului de Energie al SUA a încercat să estimeze intervalul de timp pentru cercetare și dezvoltare și o centrală demonstrativă de fuziune în cadrul diferitelor opțiuni de finanțare a cercetării. Totodată, s-a descoperit că volumul finanțării anuale pentru cercetare în această direcție este complet insuficient, iar dacă se va menține nivelul de creditare existent, realizarea de instalații termonucleare nu va avea niciodată succes, întrucât fondurile alocate nu corespund. chiar la nivelul minim, critic.

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

3. Dezvoltarea energiei termonucleare a fost însă foarte complexă (în ciuda finanțării insuficiente și a dificultăților în selectarea centrelor pentru crearea instalațiilor JET și ITER), s-au observat progrese clare în ultimii ani, deși încă nu a fost creată o stație de funcționare.

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

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

Strict vorbind, avem o gamă mică de strategii comportamentale și dezvoltarea energiei termonucleare este extrem de importantă, chiar și în ciuda lipsei unei garanții de succes. Ziarul Financial Times (din 25 ianuarie 2004) a scris despre asta:

„Chiar dacă costurile proiectului ITER depășesc semnificativ estimarea inițială, este puțin probabil ca acestea să atingă nivelul de 1 miliard de dolari pe an. Acest nivel de cheltuieli ar trebui considerat un preț foarte modest de plătit pentru o oportunitate foarte rezonabilă de a crea o nouă sursă de energie pentru întreaga umanitate, mai ales având în vedere faptul că deja în acest secol va trebui inevitabil să renunțăm la obiceiul de a risipi. și arderea nesăbuită a combustibililor fosili”.

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

Nu există nicio garanție absolută că sarcina de a crea energie termonucleară (ca o sursă de energie eficientă și pe scară largă pentru întreaga umanitate) va fi finalizată cu succes, dar probabilitatea de succes în această direcție este destul de mare. Având în vedere potențialul enorm al stațiilor termonucleare, toate costurile pentru proiectele pentru dezvoltarea lor rapidă (și chiar accelerată) pot fi considerate justificate, mai ales că aceste investiții par foarte modeste pe fundalul monstruoasei piețe globale de energie (4 trilioane de dolari pe an8). Satisfacerea nevoilor de energie ale umanitatii este o problema foarte serioasa. Pe măsură ce combustibilii fosili devin mai puțin disponibili (și utilizarea lor devine nedorită), situația se schimbă și pur și simplu nu ne putem permite să nu dezvoltăm energie de fuziune.

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

ITER va fi primul reactor de fuziune care va produce mai multă energie decât consumă. Oamenii de știință măsoară această caracteristică folosind un coeficient simplu pe care îl numesc „Q”. Dacă ITER își atinge toate obiectivele științifice, va produce de 10 ori mai multă energie decât consumă. Ultimul dispozitiv construit, Joint European Torus din Anglia, este un prototip de reactor de fuziune mai mic care, în etapele sale finale de cercetare științifică, a atins o valoare Q de aproape 1. Aceasta înseamnă că a produs exact aceeași cantitate de energie pe care a consumat-o. . ITER va depăși acest lucru demonstrând crearea de energie din fuziune și obținând o valoare Q de 10. Ideea este de a genera 500 MW dintr-un consum de energie de aproximativ 50 MW. Astfel, unul dintre obiectivele științifice ale ITER este de a demonstra că poate fi atinsă o valoare Q de 10.

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

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

Programul de fuziune termonucleară este cu adevărat internațional și larg în natură. Oamenii mizează deja pe succesul ITER și se gândesc la următorul pas - crearea unui prototip de reactor termonuclear industrial numit DEMO. Pentru a-l construi, ITER trebuie să funcționeze. Trebuie să ne atingem obiectivele științifice, deoarece aceasta va însemna că ideile pe care le propunem sunt pe deplin fezabile. Cu toate acestea, sunt de acord că trebuie să te gândești mereu la ce urmează. În plus, pe măsură ce ITER funcționează timp de 25-30 de ani, cunoștințele noastre se vor aprofunda și se vor extinde treptat și vom putea să conturam mai precis următorul nostru pas.

Într-adevăr, nu există nicio dezbatere dacă ITER ar trebui să fie un tokamak. Unii oameni de știință pun întrebarea cu totul diferit: ar trebui să existe ITER? Experții din diferite țări, care își dezvoltă propriile proiecte termonucleare, nu atât de mari, susțin că un reactor atât de mare nu este deloc necesar.

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

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

Fizica plasmei este cea care determină echilibrul energetic”, a declarat Igor Semenov pentru Infox.ru. Profesorul asociat MIPT a descris ce este bilanțul energetic cu un exemplu simplu: „Cu toții am văzut un foc arzând. De fapt, nu lemnele arde acolo, ci gazul. Lanțul energetic de acolo este așa: gazul arde, lemnul se încălzește, lemnul se evaporă, gazul arde din nou. Prin urmare, dacă aruncăm apă pe foc, vom lua brusc energie din sistem pentru tranziția de fază a apei lichide într-o stare de vapori. Balanța va deveni negativă și focul se va stinge. Există o altă modalitate - putem pur și simplu să luăm firebrands și să le răspândim în spațiu. Se va stinge și focul. La fel este și în reactorul termonuclear pe care îl construim. Dimensiunile sunt alese pentru a crea un echilibru energetic pozitiv adecvat pentru acest reactor. Suficient pentru a construi o centrală nucleară adevărată în viitor, rezolvând în această etapă experimentală toate problemele care în prezent rămân nerezolvate.”

Dimensiunile reactorului au fost schimbate o dată. Acest lucru s-a întâmplat la începutul secolelor 20-21, când Statele Unite s-au retras din proiect, iar membrii rămași și-au dat seama că bugetul ITER (la acea vreme era estimat la 10 miliarde de dolari SUA) era prea mare. Fizicienii și inginerii au fost obligați să reducă costul instalării. Și acest lucru s-a putut face doar datorită dimensiunii. „Reproiectarea” ITER a fost condusă de fizicianul francez Robert Aymar, care a lucrat anterior la tokamak-ul francez Tore Supra din Karadash. Raza exterioară a torului plasmei a fost redusă de la 8,2 la 6,3 metri. Cu toate acestea, riscurile asociate cu reducerea dimensiunii au fost parțial compensate de mai mulți magneți supraconductori suplimentari, care au făcut posibilă implementarea modului de confinare a plasmei, care era deschis și studiat la acel moment.

Proiectele inovatoare care utilizează supraconductori moderni vor face în curând posibilă implementarea fuziunii termonucleare controlate, după cum spun unii optimiști. Experții, totuși, prevăd că aplicarea practică va dura câteva decenii.

De ce este atât de greu?

Energia de fuziune este considerată o sursă potențială.Este energie atomică pură. Dar ce este și de ce este atât de greu de realizat? În primul rând, trebuie să înțelegeți diferența dintre fuziunea clasică și cea termonucleară.

Fisiunea atomică este locul în care izotopii radioactivi - uraniu sau plutoniu - sunt împărțiți și transformați în alți izotopi foarte radioactivi, care trebuie apoi eliminați sau reciclați.

Fuziunea constă din doi izotopi ai hidrogenului - deuteriu și tritiu - care se contopesc într-un singur întreg, formând heliu netoxic și un singur neutron, fără a produce deșeuri radioactive.

Problema de control

Reacțiile care apar în Soare sau într-o bombă cu hidrogen sunt fuziunea termonucleară, iar inginerii se confruntă cu o sarcină uriașă - cum să controleze acest proces la o centrală electrică?

Acesta este un lucru la care oamenii de știință au lucrat încă din anii 1960. Un alt reactor experimental de fuziune termonucleară numit Wendelstein 7-X a început să funcționeze în orașul Greifswald, din nordul Germaniei. Încă nu este destinat să creeze o reacție - este doar un design special care este testat (un stellarator în loc de un tokamak).

Plasmă de înaltă energie

Toate instalațiile termonucleare au o caracteristică comună - o formă inelală. Se bazează pe ideea de a folosi electromagneți puternici pentru a crea un câmp electromagnetic puternic sub forma unui torus - o cameră umflată pentru bicicletă.

Acest câmp electromagnetic ar trebui să fie atât de dens încât atunci când este încălzit într-un cuptor cu microunde la un milion de grade Celsius, plasma ar trebui să apară chiar în centrul inelului. Apoi este aprins pentru ca fuziunea nucleară să poată începe.

Demonstrarea capacităților

Două experimente similare sunt în curs de desfășurare în Europa. Unul dintre ele este Wendelstein 7-X, care a generat recent prima sa plasmă cu heliu. Celălalt este ITER, o uriașă instalație experimentală de fuziune din sudul Franței, care este încă în construcție și va fi gata să pornească în 2023.

Se presupune că la ITER vor avea loc reacții nucleare reale, deși doar pentru o perioadă scurtă de timp și cu siguranță nu mai mult de 60 de minute. Acest reactor este doar unul dintre mulți pași pentru a face fuziunea nucleară practică.

Reactorul de fuziune: mai mic și mai puternic

Recent, mai mulți designeri au anunțat un nou design de reactor. Potrivit unui grup de studenți de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, precum și reprezentanți ai producătorului de arme Lockheed Martin, fuziunea nucleară poate fi realizată în instalații mult mai puternice și mai mici decât ITER și sunt gata să o facă în termen de zece. ani.

Ideea noului design este de a folosi supraconductori moderni de înaltă temperatură în electromagneți, care își manifestă proprietățile atunci când sunt răciți cu azot lichid, mai degrabă decât cele convenționale, care necesită o tehnologie nouă, mai flexibilă, care va schimba complet designul reactor.

Klaus Hesch, responsabil cu tehnologia la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din sud-vestul Germaniei, este sceptic. Susține utilizarea de noi supraconductori de înaltă temperatură pentru noi modele de reactoare. Dar, potrivit lui, dezvoltarea ceva pe un computer ținând cont de legile fizicii nu este suficientă. Este necesar să se țină cont de provocările care apar la punerea în practică a unei idei.

Operă științifico-fantastică

Potrivit lui Hesch, modelul studenților MIT arată doar fezabilitatea proiectului. Dar, de fapt, există o mulțime de science fiction în ea. Proiectul presupune că problemele tehnice grave ale fuziunii nucleare au fost rezolvate. Dar știința modernă nu are idee cum să le rezolve.

O astfel de problemă este ideea de role pliabile. În designul MIT, electromagneții pot fi dezasamblați pentru a intra în inelul care deține plasma.

Acest lucru ar fi foarte util deoarece ar fi posibilă accesarea și înlocuirea obiectelor din sistemul intern. Dar, în realitate, supraconductorii sunt fabricați din material ceramic. Sute dintre ele trebuie să fie împletite într-un mod sofisticat pentru a forma câmpul magnetic corect. Și aici intervine o dificultate mai fundamentală: conexiunile dintre ele nu sunt la fel de simple precum conexiunile dintre cablurile de cupru. Nimeni nu s-a gândit măcar la concepte care ar ajuta la rezolvarea unor astfel de probleme.

Prea cald

Temperatura ridicată este, de asemenea, o problemă. În miezul plasmei de fuziune temperatura va atinge aproximativ 150 de milioane de grade Celsius. Această căldură extremă rămâne pe loc - chiar în centrul gazului ionizat. Dar chiar și în jurul lui este încă foarte fierbinte - de la 500 la 700 de grade în zona reactorului, care este stratul interior al tubului metalic în care va fi „reprodus” tritiul necesar pentru fuziunea nucleară.

Are o problemă și mai mare - așa-numita putere de ieșire. Aceasta este partea sistemului în care combustibilul uzat, în principal heliul, provine din procesul de sinteză. Primele componente metalice în care intră gazul fierbinte se numesc „deviator”. Se poate încălzi până la peste 2000 °C.

Problemă cu deviatorul

Pentru a ajuta unitatea să reziste la astfel de temperaturi, inginerii încearcă să folosească tungstenul metalic folosit în becurile cu incandescență de modă veche. Punctul de topire al wolframului este de aproximativ 3000 de grade. Dar există și alte restricții.

Acest lucru se poate face în ITER deoarece încălzirea nu are loc constant. Este de așteptat ca reactorul să funcționeze doar 1-3% din timp. Dar aceasta nu este o opțiune pentru o centrală electrică care trebuie să funcționeze 24/7. Și, dacă cineva pretinde că poate construi un reactor mai mic cu aceeași putere ca ITER, este sigur să spunem că nu are o soluție la problema deviatorului.

Centrală electrică după câteva decenii

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt optimiști cu privire la dezvoltarea reactoarelor termonucleare, deși nu va fi atât de rapidă pe cât prevăd unii entuziaști.

ITER ar trebui să arate că fuziunea controlată poate produce de fapt mai multă energie decât ar fi cheltuită pentru încălzirea plasmei. Următorul pas va fi construirea unei centrale electrice demonstrative hibride complet nouă, care produce efectiv electricitate.

Inginerii lucrează deja la proiectarea acestuia. Ei vor trebui să învețe lecții de la ITER, care este programat să fie lansat în 2023. Având în vedere timpul necesar pentru proiectare, planificare și construcție, pare puțin probabil ca prima centrală electrică de fuziune să intre în funcțiune mult mai devreme de mijlocul secolului XXI.

Cold Fusion Rusia

În 2014, un test independent al reactorului E-Cat a concluzionat că dispozitivul a produs o putere medie de 2.800 de wați pe o perioadă de 32 de zile în timp ce consuma 900 de wați. Aceasta este mai mult decât poate elibera orice reacție chimică. Rezultatul vorbește fie despre o descoperire în fuziunea termonucleară, fie despre fraudă totală. Raportul i-a dezamăgit pe sceptici, care se întreabă dacă revizuirea a fost cu adevărat independentă și sugerează o posibilă falsificare a rezultatelor testelor. Alții s-au apucat să descopere „ingredientele secrete” care permit fuziunea lui Rossi pentru a reproduce tehnologia.

Rossi este o fraudă?

Andrea este impresionanta. El emite proclamații către lume într-o engleză unică în secțiunea de comentarii a site-ului său, numită pretențios Journal of Nuclear Physics. Dar încercările sale anterioare eșuate au inclus un proiect italian de transformare a deșeurilor în combustibil și un generator termoelectric. Petroldragon, un proiect de transformare a deșeurilor în energie, a eșuat în parte pentru că depozitarea ilegală a deșeurilor este controlată de crima organizată italiană, care a adus acuzații penale împotriva acesteia pentru încălcarea reglementărilor privind deșeurile. De asemenea, a creat un dispozitiv termoelectric pentru Corpul Inginerilor Armatei SUA, dar în timpul testării gadgetul a produs doar o fracțiune din puterea declarată.

Mulți nu au încredere în Rossi, iar redactorul șef al New Energy Times l-a numit direct infractor cu o serie de proiecte energetice nereușite în spate.

Verificare independentă

Rossi a semnat un contract cu compania americană Industrial Heat pentru a efectua un test secret de un an al unei centrale de fuziune la rece de 1 MW. Dispozitivul era un container de transport plin cu zeci de E-Cats. Experimentul a trebuit să fie monitorizat de o terță parte care ar putea confirma că într-adevăr se generează căldură. Rossi susține că și-a petrecut o mare parte din ultimul an trăind practic într-un container și observând operațiunile mai mult de 16 ore pe zi pentru a dovedi viabilitatea comercială a E-Cat.

Testul s-a încheiat în martie. Susținătorii lui Rossi au așteptat cu nerăbdare raportul observatorilor, sperând o achitare a eroului lor. Dar au ajuns să primească un proces.

Proces

În dosarul său la tribunalul din Florida, Rossi spune că testul a avut succes și un arbitru independent a confirmat că reactorul E-Cat a produs de șase ori mai multă energie decât a consumat. El a susținut, de asemenea, că Industrial Heat a fost de acord să-i plătească 100 milioane USD - 11,5 milioane USD în avans, după o încercare de 24 de ore (aparent pentru drepturi de licențiere, astfel încât compania să poată vinde tehnologia în SUA) și alte 89 milioane USD la finalizarea cu succes a unei proces prelungit.în termen de 350 de zile. Rossi l-a acuzat pe IH că derulează o „schemă frauduloasă” pentru a-i fura proprietatea intelectuală. El a acuzat, de asemenea, compania că a deturnat reactoare E-Cat, că a copiat ilegal tehnologii și produse inovatoare, funcționalități și design și că a încercat în mod necorespunzător să obțină un brevet asupra proprietății sale intelectuale.

Mina de aur

În altă parte, Rossi susține că într-una dintre demonstrațiile sale, IH a primit 50-60 de milioane de dolari de la investitori și alte 200 de milioane de dolari din China, după o reconstituție care a implicat înalți oficiali chinezi. Dacă acest lucru este adevărat, atunci sunt mult mai mult de o sută de milioane de dolari în joc. Industrial Heat a respins aceste afirmații ca nefondate și intenționează să se apere cu fermitate. Mai important, ea susține că „a lucrat timp de peste trei ani pentru a confirma rezultatele pe care se presupune că Rossi le-a obținut cu tehnologia sa E-Cat, fără succes”.

IH nu crede că E-Cat va funcționa, iar New Energy Times nu vede niciun motiv să se îndoiască de asta. În iunie 2011, un reprezentant al publicației a vizitat Italia, l-a intervievat pe Rossi și a filmat o demonstrație a lui E-Cat. O zi mai târziu, a raportat îngrijorări serioase cu privire la modul în care era măsurată puterea termică. Șase zile mai târziu, jurnalistul și-a postat videoclipul pe YouTube. Experți din întreaga lume i-au trimis analize care au fost publicate în iulie. A devenit clar că aceasta era o păcăleală.

Confirmare experimentală

Cu toate acestea, o serie de cercetători - Alexander Parkhomov de la Universitatea de Prietenie a Popoarelor din Rusia și Proiectul Memorial Martin Fleischmann (MFPM) - au reușit să reproducă fuziunea la rece a lui Rossi. Raportul MFPM a fost intitulat „Sfârșitul erei carbonului este aproape”. Motivul acestei admirații a fost o descoperire care nu poate fi explicată decât printr-o reacție termonucleară. Potrivit cercetătorilor, Rossi are exact ceea ce spune.

O rețetă viabilă, open-source de fuziune rece ar putea declanșa o goană a aurului energetic. S-ar putea găsi metode alternative pentru a ocoli brevetele lui Rossi și a-l ține departe de afacerile cu energie de miliarde de dolari.

Deci, poate că Rossi ar prefera să evite această confirmare.

Fuziunea termonucleară industrială a câștigat faima unei tehnologii „venite mereu”, care este mereu în dezvoltare, mereu undeva acolo, la o jumătate de secol distanță de noi. Cu toate acestea, recent intervalul de timp a fost scurtat: încă nu există reactoare industriale, dar multe proiecte promit să demonstreze prototipuri funcționale în următorii câțiva ani. Dacă, desigur, totul decurge conform planului.

„Lockheed Martin a început să dezvolte un reactor termonuclear compact... Site-ul web al companiei spune că primul prototip va fi construit în decurs de un an. Dacă acest lucru se dovedește a fi adevărat, într-un an vom trăi într-o lume complet diferită”, acesta este începutul unuia din „The Attic”. Au trecut trei ani de la publicarea sa, iar lumea nu s-a schimbat atât de mult de atunci.

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

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

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

ITER

ITER este cel mai mare proiect din acest domeniu. Acesta implică Uniunea Europeană, India, China, Coreea, Rusia, SUA și Japonia, iar reactorul în sine a fost construit pe teritoriul francez din 2007, deși istoria lui merge mult mai adânc în trecut: Reagan și Gorbaciov au convenit asupra creării lui în 1985. Reactorul este o cameră toroidală, o „goasă”, în care plasma este ținută de câmpuri magnetice, motiv pentru care se numește tokamak - Acea roidală ka măsura cu ma putred La atushki. Reactorul va genera energie prin fuziunea izotopilor de hidrogen - deuteriu și tritiu.

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

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X este cel mai mare reactor de fuziune de tip stellarator. Stellaratorul rezolvă problema care afectează tokamaks - „răspândirea” plasmei din centrul torusului către pereții săi. Ceea ce tokamak încearcă să facă față datorită puterii câmpului magnetic, stellaratorul rezolvă datorită formei sale complexe: câmpul magnetic care ține plasma se îndoaie pentru a opri avansurile particulelor încărcate.

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

Instalația Națională de Aprindere

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

Este greu de prezis care dintre toate aceste proiecte va demara cu adevărat și care va avea aceeași soartă ca și NIF. Tot ce putem face este să așteptăm, să sperăm și să urmărim știrile: anii 2020 promit să fie o perioadă interesantă pentru energia nucleară.

„Tehnologii nucleare” este unul dintre profilurile Olimpiadei NTI pentru școlari.