Nedavno je na Moskovskom Institutu za fiziku i tehnologiju održana ruska prezentacija projekta ITER, u okviru kojeg se planira stvaranje termonuklearnog reaktora koji radi na principu tokamaka. Grupa naučnika iz Rusije govorila je o međunarodnom projektu i učešću ruskih fizičara u stvaranju ovog objekta. Lenta.ru je prisustvovala prezentaciji ITER-a i razgovarala sa jednim od učesnika projekta.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) je projekat termonuklearnog reaktora koji omogućava demonstraciju i istraživanje termonuklearnih tehnologija za njihovu dalju upotrebu u miroljubive i komercijalne svrhe. Kreatori projekta vjeruju da kontrolirana termonuklearna fuzija može postati energija budućnosti i poslužiti kao alternativa modernom plinu, nafti i uglju. Istraživači primjećuju sigurnost, ekološku prihvatljivost i pristupačnost ITER tehnologije u usporedbi s konvencionalnom energijom. Složenost projekta je uporediva sa velikim hadronskim sudaračem; Instalacija reaktora uključuje više od deset miliona strukturnih elemenata.

O ITER-u

Tokamak toroidni magneti zahtijevaju 80 hiljada kilometara supravodljivih filamenata; njihova ukupna težina dostiže 400 tona. Sam reaktor će biti težak oko 23 hiljade tona. Poređenja radi, težina Ajfelovog tornja u Parizu je samo 7,3 hiljade tona. Zapremina plazme u tokamaku će dostići 840 kubnih metara, dok je, na primjer, u najvećem reaktoru ovog tipa koji radi u Velikoj Britaniji - JET - zapremina stotinu kubnih metara.

Visina tokamaka biće 73 metra, od čega će 60 metara biti iznad zemlje i 13 metara ispod. Poređenja radi, visina Spasske kule Moskovskog Kremlja je 71 metar. Platforma glavnog reaktora prostiraće se na površini od 42 hektara, što je uporedivo sa površinom od 60 fudbalskih terena. Temperatura u plazmi tokamaka dostići će 150 miliona stepeni Celzijusa, što je deset puta više od temperature u centru Sunca.

U izgradnji ITER-a u drugoj polovini 2010. planirano je da se istovremeno uključi do pet hiljada ljudi - to će uključivati ​​i radnike i inženjere, kao i administrativno osoblje. Mnoge komponente ITER-a bit će transportovane iz luke u blizini Sredozemnog mora posebno izgrađenim putem dugim oko 104 kilometra. Konkretno, duž nje će se transportovati najteži fragment instalacije čija će masa biti veća od 900 tona, a dužina oko deset metara. Više od 2,5 miliona kubnih metara zemlje biće uklonjeno sa gradilišta postrojenja ITER.

Ukupni troškovi projektovanja i izgradnje procenjeni su na 13 milijardi evra. Ova sredstva dodjeljuje sedam glavnih učesnika projekta koji zastupaju interese 35 zemalja. Poređenja radi, ukupni troškovi izgradnje i održavanja Velikog hadronskog sudarača su skoro upola manji, a izgradnja i održavanje Međunarodnog sudara svemirska stanica košta skoro jedan i po puta više.

Tokamak

Danas u svijetu postoje dva obećavajuća termo projekta nuklearnih reaktora: tokamak ( To roidal ka mjeri sa ma pokvaren To atushki) i stelarator. U obje instalacije sadržana je plazma magnetsko polje, međutim, u tokamaku ima oblik toroidnog kabla kroz koji se propušta električna struja, dok se u stelaratoru magnetsko polje indukuje vanjskim zavojnicama. U termonuklearnim reaktorima se odvijaju reakcije sinteze teških elemenata iz lakih (helijum iz izotopa vodika - deuterijuma i tricijuma), za razliku od konvencionalnih reaktora, gdje se pokreću procesi raspada teških jezgara u lakša.

Foto: Nacionalni istraživački centar „Kurčatov institut” / nrcki.ru

Električna struja u tokamaku se također koristi za početno zagrijavanje plazme do temperature od oko 30 miliona stepeni Celzijusa; dalje grijanje se vrši posebnim uređajima.

Teorijski dizajn tokamaka predložili su 1951. sovjetski fizičari Andrej Saharov i Igor Tamm, a prva instalacija izgrađena je u SSSR-u 1954. godine. Međutim, naučnici nisu bili u stanju da održe plazmu u stabilnom stanju dugo vremena, a do sredine 1960-ih svijet je bio uvjeren da je kontrolirana termonuklearna fuzija zasnovana na tokamaku nemoguća.

Ali samo tri godine kasnije, na instalaciji T-3 u Institutu za atomsku energiju Kurčatov, pod vodstvom Leva Artsimoviča, bilo je moguće zagrijati plazmu na temperaturu veću od pet miliona stepeni Celzijusa i zadržati je kratko vrijeme; Naučnici iz Velike Britanije koji su bili prisutni na eksperimentu zabilježili su na svojoj opremi temperaturu od oko deset miliona stepeni. Nakon toga u svijetu je počeo pravi bum tokamaka, tako da je u svijetu izgrađeno oko 300 instalacija, od kojih se najveće nalaze u Evropi, Japanu, SAD-u i Rusiji.

Slika: Rfassbind/wikipedia.org

ITER Management

Šta je osnova za povjerenje da će ITER biti operativan za 5-10 godina? Na kojim praktičnim i teorijskim razvojima?

Sa ruske strane ispunjavamo navedeni raspored rada i nećemo ga kršiti. Nažalost, vidimo neka kašnjenja u radu koji obavljaju drugi, uglavnom u Evropi; U Americi postoji djelimično kašnjenje i postoji tendencija da će se projekat donekle kasniti. Priveden, ali nije zaustavljen. Postoji povjerenje da će uspjeti. Sam koncept projekta je potpuno teoretski i praktično proračunat i pouzdan, tako da mislim da će uspjeti. Da li će u potpunosti dati deklarirane rezultate... sačekaćemo i vidjeti.

Da li je projekat više istraživački projekat?

Svakako. Navedeni rezultat nije dobijeni rezultat. Ako bude primljen u cijelosti, bit ću izuzetno sretan.

Koje su se nove tehnologije pojavile, pojavljuju se ili će se pojaviti u projektu ITER?

Projekat ITER nije samo super-kompleks, već i super-stresan projekat. Stresno u smislu energetskog opterećenja, uslova rada pojedinih elemenata, uključujući i naše sisteme. Stoga se u ovom projektu jednostavno moraju roditi nove tehnologije.

Ima li primjera?

Prostor. Na primjer, naši dijamantski detektori. Razgovarali smo o mogućnosti korištenja naših dijamantskih detektora na svemirskim kamionima, koji su nuklearna vozila koja prevoze određene objekte kao što su sateliti ili stanice iz orbite u orbitu. Postoji takav projekat za svemirski kamion. Budući da se radi o uređaju s nuklearnim reaktorom na brodu, složeni radni uvjeti zahtijevaju analizu i kontrolu, pa bi naši detektori to lako mogli učiniti. On ovog trenutka Tema izrade ovakve dijagnostike još nije finansirana. Ako je kreiran, može se primijeniti i tada neće biti potrebe za ulaganjem novca u nju u fazi razvoja, već samo u fazi razvoja i implementacije.

Koliki je udio modernog ruskog razvoja 2000-ih i 1990-ih u poređenju sa sovjetskim i zapadnim razvojem?

Udio ruskog naučnog doprinosa ITER-u u odnosu na globalni je veoma velik. Ne znam tačno, ali je veoma značajno. Jasno je da je to ništa manje od ruskog procenta finansijskog učešća u projektu, jer mnogi drugi timovi imaju veliki broj Rusi koji su otišli u inostranstvo da rade u drugim institutima. U Japanu i Americi, svuda, sa njima odlično komuniciramo i radimo, neki od njih predstavljaju Evropu, neki Ameriku. Osim toga, tamo postoje i naučne škole. Dakle, o tome da li više ili više razvijamo ono što smo radili ranije... Jedan od velikana je rekao da „stojimo na ramenima titana“, dakle baza koja je razvijena u sovjetsko vreme je neosporno velika i bez nje smo ništa nismo mogli. Ali čak ni u ovom trenutku ne stojimo mirno, mi se krećemo.

Šta tačno vaša grupa radi na ITER-u?

Imam sektor u odeljenju. Odjel razvija nekoliko dijagnostičkih predmeta; naš sektor posebno razvija vertikalnu neutronsku komoru, ITER neutronsku dijagnostiku i rješava širok spektar problema od dizajna do proizvodnje, kao i obavljanje srodnih istraživačkih radova vezanih za razvoj, posebno dijamanta. detektori. Dijamantski detektor je jedinstveni uređaj, originalno kreiran u našoj laboratoriji. Ranije se koristio u mnogim termonuklearnim instalacijama, a sada ga dosta široko koriste mnoge laboratorije od Amerike do Japana; oni su nas, recimo, pratili, ali mi i dalje ostajemo na vrhu. Sada pravimo dijamantske detektore i dostići ćemo njihov nivo industrijska proizvodnja(mala proizvodnja).

U kojim industrijama se ovi detektori mogu koristiti?

U ovom slučaju radi se o termonuklearnim istraživanjima, a u budućnosti pretpostavljamo da će biti tražena u nuklearnoj energiji.

Šta tačno rade detektori, šta mere?

Neutroni. Nema vrednijeg proizvoda od neutrona. Ti i ja se takođe sastojimo od neutrona.

Koje karakteristike neutrona mjere?

Spektralno. Prvo, neposredni zadatak koji se rješava na ITER-u je mjerenje energetskih spektra neutrona. Osim toga, oni prate broj i energiju neutrona. Drugi, dodatni zadatak tiče se nuklearne energije: imamo paralelne razvoje koji mogu mjeriti i termalne neutrone, koji su osnova nuklearnih reaktora. To je za nas sporedan zadatak, ali se i razvija, odnosno možemo raditi ovdje i istovremeno praviti razvoje koji se mogu prilično uspješno primijeniti u nuklearnoj energiji.

Koje metode koristite u svom istraživanju: teorijsko, praktično, kompjutersko modeliranje?

Svi: od složene matematike (metode matematičke fizike) i matematičkog modeliranja do eksperimenata. Sve različite vrste proračuna koje vršimo potvrđene su i verifikovane eksperimentima, jer direktno imamo eksperimentalnu laboratoriju sa nekoliko operativnih neutronskih generatora na kojima testiramo sisteme koje sami razvijamo.

Imate li reaktor koji radi u vašoj laboratoriji?

Ne reaktor, već generator neutrona. Generator neutrona je, u stvari, mini-model dotične termonuklearne reakcije. Tamo je sve isto, samo je proces malo drugačiji. Radi na principu akceleratora - to je snop određenih jona koji pogađa metu. Odnosno, u slučaju plazme imamo vrući objekt u kojem svaki atom ima veliku energiju, au našem slučaju posebno ubrzani ion pogađa metu zasićenu sličnim ionima. Shodno tome, dolazi do reakcije. Recimo samo da je ovo jedan od načina na koji možete izvesti istu reakciju fuzije; jedino što je dokazano je da ova metoda nema visoku efikasnost, odnosno nećete dobiti pozitivan izlaz energije, ali dobijate samu reakciju - mi direktno posmatramo ovu reakciju i čestice i sve što u nju ulazi .

Druga polovina 20. veka bila je period naglog razvoja nuklearne fizike. Postalo je jasno da se nuklearne reakcije mogu koristiti za proizvodnju ogromne energije iz male količine goriva. Od eksplozije prve nuklearne bombe do prve nuklearne elektrane prošlo je samo devet godina, a kada je hidrogenska bomba testirana 1952. godine, postojala su predviđanja da će termonuklearne elektrane početi raditi 1960-ih. Nažalost, ove nade nisu bile opravdane.

Termonuklearne reakcije Od svih termonuklearnih reakcija, samo četiri su od interesa u bliskoj budućnosti: deuterijum + deuterijum (proizvodi - tricijum i proton, oslobođena energija 4,0 MeV), deuterijum + deuterijum (helijum-3 i neutron, 3,3 MeV), deuterijum + tricijum (helijum-4 i neutron, 17,6 MeV) i deuterijum + helijum-3 (helijum-4 i proton, 18,2 MeV). Prva i druga reakcija se odvijaju paralelno sa jednakom vjerovatnoćom. Nastali tricijum i helijum-3 „sagorevaju“ u trećoj i četvrtoj reakciji

Glavni izvor energije za čovječanstvo danas je sagorijevanje uglja, nafte i plina. Ali njihove zalihe su ograničene, a proizvodi sagorevanja zagađuju životnu sredinu. Elektrana na ugalj proizvodi više radioaktivnih emisija nego nuklearna elektrana iste snage! Pa zašto još nismo prešli na nuklearne izvore energije? Postoji mnogo razloga za to, ali glavni u posljednje vrijeme je radiofobija. Unatoč činjenici da elektrana na ugalj, čak i tijekom normalnog rada, šteti zdravlju mnogo više ljudi od nuklearnih emisija u slučaju nužde, to čini tiho i neprimjetno od strane javnosti. Nesreće u nuklearnim elektranama odmah postaju glavna vijest u medijima, izazivajući opću paniku (često potpuno neosnovanu). Međutim, to ne znači da nuklearna energija nema objektivnih problema. Radioaktivni otpad pravi mnogo nevolja: tehnologije za rad s njim su i dalje izuzetno skupe, a idealna situacija kada će se sav u potpunosti reciklirati i koristiti je još daleko.

Od svih termonuklearnih reakcija, samo četiri su od interesa u bliskoj budućnosti: deuterijum + deuterijum (proizvodi - tricijum i proton, oslobođena energija 4,0 MeV), deuterijum + deuterijum (helijum-3 i neutron, 3,3 MeV), deuterijum + triciju ( helijum -4 i neutron, 17,6 MeV) i deuterijum + helijum-3 (helijum-4 i proton, 18,2 MeV). Prva i druga reakcija se odvijaju paralelno sa jednakom vjerovatnoćom. Nastali tricijum i helijum-3 „sagorevaju“ u trećoj i četvrtoj reakciji.

Od fisije do fuzije

Potencijalno rješenje ovih problema je prijelaz sa fisijskih reaktora na fuzijske reaktore. Dok tipični fisijski reaktor sadrži desetine tona radioaktivnog goriva, koje se pretvara u desetke tona radioaktivnog otpada koji sadrži širok spektar radioaktivnih izotopa, fuzijski reaktor koristi samo stotine grama, maksimalno kilograme, jednog radioaktivnog izotopa vodika, tricijum. Osim što je za reakciju potrebna neznatna količina ovog najmanje opasnog radioaktivnog izotopa, planirano je i da se njegova proizvodnja odvija direktno u elektrani kako bi se rizici povezani sa transportom sveli na minimum. Proizvodi sinteze su stabilni (neradioaktivni) i netoksični vodik i helijum. Osim toga, za razliku od reakcije fisije, termonuklearna reakcija odmah prestaje kada se instalacija uništi, bez stvaranja opasnosti od termalne eksplozije. Pa zašto još nije izgrađena niti jedna funkcionalna termonuklearna elektrana? Razlog je taj što navedene prednosti neminovno nose i nedostatke: stvaranje uslova za sintezu pokazalo se mnogo težim nego što se u početku očekivalo.

Lawsonov kriterijum

Da bi termonuklearna reakcija bila energetski povoljna, potrebno je osigurati dovoljno visoku temperaturu termonuklearnog goriva, dovoljno veliku gustoću i dovoljno niske gubitke energije. Potonje su numerički okarakterizirane takozvanim “retencijskim vremenom”, koje je jednako omjeru toplinske energije pohranjene u plazmi i snage gubitka energije (mnogi ljudi pogrešno vjeruju da je “vrijeme zadržavanja” vrijeme tokom kojeg vruća plazma se održava u instalaciji, ali to nije tako) . Na temperaturi mješavine deuterija i tritijuma jednakoj 10 keV (približno 110.000.000 stepeni), trebamo dobiti proizvod broja čestica goriva u 1 cm 3 (tj. koncentracije u plazmi) i vremena zadržavanja (u sekundama) od najmanje 10 14. Nije bitno da li imamo plazmu sa koncentracijom od 1014 cm -3 i vremenom zadržavanja od 1 s, ili plazmu sa koncentracijom od 10 23 i vremenom zadržavanja od 1 ns. Ovaj kriterijum se zove Lawsonov kriterijum.
Pored Lawsonovog kriterija, koji je odgovoran za dobivanje energetski povoljne reakcije, postoji i kriterij paljenja plazme, koji je za deuterijum-tricijsku reakciju približno tri puta veći od Lawsonovog kriterija. “Paljenje” znači da će dio termonuklearne energije koji ostane u plazmi biti dovoljan za održavanje potrebna temperatura, a dodatno zagrijavanje plazme više neće biti potrebno.

Z-štipanje

Prvi uređaj u kojem je planirano da se dobije kontrolirana termonuklearna reakcija bio je takozvani Z-pinč. U najjednostavnijem slučaju, ova instalacija se sastoji od samo dvije elektrode smještene u okruženju deuterijuma (vodonik-2) ili mješavine deuterija i tritijuma i baterije visokonaponskih impulsnih kondenzatora. Na prvi pogled se čini da je moguće dobiti komprimiranu plazmu zagrijanu na enormne temperature: upravo ono što je potrebno za termičku nuklearna reakcija! Međutim, u životu se sve pokazalo, nažalost, daleko od tako ružičastog. Pokazalo se da je plazma uže nestabilno: najmanji savijanje dovodi do jačanja magnetnog polja s jedne strane i slabljenja s druge strane; rezultirajuće sile dodatno povećavaju savijanje užeta - i sva plazma "ispada" na bočni zid komore. Uže ne samo da je nestabilno na savijanje, već i najmanje stanjivanje dovodi do povećanja magnetnog polja u ovom dijelu, koje plazmu još više komprimira, stišćući je u preostalu zapreminu užeta dok se konopac konačno ne „istisne .” Komprimirani dio ima veliki električni otpor, pa se struja prekida, magnetsko polje nestaje, a sva plazma se raspršuje.

Princip rada Z-pinča je jednostavan: električna struja stvara prstenasto magnetsko polje, koje stupa u interakciju s istom strujom i komprimira je. Kao rezultat, povećava se gustina i temperatura plazme kroz koju struja teče.

Snop plazme je bilo moguće stabilizirati primjenom snažnog vanjskog magnetskog polja na njega, paralelno sa strujom, i postavljanjem u debelo provodljivo kućište (kako se plazma kreće, pomiče se i magnetsko polje, koje indukuje električnu struju u kućište, koje teži da vrati plazmu na svoje mjesto). Plazma je prestala da se savija i štipa, ali još uvijek je bila daleko od termonuklearne reakcije na bilo kojoj ozbiljnoj skali: plazma dodiruje elektrode i predaje im svoju toplinu.

Savremeni rad na polju Z-pinč fuzije sugeriše još jedan princip za stvaranje fuzione plazme: struja teče kroz cijev od volframove plazme, koja stvara moćne rendgenske zrake koje komprimiraju i zagrijavaju kapsulu s fuzijskim gorivom koje se nalazi unutar plazma cijevi, baš kao što to radi u termonuklearnoj bombi. Međutim, ovi radovi su isključivo istraživačke prirode (proučavaju se mehanizmi rada nuklearnog oružja), a oslobađanje energije u tom procesu je još milionima puta manje od potrošnje.

Što je manji omjer velikog polumjera tokamak torusa (udaljenost od središta cijelog torusa do centra poprečnog presjeka njegove cijevi) i malog (radijusa poprečnog presjeka cijevi), veći pritisak plazme može biti pod istim magnetnim poljem. Smanjivanjem ovog omjera, znanstvenici su prešli sa kružnog poprečnog presjeka plazme i vakuumske komore na onaj u obliku slova D (u ovom slučaju ulogu malog radijusa igra polovina visine poprečnog presjeka). Svi moderni tokamaci imaju upravo ovaj oblik poprečnog presjeka. Ograničavajući slučaj bio je takozvani “sferni tokamak”. U takvim tokamacima, vakuumska komora i plazma su gotovo sfernog oblika, s izuzetkom uskog kanala koji povezuje polove sfere. Provodnici magnetnih zavojnica prolaze kroz kanal. Prvi sferni tokamak, START, pojavio se tek 1991. godine, tako da je ovo prilično mlad pravac, ali je već pokazao mogućnost dobijanja istog pritiska plazme sa tri puta manjim magnetnim poljem.

Plutena komora, stelarator, tokamak

Druga opcija za stvaranje uslova neophodnih za reakciju su takozvane otvorene magnetne zamke. Najpoznatija od njih je „ćelija plute“: cijev s uzdužnim magnetskim poljem koje jača na svojim krajevima i slabi u sredini. Polje povećano na krajevima stvara „magnetni utikač” (otuda ruski naziv), ili „magnetno ogledalo” (engleski – mašina za ogledalo), koji sprečava da plazma izađe iz instalacije kroz krajeve. Međutim, takvo zadržavanje je nepotpuno; neke nabijene čestice koje se kreću duž određenih putanja mogu proći kroz te zastoje. I kao rezultat sudara, svaka će čestica prije ili kasnije pasti na takvu putanju. Osim toga, ispostavilo se da je i plazma u ćeliji ogledala nestabilna: ako na nekom mjestu mala površina Kako se plazma udaljava od montažne ose, nastaju sile koje izbacuju plazmu na zid komore. Iako je osnovna ideja zrcalne ćelije značajno poboljšana (što je omogućilo smanjenje i nestabilnosti plazme i permeabilnosti zrcala), u praksi se nije bilo moguće ni približiti parametrima potrebnim za energetski povoljnu sintezu. .

Da li je moguće osigurati da plazma ne pobjegne kroz "čepove"? Čini se da je očigledno rješenje da se plazma kotrlja u prsten. Međutim, tada je magnetno polje unutar prstena jače nego izvan njega, i plazma opet teži da ode do zida komore. Izlaz iz ove teške situacije također se činio sasvim očiglednim: umjesto prstena napravite "osmicu", tada će se u jednom dijelu čestica odmaknuti od ose instalacije, au drugom će se vratiti natrag. Tako su naučnici došli na ideju prvog stelaratora. Ali takva "osmica" se ne može napraviti u jednoj ravni, pa smo morali koristiti treću dimenziju, savijajući magnetsko polje u drugom smjeru, što je također dovelo do postepenog pomjeranja čestica od ose do zida komore. .

Situacija se dramatično promijenila stvaranjem instalacija tipa tokamak. Rezultati dobijeni na tokamaku T-3 u drugoj polovini 1960-ih bili su toliko zapanjujući za to vrijeme da su zapadni naučnici došli u SSSR sa svojom mjernom opremom kako bi sami provjerili parametre plazme. Realnost je čak i nadmašila njihova očekivanja.

Ove fantastično isprepletene cijevi nisu umjetnički projekat, već stelaratorska komora savijena u složenu trodimenzionalnu krivulju.

U rukama inercije

Osim magnetnog zatvaranja, postoji fundamentalno drugačiji pristup termonuklearnoj fuziji - inercijalno ograničenje. Ako u prvom slučaju pokušavamo dugo vremena zadržati plazmu na vrlo niskoj koncentraciji (koncentracija molekula u zraku oko vas je stotine hiljada puta veća), onda u drugom slučaju plazmu komprimujemo na ogromna gustina, za red veličine veća od gustine najtežih metala, u očekivanju da će reakcija imati vremena da prođe za to kratko vreme pre nego što plazma bude imala vremena da se rasprši na strane.

Prvobitno, 1960-ih, plan je bio da se koristi mala kugla smrznutog fuzionog goriva, jednoliko ozračena sa svih strana višestrukim laserskim zrakama. Površina lopte trebala je trenutno ispariti i, ravnomjerno se šireći u svim smjerovima, komprimirati i zagrijati preostali dio goriva. Međutim, u praksi se pokazalo da je zračenje nedovoljno ujednačeno. Osim toga, dio energije zračenja se prenosio na unutrašnje slojeve, uzrokujući njihovo zagrijavanje, što je otežalo kompresiju. Kao rezultat toga, lopta se stisnula neravnomjerno i slabo.

Postoje brojne moderne konfiguracije stelaratora, od kojih su sve bliske torusu. Jedna od najčešćih konfiguracija uključuje upotrebu zavojnica sličnih poloidnim zavojnicama tokamaka, i četiri do šest provodnika uvijenih oko vakuumske komore sa višesmjernom strujom. Složeno magnetsko polje stvoreno na ovaj način omogućava pouzdano zadržavanje plazme bez potrebe da kroz nju teče prstenasta električna struja. Osim toga, stelaratori mogu koristiti i toroidne zavojnice polja, poput tokamaka. I možda nema spiralnih vodiča, ali tada se "toroidni" namotaji polja postavljaju duž složene trodimenzionalne krivulje. Najnovija dostignuća u oblasti stelaratora uključuju upotrebu magnetnih zavojnica i vakuumske komore vrlo složenog oblika (veoma „zgužvanog“ torusa), izračunate na kompjuteru.

Problem neravnina riješen je značajnom promjenom dizajna mete. Sada je lopta smještena unutar posebne male metalne komore (zove se “holraum”, od njemačkog hohlraum – šupljina) s rupama kroz koje ulaze laserske zrake unutra. Osim toga, koriste se kristali koji pretvaraju IR lasersko zračenje u ultraljubičasto. Ovo UV zračenje se apsorbuje najtanji sloj hohlraum materijal, koji se zagreva na ogromne temperature i emituje u mekom rendgenskom području. Zauzvrat, rendgensko zračenje se apsorbira tankim slojem na površini kapsule goriva (kugla s gorivom). To je također omogućilo rješavanje problema preranog zagrijavanja unutrašnjih slojeva.

Međutim, ispostavilo se da je snaga lasera ​​nedovoljna da bi primjetan dio goriva reagirao. Osim toga, efikasnost lasera je bila vrlo niska, samo oko 1%. Da bi fuzija bila energetski korisna uz tako nisku efikasnost lasera, gotovo svo komprimirano gorivo moralo je reagirati. Prilikom pokušaja zamjene lasera snopovima lakih ili teških jona, koji se mogu generirati s mnogo većom efikasnošću, naučnici su naišli i na dosta problema: laki joni se međusobno odbijaju, što im onemogućava fokusiranje, a usporavaju se pri sudaru sa zaostalim gas u komori i akceleratori Nije bilo moguće stvoriti teške ione sa potrebnim parametrima.

Magnetski izgledi

Većina nade u oblasti fuzijske energije sada leži u tokamacima. Pogotovo nakon što su otvorili način rada s poboljšanim zadržavanjem. Tokamak je i Z-štipa umotana u prsten (prstenasta električna struja teče kroz plazmu, stvarajući magnetsko polje neophodno da ga zadrži), i niz zrcalnih ćelija sastavljenih u prsten i stvaraju "nabraviti" toroidni magnet polje. Osim toga, polje okomito na ravan torusa, stvoreno od nekoliko pojedinačnih zavojnica, superponira se na toroidno polje zavojnica i polje struje plazme. Ovo dodatno polje, nazvano poloidno, jača magnetno polje struje plazme (takođe poloidno) na vanjskoj strani torusa i slabi ga iznutra. Dakle, ukupno magnetsko polje na svim stranama plazma užeta ispada isto, a njegov položaj ostaje stabilan. Promjenom ovog dodatnog polja moguće je pomjerati snop plazme unutar vakuumske komore u određenim granicama.

Suštinski drugačiji pristup sintezi predlaže koncept mionske katalize. Mion je nestabilna elementarna čestica koja ima isti naboj kao elektron, ali 207 puta veću masu. Mion može zamijeniti elektron u atomu vodika, a veličina atoma se smanjuje za faktor 207. Ovo omogućava jednom jezgru vodika da se približi drugom bez trošenja energije. Ali da bi se proizveo jedan mion, troši se oko 10 GeV energije, što znači da je potrebno izvesti nekoliko hiljada fuzijskih reakcija po mionu da bi se dobila energetska korist. Zbog mogućnosti da se mion “zalijepi” za helijum nastao u reakciji, više od nekoliko stotina reakcija još nije postignuto. Fotografija prikazuje sklop Wendelstein stelaratora z-x institut fizičari plazme Max Planck.

Važan problem tokamaka dugo vremena bila je potreba za stvaranjem prstenaste struje u plazmi. Da bi se to postiglo, kroz središnju rupu tokamak torusa propušteno je magnetsko kolo, u kojem se magnetski tok neprestano mijenjao. Promjena magnetskog fluksa stvara vrtložno električno polje, koje ionizira plin u vakuumskoj komori i održava struju u nastaloj plazmi. Međutim, struja u plazmi mora se kontinuirano održavati, što znači da se magnetni tok mora kontinuirano mijenjati u jednom smjeru. To je, naravno, nemoguće, pa se struja u tokamacima mogla održavati samo ograničeno vrijeme (od djelića sekunde do nekoliko sekundi). Srećom, otkrivena je takozvana bootstrap struja, koja se javlja u plazmi bez vanjskog vrtložnog polja. Osim toga, razvijene su metode za zagrijavanje plazme, istovremeno indukujući potrebnu struju u prstenu u njoj. Zajedno, ovo je pružilo potencijal za održavanje vruće plazme onoliko dugo koliko se želi. U praksi, trenutno rekord pripada tokamaku Tore Supra, gdje je plazma neprekidno “gorjela” više od šest minuta.

Druga vrsta instalacija za zadržavanje plazme, koja ima veliko obećanje, su stelaratori. Tokom proteklih decenija, dizajn stelaratora se dramatično promenio. Od originalne "osmice" nije ostalo gotovo ništa, a ove instalacije su postale mnogo bliže tokamacima. Iako je vrijeme zatvaranja stelaratora kraće nego kod tokamaka (zbog manje efikasnog H-moda), a cijena njihove konstrukcije veća, ponašanje plazme u njima je mirnije, što znači duži vijek trajanja prvih unutrašnji zid vakuum komore. Za komercijalni razvoj termonuklearne fuzije ovaj faktor je veoma važan.

Odabir reakcije

Na prvi pogled, najlogičnije je koristiti čisti deuterijum kao termonuklearno gorivo: relativno je jeftin i siguran. Međutim, deuterijum reaguje sa deuterijumom sto puta lakše nego sa tricijumom. To znači da je za rad reaktora na mješavini deuterija i tritijuma dovoljna temperatura od 10 keV, a za rad na čistom deuteriju potrebna je temperatura veća od 50 keV. I što je temperatura viša, to je veći gubitak energije. Stoga je, barem po prvi put, planirano da se termonuklearna energija gradi na deuterijum-tricijum gorivu. Tritij će se proizvoditi u samom reaktoru zbog ozračivanja brzim litijumskim neutronima koji se proizvode u njemu.
"Pogrešni" neutroni. U kultnom filmu "9 dana jedne godine" glavni lik, dok je radio u termonuklearnoj instalaciji, primio je ozbiljnu dozu neutronskog zračenja. Međutim, kasnije se pokazalo da ti neutroni nisu nastali kao rezultat fuzijske reakcije. Ovo nije režiserov izum, već pravi efekat uočen u Z-štipovima. U trenutku prekida električne struje, induktivnost plazme dovodi do stvaranja ogromnog napona - miliona volti. Pojedinačni ioni vodonika, ubrzani u ovom polju, sposobni su doslovno izbaciti neutrone iz elektroda. U početku je ovaj fenomen zaista bio uzet kao siguran znak termonuklearne reakcije, ali kasnija analiza energetskog spektra neutrona pokazala je da imaju drugačije porijeklo.
Poboljšan način zadržavanja. H-režim tokamaka je način njegovog rada kada se uz veliku snagu dodatnog grijanja gubici energije plazme naglo smanjuju. Slučajno otkriće poboljšanog načina zatvaranja 1982. značajno je koliko i pronalazak samog tokamaka. Još ne postoji općeprihvaćena teorija ovog fenomena, ali to ne sprječava da se koristi u praksi. Svi moderni tokamaci rade u ovom režimu, jer smanjuje gubitke za više od pola. Kasnije je sličan režim otkriven i u stelaratorima, što ukazuje na to opšta imovina toroidni sistemi, međutim, poboljšavaju zadržavanje za samo oko 30%.
Plazma grijanje. Postoje tri glavne metode zagrijavanja plazme do termonuklearne temperature. Ohmsko grijanje je zagrijavanje plazme uslijed protoka električne struje kroz nju. Ova metoda je najefikasnija u prvim fazama, jer kako se temperatura povećava, električni otpor plazme opada. Elektromagnetno grijanje koristi elektromagnetne valove s frekvencijom koja odgovara frekvenciji rotacije oko linija magnetskog polja elektrona ili jona. Ubrizgavanjem brzih neutralnih atoma stvara se tok negativnih jona, koji se potom neutraliziraju, pretvarajući se u neutralne atome koji mogu proći kroz magnetsko polje do centra plazme kako bi tamo prenijeli svoju energiju.
Jesu li ovo reaktori? Tricijum je radioaktivan, a snažno neutronsko zračenje iz D-T reakcije stvara indukovanu radioaktivnost u elementima dizajna reaktora. Moramo koristiti robote, što otežava posao. Istovremeno, ponašanje plazme običnog vodika ili deuterija vrlo je blisko ponašanju plazme iz mješavine deuterija i tritijuma. To je dovelo do činjenice da su kroz istoriju samo dvije termonuklearne instalacije u potpunosti radile na mješavini deuterija i tricijuma: tokamaci TFTR i JET. U drugim instalacijama ni deuterijum se ne koristi uvijek. Dakle, naziv "termonuklearni" u definiciji objekta uopće ne znači da su se termonuklearne reakcije ikada dogodile u njemu (a u onima koje se dogode gotovo uvijek se koristi čisti deuterijum).
Hibridni reaktor. D-T reakcija proizvodi neutrone od 14 MeV, koji čak mogu fisirati osiromašeni uran. Fisija jednog jezgra uranijuma je praćena oslobađanjem približno 200 MeV energije, što je više od deset puta više od energije oslobođene tokom fuzije. Tako bi postojeći tokamaci mogli postati energetski korisni ako bi bili okruženi uranijumskom školjkom. U poređenju sa fisijskim reaktorima, ovakvi hibridni reaktori bi imali prednost u sprečavanju nekontrolisane lančane reakcije da se u njima razvije. Osim toga, izuzetno intenzivni tokovi neutrona trebali bi pretvoriti dugovječne proizvode fisije uranijuma u kratkovječne, što značajno smanjuje problem odlaganja otpada.

Inercijalne nade

Inercijalna fuzija takođe ne stoji mirno. Tokom decenija razvoja laserske tehnologije, pojavili su se izgledi za povećanje efikasnosti lasera za otprilike deset puta. A u praksi, njihova moć je povećana stotinama i hiljadama puta. U toku je i rad na akceleratorima teških jona sa parametrima pogodnim za termonuklearnu upotrebu. osim toga, najvažniji faktor Napredak na polju inercijalne fuzije bio je koncept „brzog paljenja“. Uključuje korištenje dva impulsa: jedan komprimira termonuklearno gorivo, a drugi zagrijava mali dio. Pretpostavlja se da će se reakcija koja počinje u malom dijelu goriva naknadno proširiti dalje i pokriti cijelo gorivo. Ovaj pristup omogućava značajno smanjenje troškova energije, a samim tim i profitabilnu reakciju sa manjim udjelom izreagiranog goriva.

Problemi sa Tokamakom

Uprkos napretku instalacija drugih tipova, tokamaci u ovom trenutku i dalje ostaju van konkurencije: ako su dva tokamaka (TFTR i JET) 1990-ih zaista proizvela oslobađanje termonuklearne energije približno jednake potrošnji energije za zagrijavanje plazme (čak i iako je takav način rada trajao samo oko sekundu), onda se ništa slično nije moglo postići s drugim tipovima instalacija. Čak i jednostavno povećanje veličine tokamaka dovest će do izvodljivosti energetski povoljne fuzije u njima. U Francuskoj se trenutno gradi međunarodni reaktor ITER, koji će to morati pokazati u praksi.

Međutim, i tokamaci imaju problema. ITER košta milijarde dolara, što je neprihvatljivo za buduće komercijalne reaktore. Nijedan reaktor nije radio neprekidno ni nekoliko sati, a kamoli nedeljama i mesecima, što je opet neophodno industrijske primjene. Još nema sigurnosti da će materijali unutrašnjeg zida vakuumske komore moći izdržati produženo izlaganje plazmi.

Koncept tokamaka sa jakim poljem može učiniti projekat jeftinijim. Povećanjem polja za dva do tri puta planira se postizanje potrebnih parametara plazme u relativno maloj instalaciji. Ovaj koncept je, posebno, osnova za reaktor Ignitor, koji, zajedno sa italijanskim kolegama, sada počinje da se gradi u TRINIT (Trinity Institute for Innovation and Thermonuclear Research) u blizini Moskve. Ako se proračuni inženjera ostvare, tada će po cijeni mnogo puta nižoj od ITER-a biti moguće zapaliti plazmu u ovom reaktoru.

Naprijed do zvijezda!

Proizvodi termonuklearne reakcije lete u različitim smjerovima brzinom od tisuća kilometara u sekundi. Ovo omogućava stvaranje ultra efikasnih raketnih motora. Njihov specifični impuls bit će veći od onih kod najboljih električnih mlaznih motora, a njihova potrošnja energije može biti čak i negativna (teoretski, moguće je generirati, a ne trošiti energiju). Štoviše, ima razloga vjerovati da će izrada termonuklearnog raketnog motora biti još lakša od zemaljskog reaktora: nema problema sa stvaranjem vakuuma, s toplinskom izolacijom supravodljivih magneta, nema ograničenja u dimenzijama itd. Osim toga, poželjna je proizvodnja električne energije od strane motora, ali nije uopće neophodna, dovoljno je da je ne troši previše.

Elektrostatičko zatvaranje

Koncept zatvaranja elektrostatičkih jona najlakše je razumjeti kroz postavku koja se naziva fuzor. Zasnovan je na sfernoj mrežastoj elektrodi na koju se primjenjuje negativan potencijal. Ioni ubrzani u posebnom akceleratoru ili poljem same centralne elektrode padaju unutar njega i tamo se drže elektrostatičkim poljem: ako ion teži da izleti, polje elektrode ga vraća nazad. Nažalost, vjerovatnoća sudara jona s mrežom je mnogo redova veličine veća od vjerovatnoće ulaska u reakciju fuzije, što onemogućuje energetski povoljnu reakciju. Takve instalacije su našle primenu samo kao izvori neutrona.
U nastojanju da naprave senzacionalno otkriće, mnogi naučnici nastoje vidjeti sintezu gdje god je to moguće. U štampi je bilo brojnih izvještaja o tome razne opcije takozvana "hladna fuzija". Sinteza je otkrivena u metalima „impregniranim“ deuterijumom kada kroz njih teče električna struja, pri elektrolizi tečnosti zasićenih deuterijumom, prilikom stvaranja kavitacionih mehurića u njima, kao iu drugim slučajevima. Međutim, većina ovih eksperimenata nije imala zadovoljavajuću ponovljivost u drugim laboratorijima, a njihovi rezultati se gotovo uvijek mogu objasniti bez upotrebe sinteze.
Nastavljajući „slavnu tradiciju“ koja je započela „kamenom filozofa“, a potom pretvorena u „večni motor“, mnogi moderni prevaranti nude da od njih kupe „generator hladne fuzije“, „kavitacijski reaktor“ i druga „goriva- slobodni generatori”: o filozofskom Svi su već zaboravili kamen, ne vjeruju u perpetum motion, ali nuklearna fuzija sada zvuči prilično uvjerljivo. Ali, nažalost, u stvarnosti takvi izvori energije još ne postoje (a kada budu mogli biti stvoreni, to će biti u svim saopštenjima). Zato budite svjesni: ako vam se ponudi da kupite uređaj koji proizvodi energiju hladnom nuklearnom fuzijom, onda vas jednostavno pokušavaju “prevariti”!

Prema preliminarnim procjenama, čak i uz sadašnji nivo tehnologije moguće je stvoriti termonuklearni raketni motor za let do planeta Solarni sistem(uz odgovarajuća sredstva). Ovladavanje tehnologijom takvih motora povećat će brzinu letova s ​​ljudskom posadom deset puta i omogućit će velike rezerve goriva na brodu, što će omogućiti da se više ne leti na Mars težak zadatak nego sada radi na ISS-u. Za automatske stanice Brzina od 10% brzine svjetlosti potencijalno će postati dostupna, što znači da će biti moguće slati istraživačke sonde do obližnjih zvijezda i dobiti naučne podatke tokom života njihovih kreatora.

Koncept termonuklearnog raketnog motora zasnovanog na inercijskoj fuziji trenutno se smatra najrazvijenijim. Razlika između motora i reaktora leži u magnetskom polju koje usmjerava nabijene produkte reakcije u jednom smjeru. Druga opcija uključuje korištenje otvorene zamke, u kojoj je jedan od čepova namjerno oslabljen. Plazma koja teče iz njega će stvoriti reaktivnu silu.

Termonuklearna budućnost

Ovladavanje termonuklearnom fuzijom pokazalo se mnogo težim nego što se u početku činilo. I iako su mnogi problemi već riješeni, preostali će biti dovoljni za narednih nekoliko decenija napornog rada hiljada naučnika i inženjera. Ali izgledi da nam se otvaraju transformacije izotopa vodika i helijuma su tako veliki, a put kojim se ide već je toliko značajan da nema smisla stati na pola puta. Bez obzira na to što brojni skeptici kažu, budućnost nesumnjivo leži u sintezi.

Fuzijski reaktor E.P. Velihov, S.V. Putvinsky

E.P. Velihov, S.V. Putvinsky.
Izveštaj od 22. oktobra 1999. godine urađen u okviru Energetskog centra Svetske federacije naučnika

anotacija

Ovaj članak daje kratak pregled trenutnog stanja istraživanja fuzije i ocrtava izglede za fuzionu energiju u energetskom sistemu 21. stoljeća. Recenzija je namijenjena širokom krugu čitatelja koji su upoznati sa osnovama fizike i inženjerstva.

Prema modernim fizičkim konceptima, postoji samo nekoliko osnovnih izvora energije kojima čovječanstvo, u principu, može savladati i koristiti ih. Reakcije nuklearne fuzije su jedan od takvih izvora energije i... U reakcijama fuzije energija se proizvodi zbog rada nuklearnih sila koji se obavlja pri fuziji jezgara lakih elemenata i formiranju težih jezgara. Ove reakcije su široko rasprostranjene u prirodi - vjeruje se da energija zvijezda, uključujući i Sunce, nastaje kao rezultat lanca reakcija nuklearne fuzije koje pretvaraju četiri jezgre atoma vodika u jezgru helija. Možemo reći da je Sunce veliki prirodni termonuklearni reaktor koji opskrbljuje energijom Zemljin ekološki sistem.

Trenutno, više od 85% energije koju proizvodi ljudi dobijaju sagorevanjem organskih goriva - uglja, nafte i prirodnog gasa. Ovaj jeftin izvor energije, kojim je čovjek ovladao prije oko 200 - 300 godina, doveo je do brzog razvoja ljudskog društva, njegovog blagostanja i, kao rezultat, rasta stanovništva Zemlje. Pretpostavlja se da će se zbog rasta stanovništva i ujednačenije potrošnje energije po regionima proizvodnja energije povećati za oko tri puta do 2050. godine u odnosu na sadašnji nivo i dostići 10 21 J godišnje. Nema sumnje da će u dogledno vrijeme prethodni izvor energije – organska goriva – morati zamijeniti drugim vrstama proizvodnje energije. To će se dogoditi kako zbog iscrpljivanja prirodnih resursa, tako i zbog zagađenja okoliša, koje bi, prema mišljenju stručnjaka, trebalo nastati mnogo prije nego što se razviju jeftini prirodni resursi (sadašnji način proizvodnje energije koristi atmosferu kao deponiju smeća, izbacujući 17 miliona tona dnevno ugljen-dioksida i drugih gasova koji prate sagorevanje goriva). Prelazak sa fosilnih goriva na alternativnu energiju velikih razmjera očekuje se sredinom 21. vijeka. Pretpostavlja se da će budući energetski sistem koristiti različite izvore energije, uključujući i obnovljive izvore energije, šire od sadašnjeg energetskog sistema, kao što su solarna energija, energija vjetra, hidroelektrična energija, uzgoj i sagorijevanje biomase i nuklearna energija. Udio svakog izvora energije i in opšta proizvodnja energije i biće određena strukturom potrošnje energije i ekonomskom efikasnošću svakog od ovih izvora energije.

U današnjem industrijskom društvu više od polovine energije koristi se u režimu konstantne potrošnje, neovisno o dobu dana i godišnjem dobu. Na ovu konstantnu baznu snagu nadležne su dnevne i sezonske varijacije. Dakle, energetski sistem se mora sastojati od bazne energije, koja opskrbljuje društvo energijom na stalnom ili kvazi-trajnom nivou, i energetskih resursa koji se koriste po potrebi. Očekuje se da će se obnovljivi izvori energije kao što su solarna energija, sagorijevanje biomase i sl. koristiti uglavnom u varijabilnoj komponenti potrošnje energije i. Glavni i jedini kandidat za baznu energiju je nuklearna energija. Trenutno su samo reakcije nuklearne fisije, koje se koriste u modernim nuklearnim elektranama, savladane za proizvodnju energije. Kontrolisana termonuklearna fuzija je, za sada, samo potencijalni kandidat za osnovnu energiju.

Koje prednosti ima termonuklearna fuzija u odnosu na reakcije nuklearne fisije, što nam omogućava da se nadamo velikom razvoju termonuklearne energije? Glavna i temeljna razlika je odsustvo dugovječnog radioaktivnog otpada, što je tipično za nuklearne fisijske reaktore. I iako se u toku rada termonuklearnog reaktora prvi zid aktivira neutronima, izbor odgovarajućih konstruktivnih materijala niske aktivacije otvara temeljnu mogućnost stvaranja termonuklearnog reaktora u kojem će se inducirana aktivnost prvog zida smanjiti na potpuno bezbedan nivo trideset godina nakon gašenja reaktora. To znači da će istrošeni reaktor morati biti zatvoren samo 30 godina, nakon čega se materijali mogu reciklirati i koristiti u novom reaktoru za sintezu. Ova situacija se suštinski razlikuje od fisijskih reaktora, koji proizvode radioaktivni otpad koji zahteva ponovnu obradu i skladištenje desetinama hiljada godina. Pored niske radioaktivnosti, termonuklearna energija ima ogromne, praktično neiscrpne rezerve goriva i drugih neophodnih materijala, dovoljne za proizvodnju energije za stotine, ako ne i hiljade godina.

Upravo su te prednosti potaknule velike nuklearne zemlje da počnu široka istraživanja kontrolirane termonuklearne fuzije sredinom 50-ih. Do tada su već izvršena prva uspješna ispitivanja hidrogenskih bombi u Sovjetskom Savezu i Sjedinjenim Državama, što je potvrdilo temeljnu mogućnost korištenja energije i nuklearne fuzije u zemaljskim uvjetima. Od samog početka postalo je jasno da kontrolisana termonuklearna fuzija nema vojnu primenu. Istraživanje je skinuto sa tajnosti 1956. godine i od tada se provodi u okviru široke međunarodne saradnje. Hidrogenska bomba nastala je za samo nekoliko godina, a tada se činilo da je cilj blizu, te da je prvi veliki eksperimentalnih objekata, izgrađen krajem 50-ih, dobiće termonuklearnu plazmu. Međutim, bilo je potrebno više od 40 godina istraživanja da se stvore uslovi pod kojima je oslobađanje termonuklearne snage uporedivo sa snagom grejanja reakcione smeše. Godine 1997. najveća termonuklearna instalacija, evropski TOKAMAK (JET), dobila je 16 MW termonuklearne snage i približila se ovom pragu.

Šta je bio razlog za ovo kašnjenje? Ispostavilo se da su fizičari i inženjeri, da bi postigli cilj, morali riješiti mnogo problema o kojima nisu imali pojma na početku putovanja. Tokom ovih 40 godina stvorena je nauka o fizici plazme koja je omogućila razumijevanje i opisivanje složenih fizičkih procesa koji se dešavaju u reakcijskoj smjesi. Inženjeri su trebali riješiti jednako složene probleme, uključujući učenje kako stvoriti duboke vakuume u velikim količinama, odabir i testiranje odgovarajućih građevinskih materijala, razvoj velikih supravodljivih magneta, moćnih lasera i izvora rendgenskih zraka, razvoj impulsnih energetskih sistema sposobnih za stvaranje moćnih snopova čestica , razviti metode za visokofrekventno zagrijavanje smjese i još mnogo toga.

§4 je posvećen pregledu istraživanja u oblasti magnetno kontrolisane fuzije, koja uključuje sisteme sa magnetnim ograničenjem i impulsne sisteme. Večina Ovaj pregled je posvećen najnaprednijim sistemima za zatvaranje magnetne plazme, instalacijama tipa TOKAMAK.

Opseg ovog pregleda nam omogućava da raspravljamo samo o najvažnijim aspektima istraživanja kontrolirane termonuklearne fuzije. Čitaocu koji je zainteresiran za dublje proučavanje različitih aspekata ovog problema može se savjetovati da konsultuje preglednu literaturu. Postoji opsežna literatura posvećena kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji. Posebno treba spomenuti kako sada već klasične knjige koje su napisali osnivači kontroliranih termonuklearnih istraživanja, tako i sasvim novije publikacije, poput, na primjer, koje ocrtavaju trenutno stanje termonuklearnih istraživanja.

Iako postoji dosta reakcija nuklearne fuzije koje dovode do oslobađanja energije, za praktične svrhe korištenja nuklearne energije interesantne su samo reakcije navedene u tabeli 1. Ovdje i ispod koristimo standardnu ​​oznaku za izotope vodika: p - proton sa atomskom masom 1, D - deuteron, sa atomskom masom 2 i T - tricijum, izotop sa masom 3. Sva jezgra koja učestvuju u ovim reakcijama sa izuzetkom tricijuma su stabilna. Tricij je radioaktivni izotop vodika s poluživotom od 12,3 godine. Kao rezultat β-raspada, pretvara se u He 3, emitujući niskoenergetski elektron. Za razliku od reakcija nuklearne fisije, reakcije fuzije ne proizvode dugovječne radioaktivne fragmente teških jezgara, što u principu omogućava stvaranje „čistog“ reaktora, neopterećenog problemom dugotrajnog skladištenja radioaktivnog otpada.

Tabela 1.
Nuklearne reakcije od interesa za kontroliranu fuziju

Sve reakcije prikazane u tabeli 1, osim poslednje, odvijaju se sa oslobađanjem energije iu obliku kinetičke energije i produkta reakcije, q, što je u zagradama naznačeno u jedinicama miliona elektron volti (MeV),
(1 eV = 1,6 ·10 –19 J = 11600 °K). Posljednje dvije reakcije igraju posebnu ulogu u kontrolisanoj fuziji – one će se koristiti za proizvodnju tricijuma, koji ne postoji u prirodi.

Reakcije nuklearne fuzije 1-5 imaju relativno visoku brzinu reakcije, koju obično karakterizira presjek reakcije, σ. Poprečni presjeci reakcije iz tabele 1 prikazani su na slici 1 kao funkcija energije i sudarajućih čestica u sistemu centara mase.

Zbog prisustva Kulonove odbijanja između jezgara, presjeci za reakcije pri niskoj energiji i česticama su zanemarivi, pa stoga na uobičajenim temperaturama mješavina izotopa vodika i drugih lakih atoma praktički ne reagira. Da bi bilo koja od ovih reakcija imala primjetan poprečni presjek, čestice koje se sudaraju moraju imati visoku kinetičku energiju. Tada će čestice moći savladati Kulonovu barijeru, približiti se na udaljenosti po redu nuklearnih i reagirati. Na primjer, maksimalni poprečni presjek za reakciju deuterijuma sa tricijumom postiže se pri energiji čestica od oko 80 KeV, a da bi DT mješavina imala visoku brzinu reakcije, njena temperatura mora biti na skali od sto miliona stepeni, T = 10 8 ° K.

Najjednostavniji način za proizvodnju energije i nuklearne fuzije koji odmah pada na pamet je korištenje ionskog akceleratora i bombardiranje, recimo, iona tricija ubrzanog do energije od 100 KeV, čvrste ili plinovite mete koja sadrži ione deuterija. Međutim, ubrizgani ioni se prebrzo usporavaju prilikom sudara sa hladnim elektronima mete i nemaju vremena da proizvedu dovoljno energije da pokriju energetske troškove svog ubrzanja, uprkos ogromnoj razlici u početnoj (oko 100 KeV) i energija proizvedena u reakciji (oko 10 MeV). Drugim riječima, ovim “metodom” proizvodnje energije i koeficijentom reprodukcije energije i,
Q fus = P sinteza / P troškovi će biti manji od 1.

Da bi se povećao Q fus, ciljni elektroni se mogu zagrijati. Tada će se brzi ioni sporije usporavati i Q fus će se povećati. Međutim, pozitivan prinos se postiže samo pri vrlo visokoj ciljnoj temperaturi - reda veličine nekoliko KeV. Na ovoj temperaturi ubrizgavanje brzih jona više nije važno, u smjesi postoji dovoljna količina energetskih termalnih jona, koji sami ulaze u reakcije. Drugim riječima, u smjesi se javljaju termonuklearne reakcije ili termonuklearna fuzija.

Brzina termonuklearnih reakcija može se izračunati integracijom poprečnog presjeka reakcije prikazanog na slici 1 preko ravnotežne Maxwellove funkcije raspodjele čestica. Kao rezultat, moguće je dobiti brzinu reakcije K(T), koji određuje broj reakcija koje se dešavaju po jedinici zapremine, n 1 n 2 K(T) i, posljedično, volumetrijska gustina oslobađanja energije u reakcijskoj smjesi,

P fus = q n 1 n 2 K(T) (1)

U posljednjoj formuli n 1 n 2- volumetrijske koncentracije reagujućih komponenti, T- temperatura reagujućih čestica i q- energetski prinos reakcije dat u tabeli 1.

Na visokoj temperaturi karakterističnoj za reagujuću smjesu, smjesa je u stanju plazme, tj. sastoji se od slobodnih elektrona i pozitivno nabijenih jona koji međusobno djeluju kroz kolektivna elektromagnetna polja. Elektromagnetna polja, samokonzistentna sa kretanjem čestica plazme, određuju dinamiku plazme i, posebno, održavaju njenu kvazineutralnost. Sa vrlo velikom preciznošću, gustine naelektrisanja jona i elektrona u plazmi su jednake, n e = Zn z, gde je Z naelektrisanje jona (za izotope vodonika Z = 1). Jonska i elektronska komponenta razmjenjuju energiju zbog Kulonovih sudara i pri parametrima plazme tipičnim za termonuklearne primjene, njihove temperature su približno jednake.

Za visoku temperaturu mješavine morate platiti dodatnim troškovima energije. Prvo, moramo uzeti u obzir kočiono svjetlo koje emituju elektroni prilikom sudara s ionima:

Snaga kočnog zračenja, kao i snaga termonuklearnih reakcija u smeši, proporcionalna je kvadratu gustine plazme i, stoga, odnos P fus /P b zavisi samo od temperature plazme. Bremsstrahlung, za razliku od snage termonuklearnih reakcija, slabo zavisi od temperature plazme, što dovodi do prisustva donje granice temperature plazme pri kojoj je snaga termonuklearnih reakcija jednaka snazi ​​gubitaka kočnog zračenja, P fus / P b = 1. Na temperaturama ispod praga gubici snage kočnog zračenja premašuju termonuklearno oslobađanje energije i stoga je u hladnoj mješavini pozitivno oslobađanje energije nemoguće. Mješavina deuterija i tricijuma ima najnižu graničnu temperaturu, ali čak i u ovom slučaju temperatura mješavine mora biti veća od 3 KeV (3,5 10 7 °K). Granične temperature za DD i DHe 3 reakcije su otprilike za red veličine više nego za DT reakciju. Za reakciju protona s borom, kočivo zračenje na bilo kojoj temperaturi premašuje prinos reakcije, pa su za korištenje ove reakcije potrebne posebne zamke u kojima je temperatura elektrona niža od temperature jona, ili je gustina plazme tolika visoka da radna smeša apsorbuje zračenje.

Pored visoke temperature smjese, da bi se dogodila pozitivna reakcija, vruća smjesa mora postojati dovoljno dugo da bi se reakcije mogle dogoditi. U svakom termonuklearnom sistemu konačnih dimenzija, pored kočnog zračenja postoje dodatni kanali gubitka energije iz plazme (na primjer, zbog toplotne provodljivosti, linijskog zračenja nečistoća, itd.), čija snaga ne bi trebala prelaziti termonuklearnu energiju pustiti. U opštem slučaju, dodatni gubici energije mogu se okarakterisati energetskim vekom trajanja plazme t E, definisanim na način da odnos 3nT / t E daje gubitak snage po jedinici zapremine plazme. Očigledno je da je za pozitivan prinos potrebno da termonuklearna snaga bude veća od snage dodatnih gubitaka, P fus > 3nT / t E , što daje uslov za minimalni proizvod gustine i životnog veka plazme, nt E . Na primjer, za DT reakciju je potrebno da

nt E > 5 10 19 s/m 3 (3)

Ovaj uslov se obično naziva Losonov kriterijum (strogo govoreći, u originalnom radu, Losonov kriterijum je izveden za specifičan dizajn termonuklearnog reaktora i, za razliku od (3), uključuje efikasnost pretvaranja toplotne energije u električnu energiju). U formi u kojoj je gore napisano, kriterijum je praktično nezavisan od termonuklearnog sistema i generalizovani je neophodan uslov za pozitivan izlaz. Lawsonov kriterij za druge reakcije je za jedan ili dva reda veličine veći nego za DT reakciju, a granična temperatura je također viša. Blizina uređaja postizanju pozitivnog izlaza obično je prikazana na ravni T - nt E, što je prikazano na slici 2.

nt E

Fig.2. Region sa pozitivnim prinosom nuklearne reakcije na T-nt E ravni.
Prikazana su dostignuća različitih eksperimentalnih instalacija za zatvaranje termonuklearne plazme.

Može se vidjeti da su DT reakcije lakše izvodljive - zahtijevaju znatno nižu temperaturu plazme od DD reakcija i nameću manje stroge uslove za njeno zadržavanje. Savremeni termonuklearni program ima za cilj implementaciju fuzije kontrolisane DT.

Dakle, kontrolirane termonuklearne reakcije su, u principu, moguće, a glavni zadatak termonuklearnog istraživanja je razvoj praktičnog uređaja koji bi ekonomski mogao konkurirati drugim izvorima energije i.

Svi uređaji izumljeni tokom 50 godina mogu se podeliti u dve velike klase: 1) stacionarni ili kvazistacionarni sistemi zasnovani na magnetnom zatvaranju vrele plazme; 2) pulsni sistemi. U prvom slučaju, gustina plazme je mala i Losonov kriterijum je postignut zahvaljujući dobrom zadržavanju energije u sistemu, tj. dug životni vek energetske plazme. Prema tome, sistemi sa magnetnim zatvaranjem imaju karakterističnu veličinu plazme reda veličine nekoliko metara i relativno nisku gustinu plazme, n ~ 10 20 m -3 (ovo je otprilike 10 5 puta niže od atomske gustine pri normalnom pritisku i sobnoj temperaturi) .

U impulsnim sistemima, Lawsonov kriterij se postiže kompresijom fuzionih ciljeva laserskim ili rendgenskim zračenjem i stvaranjem mješavine vrlo visoke gustine. Životni vijek u impulsnim sistemima je kratak i određen je slobodnim širenjem mete. Glavni fizički izazov u ovom pravcu kontrolisane fuzije je smanjenje ukupne energije i eksplozije na nivo koji će omogućiti izradu praktičnog fuzijskog reaktora.

Oba tipa sistema već su se približila stvaranju eksperimentalnih mašina sa pozitivnom izlaznom energijom i Q fus > 1, u kojima će se testirati glavni elementi budućih termonuklearnih reaktora. Međutim, prije nego što pređemo na raspravu o fuzijskim uređajima, razmotrit ćemo ciklus goriva budućeg fuzijskog reaktora, koji je u velikoj mjeri nezavisan od specifičnog dizajna sistema.

1) TOKAMAK T-15 je do sada radio samo u režimu sa omskim grejanjem plazme i stoga su parametri plazme dobijeni ovom instalacijom prilično niski. U budućnosti se planira uvođenje 10 MW neutralnog ubrizgavanja i 10 MW elektronskog ciklotronskog grijanja.

2) Zadati Q fus je preračunat iz parametara DD plazme dobijenih u podešavanju na DT plazmu.

I iako eksperimentalni program na ovim TOKAMAK-ima još nije završen, ova generacija mašina je praktično izvršila zadatke koji su joj dodeljeni. TOKAMAK JET i TFTR su po prvi put dobili visoku termonuklearnu snagu DT reakcija u plazmi, 11 MW u TFTR i 16 MW u JET. Na slici 6 prikazane su vremenske zavisnosti termonuklearne snage u DT eksperimentima.

Fig.6. Ovisnost termonuklearne snage od vremena kod rekordnih deuterijum-tricijumskih pražnjenja na JET i TFTR tokamacima.

Ova generacija TOKAMAK-a dostigla je graničnu vrijednost Q fus = 1 i primila nt E samo nekoliko puta nižu od onog potrebnog za puni TOKAMAK reaktor. TOKAMAK-i su naučili da održavaju stacionarnu struju plazme koristeći RF polja i neutralne zrake. Proučavana je fizika zagrijavanja plazme brzim česticama, uključujući termonuklearne alfa čestice, proučavan je rad divertora i razvijeni načini njegovog rada s malim toplinskim opterećenjem. Rezultati ovih studija omogućili su stvaranje fizičkih temelja neophodnih za sljedeći korak - prvi TOKAMAK reaktor, koji će raditi u režimu sagorijevanja.

Koja fizička ograničenja parametara plazme postoje u TOKAMAK-ima?

Maksimalni tlak plazme u TOKAMAK-u ili maksimalna vrijednost β određena je stabilnošću plazme i približno je opisana Trojonovom relacijom,

Gdje β izraženo u %, Ip– struja koja teče u plazmi i β N je bezdimenzionalna konstanta koja se zove Trojonov koeficijent. Parametri u (5) imaju dimenzije MA, T, m. Maksimalne vrijednosti Trojonovog koeficijenta β N= 3÷5, postignuto u eksperimentima, dobro se slaže sa teorijskim predviđanjima zasnovanim na proračunima stabilnosti plazme. Sl.7 prikazuje granične vrijednosti β , dobijen u raznim TOKAMAK-ima.

Fig.7. Poređenje graničnih vrijednosti β postignuto u eksperimentima skaliranja Troyona.

Ako je granična vrijednost prekoračena β , u TOKAMAK plazmi se razvijaju spiralni poremećaji velikih razmjera, plazma se brzo hladi i umire na zidu. Ovaj fenomen se naziva zastoj plazme.

Kao što se može vidjeti na slici 7, TOKAMAK karakteriziraju prilično niske vrijednosti β na nivou od nekoliko procenata. Postoji osnovna mogućnost povećanja vrijednosti β smanjenjem omjera plazme na ekstremno niske vrijednosti R/ a= 1,3÷1,5. Teorija predviđa da u takvim mašinama β može dostići nekoliko desetina posto. Prvi ultra-niski omjer stranica TOKAMAK, START, napravljen prije nekoliko godina u Engleskoj, već je dobio vrijednosti β = 30%. S druge strane, ovi sistemi su tehnički zahtjevniji i zahtijevaju posebna tehnička rješenja za zaštitu toroidnog namotaja, divertora i neutrona. Trenutno se gradi nekoliko većih eksperimentalnih TOKAMAK-a od START-a sa niskim odnosom širine i visine i strujom plazme iznad 1 MA. Očekuje se da će u narednih 5 godina eksperimenti dati dovoljno podataka da bi se razumjelo da li će se postići očekivano poboljšanje parametara plazme i da li će to moći kompenzirati tehničke poteškoće koje se očekuju u ovom pravcu.

Dugotrajne studije zatvaranja plazme u TOKAMAK-ima pokazale su da su procesi prijenosa energije i čestica kroz magnetsko polje determinirani složenim turbulentnim procesima u plazmi. I iako su nestabilnosti plazme odgovorne za anomalne gubitke plazme već identificirane, teorijsko razumijevanje nelinearnih procesa još uvijek nije dovoljno da se opiše životni vijek plazme na osnovu prvih principa. Stoga, da bi se ekstrapolirali životni vijek plazme dobiven u moderne instalacije, u mjerilu reaktora TOKAMAK, trenutno se koriste empirijski zakoni - skaliranja. Jedno od ovih skaliranja (ITER-97(y)), dobijeno statističkom obradom eksperimentalne baze podataka iz različitih TOKAMAK-a, predviđa da životni vijek raste s veličinom plazme, R, strujom plazme I p i elongacijom poprečnog presjeka plazme k = b/ A= 4 i opada sa povećanjem snage grijanja plazme, P:

t E ~ R 2 k 0,9 I r 0,9 / P 0,66

Ovisnost životnog vijeka energije od ostalih parametara plazme je prilično slaba. Slika 8 pokazuje da je životni vijek izmjeren u gotovo svim eksperimentalnim TOKAMAK-ima dobro opisan ovim skaliranjem.

Fig.8. Ovisnost eksperimentalno promatranog životnog vijeka energije o onom predviđenom ITER-97(y) skaliranjem.
Prosječna statistička devijacija eksperimentalnih tačaka od skaliranja je 15%.
Različite oznake odgovaraju različitim TOKAMAK-ima i projektovanom TOKAMAK reaktoru ITER.

Ovo skaliranje predviđa da TOKAMAK u kojem će doći do samoodrživog termonuklearnog sagorijevanja treba imati veliki radijus od 7-8 m i struju plazme od 20 MA. U takvom TOKAMAK-u životni vijek energije prelazi 5 sekundi, a snaga termonuklearnih reakcija bit će na nivou od 1-1,5 GW.

Godine 1998. završen je inženjerski projekat reaktora TOKAMAK ITER. Rad su zajedno izvele četiri strane: Evropa, Rusija, SAD i Japan sa ciljem stvaranja prvog eksperimentalnog reaktora TOKAMAK dizajniranog za termonuklearno sagorevanje mešavine deuterija i tricijuma. Glavni fizički i inženjerski parametri instalacije dati su u tabeli 3, a njen poprečni presek je prikazan na slici 9.

Fig.9. Opšti izgled projektovanog reaktora TOKAMAK ITER.

ITER će već imati sve glavne karakteristike reaktora TOKAMAK. Imaće potpuno supravodljivi magnetni sistem, hlađeni pokrivač i zaštitu od neutronskog zračenja, kao i sistem za daljinsko održavanje instalacije. Pretpostavlja se da će se na prvom zidu dobiti neutronski tokovi gustoće snage od 1 MW/m 2 i ukupnog fluensa od 0,3 MW × yr/m 2, što će omogućiti testiranje nuklearne tehnologije materijala i blanket modula sposobnih za reprodukciju tricijum.

Tabela 3.
Osnovni parametri prvog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora TOKAMAK, ITER.

Planirana je izgradnja ITER-a 2010-2011. Eksperimentalni program, koji će se na ovom eksperimentalnom reaktoru nastaviti dvadesetak godina, obezbijediće plazma-fizičke i nuklearno-tehnološke podatke potrebne za izgradnju prvog demonstracionog reaktora 2030-2035. - TOKAMAK, koji već ima, proizvodiće struju. Glavni zadatak ITER-a će biti demonstracija praktičnosti reaktora TOKAMAK za proizvodnju električne energije i.

Uz TOKAMAK, koji je trenutno najnapredniji sistem za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije, postoje i druge magnetne zamke koje uspješno konkuriraju TOKAMAK-u.

Pored TOKAMAKA i STELLARATORA, eksperimenti se, iako u manjem obimu, nastavljaju na nekim drugim sistemima sa zatvorenim magnetskim konfiguracijama. Među njima treba istaknuti preokrenute štipaljke, SPHEROMAK-e i kompaktne torove. Pinčevi sa obrnutim poljem imaju relativno nisko toroidno magnetno polje. U SPHEROMAK-u ili kompaktnim torusima uopšte nema toroidnog magnetnog sistema. Shodno tome, svi ovi sistemi obećavaju mogućnost stvaranja plazme sa visokom vrijednošću parametara β i, prema tome, može u budućnosti biti privlačan za stvaranje kompaktnih fuzijskih reaktora ili reaktora koji koriste alternativne reakcije, kao što su DHe 3 ili rB, u kojima je potrebno nisko polje da bi se smanjilo magnetsko kočno svjetlo. Trenutni parametri plazme postignuti u ovim zamkama i dalje su znatno niži od onih dobijenih u TOKAMAKS-ima i STELLARATORIMA.

Studija interakcije laserskog zračenja sa materijom pokazala je da lasersko zračenje dobro apsorbuje isparavajuća supstanca ljuske mete do potrebnih gustoća snage od 2÷4 · 10 14 W/cm 2 . Koeficijent apsorpcije može doseći 40÷80% i povećava se sa smanjenjem talasne dužine zračenja. Kao što je gore spomenuto, veliki termonuklearni prinos može se postići ako glavnina goriva ostane hladna tokom kompresije. Da biste to učinili, potrebno je da kompresija bude adijabatska, tj. Neophodno je izbjeći predgrijavanje mete, do kojeg može doći zbog stvaranja energetskih elektrona, udarnih valova ili tvrdih rendgenskih zraka laserskim zračenjem. Brojne studije su pokazale da se ovi neželjeni efekti mogu smanjiti profilisanjem pulsa zračenja, optimizacijom tableta i smanjenjem talasne dužine zračenja. Slika 16, pozajmljena iz rada, prikazuje granice regiona na ravni gustina snage - talasna dužina laseri pogodni za kompresiju cilja.

Slika 16. Područje na ravni parametara u kojem su laseri sposobni komprimirati termonuklearne mete (zasjenjeno).

Prva laserska instalacija (NIF) sa laserskim parametrima dovoljnim za paljenje ciljeva biće izgrađena u SAD 2002. godine. Instalacija će omogućiti proučavanje fizike kompresije ciljeva koji će imati termonuklearni izlaz na nivou od 1-20 MJ i, shodno tome, omogućiće dobijanje visokih vrednosti Q>1.

Iako laseri omogućavaju izvođenje laboratorijskih istraživanja kompresije i paljenja ciljeva, njihov nedostatak je niska efikasnost, koja u najboljem slučaju do sada doseže 1-2%. Pri tako maloj efikasnosti, termonuklearni prinos mete mora premašiti 10 3, što je vrlo težak zadatak. Osim toga, stakleni laseri imaju nisku ponovljivost impulsa. Da bi laseri služili kao pokretači reaktora za fuzijsku elektranu, njihova cijena mora biti smanjena za otprilike dva reda veličine. Stoga su se, paralelno sa razvojem laserske tehnologije, istraživači okrenuli razvoju efikasnijih pokretača - jonskih zraka.

Jonski snopovi

Trenutno se razmatraju dva tipa jonskih snopova: snopovi lakih jona tipa Li, sa energijom od nekoliko desetina MeV, i snopovi teških jona, tipa Pb, sa energijom do 10 GeV. Ako govorimo o reaktorskim aplikacijama, onda je u oba slučaja potrebno dopremiti energiju od nekoliko MJ do cilja polumjera od nekoliko milimetara u vremenu od oko 10 ns. Neophodno je ne samo fokusirati snop, već i moći ga provesti u reaktorskoj komori na udaljenosti od oko nekoliko metara od izlaza akceleratora do mete, što za snopove čestica nije nimalo lak zadatak.

Snopovi lakih jona sa energijama od nekoliko desetina MeV mogu se stvoriti sa relativno visokom efikasnošću. koristeći impulsni napon primijenjen na diodu. Moderna pulsna tehnologija omogućava dobijanje snaga potrebnih za kompresiju ciljeva, pa su snopovi lakih jona najjeftiniji kandidat za vozača. Eksperimenti sa lakim ionima se izvode dugi niz godina u postrojenju PBFA-11 u Nacionalnoj laboratoriji Sandywood u SAD. Postavka omogućava stvaranje kratkih (15 ns) impulsa od 30 MeV Li jona sa vršnom strujom od 3,5 MA i ukupnom energijom od oko 1 MJ. Kućište od velikog Z materijala sa metom u unutrašnjosti postavljeno je u centar sferno simetrične diode, omogućavajući proizvodnju velikog broja radijalno usmjerenih snopova jona. Energija jona je apsorbovana u hohlraum kućištu i poroznom punilu između mete i kućišta i pretvorena je u meko rendgensko zračenje, kompresujući metu.

Očekivalo se da će dobiti gustoću snage veću od 5 × 10 13 W/cm 2 potrebnu za kompresiju i paljenje ciljeva. Međutim, postignute gustine snage bile su otprilike za red veličine niže od očekivanih. Reaktor koji koristi lake jone kao pokretač zahtijeva kolosalne tokove brzih čestica s velikom gustinom čestica u blizini mete. Fokusiranje takvih zraka na milimetarske mete je zadatak ogromne složenosti. Pored toga, laki joni će biti primetno inhibirani u zaostalom gasu u komori za sagorevanje.

Prelazak na teške jone i visoke energije čestica omogućava značajno ublažavanje ovih problema, a posebno smanjenje gustoće struje čestica i time ublažavanje problema fokusiranja čestica. Međutim, da bi se dobile potrebne čestice od 10 GeV, potrebni su ogromni akceleratori sa akumulatorima čestica i druga složena oprema za ubrzanje. Pretpostavimo da je ukupna energija zraka 3 MJ, vrijeme impulsa 10 ns, a područje na koje treba fokusirati snop je krug polumjera 3 mm. Komparativni parametri hipotetičkih pokretača za ciljnu kompresiju dati su u tabeli 6.

Tabela 6.
Komparativne karakteristike drajveri za lake i teške jone.

*) – u ciljnom području

Snopovi teških jona, kao i lakih jona, zahtijevaju upotrebu hohlrauma, u kojem se energija iona pretvara u rendgensko zračenje, koje ravnomjerno zrači samu metu. Dizajn hohlrauma za snop teških jona se samo malo razlikuje od hohlrauma za lasersko zračenje. Razlika je u tome što za zrake nisu potrebne rupe kroz koje laserski zraci prodiru u hohlraum. Stoga se u slučaju snopova koriste posebni apsorberi čestica, koji svoju energiju pretvaraju u rendgensko zračenje. Jedna moguća opcija je prikazana na slici 14b. Ispostavilo se da efikasnost konverzije opada sa povećanjem energije i jona i povećanjem veličine područja na koje je snop fokusiran. Stoga je povećanje energije i čestica iznad 10 GeV nepraktično.

Trenutno, kako u Evropi tako i u SAD-u, odlučeno je da se glavni napori usmjere na razvoj drajvera zasnovanih na snopovima teških jona. Očekuje se da će ovi drajveri biti razvijeni do 2010-2020 i, ako budu uspešni, zameniti lasere u instalacijama NIF sledeće generacije. Do sada, akceleratori potrebni za inercijsku fuziju ne postoje. Glavna poteškoća u njihovom stvaranju povezana je s potrebom povećanja gustoće toka čestica do razine na kojoj prostorna gustina naboja jona već značajno utječe na dinamiku i fokusiranje čestica. Kako bi se smanjio efekat prostornog naboja, predlaže se stvaranje većeg broja paralelnih snopova, koji će biti povezani u reaktorskoj komori i usmjereni prema meti. Tipična veličina linearnog akceleratora je nekoliko kilometara.

Kako treba provoditi snopove jona na udaljenosti od nekoliko metara u reaktorskoj komori i fokusirati ih na područje veličine nekoliko milimetara? Jedna moguća shema je samofokusiranje zraka, što se može dogoditi u plinu niskog pritiska. Snop će izazvati jonizaciju gasa i kompenzacionu protivelektričnu struju koja teče kroz plazmu. Azimutalno magnetno polje, koje stvara rezultujuća struja (razlika između struje snopa i reverzne struje plazme), dovešće do radijalne kompresije snopa i njegovog fokusiranja. Numeričko modeliranje pokazuje da je, u principu, takva shema moguća ako se tlak plina održava u željenom rasponu od 1-100 Torr.

I iako snopovi teških jona nude mogućnost stvaranja efikasnog pokretača za fuzijski reaktor, oni se suočavaju s ogromnim tehničkim izazovima koje tek treba savladati prije nego što se postigne cilj. Za termonuklearne primjene potreban je akcelerator koji će stvoriti snop jona od 10 GeV sa vršnom strujom od nekoliko desetina svemirskih letjelica i prosječnom snagom od oko 15 MW. Zapremina magnetnog sistema takvog akceleratora je uporediva sa zapreminom magnetnog sistema reaktora TOKAMAK i stoga se može očekivati ​​da će njihovi troškovi biti istog reda.

Komora pulsnog reaktora

Za razliku od reaktora s magnetnom fuzijom, gdje je potreban visok vakuum i čistoća plazme, takvi zahtjevi nisu nametnuti komori pulsnog reaktora. Glavne tehnološke poteškoće u stvaranju impulsnih reaktora leže u području pogonske tehnologije, stvaranja preciznih meta i sistema koji omogućavaju hranjenje i kontrolu položaja mete u komori. Sama komora pulsnog reaktora ima relativno jednostavan dizajn. Većina projekata uključuje korištenje tekućeg zida stvorenog otvorenim rashladnim sredstvom. Na primjer, dizajn reaktora HYLIFE-11 koristi rastopljenu sol Li 2 BeF 4, tečnu zavjesu iz koje okružuje područje gdje mete stižu. Tečni zid će apsorbovati neutronsko zračenje i isprati ostatke meta. Takođe prigušuje pritisak mikroeksplozija i ravnomerno ga prenosi na glavni zid komore. Karakterističan vanjski prečnik komore je oko 8 m, a visina oko 20 m.

Ukupni protok rashladne tečnosti procjenjuje se na oko 50 m 3 /s, što je sasvim izvodljivo. Pretpostavlja se da će pored glavnog, stacionarnog toka, u komori biti napravljen i pulsni tečni zatvarač, koji će se otvarati sinhronizovano sa napajanjem mete frekvencijom od oko 5 Hz za prenošenje snopa teških jona.

Potrebna ciljna preciznost hranjenja je frakcija milimetara. Očigledno je da je pasivno isporučivanje mete na udaljenosti od nekoliko metara sa takvom preciznošću u komori u kojoj će doći do turbulentnih tokova gasa izazvanih eksplozijama prethodnih ciljeva, praktično nemoguć zadatak. Stoga će reaktoru biti potreban kontrolni sistem koji omogućava praćenje položaja mete i dinamičko fokusiranje zraka. U principu, takav zadatak je izvodljiv, ali može značajno zakomplicirati upravljanje reaktorom.

Termonuklearni reaktor još ne radi i neće raditi uskoro. Ali naučnici već znaju tačno kako to funkcioniše.

Teorija

Helijum-3, jedan od izotopa helijuma, može se koristiti kao gorivo za termonuklearni reaktor. Rijetka je na Zemlji, ali je veoma bogata na Mjesecu. Ovo je radnja istoimenog filma Duncan Jonesa. Ako čitate ovaj članak, onda će vam se film sigurno svidjeti.

Reakcija nuklearne fuzije je kada se dvije male atomske jezgre spoje u jednu veliku. Ovo je suprotna reakcija. Na primjer, možete razbiti dvije jezgre vodika zajedno da napravite helijum.

Kod takve reakcije oslobađa se ogromna količina energije zbog razlike u masi: masa čestica prije reakcije veća je od mase rezultirajućeg velikog jezgra. Ova masa se pretvara u energiju zahvaljujući.

Ali da bi došlo do fuzije dvaju jezgara, potrebno je savladati njihovu silu elektrostatičkog odbijanja i snažno ih pritisnuti jedno na drugo. A na malim udaljenostima, reda veličine jezgri, djeluju mnogo veće nuklearne sile, zbog kojih se jezgre privlače jedna drugoj i spajaju u jedno veliko jezgro.

Stoga se reakcija termonuklearne fuzije može odvijati samo na vrlo visokim temperaturama, tako da je brzina jezgara takva da kada se sudare, imaju dovoljno energije da se približe jedna drugoj da nuklearne sile djeluju i da dođe do reakcije. . Odatle dolazi "termo" u nazivu.

Vježbajte

Gdje ima energije, ima i oružja. Tokom hladni rat SSSR i SAD razvili su termonuklearne (ili hidrogenske) bombe. Ovo je najrazornije oružje koje je stvorilo čovječanstvo, teoretski može uništiti Zemlju.

Temperatura je glavna prepreka korištenju termonuklearne energije u praksi. Ne postoje materijali koji mogu zadržati ovu temperaturu, a da se ne otope.

Ali postoji izlaz, možete zadržati plazmu zahvaljujući jakoj energiji. U posebnim tokamacima, plazma se može držati u obliku krofne pomoću ogromnih, snažnih magneta.

Fuzijska elektrana je sigurna, ekološki prihvatljiva i vrlo ekonomična. Može riješiti sve energetske probleme čovječanstva. Sve što je preostalo je naučiti kako se grade termonuklearne elektrane.

Međunarodni eksperimentalni fuzijski reaktor

Izgradnja fuzijskog reaktora je veoma teška i veoma skupa. Da bi riješili tako grandiozan zadatak, udružili su svoje napore naučnici iz nekoliko zemalja: Rusije, SAD-a, zemalja EU, Japana, Indije, Kine, Republike Koreje i Kanade.

U Francuskoj se trenutno gradi eksperimentalni tokamak, koštat će oko 15 milijardi dolara, prema planovima će biti završen do 2019. godine, a eksperimenti će se na njemu izvoditi do 2037. godine. Ako budu uspješni, onda ćemo možda još imati vremena da živimo u sretnoj eri termonuklearne energije.

Zato se koncentrišite jače i počnite da se veselite rezultatima eksperimenata, ovo nije drugi iPad koji čekate – budućnost čovječanstva je u pitanju.

Bez pretjerivanja, međunarodni eksperimentalni termonuklearni reaktor ITER može se nazvati najznačajnijim istraživački projekat modernosti. Što se tiče obima izgradnje, lako će zasjeniti Veliki hadronski sudarač, a ako bude uspješan, označit će mnogo veći korak za cijelo čovječanstvo od leta na Mjesec. Zaista, potencijalno kontrolirana termonuklearna fuzija je gotovo neiscrpan izvor neviđeno jeftine i čiste energije.

Ovog ljeta bilo je nekoliko dobrih razloga da se osvijestimo o tehničkim detaljima projekta ITER. Prvo, jedan grandiozni poduhvat, čijim se zvaničnim početkom smatra susret Mihaila Gorbačova i Ronalda Regana 1985. godine, dobija materijalno oličenje pred našim očima. Projektovanje reaktora nove generacije uz učešće Rusije, SAD, Japana, Kine, Indije, Južne Koreje i Evropske unije trajalo je više od 20 godina. Danas ITER više nije kilogram tehničke dokumentacije, već 42 hektara (1 km sa 420 m) idealno ravna povrsina jedna od najvećih svjetskih platformi koje je napravio čovjek, smještena u francuskom gradu Cadarache, 60 km sjeverno od Marseillea. Kao i temelj budućeg reaktora od 360.000 tona, koji se sastoji od 150.000 kubnih metara betona, 16.000 tona armature i 493 stuba sa gumeno-metalnim antiseizmičkim premazom. I, naravno, hiljade sofisticiranih naučnih instrumenata i istraživačkih objekata raštrkanih po univerzitetima širom svijeta.

Mart 2007. Prva fotografija buduće ITER platforme iz zraka.

Proizvodnja ključnih komponenti reaktora je uveliko u toku. Francuska je u proljeće prijavila proizvodnju 70 okvira za toroidne namotaje u obliku slova D, a u junu je počelo namotavanje prvih namotaja supravodljivih kablova, dobijenih iz Rusije od Instituta za kablovsku industriju u Podolsku.

Drugi dobar razlog da se sada prisjetimo ITER-a je politički. Reaktor nove generacije je test ne samo za naučnike, već i za diplomate. Ovo je toliko skup i tehnički složen projekat da ga nijedna zemlja na svijetu ne može sama izvesti. Sposobnost država da postignu sporazum između sebe iu naučnoj i u finansijskoj sferi određuje da li će se stvar završiti.

Mart 2009. 42 hektara nivelisanog terena čeka početak izgradnje naučnog kompleksa.

Vijeće ITER-a je bilo zakazano za 18. jun u Sankt Peterburgu, ali je američki State Department, u sklopu sankcija, zabranio američkim naučnicima da posjete Rusiju. Uzimajući u obzir činjenicu da sama ideja tokamaka (toroidalne komore sa magnetnim zavojnicama, koja je osnova ITER-a) pripada sovjetskom fizičaru Olegu Lavrentievu, učesnici projekta su ovu odluku tretirali kao kuriozitet i jednostavno pomerili sastanak u Cadarache istog datuma. Ovi događaji su još jednom podsjetili cijeli svijet da je Rusija (uz Južnu Koreju) najodgovornija za ispunjavanje svojih obaveza prema projektu ITER.

Februar 2011. Izbušeno je više od 500 rupa u seizmičkom izolacionom oknu, sve podzemne šupljine ispunjene su betonom.

Naučnici pale

Izraz "fuzijski reaktor" mnoge ljude čini opreznim. Asocijativni lanac je jasan: termonuklearna bomba je strašnija od nuklearne, što znači da je termonuklearni reaktor opasniji od Černobila.

Zapravo, nuklearna fuzija, na kojoj se zasniva princip rada tokamaka, mnogo je sigurnija i efikasnija od nuklearne fisije koja se koristi u modernim nuklearnim elektranama. Fuziju koristi sama priroda: Sunce nije ništa drugo do prirodni termonuklearni reaktor.

ASDEX tokamak, izgrađen 1991. u njemačkom Institutu Max Planck, koristi se za testiranje različitih materijala prednjeg zida reaktora, posebno volframa i berilijuma. Zapremina plazme u ASDEX-u je 13 m 3, skoro 65 puta manje nego u ITER-u.

Reakcija uključuje jezgre deuterija i tritijuma - izotope vodika. Jezgro deuterija se sastoji od protona i neutrona, a jezgro tricijuma se sastoji od protona i dva neutrona. U normalnim uslovima, jednako nabijena jezgra se odbijaju, ali vrlo visoke temperature mogu se sudariti.

Nakon sudara dolazi do snažne interakcije koja je odgovorna za kombinovanje protona i neutrona u jezgra. Pojavljuje se jezgro novog hemijskog elementa — helijuma. U tom slučaju nastaje jedan slobodni neutron i oslobađa se velika količina energije. Energija jake interakcije u jezgri helijuma je manja nego u jezgrima matičnih elemenata. Zbog toga nastalo jezgro čak gubi masu (prema teoriji relativnosti, energija i masa su ekvivalentne). Podsjećajući na poznatu jednačinu E = mc 2, gdje je c brzina svjetlosti, može se zamisliti kolosalan energetski potencijal nuklearne fuzije.

kolovoza 2011. Počelo je izlivanje monolitne armirano-betonske seizmoizolacione ploče.

Da bi se prevladala sila međusobnog odbijanja, početna jezgra moraju se kretati vrlo brzo, tako da temperatura igra ključnu ulogu u nuklearnoj fuziji. U središtu Sunca proces se odvija na temperaturi od 15 miliona stepeni Celzijusa, ali ga olakšava kolosalna gustina materije usled dejstva gravitacije. Kolosalna masa zvijezde čini je efikasnim termonuklearnim reaktorom.

Na Zemlji nije moguće stvoriti takvu gustinu. Sve što možemo je povećati temperaturu. Da bi izotopi vodonika oslobodili energiju svojih jezgara zemljanima, potrebna je temperatura od 150 miliona stepeni, odnosno deset puta viša nego na Suncu.

Nijedan čvrsti materijal u Univerzumu ne može doći u direktan kontakt s takvom temperaturom. Dakle, samo izgradnja peći za kuvanje helijuma neće raditi. Ista toroidna komora sa magnetnim zavojnicama, ili tokamak, pomaže u rješavanju problema. Ideja o stvaranju tokamaka osvanula je u pameti naučnika iz različitih zemalja početkom 1950-ih, dok se primat jasno pripisuje sovjetskom fizičaru Olegu Lavrentjevu i njegovim eminentnim kolegama Andreju Saharovu i Igoru Tamu.

Vakumska komora u obliku torusa (šuplje krofne) okružena je supravodljivim elektromagnetima, koji u njoj stvaraju toroidno magnetsko polje. To je polje koje drži plazmu, vruću do deset puta više od sunca, na određenoj udaljenosti od zidova komore. Zajedno sa centralnim elektromagnetom (induktorom), tokamak je transformator. Promjenom struje u induktoru stvaraju strujni tok u plazmi - kretanje čestica neophodnih za sintezu.

Februar 2012. Postavljeno je 493 stupova od 1,7 metara sa seizmičkim izolacijskim podlogama od gumeno-metalnog sendviča.

Tokamak se s pravom može smatrati uzorom tehnološke elegancije. Električna struja koja teče u plazmi stvara poloidno magnetsko polje koje okružuje plazma kabel i održava njegov oblik. Plazma postoji pod strogo definisanim uslovima i pri najmanjoj promeni reakcija odmah prestaje. Za razliku od reaktora nuklearne elektrane, tokamak ne može "podivljati" i nekontrolirano povećavati temperaturu.

U malo vjerovatnom slučaju uništenja tokamaka, nema radioaktivne kontaminacije. Za razliku od nuklearne elektrane, termonuklearni reaktor ne proizvodi radioaktivni otpad, a jedini proizvod reakcije fuzije - helijum - nije staklenički plin i koristan je u domaćinstvu. Konačno, tokamak troši gorivo vrlo štedljivo: tokom sinteze u vakuumskoj komori se nalazi samo nekoliko stotina grama supstance, a procijenjena godišnja zaliha goriva za industrijsku elektranu je samo 250 kg.

April 2014. Završena izgradnja zgrade kriostata, izliveni zidovi temelja tokamaka debljine 1,5 metara.

Zašto nam je potreban ITER?

Tokamaci gore opisanog klasičnog dizajna građeni su u SAD-u i Evropi, Rusiji i Kazahstanu, Japanu i Kini. Uz njihovu pomoć bilo je moguće dokazati fundamentalnu mogućnost stvaranja visokotemperaturne plazme. Međutim, izgradnja industrijskog reaktora sposobnog da isporuči više energije nego što troši je zadatak fundamentalno drugačijeg obima.

U klasičnom tokamaku strujni tok u plazmi nastaje promjenom struje u induktoru, a taj proces ne može biti beskonačan. Stoga je životni vijek plazme ograničen, a reaktor može raditi samo u impulsnom režimu. Za paljenje plazme potrebna je ogromna energija - nije šala zagrijati bilo šta na temperaturu od 150.000.000 °C. To znači da je potrebno postići životni vijek plazme koji će proizvoditi energiju koja plaća paljenje.

Fuzijski reaktor je elegantan tehnički koncept s minimalnim negativnim nuspojavama. Protok struje u plazmi spontano formira poloidno magnetno polje koje održava oblik plazma filamenta, a rezultujući visokoenergetski neutroni se kombinuju sa litijumom da bi proizveli plemeniti tricijum.

Na primjer, 2009. godine, tokom eksperimenta na kineskom tokamaku EAST (dio projekta ITER), bilo je moguće održavati plazmu na temperaturi od 10 7 K 400 sekundi i 10 8 K 60 sekundi.

Da bi se plazma duže držala, potrebni su dodatni grijači nekoliko vrsta. Svi oni će biti testirani na ITER-u. Prva metoda - ubrizgavanje neutralnih atoma deuterija - pretpostavlja da će atomi ući u plazmu unaprijed ubrzani do kinetičke energije od 1 MeV pomoću dodatnog akceleratora.

Ovaj proces je u početku kontradiktoran: samo se nabijene čestice mogu ubrzati (na njih djeluje elektromagnetno polje), a samo neutralne se mogu uvesti u plazmu (inače će utjecati na protok struje unutar plazma kabela). Stoga se elektron prvo uklanja iz atoma deuterija, a pozitivno nabijeni ioni ulaze u akcelerator. Čestice zatim ulaze u neutralizator, gdje se interakcijom s ioniziranim plinom redukuju u neutralne atome i uvode u plazmu. ITER meganaponski injektor trenutno se razvija u Padovi, Italija.

Drugi način zagrijavanja ima nešto zajedničko sa zagrijavanjem hrane u mikrovalnoj pećnici. Uključuje izlaganje plazme elektromagnetnom zračenju sa frekvencijom koja odgovara brzini kretanja čestica (ciklotronska frekvencija). Za pozitivne jone ova frekvencija je 40-50 MHz, a za elektrone 170 GHz. Za stvaranje snažnog zračenja tako visoke frekvencije koristi se uređaj koji se zove žirotron. Devet od 24 ITER žirotrona proizvodi se u Gycom pogonu u Nižnjem Novgorodu.

Klasični koncept tokamaka pretpostavlja da oblik plazma filamenta podržava poloidno magnetno polje, koje se samo formira kada struja teče u plazmi. Ovaj pristup nije primjenjiv za dugotrajno zadržavanje plazme. ITER tokamak ima posebne zavojnice s poloidnim poljem, čija je svrha da drži vruću plazmu dalje od zidova reaktora. Ovi namotaji su među najmasivnijim i najsloženijim strukturnim elementima.

Kako bi mogli aktivno kontrolirati oblik plazme, brzo eliminirajući vibracije na rubovima kabela, programeri su obezbijedili mala elektromagnetna kola male snage koja se nalaze direktno u vakuumskoj komori, ispod kućišta.

Infrastruktura za fuzijsko gorivo je zasebna zanimljiva tema. Deuterijum se nalazi u gotovo svakoj vodi, a njegove se rezerve mogu smatrati neograničenim. Ali svjetske rezerve tritijuma iznose desetine kilograma. 1 kg tricijuma košta oko 30 miliona dolara Za prva lansiranja ITER-a biće potrebno 3 kg tricijuma. Poređenja radi, oko 2 kg tritijuma godišnje je potrebno za održavanje nuklearnih sposobnosti vojske Sjedinjenih Država.

Međutim, u budućnosti će reaktor sam sebi osigurati tritij. Glavna reakcija fuzije proizvodi neutrone visoke energije koji su sposobni da pretvore jezgre litijuma u tricijum. Razvoj i testiranje prvog zida litijumskog reaktora jedan je od najvažnijih ciljeva ITER-a. Prvi testovi će koristiti berilijum-bakarnu oblogu, čija je svrha da zaštiti mehanizme reaktora od toplote. Prema proračunima, čak i ako cijeli energetski sektor planete prebacimo na tokamake, svjetske rezerve litijuma bit će dovoljne za hiljadu godina rada.

Priprema ITER staze od 104 kilometra koštala je Francusku 110 miliona eura i četiri godine rada. Put od luke Fos-sur-Mer do Cadarachea je proširen i ojačan kako bi najteži i najveći dijelovi tokamaka mogli biti dopremljeni na lokaciju. Na fotografiji: transporter sa probnim teretom težine 800 tona.

Iz svijeta preko tokamaka

Precizna kontrola fuzijskog reaktora zahtijeva precizne dijagnostičke alate. Jedan od ključnih zadataka ITER-a je da od pet desetina instrumenata koji se trenutno testiraju odabere najprikladniji i da započne razvoj novih.

U Rusiji će biti razvijeno najmanje devet dijagnostičkih uređaja. Tri se nalaze na moskovskom institutu Kurčatov, uključujući analizator neutronskog snopa. Ubrzivač šalje fokusirani tok neutrona kroz plazmu, koji prolazi kroz spektralne promjene i hvata ga sistem za prijem. Spektrometrija sa frekvencijom od 250 mjerenja u sekundi pokazuje temperaturu i gustinu plazme, jačinu električnog polja i brzinu rotacije čestica - parametre potrebne za kontrolu reaktora za dugotrajno zadržavanje plazme.

Istraživački institut Ioffe priprema tri instrumenta, uključujući analizator neutralnih čestica koji hvata atome iz tokamaka i pomaže u praćenju koncentracije deuterija i tritijuma u reaktoru. Preostali uređaji će se proizvoditi u Trinityju, gdje se trenutno proizvode dijamantski detektori za vertikalnu neutronsku komoru ITER. Svi navedeni instituti koriste svoje tokamake za testiranje. A u termalnoj komori Efremov NIIEFA testiraju se fragmenti prvog zida i diverterska meta budućeg reaktora ITER.

Nažalost, činjenica da mnoge komponente budućeg mega-reaktora već postoje u metalu ne znači nužno da će reaktor biti izgrađen. U protekloj deceniji procijenjeni trošak projekta narastao je sa 5 na 16 milijardi eura, a planirano prvo pokretanje odgođeno je sa 2010. na 2020. godinu. Sudbina ITER-a u potpunosti zavisi od realnosti naše sadašnjosti, prvenstveno ekonomske i političke. U međuvremenu, svaki naučnik uključen u projekat iskreno vjeruje da njegov uspjeh može promijeniti našu budućnost do neprepoznatljivosti.