Reattore termonucleare internazionale. Road to the Sun: costruzione mondiale di un reattore a fusione in Francia. Fusione fredda

ITER - Reattore termonucleare internazionale (ITER)

Il consumo umano di energia cresce ogni anno, il che spinge il settore energetico verso uno sviluppo attivo. Pertanto, con l'emergere delle centrali nucleari, la quantità di energia generata in tutto il mondo è aumentata in modo significativo, il che ha permesso di utilizzare in sicurezza l'energia per tutti i bisogni dell'umanità. Ad esempio, il 72,3% dell'elettricità generata in Francia proviene da centrali nucleari, in Ucraina - 52,3%, in Svezia - 40,0%, nel Regno Unito - 20,4%, in Russia - 17,1%. Tuttavia, la tecnologia non si ferma e, per soddisfare l'ulteriore fabbisogno energetico dei paesi futuri, gli scienziati stanno lavorando a una serie di progetti innovativi, uno dei quali è ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Sebbene la redditività di questo impianto sia ancora in discussione, secondo il lavoro di molti ricercatori, la creazione e il successivo sviluppo della tecnologia di fusione termonucleare controllata possono tradursi in una fonte di energia potente e sicura. Diamo un'occhiata ad alcuni degli aspetti positivi di tale installazione:

• Il combustibile principale di un reattore termonucleare è l'idrogeno, il che significa riserve praticamente inesauribili di combustibile nucleare.
• L’idrogeno può essere prodotto trattando l’acqua di mare, disponibile nella maggior parte dei paesi. Ne consegue che non può sorgere un monopolio sulle risorse combustibili.
• La probabilità di un'esplosione di emergenza durante il funzionamento di un reattore termonucleare è molto inferiore rispetto a durante il funzionamento di un reattore nucleare. Secondo i ricercatori, anche in caso di incidente, le emissioni di radiazioni non rappresenteranno un pericolo per la popolazione, il che significa che non sarà necessaria l'evacuazione.
• A differenza dei reattori nucleari, i reattori a fusione producono rifiuti radioattivi che hanno un breve tempo di dimezzamento, il che significa che decade più velocemente. Inoltre, non ci sono prodotti di combustione nei reattori termonucleari.
• Un reattore a fusione non richiede materiali utilizzati anche per le armi nucleari. Ciò elimina la possibilità di nascondere la produzione di armi nucleari trasformando materiali per le esigenze di un reattore nucleare.

Reattore termonucleare - vista interna

Tuttavia, ci sono anche una serie di carenze tecniche che i ricercatori incontrano costantemente.

Ad esempio, l'attuale versione del carburante, presentata sotto forma di una miscela di deuterio e trizio, richiede lo sviluppo di nuove tecnologie. Ad esempio, al termine della prima serie di test presso il reattore termonucleare JET, il più grande fino ad oggi, il reattore è diventato così radioattivo che per completare l'esperimento è stato ulteriormente necessario lo sviluppo di uno speciale sistema di manutenzione robotica. Un altro fattore deludente nel funzionamento di un reattore termonucleare è la sua efficienza: 20%, mentre l'efficienza di una centrale nucleare è del 33-34% e di una centrale termica è del 40%.

Creazione del progetto ITER e lancio del reattore

Il progetto ITER risale al 1985, quando Unione Sovietica ha proposto la creazione congiunta di un tokamak, una camera toroidale con bobine magnetiche in grado di trattenere il plasma mediante magneti, creando così le condizioni necessarie affinché avvenga la reazione di fusione termonucleare. Nel 1992 è stato firmato un accordo quadripartito sullo sviluppo di ITER, al quale hanno aderito UE, USA, Russia e Giappone. Nel 1994 si è unita al progetto la Repubblica del Kazakistan, nel 2001 il Canada, nel 2003 la Corea del Sud e la Cina, nel 2005 l'India. Nel 2005 è stato determinato il luogo per la costruzione del reattore: il Centro di ricerca sull'energia nucleare di Cadarache, in Francia.

La costruzione del reattore iniziò con la preparazione di una fossa per la fondazione. Quindi i parametri della fossa erano 130 x 90 x 17 metri. L'intero complesso del tokamak peserà 360.000 tonnellate, di cui 23.000 tonnellate saranno il tokamak stesso.

Vari elementi del complesso ITER saranno sviluppati e consegnati al cantiere da tutto il mondo. Così nel 2016 sono stati sviluppati in Russia parte dei conduttori per bobine poloidali, che sono stati poi inviati in Cina, che produrrà le bobine stesse.

Ovviamente, un lavoro così vasto non è affatto facile da organizzare; diversi paesi non sono riusciti più volte a rispettare il programma del progetto, per cui il lancio del reattore è stato costantemente rinviato. Quindi, secondo il messaggio di giugno dello scorso anno (2016): “la ricezione del primo plasma è prevista per dicembre 2025”.

Il meccanismo operativo del tokamak ITER

Il termine "tokamak" deriva da un acronimo russo che significa "camera toroidale con bobine magnetiche".

Il cuore di un tokamak è la sua camera a vuoto a forma di toro. All'interno, a temperature e pressioni estreme, l'idrogeno gassoso diventa plasma, un gas caldo e carico elettricamente. Come è noto, la materia stellare è rappresentata dal plasma e le reazioni termonucleari nel nucleo solare avvengono proprio in condizioni di temperatura e pressione elevate. Condizioni simili per la formazione, la ritenzione, la compressione e il riscaldamento del plasma vengono create mediante massicce bobine magnetiche che si trovano attorno a un recipiente a vuoto. L'influenza dei magneti limiterà il plasma caldo dalle pareti del recipiente.

Prima che il processo abbia inizio, l'aria e le impurità vengono rimosse dalla camera a vuoto. I sistemi magnetici che aiuteranno a controllare il plasma vengono quindi caricati e viene introdotto il combustibile gassoso. Quando una potente corrente elettrica viene fatta passare attraverso il recipiente, il gas viene diviso elettricamente e viene ionizzato (cioè gli elettroni lasciano gli atomi) e forma un plasma.

Quando le particelle del plasma vengono attivate e si scontrano, iniziano anche a riscaldarsi. Le tecniche di riscaldamento assistito aiutano a portare il plasma a temperature comprese tra 150 e 300 milioni di ° C. Le particelle "eccitate" a questo livello possono superare la loro naturale repulsione elettromagnetica in caso di collisione, tali collisioni rilasciano enormi quantità di energia.

Il design del tokamak è costituito dai seguenti elementi:

Recipiente a vuoto

("ciambella") è una camera toroidale in acciaio inossidabile. Il suo diametro grande è di 19 m, quello piccolo è di 6 m e la sua altezza è di 11 m. Il volume della camera è di 1.400 m 3 e il suo peso è di oltre 5.000 tonnellate. Le pareti del recipiente a vuoto sono doppie; tra le pareti circolerà il liquido refrigerante, che sarà acqua distillata. Per evitare la contaminazione dell'acqua, la parete interna della camera è protetta dalle radiazioni radioattive mediante una coperta.

Coperta

(“coperta”) – è composta da 440 frammenti che ricoprono la superficie interna della camera. La superficie totale del banchetto è di 700 m2. Ogni frammento è una sorta di cassetta, il cui corpo è in rame e la parete frontale è rimovibile e in berillio. I parametri delle cassette sono 1x1,5 me la massa non supera le 4,6 tonnellate e tali cassette al berillio rallenteranno i neutroni ad alta energia formati durante la reazione. Durante la moderazione dei neutroni, il calore verrà rilasciato e rimosso dal sistema di raffreddamento. Va notato che la polvere di berillio formata a seguito del funzionamento del reattore può causare una grave malattia chiamata berillio e ha anche un effetto cancerogeno. Per questo motivo nel complesso si stanno sviluppando rigide misure di sicurezza.

Tokamak nella sezione. Giallo - solenoide, arancione - magneti a campo toroidale (TF) e campo poloidale (PF), blu - coperta, azzurro - VV - recipiente a vuoto, viola - divertore

(“posacenere”) di tipo poloidale è un dispositivo il cui compito principale è quello di “pulire” il plasma dallo sporco risultante dal riscaldamento e dall'interazione con esso delle pareti della camera ricoperte di coperta. Quando tali contaminanti entrano nel plasma, iniziano a irradiarsi intensamente, provocando ulteriori perdite di radiazioni. Si trova nella parte inferiore del tokomak e utilizza dei magneti per dirigere gli strati superiori di plasma (che sono i più contaminati) nella camera di raffreddamento. Qui il plasma si raffredda e si trasforma in gas, dopodiché viene pompato fuori dalla camera. La polvere di berillio, dopo essere entrata nella camera, non è praticamente in grado di tornare al plasma. Pertanto, la contaminazione del plasma rimane solo in superficie e non penetra più in profondità.

Criostato

- il componente più grande del tokomak, che è un guscio di acciaio inossidabile con un volume di 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) e una massa di 3.850 tonnellate. Altri elementi del sistema saranno collocati all'interno del criostato e esso stesso serve come barriera tra il tokamak e l'ambiente esterno. Sulle sue pareti interne saranno applicati schermi termici raffreddati mediante circolazione di azoto alla temperatura di 80 K (-193,15 °C).

Sistema magnetico

– un insieme di elementi che servono a contenere e controllare il plasma all'interno di un recipiente a vuoto. È un insieme di 48 elementi:

• Le bobine di campo toroidale si trovano all'esterno della camera a vuoto e all'interno del criostato. Presentate in 18 pezzi, ciascuno dei quali misura 15 x 9 metri e pesa circa 300 tonnellate, insieme generano un campo magnetico di 11,8 Tesla attorno al toro di plasma e immagazzinano un'energia di 41 GJ.
• Bobine di campo poloidale – situate sopra le bobine di campo toroidale e all'interno del criostato. Queste bobine sono responsabili della generazione di un campo magnetico che separa la massa del plasma dalle pareti della camera e comprime il plasma per il riscaldamento adiabatico. Il numero di tali bobine è 6. Due delle bobine hanno un diametro di 24 me una massa di 400 tonnellate, le restanti quattro sono leggermente più piccole.
• Il solenoide centrale è situato nella parte interna della camera toroidale, ovvero nel “foro della ciambella”. Il principio del suo funzionamento è simile a quello di un trasformatore e il compito principale è eccitare la corrente induttiva nel plasma.
• Le bobine di correzione si trovano all'interno del recipiente del vuoto, tra la coperta e la parete della camera. Il loro compito è mantenere la forma del plasma, capace di “rigonfiarsi” localmente e persino di toccare le pareti del vaso. Permette di ridurre il livello di interazione delle pareti della camera con il plasma, e quindi il livello della sua contaminazione, e riduce inoltre l'usura della camera stessa.

Struttura del complesso ITER

Il design del tokamak sopra descritto “in poche parole” è un meccanismo innovativo altamente complesso assemblato grazie agli sforzi di diversi paesi. Tuttavia, per il suo pieno funzionamento è necessario un intero complesso di edifici situati vicino al tokamak. Tra loro:

• Sistema di Controllo, Accesso ai Dati e Comunicazione – CODAC. Situato in una serie di edifici del complesso ITER.
• Stoccaggio e sistema di alimentazione del carburante: serve per fornire carburante al tokamak.
• Sistema del vuoto - è costituito da oltre quattrocento pompe a vuoto, il cui compito è pompare i prodotti della reazione termonucleare, nonché vari contaminanti dalla camera a vuoto.
• Sistema criogenico – rappresentato da un circuito di azoto ed elio. Il circuito dell'elio normalizzerà la temperatura nel tokamak, il cui lavoro (e quindi la temperatura) non avviene in modo continuo, ma a impulsi. Il circuito dell'azoto raffredderà gli scudi termici del criostato e lo stesso circuito dell'elio. Sarà inoltre presente un sistema di raffreddamento ad acqua, finalizzato ad abbassare la temperatura delle pareti della coperta.
• Alimentazione elettrica. Il tokamak richiederà circa 110 MW di energia per funzionare ininterrottamente. Per raggiungere questo obiettivo verranno installate linee elettriche lunghe un chilometro e collegate alla rete industriale francese. Vale la pena ricordare che l'impianto sperimentale ITER non prevede la produzione di energia, ma opera solo per interessi scientifici.

Finanziamento ITER

Il reattore termonucleare internazionale ITER è un’impresa piuttosto costosa, inizialmente stimata in 12 miliardi di dollari, di cui Russia, Stati Uniti, Corea, Cina e India rappresentano 1/11 della somma, Giappone 2/11 e UE 4. /11 . Tale importo è successivamente aumentato a 15 miliardi di dollari. È interessante notare che il finanziamento avviene attraverso la fornitura delle attrezzature necessarie per il complesso, che viene sviluppato in ciascun paese. Pertanto, la Russia fornisce coperte, dispositivi per il riscaldamento del plasma e magneti superconduttori.

Prospettiva del progetto

Attualmente sono in corso la costruzione del complesso ITER e la produzione di tutti i componenti necessari per il tokamak. Dopo il lancio previsto del tokamak nel 2025, inizieranno una serie di esperimenti, sulla base dei risultati dei quali si noteranno gli aspetti che richiedono miglioramenti. Dopo il successo della messa in servizio di ITER, si prevede di costruire una centrale elettrica basata sulla fusione termonucleare denominata DEMO (DEMOnstration Power Plant). L'obiettivo di DEMo è dimostrare il cosiddetto "attrattiva commerciale" dell'energia da fusione. Se ITER è in grado di generare solo 500 MW di energia, DEMO sarà in grado di generare continuamente un'energia di 2 GW.

Va però tenuto presente che l’impianto sperimentale ITER non produrrà energia e il suo scopo è ottenere benefici puramente scientifici. E come sai, questo o quell'esperimento fisico può non solo soddisfare le aspettative, ma anche portare nuove conoscenze ed esperienze all'umanità.

Oggi molti paesi partecipano alla ricerca termonucleare. I leader sono l’Unione Europea, gli Stati Uniti, la Russia e il Giappone, mentre i programmi in Cina, Brasile, Canada e Corea sono in rapida espansione. Inizialmente, i reattori a fusione negli Stati Uniti e nell’URSS furono associati allo sviluppo di armi nucleari e rimasero classificati fino alla conferenza Atoms for Peace, tenutasi a Ginevra nel 1958. Dopo la creazione del tokamak sovietico, negli anni ’70 la ricerca sulla fusione nucleare divenne una “grande scienza”. Ma il costo e la complessità dei dispositivi sono aumentati al punto che la cooperazione internazionale è diventata l’unica via da seguire.

Reattori termonucleari nel mondo

Dagli anni ’70, l’uso commerciale dell’energia da fusione è stato costantemente ritardato di 40 anni. Tuttavia, dentro l'anno scorso Sono successe molte cose che consentiranno di abbreviare questo periodo.

Sono stati costruiti diversi tokamak, tra cui il JET europeo, il MAST britannico e il reattore a fusione sperimentale TFTR a Princeton, negli Stati Uniti. Il progetto internazionale ITER è attualmente in costruzione a Cadarache, in Francia. Sarà il tokamak più grande quando inizierà a funzionare nel 2020. Nel 2030, la Cina costruirà il CFETR, che supererà ITER. Nel frattempo, la Cina sta conducendo ricerche sul tokamak superconduttore sperimentale EAST.

Anche un altro tipo di reattore a fusione, gli stellatori, è popolare tra i ricercatori. Uno dei più grandi, LHD, ha iniziato a lavorare presso l'Istituto nazionale giapponese nel 1998. Viene utilizzato per trovare la migliore configurazione magnetica per il confinamento del plasma. L'Istituto tedesco Max Planck ha condotto ricerche sul reattore Wendelstein 7-AS a Garching tra il 1988 e il 2002, e attualmente sul reattore Wendelstein 7-X, la cui costruzione ha richiesto più di 19 anni. Un altro stellarator TJII è in funzione a Madrid, in Spagna. Negli Stati Uniti, il Princeton Laboratory (PPPL), che costruì il primo reattore a fusione di questo tipo nel 1951, ha interrotto la costruzione dell’NCSX nel 2008 a causa del superamento dei costi e della mancanza di finanziamenti.

Inoltre, sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca sulla fusione inerziale. La costruzione del National Ignition Facility (NIF) da 7 miliardi di dollari presso il Livermore National Laboratory (LLNL), finanziato dalla National Nuclear Security Administration, è stata completata nel marzo 2009. Il Laser Mégajoule francese (LMJ) ha iniziato le operazioni nell'ottobre 2014. I reattori a fusione utilizzano laser che forniscono circa 2 milioni di joule di energia luminosa in pochi miliardesimi di secondo a un bersaglio di pochi millimetri per innescare una reazione di fusione nucleare. La missione principale di NIF e LMJ è la ricerca a sostegno dei programmi nucleari militari nazionali.

ITER

Nel 1985, l’Unione Sovietica propose di costruire un tokamak di prossima generazione insieme a Europa, Giappone e Stati Uniti. Il lavoro è stato svolto sotto gli auspici dell'AIEA. Tra il 1988 e il 1990 furono realizzati i primi progetti del reattore sperimentale termonucleare internazionale ITER, che significa anche "percorso" o "viaggio" in latino, per dimostrare che la fusione poteva produrre più energia di quanta ne assorbisse. Hanno preso parte anche il Canada e il Kazakistan, mediati rispettivamente da Euratom e Russia.

Sei anni dopo, il consiglio di amministrazione di ITER approvò il primo progetto completo di reattore basato su fisica e tecnologia consolidate, per un costo di 6 miliardi di dollari. Poi gli Stati Uniti si ritirarono dal consorzio, cosa che li costrinse a dimezzare i costi e a modificare il progetto. Il risultato è ITER-FEAT, che costa 3 miliardi di dollari ma raggiunge una risposta autosufficiente e un equilibrio di potere positivo.

Nel 2003, gli Stati Uniti si unirono nuovamente al consorzio e la Cina annunciò il suo desiderio di partecipare. Di conseguenza, a metà del 2005 i partner hanno concordato di costruire ITER a Cadarache, nel sud della Francia. L’UE e la Francia hanno contribuito per la metà dei 12,8 miliardi di euro, mentre Giappone, Cina, Corea del Sud, Stati Uniti e Russia hanno contribuito con il 10% ciascuno. Il Giappone ha fornito componenti ad alta tecnologia, ha mantenuto una struttura IFMIF da 1 miliardo di euro progettata per testare i materiali e aveva il diritto di costruire il successivo reattore di prova. Il costo totale di ITER comprende la metà dei costi per 10 anni di costruzione e l'altra metà per 20 anni di funzionamento. Alla fine del 2005 l’India è diventata il settimo membro di ITER.

Gli esperimenti dovrebbero iniziare nel 2018 utilizzando l’idrogeno per evitare l’attivazione dei magneti. Utilizzando D-T il plasma non è previsto prima del 2026.

L'obiettivo di ITER è generare 500 MW (almeno per 400 s) utilizzando meno di 50 MW di potenza in ingresso senza generare elettricità.

La centrale elettrica dimostrativa da due gigawatt di Demo produrrà su larga scala su base continuativa. La progettazione concettuale della Demo sarà completata entro il 2017, con l'inizio della costruzione nel 2024. Il lancio avverrà nel 2033.

JET

Nel 1978 l’UE (Euratom, Svezia e Svizzera) ha avviato il progetto europeo congiunto JET nel Regno Unito. JET è oggi il più grande tokamak operativo al mondo. Un reattore JT-60 simile opera presso il National Fusion Institute del Giappone, ma solo il JET può utilizzare combustibile deuterio-trizio.

Il reattore fu lanciato nel 1983 e divenne il primo esperimento che portò ad una fusione termonucleare controllata con una potenza fino a 16 MW per un secondo e 5 MW di potenza stabile sul plasma di deuterio-trizio nel novembre 1991. Sono stati condotti molti esperimenti per studiare vari schemi di riscaldamento e altre tecniche.

Ulteriori miglioramenti al JET riguardano l'aumento della sua potenza. Il reattore compatto MAST è stato sviluppato insieme a JET e fa parte del progetto ITER.

K-STAR

K-STAR è un tokamak superconduttore coreano del National Fusion Research Institute (NFRI) di Daejeon, che ha prodotto il suo primo plasma a metà del 2008. ITER, che è il risultato della cooperazione internazionale. Il Tokamak da 1,8 m di raggio è il primo reattore a utilizzare magneti superconduttori Nb3Sn, gli stessi previsti per ITER. Durante la prima fase, completata nel 2012, K-STAR ha dovuto dimostrare la fattibilità delle tecnologie sottostanti e ottenere impulsi al plasma della durata fino a 20 secondi. Nella seconda fase (2013-2017), verrà modernizzato per studiare impulsi lunghi fino a 300 s in modalità H e passare alla modalità AT ad alte prestazioni. L’obiettivo della terza fase (2018-2023) è raggiungere un’elevata produttività ed efficienza nella modalità a impulsi lunghi. Nella fase 4 (2023-2025) verranno testate le tecnologie DEMO. Il dispositivo non è in grado di funzionare con il trizio e non utilizza carburante D-T.

K-DEMO

Sviluppato in collaborazione con il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e l'NFRI della Corea del Sud, K-DEMO è destinato a rappresentare il passo successivo nello sviluppo di reattori commerciali oltre ITER, e sarà la prima centrale elettrica in grado di generare energia in della rete elettrica, ovvero 1 milione di kW in poche settimane. Avrà un diametro di 6,65 me disporrà di un modulo di zona di riproduzione realizzato nell'ambito del progetto DEMO. Il Ministero coreano dell’Istruzione, della Scienza e della Tecnologia prevede di investire circa un trilione di won coreani (941 milioni di dollari).

EST

Il Tokamak sperimentale avanzato superconduttore cinese (EAST) presso l'Istituto di fisica cinese di Hefei ha creato plasma di idrogeno a una temperatura di 50 milioni di °C e lo ha mantenuto per 102 s.

TFTR

Nel laboratorio americano PPPL, il reattore sperimentale a fusione TFTR ha funzionato dal 1982 al 1997. Nel dicembre 1993, TFTR è diventato il primo tokamak magnetico a condurre esperimenti estesi sul plasma di deuterio-trizio. L'anno successivo il reattore produsse la potenza controllabile di 10,7 MW, allora record, e nel 1995 fu raggiunta la temperatura record di 510 milioni di °C. Tuttavia, la struttura non ha raggiunto l’obiettivo di pareggio dell’energia da fusione, ma ha raggiunto con successo gli obiettivi di progettazione dell’hardware, apportando un contributo significativo allo sviluppo di ITER.

Guida a sinistra

L'LHD del National Fusion Institute giapponese di Toki, nella prefettura di Gifu, era il più grande stellarator del mondo. Il reattore a fusione è stato lanciato nel 1998 e ha dimostrato proprietà di confinamento del plasma paragonabili a quelle di altri grandi impianti. Sono state raggiunte una temperatura degli ioni di 13,5 keV (circa 160 milioni di °C) e un'energia di 1,44 MJ.

Wendelstein7-X

Dopo un anno di test, iniziato alla fine del 2015, la temperatura dell’elio ha raggiunto brevemente 1 milione di °C. Nel 2016, un reattore a fusione al plasma di idrogeno da 2 MW di potenza ha raggiunto una temperatura di 80 milioni di °C in un quarto di secondo. W7-X è il più grande stellarator del mondo e dovrebbe funzionare ininterrottamente per 30 minuti. Il costo del reattore è stato di 1 miliardo di euro.

NIF

Il National Ignition Facility (NIF) presso il Livermore National Laboratory (LLNL) è stato completato nel marzo 2009. Utilizzando i suoi 192 raggi laser, NIF è in grado di concentrare 60 volte più energia di qualsiasi sistema laser precedente.

Fusione fredda

Nel marzo 1989, due ricercatori, l'americano Stanley Pons e il britannico Martin Fleischman, annunciarono di aver lanciato un semplice reattore a fusione fredda da tavolo funzionante a temperatura ambiente. Il processo prevedeva l'elettrolisi dell'acqua pesante utilizzando elettrodi di palladio su cui i nuclei di deuterio erano concentrati ad alta densità. I ricercatori affermano che è stato prodotto un calore che potrebbe essere spiegato solo in termini di processi nucleari, e c'erano sottoprodotti della fusione tra cui elio, trizio e neutroni. Tuttavia, altri sperimentatori non sono stati in grado di ripetere questo esperimento. La maggior parte della comunità scientifica non crede che i reattori a fusione fredda siano reali.

Reazioni nucleari a bassa energia

Avviata dalle affermazioni della "fusione fredda", la ricerca è continuata nel campo delle basse energie con un certo supporto empirico, ma non generalmente accettato spiegazione scientifica. Apparentemente, per creare e catturare i neutroni vengono utilizzate interazioni nucleari deboli (e non una forza potente, come nella loro fusione). Gli esperimenti prevedono che l'idrogeno o il deuterio passino attraverso uno strato catalitico e reagiscano con un metallo. I ricercatori segnalano un rilascio osservato di energia. Il principale esempio pratico è l'interazione dell'idrogeno con la polvere di nichel, che rilascia calore in una quantità maggiore di quella che qualsiasi reazione chimica può produrre.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "Reattore termonucleare sperimentale internazionale") è un progetto scientifico e tecnico su larga scala volto alla costruzione del primo reattore termonucleare sperimentale internazionale.

Realizzato da sette partner principali (Unione Europea, India, Cina, Repubblica di Corea, Russia, Stati Uniti, Giappone) a Cadarache (regione Provenza-Alpi-Costa Azzurra, Francia). ITER si basa su un'installazione tokamak (dal nome delle sue prime lettere: una camera toroidale con bobine magnetiche), considerata il dispositivo più promettente per realizzare la fusione termonucleare controllata. Il primo tokamak fu costruito in Unione Sovietica nel 1954.

L’obiettivo del progetto è dimostrare che l’energia da fusione può essere utilizzata su scala industriale. ITER dovrebbe generare energia attraverso una reazione di fusione con isotopi pesanti di idrogeno a temperature superiori a 100 milioni di gradi.

Si presuppone che 1 g di carburante (una miscela di deuterio e trizio) che verrà utilizzato nell'impianto fornirà la stessa quantità di energia di 8 tonnellate di petrolio. La potenza termonucleare stimata di ITER è di 500 MW.

Gli esperti affermano che un reattore di questo tipo è molto più sicuro delle attuali centrali nucleari (NPP) e l’acqua di mare può fornirgli combustibile in quantità quasi illimitate. Così, implementazione di successo ITER fornirà una fonte inesauribile di energia rispettosa dell'ambiente.

Storia del progetto

Il concetto di reattore è stato sviluppato presso l'Istituto di energia atomica da cui prende il nome. I.V.Kurchatova. Nel 1978, l’URSS avanzò l’idea di attuare il progetto presso l’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA). Un accordo per la realizzazione del progetto fu raggiunto nel 1985 a Ginevra durante i negoziati tra URSS e USA.

Il programma è stato successivamente approvato dall'AIEA. Nel 1987, il progetto ricevette il nome attuale e nel 1988 fu creato un organo di governo: il Consiglio ITER. Nel 1988-1990 Scienziati e ingegneri sovietici, americani, giapponesi ed europei hanno effettuato uno studio concettuale del progetto.

Il 21 luglio 1992, a Washington, l'UE, la Russia, gli Stati Uniti e il Giappone hanno firmato un accordo sullo sviluppo del progetto tecnico ITER, che è stato completato nel 2001. Nel 2002-2005. Al progetto hanno aderito Corea del Sud, Cina e India. Il 21 novembre 2006 è stato firmato a Parigi l’accordo per la costruzione del primo reattore sperimentale a fusione internazionale.

Un anno dopo, il 7 novembre 2007, è stato firmato un accordo sul cantiere di ITER, secondo il quale il reattore sarà situato in Francia, presso la centrale nucleare di Cadarache vicino a Marsiglia. Il centro di controllo ed elaborazione dati sarà situato a Naka (Prefettura di Ibaraki, Giappone).

La preparazione del cantiere a Cadarache è iniziata nel gennaio 2007, mentre la costruzione su vasta scala è iniziata nel 2013. Il complesso sarà situato su un'area di 180 ettari. Il reattore, alto 60 metri e pesante 23mila tonnellate, sarà situato in un sito lungo 1 km e largo 400 m. I lavori per la sua costruzione sono coordinati dall'Organizzazione internazionale ITER, creata nell'ottobre 2007.

Il costo del progetto è stimato a 15 miliardi di euro, di cui l'UE (attraverso Euratom) rappresenta il 45,4% e altri sei partecipanti (tra cui la Federazione Russa) contribuiscono ciascuno con il 9,1%. Dal 1994 anche il Kazakistan partecipa al progetto con la quota russa.

Gli elementi del reattore saranno consegnati via nave alla costa mediterranea della Francia e da lì trasportati con apposite carovane nella regione di Cadarache. A tal fine, nel 2013, tratti delle strade esistenti sono stati notevolmente riattrezzati, i ponti sono stati rafforzati, sono stati costruiti nuovi incroci e binari con superfici particolarmente resistenti. Nel periodo dal 2014 al 2019, lungo la strada fortificata dovrebbero transitare almeno tre dozzine di autotreni superpesanti.

I sistemi diagnostici del plasma per ITER saranno sviluppati a Novosibirsk. Un accordo in merito è stato firmato il 27 gennaio 2014 dal direttore Organizzazione internazionale ITER Osamu Motojima e il capo dell'agenzia nazionale ITER nella Federazione Russa Anatoly Krasilnikov.

Lo sviluppo di un complesso diagnostico nell'ambito del nuovo accordo viene effettuato sulla base dell'omonimo Istituto fisico-tecnico. AF Ioffe Accademia Russa Sci.

Si prevede che il reattore entrerà in funzione nel 2020, le prime reazioni di fusione nucleare verranno effettuate su di esso non prima del 2027. Nel 2037 si prevede di completare la parte sperimentale del progetto ed entro il 2040 di passare alla produzione di energia elettrica . Secondo le previsioni preliminari degli esperti, la versione industriale del reattore sarà pronta non prima del 2060, e una serie di reattori di questo tipo potranno essere realizzati solo entro la fine del 21° secolo.

Per molto tempo trudnopisaka mi ha chiesto di fare un post sul reattore termonucleare in costruzione. Scopri dettagli interessanti della tecnologia, scopri perché questo progetto richiede così tanto tempo per essere implementato. Finalmente ho raccolto il materiale. Conosciamo meglio i dettagli del progetto.

Come è iniziato tutto? La “sfida energetica” è nata come risultato di una combinazione dei seguenti tre fattori:

1. L’umanità oggi consuma un’enorme quantità di energia.

Attualmente, il consumo energetico mondiale è di circa 15,7 terawatt (TW). Dividendo questo valore per la popolazione mondiale si ottengono circa 2400 watt pro capite, facilmente stimabili e visualizzabili. L'energia consumata da ogni abitante della Terra (compresi i bambini) corrisponde al funzionamento 24 ore su 24 di 24 lampade elettriche da cento watt. Tuttavia, il consumo di questa energia sul pianeta è molto disomogeneo, poiché è molto elevato in diversi paesi e trascurabile in altri. Il consumo (calcolato per persona) è di 10,3 kW negli USA (uno dei valori record), 6,3 kW in Federazione Russa, 5,1 kW nel Regno Unito, ecc., ma d'altro canto è solo 0,21 kW in Bangladesh (solo il 2% del consumo energetico degli Stati Uniti!).

Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia (2006), si prevede che il consumo globale di energia aumenterà del 50% entro il 2030. I paesi sviluppati, ovviamente, potrebbero farcela senza ulteriore energia, ma questa crescita è necessaria per far uscire la popolazione dalla povertà. paesi in via di sviluppo, dove 1,5 miliardi di persone soffrono di grave carenza di energia elettrica.

3. Attualmente, l'80% dell'energia mondiale proviene dalla combustione di combustibili fossili(petrolio, carbone e gas), il cui utilizzo:
a) comporta potenzialmente un rischio di cambiamenti ambientali catastrofici;
b) inevitabilmente dovrà finire un giorno.

Da quanto detto è chiaro che ora dobbiamo prepararci alla fine dell’era dell’utilizzo dei combustibili fossili

Attualmente, le centrali nucleari producono energia rilasciata durante le reazioni di fissione dei nuclei atomici su larga scala. La creazione e lo sviluppo di tali centrali dovrebbero essere incoraggiati in ogni modo possibile, ma bisogna tenere conto che anche le riserve di uno dei materiali più importanti per il loro funzionamento (l'uranio a buon mercato) possono essere completamente esaurite entro i prossimi 50 anni . Le possibilità dell’energia basata sulla fissione nucleare possono (e dovrebbero) essere notevolmente ampliate attraverso l’uso di cicli energetici più efficienti, consentendo di quasi raddoppiare la quantità di energia prodotta. Per sviluppare energia in questa direzione è necessario creare reattori al torio (i cosiddetti reattori autofertilizzanti o reattori autofertilizzanti), in cui la reazione produce più torio dell'uranio originale, per cui la quantità totale di energia prodotta per una data quantità di sostanza aumenta di 40 volte. Sembra anche promettente creare allevatori di plutonio utilizzando neutroni veloci, che sono molto più efficienti reattori all'uranio e ti permettono di ricevere 60 volte più energia. Può darsi che per sviluppare queste aree sia necessario sviluppare nuovi metodi non standard per ottenere l'uranio (ad esempio dall'acqua di mare, che sembra essere la più accessibile).

Centrali elettriche a fusione

La figura mostra un diagramma schematico (non in scala) del dispositivo e del principio di funzionamento di una centrale termonucleare. Nella parte centrale è presente una camera toroidale (a forma di ciambella) del volume di ~2000 m3, riempita con plasma di trizio-deuterio (T-D) riscaldato ad una temperatura superiore a 100 M°C. I neutroni prodotti durante la reazione di fusione (1) lasciano la “bottiglia magnetica” ed entrano nel guscio mostrato in figura dello spessore di circa 1 m.

All'interno del guscio, i neutroni si scontrano con gli atomi di litio, provocando una reazione che produce trizio:

neutrone + litio → elio + trizio

Inoltre, nel sistema si verificano reazioni concorrenti (senza formazione di trizio), nonché molte reazioni con il rilascio di neutroni aggiuntivi, che poi portano anche alla formazione di trizio (in questo caso, il rilascio di neutroni aggiuntivi può essere notevolmente potenziato, ad esempio, introducendo atomi di berillio nel guscio e piombo). Conclusione generaleè che in questo impianto può verificarsi (almeno teoricamente) una reazione di fusione nucleare, nella quale si formerà il trizio. In questo caso, la quantità di trizio prodotta non dovrebbe solo soddisfare le esigenze dell'impianto stesso, ma anche essere leggermente maggiore, il che consentirà di rifornire di trizio nuovi impianti. È questo concetto operativo che deve essere testato e implementato nel reattore ITER descritto di seguito.

Inoltre, i neutroni devono riscaldare il guscio nei cosiddetti impianti pilota (in cui verranno utilizzati materiali da costruzione relativamente “ordinari”) a circa 400°C. In futuro, si prevede di creare installazioni migliorate con una temperatura di riscaldamento del guscio superiore a 1000°C, che può essere ottenuta attraverso l'uso dei più recenti materiali ad alta resistenza (come i compositi di carburo di silicio). Il calore generato nel mantello, come nelle stazioni convenzionali, viene prelevato dal circuito di raffreddamento primario con un liquido refrigerante (contenente, ad esempio, acqua o elio) e trasferito al circuito secondario, dove viene prodotto vapore acqueo e fornito alle turbine.

1985 – L’Unione Sovietica propone l’impianto Tokamak di prossima generazione, sfruttando l’esperienza di quattro paesi leader nella creazione di reattori a fusione. Gli Stati Uniti d'America, insieme al Giappone e alla Comunità Europea, hanno avanzato una proposta per la realizzazione del progetto.

Attualmente, in Francia, è in corso la costruzione del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER (International Tokamak Experimental Reactor), descritto di seguito, che sarà il primo tokamak in grado di “accendere” il plasma.

I più avanzati impianti tokamak esistenti hanno raggiunto da tempo temperature di circa 150 M°C, prossime ai valori richiesti per il funzionamento di una stazione a fusione, ma il reattore ITER dovrebbe essere la prima centrale elettrica di grandi dimensioni progettata a lungo operazione a termine. In futuro sarà necessario migliorare significativamente i suoi parametri operativi, che richiederanno, prima di tutto, un aumento della pressione nel plasma, poiché la velocità di fusione nucleare ad una determinata temperatura è proporzionale al quadrato della pressione. Il principale problema scientifico in questo caso è legato al fatto che quando la pressione nel plasma aumenta, si verificano instabilità molto complesse e pericolose, cioè modalità operative instabili.

perché ne abbiamo bisogno?

Il vantaggio principale della fusione nucleare è che richiede solo quantità molto piccole di sostanze molto comuni in natura come combustibile. La reazione di fusione nucleare negli impianti descritti può portare al rilascio di un'enorme quantità di energia, dieci milioni di volte superiore al rilascio di calore standard durante i processi convenzionali. reazioni chimiche(come bruciare combustibili fossili). Per fare un confronto, segnaliamo che la quantità di carbone necessaria per alimentare una centrale termica con una capacità di 1 gigawatt (GW) è di 10.000 tonnellate al giorno (dieci vagoni ferroviari), e un impianto a fusione della stessa potenza consumerà solo circa 1 chilogrammo della miscela D+T al giorno .

Il deuterio è un isotopo stabile dell'idrogeno; In circa una molecola su 3.350 di acqua ordinaria, uno degli atomi di idrogeno è sostituito dal deuterio (un'eredità che abbiamo ereditato da Big Bang). Questo fatto rende facile organizzare una produzione abbastanza economica della quantità richiesta di deuterio dall'acqua. È più difficile ottenere il trizio, che è instabile (il tempo di dimezzamento è di circa 12 anni, per cui il suo contenuto in natura è trascurabile), tuttavia, come mostrato sopra, il trizio apparirà direttamente all'interno dell'impianto termonucleare durante il funzionamento, a causa della reazione dei neutroni con il litio.

Pertanto, il combustibile iniziale per un reattore a fusione è litio e acqua. Il litio è un metallo comune ampiamente utilizzato negli elettrodomestici (batterie dei cellulari, ecc.). L'impianto sopra descritto, anche tenendo conto di un rendimento non ideale, sarà in grado di produrre 200.000 kWh di energia elettrica, che equivalgono all'energia contenuta in 70 tonnellate di carbone. La quantità di litio necessaria a tale scopo è contenuta in una batteria di computer e la quantità di deuterio in 45 litri di acqua. Il valore sopra corrisponde al consumo attuale di elettricità (calcolato per persona) nei paesi dell'UE per 30 anni. Il fatto stesso che una quantità così insignificante di litio possa garantire la generazione di una tale quantità di elettricità (senza emissioni di CO2 e senza il minimo inquinamento atmosferico) è un argomento abbastanza serio a favore dello sviluppo più rapido e vigoroso dell'energia termonucleare (malgrado tutte le difficoltà e problemi) e anche senza fiducia al cento per cento nel successo di tale ricerca.

Il deuterio dovrebbe durare milioni di anni e le riserve di litio facilmente estraibile sono sufficienti a soddisfare il fabbisogno per centinaia di anni. Anche se il litio nelle rocce si esaurisse, possiamo estrarlo dall’acqua, dove si trova in concentrazioni sufficientemente elevate (100 volte la concentrazione dell’uranio) da rendere la sua estrazione economicamente sostenibile.

Un reattore termonucleare sperimentale (reattore sperimentale termonucleare internazionale) è in costruzione vicino alla città di Cadarache in Francia. L'obiettivo principale del progetto ITER è implementare una reazione di fusione termonucleare controllata su scala industriale.

Per unità di peso del combustibile termonucleare, si ottiene circa 10 milioni di volte più energia rispetto alla combustione della stessa quantità di combustibile organico e circa cento volte di più rispetto alla divisione dei nuclei di uranio nei reattori delle centrali nucleari attualmente in funzione. Se i calcoli di scienziati e progettisti si avvereranno, ciò darà all'umanità una fonte inesauribile di energia.

Pertanto, diversi paesi (Russia, India, Cina, Corea, Kazakistan, Stati Uniti, Canada, Giappone, paesi dell'Unione Europea) hanno unito le forze per creare il reattore di ricerca termonucleare internazionale, un prototipo di nuove centrali elettriche.

ITER è un impianto che crea le condizioni per la sintesi di atomi di idrogeno e di trizio (un isotopo dell'idrogeno), con conseguente formazione nuovo atomo- atomo di elio. Questo processo è accompagnato da un’enorme esplosione di energia: la temperatura del plasma in cui avviene la reazione termonucleare è di circa 150 milioni di gradi Celsius (per confronto, la temperatura del nucleo del Sole è di 40 milioni di gradi). In questo caso, gli isotopi bruciano, senza lasciare praticamente residui radioattivi.
Lo schema di partecipazione al progetto internazionale prevede la fornitura dei componenti del reattore e il finanziamento della sua costruzione. In cambio di ciò, ciascuno dei paesi partecipanti riceve pieno accesso a tutte le tecnologie per la creazione di un reattore termonucleare e ai risultati di tutti lavoro sperimentale su questo reattore, che servirà come base per la progettazione di reattori termonucleari di potenza seriale.

Il reattore, basato sul principio della fusione termonucleare, non emette radiazioni radioattive ed è completamente sicuro ambiente. Può essere localizzato quasi ovunque globo e il carburante per esso è l'acqua normale. Si prevede che la costruzione di ITER durerà circa dieci anni, dopodiché si prevede che il reattore sarà in uso per 20 anni.

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Nei prossimi anni gli interessi della Russia nel Consiglio dell'Organizzazione internazionale per la costruzione del reattore termonucleare ITER saranno rappresentati dal membro corrispondente dell'Accademia russa delle scienze Mikhail Kovalchuk - Direttore dell'Istituto Kurchatov, Istituto di cristallografia dell'Accademia russa di Segretario scientifico e scientifico del Consiglio presidenziale per la scienza, la tecnologia e l'istruzione. Kovalchuk sostituirà temporaneamente in questo incarico l'accademico Evgeniy Velikhov, che è stato eletto presidente del Consiglio internazionale ITER per i prossimi due anni e non ha il diritto di combinare questa posizione con i doveri di rappresentante ufficiale di un paese partecipante.

Il costo totale di costruzione è stimato a 5 miliardi di euro e la stessa cifra sarà necessaria per il funzionamento di prova del reattore. Le quote di India, Cina, Corea, Russia, Stati Uniti e Giappone rappresentano ciascuna circa il 10% del valore totale, il 45% proviene dai paesi dell'Unione Europea. Tuttavia, gli stati europei non hanno ancora concordato come verranno ripartiti esattamente i costi tra loro. Per questo motivo l’inizio dei lavori è stato rinviato ad aprile 2010. Nonostante l’ultimo ritardo, gli scienziati e i funzionari coinvolti in ITER affermano che saranno in grado di completare il progetto entro il 2018.

La potenza termonucleare stimata di ITER è di 500 megawatt. Le singole parti del magnete raggiungono un peso da 200 a 450 tonnellate. Per raffreddare ITER serviranno 33mila metri cubi d'acqua al giorno.

Nel 1998, gli Stati Uniti smisero di finanziare la propria partecipazione al progetto. Dopo che i repubblicani salirono al potere e iniziarono i continui blackout in California, l’amministrazione Bush annunciò maggiori investimenti nell’energia. Gli Stati Uniti non intendevano partecipare al progetto internazionale ed erano impegnati nel proprio progetto termonucleare. All'inizio del 2002, il consigliere tecnologico del presidente Bush, John Marburger III, dichiarò che gli Stati Uniti avevano cambiato idea e intendevano tornare sul progetto.

In termini di numero di partecipanti, il progetto è paragonabile a un altro grande progetto scientifico internazionale: la Stazione Spaziale Internazionale. Il costo di ITER, che in precedenza raggiungeva gli 8 miliardi di dollari, ammontava quindi a meno di 4 miliardi. In seguito al ritiro degli Stati Uniti dalla partecipazione, si è deciso di ridurre la potenza del reattore da 1,5 GW a 500 MW. Di conseguenza, anche il prezzo del progetto è diminuito.

Nel giugno 2002 si è tenuto nella capitale russa il simposio “ITER Days in Mosca”. Si sono discussi i problemi teorici, pratici e organizzativi del rilancio del progetto, il cui successo può cambiare il destino dell'umanità e darle un nuovo tipo di energia, paragonabile in efficienza ed economia solo all'energia del sole.

Nel luglio 2010, i rappresentanti dei paesi partecipanti al progetto del reattore termonucleare internazionale ITER ne hanno approvato il budget e il programma di costruzione in una riunione straordinaria tenutasi a Cadarache, in Francia. .

Nell'ultima riunione straordinaria i partecipanti al progetto hanno approvato la data di inizio dei primi esperimenti con il plasma: 2019. Gli esperimenti completi sono previsti per marzo 2027, anche se la direzione del progetto ha chiesto agli specialisti tecnici di cercare di ottimizzare il processo e di iniziare gli esperimenti nel 2026. I partecipanti all'incontro hanno deciso anche i costi di costruzione del reattore, ma non sono stati resi noti gli importi previsti per la realizzazione dell'impianto. Secondo le informazioni pervenute all'editore del portale ScienceNOW da una fonte anonima, quando inizieranno gli esperimenti, il costo del progetto ITER potrebbe raggiungere i 16 miliardi di euro.

L'incontro di Cadarache ha segnato anche il primo giorno lavorativo ufficiale per il nuovo direttore del progetto, il fisico giapponese Osamu Motojima. Prima di lui, il progetto era stato guidato dal 2005 dal giapponese Kaname Ikeda, che avrebbe voluto lasciare il suo incarico subito dopo l'approvazione del budget e dei termini di costruzione.

Il reattore a fusione ITER lo è progetto comune paesi dell'Unione Europea, Svizzera, Giappone, Stati Uniti, Russia, Corea del Sud, Cina e India. L'idea di creare ITER è stata presa in considerazione dagli anni '80 del secolo scorso, tuttavia, a causa di difficoltà finanziarie e tecniche, il costo del progetto è in costante aumento e la data di inizio della costruzione viene costantemente posticipata. Nel 2009, gli esperti prevedevano che i lavori per la realizzazione del reattore sarebbero iniziati nel 2010. Successivamente questa data è stata spostata e come data di lancio del reattore è stato indicato prima il 2018 e poi il 2019.

Le reazioni di fusione termonucleare sono reazioni di fusione di nuclei di isotopi leggeri per formare un nucleo più pesante, accompagnate da un enorme rilascio di energia. In teoria, i reattori a fusione possono produrre molta energia a basso costo, ma al momento gli scienziati spendono molta più energia e denaro per avviare e mantenere la reazione di fusione.

La fusione termonucleare è un modo economico ed ecologico per produrre energia. La fusione termonucleare incontrollata avviene sul Sole da miliardi di anni: l'elio si forma dal deuterio, isotopo pesante dell'idrogeno. Questo rilascia una quantità colossale di energia. Tuttavia, le persone sulla Terra non hanno ancora imparato a controllare tali reazioni.

Il reattore ITER utilizzerà gli isotopi dell'idrogeno come combustibile. Durante una reazione termonucleare, l'energia viene rilasciata quando gli atomi leggeri si combinano in atomi più pesanti. Per raggiungere questo obiettivo, il gas deve essere riscaldato a una temperatura di oltre 100 milioni di gradi, molto più alta della temperatura al centro del Sole. Il gas a questa temperatura si trasforma in plasma. Allo stesso tempo, gli atomi degli isotopi dell'idrogeno si fondono, trasformandosi in atomi di elio con il rilascio di un gran numero di neutroni. Una centrale elettrica che funziona secondo questo principio utilizzerà l'energia dei neutroni rallentata da uno strato di materiale denso (litio).

Perché la creazione di impianti termonucleari ha richiesto così tanto tempo?

Perché impianti così importanti e preziosi, dei cui benefici si discute da quasi mezzo secolo, non sono ancora stati realizzati? Ci sono tre ragioni principali (discusse di seguito), la prima delle quali può essere definita esterna o sociale, e le altre due - interne, cioè determinate dalle leggi e dalle condizioni dello sviluppo dell'energia termonucleare stessa.

1. Per molto tempo si è creduto che il problema dell'uso pratico dell'energia da fusione termonucleare non richiedesse decisioni e azioni urgenti, poiché già negli anni '80 del secolo scorso le fonti di combustibili fossili sembravano inesauribili e i problemi ambientali e il cambiamento climatico lo facevano non riguardano il pubblico. Nel 1976, il Comitato consultivo sull'energia da fusione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti tentò di stimare il periodo di tempo per la ricerca e lo sviluppo e una centrale elettrica a fusione dimostrativa nell'ambito di varie opzioni di finanziamento della ricerca. Allo stesso tempo, si è scoperto che il volume dei finanziamenti annuali per la ricerca in questa direzione è del tutto insufficiente e, se viene mantenuto il livello attuale degli stanziamenti, la creazione di impianti termonucleari non avrà mai successo, poiché i fondi stanziati non corrispondono anche al livello minimo e critico.

2. Un ostacolo più serio allo sviluppo della ricerca in questo settore è che un impianto termonucleare del tipo in questione non può essere creato e dimostrato su piccola scala. Dalle spiegazioni presentate di seguito risulterà chiaro che la fusione termonucleare richiede non solo il confinamento magnetico del plasma, ma anche un suo riscaldamento sufficiente. Il rapporto tra energia spesa e ricevuta aumenta almeno in proporzione al quadrato delle dimensioni lineari dell'impianto, per cui le capacità scientifiche e tecniche e i vantaggi degli impianti termonucleari possono essere testati e dimostrati solo in stazioni abbastanza grandi, come come il citato reattore ITER. La società semplicemente non era pronta a finanziare progetti così grandi finché non ci fosse stata sufficiente fiducia nel successo.

3. Lo sviluppo dell'energia termonucleare è stato tuttavia molto complesso (nonostante i finanziamenti insufficienti e le difficoltà nella selezione dei centri per la realizzazione degli impianti JET e ITER), negli ultimi anni si sono osservati evidenti progressi, sebbene non sia stata ancora creata una stazione operativa.

Il mondo moderno si trova ad affrontare una sfida energetica molto seria, che può essere più accuratamente definita una “crisi energetica incerta”. Il problema è legato al fatto che le riserve di combustibili fossili potrebbero esaurirsi nella seconda metà di questo secolo. Inoltre, bruciare combustibili fossili può comportare la necessità di sequestrare e “immagazzinare” in qualche modo l’anidride carbonica rilasciata nell’atmosfera (il programma CCS menzionato sopra) per prevenire grandi cambiamenti nel clima del pianeta.

Attualmente, quasi tutta l'energia consumata dall'umanità viene creata bruciando combustibili fossili e la soluzione al problema potrebbe essere associata all'uso dell'energia solare o nucleare (la creazione di reattori autofertilizzanti veloci, ecc.). Problema globale, spinte dalla crescente popolazione dei paesi in via di sviluppo e dalla loro necessità di migliorare il tenore di vita e di aumentare la quantità di energia prodotta, non possono essere risolte solo sulla base degli approcci considerati, sebbene, ovviamente, qualsiasi tentativo di sviluppare metodi alternativi di produzione energetica dovrebbe essere incoraggiato.

A rigor di termini, abbiamo una piccola scelta di strategie comportamentali e lo sviluppo dell'energia termonucleare è estremamente importante, anche se non ci sono garanzie di successo. Il quotidiano Financial Times (datato 25 gennaio 2004) ha scritto a questo proposito:

Speriamo che non ci siano grandi e inaspettate sorprese sul percorso verso lo sviluppo dell'energia termonucleare. In questo caso, tra circa 30 anni saremo in grado di fornire per la prima volta corrente elettrica da essa alle reti energetiche, e in poco più di 10 anni inizierà a funzionare la prima centrale termonucleare commerciale. È possibile che nella seconda metà di questo secolo l’energia da fusione nucleare comincerà a sostituire i combustibili fossili e inizierà gradualmente a svolgere un ruolo sempre più importante nel fornire energia all’umanità su scala globale.

Non esiste una garanzia assoluta che il compito di creare energia termonucleare (come fonte di energia efficace e su larga scala per tutta l'umanità) sarà completato con successo, ma la probabilità di successo in questa direzione è piuttosto alta. Considerando l’enorme potenziale delle centrali termonucleari, tutti i costi per i progetti per il loro sviluppo rapido (e persino accelerato) possono essere considerati giustificati, soprattutto perché questi investimenti sembrano molto modesti sullo sfondo del mostruoso mercato energetico globale (4 trilioni di dollari all’anno8). Soddisfare il fabbisogno energetico dell’umanità è un problema molto serio. Man mano che i combustibili fossili diventano meno disponibili (e il loro utilizzo diventa indesiderabile), la situazione sta cambiando e semplicemente non possiamo permetterci di non sviluppare l’energia da fusione.

Alla domanda “Quando apparirà l’energia termonucleare?” Lev Artsimovich (un pioniere riconosciuto e leader della ricerca in questo campo) una volta rispose che "sarà creato quando diventerà veramente necessario per l'umanità"

ITER sarà il primo reattore a fusione a produrre più energia di quanta ne consuma. Gli scienziati misurano questa caratteristica utilizzando un semplice coefficiente che chiamano "Q". Se ITER raggiungesse tutti i suoi obiettivi scientifici, produrrebbe 10 volte più energia di quanta ne consumerà. L'ultimo dispositivo ad essere costruito, il Joint European Thor in Inghilterra, è un prototipo di reattore a fusione più piccolo che è nelle sue fasi finali ricerca scientifica ha raggiunto un valore Q pari a quasi 1. Ciò significa che ha prodotto esattamente la stessa quantità di energia che ha consumato. ITER andrà oltre dimostrando la creazione di energia dalla fusione e raggiungendo un valore Q pari a 10. L'idea è di generare 500 MW da un consumo energetico di circa 50 MW. Pertanto, uno degli obiettivi scientifici di ITER è dimostrare che è possibile raggiungere un valore Q pari a 10.

Un altro obiettivo scientifico è che ITER abbia un tempo di "bruciatura" molto lungo: un impulso di durata estesa fino a un'ora. ITER è un reattore sperimentale di ricerca che non può produrre energia in modo continuo. Quando ITER inizierà a funzionare, resterà acceso per un'ora, dopodiché dovrà essere spento. Questo è importante perché fino ad ora i dispositivi standard da noi creati erano in grado di avere una durata di combustione di diversi secondi o addirittura decimi di secondo: questo è il massimo. Il "Joint European Torus" ha raggiunto il suo valore Q pari a 1 con un tempo di combustione di circa due secondi con una durata dell'impulso di 20 secondi. Ma un processo che dura pochi secondi non è veramente permanente. Per analogia con l'avvio del motore di un'auto: accendere brevemente il motore e poi spegnerlo non è ancora il funzionamento reale dell'auto. Solo guidando la tua auto per mezz'ora raggiungerà una modalità operativa costante e dimostrerà che un'auto del genere può effettivamente essere guidata.

Cioè, da un punto di vista tecnico e scientifico, ITER fornirà un valore Q pari a 10 e un'autonomia maggiore.

Il programma di fusione termonucleare è veramente internazionale e di natura ampia. Le persone contano già sul successo di ITER e stanno pensando al passo successivo: creare un prototipo di un reattore termonucleare industriale chiamato DEMO. Per costruirlo, ITER deve funzionare. Dobbiamo raggiungere i nostri obiettivi scientifici perché ciò significherà che le idee che proponiamo saranno del tutto realizzabili. Tuttavia, sono d’accordo che dovresti sempre pensare a ciò che verrà dopo. Inoltre, poiché ITER opera da 25-30 anni, la nostra conoscenza si approfondirà e si espanderà gradualmente e saremo in grado di delineare con maggiore precisione il nostro prossimo passo.

In effetti, non vi è alcun dibattito sulla questione se ITER debba essere un tokamak. Alcuni scienziati pongono la domanda in modo abbastanza diverso: ITER dovrebbe esistere? Specialisti in paesi diversi, sviluppando i propri progetti termonucleari, non così su larga scala, sostengono che un reattore così grande non è affatto necessario.

Tuttavia, la loro opinione difficilmente dovrebbe essere considerata autorevole. I fisici che lavorano con le trappole toroidali da diversi decenni sono stati coinvolti nella creazione di ITER. Il progetto del reattore termonucleare sperimentale di Karadash si è basato su tutta la conoscenza acquisita durante gli esperimenti su dozzine di tokamak precedenti. E questi risultati indicano che il reattore deve essere un tokamak, e per giunta di grandi dimensioni.

JET Al momento, il tokamak di maggior successo può essere considerato JET, costruito dall'UE nella città britannica di Abingdon. Questo è il più grande reattore di tipo tokamak creato fino ad oggi, l'ampio raggio del toro di plasma è di 2,96 metri. La potenza della reazione termonucleare ha già raggiunto più di 20 megawatt con un tempo di ritenzione fino a 10 secondi. Il reattore restituisce circa il 40% dell'energia immessa nel plasma.

È la fisica del plasma che determina il bilancio energetico”, ha detto Igor Semenov a Infox.ru. Il professore associato del MIPT ha descritto cos'è il bilancio energetico con un semplice esempio: “Abbiamo tutti visto un fuoco bruciare. Lì, infatti, non è la legna che brucia, ma il gas. La catena energetica lì è così: il gas brucia, la legna si riscalda, la legna evapora, il gas brucia di nuovo. Pertanto, se gettiamo acqua sul fuoco, toglieremo improvvisamente energia al sistema transizione di fase acqua liquida allo stato di vapore. Il saldo diventerà negativo e il fuoco si spegnerà. C'è un altro modo: possiamo semplicemente prendere i tizzoni e spargerli nello spazio. Anche il fuoco si spegnerà. È lo stesso nel reattore termonucleare che stiamo costruendo. Le dimensioni sono scelte per creare un adeguato bilancio energetico positivo per questo reattore. Sufficienti per costruire in futuro una vera centrale nucleare, risolvendo in questa fase sperimentale tutti i problemi che attualmente restano irrisolti”.

Le dimensioni del reattore sono state modificate una volta. Ciò accadde a cavallo tra il XX e il XXI secolo, quando gli Stati Uniti si ritirarono dal progetto e i restanti membri si resero conto che il budget ITER (a quel tempo era stimato in 10 miliardi di dollari USA) era troppo grande. I fisici e gli ingegneri dovevano ridurre i costi di installazione. E questo potrebbe essere fatto solo a causa delle dimensioni. La “riprogettazione” di ITER è stata guidata dal fisico francese Robert Aymar, che in precedenza aveva lavorato al tokamak francese Tore Supra a Karadash. Il raggio esterno del toro di plasma è stato ridotto da 8,2 a 6,3 metri. Tuttavia, i rischi legati alla riduzione delle dimensioni furono in parte compensati da numerosi magneti superconduttori aggiuntivi, che permisero di implementare la modalità di confinamento del plasma, allora aperta e studiata.

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

L'umanità si sta gradualmente avvicinando al confine dell'esaurimento irreversibile delle risorse di idrocarburi della Terra. Sono quasi due secoli che estraiamo petrolio, gas e carbone dalle viscere del pianeta ed è già chiaro che le loro riserve si stanno esaurendo a una velocità incredibile. I principali paesi del mondo pensano da tempo alla creazione di una nuova fonte di energia, rispettosa dell'ambiente, sicura dal punto di vista del funzionamento, con enormi riserve di carburante.

Reattore a fusione

Oggi si parla molto dell'uso delle cosiddette forme alternative di energia: fonti rinnovabili sotto forma di fotovoltaico, energia eolica e energia idroelettrica. È ovvio che, a causa delle loro proprietà, queste direzioni possono fungere solo come fonti ausiliarie di approvvigionamento energetico.

Come prospettiva a lungo termine per l’umanità si può considerare solo l’energia basata sulle reazioni nucleari.

Da un lato sempre più Stati mostrano interesse a costruire reattori nucleari sul proprio territorio. Tuttavia, un problema urgente per l’energia nucleare è il trattamento e lo smaltimento dei rifiuti radioattivi, e ciò influisce sugli indicatori economici e ambientali. A metà del 20 ° secolo, i principali fisici del mondo, alla ricerca di nuovi tipi di energia, si sono rivolti alla fonte della vita sulla Terra: il Sole, nelle profondità del quale, ad una temperatura di circa 20 milioni di gradi, si verificano reazioni La sintesi (fusione) degli elementi leggeri avviene con il rilascio di un'energia colossale.

Gli specialisti nazionali hanno gestito al meglio il compito di sviluppare un impianto per l'implementazione delle reazioni di fusione nucleare in condizioni terrestri. Le conoscenze e l'esperienza acquisite in Russia nel campo della fusione termonucleare controllata (CTF) hanno costituito la base del progetto che rappresenta, senza esagerare, la speranza energetica dell'umanità: il reattore termonucleare sperimentale internazionale (ITER), in fase di realizzazione costruito a Cadarache (Francia).

Storia della fusione termonucleare

La prima ricerca termonucleare iniziò nei paesi che lavoravano ai loro programmi di difesa atomica. Ciò non sorprende, perché all'alba dell'era atomica obiettivo principale l'emergere di reattori al plasma di deuterio era uno studio processi fisici nel plasma caldo, la cui conoscenza era necessaria, tra l'altro, per la creazione di armi termonucleari. Secondo dati declassificati, l’URSS e gli USA iniziarono quasi contemporaneamente negli anni ’50. lavorare su UTS. Ma, allo stesso tempo, ci sono prove storiche che nel 1932, il vecchio rivoluzionario e amico intimo del leader del proletariato mondiale Nikolai Bukharin, che a quel tempo ricopriva la carica di presidente del comitato del Consiglio economico supremo e seguiva il sviluppo della scienza sovietica, propose di lanciare un progetto nel paese per studiare le reazioni termonucleari controllate.

La storia del progetto termonucleare sovietico non è priva di fatti divertenti. Il futuro famoso accademico e creatore della bomba all'idrogeno, Andrei Dmitrievich Sakharov, è stato ispirato dall'idea dell'isolamento termico magnetico del plasma ad alta temperatura da una lettera di un soldato esercito sovietico. Nel 1950, il sergente Oleg Lavrentyev, che prestò servizio a Sakhalin, inviò al Comitato Centrale di tutta l'Unione partito Comunista una lettera in cui si proponeva di utilizzare in bomba all'idrogeno deuteruro di litio-6 invece di deuterio e trizio liquefatti, e creare anche un sistema con confinamento elettrostatico del plasma caldo per la fusione termonucleare controllata. La lettera fu esaminata dall’allora giovane scienziato Andrei Sakharov, il quale scrisse nella sua recensione che “ritiene necessario avere una discussione dettagliata del progetto del compagno Lavrentiev”.

Già nell'ottobre 1950 Andrei Sakharov e il suo collega Igor Tamm fecero le prime stime di un reattore termonucleare magnetico (MTR). Il primo impianto toroidale con un forte campo magnetico longitudinale, basato sulle idee di I. Tamm e A. Sakharov, fu costruito nel 1955 a LIPAN. Si chiamava TMP: un toro con un campo magnetico. Le installazioni successive furono già chiamate TOKAMAK, dalla combinazione delle sillabe iniziali nella frase “TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL”. Nella sua versione classica, un tokamak è una camera toroidale a forma di ciambella posta in un campo magnetico toroidale. Dal 1955 al 1966 Presso l'Istituto Kurchatov sono state costruite 8 installazioni di questo tipo, sulle quali sono stati condotti molti studi diversi. Se prima del 1969, i tokamak venivano costruiti fuori dall'URSS solo in Australia, negli anni successivi furono costruiti in 29 paesi, tra cui Stati Uniti, Giappone, paesi europei, India, Cina, Canada, Libia, Egitto. In totale, ad oggi, nel mondo sono stati costruiti circa 300 tokamak, di cui 31 in URSS e Russia, 30 negli Stati Uniti, 32 in Europa e 27 in Giappone. In effetti, tre paesi – Unione Sovietica, Gran Bretagna e Stati Uniti – erano impegnati in una tacita competizione per vedere chi sarebbe stato il primo a sfruttare il plasma e a iniziare effettivamente a produrre energia “dall’acqua”.

Il vantaggio più importante di un reattore termonucleare è la riduzione del rischio biologico da radiazioni di circa mille volte rispetto a tutti i moderni reattori nucleari.

Un reattore termonucleare non emette CO2 e non produce scorie radioattive “pesanti”. Questo reattore può essere posizionato ovunque, ovunque.

Un passo di mezzo secolo

Nel 1985, l'accademico Evgeniy Velikhov, a nome dell'URSS, propose che scienziati provenienti da Europa, Stati Uniti e Giappone lavorassero insieme per creare un reattore termonucleare, e già nel 1986 a Ginevra fu raggiunto un accordo sulla progettazione dell'impianto, che in seguito ha ricevuto il nome ITER. Nel 1992 i partner firmarono un accordo quadripartito per sviluppare il progetto ingegneristico del reattore. La prima fase di costruzione dovrebbe essere completata entro il 2020, quando si prevede di ricevere il primo plasma. Nel 2011 è iniziata la vera e propria costruzione del sito ITER.

Il design dell'ITER segue il classico tokamak russo, sviluppato negli anni '60. Si prevede che nella prima fase il reattore funzionerà in modalità pulsata con una potenza di reazioni termonucleari di 400-500 MW, nella seconda fase verrà testato il funzionamento continuo del reattore e il sistema di riproduzione del trizio .

Non per niente il reattore ITER è chiamato il futuro energetico dell'umanità. In primo luogo, questo è il più grande progetto scientifico del mondo, perché in Francia lo stanno costruendo quasi tutto il mondo: partecipano UE + Svizzera, Cina, India, Giappone, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti. L'accordo per la costruzione dell'impianto è stato firmato nel 2006. I paesi europei contribuiscono per circa il 50% al finanziamento del progetto, la Russia rappresenta circa il 10% dell'importo totale, che sarà investito sotto forma di attrezzature ad alta tecnologia. Ma soprattutto contributo principale Russia – la stessa tecnologia tokamak, che ha costituito la base del reattore ITER.

In secondo luogo, questo sarà il primo tentativo su larga scala di utilizzare la reazione termonucleare che avviene nel Sole per generare elettricità. In terzo luogo, questo lavoro scientifico dovrebbe portare risultati molto pratici, ed entro la fine del secolo il mondo si aspetta la comparsa del primo prototipo di centrale termonucleare commerciale.

Gli scienziati presuppongono che il primo plasma del reattore termonucleare sperimentale internazionale sarà prodotto nel dicembre 2025.

Perché letteralmente l'intera comunità scientifica mondiale ha iniziato a costruire un simile reattore? Il fatto è che molte delle tecnologie che si prevede di utilizzare nella costruzione di ITER non appartengono a tutti i paesi contemporaneamente. Uno stato, anche il più altamente sviluppato in termini scientifici e tecnici, non può avere immediatamente un centinaio di tecnologie del più alto livello mondiale in tutti i campi della tecnologia utilizzate in un progetto così high-tech e rivoluzionario come un reattore termonucleare. Ma ITER è costituito da centinaia di tecnologie simili.

La Russia supera il livello globale in molte tecnologie di fusione termonucleare. Ma, ad esempio, anche gli scienziati nucleari giapponesi hanno competenze uniche in questo settore, che sono del tutto applicabili a ITER.

Pertanto, proprio all'inizio del progetto, i paesi partner hanno raggiunto un accordo su chi e cosa sarebbe stato fornito al sito e che questa non dovrebbe essere solo una cooperazione in campo ingegneristico, ma un'opportunità per ciascuno dei partner di ricevere nuove tecnologie da altri partecipanti, in modo da poterli sviluppare tu stesso in futuro.

Andrey Retinger, giornalista internazionale