Internasjonal termonukleær reaktor. Road to the Sun - verdensomspennende bygging av en fusjonsreaktor i Frankrike. Kald fusjon

ITER – Internasjonal termonukleær reaktor (ITER)

Menneskelig energiforbruk vokser hvert år, noe som presser energisektoren mot aktiv utvikling. Dermed, med fremveksten av atomkraftverk, økte mengden energi generert rundt om i verden betydelig, noe som gjorde det mulig å trygt bruke energi til alle menneskehetens behov. For eksempel kommer 72,3% av elektrisiteten som produseres i Frankrike fra atomkraftverk, i Ukraina - 52,3%, i Sverige - 40,0%, i Storbritannia - 20,4%, i Russland - 17,1%. Teknologien står imidlertid ikke stille, og for å møte fremtidens lands ytterligere energibehov, jobber forskere med en rekke innovative prosjekter, hvorav ett er ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Selv om lønnsomheten til denne installasjonen fortsatt er i tvil, ifølge arbeidet til mange forskere, kan opprettelsen og den påfølgende utviklingen av kontrollert termonukleær fusjonsteknologi resultere i en kraftig og sikker energikilde. La oss se på noen av de positive aspektene ved en slik installasjon:

• Hoveddrivstoffet til en termonukleær reaktor er hydrogen, som betyr praktisk talt uuttømmelige reserver av kjernebrensel.
• Hydrogen kan produseres ved å behandle sjøvann, som er tilgjengelig for de fleste land. Det følger av dette at det ikke kan oppstå monopol på drivstoffressursene.
• Sannsynligheten for en nødeksplosjon under drift av en termonukleær reaktor er mye mindre enn under drift av en atomreaktor. Ifølge forskere vil ikke strålingsutslipp utgjøre noen fare for befolkningen selv ved en ulykke, noe som betyr at det ikke er behov for evakuering.
• I motsetning til atomreaktorer produserer fusjonsreaktorer radioaktivt avfall som har kort halveringstid, noe som betyr at det forfaller raskere. Dessuten er det ingen forbrenningsprodukter i termonukleære reaktorer.
• En fusjonsreaktor krever ikke materialer som også brukes til atomvåpen. Dette eliminerer muligheten for å dekke over produksjonen av atomvåpen ved å behandle materialer for behovene til en atomreaktor.

Termonukleær reaktor - sett innvendig

Det er imidlertid også en rekke tekniske mangler som forskere stadig møter.

For eksempel krever den nåværende versjonen av drivstoffet, presentert i form av en blanding av deuterium og tritium, utvikling av nye teknologier. For eksempel, på slutten av den første serien med tester ved JET termonukleære reaktoren, den største til dags dato, ble reaktoren så radioaktiv at utviklingen av et spesielt robot vedlikeholdssystem var ytterligere nødvendig for å fullføre eksperimentet. En annen skuffende faktor i driften av en termonukleær reaktor er effektiviteten - 20%, mens effektiviteten til et kjernekraftverk er 33-34%, og et termisk kraftverk er 40%.

Opprettelse av ITER-prosjektet og lansering av reaktoren

ITER-prosjektet går tilbake til 1985, da Sovjetunionen foreslått felles opprettelse av en tokamak - et toroidformet kammer med magnetiske spoler som er i stand til å holde plasma ved hjelp av magneter, og dermed skape forholdene som kreves for at den termonukleære fusjonsreaksjonen skal oppstå. I 1992 ble det undertegnet en firepartsavtale om utviklingen av ITER, partene som var EU, USA, Russland og Japan. I 1994 ble Republikken Kasakhstan med i prosjektet, i 2001 - Canada, i 2003 - Sør-Korea og Kina, i 2005 - India. I 2005 ble stedet for byggingen av reaktoren bestemt - Cadarache Nuclear Energy Research Center, Frankrike.

Byggingen av reaktoren begynte med klargjøring av en grop for fundamentet. Så parametrene til gropen var 130 x 90 x 17 meter. Hele tokamak-komplekset vil veie 360.000 tonn, hvorav 23.000 tonn er selve tokamak.

Ulike elementer av ITER-komplekset vil bli utviklet og levert til byggeplassen fra hele verden. Så i 2016 ble en del av lederne for poloidale spoler utviklet i Russland, som deretter ble sendt til Kina, som vil produsere spolene selv.

Åpenbart er ikke et så stort arbeid i det hele tatt lett å organisere; en rekke land har gjentatte ganger ikke klart å holde tritt med prosjektplanen, som et resultat av at lanseringen av reaktoren stadig ble utsatt. Så ifølge fjorårets (2016) junimelding: "mottak av det første plasmaet er planlagt i desember 2025."

Betjeningsmekanismen til ITER-tokamak

Begrepet "tokamak" kommer fra et russisk akronym som betyr "toroidalt kammer med magnetiske spoler."

Hjertet til en tokamak er dens torusformede vakuumkammer. Innvendig, under ekstrem temperatur og trykk, blir hydrogenbrenselgassen plasma - en varm, elektrisk ladet gass. Som kjent er stjernestoff representert av plasma, og termonukleære reaksjoner i solkjernen skjer nettopp under forhold med forhøyet temperatur og trykk. Lignende forhold for dannelse, retensjon, kompresjon og oppvarming av plasma skapes ved hjelp av massive magnetspoler som er plassert rundt et vakuumkar. Påvirkning av magneter vil begrense det varme plasmaet fra karets vegger.

Før prosessen starter, fjernes luft og urenheter fra vakuumkammeret. Magnetiske systemer som vil hjelpe til med å kontrollere plasmaet blir deretter ladet og gassformig brensel introduseres. Når en kraftig elektrisk strøm føres gjennom karet, splittes gassen elektrisk og blir ionisert (det vil si at elektroner forlater atomene) og danner et plasma.

Når plasmapartiklene aktiveres og kolliderer, begynner de også å varmes opp. Assisterte oppvarmingsteknikker hjelper til med å bringe plasmaet til temperaturer mellom 150 og 300 millioner ° C. Partikler som er "opphisset" i denne grad kan overvinne sin naturlige elektromagnetiske frastøting ved kollisjon, og slike kollisjoner frigjør enorme mengder energi.

Tokamak-designet består av følgende elementer:

Vakuumbeholder

("donut") er et ringformet kammer laget av rustfritt stål. Dens store diameter er 19 m, den lille er 6 m og høyden er 11 m. Volumet av kammeret er 1400 m 3, og vekten er mer enn 5 000 tonn. Veggene til vakuumbeholderen er doble; kjølevæske vil sirkulere mellom veggene, som vil være destillert vann. For å unngå vannforurensning, er den indre veggen av kammeret beskyttet mot radioaktiv stråling ved hjelp av et teppe.

Teppe

("teppe") - består av 440 fragmenter som dekker den indre overflaten av kammeret. Det totale bankettarealet er 700m2. Hvert fragment er en slags kassett, hvis kropp er laget av kobber, og frontveggen er avtagbar og laget av beryllium. Parametrene til kassettene er 1x1,5 m, og massen er ikke mer enn 4,6 tonn Slike berylliumkassetter vil bremse ned høyenerginøytroner som dannes under reaksjonen. Under nøytronmoderering vil varme frigjøres og fjernes av kjølesystemet. Det skal bemerkes at berylliumstøv dannet som følge av reaktordrift kan forårsake en alvorlig sykdom som kalles beryllium og har også en kreftfremkallende effekt. Av denne grunn utvikles det strenge sikkerhetstiltak ved komplekset.

Tokamak i seksjon. Gul - solenoid, oransje - toroidfelt (TF) og poloidfelt (PF) magneter, blå - teppe, lyseblå - VV - vakuumbeholder, lilla - avleder

("askebeger") av den poloidale typen er en enhet hvis hovedoppgave er å "rense" plasmaet for skitt som følge av oppvarmingen og samspillet mellom de teppedekkede kammerveggene med det. Når slike forurensninger kommer inn i plasmaet, begynner de å stråle intenst, noe som resulterer i ytterligere strålingstap. Den er plassert i bunnen av tokomak og bruker magneter for å lede de øvre lagene av plasma (som er de mest forurensede) inn i kjølekammeret. Her avkjøles plasmaet og blir til gass, hvoretter det pumpes tilbake ut av kammeret. Berylliumstøv, etter å ha kommet inn i kammeret, er praktisk talt ikke i stand til å returnere tilbake til plasmaet. Dermed forblir plasmaforurensning bare på overflaten og trenger ikke inn dypere.

Kryostat

- den største komponenten i tokomak, som er et rustfritt stålskall med et volum på 16 000 m 2 (29,3 x 28,6 m) og en masse på 3 850 tonn. som en barriere mellom tokamak og det ytre miljøet. På dens indre vegger vil det være termiske skjermer avkjølt ved sirkulerende nitrogen ved en temperatur på 80 K (-193,15 °C).

Magnetisk system

– et sett med elementer som tjener til å inneholde og kontrollere plasma inne i en vakuumbeholder. Det er et sett med 48 elementer:

• Toroidale feltspoler er plassert utenfor vakuumkammeret og inne i kryostaten. De er presentert i 18 deler som hver måler 15 x 9 m og veier omtrent 300 tonn. Til sammen genererer disse spolene et magnetfelt på 11,8 Tesla rundt plasmatorusen og lagrer energi på 41 GJ.
• Poloidale feltspoler - plassert på toppen av de toroidale feltspolene og inne i kryostaten. Disse spolene er ansvarlige for å generere et magnetfelt som skiller plasmamassen fra kammerveggene og komprimerer plasmaet for adiabatisk oppvarming. Antall slike spoler er 6. To av spolene har en diameter på 24 m og en masse på 400 tonn De resterende fire er noe mindre.
• Den sentrale solenoiden er plassert i den indre delen av det toroidale kammeret, eller rettere sagt i "smørringhullet". Prinsippet for driften ligner på en transformator, og hovedoppgaven er å eksitere en induktiv strøm i plasmaet.
• Korreksjonsspoler er plassert inne i vakuumbeholderen, mellom teppet og kammerveggen. Deres oppgave er å opprettholde formen på plasmaet, som er i stand til å "bule" lokalt og til og med berøre karets vegger. Lar deg redusere nivået av interaksjon av kammerveggene med plasmaet, og dermed nivået av dets forurensning, og reduserer også slitasjen på selve kammeret.

Strukturen til ITER-komplekset

Tokamak-designet beskrevet ovenfor "i et nøtteskall" er en svært kompleks innovativ mekanisme satt sammen gjennom innsats fra flere land. For full drift er det imidlertid nødvendig med et helt kompleks av bygninger i nærheten av tokamak. Blant dem:

• Kontroll, datatilgang og kommunikasjonssystem – CODAC. Ligger i en rekke bygninger i ITER-komplekset.
• Drivstofflagring og drivstoffsystem - tjener til å levere drivstoff til tokamak.
• Vakuumsystem - består av mer enn fire hundre vakuumpumper, hvis oppgave er å pumpe ut termonukleære reaksjonsprodukter, samt ulike forurensninger fra vakuumkammeret.
• Kryogent system - representert av en nitrogen- og heliumkrets. Heliumkretsen vil normalisere temperaturen i tokamak, hvis arbeid (og derfor temperaturen) ikke skjer kontinuerlig, men i pulser. Nitrogenkretsen vil avkjøle kryostatens varmeskjold og selve heliumkretsen. Det vil også være et vannkjølesystem, som har som mål å senke temperaturen på teppeveggene.
• Strømforsyning. Tokamak vil kreve omtrent 110 MW energi for å operere kontinuerlig. For å oppnå dette skal kilometerlange kraftledninger installeres og kobles til det franske industrinettet. Det er verdt å minne om at ITER-eksperimentanlegget ikke sørger for energiproduksjon, men kun opererer i vitenskapelige interesser.

ITER-finansiering

Den internasjonale termonukleære reaktoren ITER er et ganske dyrt foretak, som opprinnelig ble estimert til 12 milliarder dollar, med Russland, USA, Korea, Kina og India som står for 1/11 av beløpet, Japan for 2/11, og EU for 4 /11. Dette beløpet økte senere til 15 milliarder dollar. Det er bemerkelsesverdig at finansiering skjer gjennom tilførsel av utstyr som kreves for komplekset, som er utviklet i hvert land. Dermed leverer Russland tepper, plasmavarmeapparater og superledende magneter.

Prosjektperspektiv

For øyeblikket er byggingen av ITER-komplekset og produksjonen av alle nødvendige komponenter for tokamak i gang. Etter den planlagte lanseringen av tokamak i 2025 vil en serie eksperimenter starte, basert på resultatene av hvilke aspekter som krever forbedring vil bli notert. Etter vellykket idriftsettelse av ITER er det planlagt å bygge et kraftverk basert på termonukleær fusjon kalt DEMO (DEMOnstration Power Plant). DEMos mål er å demonstrere den såkalte "kommersielle appellen" til fusjonskraft. Hvis ITER kun er i stand til å generere 500 MW energi, vil DEMO kontinuerlig kunne generere energi på 2 GW.

Man bør imidlertid huske på at forsøksanlegget ITER ikke vil produsere energi, og formålet er å oppnå rent vitenskapelige fordeler. Og som du vet, kan dette eller det fysiske eksperimentet ikke bare møte forventningene, men også bringe ny kunnskap og erfaring til menneskeheten.

I dag deltar mange land i termonukleær forskning. Lederne er EU, USA, Russland og Japan, mens programmer i Kina, Brasil, Canada og Korea utvides raskt. Opprinnelig var fusjonsreaktorer i USA og USSR assosiert med utviklingen av atomvåpen og forble klassifisert frem til Atoms for Peace-konferansen, som fant sted i Genève i 1958. Etter opprettelsen av den sovjetiske tokamak ble forskning på kjernefysisk fusjon "stor vitenskap" på 1970-tallet. Men kostnadene og kompleksiteten til enhetene økte til et punkt hvor internasjonalt samarbeid ble den eneste veien videre.

Termonukleære reaktorer i verden

Siden 1970-tallet har den kommersielle bruken av fusjonsenergi blitt kontinuerlig forsinket med 40 år. Imidlertid, i i fjor Mye har skjedd som gjør at denne perioden kan forkortes.

Det er bygget flere tokamaks, inkludert European JET, britiske MAST og TFTR-eksperimentelle fusjonsreaktoren i Princeton, USA. Det internasjonale ITER-prosjektet er for tiden under bygging i Cadarache, Frankrike. Det vil være den største tokamak når den starter i drift i 2020. I 2030 vil Kina bygge CFETR, som vil overgå ITER. I mellomtiden forsker Kina på den eksperimentelle superledende tokamak EAST.

En annen type fusjonsreaktor, stellatorer, er også populær blant forskere. En av de største, LHD, begynte å jobbe ved det japanske nasjonale instituttet i 1998. Den brukes til å finne den beste magnetiske konfigurasjonen for plasma inneslutning. Det tyske Max Planck-instituttet utførte forskning ved Wendelstein 7-AS-reaktoren i Garching mellom 1988 og 2002, og for tiden ved Wendelstein 7-X-reaktoren, hvis konstruksjon tok mer enn 19 år. En annen TJII-stellarator er i drift i Madrid, Spania. I USA stoppet Princeton Laboratory (PPPL), som bygde den første fusjonsreaktoren av denne typen i 1951, byggingen av NCSX i 2008 på grunn av kostnadsoverskridelser og mangel på finansiering.

I tillegg er det gjort betydelige fremskritt innen treghetsfusjonsforskning. Byggingen av $7 milliarder National Ignition Facility (NIF) ved Livermore National Laboratory (LLNL), finansiert av National Nuclear Security Administration, ble fullført i mars 2009. Den franske Laser Mégajoule (LMJ) startet sin virksomhet i oktober 2014. Fusjonsreaktorer bruker lasere som leverer rundt 2 millioner joule lysenergi i løpet av noen få milliarddeler av et sekund til et mål som er noen millimeter stort for å utløse en kjernefusjonsreaksjon. Hovedoppgaven til NIF og LMJ er forskning til støtte for nasjonale militære atomprogrammer.

ITER

I 1985 foreslo Sovjetunionen å bygge en neste generasjons tokamak sammen med Europa, Japan og USA. Arbeidet ble utført i regi av IAEA. Mellom 1988 og 1990 ble de første designene for den internasjonale termonukleære eksperimentelle reaktoren ITER, som også betyr "sti" eller "reise" på latin, laget for å bevise at fusjon kunne produsere mer energi enn den absorberte. Canada og Kasakhstan deltok også, formidlet av henholdsvis Euratom og Russland.

Seks år senere godkjente ITER-styret det første omfattende reaktordesignet basert på etablert fysikk og teknologi, og kostet 6 milliarder dollar. Da trakk USA seg fra konsortiet, noe som tvang dem til å halvere kostnadene og endre prosjektet. Resultatet er ITER-FEAT, som koster 3 milliarder dollar, men som oppnår selvopprettholdende respons og positiv kraftbalanse.

I 2003 ble USA med i konsortiet igjen, og Kina kunngjorde sitt ønske om å delta. Som et resultat ble partnerne i midten av 2005 enige om å bygge ITER i Cadarache i Sør-Frankrike. EU og Frankrike bidro med halvparten av €12,8 milliarder, mens Japan, Kina, Sør-Korea, USA og Russland bidro med 10% hver. Japan leverte høyteknologiske komponenter, opprettholdt et IFMIF-anlegg på 1 milliard euro designet for å teste materialer, og hadde rett til å bygge den neste testreaktoren. Totalkostnaden for ITER inkluderer halvparten av kostnadene for 10 års bygging og halvparten for 20 års drift. India ble det syvende medlemmet av ITER på slutten av 2005.

Eksperimenter skal starte i 2018 med hydrogen for å unngå å aktivere magnetene. Bruker D-T plasma forventes ikke før 2026.

ITERs mål er å generere 500 MW (minst i 400 s) ved å bruke mindre enn 50 MW inngangseffekt uten å generere elektrisitet.

Demos demonstrasjonskraftverk på to gigawatt vil produsere storskala på løpende basis. Demoens konseptuelle design vil være fullført innen 2017, med bygging som begynner i 2024. Lanseringen vil finne sted i 2033.

JETFLY

I 1978 startet EU (Euratom, Sverige og Sveits) det felles europeiske prosjektet JET i Storbritannia. JET er i dag den største opererende tokamaken i verden. En lignende JT-60-reaktor opererer ved Japans National Fusion Institute, men bare JET kan bruke deuterium-tritium drivstoff.

Reaktoren ble lansert i 1983, og ble det første eksperimentet, som resulterte i kontrollert termonukleær fusjon med en effekt på opptil 16 MW i ett sekund og 5 MW stabil effekt på deuterium-tritium plasma i november 1991. Mange eksperimenter har blitt utført for å studere ulike oppvarmingsordninger og andre teknikker.

Ytterligere forbedringer av JET innebærer å øke kraften. MAST kompaktreaktoren utvikles sammen med JET og er en del av ITER-prosjektet.

K-STAR

K-STAR er en koreansk superledende tokamak fra National Fusion Research Institute (NFRI) i Daejeon, som produserte sitt første plasma i midten av 2008. ITER, som er et resultat av internasjonalt samarbeid. Tokamak med radius på 1,8 m er den første reaktoren som bruker Nb3Sn superledende magneter, de samme som er planlagt for ITER. I løpet av den første fasen, fullført innen 2012, måtte K-STAR bevise levedyktigheten til de underliggende teknologiene og oppnå plasmapulser som varer i opptil 20 sekunder. På det andre trinnet (2013-2017) moderniseres det for å studere lange pulser opptil 300 s i H-modus og overgang til en høyytelses AT-modus. Målet med den tredje fasen (2018-2023) er å oppnå høy produktivitet og effektivitet i langpulsmodus. På trinn 4 (2023-2025) vil DEMO-teknologier bli testet. Enheten er ikke i stand til å arbeide med tritium og bruker ikke D-T drivstoff.

K-DEMO

Utviklet i samarbeid med det amerikanske energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Sør-Koreas NFRI, er K-DEMO ment å være neste steg i kommersiell reaktorutvikling utover ITER, og vil være det første kraftverket som kan generere kraft til det elektriske nettet, nemlig 1 million kW innen få uker. Den vil ha en diameter på 6,65 m og vil ha en reproduksjonssonemodul opprettet som en del av DEMO-prosjektet. Det koreanske departementet for utdanning, vitenskap og teknologi planlegger å investere rundt en billion koreanske won (941 millioner dollar) i den.

ØST

Kinas eksperimentelle avanserte superledende Tokamak (ØST) ved Institutt for fysikk i Kina i Hefei skapte hydrogenplasma ved en temperatur på 50 millioner °C og opprettholdt det i 102 s.

TFTR

Ved det amerikanske laboratoriet PPPL opererte den eksperimentelle fusjonsreaktoren TFTR fra 1982 til 1997. I desember 1993 ble TFTR den første magnetiske tokamak som utførte omfattende deuterium-tritium plasmaeksperimenter. Året etter produserte reaktoren daværende rekord på 10,7 MW kontrollerbar effekt, og i 1995 ble en temperaturrekord på 510 millioner °C nådd. Anlegget oppnådde imidlertid ikke break-even-målet om fusjonsenergi, men oppfylte vellykket maskinvaredesignmålene, og ga et betydelig bidrag til utviklingen av ITER.

LHD

LHD ved Japans National Fusion Institute i Toki, Gifu Prefecture, var den største stjernebildet i verden. Fusjonsreaktoren ble lansert i 1998 og viste plasma inneslutningsegenskaper som kan sammenlignes med andre store anlegg. En ionetemperatur på 13,5 keV (ca. 160 millioner °C) og en energi på 1,44 MJ ble oppnådd.

Wendelstein 7-X

Etter et år med testing, som begynte på slutten av 2015, nådde heliumtemperaturen kort tid 1 million °C. I 2016 nådde en hydrogenplasmafusjonsreaktor som brukte 2 MW kraft en temperatur på 80 millioner °C i løpet av et kvart sekund. W7-X er den største stellaratoren i verden og er planlagt å operere kontinuerlig i 30 minutter. Kostnaden for reaktoren var 1 milliard €.

NIF

National Ignition Facility (NIF) ved Livermore National Laboratory (LLNL) ble fullført i mars 2009. Ved å bruke sine 192 laserstråler er NIF i stand til å konsentrere 60 ganger mer energi enn noe tidligere lasersystem.

Kald fusjon

I mars 1989 kunngjorde to forskere, amerikanske Stanley Pons og britiske Martin Fleischman, at de hadde lansert en enkel bordplate kald fusjonsreaktor som opererer ved romtemperatur. Prosessen innebar elektrolyse av tungtvann ved bruk av palladiumelektroder hvor deuteriumkjerner ble konsentrert til høy tetthet. Forskerne hevder at det ble produsert varme som bare kunne forklares i form av kjernefysiske prosesser, og det var fusjonsbiprodukter inkludert helium, tritium og nøytroner. Imidlertid klarte ikke andre eksperimenter å gjenta dette eksperimentet. De fleste i det vitenskapelige miljøet tror ikke at kalde fusjonsreaktorer er ekte.

Lavenergi kjernefysiske reaksjoner

Initiert av påstander om "kald fusjon", har forskningen fortsatt på lavenergifeltet med en viss empirisk støtte, men ikke generelt akseptert vitenskapelig forklaring. Tilsynelatende brukes svake kjernefysiske interaksjoner for å skape og fange nøytroner (og ikke en kraftig kraft, som i deres fusjon). Eksperimenter involverer hydrogen eller deuterium som passerer gjennom et katalytisk lag og reagerer med et metall. Forskere rapporterer en observert frigjøring av energi. Det viktigste praktiske eksemplet er samspillet mellom hydrogen og nikkelpulver, og frigjør varme i en mengde større enn noen kjemisk reaksjon kan produsere.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") er et storstilt vitenskapelig og teknisk prosjekt som tar sikte på å bygge den første internasjonale eksperimentelle termonukleære reaktoren.

Implementert av syv hovedpartnere (EU, India, Kina, Republikken Korea, Russland, USA, Japan) i Cadarache (Provence-Alpes-Côte d'Azur-regionen, Frankrike). ITER er basert på en tokamak-installasjon (oppkalt etter de første bokstavene: et toroidformet kammer med magnetiske spoler), som regnes som den mest lovende enheten for å utføre kontrollert termonukleær fusjon. Den første tokamak ble bygget i Sovjetunionen i 1954.

Målet med prosjektet er å demonstrere at fusjonsenergi kan brukes i industriell skala. ITER skal generere energi gjennom en fusjonsreaksjon med tunge hydrogenisotoper ved temperaturer over 100 millioner grader.

Det antas at 1 g drivstoff (en blanding av deuterium og tritium) som skal brukes i installasjonen vil gi samme energimengde som 8 tonn olje. Den estimerte termonukleære kraften til ITER er 500 MW.

Eksperter sier at en reaktor av denne typen er mye tryggere enn dagens kjernekraftverk (NPP), og sjøvann kan gi drivstoff til den i nesten ubegrensede mengder. Dermed, vellykket implementering ITER vil gi en uuttømmelig kilde til miljøvennlig energi.

Prosjekthistorie

Reaktorkonseptet ble utviklet ved Institute of Atomic Energy oppkalt etter. I.V.Kurchatova. I 1978 fremmet USSR ideen om å implementere prosjektet ved Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA). En avtale om å implementere prosjektet ble oppnådd i 1985 i Genève under forhandlinger mellom USSR og USA.

Programmet ble senere godkjent av IAEA. I 1987 fikk prosjektet sitt nåværende navn, og i 1988 ble det opprettet et styrende organ - ITER-rådet. I 1988-1990 Sovjetiske, amerikanske, japanske og europeiske forskere og ingeniører gjennomførte en konseptuell studie av prosjektet.

Den 21. juli 1992, i Washington, undertegnet EU, Russland, USA og Japan en avtale om utvikling av det tekniske ITER-prosjektet, som ble fullført i 2001. I 2002-2005. Sør-Korea, Kina og India ble med i prosjektet. Avtalen om å bygge den første internasjonale eksperimentelle fusjonsreaktoren ble signert i Paris 21. november 2006.

Et år senere, den 7. november 2007, ble det signert en avtale på byggeplassen til ITER, ifølge hvilken reaktoren skal plasseres i Frankrike, ved atomsenteret Cadarache nær Marseille. Kontroll- og databehandlingssenteret vil ligge i Naka (Ibaraki Prefecture, Japan).

Forberedelsen av byggeplassen i Cadarache begynte i januar 2007, og fullskala bygging startet i 2013. Komplekset vil ligge på et område på 180 hektar. Reaktoren, 60 m høy og veier 23 tusen tonn, vil bli plassert på et område som er 1 km langt og 400 m bredt. Arbeidet med konstruksjonen er koordinert av den internasjonale organisasjonen ITER, opprettet i oktober 2007.

Kostnaden for prosjektet er estimert til 15 milliarder euro, hvorav EU (gjennom Euratom) står for 45,4 %, og seks andre deltakere (inkludert Den russiske føderasjonen) bidrar med 9,1 % hver. Siden 1994 har Kasakhstan også deltatt i prosjektet under Russlands kvote.

Reaktorelementene vil bli levert med skip til middelhavskysten i Frankrike og derfra fraktet med spesielle campingvogner til Cadarache-regionen. For dette formål ble deler av eksisterende veier i 2013 betydelig omutstyrt, broer ble forsterket, nye kryssinger og spor med spesielt sterke overflater ble bygget. I perioden fra 2014 til 2019 bør minst tre dusin supertunge vogntog passere langs den befestede veien.

Plasmadiagnosesystemer for ITER vil bli utviklet i Novosibirsk. Avtale om dette ble undertegnet 27. januar 2014 av direktøren Internasjonal organisasjon ITER Osamu Motojima og sjefen for det nasjonale ITER-byrået i den russiske føderasjonen Anatoly Krasilnikov.

Utviklingen av et diagnostisk kompleks innenfor rammen av den nye avtalen gjennomføres med utgangspunkt i Fysisk-teknisk institutt oppkalt etter. A. F. Ioffe Det russiske akademiet Sci.

Det er forventet at reaktoren skal settes i drift i 2020, de første kjernefusjonsreaksjonene vil bli utført på den tidligst i 2027. I 2037 planlegges det å fullføre den eksperimentelle delen av prosjektet og innen 2040 gå over til elektrisitetsproduksjon . I følge foreløpige prognoser fra eksperter vil den industrielle versjonen av reaktoren være klar tidligst i 2060, og en serie reaktorer av denne typen kan bare opprettes innen slutten av det 21. århundre.

I lang tid trudnopisaka ba meg lage et innlegg om den termonukleære reaktoren under bygging. Finn ut interessante detaljer om teknologien, finn ut hvorfor dette prosjektet tar så lang tid å bli implementert. Jeg har endelig samlet materialet. La oss bli kjent med detaljene i prosjektet.

Hvordan startet det hele? "Energiutfordringen" oppsto som et resultat av en kombinasjon av følgende tre faktorer:

1. Menneskeheten bruker nå en enorm mengde energi.

For tiden er verdens energiforbruk omtrent 15,7 terawatt (TW). Deler vi denne verdien på verdensbefolkningen, får vi omtrent 2400 watt per person, som enkelt kan estimeres og visualiseres. Energien som forbrukes av hver innbygger på jorden (inkludert barn) tilsvarer døgndriften til 24 hundre-watts elektriske lamper. Imidlertid er forbruket av denne energien over hele planeten svært ujevnt, siden det er veldig stort i flere land og ubetydelig i andre. Forbruket (beregnet per person) er 10,3 kW i USA (en av rekordverdiene), 6,3 kW i Den russiske føderasjonen, 5,1 kW i Storbritannia osv., men på den annen side er det bare 0,21 kW i Bangladesh (kun 2 % av USAs energiforbruk!).

I følge Det internasjonale energibyrået (2006) forventes det globale energiforbruket å øke med 50 % innen 2030. Utviklede land kunne selvfølgelig klare seg fint uten ekstra energi, men denne veksten er nødvendig for å løfte befolkningen ut av fattigdom utviklingsland, hvor 1,5 milliarder mennesker opplever alvorlig mangel på elektrisk energi.

3. For tiden kommer 80 % av verdens energi fra forbrenning av fossilt brensel(olje, kull og gass), hvis bruk:
a) potensielt utgjør en risiko for katastrofale miljøendringer;
b) må uunngåelig ta slutt en dag.

Av det som er sagt er det klart at nå må vi forberede oss på slutten av æraen med bruk av fossilt brensel

For tiden produserer kjernekraftverk energi som frigjøres under fisjonsreaksjoner av atomkjerner i stor skala. Oppretting og utvikling av slike stasjoner bør oppmuntres på alle mulige måter, men det må tas i betraktning at reservene av et av de viktigste materialene for deres drift (billig uran) også kan bli fullstendig brukt opp i løpet av de neste 50 årene . Mulighetene for kjernefysisk fisjonsbasert energi kan (og bør) utvides betydelig gjennom bruk av mer effektive energisykluser, slik at mengden energi som produseres nesten kan dobles. For å utvikle energi i denne retningen, er det nødvendig å lage thoriumreaktorer (de såkalte thoriumoppdretterreaktorer eller avlerreaktorer), der reaksjonen produserer mer thorium enn det opprinnelige uranet, som et resultat av at den totale mengden energi som produseres for en gitt mengde stoff øker med 40 ganger. Det virker også lovende å lage plutoniumoppdrettere ved hjelp av raske nøytroner, som er mye mer effektive uranreaktorer og lar deg motta 60 ganger mer energi. Det kan hende at for å utvikle disse områdene vil det være nødvendig å utvikle nye, ikke-standardiserte metoder for å få uran (for eksempel fra sjøvann, som ser ut til å være mest tilgjengelig).

Fusjonskraftverk

Figuren viser et skjematisk diagram (ikke i skala) av enheten og driftsprinsippet til et termonukleært kraftverk. I den sentrale delen er det et toroidformet (smultringformet) kammer med et volum på ~2000 m3, fylt med tritium-deuterium (T-D) plasma oppvarmet til en temperatur over 100 M°C. Nøytronene som produseres under fusjonsreaksjonen (1) forlater "magnetflasken" og går inn i skallet vist på figuren med en tykkelse på omtrent 1 m.

Inne i skallet kolliderer nøytroner med litiumatomer, noe som resulterer i en reaksjon som produserer tritium:

nøytron + litium → helium + tritium

I tillegg oppstår konkurrerende reaksjoner i systemet (uten dannelse av tritium), samt mange reaksjoner med frigjøring av ytterligere nøytroner, som da også fører til dannelse av tritium (i dette tilfellet kan frigjøring av ytterligere nøytroner være betydelig forbedret, for eksempel ved å introdusere berylliumatomer i skallet og bly). Generell konklusjon er at i denne installasjonen kan det (i det minste teoretisk) oppstå en kjernefysisk fusjonsreaksjon, hvor det vil dannes tritium. I dette tilfellet bør mengden tritium som produseres ikke bare dekke behovene til selve installasjonen, men også være enda noe større, noe som vil gjøre det mulig å forsyne nye installasjoner med tritium. Det er dette driftskonseptet som må testes og implementeres i ITER-reaktoren beskrevet nedenfor.

I tillegg må nøytroner varme opp skallet i såkalte pilotanlegg (der det skal brukes relativt «vanlige» byggematerialer) til ca. 400°C. I fremtiden planlegges det å lage forbedrede installasjoner med en skallvarmetemperatur over 1000°C, som kan oppnås ved bruk av de nyeste høyfaste materialene (som silisiumkarbidkompositter). Varmen som genereres i skallet, som i konvensjonelle stasjoner, tas av den primære kjølekretsen med en kjølevæske (som inneholder for eksempel vann eller helium) og overføres til sekundærkretsen, hvor vanndamp produseres og tilføres turbinene.

1985 - Sovjetunionen foreslo neste generasjons Tokamak-anlegg, ved å bruke erfaringen fra fire ledende land i å lage fusjonsreaktorer. Amerikas forente stater, sammen med Japan og Det europeiske fellesskap, fremmet et forslag til gjennomføring av prosjektet.

For tiden, i Frankrike, pågår byggingen av den internasjonale eksperimentelle termonukleære reaktoren ITER (International Tokamak Experimental Reactor), beskrevet nedenfor, som vil være den første tokamaken som er i stand til å "tenne" plasma.

De mest avanserte eksisterende tokamak-installasjonene har lenge nådd temperaturer på rundt 150 M°C, nær verdiene som kreves for driften av en fusjonsstasjon, men ITER-reaktoren skal være det første storskala kraftverket designet for lang tid. -term drift. I fremtiden vil det være nødvendig å forbedre driftsparametrene betydelig, noe som først og fremst vil kreve å øke trykket i plasmaet, siden kjernefysisk fusjonshastighet ved en gitt temperatur er proporsjonal med kvadratet av trykket. Det viktigste vitenskapelige problemet i dette tilfellet er knyttet til det faktum at når trykket i plasmaet øker, oppstår det svært komplekse og farlige ustabiliteter, det vil si ustabile driftsmoduser.

Hvorfor trenger vi dette?

Hovedfordelen med kjernefysisk fusjon er at den krever kun svært små mengder stoffer som er svært vanlige i naturen som brensel. Kjernefusjonsreaksjonen i de beskrevne installasjonene kan føre til frigjøring av en enorm mengde energi, ti millioner ganger høyere enn standard varmeutgivelse under konvensjonell kjemiske reaksjoner(som å brenne fossilt brensel). Til sammenligning viser vi til at mengden kull som kreves for å drive et termisk kraftverk med en kapasitet på 1 gigawatt (GW) er 10 000 tonn per dag (ti jernbanevogner), og et fusjonsanlegg med samme kraft vil kun forbruke ca. 1 kilo av D+T-blandingen per dag.

Deuterium er en stabil isotop av hydrogen; I omtrent ett av hver 3350 molekyler med vanlig vann, er ett av hydrogenatomene erstattet av deuterium (en arv vi har arvet fra Det store smellet). Dette faktum gjør det enkelt å organisere ganske billig produksjon av den nødvendige mengden deuterium fra vann. Det er vanskeligere å skaffe tritium, som er ustabilt (halveringstid er omtrent 12 år, som et resultat av at innholdet i naturen er ubetydelig), men som vist ovenfor, vil tritium vises direkte inne i den termonukleære installasjonen under drift, på grunn av reaksjonen av nøytroner med litium.

Det første drivstoffet for en fusjonsreaktor er således litium og vann. Litium er et vanlig metall som er mye brukt i husholdningsapparater (mobilbatterier, etc.). Installasjonen beskrevet ovenfor vil, selv med hensyn til ikke-ideell effektivitet, kunne produsere 200 000 kWh elektrisk energi, som tilsvarer energien i 70 tonn kull. Mengden litium som kreves for dette er inneholdt i ett datamaskinbatteri, og mengden deuterium er i 45 liter vann. Verdien ovenfor tilsvarer dagens strømforbruk (beregnet per person) i EU-landene over 30 år. Selve det faktum at en så ubetydelig mengde litium kan sikre generering av en slik mengde elektrisitet (uten CO2-utslipp og uten den minste luftforurensning) er et ganske seriøst argument for den raskeste og mest kraftfulle utviklingen av termonukleær energi (til tross for alle vanskeligheter og problemer) og til og med uten hundre prosent tillit til suksessen til slik forskning.

Deuterium skal vare i millioner av år, og reserver av lett utvunnet litium er tilstrekkelig til å dekke behov i hundrevis av år. Selv om litium i bergarter går tom, kan vi utvinne det fra vann, der det finnes i konsentrasjoner som er høye nok (100 ganger konsentrasjonen av uran) til å gjøre utvinningen økonomisk lønnsom.

En eksperimentell termonukleær reaktor (International thermonuclear experimental reactor) bygges nær byen Cadarache i Frankrike. Hovedmålet med ITER-prosjektet er å implementere en kontrollert termonukleær fusjonsreaksjon i industriell skala.

Per vektenhet termonukleært brensel oppnås omtrent 10 millioner ganger mer energi enn ved forbrenning av samme mengde organisk brensel, og omtrent hundre ganger mer enn ved spaltning av urankjerner i reaktorene til kjernekraftverk som er i drift. Hvis beregningene til forskere og designere går i oppfyllelse, vil dette gi menneskeheten en uuttømmelig energikilde.

Derfor slo en rekke land (Russland, India, Kina, Korea, Kasakhstan, USA, Canada, Japan, EU-land) seg sammen for å skape den internasjonale termonukleære forskningsreaktoren - en prototype av nye kraftverk.

ITER er et anlegg som skaper betingelser for syntese av hydrogen og tritiumatomer (en isotop av hydrogen), noe som resulterer i dannelsen nytt atom- helium atom. Denne prosessen er ledsaget av et enormt energiutbrudd: temperaturen på plasmaet der den termonukleære reaksjonen skjer, er omtrent 150 millioner grader Celsius (til sammenligning er temperaturen til solens kjerne 40 millioner grader). I dette tilfellet brenner isotopene ut, og etterlater praktisk talt ikke noe radioaktivt avfall.
Ordningen for deltakelse i det internasjonale prosjektet sørger for tilførsel av reaktorkomponenter og finansiering av konstruksjonen. I bytte for dette får hvert av deltakerlandene full tilgang til all teknologi for å lage en termonukleær reaktor og til resultatene av alle eksperimentelt arbeid på denne reaktoren, som vil tjene som grunnlag for design av termonukleære seriekraftreaktorer.

Reaktoren, basert på prinsippet om termonukleær fusjon, har ingen radioaktiv stråling og er helt trygg for miljø. Den kan plasseres nesten hvor som helst kloden, og drivstoffet for det er vanlig vann. Byggingen av ITER forventes å vare i rundt ti år, hvoretter reaktoren forventes å være i bruk i 20 år.

Klikkbar 4000 px

Russlands interesser i rådet for Den internasjonale organisasjonen for bygging av ITER termonukleære reaktoren i de kommende årene vil bli representert av korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet Mikhail Kovalchuk - direktør for Kurchatov Institute, Institute of Crystallography ved det russiske akademiet Vitenskaps- og vitenskapelig sekretær for presidentrådet for vitenskap, teknologi og utdanning. Kovalchuk vil midlertidig erstatte akademiker Evgeniy Velikhov i denne stillingen, som ble valgt til leder av ITER International Council for de neste to årene og ikke har rett til å kombinere denne stillingen med pliktene til en offisiell representant for et deltakerland.

De totale byggekostnadene er estimert til 5 milliarder euro, og det samme beløpet vil kreves for prøvedrift av reaktoren. Aksjene til India, Kina, Korea, Russland, USA og Japan står hver for omtrent 10 prosent av den totale verdien, 45 prosent kommer fra landene i EU. De europeiske statene er imidlertid ennå ikke enige om hvordan kostnadene skal fordeles mellom dem. På grunn av dette ble byggestarten utsatt til april 2010. Til tross for den siste forsinkelsen, sier forskere og tjenestemenn involvert i ITER at de vil være i stand til å fullføre prosjektet innen 2018.

Den estimerte termonukleære kraften til ITER er 500 megawatt. Individuelle magnetdeler når en vekt på 200 til 450 tonn. For å avkjøle ITER vil det kreves 33 tusen kubikkmeter vann per dag.

I 1998 sluttet USA å finansiere sin deltakelse i prosjektet. Etter at republikanerne kom til makten og rullende strømbrudd begynte i California, annonserte Bush-administrasjonen økte investeringer i energi. USA hadde ikke til hensikt å delta i det internasjonale prosjektet og var engasjert i sitt eget termonukleære prosjekt. Tidlig i 2002 sa president Bushs teknologirådgiver John Marburger III at USA hadde ombestemt seg og hadde til hensikt å gå tilbake til prosjektet.

Når det gjelder antall deltakere, er prosjektet sammenlignbart med et annet stort internasjonalt vitenskapelig prosjekt – Den internasjonale romstasjonen. Kostnaden for ITER, som tidligere nådde 8 milliarder dollar, utgjorde da mindre enn 4 milliarder. Som et resultat av at USA trakk seg fra deltakelsen, ble det besluttet å redusere reaktoreffekten fra 1,5 GW til 500 MW. Følgelig har også prisen på prosjektet gått ned.

I juni 2002 ble symposiet "ITER Days in Moscow" holdt i den russiske hovedstaden. Den diskuterte de teoretiske, praktiske og organisatoriske problemene med å gjenopplive prosjektet, hvis suksess kan endre skjebnen til menneskeheten og gi den en ny type energi, som i effektivitet og økonomi bare kan sammenlignes med solens energi.

I juli 2010 godkjente representanter for landene som deltar i det internasjonale termonukleære reaktorprosjektet ITER sitt budsjett og byggeplan på et ekstraordinært møte holdt i Cadarache, Frankrike. .

På det siste ekstraordinære møtet godkjente prosjektdeltakerne startdatoen for de første eksperimentene med plasma - 2019. Fulle eksperimenter er planlagt i mars 2027, selv om prosjektledelsen ba tekniske spesialister om å prøve å optimalisere prosessen og starte eksperimenter i 2026. Møtedeltakerne tok også stilling til kostnadene ved å bygge reaktoren, men beløpene som var planlagt brukt på å lage installasjonen ble ikke offentliggjort. I følge informasjon mottatt av redaktøren av ScienceNOW-portalen fra en navngitt kilde, kan kostnadene for ITER-prosjektet nå 16 milliarder euro når eksperimentene begynner.

Møtet i Cadarache markerte også den første offisielle arbeidsdagen for den nye prosjektdirektøren, den japanske fysikeren Osamu Motojima. Før ham hadde prosjektet vært ledet siden 2005 av japaneren Kaname Ikeda, som ønsket å forlate stillingen umiddelbart etter at budsjettet og byggefristene var godkjent.

ITER-fusjonsreaktoren er felles prosjekt land i EU, Sveits, Japan, USA, Russland, Sør-Korea, Kina og India. Ideen om å lage ITER har vært under vurdering siden 80-tallet av forrige århundre, men på grunn av økonomiske og tekniske vanskeligheter vokser kostnadene for prosjektet stadig, og byggestartdatoen blir stadig utsatt. I 2009 forventet eksperter at arbeidet med å lage reaktoren ville begynne i 2010. Senere ble denne datoen flyttet, og først 2018 og deretter 2019 ble navngitt som lanseringstidspunktet for reaktoren.

Termonukleære fusjonsreaksjoner er reaksjoner av fusjon av kjerner av lette isotoper for å danne en tyngre kjerne, som er ledsaget av en enorm frigjøring av energi. I teorien kan fusjonsreaktorer produsere mye energi til lave kostnader, men for øyeblikket bruker forskere mye mer energi og penger på å starte og vedlikeholde fusjonsreaksjonen.

Termonukleær fusjon er en billig og miljøvennlig måte å produsere energi på. Ukontrollert termonukleær fusjon har funnet sted på solen i milliarder av år - helium dannes fra den tunge hydrogenisotopen deuterium. Dette frigjør en kolossal mengde energi. Mennesker på jorden har imidlertid ennå ikke lært å kontrollere slike reaksjoner.

ITER-reaktoren vil bruke hydrogenisotoper som drivstoff. Under en termonukleær reaksjon frigjøres energi når lette atomer kombineres til tyngre. For å oppnå dette må gassen varmes opp til en temperatur på over 100 millioner grader – mye høyere enn temperaturen i sentrum av solen. Gass ved denne temperaturen blir til plasma. Samtidig smelter atomer av hydrogenisotoper, og blir til heliumatomer med frigjøring av et stort antall nøytroner. Et kraftverk som opererer etter dette prinsippet vil bruke energien til nøytroner bremset ned av et lag med tett materiale (litium).

Hvorfor tok opprettelsen av termonukleære installasjoner så lang tid?

Hvorfor har så viktige og verdifulle installasjoner, hvis fordeler har vært diskutert i nesten et halvt århundre, ennå ikke blitt opprettet? Det er tre hovedårsaker (diskutert nedenfor), hvorav den første kan kalles ekstern eller sosial, og de to andre - interne, det vil si bestemt av lovene og betingelsene for utviklingen av selve termonukleær energi.

1. I lang tid ble det antatt at problemet med praktisk bruk av termonukleær fusjonsenergi ikke krevde presserende beslutninger og handlinger, siden tilbake på 80-tallet av forrige århundre virket fossile brenselkilder uuttømmelige, og miljøproblemer og klimaendringer gjorde det. ikke angår publikum. I 1976 forsøkte U.S. Department of Energys Fusion Energy Advisory Committee å estimere tidsrammen for FoU og et demonstrasjonsfusjonskraftverk under forskjelligever. Samtidig ble det oppdaget at volumet av årlige midler til forskning i denne retningen er helt utilstrekkelig, og hvis det eksisterende bevilgningsnivået opprettholdes, vil etableringen av termonukleære installasjoner aldri lykkes, siden de tildelte midlene ikke stemmer overens. selv til det minste, kritiske nivået.

2. En mer alvorlig hindring for utviklingen av forskning på dette området er at en termonukleær installasjon av den typen som diskuteres ikke kan lages og demonstreres i liten skala. Fra forklaringene som presenteres nedenfor, vil det bli klart at termonukleær fusjon krever ikke bare magnetisk inneslutning av plasmaet, men også tilstrekkelig oppvarming av det. Forholdet mellom brukt og mottatt energi øker i det minste proporsjonalt med kvadratet av installasjonens lineære dimensjoner, som et resultat av at de vitenskapelige og tekniske egenskapene og fordelene til termonukleære installasjoner kan testes og demonstreres bare på ganske store stasjoner, som f.eks. som den nevnte ITER-reaktoren. Samfunnet var rett og slett ikke klar til å finansiere slike store prosjekter før det var tilstrekkelig tillit til suksess.

3. Utviklingen av termonukleær energi har vært svært kompleks, men (til tross for utilstrekkelig finansiering og vanskeligheter med å velge sentre for etablering av JET- og ITER-installasjoner), har det blitt observert klare fremskritt de siste årene, selv om en driftsstasjon ennå ikke er opprettet.

Den moderne verden står overfor en svært alvorlig energiutfordring, som mer nøyaktig kan kalles en "usikker energikrise." Problemet er knyttet til at reservene av fossilt brensel kan gå tom i andre halvdel av dette århundret. Dessuten kan brenning av fossilt brensel resultere i behovet for på en eller annen måte å binde og "lagre" karbondioksidet som slippes ut i atmosfæren (CCS-programmet nevnt ovenfor) for å forhindre store endringer i planetens klima.

For tiden skapes nesten all energien som forbrukes av menneskeheten ved å brenne fossilt brensel, og løsningen på problemet kan være assosiert med bruk av solenergi eller atomenergi (opprettelsen av raske oppdrettsreaktorer, etc.). Globalt problem drevet av den økende befolkningen i utviklingsland og deres behov for å forbedre levestandarden og øke mengden energi som produseres, kan ikke løses bare på grunnlag av tilnærmingene som vurderes, selv om selvfølgelig alle forsøk på å utvikle alternative metoder for energiproduksjon bør oppmuntres.

Strengt tatt har vi et lite utvalg av atferdsstrategier og utvikling av termonukleær energi er ekstremt viktig, selv til tross for mangelen på en garanti for suksess. Avisen Financial Times (datert 25. januar 2004) skrev om dette:

La oss håpe at det ikke vil være noen store og uventede overraskelser på veien til utviklingen av termonukleær energi. I dette tilfellet vil vi om cirka 30 år kunne levere elektrisk strøm fra den til energinettverk for første gang, og om litt over 10 år vil det første kommersielle termonukleære kraftverket begynne å fungere. Det er mulig at i andre halvdel av dette århundret vil kjernefysisk fusjonsenergi begynne å erstatte fossilt brensel og gradvis begynne å spille en stadig viktigere rolle i å gi energi til menneskeheten på global skala.

Det er ingen absolutt garanti for at oppgaven med å skape termonukleær energi (som en effektiv og storskala energikilde for hele menneskeheten) vil bli fullført vellykket, men sannsynligheten for suksess i denne retningen er ganske høy. Tatt i betraktning det enorme potensialet til termonukleære stasjoner, kan alle kostnader for prosjekter for deres raske (og til og med akselererte) utvikling anses som rettferdiggjort, spesielt siden disse investeringene ser veldig beskjedne ut på bakgrunn av det monstrøse globale energimarkedet (4 billioner dollar per år8). Å møte menneskehetens energibehov er et svært alvorlig problem. Etter hvert som fossilt brensel blir mindre tilgjengelig (og bruken blir uønsket), endrer situasjonen seg, og vi har rett og slett ikke råd til å ikke utvikle fusjonsenergi.

Til spørsmålet "Når vil termonukleær energi dukke opp?" Lev Artsimovich (en anerkjent pioner og leder av forskning på dette feltet) svarte en gang at "det vil bli skapt når det virkelig blir nødvendig for menneskeheten"

ITER vil være den første fusjonsreaktoren som produserer mer energi enn den forbruker. Forskere måler denne egenskapen ved å bruke en enkel koeffisient de kaller "Q." Hvis ITER når alle sine vitenskapelige mål, vil den produsere 10 ganger mer energi enn den forbruker. Den siste enheten som skal bygges, Joint European Thor i England, er en mindre prototype fusjonsreaktor som er i sluttfasen Vitenskapelig forskning nådde en Q-verdi på nesten 1. Dette betyr at den produserte nøyaktig samme mengde energi som den forbrukte. ITER vil gå utover dette ved å demonstrere energiskaping fra fusjon og oppnå en Q-verdi på 10. Tanken er å generere 500 MW fra et energiforbruk på ca. 50 MW. Dermed er et av de vitenskapelige målene til ITER å bevise at en Q-verdi på 10 kan oppnås.

Et annet vitenskapelig mål er at ITER skal ha en veldig lang "brennetid" - en puls med forlenget varighet opptil én time. ITER er en forskningseksperimentell reaktor som ikke kan produsere energi kontinuerlig. Når ITER begynner å fungere, vil den være på i én time, deretter må den slås av. Dette er viktig fordi standardenhetene vi har laget til nå har vært i stand til å ha en brenntid på flere sekunder eller til og med tideler av et sekund – dette er maksimum. "Joint European Torus" nådde sin Q-verdi på 1 med en brenntid på omtrent to sekunder med en pulslengde på 20 sekunder. Men en prosess som varer noen sekunder er ikke virkelig permanent. I analogi med å starte en bilmotor: å slå på motoren kort og deretter slå den av er ennå ikke reell drift av bilen. Først når du kjører bilen i en halvtime vil den nå en konstant driftsmodus og demonstrere at en slik bil faktisk kan kjøres.

Det vil si at fra et teknisk og vitenskapelig synspunkt vil ITER gi en Q-verdi på 10 og økt brenntid.

Det termonukleære fusjonsprogrammet er virkelig internasjonalt og bredt i sin natur. Folk regner allerede med suksessen til ITER og tenker på neste trinn - å lage en prototype av en industriell termonukleær reaktor kalt DEMO. For å bygge den må ITER fungere. Vi må nå våre vitenskapelige mål fordi dette vil bety at ideene vi legger frem er fullt gjennomførbare. Jeg er imidlertid enig i at du alltid bør tenke på hva som kommer videre. I tillegg, ettersom ITER opererer i 25-30 år, vil kunnskapen vår gradvis utdypes og utvides, og vi vil være i stand til mer nøyaktig å skissere vårt neste steg.

Det er faktisk ingen debatt om hvorvidt ITER skal være en tokamak. Noen forskere stiller spørsmålet helt annerledes: bør ITER eksistere? Spesialister i forskjellige land, som utvikler sine egne, ikke så store termonukleære prosjekter, hevder at en så stor reaktor ikke er nødvendig i det hele tatt.

Men deres mening bør neppe anses som autoritativ. Fysikere som har jobbet med toroidale feller i flere tiår var involvert i opprettelsen av ITER. Utformingen av den eksperimentelle termonukleære reaktoren i Karadash var basert på all kunnskapen som ble oppnådd under eksperimenter på dusinvis av forgjenger-tokamakker. Og disse resultatene indikerer at reaktoren må være en tokamak, og en stor.

JET For øyeblikket kan den mest suksessrike tokamak betraktes som JET, bygget av EU i den britiske byen Abingdon. Dette er den største tokamak-type reaktoren som er laget til dags dato, den store radiusen til plasmatorusen er 2,96 meter. Kraften til den termonukleære reaksjonen har allerede nådd mer enn 20 megawatt med en retensjonstid på opptil 10 sekunder. Reaktoren returnerer omtrent 40 % av energien som legges inn i plasmaet.

Det er fysikken til plasma som bestemmer energibalansen, sa Igor Semenov til Infox.ru. MIPT-lektor beskrev hva energibalanse er med et enkelt eksempel: «Vi har alle sett en brann brenne. Det er faktisk ikke ved som brenner der, men gass. Energikjeden der er slik: Gassen brenner, veden varmer, veden fordamper, gassen brenner igjen. Derfor, hvis vi kaster vann på bålet, vil vi brått ta bort energi fra systemet for faseovergang flytende vann inn i en damptilstand. Balansen blir negativ og brannen slukkes. Det er en annen måte – vi kan ganske enkelt ta ildsjelene og spre dem i verdensrommet. Brannen skal også slukke. Det er det samme i den termonukleære reaktoren vi bygger. Dimensjonene er valgt for å skape en passende positiv energibalanse for denne reaktoren. Tilstrekkelig til å bygge et ekte kjernekraftverk i fremtiden, og løse på dette eksperimentelle stadiet alle problemene som for øyeblikket er uløste.»

Dimensjonene til reaktoren ble endret én gang. Dette skjedde ved overgangen til det 20.-21. århundre, da USA trakk seg fra prosjektet, og de gjenværende medlemmene innså at ITER-budsjettet (på den tiden ble det anslått til 10 milliarder amerikanske dollar) var for stort. Fysikere og ingeniører ble pålagt å redusere kostnadene ved installasjon. Og dette kunne bare gjøres på grunn av størrelsen. "Redesignet" av ITER ble ledet av den franske fysikeren Robert Aymar, som tidligere jobbet på den franske Tore Supra tokamak i Karadash. Plasmatorusens ytre radius er redusert fra 8,2 til 6,3 meter. Risikoen forbundet med reduksjonen i størrelse ble imidlertid delvis kompensert for av flere ekstra superledende magneter, som gjorde det mulig å implementere plasma inneslutningsmodus, som var åpen og studert på den tiden.

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

Menneskeheten nærmer seg gradvis grensen for irreversibel utarming av jordens hydrokarbonressurser. Vi har utvunnet olje, gass og kull fra innvollene på planeten i nesten to århundrer, og det er allerede klart at deres reserver blir uttømt i enorm hastighet. De ledende landene i verden har lenge tenkt på å skape en ny energikilde, miljøvennlig, sikker fra driftssynspunktet, med enorme drivstoffreserver.

Fusjonsreaktor

I dag snakkes det mye om bruk av såkalte alternative energityper – fornybare kilder i form av solceller, vindenergi og vannkraft. Det er åpenbart at disse retningene på grunn av deres egenskaper bare kan fungere som hjelpekilder for energiforsyning.

Som et langsiktig perspektiv for menneskeheten kan kun energi basert på kjernefysiske reaksjoner vurderes.

På den ene siden viser flere og flere stater interesse for å bygge atomreaktorer på deres territorium. Men fortsatt er et presserende problem for kjernekraft behandling og deponering av radioaktivt avfall, og dette påvirker økonomiske og miljømessige indikatorer. Tilbake på midten av 1900-tallet vendte verdens ledende fysikere, på jakt etter nye typer energi, til kilden til liv på jorden - Solen, i dypet som, ved en temperatur på rundt 20 millioner grader, reaksjoner av syntese (fusjon) av lette elementer finner sted med frigjøring av kolossal energi.

Innenlandske spesialister håndterte oppgaven med å utvikle et anlegg for å implementere kjernefysiske fusjonsreaksjoner under terrestriske forhold best av alt. Kunnskapen og erfaringen innen kontrollert termonukleær fusjon (CTF), oppnådd i Russland, dannet grunnlaget for prosjektet, som uten overdrivelse er menneskehetens energihåp - International Experimental Thermonuclear Reactor (ITER), som er under utvikling. bygget i Cadarache (Frankrike).

Historien om termonukleær fusjon

Den første termonukleære forskningen begynte i land som arbeidet med sine atomforsvarsprogrammer. Dette er ikke overraskende, fordi ved begynnelsen av atomalderen Hoved mål fremveksten av deuterium plasmareaktorer var en studie fysiske prosesser i varmt plasma, som kunnskap om blant annet var nødvendig for å lage termonukleære våpen. I følge deklassifiserte data begynte USSR og USA nesten samtidig på 1950-tallet. arbeid på UTS. Men samtidig er det historiske bevis på at tilbake i 1932 var den gamle revolusjonære og nære venn av lederen av verdensproletariatet Nikolai Bukharin, som på den tiden hadde stillingen som formann for Det øverste økonomiske råds komité og fulgte utvikling av sovjetisk vitenskap, foreslått å starte et prosjekt i landet for å studere kontrollerte termonukleære reaksjoner.

Historien til det sovjetiske termonukleære prosjektet er ikke uten et morsomt faktum. Den fremtidige berømte akademikeren og skaperen av hydrogenbomben, Andrei Dmitrievich Sakharov, ble inspirert av ideen om magnetisk termisk isolasjon av høytemperaturplasma fra et brev fra en soldat sovjetisk hær. I 1950 sendte sersjant Oleg Lavrentyev, som tjenestegjorde på Sakhalin, til sentralkomiteen i All-Unionen kommunistparti et brev der han foreslo å bruke i hydrogenbombe litium-6 deuteride i stedet for flytende deuterium og tritium, og også skape et system med elektrostatisk inneslutning av varmt plasma for kontrollert termonukleær fusjon. Brevet ble gjennomgått av den daværende unge forskeren Andrei Sakharov, som skrev i sin anmeldelse at han "ser det som nødvendig å ha en detaljert diskusjon av kamerat Lavrentievs prosjekt."

Allerede i oktober 1950 gjorde Andrei Sakharov og hans kollega Igor Tamm de første estimatene av en magnetisk termonukleær reaktor (MTR). Den første toroidformede installasjonen med et sterkt langsgående magnetfelt, basert på ideene til I. Tamm og A. Sakharov, ble bygget i 1955 i LIPAN. Det ble kalt TMP - en torus med et magnetfelt. Påfølgende installasjoner ble allerede kalt TOKAMAK, etter kombinasjonen av de første stavelsene i uttrykket "TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL". I sin klassiske versjon er en tokamak et smultringformet toroidalt kammer plassert i et toroidalt magnetfelt. Fra 1955 til 1966 På Kurchatov-instituttet ble det bygget 8 slike installasjoner, som mange forskjellige studier ble utført på. Hvis før 1969 ble en tokamak bygget utenfor USSR bare i Australia, ble de i de påfølgende årene bygget i 29 land, inkludert USA, Japan, europeiske land, India, Kina, Canada, Libya, Egypt. Totalt er det til dags dato bygget rundt 300 tokamaks i verden, inkludert 31 i USSR og Russland, 30 i USA, 32 i Europa og 27 i Japan. Faktisk var tre land - USSR, Storbritannia og USA - engasjert i en uuttalt konkurranse for å se hvem som ville være den første til å utnytte plasma og faktisk begynne å produsere energi "fra vann."

Den viktigste fordelen med en termonukleær reaktor er reduksjonen i strålingsbiologisk fare med omtrent tusen ganger sammenlignet med alle moderne kjernekraftreaktorer.

En termonukleær reaktor slipper ikke ut CO2 og produserer ikke «tungt» radioaktivt avfall. Denne reaktoren kan plasseres hvor som helst, hvor som helst.

Et skritt på et halvt århundre

I 1985 foreslo akademiker Evgeniy Velikhov, på vegne av USSR, at forskere fra Europa, USA og Japan skulle jobbe sammen for å lage en termonukleær reaktor, og allerede i 1986 i Genève ble det oppnådd enighet om utformingen av installasjonen, som senere fikk navnet ITER. I 1992 signerte partnerne en firepartsavtale for å utvikle et ingeniørdesign for reaktoren. Det første byggetrinnet skal etter planen være ferdig innen 2020, når det er planlagt å motta det første plasmaet. I 2011 startet virkelig bygging på ITER-området.

ITER-designet følger den klassiske russiske tokamak, utviklet tilbake på 1960-tallet. Det er planlagt at reaktoren i det første trinnet vil operere i en pulsert modus med en effekt av termonukleære reaksjoner på 400–500 MW, i det andre trinnet vil den kontinuerlige driften av reaktoren, så vel som tritiumreproduksjonssystemet, bli testet .

Det er ikke for ingenting at ITER-reaktoren kalles menneskehetens energifremtid. For det første er dette verdens største vitenskapelige prosjekt, fordi det i Frankrike bygges av nesten hele verden: EU + Sveits, Kina, India, Japan, Sør-Korea, Russland og USA deltar. Avtalen om bygging av installasjonen ble signert i 2006. Europeiske land bidrar med ca 50 % av prosjektets finansiering, Russland står for ca 10 % av totalbeløpet, som vil bli investert i form av høyteknologisk utstyr. Men mest hovedbidrag Russland – selve tokamak-teknologien, som dannet grunnlaget for ITER-reaktoren.

For det andre vil dette være det første storstilte forsøket på å bruke den termonukleære reaksjonen som skjer i Solen til å generere elektrisitet. For det tredje, dette vitenskapelig arbeid bør gi svært praktiske resultater, og innen slutten av århundret forventer verden utseendet til den første prototypen av et kommersielt termonukleært kraftverk.

Forskere antar at det første plasmaet ved den internasjonale eksperimentelle termonukleære reaktoren vil bli produsert i desember 2025.

Hvorfor begynte bokstavelig talt hele verdens vitenskapelige miljø å bygge en slik reaktor? Faktum er at mange teknologier som er planlagt brukt i konstruksjonen av ITER, ikke tilhører alle land samtidig. En stat, selv den høyest utviklede i vitenskapelige og tekniske termer, kan ikke umiddelbart ha hundre teknologier av høyeste verdensnivå innen alle teknologifelt brukt i et så høyteknologisk og gjennombruddsprosjekt som en termonukleær reaktor. Men ITER består av hundrevis av lignende teknologier.

Russland overgår det globale nivået i mange termonukleær fusjonsteknologier. Men for eksempel har japanske kjernefysikere også unik kompetanse på dette området, som er ganske anvendelig i ITER.

Derfor kom partnerlandene helt i starten av prosjektet til enighet om hvem og hva som skulle leveres til stedet, og at dette ikke bare skulle være samarbeid innen engineering, men en mulighet for hver av partnerne til å motta ny teknologi. fra andre deltakere, slik at du i fremtiden kan utvikle dem selv.

Andrey Retinger, internasjonal journalist