Núcleos estelares como reactor termonuclear natural brevemente. ¿Por qué tardó tanto en crear instalaciones termonucleares? Estructura del complejo iter.

Central eléctrica de fusión.

Actualmente, los científicos están trabajando en la creación de una central termonuclear, cuya ventaja es proporcionar electricidad a la humanidad por tiempo ilimitado. Una central termonuclear funciona sobre la base de la fusión termonuclear, la reacción de síntesis de isótopos pesados de hidrógeno con la formación de helio y la liberación de energía. La reacción de fusión termonuclear no produce desechos radiactivos gaseosos o líquidos y no produce plutonio, que se utiliza para producir armas nucleares. Si además tenemos en cuenta que el combustible de las estaciones termonucleares será el isótopo pesado del hidrógeno deuterio, que se obtiene a partir de agua simple (medio litro de agua contiene energía de fusión equivalente a la que se obtiene quemando un barril de gasolina), entonces las ventajas de Se hacen evidentes las centrales eléctricas basadas en reacciones termonucleares.

Durante una reacción termonuclear, se libera energía cuando los átomos ligeros se combinan y se transforman en otros más pesados. Para lograrlo, es necesario calentar el gas a una temperatura de más de 100 millones de grados, mucho más alta que la temperatura en el centro del Sol.

El gas a esta temperatura se convierte en plasma. Al mismo tiempo, los átomos de los isótopos de hidrógeno se fusionan, convirtiéndose en átomos de helio y neutrones y liberando una gran cantidad de energía. Una central eléctrica comercial que funcione según este principio utilizaría la energía de neutrones moderada por una capa de material denso (litio).

En comparación con una central nuclear, un reactor de fusión dejará muchos menos residuos radiactivos.

Reactor termonuclear internacional ITER

Los participantes en el consorcio internacional para la creación del primer reactor termonuclear del mundo, ITER, firmaron en Bruselas un acuerdo que inicia la implementación práctica del proyecto.

Los representantes de la Unión Europea, Estados Unidos, Japón, China, Corea del Sur y Rusia tienen la intención de comenzar la construcción del reactor experimental en 2007 y completarlo en ocho años. Si todo va según lo previsto, en 2040 se podrá construir una central eléctrica de demostración que funcione según el nuevo principio.

Me gustaría creer que pronto terminará la era de las centrales hidroeléctricas y nucleares, peligrosas para el medio ambiente, y que llegará el momento de construir una nueva central termonuclear, cuyo proyecto ya se está ejecutando. Pero, a pesar de que el proyecto ITER (Reactor Termonuclear Internacional) está casi listo; A pesar de que ya en los primeros reactores termonucleares experimentales en funcionamiento se obtuvo una potencia superior a 10 MW, el nivel de las primeras centrales nucleares, la primera central termonuclear no comenzará a funcionar antes de veinte años, porque su costo es muy alto. . El coste de las obras se estima en 10 mil millones de euros: se trata del proyecto de central eléctrica más caro a nivel internacional. La mitad de los costes de construcción del reactor corren a cargo de la Unión Europea. Otros participantes del consorcio destinarán el 10% del presupuesto.

Ahora los parlamentarios de los países miembros del consorcio deben ratificar el plan de construcción del reactor, que será el proyecto científico conjunto más caro de la historia.

El reactor se construirá en la provincia de Provenza, en el sur de Francia, en las proximidades de la ciudad de Cadarache, donde se encuentra el centro de investigación nuclear francés.

ITER - Reactor Termonuclear Internacional (ITER)

El consumo humano de energía crece cada año, lo que empuja al sector energético hacia un desarrollo activo. Así, con la aparición de las centrales nucleares, la cantidad de energía generada en todo el mundo aumentó significativamente, lo que hizo posible utilizar la energía de forma segura para todas las necesidades de la humanidad. Por ejemplo, el 72,3% de la electricidad generada en Francia proviene de centrales nucleares, en Ucrania el 52,3%, en Suecia el 40,0%, en el Reino Unido el 20,4% y en Rusia el 17,1%. Sin embargo, la tecnología no se detiene y, para satisfacer las necesidades energéticas de los países del futuro, los científicos están trabajando en una serie de proyectos innovadores, uno de los cuales es el ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional).

Aunque la rentabilidad de esta instalación aún está en duda, según el trabajo de numerosos investigadores, la creación y posterior desarrollo de la tecnología de fusión termonuclear controlada puede dar como resultado una fuente de energía potente y segura. Consideremos algunos de los aspectos positivos de dicha instalación:

El principal combustible de un reactor termonuclear es el hidrógeno, lo que supone reservas prácticamente inagotables de combustible nuclear.
El hidrógeno se puede producir procesando agua de mar, que está disponible en la mayoría de los países. De esto se deduce que no puede surgir un monopolio de los recursos combustibles.
La probabilidad de una explosión de emergencia durante el funcionamiento de un reactor termonuclear es mucho menor que durante el funcionamiento de un reactor nuclear. Según los investigadores, incluso en caso de accidente, las emisiones de radiación no supondrán ningún peligro para la población, por lo que no será necesario realizar evacuaciones.
A diferencia de los reactores nucleares, los reactores de fusión producen desechos radiactivos que tienen una vida media corta, lo que significa que se desintegran más rápido. Además, en los reactores termonucleares no se producen productos de combustión.
Un reactor de fusión no requiere materiales que también se utilizan para armas nucleares. Esto elimina la posibilidad de encubrir la producción de armas nucleares mediante el procesamiento de materiales para las necesidades de un reactor nuclear.

Reactor termonuclear - vista interior

Sin embargo, también existen una serie de deficiencias técnicas con las que los investigadores se topan constantemente.

Por ejemplo, la versión actual del combustible, presentada en forma de una mezcla de deuterio y tritio, requiere el desarrollo de nuevas tecnologías. Por ejemplo, al final de la primera serie de pruebas en el reactor termonuclear JET, el más grande hasta la fecha, el reactor se volvió tan radiactivo que fue necesario desarrollar un sistema especial de mantenimiento robótico para completar el experimento. Otro factor decepcionante en el funcionamiento de un reactor termonuclear es su eficiencia: 20%, mientras que la eficiencia de una central nuclear es del 33-34% y la de una central térmica es del 40%.

Creación del proyecto ITER y puesta en marcha del reactor

El proyecto ITER se remonta a 1985, cuando la Unión Soviética propuso la creación conjunta de un tokamak, una cámara toroidal con bobinas magnéticas que puede contener plasma mediante imanes, creando así las condiciones necesarias para que se produzca una reacción de fusión termonuclear. En 1992 se firmó un acuerdo cuatripartito para el desarrollo del ITER, en el que participaron la UE, Estados Unidos, Rusia y Japón. En 1994, la República de Kazajstán se unió al proyecto, en 2001, Canadá, en 2003, Corea del Sur y China, y en 2005, India. En 2005, se determinó el lugar para la construcción del reactor: el Centro de Investigación de Energía Nuclear de Cadarache, Francia.

La construcción del reactor comenzó con la preparación de un pozo para los cimientos. Entonces los parámetros del pozo eran 130 x 90 x 17 metros. Todo el complejo de tokamak pesará 360.000 toneladas, de las cuales 23.000 toneladas son el propio tokamak.

Se desarrollarán y entregarán al sitio de construcción varios elementos del complejo ITER desde todo el mundo. Así, en 2016 se desarrollaron en Rusia parte de los conductores para las bobinas poloidales, que luego se enviaron a China, donde se producirán las bobinas.

Evidentemente, organizar una obra de tal envergadura no es nada fácil; varios países han incumplido repetidamente el calendario del proyecto, por lo que la puesta en marcha del reactor se ha pospuesto constantemente. Así, según el mensaje de junio del año pasado (2016): “la recepción del primer plasma está prevista para diciembre de 2025”.

El mecanismo de funcionamiento del tokamak ITER.

El término "tokamak" proviene de un acrónimo ruso que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas".

El corazón de un tokamak es su cámara de vacío en forma de toro. En el interior, bajo temperaturas y presiones extremas, el gas combustible hidrógeno se convierte en plasma, un gas caliente cargado eléctricamente. Como se sabe, la materia estelar está representada por plasma y las reacciones termonucleares en el núcleo solar ocurren precisamente en condiciones de temperatura y presión elevadas. Condiciones similares para la formación, retención, compresión y calentamiento del plasma se crean mediante enormes bobinas magnéticas ubicadas alrededor de un recipiente de vacío. La influencia de los imanes limitará el plasma caliente de las paredes del recipiente.

Antes de que comience el proceso, se eliminan el aire y las impurezas de la cámara de vacío. Luego se cargan los sistemas magnéticos que ayudarán a controlar el plasma y se introduce combustible gaseoso. Cuando una poderosa corriente eléctrica pasa a través del recipiente, el gas se divide eléctricamente y se ioniza (es decir, los electrones abandonan los átomos) y forma un plasma.

A medida que las partículas de plasma se activan y chocan, también comienzan a calentarse. Las técnicas de calentamiento asistido ayudan a llevar el plasma a temperaturas de fusión (de 150 a 300 millones de °C). Las partículas "excitadas" hasta este punto pueden superar su repulsión electromagnética natural al chocar, liberando enormes cantidades de energía como resultado de dichas colisiones.

El diseño del tokamak consta de los siguientes elementos:

Recipiente de vacío

(“donut”) es una cámara toroidal hecha de acero inoxidable. Su diámetro grande es de 19 m, el pequeño es de 6 my su altura es de 11 m. El volumen de la cámara es de 1.400 m 3 y su peso es de más de 5.000 toneladas. Las paredes del recipiente de vacío son dobles. Entre las paredes circulará refrigerante, que será agua destilada. Para evitar la contaminación del agua, la pared interior de la cámara se protege de la radiación radiactiva mediante una manta.

Frazada

(“manta”) – consta de 440 fragmentos que cubren la superficie interior de la cámara. La superficie total para banquetes es de 700m2. Cada fragmento es una especie de casete, cuyo cuerpo está hecho de cobre y la pared frontal es removible y está hecha de berilio. Los parámetros de los casetes son de 1x1,5 my la masa no supera las 4,6 toneladas. Estos casetes de berilio ralentizarán los neutrones de alta energía que se forman durante la reacción. Durante la moderación de neutrones, el sistema de enfriamiento liberará y eliminará calor. Cabe señalar que el polvo de berilio que se forma como resultado del funcionamiento del reactor puede causar una enfermedad grave llamada berilio y también tiene efectos cancerígenos. Por este motivo, en el complejo se están desarrollando estrictas medidas de seguridad.

Tokamak en sección. Amarillo - solenoide, naranja - imanes de campo toroidal (TF) y campo poloidal (PF), azul - manta, azul claro - VV - recipiente de vacío, violeta - desviador

("cenicero") del tipo poloidal es un dispositivo cuya tarea principal es "limpiar" el plasma de la suciedad resultante del calentamiento y la interacción con él de las paredes de la cámara cubiertas con una manta. Cuando estos contaminantes entran en el plasma, comienzan a irradiar intensamente, lo que provoca pérdidas de radiación adicionales. Está ubicado en la parte inferior del tokomak y, mediante imanes, dirige las capas superiores de plasma (que son las más contaminadas) hacia la cámara de enfriamiento. Aquí el plasma se enfría y se convierte en gas, después de lo cual se bombea nuevamente fuera de la cámara. El polvo de berilio, después de entrar en la cámara, prácticamente no puede regresar al plasma. Por tanto, la contaminación por plasma permanece sólo en la superficie y no penetra más profundamente.

criostato

- el componente más grande del tokomak, que es una carcasa de acero inoxidable con un volumen de 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) y una masa de 3.850 toneladas. Otros elementos del sistema se ubicarán dentro del criostato, y él mismo sirve. como barrera entre el tokamak y el entorno exterior. En sus paredes interiores se ubicarán pantallas térmicas enfriadas mediante circulación de nitrógeno a una temperatura de 80 K (-193,15 °C).

sistema magnético

– un conjunto de elementos que sirven para contener y controlar el plasma dentro de un recipiente de vacío. Es un conjunto de 48 elementos:

Las bobinas de campo toroidal están ubicadas fuera de la cámara de vacío y dentro del criostato. Se presentan en 18 piezas, cada una de las cuales mide 15 x 9 my pesan aproximadamente 300 toneladas. En conjunto, estas bobinas generan un campo magnético de 11,8 Tesla alrededor del toro de plasma y almacenan una energía de 41 GJ.
Bobinas de campo poloidal: ubicadas encima de las bobinas de campo toroidal y dentro del criostato. Estas bobinas son responsables de generar un campo magnético que separa la masa de plasma de las paredes de la cámara y comprime el plasma para su calentamiento adiabático. El número de estas bobinas es 6. Dos de las bobinas tienen un diámetro de 24 my una masa de 400 toneladas. Las cuatro restantes son algo más pequeñas.
El solenoide central está ubicado en la parte interior de la cámara toroidal, o más bien en el “donut Hole”. El principio de funcionamiento es similar al de un transformador y su tarea principal es excitar una corriente inductiva en el plasma.
Las bobinas de corrección están ubicadas dentro del recipiente de vacío, entre la manta y la pared de la cámara. Su tarea es mantener la forma del plasma, capaz de "abultarse" localmente e incluso tocar las paredes del recipiente. Le permite reducir el nivel de interacción de las paredes de la cámara con el plasma y, por lo tanto, el nivel de contaminación, y también reduce el desgaste de la propia cámara.

Estructura del complejo ITER

El diseño del tokamak descrito anteriormente “en pocas palabras” es un mecanismo innovador muy complejo creado gracias a los esfuerzos de varios países. Sin embargo, para su pleno funcionamiento se requiere todo un complejo de edificios ubicados cerca del tokamak. Entre ellos:

Sistema de Control, Acceso a Datos y Comunicación – CODAC. Ubicado en varios edificios del complejo ITER.
Almacenamiento de combustible y sistema de combustible: sirve para suministrar combustible al tokamak.
El sistema de vacío consta de más de cuatrocientas bombas de vacío, cuya tarea es bombear los productos de la reacción termonuclear, así como diversos contaminantes de la cámara de vacío.
Sistema criogénico: representado por un circuito de nitrógeno y helio. El circuito de helio normalizará la temperatura en el tokamak, cuyo trabajo (y por tanto la temperatura) no se produce de forma continua, sino por impulsos. El circuito de nitrógeno enfriará los escudos térmicos del criostato y el propio circuito de helio. También habrá un sistema de refrigeración por agua, cuyo objetivo es reducir la temperatura de las paredes de la manta.
Fuente de alimentación. El tokamak necesitará aproximadamente 110 MW de energía para funcionar de forma continua. Para ello, se instalarán líneas eléctricas de un kilómetro de longitud que se conectarán a la red industrial francesa. Vale la pena recordar que la instalación experimental ITER no se ocupa de la producción de energía, sino que funciona únicamente por intereses científicos.

Financiación del ITER

El reactor termonuclear internacional ITER es una empresa bastante costosa, que inicialmente se estimó en 12 mil millones de dólares, de los cuales 1/11 corresponden a Rusia, Estados Unidos, Corea, China e India, 2/11 a Japón y 4 a la UE. /11. Esta cantidad aumentó posteriormente a 15 mil millones de dólares. Cabe destacar que el financiamiento se da a través del suministro de los equipos necesarios para el complejo, el cual se desarrolla en cada país. Así, Rusia suministra mantas, dispositivos de calentamiento de plasma e imanes superconductores.

Perspectiva del proyecto

Actualmente está en marcha la construcción del complejo ITER y la producción de todos los componentes necesarios para el tokamak. Tras el lanzamiento previsto del tokamak en 2025, se iniciarán una serie de experimentos, a partir de cuyos resultados se observarán los aspectos que requieren mejora. Tras la exitosa puesta en funcionamiento del ITER, está previsto construir una central eléctrica basada en fusión termonuclear denominada DEMO (DEMOnstration Power Plant). El objetivo de DEMo es demostrar el llamado "atractivo comercial" de la energía de fusión. Si ITER es capaz de generar sólo 500 MW de energía, DEMO podrá generar continuamente 2 GW de energía.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que la instalación experimental ITER no producirá energía y su finalidad es obtener beneficios puramente científicos. Y como saben, tal o cual experimento físico no sólo puede cumplir con las expectativas, sino también aportar nuevos conocimientos y experiencias a la humanidad.

Durante más de medio siglo se ha trabajado duro en diferentes países. Los científicos están tratando de encontrar la clave de otro almacén de energía, el más ambicioso. Quieren extraer energía del agua. Mucha gente ve con razón una central termonuclear como la única manera de liberar a la humanidad de la trampa de los hidrocarburos.

Cuanto mayor es la temperatura de una sustancia, más rápido se mueven sus partículas. Pero también en el plasma dos núcleos atómicos libres chocan entre sí sin consecuencias. Las fuerzas de repulsión mutua de los núcleos atómicos son demasiado grandes. Pero si se eleva la temperatura del plasma a cientos de millones de grados, la energía de las partículas rápidas puede superar la "barrera de repulsión". Entonces, a partir de dos núcleos atómicos ligeros, una colisión dará como resultado un núcleo más pesado.

Y el nacimiento de una nueva sustancia se producirá con una poderosa liberación de energía.

El hidrógeno, al ser el elemento más ligero de la Tierra, es especialmente adecuado para participar en reacciones termonucleares. Más precisamente, no el hidrógeno que, junto con el oxígeno, forma el agua corriente, sino su hermano pesado, el deuterio, cuyo peso atómico es el doble. Se puede extraer del agua pesada, que se forma cuando se combina con oxígeno. En la naturaleza, por cada seis mil gotas de agua corriente, hay una gota de agua pesada. Al principio parece que es muy poco, pero los cálculos lo demuestran: sólo los océanos de nuestro planeta contienen alrededor de 38 billones de toneladas de agua pesada.

Si aprendemos a extraer eficientemente la energía escondida en él, la humanidad dispondrá de dicha reserva durante miles de millones de años gracias a las centrales termonucleares.

Las reacciones termonucleares (la llamada combinación de núcleos atómicos ligeros con la formación de núcleos más pesados y la liberación de energía) ya se han llevado a cabo artificialmente en la Tierra. Pero hasta ahora han sido reacciones instantáneas, incontrolables y destructivas: explosiones de bombas de hidrógeno (o más bien deuterio) como la Madre de Kuzkina. Y si las cosas van bien con las armas termonucleares, entonces con un reactor pacífico no todo es tan sencillo.

Físicos de muchos países están realizando investigaciones internacionales destinadas a crear un reactor termonuclear industrial y construir una central eléctrica basada en él. Un reactor de este tipo permitirá dominar reservas de energía verdaderamente inagotables y llevar a la humanidad a un nivel de existencia fundamentalmente nuevo. Hoy en día, los reactores existentes (tokamak) funcionan por poco tiempo. Durante todo el período de investigación se construyeron alrededor de 300 reactores termonucleares. Sólo en 2007 se produjo la primera reacción energética de equilibrio, cuando el tokamak produjo una cuarta parte (1:1,25) más de energía de la que consumió.

En un futuro próximo está previsto aumentar esta proporción a 1:50. En este sentido, los tokamaks sólo pueden considerarse instalaciones experimentales, pero no industriales. De todos los desafíos técnicos de la ciencia moderna, la cuestión de la fusión termonuclear industrial puede, sin exagerar, considerarse la empresa más ambiciosa, capaz de revolucionar las ideas sobre producción, ecología, construcción, agricultura y transporte.

La fusión termonuclear es capaz de rediseñar radicalmente el mapa político y económico del mundo. Si algún país puede tener a su disposición una fuente ilimitada de energía limpia, los desiertos pronto florecerán y habrá que abandonar la gasolina y el gas. Los procesos que consumen mucha energía, como la fundición de metales o la producción de aluminio, se pueden llevar a cabo en cualquier lugar. Será posible extraer y explotar yacimientos de metales y sustancias que antes no eran rentables.

Aparecerán nuevos modos de transporte rápidos y fantásticos.

En verdad, ningún invento ha cambiado ni cambiará nuestro mundo tanto como el reactor termonuclear, nuestro pequeño sol terrestre. Está claro que el freno al desarrollo de la fusión termonuclear industrial no es sólo la ciencia misma. Se están realizando investigaciones fundamentales, pero no se puede decir que no hayan tenido éxito. Sin embargo, la cuestión de introducir una unidad de trabajo en la serie choca con el lobby más poderoso de las empresas de materias primas y procesamiento. Vale la pena considerar que los presupuestos de muchos consorcios productores de petróleo superan los presupuestos de muchos países. Y estos monstruos no van a perder sus ingresos y su poder astronómicos.

Por tanto, por muy triste que parezca, veremos un reactor termonuclear en funcionamiento, y más aún, una central eléctrica, ya sea por el agotamiento del petróleo y el gas, o por el agotamiento del modelo capitalista de sociedad. Además, incluso después del fin del petróleo y el gas, es poco probable que el lobby energético permita que todos tengan acceso a energía ilimitada. Y si es así, entonces se sugiere una triste conclusión: los capitalistas no pueden construir ni poner en producción una central termonuclear. Sólo puede realizarse en una sociedad socialista. Para los corporatócratas, un reactor de este tipo es mortalmente peligroso y los trabajos en él nunca se completarán.

Simplemente sobre el complejo: centrales eléctricas de fusión para la producción de electricidad

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Centrales termonucleares: fundamentos, oportunidades, perspectivas, desarrollo.
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Noticias ecológicas: centrales eléctricas de fusión.
Enlaces a materiales y fuentes – Centrales de energía de fusión para la producción de electricidad.

reactor de fusión

Actualmente en desarrollo. (80 años) un dispositivo para obtener energía mediante reacciones de síntesis de luz en. núcleos que se producen a temperaturas muy altas (= 108 K). Básico El requisito que deben satisfacer las reacciones termonucleares es que la liberación de energía como resultado de las reacciones termonucleares compense con creces los costos de energía de fuentes externas. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. r. El primer tipo incluye TR, a Crimea es necesario desde el exterior. fuentes únicamente para la ignición de fusiones termonucleares. reacciones. Otras reacciones se ven favorecidas por la energía liberada en el plasma durante la fusión. reacciones; por ejemplo, en una mezcla de deuterio y tritio, la energía de las partículas a formadas durante las reacciones se consume para mantener una temperatura del plasma alta. En modo de funcionamiento estacionario T.r. la energía transportada por las partículas a compensa la energía. Pérdidas del plasma, principalmente debido a la conductividad térmica del plasma y la radiación. A este tipo de T. r. se aplica, por ejemplo, .

A otro tipo de T. r. Los reactores incluyen reactores en los que la energía liberada en forma de partículas a no es suficiente para mantener la combustión de las reacciones, pero se requiere energía de fuentes externas. fuentes. Esto sucede en aquellos reactores en los que los niveles de energía son elevados. pérdidas, p.e. Trampa magnética abierta.

T.r. Se puede construir sobre la base de sistemas magnéticos. confinamiento de plasma, como tokamak, magnético abierto. trampa, etc., o sistemas con confinamiento de plasma inercial, cuando se introduce energía en el plasma en un corto tiempo (10-8-10-7 s) (ya sea usando radiación láser o usando haces de electrones o iones relativos), suficiente para la aparición y mantenimiento de reacciones. T.r. con magnético El confinamiento por plasma puede funcionar en modos casi estacionarios o estacionarios. En el caso del confinamiento inercial del plasma T. r. debe funcionar en modo de pulso corto.

T.r. caracterizado por el coeficiente. amplificación de potencia (factor de calidad) Q, igual a la relación entre la potencia térmica obtenida en el reactor y el costo de energía de su producción. Térmico T.r. Consiste en la energía liberada durante la fusión. reacciones en plasma y el poder liberado en el llamado. Manta TR: una capa especial que rodea el plasma y que utiliza la energía de los núcleos termonucleares y los neutrones. La tecnología más prometedora parece ser la que opera con una mezcla de deuterio y tritio debido a la mayor velocidad de reacción que otras reacciones de fusión.

T.r. con combustible deuterio-tritio, dependiendo de la composición de la manta, puede ser “puro” o híbrido. Manta de T. r. “pura”. contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones, se produce lo que "quema" en el plasma de deuterio-tritio y aumenta la energía de los termonucleares. reacciones de 17,6 a 22,4 MeV. En el manto de un híbrido T. r. No sólo se produce tritio, sino que hay zonas en las que, al colocar en ellas 238U, se puede obtener 239Pu (ver REACTOR NUCLEAR). Al mismo tiempo se libera en la manta una energía equivalente a aprox. 140 MeV por termonuclear. . Así, en el híbrido T. r. es posible obtener aproximadamente seis veces más energía que en un reactor nuclear “puro”, salvo la presencia de radioactos fisionables en el primero. in-in crea un ambiente cercano a aquel en el que hay veneno. reactores de fisión.

Diccionario enciclopédico físico. - M.: Enciclopedia soviética. Editor en jefe A. M. Prokhorov. 1983 .

reactor de fusión

Desarrollado en la década de 1990. un dispositivo para obtener energía mediante reacciones de fusión de núcleos atómicos ligeros que ocurren en plasma a temperaturas muy altas (10 8 K). Básico El requisito que debe cumplir T.R. es que la energía liberada como resultado. reacciones termonucleares(TP) compensó con creces los costos de energía de fuentes externas. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. r. El primero incluye reactores, que generan energía a partir de fuentes externas. fuentes sólo es necesario para la ignición de TP. Otras reacciones se ven favorecidas, por ejemplo, por la energía liberada en el plasma en TP. En una mezcla de deuterio y tritio, la energía de las partículas a formadas durante las reacciones se consume para mantener una temperatura alta. En una mezcla de deuterio con 3 He, la energía de todos los productos de la reacción, es decir, las partículas a y los protones, se gasta en mantener la temperatura del plasma requerida. En modo de funcionamiento estacionario T.r. energía que lleva una carga. productos de reacción, compensa la energía. Pérdidas de plasma causadas principalmente por Conductividad térmica y radiación del plasma. Estos reactores se denominan Reactores con ignición de una reacción termonuclear autosostenida (ver. Criterio de encendido). Un ejemplo de tal T.r.: tokamak, estelarador.

A otros tipos de T. r. Los reactores incluyen reactores en los que la energía liberada en el plasma en forma de cargas es insuficiente para mantener la combustión de las reacciones. productos de reacción, pero se necesita energía de fuentes externas. fuentes. Estos reactores suelen denominarse reactores que apoyan la combustión de reacciones termonucleares. Esto sucede en aquellos ríos T. donde la energía es alta. pérdidas, p.e. magnético abierto trampa, tokamak, que funciona en un modo con densidad de plasma y temperatura por debajo de la curva de ignición TP. Estos dos tipos de reactores incluyen todos los tipos posibles de T. r., que pueden construirse sobre la base de sistemas magnéticos. confinamiento de plasma (tokamak, stellarator, trampa magnética abierta, etc.) o sistemas con retención inercial plasma.

Reactor termonuclear experimental internacional ITER: 1 - céntrico; 2 - frazada - ; 3 - plasma; 4 - pared de vacío; 5 - tubería de bombeo; 6- criostato; 7- bobinas de control activo; 8 - bobinas de campo magnético toroidales; 9 - primera pared; 10 - placas desviadoras; 11 - Bobinas de campo magnético poloidal.

Un reactor con confinamiento de plasma inercial se caracteriza por el hecho de que en un corto tiempo (10 -8 -10 -7 s) se introduce en él energía mediante radiación láser o haces de electrones o iones relativistas, suficiente para la aparición y mantenimiento de TP. Un reactor de este tipo sólo funcionará en modo de pulso corto, a diferencia de un reactor con imán. confinamiento de plasma, que puede funcionar en modos casi estacionarios o incluso estacionarios.

T.r. caracterizado por el coeficiente. ganancia de potencia (factor de calidad) P, igual a la relación entre la potencia térmica del reactor y los costos de energía de su producción. La potencia térmica del reactor consiste en la potencia liberada durante TP en el plasma, la potencia introducida en el plasma para mantener la temperatura de combustión TP o mantener una corriente estacionaria en el plasma en el caso de un tokamak, y la potencia liberada en el plasma.

Desarrollo de T.r. con magnético La retención es más avanzada que los sistemas de retención inercial. Esquema del Experimento Termonuclear Internacional. En la figura se muestra el reactor tokamak ITER, un proyecto desarrollado desde 1988 por cuatro partes: la URSS (desde 1992 Rusia), los EE.UU., los países de Euratom y Japón. T.r. Tiene . parámetros: gran radio de plasma 8,1 m; radio de plasma pequeño en promedio. plano 3 m; alargamiento de la sección transversal del plasma 1,6; mag toroidal. en el eje 5,7 Tesla; plasma clasificado 21 MA; Potencia termonuclear nominal con combustible DT 1500 MW. El reactor contiene trazas. básico nodos: centro. solenoide I, eléctrico cuyo campo realiza, regula el aumento de corriente y lo mantiene junto con especial. El sistema se complementará calentamiento por plasma; primera pared 9, los bordes miran directamente al plasma y perciben flujos de calor en forma de radiación y partículas neutras; manta - protección 2, qué fenómenos una parte integral de T. r. con combustible deuterio-tritio (DT), ya que el tritio quemado en el plasma se reproduce en la manta. T.r. con combustible DT, dependiendo del material de la manta, puede ser “puro” o híbrido. Manta de T. r. "limpia". contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones termonucleares, se produce tritio: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, y la energía TP aumenta de 17,6 MeV a 22,4 MeV. En el espacio en blanco reactor de fusión híbrido No sólo se produce tritio, sino que hay zonas en las que se depositan residuos de 238 U para producir 239 Pu. Al mismo tiempo, se libera en la manta una energía equivalente a 140 MeV por neutrón termonuclear. T. o., en un híbrido T. r. Es posible obtener aproximadamente seis veces más energía por evento de fusión inicial que en T.R. “puro”, pero la presencia en el primer caso de radioactos fisibles. sustancias crean radiación. un ambiente similar al del cielo que existe en reactores nucleares división.

En T.r. con combustible sobre una mezcla de D con 3 He, no hay manta, ya que no es necesario reproducir tritio: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), y toda la energía se libera en el forma de cargo. productos de reacción. Radiación La protección está diseñada para absorber la energía de neutrones y actos radiactivos. radiación y reducción del calor y los flujos de radiación hacia el imán superconductor. sistema a un nivel aceptable para funcionamiento estacionario. Bobinas magnéticas toroidales campos 8 sirven para crear un imán toroidal. campos y se vuelven superconductores utilizando un superconductor de Nb 3 Sn y una matriz de cobre que funciona a la temperatura del helio líquido (4,2 K). El desarrollo de la tecnología para obtener superconductividad a altas temperaturas podría permitir prescindir del enfriamiento de las bobinas con helio líquido y pasar a un método de enfriamiento más económico, por ejemplo. nitrógeno líquido. El diseño del reactor no cambiará significativamente. Bobinas de campo poloidal 11 También son superconductores y, junto con el magnesio. el campo de corriente de plasma crea una configuración de equilibrio del campo magnético poloidal. campos con uno o dos ceros poloidales desviadores 10, sirviendo para eliminar el calor del plasma en forma de un flujo de cargas. partículas y para bombear productos de reacción neutralizados en las placas desviadoras: helio y protio. En T.r. con combustible D 3 He, las placas desviadoras pueden servir como uno de los elementos del sistema de conversión de energía de carga directa. productos de reacción en electricidad. criostato 6 Sirve para enfriar bobinas superconductoras a la temperatura del helio líquido o temperaturas más altas cuando se utilizan superconductores de alta temperatura más avanzados. Cámara de vacío 4 y los medios de bombeo 5 están diseñados para obtener un alto vacío en la cámara de trabajo del reactor, en la que se crea el plasma. 3, y en todos los volúmenes auxiliares, incluido el criostato.

Como primer paso hacia la creación de energía termonuclear, se propone un reactor termonuclear que funcione con una mezcla DT debido a su mayor velocidad de reacción que otras reacciones de fusión. En el futuro, se está considerando la posibilidad de crear un T. r. de baja radiactividad. sobre una mezcla de D con 3 He, en la que bas. la energía lleva una carga. Los productos de reacción y los neutrones aparecen solo en las reacciones DD y DT durante la quema del tritio generado en las reacciones DD. Como resultado, biol. peligro T. r. aparentemente puede reducirse entre cuatro y cinco órdenes de magnitud en comparación con los reactores de fisión nuclear, no hay necesidad de procesamiento radioactivo Materiales y su transporte, la eliminación de materiales radiactivos se simplifica cualitativamente. desperdiciar. Sin embargo, las perspectivas de crear un TR respetuoso con el medio ambiente en el futuro también son escasas. sobre una mezcla de D con 3 No complicado por el problema de las materias primas: natural. Las concentraciones del isótopo 3 He en la Tierra son partes por millón del isótopo 4 He. Por lo tanto, surge la difícil cuestión de obtener materias primas, p.e. entregándolo desde la Luna.

Hoy en día, muchos países participan en la investigación termonuclear. Los líderes son la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia y Japón, mientras que los programas en China, Brasil, Canadá y Corea se están expandiendo rápidamente. Inicialmente, los reactores de fusión en EE.UU. y la URSS estaban asociados con el desarrollo de armas nucleares y permanecieron clasificados hasta la conferencia Átomos para la paz, que tuvo lugar en Ginebra en 1958. Después de la creación del tokamak soviético, la investigación sobre la fusión nuclear se convirtió en una “gran ciencia” en la década de 1970. Pero el costo y la complejidad de los dispositivos aumentaron hasta el punto en que la cooperación internacional se convirtió en el único camino a seguir.

Reactores termonucleares en el mundo

Desde la década de 1970, el uso comercial de la energía de fusión se ha retrasado continuamente 40 años. Sin embargo, en los últimos años han ocurrido muchas cosas que podrían permitir acortar este período.

Se han construido varios tokamaks, entre ellos el JET europeo, el MAST británico y el reactor de fusión experimental TFTR en Princeton, EE.UU. El proyecto internacional ITER se encuentra actualmente en construcción en Cadarache, Francia. Será el tokamak más grande cuando entre en funcionamiento en 2020. En 2030, China construirá CFETR, que superará al ITER. Mientras tanto, China está realizando investigaciones sobre el tokamak superconductor experimental EAST.

Otro tipo de reactor de fusión, los esteladores, también es popular entre los investigadores. Uno de los más grandes, el LHD, comenzó a funcionar en el Instituto Nacional Japonés en 1998. Se utiliza para encontrar la mejor configuración magnética para el confinamiento del plasma. El Instituto alemán Max Planck llevó a cabo investigaciones sobre el reactor Wendelstein 7-AS en Garching entre 1988 y 2002, y actualmente sobre el reactor Wendelstein 7-X, cuya construcción duró más de 19 años. Otro stellarator TJII está en funcionamiento en Madrid, España. En Estados Unidos, el Laboratorio Princeton (PPPL), que construyó el primer reactor de fusión de este tipo en 1951, detuvo la construcción del NCSX en 2008 debido a sobrecostos y falta de financiación.

Además, se han logrado avances significativos en la investigación de la fusión inercial. La construcción de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de 7 mil millones de dólares en el Laboratorio Nacional de Livermore (LLNL), financiada por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, se completó en marzo de 2009. El láser francés Mégajoule (LMJ) comenzó a operar en octubre de 2014. Los reactores de fusión utilizan láseres que emiten alrededor de 2 millones de julios de energía luminosa en unas pocas milmillonésimas de segundo a un objetivo de unos pocos milímetros de tamaño para desencadenar una reacción de fusión nuclear. La misión principal de NIF y LMJ es la investigación en apoyo de los programas nucleares militares nacionales.

ITER

En 1985, la Unión Soviética propuso construir un tokamak de próxima generación junto con Europa, Japón y Estados Unidos. El trabajo se llevó a cabo bajo los auspicios de la OIEA. Entre 1988 y 1990, se crearon los primeros diseños del Reactor Experimental Termonuclear Internacional ITER, que también significa "camino" o "viaje" en latín, para demostrar que la fusión podía producir más energía de la que absorbía. También participaron Canadá y Kazajstán, con la mediación de Euratom y Rusia, respectivamente.

Seis años más tarde, la junta directiva del ITER aprobó el primer diseño integral de reactor basado en física y tecnología establecidas, con un costo de 6 mil millones de dólares. Luego Estados Unidos se retiró del consorcio, lo que los obligó a reducir los costos a la mitad y cambiar el proyecto. El resultado es ITER-FEAT, que cuesta 3.000 millones de dólares pero logra una respuesta autosostenible y un equilibrio de poder positivo.

En 2003, Estados Unidos se reincorporó al consorcio y China anunció su deseo de participar. Como resultado, a mediados de 2005 los socios acordaron construir ITER en Cadarache, en el sur de Francia. La UE y Francia contribuyeron con la mitad de los 12.800 millones de euros, mientras que Japón, China, Corea del Sur, Estados Unidos y Rusia contribuyeron con el 10% cada uno. Japón proporcionó componentes de alta tecnología, mantuvo una instalación IFMIF de mil millones de euros diseñada para probar materiales y tenía derecho a construir el próximo reactor de prueba. El coste total del ITER incluye la mitad de los costes de 10 años de construcción y la otra mitad de 20 años de funcionamiento. La India se convirtió en el séptimo miembro del ITER a finales de 2005.

Está previsto que los experimentos comiencen en 2018 utilizando hidrógeno para evitar la activación de los imanes. No se espera el uso de plasma D-T antes de 2026.

El objetivo del ITER es generar 500 MW (al menos durante 400 s) utilizando menos de 50 MW de potencia de entrada sin generar electricidad.

La central eléctrica de demostración de dos gigavatios de Demo producirá a gran escala de forma continua. El diseño conceptual de la demostración se completará en 2017 y la construcción comenzará en 2024. El lanzamiento tendrá lugar en 2033.

CHORRO

En 1978, la UE (Euratom, Suecia y Suiza) inició el proyecto europeo conjunto JET en el Reino Unido. JET es hoy el tokamak en funcionamiento más grande del mundo. Un reactor similar JT-60 opera en el Instituto Nacional de Fusión de Japón, pero sólo el JET puede utilizar combustible de deuterio-tritio.

El reactor se puso en marcha en 1983 y se convirtió en el primer experimento que dio como resultado una fusión termonuclear controlada con una potencia de hasta 16 MW durante un segundo y 5 MW de potencia estable en plasma de deuterio-tritio en noviembre de 1991. Se han llevado a cabo muchos experimentos para estudiar varios esquemas de calefacción y otras técnicas.

Otras mejoras del JET implican aumentar su potencia. El reactor compacto MAST se está desarrollando junto con JET y forma parte del proyecto ITER.

K-STAR

K-STAR es un tokamak superconductor coreano del Instituto Nacional de Investigación de Fusión (NFRI) en Daejeon, que produjo su primer plasma a mediados de 2008. ITER, que es el resultado de la cooperación internacional. El Tokamak, de 1,8 m de radio, es el primer reactor que utiliza imanes superconductores de Nb3Sn, los mismos previstos para el ITER. Durante la primera fase, finalizada en 2012, K-STAR tuvo que demostrar la viabilidad de las tecnologías subyacentes y lograr pulsos de plasma que duraran hasta 20 segundos. En la segunda etapa (2013-2017), se está modernizando para estudiar pulsos largos de hasta 300 s en modo H y pasar a un modo AT de alto rendimiento. El objetivo de la tercera fase (2018-2023) es lograr una alta productividad y eficiencia en el modo de pulso largo. En la etapa 4 (2023-2025), se probarán las tecnologías DEMO. El dispositivo no es capaz de funcionar con tritio y no utiliza combustible D-T.

K-DEMO

Desarrollado en colaboración con el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. y el NFRI de Corea del Sur, K-DEMO pretende ser el siguiente paso en el desarrollo de reactores comerciales más allá del ITER, y será la primera central eléctrica capaz de generar energía en la red eléctrica, es decir, 1 millón de kW en unas pocas semanas. Tendrá un diámetro de 6,65 m y contará con un módulo de zona de reproducción creado en el marco del proyecto DEMO. El Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología de Corea planea invertir alrededor de un billón de wones coreanos (941 millones de dólares) en él.

ESTE

El Tokamak Superconductor Experimental Avanzado (EAST) de China en el Instituto de Física de China en Hefei creó plasma de hidrógeno a una temperatura de 50 millones de °C y lo mantuvo durante 102 s.

TFTR

En el laboratorio estadounidense PPPL funcionó el reactor experimental de fusión TFTR de 1982 a 1997. En diciembre de 1993, TFTR se convirtió en el primer tokamak magnético en realizar extensos experimentos con plasma de deuterio-tritio. Al año siguiente, el reactor produjo la entonces récord de 10,7 MW de potencia controlable y en 1995 se alcanzó un récord de temperatura de 510 millones de °C. Sin embargo, la instalación no alcanzó el objetivo de equilibrio de la energía de fusión, pero cumplió con éxito los objetivos de diseño de hardware, lo que contribuyó significativamente al desarrollo de ITER.

LHD

El LHD del Instituto Nacional de Fusión de Japón en Toki, prefectura de Gifu, era el estelarador más grande del mundo. El reactor de fusión se puso en marcha en 1998 y demostró propiedades de confinamiento de plasma comparables a las de otras grandes instalaciones. Se alcanzó una temperatura de iones de 13,5 keV (unos 160 millones de °C) y una energía de 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Después de un año de pruebas, que comenzaron a finales de 2015, las temperaturas del helio alcanzaron brevemente el millón de °C. En 2016, un reactor de fusión de plasma de hidrógeno que utilizaba 2 MW de potencia alcanzó una temperatura de 80 millones de °C en un cuarto de segundo. W7-X es el estelarador más grande del mundo y está previsto que funcione de forma continua durante 30 minutos. El coste del reactor fue de mil millones de euros.

NIF

La Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) se completó en marzo de 2009. Utilizando sus 192 rayos láser, NIF es capaz de concentrar 60 veces más energía que cualquier sistema láser anterior.

Fusión fría

En marzo de 1989, dos investigadores, el estadounidense Stanley Pons y el británico Martin Fleischman, anunciaron que habían puesto en marcha un sencillo reactor de fusión en frío de mesa que funcionaba a temperatura ambiente. El proceso implicó la electrólisis de agua pesada utilizando electrodos de paladio en los que se concentraban núcleos de deuterio hasta alcanzar una alta densidad. Los investigadores dicen que produjo calor que sólo podría explicarse en términos de procesos nucleares, y que hubo subproductos de la fusión que incluyen helio, tritio y neutrones. Sin embargo, otros experimentadores no pudieron repetir este experimento. La mayor parte de la comunidad científica no cree que los reactores de fusión fría sean reales.

Reacciones nucleares de baja energía.

Iniciada por afirmaciones de "fusión fría", la investigación ha continuado en el campo de las bajas energías con cierto apoyo empírico, pero sin una explicación científica generalmente aceptada. Aparentemente, se utilizan interacciones nucleares débiles para crear y capturar neutrones (y no una fuerza poderosa, como en su fusión). Los experimentos implican que hidrógeno o deuterio pasen a través de una capa catalítica y reaccionen con un metal. Los investigadores informan de una liberación observada de energía. El principal ejemplo práctico es la interacción del hidrógeno con el polvo de níquel, liberando calor en una cantidad mayor que la que cualquier reacción química puede producir.