Kaip viskas prasidėjo? „Energijos iššūkis“ atsirado dėl šių trijų veiksnių derinio:

1. Žmonija dabar sunaudoja didžiulį kiekį energijos.

Šiuo metu pasaulyje sunaudojama apie 15,7 teravatų (TW). Padalijus šią vertę iš pasaulio gyventojų, gauname maždaug 2400 vatų vienam žmogui, kurį galima lengvai įvertinti ir vizualizuoti. Kiekvieno Žemės gyventojo (taip pat ir vaikų) suvartojama energija atitinka 24 šimto vatų elektros lempų veikimą visą parą. Tačiau šios energijos suvartojimas visoje planetoje yra labai netolygus, nes kai kuriose šalyse jis yra labai didelis, o kitose – nereikšmingas. Sunaudojimas (vienam žmogui) lygus 10,3 kW JAV (viena iš rekordinių dydžių), 6,3 kW Rusijos Federacijoje, 5,1 kW JK ir tt, bet, kita vertus, lygus. tik 0,21 kW Bangladeše (tik 2 % JAV energijos suvartojimo!).

2. Pasaulio energijos suvartojimas smarkiai didėja.

Pagal Tarptautinės energetikos agentūros prognozę (2006 m.), pasaulinis energijos suvartojimas iki 2030 m. turėtų padidėti 50 proc. Žinoma, išsivysčiusios šalys galėtų puikiai išsiversti ir be papildomos energijos, tačiau šis augimas būtinas, kad žmonės išbristų iš skurdo besivystančiose šalyse, kur 1,5 mlrd. žmonių kenčia nuo didelio energijos trūkumo.

3. Šiuo metu 80 % pasaulio energijos gaunama deginant iškastinį kurą (nafta, anglis ir dujos), kurių naudojimas:
a) gali sukelti katastrofiškų aplinkos pokyčių pavojų;
b) kada nors neišvengiamai turi baigtis.

Iš to, kas pasakyta, aišku, kad dabar turime pasiruošti iškastinio kuro naudojimo eros pabaigai

Šiuo metu atominės elektrinės dideliu mastu gamina energiją, išsiskiriančią vykstant atomų branduolių dalijimosi reakcijoms. Tokių stočių kūrimas ir plėtra turėtų būti skatinama visais įmanomais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad per artimiausius 50 metų gali būti visiškai išnaudotos ir vienos iš svarbiausių medžiagų jų veiklai (pigaus urano) atsargos. . Branduolio dalijimosi energijos galimybes galima (ir turėtų) gerokai išplėsti naudojant efektyvesnius energijos ciklus, leidžiančius pagaminamos energijos kiekį beveik padvigubinti. Norint plėtoti energiją šia kryptimi, reikia sukurti torio reaktorius (vadinamuosius torio reaktorius arba dauginamuosius reaktorius), kuriuose vykstant reakcijai susidaro daugiau torio nei pirminiame urane, dėl to bendras pagaminamos energijos kiekis. tam tikram medžiagos kiekiui padidėja 40 kartų. Taip pat atrodo perspektyvu sukurti plutonio augintojus naudojant greituosius neutronus, kurie yra daug efektyvesni nei urano reaktoriai ir gali pagaminti 60 kartų daugiau energijos. Gali būti, kad plėtojant šias sritis reikės sukurti naujus, nestandartinius urano gavimo būdus (pavyzdžiui, iš jūros vandens, kuris atrodo labiausiai prieinamas).

Sintezės jėgainės

Paveikslėlyje parodyta termobranduolinės elektrinės įrenginio ir veikimo principo schema (ne pagal mastelį). Centrinėje dalyje yra ~2000 m3 tūrio toroidinė (spurgos formos) kamera, užpildyta tričio-deuterio (T-D) plazma, įkaitinta iki aukštesnės nei 100 M°C temperatūros. Sintezės reakcijos metu susidarę neutronai (1) palieka „magnetinį butelį“ ir patenka į paveikslėlyje pavaizduotą apie 1 m storio apvalkalą.

Korpuso viduje neutronai susiduria su ličio atomais, todėl vyksta reakcija, kurios metu susidaro tritis:

neutronas + litis → helis + tritis

Be to, sistemoje vyksta konkuruojančios reakcijos (nesusidarant tričiui), taip pat daug reakcijų, kai išsiskiria papildomi neutronai, dėl kurių taip pat susidaro tritis (šiuo atveju gali atsirasti papildomų neutronų išsiskyrimo). žymiai sustiprintas, pavyzdžiui, į apvalkalą įvedant berilio atomus ir šviną). Bendra išvada yra tokia, kad šiame įrenginyje (bent jau teoriškai) gali vykti branduolių sintezės reakcija, kurios metu susidarytų tritis. Tokiu atveju gaminamas tričio kiekis turėtų ne tik patenkinti paties įrenginio poreikius, bet ir būti dar kiek didesnis, o tai leis naujus įrenginius aprūpinti tričiu. Būtent ši veikimo koncepcija turi būti išbandyta ir įdiegta toliau aprašytame ITER reaktoriuje.

Be to, neutronai turi įkaitinti apvalkalą vadinamuosiuose bandomuosiuose įrenginiuose (kuriuose bus naudojamos santykinai „įprastos“ statybinės medžiagos) iki maždaug 400 °C. Ateityje planuojama sukurti patobulintus įrenginius, kurių korpuso šildymo temperatūra viršytų 1000°C, o tai būtų galima pasiekti naudojant naujausias didelio stiprumo medžiagas (pavyzdžiui, silicio karbido kompozitus). Korpuse susidariusią šilumą, kaip ir įprastose stotyse, paima pirminis aušinimo kontūras su aušinimo skysčiu (kuriame yra, pavyzdžiui, vandens arba helio) ir perduodama antriniam kontūrui, kur gaminamas vandens garas ir tiekiamas į turbinas.

1985 – Sovietų Sąjunga pasiūlė naujos kartos Tokamako elektrinę, pasinaudodama keturių pirmaujančių šalių patirtimi kuriant branduolių sintezės reaktorius. Jungtinės Amerikos Valstijos kartu su Japonija ir Europos bendrija pateikė pasiūlymą dėl projekto įgyvendinimo.

Šiuo metu Prancūzijoje statomas toliau aprašytas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER (International Tokamak Experimental Reactor), kuris bus pirmasis tokamakas, galintis „uždegti“ plazmą.

Pažangiausi esami tokamako įrenginiai jau seniai pasiekė apie 150 M°C temperatūrą, artimą sintezės stočiai reikalingų verčių, tačiau ITER reaktorius turėtų būti pirmoji didelės apimties elektrinė, sukurta ilgą laiką. - terminuota operacija. Ateityje reikės žymiai pagerinti jo veikimo parametrus, todėl pirmiausia reikės padidinti slėgį plazmoje, nes branduolių sintezės greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas slėgio kvadratui. Pagrindinė mokslinė problema šiuo atveju susijusi su tuo, kad padidėjus slėgiui plazmoje, atsiranda labai sudėtingi ir pavojingi nestabilumai, tai yra nestabilūs darbo režimai.

Kodėl mums to reikia?

Pagrindinis branduolių sintezės privalumas yra tas, kad jai reikia tik labai nedidelio kiekio medžiagų, kurios gamtoje yra labai paplitusios kaip kuras. Branduolinės sintezės reakcija aprašytuose įrenginiuose gali sukelti milžinišką energijos kiekį, dešimt milijonų kartų didesnį nei standartinė šiluma, išsiskirianti vykstant įprastoms cheminėms reakcijoms (pvz., deginant iškastinį kurą). Palyginimui nurodome, kad 1 gigavato (GW) šiluminės elektrinės energijai gaminti reikalingas anglies kiekis yra 10 000 tonų per dieną (dešimt geležinkelio vagonų), o tokios pat galios termobranduolinės sintezės jėgainė sunaudos tik apie 1 kilogramas D+T mišinio per dieną.

Deuteris yra stabilus vandenilio izotopas; Maždaug vienoje iš 3350 paprasto vandens molekulių vienas iš vandenilio atomų yra pakeistas deuteriu (Didžiojo sprogimo palikimas). Šis faktas leidžia lengvai organizuoti gana pigią reikiamo kiekio deuterio gamybą iš vandens. Sunkiau gauti tričio, kuris yra nestabilus (pusėjimo laikas yra apie 12 metų, todėl jo kiekis gamtoje yra nereikšmingas), tačiau, kaip parodyta aukščiau, tritis eksploatacijos metu atsiras tiesiai termobranduolinio įrenginio viduje, dėl neutronų reakcijos su ličiu.

Taigi pradinis branduolių sintezės reaktoriaus kuras yra litis ir vanduo. Litis yra įprastas metalas, plačiai naudojamas buitiniuose prietaisuose (mobiliųjų telefonų baterijose ir kt.). Aukščiau aprašytas įrenginys, net ir įvertinus ne idealų efektyvumą, galės pagaminti 200 000 kWh elektros energijos, o tai prilygsta energijai, esančiai 70 tonų anglies. Tam reikalingas ličio kiekis yra vienoje kompiuterio baterijoje, o deuterio – 45 litrais vandens. Aukščiau pateikta vertė atitinka dabartinį elektros suvartojimą (skaičiuojant vienam asmeniui) ES šalyse per 30 metų. Pats faktas, kad toks nežymus ličio kiekis gali užtikrinti tokio kiekio elektros gamybą (be CO2 emisijų ir be menkiausios oro taršos), yra gana rimtas argumentas už sparčiausią ir energingiausią termobranduolinės energijos plėtrą (nepaisant visų sunkumų ir problemų) ir net šimtu procentų nepasitikėdami tokių tyrimų sėkme.

Deuterio turėtų užtekti milijonams metų, o lengvai išgaunamo ličio atsargų pakanka šimtų metų poreikiams patenkinti. Net jei uolienose baigiasi ličio kiekis, galime jį išgauti iš vandens, kur jo koncentracija yra pakankamai didelė (100 kartų didesnė už uraną), kad kasyba būtų ekonomiškai pagrįsta.

Netoli Kadarašo miesto Prancūzijoje statomas eksperimentinis termobranduolinis reaktorius (International thermonuclear experimental reactor). Pagrindinis ITER projekto tikslas – įgyvendinti kontroliuojamą termobranduolinės sintezės reakciją pramoniniu mastu.

Termobranduolinio kuro svorio vienetui gaunama apie 10 milijonų kartų daugiau energijos nei deginant tokį pat kiekį organinio kuro ir apie šimtą kartų daugiau nei skaldant urano branduolius šiuo metu veikiančių atominių elektrinių reaktoriuose. Jei mokslininkų ir dizainerių skaičiavimai išsipildys, tai suteiks žmonijai neišsenkamą energijos šaltinį.

Todėl nemažai šalių (Rusija, Indija, Kinija, Korėja, Kazachstanas, JAV, Kanada, Japonija, Europos Sąjungos šalys) suvienijo jėgas kurdamos Tarptautinį termobranduolinių tyrimų reaktorių – naujų elektrinių prototipą.

ITER yra įrenginys, sukuriantis sąlygas vandenilio ir tričio atomų (vandenilio izotopų) sintezei, todėl susidaro naujas atomas – helio atomas. Šį procesą lydi didžiulis energijos pliūpsnis: plazmos, kurioje vyksta termobranduolinė reakcija, temperatūra yra apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus (palyginimui, Saulės šerdies temperatūra yra 40 milijonų laipsnių). Tokiu atveju izotopai išdega, todėl radioaktyviųjų atliekų praktiškai nelieka.
Dalyvavimo tarptautiniame projekte schemoje numatytas reaktoriaus komponentų tiekimas ir jo statybos finansavimas. Mainais už tai kiekviena dalyvaujanti šalis gauna visišką prieigą prie visų termobranduolinio reaktoriaus kūrimo technologijų ir visų eksperimentinių darbų, susijusių su šiuo reaktoriumi, rezultatais, kurie bus pagrindu kuriant serijinės galios termobranduolinius reaktorius.

Termobranduolinės sintezės principu veikiantis reaktorius neturi radioaktyvios spinduliuotės ir yra visiškai saugus aplinkai. Jis gali būti beveik bet kurioje pasaulio vietoje, o jo kuras yra paprastas vanduo. Numatoma, kad ITER statybos truks apie dešimt metų, o po to reaktorius bus naudojamas 20 metų.

Rusijos interesams Tarptautinės ITER termobranduolinio reaktoriaus statybos organizacijos taryboje artimiausiais metais atstovaus Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Michailas Kovalčiukas, Kurchatovo instituto direktorius, Rusijos akademijos Kristalografijos institutas. Prezidento tarybos mokslo, technologijų ir švietimo klausimais mokslai ir mokslinis sekretorius. Kovalčiukas šiose pareigose laikinai pakeis akademiką Jevgenijų Velikhovą, kuris kitiems dvejiems metams buvo išrinktas ITER tarptautinės tarybos pirmininku ir neturi teisės derinti šių pareigų su dalyvaujančios šalies oficialaus atstovo pareigomis.

Bendra statybų kaina skaičiuojama 5 milijardais eurų, tiek pat reikės bandomajam reaktoriaus eksploatavimui. Indijos, Kinijos, Korėjos, Rusijos, JAV ir Japonijos akcijos sudaro apie 10 procentų visos vertės, 45 procentus – iš Europos Sąjungos šalių. Tačiau Europos valstybės dar nesusitarė, kaip tiksliai bus paskirstytos išlaidos. Dėl šios priežasties statybų pradžia buvo nukelta į 2010 m. balandžio mėn. Nepaisant paskutinio vėlavimo, su ITER susiję mokslininkai ir pareigūnai teigia, kad projektą galės užbaigti iki 2018 m.

Numatoma ITER termobranduolinė galia yra 500 megavatų. Atskiros magnetinės dalys pasiekia 200–450 tonų svorį. ITER vėsinimui per dieną reikės 33 tūkst. kubinių metrų vandens.

1998 metais JAV nustojo finansuoti savo dalyvavimą projekte. Į valdžią atėjus respublikonams ir Kalifornijoje prasidėjus elektros energijos tiekimui, Busho administracija paskelbė didinanti investicijas į energetiką. JAV neketino dalyvauti tarptautiniame projekte ir užsiėmė savo termobranduoliniu projektu. 2002 m. pradžioje prezidento Bušo patarėjas technologijų klausimais Johnas Marburgeris III pasakė, kad Jungtinės Valstijos persigalvojo ir ketina grįžti prie projekto.

Dalyvių skaičiumi projektas lyginamas su kitu dideliu tarptautiniu moksliniu projektu – Tarptautine kosmine stotimi. ITER kaina, kuri anksčiau siekė 8 milijardus dolerių, tada siekė mažiau nei 4 mlrd. JAV pasitraukus iš dalyvavimo, buvo nuspręsta reaktoriaus galią sumažinti nuo 1,5 GW iki 500 MW. Atitinkamai sumažėjo ir projekto kaina.

2002 m. birželį Rusijos sostinėje vyko simpoziumas „ITER Days in Moscow“. Jame buvo aptartos teorinės, praktinės ir organizacinės projekto atgaivinimo problemos, kurių sėkmė gali pakeisti žmonijos likimą ir suteikti jai naujos rūšies energijos, efektyvumu ir ekonomiškumu prilygstančią tik Saulės energijai.

2010 m. liepą ITER tarptautinio termobranduolinio reaktoriaus projekte dalyvaujančių šalių atstovai neeiliniame posėdyje, vykusiame Kadaraše (Prancūzija), patvirtino jo biudžetą ir statybos grafiką. .

Paskutiniame neeiliniame posėdyje projekto dalyviai patvirtino pirmųjų eksperimentų su plazma pradžios datą – 2019 m. Visi eksperimentai planuojami 2027 m. kovo mėnesį, nors projekto vadovybė paprašė techninių specialistų pabandyti optimizuoti procesą ir pradėti eksperimentus 2026 m. Susitikimo dalyviai sprendė ir dėl reaktoriaus statybos sąnaudų, tačiau sumos, kurias planuojama išleisti įrenginiui sukurti, neatskleidžiamos. Remiantis informacija, kurią portalo ScienceNOW redaktorius gavo iš neįvardijamo šaltinio, iki eksperimentų pradžios ITER projekto kaina gali siekti 16 milijardų eurų.

Susitikimas Kadaraše taip pat buvo pirmoji oficiali naujojo projekto direktoriaus, japonų fiziko Osamu Motojimos darbo diena. Prieš jį projektui nuo 2005 metų vadovavo japonas Kaname Ikeda, kuris panoro palikti savo postą iš karto po to, kai buvo patvirtintas biudžetas ir statybos terminai.

ITER branduolių sintezės reaktorius yra bendras Europos Sąjungos, Šveicarijos, Japonijos, JAV, Rusijos, Pietų Korėjos, Kinijos ir Indijos projektas. ITER kūrimo idėja buvo svarstoma dar praėjusio amžiaus 80-aisiais, tačiau dėl finansinių ir techninių sunkumų projekto kaina nuolat auga, o statybų pradžios data vis atidedama. 2009 metais ekspertai tikėjosi, kad reaktoriaus kūrimo darbai prasidės 2010 metais. Vėliau ši data buvo perkelta ir iš pradžių 2018-ieji, o vėliau 2019-ieji buvo įvardinti kaip reaktoriaus paleidimo laikas.

Termobranduolinės sintezės reakcijos – tai lengvųjų izotopų branduolių susiliejimo reakcijos į sunkesnį branduolį, kurią lydi didžiulis energijos išsiskyrimas. Teoriškai branduolių sintezės reaktoriai gali pagaminti daug energijos už mažą kainą, tačiau šiuo metu mokslininkai išleidžia daug daugiau energijos ir pinigų sintezės reakcijai pradėti ir palaikyti.

Termobranduolinė sintezė yra pigus ir aplinkai nekenksmingas energijos gamybos būdas. Nekontroliuojama termobranduolinė sintezė Saulėje vyksta jau milijardus metų – helis susidaro iš sunkaus vandenilio izotopo deuterio. Taip išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Tačiau žmonės Žemėje dar neišmoko valdyti tokių reakcijų.

ITER reaktoriuje kaip kuras bus naudojami vandenilio izotopai. Termobranduolinės reakcijos metu energija išsiskiria, kai lengvieji atomai susijungia į sunkesnius. Kad tai būtų pasiekta, dujos turi būti įkaitintos iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių temperatūros – daug aukštesnės nei temperatūra Saulės centre. Dujos šioje temperatūroje virsta plazma. Tuo pačiu metu vandenilio izotopų atomai susilieja, virsdami helio atomais, išskirdami daug neutronų. Tokiu principu veikianti jėgainė naudos tankios medžiagos (ličio) sluoksnio sulėtintą neutronų energiją.

Kodėl termobranduolinių įrenginių kūrimas užtruko taip ilgai?

Kodėl tokios svarbios ir vertingos instaliacijos, apie kurių naudą kalbama beveik pusę amžiaus, dar nesukurtos? Yra trys pagrindinės priežastys (aptartos toliau), iš kurių pirmoji gali būti vadinama išorine arba socialine, o kitos dvi – vidinės, tai yra nulemtos pačios termobranduolinės energijos vystymosi dėsnių ir sąlygų.

1. Ilgą laiką buvo manoma, kad praktinio termobranduolinės sintezės energijos panaudojimo problema nereikalauja skubių sprendimų ir veiksmų, nes dar praėjusio amžiaus 80-aisiais iškastinio kuro šaltiniai atrodė neišsenkantys, o aplinkos problemos ir klimato kaita – tai. nerūpi visuomenei. 1976 m. JAV Energetikos departamento Branduolinės sintezės energijos patariamasis komitetas bandė įvertinti mokslinių tyrimų ir plėtros bei demonstracinės branduolių sintezės elektrinės laiką pagal įvairias mokslinių tyrimų finansavimo galimybes. Kartu buvo nustatyta, kad metinis finansavimas šios krypties tyrimams yra visiškai nepakankamas, o jei bus išlaikytas esamas asignavimų lygis, termobranduolinių įrenginių kūrimas niekada nebus sėkmingas, nes skirtos lėšos neatitinka net iki minimalaus, kritinio lygio.

2. Rimtesnė kliūtis plėtoti šios srities tyrimus yra ta, kad aptariamo tipo termobranduolinis įrenginys negali būti sukurtas ir demonstruojamas nedideliu mastu. Iš toliau pateiktų paaiškinimų paaiškės, kad termobranduolinės sintezės metu reikia ne tik magnetinio plazmos uždarymo, bet ir pakankamo jos kaitinimo. Išnaudotos ir gaunamos energijos santykis didėja bent jau proporcingai įrenginio linijinių matmenų kvadratui, dėl to termobranduolinių įrenginių mokslines ir technines galimybes bei pranašumus galima išbandyti ir įrodyti tik gana didelėse stotyse, pvz. kaip minėtas ITER reaktorius. Visuomenė tiesiog nebuvo pasirengusi finansuoti tokių didelių projektų, kol nebuvo pakankamai pasitikėjimo sėkme.

3. Termobranduolinės energijos plėtra buvo labai sudėtinga, tačiau (nepaisant nepakankamo finansavimo ir sunkumų parenkant centrus JET ir ITER įrenginiams kurti), pastaraisiais metais buvo pastebėta aiški pažanga, nors veikiančios stoties dar nebuvo sukurta.

Šiuolaikinis pasaulis susiduria su labai rimtu energetikos iššūkiu, kurį tiksliau būtų galima pavadinti „neaiškia energijos krize“. Problema susijusi su tuo, kad iškastinio kuro atsargos gali baigtis antroje šio amžiaus pusėje. Be to, deginant iškastinį kurą gali tekti kažkaip sekvestruoti ir „sandėliuoti“ į atmosferą išleistą anglies dioksidą (aukščiau minėta CCS programa), kad būtų išvengta didelių planetos klimato pokyčių.

Šiuo metu beveik visa žmonijos suvartojama energija sukuriama deginant iškastinį kurą, o problemos sprendimas gali būti siejamas su saulės energijos ar branduolinės energijos panaudojimu (greitai besiskleidžiančių reaktorių kūrimu ir pan.). Pasaulinė problema, kurią sukelia augantis besivystančių šalių gyventojų skaičius ir poreikis gerinti gyvenimo lygį bei didinti gaminamos energijos kiekį, negali būti išspręsta remiantis vien šiais metodais, nors, žinoma, bet kokie bandymai sukurti alternatyvius energijos gamybos būdus. turėtų būti skatinamas.

Griežtai kalbant, turime nedidelį elgesio strategijų pasirinkimą, o termobranduolinės energijos plėtra yra nepaprastai svarbi, net nepaisant sėkmės garantijos stokos. „Financial Times“ laikraštis (2004 m. sausio 25 d.) rašė apie tai:

Tikėkimės, kad termobranduolinės energetikos plėtros kelyje didelių ir netikėtų netikėtumų nebus. Tokiu atveju maždaug po 30 metų iš jos pirmą kartą galėsime tiekti elektros srovę į energetikos tinklus, o po kiek daugiau nei 10 metų pradės veikti pirmoji komercinė termobranduolinė elektrinė. Gali būti, kad antroje šio amžiaus pusėje branduolinės sintezės energija pradės pakeisti iškastinį kurą ir palaipsniui pradės vaidinti vis svarbesnį vaidmenį aprūpinant žmoniją energija pasauliniu mastu.

Nėra absoliučios garantijos, kad termobranduolinės energijos (kaip veiksmingo ir didelio masto energijos šaltinio visai žmonijai) kūrimo užduotis bus sėkmingai atlikta, tačiau sėkmės tikimybė šia kryptimi yra gana didelė. Atsižvelgiant į didžiulį termobranduolinių stočių potencialą, visos sąnaudos projektams, skirtoms jų sparčiai (ir netgi paspartintai) plėtrai, gali būti laikomos pagrįstomis, juolab kad šios investicijos atrodo labai kuklios milžiniškos pasaulinės energijos rinkos fone (4 trilijonai USD per metus8). Žmonijos energijos poreikių tenkinimas yra labai rimta problema. Kadangi iškastinis kuras tampa vis mažiau prieinamas (o jo naudojimas tampa nepageidautinas), situacija keičiasi, ir mes tiesiog negalime sau leisti nevystyti sintezės energijos.

Į klausimą „Kada atsiras termobranduolinė energija? Levas Artsimovičius (pripažintas šios srities tyrimų pradininkas ir lyderis) kartą atsakė, kad „jis bus sukurtas tada, kai tai taps tikrai reikalinga žmonijai“.

ITER bus pirmasis branduolių sintezės reaktorius, kuris pagamins daugiau energijos nei sunaudoja. Mokslininkai išmatuoja šią charakteristiką naudodami paprastą koeficientą, kurį jie vadina „Q“. Jei ITER pasieks visus savo mokslinius tikslus, jis pagamins 10 kartų daugiau energijos nei suvartoja. Paskutinis pastatytas prietaisas, Jungtinės Europos Torus Anglijoje, yra mažesnis prototipas branduolių sintezės reaktorius, kurio paskutiniuose mokslinių tyrimų etapuose Q vertė buvo beveik 1. Tai reiškia, kad jis pagamino lygiai tiek pat energijos, kiek sunaudojo. . ITER bus daugiau nei tai, pademonstruodamas energijos kūrimą sintezės būdu ir pasiekęs 10 Q vertę. Idėja yra pagaminti 500 MW sunaudojant maždaug 50 MW energijos. Taigi vienas iš mokslinių ITER tikslų yra įrodyti, kad galima pasiekti Q reikšmę 10.

Kitas mokslinis tikslas yra tai, kad ITER turėtų labai ilgą „degimo“ laiką – pailgintos trukmės impulsą iki vienos valandos. ITER yra eksperimentinis mokslinių tyrimų reaktorius, kuris negali nuolat gaminti energijos. Kai ITER pradės veikti, jis veiks vieną valandą, po to jį reikės išjungti. Tai svarbu, nes iki šiol mūsų sukurti tipiniai įrenginiai galėjo degti kelias sekundes ar net dešimtąsias sekundės dalis – tai maksimalus. „Joint European Torus“ pasiekė savo Q reikšmę 1, degimo trukmei maždaug dvi sekundės ir impulso trukmei 20 sekundžių. Tačiau kelias sekundes trunkantis procesas tikrai nėra nuolatinis. Pagal analogiją su automobilio variklio užvedimu: trumpam užvesti variklį, o paskui jį išjungti, dar nėra tikras automobilio veikimas. Tik važinėjant savo automobiliu pusvalandį jis pasieks pastovų darbo režimą ir pademonstruos, kad tokį automobilį tikrai galima vairuoti.

Tai reiškia, kad techniniu ir moksliniu požiūriu ITER užtikrins Q reikšmę 10 ir padidins degimo laiką.

Termobranduolinės sintezės programa yra tikrai tarptautinė ir plataus pobūdžio. Žmonės jau tikisi ITER sėkmės ir galvoja apie kitą žingsnį – sukurti pramoninio termobranduolinio reaktoriaus prototipą, pavadintą DEMO. Norint jį sukurti, ITER turi veikti. Turime pasiekti savo mokslinius tikslus, nes tai reikš, kad mūsų pateiktos idėjos yra visiškai įgyvendinamos. Tačiau sutinku, kad visada reikia galvoti apie tai, kas bus toliau. Be to, ITER veikiant 25–30 metų, mūsų žinios palaipsniui gilės ir plėsis ir galėsime tiksliau nubrėžti kitą žingsnį.

Iš tiesų, nėra diskusijų, ar ITER turėtų būti tokamakas. Kai kurie mokslininkai klausimą kelia visai kitaip: ar ITER turėtų egzistuoti? Įvairių šalių ekspertai, plėtodami savo, ne tokio didelio masto termobranduolinius projektus, įrodinėja, kad tokio didelio reaktoriaus apskritai nereikia.

Tačiau jų nuomonė vargu ar turėtų būti laikoma autoritetinga. Kuriant ITER dalyvavo fizikai, kelis dešimtmečius dirbantys su toroidiniais spąstais. Eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus Karadaše projektavimas buvo pagrįstas visomis žiniomis, įgytomis eksperimentuojant su dešimtimis pirmtakų tokamakų. Ir šie rezultatai rodo, kad reaktorius turi būti tokamakas ir tuo pačiu didelis.

JET Šiuo metu sėkmingiausiu tokamaku galima laikyti JET, kurį ES pastatė Didžiosios Britanijos Abingdono mieste. Tai didžiausias iki šiol sukurtas tokamako tipo reaktorius, kurio didelis plazminio toro spindulys siekia 2,96 metro. Termobranduolinės reakcijos galia jau pasiekė daugiau nei 20 megavatų, o sulaikymo laikas yra iki 10 sekundžių. Reaktorius grąžina apie 40% energijos, įdėtos į plazmą.

Būtent plazmos fizika lemia energijos balansą“, – Infox.ru sakė Igoris Semenovas. MIPT docentas, kas yra energijos balansas, apibūdino paprastu pavyzdžiu: „Visi matėme, kaip dega ugnis. Tiesą sakant, ten dega ne mediena, o dujos. Energijos grandinė ten tokia: dega dujos, malkos įkaista, mediena išgaruoja, dujos vėl dega. Todėl, jei mes įmesime vandenį į ugnį, mes staiga paimsime energiją iš sistemos skysto vandens faziniam perėjimui į garų būseną. Likutis taps neigiamas ir ugnis užges. Yra ir kitas būdas – galime tiesiog paimti ugnies ženklus ir paskleisti juos erdvėje. Ugnis taip pat užges. Tas pats yra termobranduoliniame reaktoriuje, kurį statome. Matmenys parenkami taip, kad būtų sukurtas tinkamas teigiamas šio reaktoriaus energijos balansas. Pakanka ateityje pastatyti tikrą atominę elektrinę, šiame eksperimentiniame etape išsprendžiant visas šiuo metu neišspręstas problemas.

Vieną kartą buvo pakeisti reaktoriaus matmenys. Tai atsitiko 20–21 amžių sandūroje, kai JAV pasitraukė iš projekto, o likę nariai suprato, kad ITER biudžetas (tuo metu buvo įvertintas 10 mlrd. JAV dolerių) yra per didelis. Fizikai ir inžinieriai turėjo sumažinti įrengimo išlaidas. Ir tai buvo galima padaryti tik dėl dydžio. ITER „perprojektavimui“ vadovavo prancūzų fizikas Robertas Aymaras, anksčiau dirbęs prie prancūziško Tore Supra tokamako Karadaše. Išorinis plazminio toro spindulys sumažintas nuo 8,2 iki 6,3 metro. Tačiau riziką, susijusią su dydžio sumažėjimu, iš dalies kompensavo keli papildomi superlaidūs magnetai, kurie leido įgyvendinti tuo metu atvirą ir ištirtą plazmos uždarymo režimą.

Pesimistai:

„Galite tai palyginti su komunizmu. Problemų šioje srityje daugiau nei akivaizdžių sprendimų...“;

„Tai viena mėgstamiausių temų rašant futuristinius straipsnius apie šviesią ateitį...“

Optimistai:

„Taip atsitiks, nes viskas, kas neįtikėtina, iš pradžių pasirodė neįmanoma, arba kažkas, ko pažanga buvo lemiamas veiksnys technologijų vystymuisi...“;

„Termobranduolinė energija, vaikinai, yra mūsų neišvengiama ateitis, ir nuo jos niekur nepabėgsi...“

Apibrėžkime terminus

– Kas yra valdoma termobranduolinė sintezė?

Elena Koreševa: Kontroliuojama termobranduolinė sintezė (CTF) – tai tyrimų sritis, kurios tikslas – pramoninis lengvųjų elementų termobranduolinės sintezės reakcijų energijos panaudojimas.

Viso pasaulio mokslininkai pradėjo šį tyrimą, kai prie Semipalatinsko sprogus pirmajai pasaulyje vandenilinei bombai buvo įrodyta nekontroliuojama termobranduolinės sintezės stadija. Tokios bombos projektą SSRS 1949 metais sukūrė būsimi Nobelio premijos laureatai iš Lebedevo fizinio instituto Andrejus Sacharovas ir Vitalijus Ginzburgas. P. N. Lebedevas iš SSRS mokslų akademijos, o 1951 m. gegužės 5 d. buvo išleistas SSRS Ministrų Tarybos dekretas dėl termobranduolinės programos darbo plėtojimo, vadovaujant I. V. Kurchatovui.

Skirtingai nuo branduolinės bombos, kuriai sprogus išsiskiria energija dėl atomo branduolio skilimo, vandenilinėje bomboje vyksta termobranduolinė reakcija, kurios pagrindinė energija išsiskiria degant sunkiajam vandenilio izotopui – deuterio.

Būtinos sąlygos termobranduolinei reakcijai pradėti – aukšta temperatūra (~100 mln. °C) ir didelis kuro tankis – vandenilinėje bomboje pasiekiamos susprogdinus nedidelio dydžio branduolinį saugiklį.

Norint įgyvendinti tas pačias sąlygas laboratorijoje, tai yra, pereiti nuo nekontroliuojamos termobranduolinės sintezės prie kontroliuojamos, FIAN mokslininkai akademikas N. G. Basovas, 1964 m. Nobelio premijos laureatas, ir akademikas O. N. Krokhinas pasiūlė naudoti lazerio spinduliuotę. Tai buvo tada, 1964 m., Fizikos institute. P. N. Lebedevas, o vėliau ir kituose mūsų šalies mokslo centruose buvo pradėti CTS tyrimai inercinės plazmos uždarymo srityje. Ši kryptis vadinama inercine termobranduoline sinteze arba ITS.

Klasikinis kuro taikinys, naudojamas ITS eksperimentuose, yra įdėtų sferinių sluoksnių sistema, kurios paprasčiausia versija yra išorinis polimero apvalkalas ir jo vidiniame paviršiuje suformuotas kriogeninio kuro sluoksnis. Pagrindinė ITS idėja yra suspausti penkis miligramus sferinio kuro taikinio iki tankio, kuris yra daugiau nei tūkstantis kartų didesnis už kietosios medžiagos tankį.

Suspaudimą atlieka išorinis taikinio apvalkalas, kurio medžiaga, intensyviai išgaruodama veikiant itin galingiems lazerio spinduliams ar didelės energijos jonų spinduliams, sukuria reaktyvų atatranką. Neišgaravusi korpuso dalis, kaip galingas stūmoklis, suspaudžia taikinio viduje esančius degalus, o didžiausio suspaudimo momentu konverguojanti smūginė banga taip pakelia temperatūrą suspausto kuro centre, kad prasideda termobranduolinis degimas. .

Daroma prielaida, kad taikiniai bus įpurškiami į ITS reaktoriaus kamerą 1-15 Hz dažniu, kad būtų užtikrintas nuolatinis jų švitinimas ir atitinkamai nenutrūkstama termobranduolinių mikrosprogimų, suteikiančių energiją, seka. Tai primena vidaus degimo variklio darbą, tik šiame procese galime gauti daug kartų daugiau energijos.

Kitas CTS metodas yra susijęs su magnetinės plazmos uždarymu. Ši kryptis vadinama magnetine termobranduoline sinteze (MTF). Tyrimai šia kryptimi pradėti dešimčia metų anksčiau, šeštojo dešimtmečio pradžioje. Institutas pavadintas I. V. Kurchatova yra šio tyrimo pradininkė mūsų šalyje.

– Koks galutinis šių studijų tikslas?

Vladimiras Nikolajevas: Galutinis tikslas – termobranduolinių reakcijų panaudojimas gaminant elektros ir šiluminę energiją šiuolaikiniuose aukštųjų technologijų, aplinkai draugiškuose gamybos įrenginiuose, kuriuose naudojami praktiškai neišsenkantys energijos ištekliai – inercinės termobranduolinės elektrinės. Ši naujo tipo elektrinė ilgainiui turėtų pakeisti mums pažįstamas angliavandenilių kurą (dujas, anglį, mazutą) naudojančias šilumines elektrines (TEP), taip pat atomines elektrines (AE). Kada tai įvyks? Pasak vieno iš CTS tyrimų mūsų šalyje lyderių akademiko L.A.Artsimovičiaus, termobranduolinė energija bus kuriama tada, kai ji taps tikrai reikalinga žmonijai. Šis poreikis kasmet tampa vis aktualesnis ir dėl šių priežasčių:

1. Remiantis Tarptautinės energetikos agentūros (IEA) 2011 m. prognozėmis, pasaulinis metinis elektros energijos suvartojimas 2009–2035 m. padidės daugiau nei 1,8 karto – nuo ​​17 200 TWh per metus iki daugiau nei 31 700 TWh per metus, kasmet augant. norma – 2,4 proc.

2. Žmonijos priemonės, kuriomis siekiama taupyti energiją, įvairių energijos taupymo technologijų naudojimas gamyboje ir namuose, deja, neduoda apčiuopiamų rezultatų.

3. Dabar daugiau nei 80 procentų pasaulyje suvartojamos energijos gaunama deginant iškastinį kurą – naftą, anglį ir gamtines dujas. Prognozuojamas šio iškastinio kuro atsargų išeikvojimas per penkiasdešimt – šimtą metų, taip pat netolygi šių iškasenų telkinių vieta, šių telkinių nutolimas nuo elektrinių, reikalaujantis papildomų energijos išteklių transportavimo išlaidų, poreikis kai kuriais atvejais patirti papildomų labai didelių išlaidų sodrinant ir ruošiant kurą deginti.

4. Atsinaujinančių energijos šaltinių, pagrįstų saulės energija, vėjo energija, hidroenergija, biodujomis (šiuo metu jie sudaro apie 13-15 proc. pasaulyje suvartojamos energijos), plėtrą riboja tokie veiksniai kaip priklausomybė nuo klimato ypatybių. elektrinės vieta, priklausomybė nuo metų laiko ir net paros laiko. Čia taip pat reikėtų pridėti palyginti mažus vardinius vėjo turbinų ir saulės stočių pajėgumus, būtinybę skirti didelius plotus vėjo jėgainėms, vėjo ir saulės elektrinių darbo režimų nestabilumą, dėl kurio kyla techninių sunkumų integruojant šiuos įrenginius į elektros energijos sistemos veikimo režimas ir kt.

– Kokios ateities prognozės?

Vladimiras Nikolajevas: Pagrindinis kandidatas į lyderio poziciją ateities energetikos sektoriuje yra branduolinė energetika – atominių elektrinių energija ir valdomos termobranduolinės sintezės energija. Jei šiuo metu apie 18 procentų Rusijoje suvartojamos energijos sudaro atominių elektrinių energija, tai valdoma termobranduolinė sintezė pramoniniu mastu dar neįgyvendinta. Veiksmingas praktinio CTS panaudojimo sprendimas leis įvaldyti aplinkai nekenksmingą, saugų ir praktiškai neišsenkamą energijos šaltinį.

Kur tikroji įgyvendinimo patirtis?

– Kodėl TTS taip ilgai laukia jo įgyvendinimo? Juk pirmuosius darbus šia kryptimi Kurchatovas atliko dar šeštajame dešimtmetyje?

Vladimiras Nikolajevas: Ilgą laiką buvo manoma, kad praktinio termobranduolinės sintezės energijos panaudojimo problema nereikalauja skubių sprendimų, nes dar praėjusio amžiaus 80-aisiais iškastinio kuro šaltiniai atrodė neišsenkantys, o aplinkos problemos ir klimato kaita ne taip spaudžia, kaip dabar.

Be to, norint įvaldyti CTS problemą, iš pradžių reikėjo sukurti visiškai naujas mokslo kryptis – aukštos temperatūros plazmos fiziką, itin didelio energijos tankio fiziką, anomalinių slėgių fiziką. Tam reikėjo sukurti kompiuterines technologijas ir sukurti daugybę matematinių materijos elgesio modelių, kai prasideda termobranduolinės reakcijos. Teoriniams rezultatams patikrinti reikėjo padaryti technologinį proveržį kuriant lazerius, jonų ir elektroninius šaltinius, kuro mikrotaikinius, diagnostinę įrangą, taip pat sukurti didelės apimties lazerių ir jonų instaliacijas.

Ir šios pastangos nenuėjo veltui. Visai neseniai, 2013 m. rugsėjį, JAV eksperimentai galingame NIF lazeriniame įrenginyje pirmą kartą parodė vadinamąjį „mokslinį lūžio“ rezultatą: termobranduolinių reakcijų metu išsiskirianti energija viršijo energiją, investuotą į kuro suspaudimą ir šildymą taikinyje. ITS schema. Tai yra papildoma paskata paspartinti visame pasaulyje egzistuojančių programų, kuriomis siekiama parodyti galimybę naudoti branduolių sintezės reaktorių komerciniais tikslais, plėtrą.

Remiantis įvairiomis prognozėmis, pirmasis termobranduolinio reaktoriaus prototipas bus paleistas iki 2040 m., nes įgyvendinama daugybė tarptautinių projektų ir vyriausybės programų, įskaitant tarptautinį ITER reaktorių, pagrįstą MTS, taip pat nacionalinėmis reaktorių statybos programomis ITS JAV, Europoje ir Japonijoje. Taigi nuo nekontroliuojamų termobranduolinės sintezės procesų pradžios iki pirmosios CTS elektrinės paleidimo praeis septyniasdešimt – aštuoniasdešimt metų.

Kalbant apie BTS įgyvendinimo trukmę, norėčiau paaiškinti, kad 80 metų jokiu būdu nėra ilgas laikas. Pavyzdžiui, praėjo aštuoniasdešimt dveji metai nuo pirmojo voltinio elemento išradimo, kurį 1800 m. sukūrė Alessandro Volta, iki pirmojo prototipo elektrinės paleidimo, kurį 1882 m. paleido Thomas Edisonas. O jei kalbėsime apie Williamo Gilberto (1600) atradimą ir pirmuosius elektrinių ir magnetinių reiškinių tyrimus, tai praėjo daugiau nei du šimtmečiai, kol šie reiškiniai buvo pritaikyti praktiškai.

– Kokios yra mokslinės ir praktinės inercinės kontroliuojamos termobranduolinės sintezės naudojimo instrukcijos?

Elena Koreševa: ITS reaktorius yra aplinkai nekenksmingas energijos šaltinis, galintis ekonomiškai konkuruoti su tradiciniais iškastinio kuro šaltiniais ir atominėmis elektrinėmis. Visų pirma, JAV Livermoro nacionalinės laboratorijos prognozė numato, kad JAV energetikos sektorius visiškai atsisakys šiuolaikinių atominių elektrinių ir iki 2090 m. jas visiškai pakeis ITS sistemomis.

Kuriant ITS reaktorių sukurtos technologijos gali būti naudojamos įvairiose šalies pramonės šakose.

Tačiau pirmiausia reikia sukurti mechaninį reaktoriaus prototipą arba SMR, kuris leis optimizuoti pagrindinius procesus, susijusius su kuro taikinių tiekimo į termobranduolinio degimo zoną dažnumu ir sinchroniškumu. SMR paleidimas ir bandymų su juo atlikimas yra būtinas komercinio reaktoriaus elementų kūrimo etapas.

Ir galiausiai, ITS reaktorius yra galingas neutronų šaltinis, kurio neutronų išeiga yra iki 1020 n/s, o neutronų srauto tankis jame pasiekia milžiniškas vertes ir gali viršyti vidutiniškai 1020 n/s-cm 2 ir 1027 n/sek-cm 2 impulsu netoli reakcijos zonos. ITS reaktorius, kaip galingas neutronų šaltinis, yra unikali mokslinių tyrimų priemonė tokiose srityse kaip fundamentiniai tyrimai, energetika, nano ir biotechnologijos, medicina, geologija ir saugos klausimai.

Kalbant apie mokslines ITS naudojimo sritis, jos apima fizikos, susijusios su supernovų ir kitų astrofizinių objektų evoliucija, tyrimą, medžiagos elgsenos ekstremaliomis sąlygomis tyrimą, transurano elementų ir izotopų, kurių gamtoje nėra, gamybą. , lazerio spinduliuotės sąveikos su plazma fizikos tyrimas ir daug daugiau.

– Jūsų nuomone, ar reikia pereiti prie CTS kaip alternatyvaus energijos šaltinio?

Vladimiras Nikolajevas: Tokio perėjimo būtinybė turi keletą aspektų. Visų pirma, tai yra aplinkosaugos aspektas: tradicinių energijos gamybos technologijų, tiek angliavandenilių, tiek branduolinės, žalingo poveikio aplinkai faktas yra gerai žinomas ir įrodytas.

Nereikėtų pamiršti ir politinio šios problemos aspekto, nes alternatyvios energetikos plėtra leis šaliai pretenduoti į pasaulio lyderystę ir faktiškai diktuoti kuro išteklių kainas.

Toliau atkreipiame dėmesį į tai, kad kuro išteklių išgavimas tampa vis brangesnis, o jų deginimas tampa vis mažiau įmanomas. Kaip sakė D. I. Mendelejevas, „paskęsti aliejuje yra tas pats, kas paskęsti su banknotais“. Todėl perėjimas prie alternatyvių technologijų energetikos sektoriuje leis išsaugoti šalies angliavandenilių išteklius jų panaudojimui chemijos ir kitose pramonės šakose.

Ir galiausiai, nuolat augant gyventojų skaičiui ir tankumui, atominių elektrinių ir valstybinių rajoninių elektrinių statybai vis sunkiau rasti plotus, kuriuose energijos gamyba būtų pelninga ir saugi aplinkai.

Taigi valdomos termobranduolinės sintezės kūrimo socialinių, politinių, ekonominių ar aplinkosaugos aspektų požiūriu klausimų nekyla.

Pagrindinis sunkumas yra tas, kad norint pasiekti tikslą reikia išspręsti daugybę problemų, su kuriomis mokslas anksčiau nebuvo susidūręs, būtent:

Suprasti ir apibūdinti sudėtingus fizikinius procesus, vykstančius reaguojančiame kuro mišinyje,

Pasirinkti ir išbandyti tinkamas statybines medžiagas,

Sukurti galingus lazerius ir rentgeno spindulių šaltinius,

Sukurti impulsines energijos sistemas, galinčias sukurti galingus dalelių pluoštus,

Sukurti masinės kuro taikinių gamybos technologiją ir nuolatinio jų tiekimo į reaktoriaus kamerą sistemą sinchroniškai su lazerio spinduliuotės impulsų ar dalelių pluoštų atėjimu ir daug daugiau.

Todėl iškyla federalinės tikslinės valstybės programos, skirtos inercinės valdomos termobranduolinės sintezės plėtrai mūsų šalyje, sukūrimo ir jos finansavimo klausimai.

– Ar kontroliuojama termobranduolinė sintezė bus saugi? Kokias pasekmes aplinkai ir gyventojams gali turėti ekstremali situacija?

Elena Koreševa: Pirma, kritinės avarijos termobranduolinėje elektrinėje galimybė visiškai atmesta dėl jos veikimo principo. Termobranduolinės sintezės kuras neturi kritinės masės ir, skirtingai nei atominių elektrinių reaktoriuose, UTS reaktoriuje reakcijos procesas gali būti sustabdytas per sekundės dalį, kilus avarinėms situacijoms.

Konstrukcinės medžiagos termobranduolinei elektrinei bus parinktos taip, kad dėl neutronų aktyvavimo jos nesudarytų ilgaamžių izotopų. Tai reiškia, kad galima sukurti „švarų“ reaktorių, neapsunkintą ilgalaikio radioaktyviųjų atliekų saugojimo problemos. Apskaičiavimais, uždarius išsekusią termobranduolinę elektrinę, nenaudojant specialių apsaugos priemonių ji gali būti sunaikinta per dvidešimt – trisdešimt metų.

Svarbu pabrėžti, kad termobranduolinės sintezės energija yra galingas ir aplinkai nekenksmingas energijos šaltinis, galiausiai kaip kurą naudojant paprastą jūros vandenį. Taikant šią energijos išgavimo schemą, neatsiranda nei šiltnamio efekto, kaip deginant organinį kurą, nei ilgaamžių radioaktyviųjų atliekų, kaip veikiant atominėms elektrinėms.

Branduolinės sintezės reaktorius yra daug saugesnis nei branduolinis reaktorius, visų pirma radiacijos požiūriu. Kaip minėta aukščiau, kritinės avarijos termobranduolinėje elektrinėje tikimybė yra atmesta. Atvirkščiai, atominėje elektrinėje gali įvykti didelė radiacinė avarija, kuri yra susijusi su pačiu jos veikimo principu. Ryškiausias pavyzdys – avarijos Černobylio atominėje elektrinėje 1986 metais ir atominėje elektrinėje Fukušima-1 2011 metais. Radioaktyviųjų medžiagų kiekis CTS reaktoriuje yra nedidelis. Pagrindinis radioaktyvus elementas čia yra tritis, kuris yra silpnai radioaktyvus, jo pusinės eliminacijos laikas yra 12,3 metų ir yra lengvai pašalinamas. Be to, UTS reaktoriaus konstrukcijoje yra keletas natūralių barjerų, neleidžiančių plisti radioaktyviosioms medžiagoms. Atominės elektrinės eksploatavimo laikas, atsižvelgiant į jos eksploatavimo pratęsimą, svyruoja nuo trisdešimt penkerių iki penkiasdešimties metų, po kurio stotis turi būti uždaryta. Atominės elektrinės reaktoriuje ir aplink reaktorių lieka daug labai radioaktyvių medžiagų, o laukti, kol radioaktyvumas sumažės, prireiks daug dešimtmečių. Dėl to iš ekonominės apyvartos pašalinamos didžiulės teritorijos ir materialinės vertybės.

Taip pat atkreipiame dėmesį, kad avarinio tričio nutekėjimo galimybės požiūriu būsimos ITS stotys neabejotinai turi pranašumą prieš magnetinės termobranduolinės sintezės stotis. ITS stotyse vienu metu kuro cikle esantis tričio kiekis skaičiuojamas gramais, daugiausia dešimtimis gramų, o magnetinėse sistemose šis kiekis turėtų būti dešimtis kilogramų.

– Ar jau yra įrenginių, veikiančių inercinės termobranduolinės sintezės principais? Ir jei taip, kiek jie veiksmingi?

Elena Koreševa: Siekiant parodyti termobranduolinės sintezės energiją, gautą naudojant ITS schemą, daugelyje pasaulio šalių buvo pastatyti bandomosios laboratorijos įrenginiai. Galingiausi iš jų yra šie:

Nuo 2009 m. JAV Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje veikia NIF lazerio įrenginys, kurio lazerio energija yra 1,8 MJ, sutelkta į 192 lazerio spinduliuotės pluoštus;

Prancūzijoje (Bordo) pradėtas eksploatuoti galingas LMJ įrenginys su 1,8 MJ lazerio energija 240 lazerio spindulių;

Europos Sąjungoje kuriama galinga 0,3-0,5 MJ energijos lazerinė instaliacija HiPER (High Power laser Energy Research), kurios veikimui reikia gaminti ir pristatyti kuro taikinius aukštu >1 Hz dažniu;

JAV Lazerinės energijos laboratorijoje veikia OMEGA lazerio instaliacija, 30 kJ lazerio energija sutelkta šešiasdešimtyje lazerio spinduliuotės pluoštų;

JAV karinio jūrų laivyno laboratorija (NRL) sukūrė galingiausią pasaulyje NIKE kriptono-fluoro lazerį, kurio energija yra nuo 3 iki 5 kJ penkiasdešimt šešiuose lazerio spinduliuose;

Japonijoje, Osakos universiteto Lazerinių technologijų laboratorijoje, yra kelių spindulių lazerio instaliacija GEKKO-XII, lazerio energija - 15-30 kJ;

Kinijoje yra SG-III įrenginys, kurio lazerio energija yra 200 kJ šešiasdešimt keturiuose lazerio spinduliuose;

Rusijos federalinis branduolinis centras – Visos Rusijos Eksperimentinės fizikos tyrimų institutas (RFNC-VNIIEF, Sarovas) eksploatuoja ISKRA-5 (dvylika lazerio spindulių pluoštų) ir LUCH (keturi lazerio spindulių pluoštai) įrenginius. Lazerio energija šiuose įrenginiuose yra 12-15 kJ. 2012 m. čia buvo pradėtas statyti naujas UFL-2M įrenginys su 2,8 MJ lazerio energija 192 spinduliuose. Planuojama, kad šis, galingiausias lazeris pasaulyje, bus paleistas 2020 m.

Išvardintų ITS įrenginių eksploatavimo tikslas – parodyti techninį ITS pelningumą, kai termobranduolinėse reakcijose išsiskirianti energija viršija visą investuotą energiją. Iki šiol įrodytas vadinamasis mokslinis lūžis, tai yra mokslinis ITS pelningumas: termobranduolinėse reakcijose išsiskirianti energija pirmą kartą viršijo energiją, investuotą į kuro suspaudimą ir šildymą.

– Jūsų nuomone, įrenginiai, kuriuose naudojama kontroliuojama termobranduolinė sintezė, šiandien gali būti ekonomiškai naudingi? Ar jie tikrai gali konkuruoti su esamomis stotimis?

Vladimiras Nikolajevas: Valdoma termobranduolinė sintezė yra tikras konkurentas tokiems pasiteisinusiems energijos šaltiniams kaip angliavandenilių kuras ir atominės elektrinės, nes kuro atsargos UTS jėgainei yra praktiškai neišsenkančios. Sunkiojo vandens, kuriame yra deuterio, kiekis pasaulio vandenynuose yra apie ~1015 tonų. Ličio, iš kurio gaminamas antrasis termobranduolinio kuro komponentas tritis, jau dabar pasaulyje pagaminama dešimtys tūkstančių tonų per metus ir yra nebrangus. Be to, 1 gramas deuterio gali suteikti 10 milijonų kartų daugiau energijos nei 1 gramas anglies, o 1 gramas deuterio ir tričio mišinio suteiks tokią pat energiją kaip 8 tonos naftos.

Be to, sintezės reakcijos yra galingesnis energijos šaltinis nei urano-235 dalijimosi reakcijos: termobranduolinės deuterio ir tričio sintezės metu išsiskiria 4,2 karto daugiau energijos nei dalijantis tos pačios masės urano-235 branduoliams.

Atliekų šalinimas atominėse elektrinėse yra sudėtingas ir brangus technologinis procesas, o termobranduolinis reaktorius yra praktiškai be atliekų ir atitinkamai švarus.

Taip pat atkreipiame dėmesį į svarbų ITES veikimo charakteristikų aspektą, pavyzdžiui, sistemos prisitaikymą prie energijos režimų pokyčių. Skirtingai nei atominėse elektrinėse, ITES galios mažinimo procesas yra primityviai paprastas - pakanka sumažinti termobranduolinio kuro taikinių tiekimo į reaktoriaus kamerą dažnį. Taigi dar vienas svarbus ITES pranašumas, palyginti su tradicinėmis atominėmis elektrinėmis: ITES yra manevringesnis. Galbūt ateityje tai leis naudoti galingas ITES ne tik „bazinėje“ elektros sistemos apkrovos grafiko dalyje, kartu su galingomis „bazinėmis“ hidroelektrinėmis ir atominėmis elektrinėmis, bet ir laikyti ITES labiausiai manevringos „piko“ jėgainės, užtikrinančios stabilų didelių energetikos sistemų darbą. Arba naudoti ITES elektros sistemos paros apkrovos piko laikotarpiu, kai kitų stočių turimų pajėgumų neužtenka.

– Ar šiandien Rusijoje ar kitose šalyse vykdomi moksliniai darbai, siekiant sukurti konkurencingą, ekonomišką ir saugią inercinę termobranduolinę elektrinę?

Elena Koreševa: JAV, Europoje ir Japonijoje jau vykdomos ilgalaikės nacionalinės programos iki 2040 metų pastatyti ITS paremtą elektrinę. Planuojama, kad optimaliomis technologijomis bus galima naudotis iki 2015-2018 m., o bandomosios elektrinės veikimo nepertraukiamo energijos gamybos režimu demonstravimas – iki 2020-2025 m. Kinija turi programą statyti ir 2020 m. paleisti reaktoriaus masto lazerinį įrenginį SG-IV, kurio lazerio energija yra 1,5 MJ.

Prisiminkime, kad norint užtikrinti nepertraukiamą energijos gamybos režimą, kuro tiekimas į ITES reaktoriaus kameros centrą ir tuo pačiu metu ten tiekiamas lazerio spinduliavimas turi būti vykdomas 1-10 Hz dažniu.

Reaktorių technologijoms išbandyti JAV karinio jūrų laivyno laboratorija (NRL) sukūrė ELEKTRA įrenginį, veikiantį 5 ​​Hz dažniu ir 500-700 džaulių lazerio energija. Iki 2020 metų planuojama tūkstantį kartų padidinti lazerio energiją.

Europos projekto HiPER rėmuose kuriamas galingas bandomasis 0,3-0,5 MJ energijos ITS įrenginys, kuris veiks dažniniu režimu. Šios programos tikslas: parodyti galimybę gauti termobranduolinės sintezės energiją dažniniu režimu, kaip būdinga inercinės termobranduolinės elektrinės darbui.

Taip pat čia atkreipiame dėmesį į Pietų Korėjos Respublikos valstybinį projektą sukurti naujovišką didelės galios dažnio lazerį Korėjos progresyviajame fizikos ir technologijų institute KAIST.

Rusijoje, pavadintame Fizikos institute. P. N. Lebedevo, sukurtas ir pademonstruotas unikalus FST metodas, kuris yra perspektyvus būdas išspręsti dažnio formavimo ir kriogeninio kuro taikinių pristatymo į ITS reaktorių problemą. Čia taip pat sukurta laboratorinė įranga, kuri imituoja visą reaktoriaus taikinio paruošimo procesą – nuo ​​jo užpildymo kuru iki dažnio perdavimo iki lazerio židinio. Programos HiPER užsakymu FIAN specialistai parengė taikinio gamyklos, veikiančios FST metodu ir užtikrinančios nenutrūkstamą kuro taikinių gamybą bei jų dažnio pristatymą į HiPER eksperimentinės kameros židinį, projektą.

Jungtinėse Valstijose vykdoma ilgalaikė LIFE programa, kurios tikslas – iki 2040 m. pastatyti pirmąją ITS elektrinę. LIFE programa bus kuriama JAV veikiančio galingo NIF lazerio įrenginio, kurio lazerio energija siekia 1,8 MJ, pagrindu.

Atkreipkite dėmesį, kad pastaraisiais metais labai intensyvios (1017-1018 W/cm 2 ir didesnės) lazerio spinduliuotės sąveikos su medžiaga tyrimais buvo atrasti nauji, anksčiau nežinomi fiziniai efektai. Tai atgaivino viltis dėl paprasto ir veiksmingo termobranduolinės reakcijos uždegimo nesuslėgtame kure plazminiais blokais metodo (vadinamasis šoninis uždegimas), kuris buvo pasiūlytas daugiau nei prieš trisdešimt metų, tačiau nebuvo įgyvendintas tuo metu turimomis technologijomis. lygiu. Norint įgyvendinti šį metodą, reikalingas pikosekundės impulso trukmės ir 10-100 petaW galios lazeris. Šiuo metu visame pasaulyje intensyviai atliekami tyrimai šia tema, jau pastatyti 10 petavatų (PW) galios lazeriai. Pavyzdžiui, tai yra VULCAN lazerinis įrenginys Rutherfordo ir Appletono laboratorijoje JK. Kaip rodo skaičiavimai, naudojant tokį lazerį ITS, uždegimo sąlygos beneutroninėms reakcijoms, tokioms kaip protonas-boras arba protonas-litis, yra gana pasiekiamos. Šiuo atveju radioaktyvumo problema iš esmės pašalinama.

CTS sistemoje alternatyvi technologija inercinei termobranduolinei sintezei yra magnetinė termobranduolinė sintezė. Ši technologija visame pasaulyje kuriama lygiagrečiai su ITS, pavyzdžiui, pagal tarptautinę ITER programą. Pietų Prancūzijoje Kadarašo tyrimų centre statomas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER pagal TOKAMAK tipo sistemą. Iš Rusijos pusės ITER projekte dalyvauja daugelis „Rosatom“ ir kitų padalinių įmonių, kurias bendrai koordinuoja „Rosatom“ įsteigtas „ITER projektų centras“. ITER kūrimo tikslas – ištirti sąlygas, kurių turi būti tenkinamos veikiant branduolių sintezės elektrinėms, taip pat tuo remiantis sukurti ekonomiškai efektyvias elektrines, kurios pagal savo dydį bent 30 procentų viršytų ITER.

Rusijoje yra perspektyvų

– Kas galėtų trukdyti sėkmingai statyti termobranduolinę elektrinę Rusijoje?

Vladimiras Nikolajevas: Kaip jau minėta, yra dvi CTS vystymosi kryptys: su magnetiniu ir inerciniu plazmos uždarymu. Norint sėkmingai išspręsti termobranduolinės elektrinės statybos problemą, abi kryptys turi būti plėtojamos lygiagrečiai pagal atitinkamas federalines programas, taip pat Rusijos ir tarptautinius projektus.

Rusija jau dalyvauja tarptautiniame projekte, skirtame sukurti pirmąjį UTS reaktoriaus prototipą – tai ITER projektas, susijęs su magnetine termobranduolių sinteze.

Kalbant apie elektrinę, paremtą ITS, tokios valstybinės programos Rusijoje kol kas nėra. Trūkstant finansavimo šioje srityje Rusija gali smarkiai atsilikti pasaulyje ir prarasti esamus prioritetus.

Priešingai, atsižvelgiant į atitinkamas finansines investicijas, Rusijos teritorijoje atsiveria realios perspektyvos statyti inercinę termobranduolinę elektrinę arba ITES.

– Ar yra perspektyvų statyti inercinę termobranduolinę elektrinę Rusijoje, jei bus pakankamai finansinių investicijų?

Elena Koreševa: Yra perspektyvų. Pažvelkime į tai išsamiau.

ITES susideda iš keturių iš esmės būtinų dalių:

1. Degimo kamera, arba reaktoriaus kamera, kurioje įvyksta termobranduoliniai mikrosprogimai ir jų energija perduodama aušinimo skysčiui.

2. Vairuotojas – galingas lazeris, arba jonų greitintuvas.

3. Tikslinė gamykla – kuro paruošimo ir įvedimo į reaktoriaus kamerą sistema.

4. Šiluminė ir elektros įranga.

Tokios stoties kuras bus deuteris ir tritis, taip pat litis, kuris yra reaktoriaus kameros sienelės dalis. Tritis gamtoje neegzistuoja, tačiau reaktoriuje jis susidaro iš ličio, kai sąveikauja su neutronais iš termobranduolinių reakcijų. Sunkiojo vandens, kuriame yra deuterio, kiekis Pasaulio vandenyne, kaip čia jau minėta, yra apie ~1015 tonų. Praktiniu požiūriu tai yra begalinė vertė! Deuterio išgavimas iš vandens yra gerai žinomas ir pigus procesas. Litis yra prieinamas ir gana pigus elementas, randamas žemės plutoje. Kai ITES naudojamas litis, jis tarnaus kelis šimtus metų. Be to, ilgesnėje perspektyvoje, tobulėjant galingų pavarų (t. y. lazerių, jonų pluoštų) technologijai, planuojama atlikti termobranduolinę reakciją ant gryno deuterio arba kuro mišinio, kuriame yra tik nedidelis kiekis tričio. Vadinasi, degalų sąnaudos labai mažai, mažiau nei 1 proc., prisidės prie sintezės jėgainės pagaminamos energijos kainos.

ITES degimo kamera, grubiai tariant, yra 10 metrų rutulys, ant kurio vidinės sienelės užtikrinama skysčio cirkuliacija, o kai kuriose stočių versijose – miltelių pavidalo aušinimo skystis, pvz., ličio, kuris vienu metu naudojamas tiek pašalinti termobranduolinio mikrosprogimo energiją ir gaminti tritį. Be to, kameroje yra reikiamas įvesties langų skaičius taikiniams ir vairuotojo spinduliuotei įvesti. Dizainas primena galingų branduolinių reaktorių korpusus ar kai kurias pramonines cheminės sintezės gamyklas, kurių praktinė patirtis yra prieinama. Dar daug problemų reikia išspręsti, tačiau esminių apribojimų nėra. Kai kurie tokio dizaino medžiagų ir atskirų komponentų patobulinimai jau yra, visų pirma ITER projekte.

Šiluminė ir elektros įranga yra gana gerai išvystyti techniniai įrenginiai, nuo seno naudojami atominėse elektrinėse. Natūralu, kad termobranduolinėje stotyje šios sistemos turės panašias išlaidas.

Kalbant apie sudėtingiausias ITES sistemas - tvarkykles ir tikslines gamyklas, Rusijoje yra geras pagrindas, reikalingas valstybinei ITES programai priimti ir įgyvendinti daugybę projektų tiek bendradarbiaujant su Rusijos institutais, tiek pagal tarptautines programas. bendradarbiavimą. Šiuo požiūriu svarbus dalykas yra tie metodai ir technologijos, kurios jau buvo sukurtos Rusijos tyrimų centruose.

Visų pirma, Rusijos federalinis branduolinis centras Sarove teikia pirmenybę didelės galios lazerių kūrimui, pavienių kuro taikinių gamybai, lazerinių sistemų ir termobranduolinės plazmos diagnostikai, taip pat ITS vykstančių procesų kompiuteriniam modeliavimui. Šiuo metu RFNC-VNIIEF įgyvendina UFL-2M programą, kuria siekiama sukurti galingiausią pasaulyje lazerį, kurio energija yra 2,8 MJ. Programoje taip pat dalyvauja nemažai kitų Rusijos organizacijų, įskaitant pavadintą Fizikos institutą. P. N. Lebedeva. Sėkmingas 2012 m. pradėtos programos UFL-2M įgyvendinimas yra dar vienas didelis Rusijos žingsnis termobranduolinės sintezės energijos įsisavinimo kelyje.

Rusijos mokslo centre „Kurčatovo institutas“ (Maskva) kartu su Sankt Peterburgo politechnikos universitetu buvo atlikti tyrimai kriogeninio kuro tiekimo srityje naudojant pneumatinį purkštuką, kurie jau naudojami magnetinės termobranduolinės sintezės sistemose. pavyzdžiui, TOKAMAK; buvo ištirtos įvairios kuro taikinių apsaugos sistemos, kai jie pristatomi į ITS reaktoriaus kamerą; Buvo ištirta galimybė plačiai praktiškai panaudoti ITS kaip galingą neutronų šaltinį.

vardu pavadintame Fizikos institute. P. N. Lebedevo RAS (Maskva) yra būtinų patobulinimų kuriant tikslinę reaktorių gamyklą. Čia sukurta unikali kuro taikinių dažninės gamybos technologija ir sukurtas 0,1 Hz dažniu veikiančios taikinių gamyklos prototipas. Čia taip pat buvo sukurtos ir ištirtos įvairios taikinio pristatymo sistemos, įskaitant gravitacinį purkštuką, elektromagnetinį purkštuką, taip pat naujus transportavimo įrenginius, pagrįstus kvantine levitacija. Galiausiai čia buvo sukurtos didelio tikslumo tikslinės kokybės kontrolės ir diagnostikos pristatymo metu technologijos. Dalis šių darbų buvo atlikta bendradarbiaujant su anksčiau minėtais ITS centrais pagal dešimt tarptautinių ir Rusijos projektų.

Tačiau būtina sąlyga Rusijoje sukurtų metodų ir technologijų diegimui yra ilgalaikės federalinės tikslinės ITS programos ir jos finansavimo priėmimas.

– Koks, jūsų nuomone, turėtų būti pirmasis žingsnis kuriant ITS pagrįstą termobranduolinę energiją?

Vladimiras Nikolajevas: Pirmasis žingsnis galėtų būti Centro pasiūlytas projektas „Mechaninio reaktoriaus modelio ir TIKSLINĖS GAMYKLOS prototipo, skirto elektrinei, veikiančiai inercinės termobranduolinės sintezės pagrindu kriogeniniu kuru, dažnio papildymui, sukūrimas“. Energijos efektyvumas „INTER RAO UES“ kartu su fizinio instituto vardu. P. N. Lebedeva ir Nacionalinis tyrimų centras Kurchatovo institutas. Projekte gauti rezultatai leis Rusijai ne tik įgyti stabilų prioritetą pasaulyje ITS srityje, bet ir priartėti prie komercinės ITS pagrindu veikiančios elektrinės statybos.

Jau dabar aišku, kad būsimi ITES turi būti statomi didelės vienetinės galios – bent kelių gigavatų. Tokiomis sąlygomis jos bus gana konkurencingos šiuolaikinėms atominėms elektrinėms. Be to, ateities termobranduolinė energetika pašalins aktualiausias branduolinės energetikos problemas – radiacinės avarijos pavojų, didelio aktyvumo atliekų šalinimą, atominių elektrinių kuro brangimą ir išeikvojimą ir kt. Atkreipkite dėmesį, kad inercija termobranduolinė elektrinė, kurios šiluminė galia 1 gigavatas (GW), radiacinio pavojaus požiūriu yra lygiavertis tik 1 kW galios dalijimosi reaktorius!

– Kuriuose regionuose patartina rasti ITES? Inercinės termobranduolinės elektrinės vieta Rusijos energetikos sistemoje?

Vladimiras Nikolajevas: Kaip minėta aukščiau, skirtingai nuo šiluminių elektrinių (valstybinių rajoninių elektrinių, kogeneracinių elektrinių, kogeneracinių elektrinių), ITES vieta nepriklauso nuo kuro šaltinių vietos. Jo metinis kuro poreikis yra apie 1 toną, tai yra saugios ir lengvai transportuojamos medžiagos.

Branduoliniai reaktoriai negali būti šalia tankiai apgyvendintų vietovių dėl avarijos pavojaus. Renkantis ITES vietą, šių apribojimų, būdingų atominėms elektrinėms, nėra. ITES gali būti šalia didelių miestų ir pramonės centrų. Tai pašalina stoties prijungimo prie vieningo elektros tinklo problemą. Be to, ITES nėra jokių trūkumų, susijusių su atominių elektrinių statybos ir eksploatavimo sudėtingumu, taip pat su sunkumais, susijusiais su branduolinių atliekų apdorojimu ir šalinimu bei atominių elektrinių įrenginių išmontavimu.

ITES gali būti atokiose, retai apgyvendintose ir sunkiai pasiekiamose vietovėse ir veikti autonomiškai, užtikrinant daug energijos reikalaujančius technologinius procesus, tokius kaip, pavyzdžiui, aliuminio ir spalvotųjų metalų gamyba Rytų Sibire, Magadano regione ir Chukotka, jakutų deimantai ir daug daugiau.

Ilgą laiką trudnopisaka paprašė manęs padaryti įrašą apie statomą termobranduolinį reaktorių. Sužinokite įdomias technologijos detales, sužinokite, kodėl šis projektas taip ilgai įgyvendinamas. Pagaliau surinkau medžiagą. Susipažinkime su projekto detalėmis.

Kaip viskas prasidėjo? „Energijos iššūkis“ atsirado dėl šių trijų veiksnių derinio:

1. Žmonija dabar sunaudoja didžiulį kiekį energijos.

Šiuo metu pasaulyje sunaudojama apie 15,7 teravatų (TW). Padalijus šią vertę iš pasaulio gyventojų, gauname maždaug 2400 vatų vienam žmogui, kurį galima lengvai įvertinti ir vizualizuoti. Kiekvieno Žemės gyventojo (taip pat ir vaikų) suvartojama energija atitinka 24 šimto vatų elektros lempų veikimą visą parą. Tačiau šios energijos suvartojimas visoje planetoje yra labai netolygus, nes kai kuriose šalyse jis yra labai didelis, o kitose – nereikšmingas. Sunaudojimas (vienam žmogui) lygus 10,3 kW JAV (viena iš rekordinių dydžių), 6,3 kW Rusijos Federacijoje, 5,1 kW JK ir tt, bet, kita vertus, lygus. tik 0,21 kW Bangladeše (tik 2 % JAV energijos suvartojimo!).

Pagal Tarptautinės energetikos agentūros prognozę (2006 m.), pasaulinis energijos suvartojimas iki 2030 m. turėtų padidėti 50 proc. Žinoma, išsivysčiusios šalys galėtų puikiai išsiversti ir be papildomos energijos, tačiau šis augimas būtinas, kad žmonės išbristų iš skurdo besivystančiose šalyse, kur 1,5 mlrd. žmonių kenčia nuo didelio energijos trūkumo.

3. Šiuo metu 80 % pasaulio energijos gaunama deginant iškastinį kurą(nafta, anglis ir dujos), kurių naudojimas:
a) gali sukelti katastrofiškų aplinkos pokyčių pavojų;
b) kada nors neišvengiamai turi baigtis.

Iš to, kas pasakyta, aišku, kad dabar turime pasiruošti iškastinio kuro naudojimo eros pabaigai

Šiuo metu atominės elektrinės dideliu mastu gamina energiją, išsiskiriančią vykstant atomų branduolių dalijimosi reakcijoms. Tokių stočių kūrimas ir plėtra turėtų būti skatinama visais įmanomais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad per artimiausius 50 metų gali būti visiškai išnaudotos ir vienos iš svarbiausių medžiagų jų veiklai (pigaus urano) atsargos. . Branduolio dalijimosi energijos galimybes galima (ir turėtų) gerokai išplėsti naudojant efektyvesnius energijos ciklus, leidžiančius pagaminamos energijos kiekį beveik padvigubinti. Norint plėtoti energiją šia kryptimi, reikia sukurti torio reaktorius (vadinamuosius torio reaktorius arba dauginamuosius reaktorius), kuriuose vykstant reakcijai susidaro daugiau torio nei pirminiame urane, dėl to bendras pagaminamos energijos kiekis. tam tikram medžiagos kiekiui padidėja 40 kartų. Taip pat atrodo perspektyvu sukurti plutonio augintojus naudojant greituosius neutronus, kurie yra daug efektyvesni nei urano reaktoriai ir gali pagaminti 60 kartų daugiau energijos. Gali būti, kad plėtojant šias sritis reikės sukurti naujus, nestandartinius urano gavimo būdus (pavyzdžiui, iš jūros vandens, kuris atrodo labiausiai prieinamas).

Sintezės jėgainės

Paveikslėlyje parodyta termobranduolinės elektrinės įrenginio ir veikimo principo schema (ne pagal mastelį). Centrinėje dalyje yra ~2000 m3 tūrio toroidinė (spurgos formos) kamera, užpildyta tričio-deuterio (T-D) plazma, įkaitinta iki aukštesnės nei 100 M°C temperatūros. Sintezės reakcijos metu susidarę neutronai (1) palieka „magnetinį butelį“ ir patenka į paveikslėlyje pavaizduotą apie 1 m storio apvalkalą.

Korpuso viduje neutronai susiduria su ličio atomais, todėl vyksta reakcija, kurios metu susidaro tritis:

neutronas + litis → helis + tritis

Be to, sistemoje vyksta konkuruojančios reakcijos (nesusidarant tričiui), taip pat daug reakcijų, kai išsiskiria papildomi neutronai, dėl kurių taip pat susidaro tritis (šiuo atveju gali atsirasti papildomų neutronų išsiskyrimo). žymiai sustiprintas, pavyzdžiui, į apvalkalą įvedant berilio atomus ir šviną). Bendra išvada yra tokia, kad šiame įrenginyje (bent jau teoriškai) gali vykti branduolių sintezės reakcija, kurios metu susidarytų tritis. Tokiu atveju gaminamas tričio kiekis turėtų ne tik patenkinti paties įrenginio poreikius, bet ir būti dar kiek didesnis, o tai leis naujus įrenginius aprūpinti tričiu. Būtent ši veikimo koncepcija turi būti išbandyta ir įdiegta toliau aprašytame ITER reaktoriuje.

Be to, neutronai turi įkaitinti apvalkalą vadinamuosiuose bandomuosiuose įrenginiuose (kuriuose bus naudojamos santykinai „įprastos“ statybinės medžiagos) iki maždaug 400 °C. Ateityje planuojama sukurti patobulintus įrenginius, kurių korpuso šildymo temperatūra viršytų 1000°C, o tai būtų galima pasiekti naudojant naujausias didelio stiprumo medžiagas (pavyzdžiui, silicio karbido kompozitus). Korpuse susidariusią šilumą, kaip ir įprastose stotyse, paima pirminis aušinimo kontūras su aušinimo skysčiu (kuriame yra, pavyzdžiui, vandens arba helio) ir perduodama antriniam kontūrui, kur gaminamas vandens garas ir tiekiamas į turbinas.

1985 – Sovietų Sąjunga pasiūlė naujos kartos Tokamako elektrinę, pasinaudodama keturių pirmaujančių šalių patirtimi kuriant branduolių sintezės reaktorius. Jungtinės Amerikos Valstijos kartu su Japonija ir Europos bendrija pateikė pasiūlymą dėl projekto įgyvendinimo.

Šiuo metu Prancūzijoje statomas toliau aprašytas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER (International Tokamak Experimental Reactor), kuris bus pirmasis tokamakas, galintis „uždegti“ plazmą.

Pažangiausi esami tokamako įrenginiai jau seniai pasiekė apie 150 M°C temperatūrą, artimą sintezės stočiai reikalingų verčių, tačiau ITER reaktorius turėtų būti pirmoji didelės apimties elektrinė, sukurta ilgą laiką. - terminuota operacija. Ateityje reikės žymiai pagerinti jo veikimo parametrus, todėl pirmiausia reikės padidinti slėgį plazmoje, nes branduolių sintezės greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas slėgio kvadratui. Pagrindinė mokslinė problema šiuo atveju susijusi su tuo, kad padidėjus slėgiui plazmoje, atsiranda labai sudėtingi ir pavojingi nestabilumai, tai yra nestabilūs darbo režimai.

Kodėl mums to reikia?

Pagrindinis branduolių sintezės privalumas yra tas, kad jai reikia tik labai nedidelio kiekio medžiagų, kurios gamtoje yra labai paplitusios kaip kuras. Branduolinės sintezės reakcija aprašytuose įrenginiuose gali sukelti milžinišką energijos kiekį, dešimt milijonų kartų didesnį nei standartinė šiluma, išsiskirianti vykstant įprastoms cheminėms reakcijoms (pvz., deginant iškastinį kurą). Palyginimui nurodome, kad 1 gigavato (GW) šiluminės elektrinės energijai gaminti reikalingas anglies kiekis yra 10 000 tonų per dieną (dešimt geležinkelio vagonų), o tokios pat galios termobranduolinės sintezės jėgainė sunaudos tik apie 1 kilogramas D+T mišinio per dieną.

Deuteris yra stabilus vandenilio izotopas; Maždaug vienoje iš 3350 paprasto vandens molekulių vienas iš vandenilio atomų yra pakeistas deuteriu (Didžiojo sprogimo palikimas). Šis faktas leidžia lengvai organizuoti gana pigią reikiamo kiekio deuterio gamybą iš vandens. Sunkiau gauti tričio, kuris yra nestabilus (pusėjimo laikas yra apie 12 metų, todėl jo kiekis gamtoje yra nereikšmingas), tačiau, kaip parodyta aukščiau, tritis eksploatacijos metu atsiras tiesiai termobranduolinio įrenginio viduje, dėl neutronų reakcijos su ličiu.

Taigi pradinis branduolių sintezės reaktoriaus kuras yra litis ir vanduo. Litis yra įprastas metalas, plačiai naudojamas buitiniuose prietaisuose (mobiliųjų telefonų baterijose ir kt.). Aukščiau aprašytas įrenginys, net ir įvertinus ne idealų efektyvumą, galės pagaminti 200 000 kWh elektros energijos, o tai prilygsta energijai, esančiai 70 tonų anglies. Tam reikalingas ličio kiekis yra vienoje kompiuterio baterijoje, o deuterio – 45 litrais vandens. Aukščiau pateikta vertė atitinka dabartinį elektros suvartojimą (skaičiuojant vienam asmeniui) ES šalyse per 30 metų. Pats faktas, kad toks nežymus ličio kiekis gali užtikrinti tokio kiekio elektros gamybą (be CO2 emisijų ir be menkiausios oro taršos), yra gana rimtas argumentas už sparčiausią ir energingiausią termobranduolinės energijos plėtrą (nepaisant visų sunkumų ir problemų) ir net šimtu procentų nepasitikėdami tokių tyrimų sėkme.

Deuterio turėtų užtekti milijonams metų, o lengvai išgaunamo ličio atsargų pakanka šimtų metų poreikiams patenkinti. Net jei uolienose baigiasi ličio kiekis, galime jį išgauti iš vandens, kur jo koncentracija yra pakankamai didelė (100 kartų didesnė už uraną), kad kasyba būtų ekonomiškai pagrįsta.

Netoli Kadarašo miesto Prancūzijoje statomas eksperimentinis termobranduolinis reaktorius (International thermonuclear experimental reactor). Pagrindinis ITER projekto tikslas – įgyvendinti kontroliuojamą termobranduolinės sintezės reakciją pramoniniu mastu.

Termobranduolinio kuro svorio vienetui gaunama apie 10 milijonų kartų daugiau energijos nei deginant tokį pat kiekį organinio kuro ir apie šimtą kartų daugiau nei skaldant urano branduolius šiuo metu veikiančių atominių elektrinių reaktoriuose. Jei mokslininkų ir dizainerių skaičiavimai išsipildys, tai suteiks žmonijai neišsenkamą energijos šaltinį.

Todėl nemažai šalių (Rusija, Indija, Kinija, Korėja, Kazachstanas, JAV, Kanada, Japonija, Europos Sąjungos šalys) suvienijo jėgas kurdamos Tarptautinį termobranduolinių tyrimų reaktorių – naujų elektrinių prototipą.

ITER yra įrenginys, sukuriantis sąlygas vandenilio ir tričio atomų (vandenilio izotopų) sintezei, todėl susidaro naujas atomas – helio atomas. Šį procesą lydi didžiulis energijos pliūpsnis: plazmos, kurioje vyksta termobranduolinė reakcija, temperatūra yra apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus (palyginimui, Saulės šerdies temperatūra yra 40 milijonų laipsnių). Tokiu atveju izotopai išdega, todėl radioaktyviųjų atliekų praktiškai nelieka.
Dalyvavimo tarptautiniame projekte schemoje numatytas reaktoriaus komponentų tiekimas ir jo statybos finansavimas. Mainais už tai kiekviena dalyvaujanti šalis gauna visišką prieigą prie visų termobranduolinio reaktoriaus kūrimo technologijų ir visų eksperimentinių darbų, susijusių su šiuo reaktoriumi, rezultatais, kurie bus pagrindu kuriant serijinės galios termobranduolinius reaktorius.

Termobranduolinės sintezės principu veikiantis reaktorius neturi radioaktyvios spinduliuotės ir yra visiškai saugus aplinkai. Jis gali būti beveik bet kurioje pasaulio vietoje, o jo kuras yra paprastas vanduo. Numatoma, kad ITER statybos truks apie dešimt metų, o po to reaktorius bus naudojamas 20 metų.

Paspaudžiamas 4000 px

Rusijos interesams Tarptautinės ITER termobranduolinio reaktoriaus statybos organizacijos taryboje artimiausiais metais atstovaus Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Michailas Kovalčiukas – Kurchatovo instituto direktorius, Rusijos akademijos Kristalografijos institutas. Prezidento tarybos mokslo, technologijų ir švietimo klausimais mokslai ir mokslinis sekretorius. Kovalčiukas šiose pareigose laikinai pakeis akademiką Jevgenijų Velikhovą, kuris kitiems dvejiems metams buvo išrinktas ITER tarptautinės tarybos pirmininku ir neturi teisės derinti šių pareigų su dalyvaujančios šalies oficialaus atstovo pareigomis.

Bendra statybų kaina skaičiuojama 5 milijardais eurų, tiek pat reikės bandomajam reaktoriaus eksploatavimui. Indijos, Kinijos, Korėjos, Rusijos, JAV ir Japonijos akcijos sudaro apie 10 procentų visos vertės, 45 procentus – iš Europos Sąjungos šalių. Tačiau Europos valstybės dar nesusitarė, kaip tiksliai bus paskirstytos išlaidos. Dėl šios priežasties statybų pradžia buvo nukelta į 2010 m. balandžio mėn. Nepaisant paskutinio vėlavimo, su ITER susiję mokslininkai ir pareigūnai teigia, kad projektą galės užbaigti iki 2018 m.

Numatoma ITER termobranduolinė galia yra 500 megavatų. Atskiros magnetinės dalys pasiekia 200–450 tonų svorį. ITER vėsinimui per dieną reikės 33 tūkst. kubinių metrų vandens.

1998 metais JAV nustojo finansuoti savo dalyvavimą projekte. Į valdžią atėjus respublikonams ir Kalifornijoje prasidėjus elektros energijos tiekimui, Busho administracija paskelbė didinanti investicijas į energetiką. JAV neketino dalyvauti tarptautiniame projekte ir užsiėmė savo termobranduoliniu projektu. 2002 m. pradžioje prezidento Bušo patarėjas technologijų klausimais Johnas Marburgeris III pasakė, kad Jungtinės Valstijos persigalvojo ir ketina grįžti prie projekto.

Dalyvių skaičiumi projektas lyginamas su kitu dideliu tarptautiniu moksliniu projektu – Tarptautine kosmine stotimi. ITER kaina, kuri anksčiau siekė 8 milijardus dolerių, tada siekė mažiau nei 4 mlrd. JAV pasitraukus iš dalyvavimo, buvo nuspręsta reaktoriaus galią sumažinti nuo 1,5 GW iki 500 MW. Atitinkamai sumažėjo ir projekto kaina.

2002 m. birželį Rusijos sostinėje vyko simpoziumas „ITER Days in Moscow“. Jame buvo aptartos teorinės, praktinės ir organizacinės projekto atgaivinimo problemos, kurių sėkmė gali pakeisti žmonijos likimą ir suteikti jai naujos rūšies energijos, efektyvumu ir ekonomiškumu prilygstančią tik Saulės energijai.

2010 m. liepą ITER tarptautinio termobranduolinio reaktoriaus projekte dalyvaujančių šalių atstovai neeiliniame posėdyje, vykusiame Kadaraše (Prancūzija), patvirtino jo biudžetą ir statybos grafiką. .

Paskutiniame neeiliniame posėdyje projekto dalyviai patvirtino pirmųjų eksperimentų su plazma pradžios datą – 2019 m. Visi eksperimentai planuojami 2027 m. kovo mėnesį, nors projekto vadovybė paprašė techninių specialistų pabandyti optimizuoti procesą ir pradėti eksperimentus 2026 m. Susitikimo dalyviai sprendė ir dėl reaktoriaus statybos sąnaudų, tačiau sumos, kurias planuojama išleisti įrenginiui sukurti, neatskleidžiamos. Remiantis informacija, kurią portalo ScienceNOW redaktorius gavo iš neįvardijamo šaltinio, iki eksperimentų pradžios ITER projekto kaina gali siekti 16 milijardų eurų.

Susitikimas Kadaraše taip pat buvo pirmoji oficiali naujojo projekto direktoriaus, japonų fiziko Osamu Motojimos darbo diena. Prieš jį projektui nuo 2005 metų vadovavo japonas Kaname Ikeda, kuris panoro palikti savo postą iš karto po to, kai buvo patvirtintas biudžetas ir statybos terminai.

ITER branduolių sintezės reaktorius yra bendras Europos Sąjungos, Šveicarijos, Japonijos, JAV, Rusijos, Pietų Korėjos, Kinijos ir Indijos projektas. ITER kūrimo idėja buvo svarstoma dar praėjusio amžiaus 80-aisiais, tačiau dėl finansinių ir techninių sunkumų projekto kaina nuolat auga, o statybų pradžios data vis atidedama. 2009 metais ekspertai tikėjosi, kad reaktoriaus kūrimo darbai prasidės 2010 metais. Vėliau ši data buvo perkelta ir iš pradžių 2018-ieji, o vėliau 2019-ieji buvo įvardinti kaip reaktoriaus paleidimo laikas.

Termobranduolinės sintezės reakcijos – tai lengvųjų izotopų branduolių susiliejimo reakcijos į sunkesnį branduolį, kurią lydi didžiulis energijos išsiskyrimas. Teoriškai branduolių sintezės reaktoriai gali pagaminti daug energijos už mažą kainą, tačiau šiuo metu mokslininkai išleidžia daug daugiau energijos ir pinigų sintezės reakcijai pradėti ir palaikyti.

Termobranduolinė sintezė yra pigus ir aplinkai nekenksmingas energijos gamybos būdas. Nekontroliuojama termobranduolinė sintezė Saulėje vyksta jau milijardus metų – helis susidaro iš sunkaus vandenilio izotopo deuterio. Taip išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Tačiau žmonės Žemėje dar neišmoko valdyti tokių reakcijų.

ITER reaktoriuje kaip kuras bus naudojami vandenilio izotopai. Termobranduolinės reakcijos metu energija išsiskiria, kai lengvieji atomai susijungia į sunkesnius. Kad tai būtų pasiekta, dujos turi būti įkaitintos iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių temperatūros – daug aukštesnės nei temperatūra Saulės centre. Dujos šioje temperatūroje virsta plazma. Tuo pačiu metu vandenilio izotopų atomai susilieja, virsdami helio atomais, išskirdami daug neutronų. Tokiu principu veikianti jėgainė naudos tankios medžiagos (ličio) sluoksnio sulėtintą neutronų energiją.

Kodėl termobranduolinių įrenginių kūrimas užtruko taip ilgai?

Kodėl tokios svarbios ir vertingos instaliacijos, apie kurių naudą kalbama beveik pusę amžiaus, dar nesukurtos? Yra trys pagrindinės priežastys (aptartos toliau), iš kurių pirmoji gali būti vadinama išorine arba socialine, o kitos dvi – vidinės, tai yra nulemtos pačios termobranduolinės energijos vystymosi dėsnių ir sąlygų.

1. Ilgą laiką buvo manoma, kad praktinio termobranduolinės sintezės energijos panaudojimo problema nereikalauja skubių sprendimų ir veiksmų, nes dar praėjusio amžiaus 80-aisiais iškastinio kuro šaltiniai atrodė neišsenkantys, o aplinkos problemos ir klimato kaita – tai. nerūpi visuomenei. 1976 m. JAV Energetikos departamento Branduolinės sintezės energijos patariamasis komitetas bandė įvertinti mokslinių tyrimų ir plėtros bei demonstracinės branduolių sintezės elektrinės laiką pagal įvairias mokslinių tyrimų finansavimo galimybes. Kartu buvo nustatyta, kad metinis finansavimas šios krypties tyrimams yra visiškai nepakankamas, o jei bus išlaikytas esamas asignavimų lygis, termobranduolinių įrenginių kūrimas niekada nebus sėkmingas, nes skirtos lėšos neatitinka net iki minimalaus, kritinio lygio.

2. Rimtesnė kliūtis plėtoti šios srities tyrimus yra ta, kad aptariamo tipo termobranduolinis įrenginys negali būti sukurtas ir demonstruojamas nedideliu mastu. Iš toliau pateiktų paaiškinimų paaiškės, kad termobranduolinės sintezės metu reikia ne tik magnetinio plazmos uždarymo, bet ir pakankamo jos kaitinimo. Išnaudotos ir gaunamos energijos santykis didėja bent jau proporcingai įrenginio linijinių matmenų kvadratui, dėl to termobranduolinių įrenginių mokslines ir technines galimybes bei pranašumus galima išbandyti ir įrodyti tik gana didelėse stotyse, pvz. kaip minėtas ITER reaktorius. Visuomenė tiesiog nebuvo pasirengusi finansuoti tokių didelių projektų, kol nebuvo pakankamai pasitikėjimo sėkme.

3. Termobranduolinės energijos plėtra buvo labai sudėtinga, tačiau (nepaisant nepakankamo finansavimo ir sunkumų parenkant centrus JET ir ITER įrenginiams kurti), pastaraisiais metais buvo pastebėta aiški pažanga, nors veikiančios stoties dar nebuvo sukurta.

Šiuolaikinis pasaulis susiduria su labai rimtu energetikos iššūkiu, kurį tiksliau būtų galima pavadinti „neaiškia energijos krize“. Problema susijusi su tuo, kad iškastinio kuro atsargos gali baigtis antroje šio amžiaus pusėje. Be to, deginant iškastinį kurą gali tekti kažkaip sekvestruoti ir „sandėliuoti“ į atmosferą išleistą anglies dioksidą (aukščiau minėta CCS programa), kad būtų išvengta didelių planetos klimato pokyčių.

Šiuo metu beveik visa žmonijos suvartojama energija sukuriama deginant iškastinį kurą, o problemos sprendimas gali būti siejamas su saulės energijos ar branduolinės energijos panaudojimu (greitai besiskleidžiančių reaktorių kūrimu ir pan.). Pasaulinė problema, kurią sukelia augantis besivystančių šalių gyventojų skaičius ir poreikis gerinti gyvenimo lygį bei didinti gaminamos energijos kiekį, negali būti išspręsta remiantis vien šiais metodais, nors, žinoma, bet kokie bandymai sukurti alternatyvius energijos gamybos būdus. turėtų būti skatinamas.

Griežtai kalbant, turime nedidelį elgesio strategijų pasirinkimą, o termobranduolinės energijos plėtra yra nepaprastai svarbi, net nepaisant sėkmės garantijos stokos. „Financial Times“ laikraštis (2004 m. sausio 25 d.) rašė apie tai:

Tikėkimės, kad termobranduolinės energetikos plėtros kelyje didelių ir netikėtų netikėtumų nebus. Tokiu atveju maždaug po 30 metų iš jos pirmą kartą galėsime tiekti elektros srovę į energetikos tinklus, o po kiek daugiau nei 10 metų pradės veikti pirmoji komercinė termobranduolinė elektrinė. Gali būti, kad antroje šio amžiaus pusėje branduolinės sintezės energija pradės pakeisti iškastinį kurą ir palaipsniui pradės vaidinti vis svarbesnį vaidmenį aprūpinant žmoniją energija pasauliniu mastu.

Nėra absoliučios garantijos, kad termobranduolinės energijos (kaip veiksmingo ir didelio masto energijos šaltinio visai žmonijai) kūrimo užduotis bus sėkmingai atlikta, tačiau sėkmės tikimybė šia kryptimi yra gana didelė. Atsižvelgiant į didžiulį termobranduolinių stočių potencialą, visos sąnaudos projektams, skirtoms jų sparčiai (ir netgi paspartintai) plėtrai, gali būti laikomos pagrįstomis, juolab kad šios investicijos atrodo labai kuklios milžiniškos pasaulinės energijos rinkos fone (4 trilijonai USD per metus8). Žmonijos energijos poreikių tenkinimas yra labai rimta problema. Kadangi iškastinis kuras tampa vis mažiau prieinamas (o jo naudojimas tampa nepageidautinas), situacija keičiasi, ir mes tiesiog negalime sau leisti nevystyti sintezės energijos.

Į klausimą „Kada atsiras termobranduolinė energija? Levas Artsimovičius (pripažintas šios srities tyrimų pradininkas ir lyderis) kartą atsakė, kad „jis bus sukurtas tada, kai tai taps tikrai reikalinga žmonijai“.

ITER bus pirmasis branduolių sintezės reaktorius, kuris pagamins daugiau energijos nei sunaudoja. Mokslininkai išmatuoja šią charakteristiką naudodami paprastą koeficientą, kurį jie vadina „Q“. Jei ITER pasieks visus savo mokslinius tikslus, jis pagamins 10 kartų daugiau energijos nei suvartoja. Paskutinis pastatytas prietaisas, Jungtinės Europos Torus Anglijoje, yra mažesnis prototipas branduolių sintezės reaktorius, kurio paskutiniuose mokslinių tyrimų etapuose Q vertė buvo beveik 1. Tai reiškia, kad jis pagamino lygiai tiek pat energijos, kiek sunaudojo. . ITER bus daugiau nei tai, pademonstruodamas energijos kūrimą sintezės būdu ir pasiekęs 10 Q vertę. Idėja yra pagaminti 500 MW sunaudojant maždaug 50 MW energijos. Taigi vienas iš mokslinių ITER tikslų yra įrodyti, kad galima pasiekti Q reikšmę 10.

Kitas mokslinis tikslas yra tai, kad ITER turėtų labai ilgą „degimo“ laiką – pailgintos trukmės impulsą iki vienos valandos. ITER yra eksperimentinis mokslinių tyrimų reaktorius, kuris negali nuolat gaminti energijos. Kai ITER pradės veikti, jis veiks vieną valandą, po to jį reikės išjungti. Tai svarbu, nes iki šiol mūsų sukurti standartiniai įrenginiai galėjo degti kelias sekundes ar net dešimtąsias sekundės dalis – tai yra maksimumas. „Joint European Torus“ pasiekė savo Q reikšmę 1, degimo trukme buvo maždaug dvi sekundės, o impulso trukmė – 20 sekundžių. Tačiau kelias sekundes trunkantis procesas tikrai nėra nuolatinis. Pagal analogiją su automobilio variklio užvedimu: trumpam užvesti variklį, o paskui jį išjungti, dar nėra tikras automobilio veikimas. Tik važinėjant savo automobiliu pusvalandį jis pasieks pastovų darbo režimą ir pademonstruos, kad tokį automobilį tikrai galima vairuoti.

Tai reiškia, kad techniniu ir moksliniu požiūriu ITER užtikrins Q reikšmę 10 ir padidins degimo laiką.

Termobranduolinės sintezės programa yra tikrai tarptautinė ir plataus pobūdžio. Žmonės jau tikisi ITER sėkmės ir galvoja apie kitą žingsnį – sukurti pramoninio termobranduolinio reaktoriaus prototipą, pavadintą DEMO. Norint jį sukurti, ITER turi veikti. Turime pasiekti savo mokslinius tikslus, nes tai reikš, kad mūsų pateiktos idėjos yra visiškai įgyvendinamos. Tačiau sutinku, kad visada reikia galvoti apie tai, kas bus toliau. Be to, ITER veikiant 25–30 metų, mūsų žinios palaipsniui gilės ir plėsis ir galėsime tiksliau nubrėžti kitą žingsnį.

Iš tiesų, nėra diskusijų, ar ITER turėtų būti tokamakas. Kai kurie mokslininkai klausimą kelia visai kitaip: ar ITER turėtų egzistuoti? Įvairių šalių ekspertai, plėtodami savo, ne tokio didelio masto termobranduolinius projektus, įrodinėja, kad tokio didelio reaktoriaus apskritai nereikia.

Tačiau jų nuomonė vargu ar turėtų būti laikoma autoritetinga. Kuriant ITER dalyvavo fizikai, kelis dešimtmečius dirbantys su toroidiniais spąstais. Eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus Karadaše projektavimas buvo pagrįstas visomis žiniomis, įgytomis eksperimentuojant su dešimtimis pirmtakų tokamakų. Ir šie rezultatai rodo, kad reaktorius turi būti tokamakas ir tuo pačiu didelis.

JET Šiuo metu sėkmingiausiu tokamaku galima laikyti JET, kurį ES pastatė Didžiosios Britanijos Abingdono mieste. Tai didžiausias iki šiol sukurtas tokamako tipo reaktorius, kurio didelis plazminio toro spindulys siekia 2,96 metro. Termobranduolinės reakcijos galia jau pasiekė daugiau nei 20 megavatų, o sulaikymo laikas yra iki 10 sekundžių. Reaktorius grąžina apie 40% energijos, įdėtos į plazmą.

Būtent plazmos fizika lemia energijos balansą“, – Infox.ru sakė Igoris Semenovas. MIPT docentas, kas yra energijos balansas, apibūdino paprastu pavyzdžiu: „Visi matėme, kaip dega ugnis. Tiesą sakant, ten dega ne mediena, o dujos. Energijos grandinė ten tokia: dega dujos, malkos įkaista, mediena išgaruoja, dujos vėl dega. Todėl, jei mes įmesime vandenį į ugnį, mes staiga paimsime energiją iš sistemos skysto vandens faziniam perėjimui į garų būseną. Likutis taps neigiamas ir ugnis užges. Yra ir kitas būdas – galime tiesiog paimti ugnies ženklus ir paskleisti juos erdvėje. Ugnis taip pat užges. Tas pats yra termobranduoliniame reaktoriuje, kurį statome. Matmenys parenkami taip, kad būtų sukurtas tinkamas teigiamas šio reaktoriaus energijos balansas. Pakanka ateityje pastatyti tikrą atominę elektrinę, šiame eksperimentiniame etape išsprendžiant visas šiuo metu neišspręstas problemas.

Vieną kartą buvo pakeisti reaktoriaus matmenys. Tai atsitiko 20–21 amžių sandūroje, kai JAV pasitraukė iš projekto, o likę nariai suprato, kad ITER biudžetas (tuo metu buvo įvertintas 10 mlrd. JAV dolerių) yra per didelis. Fizikai ir inžinieriai turėjo sumažinti įrengimo išlaidas. Ir tai buvo galima padaryti tik dėl dydžio. ITER „perprojektavimui“ vadovavo prancūzų fizikas Robertas Aymaras, anksčiau dirbęs prie prancūziško Tore Supra tokamako Karadaše. Išorinis plazminio toro spindulys sumažintas nuo 8,2 iki 6,3 metro. Tačiau riziką, susijusią su dydžio sumažėjimu, iš dalies kompensavo keli papildomi superlaidūs magnetai, kurie leido įgyvendinti tuo metu atvirą ir ištirtą plazmos uždarymo režimą.

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

Sakome, kad įdėsime saulę į dėžutę. Idėja graži. Problema ta, kad mes nežinome, kaip padaryti dėžutę.

Pierre'as-Gilles'as de Gennes'as
Prancūzijos Nobelio premijos laureatas

Visiems elektroniniams prietaisams ir mašinoms reikia energijos, o žmonija jos sunaudoja labai daug. Tačiau iškastinis kuras baigiasi, o alternatyvi energija dar nėra pakankamai efektyvi.
Yra energijos gavimo būdas, kuris idealiai atitinka visus reikalavimus – termobranduolinė sintezė. Termobranduolinės sintezės reakcija (vandenilio pavertimas heliu ir energijos išsiskyrimas) nuolat vyksta saulėje ir šis procesas planetai suteikia energijos saulės spindulių pavidalu. Jums tereikia jį mėgdžioti Žemėje, mažesniu mastu. Pakanka užtikrinti aukštą slėgį ir labai aukštą temperatūrą (10 kartų aukštesnę nei Saulėje) ir prasidės sintezės reakcija. Norint sukurti tokias sąlygas, reikia pastatyti termobranduolinį reaktorių. Jis naudos gausesnius išteklius žemėje, bus saugesnis ir galingesnis nei įprastos atominės elektrinės. Daugiau nei 40 metų buvo bandoma jį statyti, buvo atliekami eksperimentai. Pastaraisiais metais vienam iš prototipų netgi pavyko gauti daugiau energijos nei buvo sunaudota. Žemiau pateikiami ambicingiausi šios srities projektai:

Vyriausybės projektai

Didžiausias visuomenės dėmesys pastaruoju metu buvo skirtas kitam termobranduolinio reaktoriaus dizainui – Wendelstein 7-X stelaratoriui (stellaratoriaus vidinė struktūra yra sudėtingesnė nei ITER, kuris yra tokamakas). Išleidę šiek tiek daugiau nei 1 milijardą dolerių, vokiečių mokslininkai per 9 metus iki 2015 metų sukūrė sumažintą demonstracinį reaktoriaus modelį. Jei jis parodys gerus rezultatus, bus sukurta didesnė versija.

Prancūzijos „MegaJoule Laser“ bus galingiausias pasaulyje lazeris ir bandys tobulinti lazeriu pagrįstą branduolių sintezės reaktoriaus statybos metodą. Tikimasi, kad prancūziška instaliacija bus pradėta eksploatuoti 2018 m.

NIF (National Ignition Facility) buvo pastatytas JAV per 12 metų ir iki 2012 m. už 4 milijardus dolerių. Jie tikėjosi išbandyti technologiją ir tuoj pat pastatyti reaktorių, tačiau paaiškėjo, kad, kaip praneša Vikipedija, reikės daug dirbti, jei sistema kada nors užsidegs. Dėl to grandioziniai planai buvo atšaukti ir mokslininkai ėmė palaipsniui tobulinti lazerį. Paskutinis iššūkis yra padidinti energijos perdavimo efektyvumą nuo 7% iki 15%. Priešingu atveju Kongreso finansavimas šiam sintezės metodui gali būti nutrauktas.

2015 m. pabaigoje Sarove buvo pradėtas statyti pastatas, skirtas galingiausiam pasaulyje lazeriniam įrenginiui. Jis bus galingesnis už dabartinius amerikietiškus ir būsimus prancūziškus ir leis atlikti eksperimentus, reikalingus „lazerinei“ reaktoriaus versijai statyti. Statybos pabaiga 2020 m.

JAV esantis MagLIF sintezės lazeris yra pripažintas tamsiuoju arkliu tarp termobranduolinės sintezės metodų. Pastaruoju metu šis metodas rodė geresnius rezultatus nei tikėtasi, tačiau galią vis tiek reikia padidinti 1000 kartų. Šiuo metu lazeris atnaujinamas, o iki 2018 metų mokslininkai tikisi gauti tiek pat energijos, kiek išleido. Jei pasiseks, bus sukurta didesnė versija.

Rusijos branduolinės fizikos institutas atkakliai eksperimentavo su „atvirų spąstų“ metodu, kurio Jungtinės Valstijos atsisakė 90-aisiais. Dėl to buvo gauti rodikliai, kurie buvo laikomi neįmanomi šiam metodui. BINP mokslininkai mano, kad jų įrengimas dabar yra vokiško Wendelstein 7-X lygio (Q=0,1), bet pigesnis. Dabar jie stato naują instaliaciją už 3 milijardus rublių

Kurchatovo instituto vadovas nuolat primena planus Rusijoje statyti nedidelį termobranduolinį reaktorių – „Ignitor“. Pagal planą jis turėtų būti toks pat efektyvus kaip ITER, nors ir mažesnis. Jo statyba turėjo prasidėti prieš 3 metus, tačiau tokia situacija būdinga dideliems mokslo projektams.

2016 metų pradžioje Kinijos tokamakas EAST sugebėjo pasiekti 50 milijonų laipsnių temperatūrą ir išlaikyti ją 102 sekundes. Prieš pradedant statyti didžiulius reaktorius ir lazerius, visos naujienos apie termobranduolinę sintezę buvo tokios. Galima manyti, kad tai tik mokslininkų konkurencija, kas gali ilgiau išlaikyti vis aukštesnę temperatūrą. Kuo aukštesnė plazmos temperatūra ir kuo ilgiau ją galima išlaikyti, tuo arčiau sintezės reakcijos pradžios. Pasaulyje yra dešimtys tokių instaliacijų, statoma dar keletas () (), tad netrukus bus sumuštas RYTŲ rekordas. Iš esmės šie maži reaktoriai tik išbando įrangą prieš siunčiant į ITER.

„Lockheed Martin“ paskelbė apie sintezės energijos proveržį 2015 m., kuris leistų per 10 metų pastatyti nedidelį ir mobilų branduolių sintezės reaktorių. Atsižvelgiant į tai, kad net labai didelių ir visai ne mobilių komercinių reaktorių nebuvo tikimasi iki 2040 m., korporacijos pranešimas buvo sutiktas skeptiškai. Tačiau įmonė turi daug išteklių, tad kas gali žinoti. Prototipas tikimasi 2020 m.

Populiarus Silicio slėnio startuolis „Helion Energy“ turi savo unikalų planą pasiekti termobranduolinės sintezės. Bendrovė surinko daugiau nei 10 milijonų dolerių ir tikisi sukurti prototipą iki 2019 m.

Žemo profilio startuolis Tri Alpha Energy pastaruoju metu pasiekė įspūdingų rezultatų propaguodamas savo sintezės metodą (teoretikai sukūrė >100 teorinių būdų, kaip pasiekti sintezę, tokamakas yra tiesiog paprasčiausias ir populiariausias). Bendrovė taip pat pritraukė daugiau nei 100 milijonų dolerių investuotojų lėšų.

Kanados startuolio „General Fusion“ reaktoriaus projektas dar labiau skiriasi nuo kitų, tačiau kūrėjai juo pasitiki ir per 10 metų surinko daugiau nei 100 mln. USD, kad iki 2020 m.

JK įsikūręs startuolis „First light“ turi prieinamiausią svetainę, suformuotą 2014 m., ir paskelbė apie planus panaudoti naujausius mokslinius duomenis branduolių sintezei gaminti mažesnėmis sąnaudomis.

MIT mokslininkai parašė dokumentą, kuriame aprašomas kompaktiškas branduolių sintezės reaktorius. Jie remiasi naujomis technologijomis, atsiradusiomis pradėjus statyti milžiniškus tokamakus, ir žada projektą užbaigti per 10 metų. Kol kas nežinoma, ar jiems bus uždegta žalia šviesa pradėti statybas. Net ir patvirtinus, straipsnis žurnale yra dar ankstesnis etapas nei startuolis

Branduolinė sintezė yra turbūt mažiausiai tinkama pramonė sutelktiniam finansavimui. Tačiau būtent su jo pagalba ir NASA finansavimu Lawrenceville Plasma Physics kompanija ketina sukurti savo reaktoriaus prototipą. Iš visų vykdomų projektų šis labiausiai atrodo kaip sukčiai, bet kas žino, gal jie įneš ką nors naudingo į šį grandiozinį darbą.

ITER bus tik prototipas, skirtas statyti visavertį DEMO įrenginį – pirmąjį komercinį branduolių sintezės reaktorių. Dabar jo pristatymas numatytas 2044 m. ir tai vis dar yra optimistinė prognozė.

Tačiau yra planų kitam etapui. Hibridinis termobranduolinis reaktorius gaus energiją ir iš atominio skilimo (kaip ir įprastinė atominė elektrinė), ir iš sintezės. Šioje konfigūracijoje energijos gali būti 10 kartų daugiau, tačiau saugumas mažesnis. Kinija tikisi sukurti prototipą iki 2030 m., tačiau ekspertai teigia, kad tai būtų panašu į bandymą sukurti hibridinius automobilius prieš išradus vidaus degimo variklį.

Apatinė eilutė

Žymos: pridėti žymų

Tarptautinį eksperimentinį termobranduolinį reaktorių ITER neperdedant galima vadinti reikšmingiausiu šių laikų mokslinių tyrimų projektu. Pagal konstrukcijos mastą jis nesunkiai aplenks Didįjį hadronų greitintuvą, o jei pasiseks, visai žmonijai žymės daug didesnį žingsnį nei skrydis į Mėnulį. Iš tiesų, potencialiai valdoma termobranduolinė sintezė yra beveik neišsenkantis precedento neturinčios pigios ir švarios energijos šaltinis.

Šią vasarą buvo keletas svarių priežasčių atnaujinti technines ITER projekto detales. Pirma, mūsų akyse materialiai įsikūnija grandiozinis įsipareigojimas, kurio oficialia pradžia laikomas Michailo Gorbačiovo ir Ronaldo Reigano susitikimas 1985 m. Naujos kartos reaktoriaus projektavimas, kuriame dalyvauja Rusija, JAV, Japonija, Kinija, Indija, Pietų Korėja ir Europos Sąjunga, užtruko daugiau nei 20 metų. Šiandien ITER yra nebe kilogramai techninės dokumentacijos, o 42 hektarai (1 km x 420 m) visiškai lygaus vienos didžiausių pasaulyje dirbtinių platformų paviršiaus, esančios Prancūzijos Kadarašo mieste, 60 km į šiaurę nuo Marselio. . Taip pat būsimo 360 000 tonų reaktoriaus pamatas, kurį sudaro 150 000 kubinių metrų betono, 16 000 tonų armatūros ir 493 kolonos su gumos-metalo antiseismine danga. Ir, žinoma, tūkstančiai sudėtingų mokslinių instrumentų ir mokslinių tyrimų įrenginių, išsibarsčiusių po viso pasaulio universitetus.

2007 m. kovo mėn. Pirmoji būsimos ITER platformos nuotrauka iš oro.

Pagrindinių reaktoriaus komponentų gamyba sėkmingai vyksta. Pavasarį Prancūzija pranešė apie 70 rėmų, skirtų D formos toroidiniams lauko ritiniams, gamybą, o birželį pradėtos vynioti pirmosios superlaidžių kabelių ritės, gautos iš Rusijos iš Kabelių pramonės instituto Podolske.

Antra gera priežastis prisiminti ITER dabar yra politinė. Naujos kartos reaktorius – išbandymas ne tik mokslininkams, bet ir diplomatams. Tai toks brangus ir techniškai sudėtingas projektas, kad jokia pasaulio šalis negali to imtis viena. Valstybių gebėjimas tarpusavyje susitarti tiek mokslo, tiek finansų srityse lemia, ar klausimas bus baigtas.

2009 m. kovo mėn. 42 ha išlygintos aikštelės laukia mokslo komplekso statybos pradžios.

ITER taryba buvo numatyta birželio 18 dieną Sankt Peterburge, tačiau JAV valstybės departamentas, taikydamas sankcijas, uždraudė amerikiečių mokslininkams lankytis Rusijoje. Atsižvelgiant į tai, kad pati tokamako (toroidinės kameros su magnetinėmis ritėmis, kuri yra ITER pagrindas) idėja priklauso sovietų fizikui Olegui Lavrentjevui, projekto dalyviai šį sprendimą traktavo kaip kuriozą ir tiesiog perkėlė tą pačią dieną susitiko Kadaraše. Šie įvykiai visam pasauliui dar kartą priminė, kad Rusija (kartu su Pietų Korėja) yra labiausiai atsakinga už savo įsipareigojimų ITER projektui vykdymą.

2011 m. vasario mėn. Seisminės izoliacijos šachtoje išgręžta daugiau nei 500 skylių, visos požeminės ertmės užpildytos betonu.

Mokslininkai degina

Frazė „sintezės reaktorius“ daugelį žmonių verčia atsargiai. Asociacinė grandinė aiški: termobranduolinė bomba yra baisesnė nei vien branduolinė, vadinasi, termobranduolinis reaktorius pavojingesnis už Černobylį.

Tiesą sakant, branduolių sintezė, kuria grindžiamas tokamako veikimo principas, yra daug saugesnė ir efektyvesnė nei branduolių dalijimasis, naudojamas šiuolaikinėse atominėse elektrinėse. Sinteziją naudoja pati gamta: Saulė yra ne kas kita, kaip natūralus termobranduolinis reaktorius.

ASDEX tokamakas, pastatytas 1991 m. Vokietijos Maxo Plancko institute, naudojamas įvairioms reaktoriaus priekinių sienelių medžiagoms, ypač volframui ir beriliui, išbandyti. ASDEX plazmos tūris yra 13 m 3, beveik 65 kartus mažiau nei ITER.

Reakcijoje dalyvauja deuterio ir tričio branduoliai – vandenilio izotopai. Deuterio branduolys susideda iš protono ir neutrono, o tričio branduolį sudaro protonas ir du neutronai. Normaliomis sąlygomis vienodai įkrauti branduoliai atstumia vienas kitą, tačiau labai aukštoje temperatūroje gali susidurti.

Po susidūrimo atsiranda stipri sąveika, kuri yra atsakinga už protonų ir neutronų sujungimą į branduolius. Atsiranda naujo cheminio elemento – helio – branduolys. Tokiu atveju susidaro vienas laisvas neutronas ir išsiskiria didelis kiekis energijos. Stiprios sąveikos energija helio branduolyje yra mažesnė nei pirminių elementų branduoliuose. Dėl to susidaręs branduolys net praranda masę (pagal reliatyvumo teoriją energija ir masė yra lygiavertės). Prisiminus garsiąją lygtį E = mc 2, kur c yra šviesos greitis, galima įsivaizduoti, koks didžiulis energijos potencialas yra branduolių sintezėje.

2011 m. rugpjūčio mėn. Prasidėjo monolitinės gelžbetonio seisminės izoliacinės plokštės liejimas.

Norint įveikti abipusio atstūmimo jėgą, pradiniai branduoliai turi judėti labai greitai, todėl temperatūra vaidina pagrindinį vaidmenį branduolių sintezėje. Saulės centre procesas vyksta 15 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūroje, tačiau jį palengvina dėl gravitacijos poveikio didžiulis medžiagos tankis. Dėl didžiulės žvaigždės masės ji yra efektyvus termobranduolinis reaktorius.

Žemėje tokio tankio sukurti neįmanoma. Viskas, ką galime padaryti, tai padidinti temperatūrą. Kad vandenilio izotopai išskirtų savo branduolių energiją žemiečiams, reikalinga 150 milijonų laipsnių temperatūra, tai yra dešimt kartų aukštesnė nei Saulėje.

Jokia kieta medžiaga Visatoje negali tiesiogiai liestis su tokia temperatūra. Taigi vien krosnelės kūrimas heliui gaminti neveiks. Ta pati toroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis arba tokamakas padeda išspręsti problemą. Idėja sukurti tokamaką šviesiems mokslininkams iš įvairių šalių kilo šeštojo dešimtmečio pradžioje, o pirmenybė aiškiai priskiriama sovietų fizikui Olegui Lavrentjevui ir jo žymiems kolegoms Andrejui Sacharovui ir Igoriui Tammui.

Toro (tuščiavidurės spurgos) formos vakuuminė kamera yra apsupta superlaidžių elektromagnetų, kurie joje sukuria toroidinį magnetinį lauką. Būtent šis laukas tam tikru atstumu nuo kameros sienų laiko plazmą, įkaitusią iki dešimties kartų virš saulės. Kartu su centriniu elektromagnetu (induktoriumi) tokamakas yra transformatorius. Keisdami srovę induktoriuje, jie sukuria srovės srautą plazmoje – dalelių judėjimą, reikalingą sintezei.

2012 m. vasario mėn. Sumontuotos 493 1,7 metro kolonos su seisminėmis izoliacinėmis trinkelėmis iš gumos-metalo sumuštinio.

Tokamakas pagrįstai gali būti laikomas technologinės elegancijos modeliu. Plazmoje tekanti elektros srovė sukuria poloidinį magnetinį lauką, kuris juosia plazmos laidą ir išlaiko jo formą. Plazma egzistuoja griežtai apibrėžtomis sąlygomis, o esant menkiausiam pokyčiui, reakcija iškart sustoja. Skirtingai nei atominės elektrinės reaktorius, tokamakas negali „išeiti į lauką“ ir nekontroliuojamai padidinti temperatūros.

Mažai tikėtinu tokamako sunaikinimo atveju radioaktyviosios taršos nėra. Skirtingai nei atominėje elektrinėje, termobranduoliniame reaktoriuje radioaktyviosios atliekos nesusidaro, o vienintelis sintezės reakcijos produktas – helis – nėra šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir naudingas buityje. Galiausiai, tokamakas kurą naudoja labai taupiai: sintezės metu vakuuminėje kameroje yra vos keli šimtai gramų medžiagos, o numatomas metinis kuro tiekimas pramoninei jėgainei – tik 250 kg.

2014 m. balandis Baigtas kriostato pastato statybos, išlietos 1,5 metro storio tokamako pamato sienos.

Kodėl mums reikia ITER?

Aukščiau aprašyto klasikinio dizaino tokamakai buvo pastatyti JAV ir Europoje, Rusijoje ir Kazachstane, Japonijoje ir Kinijoje. Jų pagalba buvo galima įrodyti esminę galimybę sukurti aukštos temperatūros plazmą. Tačiau pastatyti pramoninį reaktorių, galintį tiekti daugiau energijos nei suvartoja, yra iš esmės kitokio masto užduotis.

Klasikiniame tokamake srovės srautas plazmoje sukuriamas keičiant srovę induktoriuje, ir šis procesas negali būti begalinis. Taigi plazmos tarnavimo laikas yra ribotas, o reaktorius gali veikti tik impulsiniu režimu. Plazmos uždegimas reikalauja milžiniškos energijos – nejuokinga ką nors pašildyti iki 150 000 000 °C temperatūros. Tai reiškia, kad būtina pasiekti plazmos tarnavimo laiką, kuris gamins energiją, kuri apmoka uždegimą.

Branduolinės sintezės reaktorius yra elegantiška techninė koncepcija, turinti minimalų neigiamą šalutinį poveikį. Srovės srautas plazmoje spontaniškai suformuoja poloidinį magnetinį lauką, kuris išlaiko plazmos gijos formą, o susidarę didelės energijos neutronai susijungia su ličiu ir gamina brangų tritį.

Pavyzdžiui, 2009 m., atliekant eksperimentą su Kinijos tokamaku EAST (ITER projekto dalis), buvo galima palaikyti plazmą 10 7 K temperatūroje 400 sekundžių ir 10 8 K temperatūroje 60 sekundžių.

Norint išlaikyti plazmą ilgiau, reikalingi papildomi kelių tipų šildytuvai. Visi jie bus išbandyti ITER. Pirmasis metodas – neutralių deuterio atomų įpurškimas – daro prielaidą, kad atomai pateks į plazmą iš anksto pagreitinti iki 1 MeV kinetinės energijos naudojant papildomą greitintuvą.

Šis procesas iš pradžių yra prieštaringas: pagreitinti galima tik įkrautas daleles (jas veikia elektromagnetinis laukas), o į plazmą įvesti tik neutralias (kitaip jos turės įtakos srovės tekėjimui plazmos laido viduje). Todėl iš deuterio atomų pirmiausia pašalinamas elektronas, o teigiamai įkrauti jonai patenka į greitintuvą. Tada dalelės patenka į neutralizatorių, kur sąveikaudamos su jonizuotomis dujomis redukuojamos į neutralius atomus ir patenka į plazmą. ITER megatampos purkštukas šiuo metu kuriamas Paduvoje, Italijoje.

Antrasis šildymo būdas turi kažką bendro su maisto šildymu mikrobangų krosnelėje. Tai apima plazmos veikimą elektromagnetine spinduliuote, kurios dažnis atitinka dalelių judėjimo greitį (ciklotrono dažnį). Teigiamiems jonams šis dažnis yra 40–50 MHz, o elektronams – 170 GHz. Norint sukurti galingą tokio aukšto dažnio spinduliuotę, naudojamas prietaisas, vadinamas girotronu. Devyni iš 24 ITER girotronų yra pagaminti Gycom gamykloje Nižnij Novgorodo mieste.

Klasikinėje tokamako koncepcijoje daroma prielaida, kad plazmos gijos formą palaiko poloidinis magnetinis laukas, kuris pats susiformuoja srovei tekant plazmoje. Šis metodas netaikomas ilgalaikiam plazmos uždarymui. ITER tokamakas turi specialias poloidinio lauko ritinius, kurių paskirtis – išlaikyti karštą plazmą toliau nuo reaktoriaus sienelių. Šios ritės yra vieni iš masyviausių ir sudėtingiausių konstrukcinių elementų.

Kad būtų galima aktyviai valdyti plazmos formą, operatyviai pašalinant virpesius laido kraštuose, kūrėjai numatė mažas, mažos galios elektromagnetines grandines, esančias tiesiai vakuuminėje kameroje, po korpusu.

Atskira įdomi tema yra termobranduolinės sintezės kuro infrastruktūra. Deuterio yra beveik bet kuriame vandenyje, o jo atsargos gali būti laikomos neribotomis. Tačiau pasaulio tričio atsargos siekia dešimtis kilogramų. 1 kg tričio kainuoja apie 30 mln. USD Pirmiesiems ITER paleidimams reikės 3 kg tričio. Palyginimui, Jungtinių Valstijų armijos branduoliniams pajėgumams palaikyti per metus reikia apie 2 kg tričio.

Tačiau ateityje reaktorius aprūpins save tričiu. Pagrindinės sintezės reakcijos metu susidaro didelės energijos neutronai, kurie gali paversti ličio branduolius į tritį. Pirmosios reaktoriaus sienelės, kurioje yra ličio, sukūrimas ir išbandymas yra vienas iš svarbiausių ITER tikslų. Pirmiesiems bandymams bus naudojama berilio-vario danga, kurios tikslas – apsaugoti reaktoriaus mechanizmus nuo karščio. Remiantis skaičiavimais, net jei visą planetos energetikos sektorių perkelsime į tokamakus, pasaulio ličio atsargų pakaks tūkstančiui veiklos metų.

104 kilometrų ilgio ITER kelio paruošimas Prancūzijai kainavo 110 milijonų eurų ir ketverius metus. Kelias nuo Fos-sur-Mer uosto iki Kadarašo buvo išplėstas ir sustiprintas, kad į vietą būtų galima nugabenti sunkiausias ir didžiausias tokamako dalis. Nuotraukoje: transporteris su bandomuoju kroviniu, sveriančiu 800 tonų.

Iš pasaulio per tokamaką

Norint tiksliai valdyti sintezės reaktorių, reikalingi tikslūs diagnostikos įrankiai. Viena iš pagrindinių ITER užduočių – iš penkių dešimčių šiuo metu testuojamų instrumentų atrinkti tinkamiausią ir pradėti kurti naujus.

Rusijoje bus sukurti mažiausiai devyni diagnostikos prietaisai. Trys yra Maskvos Kurchatovo institute, įskaitant neutronų pluošto analizatorių. Greitintuvas per plazmą siunčia fokusuotą neutronų srautą, kuris patiria spektrinius pokyčius ir yra užfiksuotas priimančiosios sistemos. Spektrometrija, kurios dažnis yra 250 matavimų per sekundę, rodo plazmos temperatūrą ir tankį, elektrinio lauko stiprumą ir dalelių sukimosi greitį - parametrus, būtinus reaktoriui valdyti ilgalaikiam plazmos izoliavimui.

Ioffe tyrimų institutas ruošia tris instrumentus, įskaitant neutralių dalelių analizatorių, kuris fiksuoja atomus iš tokamako ir padeda stebėti deuterio ir tričio koncentraciją reaktoriuje. Likę įrenginiai bus gaminami „Trinity“, kur šiuo metu gaminami deimantiniai detektoriai ITER vertikaliai neutronų kamerai. Visi aukščiau išvardyti institutai bandymams naudoja savo tokamakus. O Efremovo NIIEFA šiluminėje kameroje bandomi būsimojo ITER reaktoriaus pirmosios sienos fragmentai ir nukreipiamasis taikinys.

Deja, tai, kad daugelis būsimojo megareaktoriaus komponentų jau yra metale, nebūtinai reiškia, kad reaktorius bus pastatytas. Per pastarąjį dešimtmetį numatoma projekto kaina išaugo nuo 5 iki 16 milijardų eurų, o planuotas pirmasis paleidimas buvo atidėtas nuo 2010 iki 2020 metų. ITER likimas visiškai priklauso nuo mūsų dabarties realijų, pirmiausia ekonominės ir politinės. Tuo tarpu kiekvienas projekte dalyvaujantis mokslininkas nuoširdžiai tiki, kad jo sėkmė gali neatpažįstamai pakeisti mūsų ateitį.