iter fuzijski reaktor. Iter: kako je stvoren prvi međunarodni eksperimentalni termonuklearni reaktor Međunarodni termonuklearni reaktor

ITER - Međunarodni termonuklearni reaktor (ITER)

Potrošnja ljudske energije svake godine raste, što energetski sektor gura ka aktivnom razvoju. Dakle, s pojavom nuklearnih elektrana, količina proizvedene energije širom svijeta značajno se povećala, što je omogućilo sigurno korištenje energije za sve potrebe čovječanstva. Na primjer, 72,3% električne energije proizvedene u Francuskoj dolazi iz nuklearnih elektrana, u Ukrajini - 52,3%, u Švedskoj - 40,0%, u Velikoj Britaniji - 20,4%, u Rusiji - 17,1%. Međutim, tehnologija ne miruje, a kako bi se zadovoljile daljnje energetske potrebe budućih zemalja, naučnici rade na nizu inovativnih projekata, od kojih je jedan ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Iako je isplativost ove instalacije još uvijek pod znakom pitanja, prema radu mnogih istraživača, stvaranje i kasniji razvoj tehnologije kontrolirane termonuklearne fuzije može rezultirati moćnim i sigurnim izvorom energije. Pogledajmo neke od pozitivnih aspekata takve instalacije:

• Glavno gorivo termonuklearnog reaktora je vodonik, što znači praktički neiscrpne rezerve nuklearnog goriva.
• Vodik se može proizvesti preradom morske vode, koja je dostupna većini zemalja. Iz ovoga proizilazi da monopol nad izvorima goriva ne može nastati.
• Vjerojatnost eksplozije u nuždi tijekom rada termonuklearnog reaktora je mnogo manja nego tijekom rada nuklearnog reaktora. Prema istraživačima, čak ni u slučaju nesreće, emisije radijacije neće predstavljati opasnost za stanovništvo, što znači da nema potrebe za evakuacijom.
• Za razliku od nuklearnih reaktora, fuzijski reaktori proizvode radioaktivni otpad koji ima kratko vrijeme poluraspada, što znači da se brže raspada. Takođe, u termonuklearnim reaktorima nema produkata sagorevanja.
• Fuzijski reaktor ne zahtijeva materijale koji se također koriste za nuklearno oružje. Time se eliminiše mogućnost prikrivanja proizvodnje nuklearnog oružja preradom materijala za potrebe nuklearnog reaktora.

Termonuklearni reaktor - pogled iznutra

Međutim, postoji i niz tehničkih nedostataka s kojima se istraživači stalno susreću.

Na primjer, trenutna verzija goriva, predstavljena u obliku mješavine deuterija i tritijuma, zahtijeva razvoj novih tehnologija. Na primjer, na kraju prve serije testova na termonuklearnom reaktoru JET, najvećem do sada, reaktor je postao toliko radioaktivan da je za završetak eksperimenta bio potreban razvoj posebnog robotskog sistema za održavanje. Još jedan razočaravajući faktor u radu termonuklearnog reaktora je njegova efikasnost - 20%, dok je efikasnost nuklearne elektrane 33-34%, a termoelektrane 40%.

Izrada projekta ITER i pokretanje reaktora

Projekt ITER datira iz 1985. godine, kada je Sovjetski Savez predložio zajedničko stvaranje tokamaka - toroidne komore s magnetskim zavojnicama koje mogu držati plazmu pomoću magneta, stvarajući tako uvjete potrebne za reakciju termonuklearne fuzije. Godine 1992. potpisan je četverostrani sporazum o razvoju ITER-a, u kojem su strane bile EU, SAD, Rusija i Japan. 1994. godine projektu se pridružila Republika Kazahstan, 2001. Kanada, 2003. Južna Koreja i Kina, 2005. Indija. Godine 2005. određena je lokacija za izgradnju reaktora - Centar za istraživanje nuklearne energije Cadarache, Francuska.

Izgradnja reaktora počela je pripremom jame za temelj. Dakle, parametri jame su bili 130 x 90 x 17 metara. Cijeli tokamak kompleks će biti težak 360.000 tona, od čega je 23.000 tona sam tokamak.

Različiti elementi kompleksa ITER će biti razvijeni i isporučeni na gradilište iz cijelog svijeta. Tako je 2016. godine u Rusiji razvijen dio provodnika za poloidne zavojnice, koji su potom poslani u Kinu, koja će sama proizvoditi zavojnice.

Očigledno, ovako obimni posao nije nimalo lako organizirati, brojne zemlje u više navrata nisu ispoštovale plan projekta, zbog čega je puštanje reaktora u pogon stalno odlagano. Dakle, prema prošlogodišnjoj (2016.) poruci iz juna: „primanje prve plazme planirano je za decembar 2025. godine“.

Radni mehanizam ITER tokamaka

Termin "tokamak" dolazi od ruskog akronima koji znači "toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama".

Srce tokamaka je njegova vakuumska komora u obliku torusa. Unutra, pod ekstremnom temperaturom i pritiskom, gas vodonik postaje plazma - vrući, električno nabijeni plin. Kao što je poznato, zvezdana materija je predstavljena plazmom, a termonuklearne reakcije u Sunčevom jezgru odvijaju se upravo u uslovima povišene temperature i pritiska. Slični uslovi za formiranje, zadržavanje, kompresiju i zagrijavanje plazme stvaraju se pomoću masivnih magnetnih zavojnica koje se nalaze oko vakuumske posude. Utjecaj magneta će ograničiti vruću plazmu sa zidova posude.

Prije početka procesa, zrak i nečistoće se uklanjaju iz vakuum komore. Magnetski sistemi koji će pomoći u kontroli plazme se tada pune i uvodi gasovito gorivo. Kada se snažna električna struja prođe kroz posudu, plin se električni cijepa i ionizira (to jest, elektroni napuštaju atome) i formira plazmu.

Kako se čestice plazme aktiviraju i sudaraju, one također počinju da se zagrijavaju. Tehnike potpomognutog grijanja pomažu da se plazma dovede na temperature između 150 i 300 miliona ° C. Čestice "pobuđene" do tog stepena mogu savladati svoje prirodno elektromagnetno odbijanje nakon sudara, pri čemu se pri sudarima oslobađaju ogromne količine energije.

Dizajn tokamaka sastoji se od sljedećih elemenata:

Vakuumska posuda

(“krofna”) je toroidna komora od nerđajućeg čelika. Njegov veliki prečnik je 19 m, mali 6 m, a visina 11 m. Zapremina komore je 1.400 m 3, a težina više od 5.000 tona. Zidovi vakuumske posude su dvostruki; a između zidova će cirkulisati rashladna tečnost koja će biti destilovana voda. Kako bi se izbjegla kontaminacija vode, unutrašnji zid komore je zaštićen od radioaktivnog zračenja pomoću ćebe.

Ćebe

(“pokrivač”) – sastoji se od 440 fragmenata koji pokrivaju unutrašnju površinu komore. Ukupna površina banketa je 700m2. Svaki fragment je svojevrsna kaseta, čije je tijelo izrađeno od bakra, a prednji zid je odvojiv i napravljen od berilija. Parametri kaseta su 1x1,5 m, a masa nije veća od 4,6 tona Takve berilijumske kasete će usporiti neutrone visoke energije koji nastaju tokom reakcije. Tokom neutronske moderacije, toplota će se osloboditi i ukloniti sistemom za hlađenje. Treba napomenuti da prašina berilijuma nastala kao rezultat rada reaktora može izazvati ozbiljnu bolest zvanu berilijum, a takođe ima i kancerogeno dejstvo. Zbog toga se u kompleksu razvijaju stroge mjere sigurnosti.

Tokamak u sekciji. Žuti - solenoidni, narandžasti - magneti toroidnog polja (TF) i poloidnog polja (PF), plavi - pokrivač, svijetloplavi - VV - vakuum posuda, ljubičasti - divertor

(“pepeljara”) poloidnog tipa je uređaj čiji je glavni zadatak da “očisti” plazmu od prljavštine koja nastaje zagrijavanjem i interakcijom zidova komore prekrivenih dekom sa njom. Kada takvi zagađivači uđu u plazmu, počinju intenzivno zračiti, što rezultira dodatnim gubicima zračenja. Nalazi se na dnu tokomaka i pomoću magneta usmjerava gornje slojeve plazme (koji su najkontaminiraniji) u rashladnu komoru. Ovdje se plazma hladi i pretvara u plin, nakon čega se ispumpava nazad iz komore. Berilijumska prašina, nakon što uđe u komoru, praktično nije u stanju da se vrati nazad u plazmu. Dakle, kontaminacija plazmom ostaje samo na površini i ne prodire dublje.

Kriostat

- najveća komponenta tokomaka, a to je školjka od nerđajućeg čelika zapremine 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) i mase 3.850 tona.Ostali elementi sistema biće smešteni unutar kriostata, a on sam služi kao barijera između tokamaka i spoljašnje sredine. Na njegovim unutrašnjim zidovima će se nalaziti termalni ekrani koji se hlade cirkulišućim azotom na temperaturi od 80 K (-193,15 °C).

Magnetski sistem

– skup elemenata koji služe za zadržavanje i kontrolu plazme unutar vakuumske posude. To je skup od 48 elemenata:

• Toroidalni namotaji polja nalaze se izvan vakuumske komore i unutar kriostata. Predstavljeni su u 18 komada, svaki dimenzija 15 x 9 m i težine oko 300 tona, zajedno stvaraju magnetno polje od 11,8 Tesla oko torusa plazme i skladište energiju od 41 GJ.
• Poloidni zavojnici polja – nalaze se na vrhu toroidnih zavojnica polja i unutar kriostata. Ovi kalemovi su odgovorni za stvaranje magnetnog polja koje odvaja masu plazme od zidova komore i komprimira plazmu za adijabatsko zagrijavanje. Broj takvih kotura je 6. Dva kotura imaju prečnik 24 m i masu 400 tona, a preostala četiri su nešto manja.
• Centralni solenoid nalazi se u unutrašnjem dijelu toroidne komore, odnosno u „rupi za krofne“. Princip njegovog rada sličan je transformatoru, a glavni zadatak je pobuditi induktivnu struju u plazmi.
• Korekcioni zavojnici se nalaze unutar vakuumske posude, između pokrivača i zida komore. Njihov zadatak je održavati oblik plazme, sposoban da se lokalno "izboči", pa čak i dodiruje zidove posude. Omogućava vam da smanjite nivo interakcije zidova komore sa plazmom, a time i nivo njene kontaminacije, a takođe smanjuje habanje same komore.

Struktura kompleksa ITER

Gore opisani dizajn tokamaka "ukratko" je vrlo složen inovativni mehanizam koji je sastavljen naporima nekoliko zemalja. Međutim, za njegov potpuni rad potreban je cijeli kompleks zgrada smještenih u blizini tokamaka. Među njima:

• Sistem upravljanja, pristupa podacima i komunikacije – CODAC. Smješten u nizu zgrada kompleksa ITER.
• Skladište goriva i sistem za gorivo - služi za isporuku goriva u tokamak.
• Vakum sistem - sastoji se od više od četiri stotine vakuum pumpi, čiji je zadatak da ispumpaju produkte termonuklearne reakcije, kao i razne zagađivače iz vakuum komore.
• Kriogeni sistem – predstavljen krugom azota i helijuma. Helijev krug će normalizirati temperaturu u tokamaku, čiji se rad (a samim tim i temperatura) ne odvija kontinuirano, već u impulsima. Krug azota će hladiti toplotne štitove kriostata i sam krug helija. Postojaće i sistem vodenog hlađenja, koji ima za cilj snižavanje temperature zidova pokrivača.
• Napajanje. Tokamak će zahtijevati oko 110 MW energije za kontinuirani rad. Da bi se to postiglo, biće postavljeni kilometarski dalekovodi i povezani na francusku industrijsku mrežu. Vrijedi podsjetiti da eksperimentalno postrojenje ITER ne omogućava proizvodnju energije, već radi samo u naučnim interesima.

finansiranje ITER-a

Međunarodni termonuklearni reaktor ITER je prilično skup poduhvat, koji je u početku procijenjen na 12 milijardi dolara, pri čemu Rusija, SAD, Koreja, Kina i Indija čine 1/11 iznosa, Japan 2/11, a EU 4 /11 . Ovaj iznos je kasnije porastao na 15 milijardi dolara. Važno je napomenuti da se finansiranje odvija kroz nabavku opreme potrebne za kompleks, koji se razvija u svakoj zemlji. Tako Rusija isporučuje ćebad, uređaje za grijanje plazmom i supravodljive magnete.

Projektna perspektiva

Trenutno je u toku izgradnja kompleksa ITER i proizvodnja svih potrebnih komponenti za tokamak. Nakon planiranog puštanja tokamaka u promet 2025. godine, počet će niz eksperimenata na osnovu čijih rezultata će se uočiti aspekti koji zahtijevaju poboljšanje. Nakon uspješnog puštanja u rad ITER-a, planirana je izgradnja elektrane na bazi termonuklearne fuzije pod nazivom DEMO (DEMOnstration Power Plant). DEMo-ov cilj je demonstrirati takozvanu "komercijalnu privlačnost" snage fuzije. Ako je ITER sposoban proizvesti samo 500 MW energije, onda će DEMO moći kontinuirano proizvoditi energiju od 2 GW.

Međutim, treba imati na umu da eksperimentalno postrojenje ITER neće proizvoditi energiju, a njegova je svrha da dobije čisto naučne koristi. I kao što znate, ovaj ili onaj fizički eksperiment ne samo da može ispuniti očekivanja, već i donijeti novo znanje i iskustvo čovječanstvu.

Kako je sve počelo? “Energetski izazov” je nastao kao rezultat kombinacije sljedeća tri faktora:

1. Čovječanstvo sada troši ogromnu količinu energije.

Trenutno, svjetska potrošnja energije iznosi oko 15,7 teravata (TW). Podijeleći ovu vrijednost sa svjetskom populacijom, dobijamo otprilike 2400 vati po osobi, što se lako može procijeniti i vizualizirati. Energija koju potroši svaki stanovnik Zemlje (uključujući djecu) odgovara danonoćnom radu 24 električne lampe od sto vati. Međutim, potrošnja ove energije širom planete je veoma neujednačena, jer je u nekoliko zemalja veoma velika, a u drugim zanemarljiva. Potrošnja (po jednoj osobi) je jednaka 10,3 kW u SAD (jedna od rekordnih vrijednosti), 6,3 kW u Ruskoj Federaciji, 5,1 kW u UK, itd., ali je, s druge strane, jednaka samo 0,21 kW u Bangladešu (samo 2% potrošnje energije u SAD!).

2. Svjetska potrošnja energije dramatično raste.

Prema prognozi Međunarodne agencije za energiju (2006.), globalna potrošnja energije trebala bi porasti za 50% do 2030. godine. Razvijene zemlje bi se, naravno, mogle dobro snaći i bez dodatne energije, ali ovaj rast je neophodan da bi se ljudi izvukli iz siromaštva u zemljama u razvoju, gdje 1,5 milijardi ljudi pati od ozbiljnih nestašica struje.

3. Trenutno, 80% svjetske energije dolazi od sagorijevanja fosilnih goriva(nafta, ugalj i plin), čija upotreba:

a) potencijalno predstavlja rizik od katastrofalnih promjena životne sredine;

b) neizbježno mora završiti jednog dana.

Iz rečenog je jasno da se sada moramo pripremiti za kraj ere korišćenja fosilnih goriva

Trenutno nuklearne elektrane proizvode energiju koja se oslobađa tokom reakcija fisije atomskih jezgri u velikim razmjerima. Stvaranje i razvoj ovakvih stanica treba poticati na svaki mogući način, ali se mora voditi računa da se i rezerve jednog od najvažnijih materijala za njihov rad (jeftinog uranijuma) mogu u potpunosti istrošiti u narednih 50 godina. . Mogućnosti energije zasnovane na nuklearnoj fisiji mogu (i treba) biti značajno proširene upotrebom efikasnijih energetskih ciklusa, omogućavajući da se količina proizvedene energije gotovo udvostruči. Za razvoj energije u ovom smjeru potrebno je stvoriti torijske reaktore (tzv. torium breeder reaktori ili breeder reaktori), u kojima se reakcijom proizvodi više torija od originalnog uranijuma, uslijed čega se ukupna količina proizvedene energije za datu količinu supstance se povećava za 40 puta. Također se čini obećavajućim stvaranje uzgajivača plutonijuma koristeći brze neutrone, koji su mnogo efikasniji od uranijumskih reaktora i mogu proizvesti 60 puta više energije. Može biti da će za razvoj ovih područja biti potrebno razviti nove, nestandardne metode za dobijanje uranijuma (na primjer, iz morske vode, koja se čini najpristupačnijim).

Fuzijske elektrane

Na slici je prikazan šematski dijagram (ne u mjerilu) uređaja i princip rada termonuklearne elektrane. U središnjem dijelu nalazi se toroidna (krafnasta) komora zapremine ~2000 m3, ispunjena tricij-deuterijumom (T–D) plazmom zagrijanom na temperaturu iznad 100 M°C. Neutroni nastali tokom reakcije fuzije (1) napuštaju „magnetnu bocu“ i ulaze u školjku prikazanu na slici debljine oko 1 m.

Unutar ljuske, neutroni se sudaraju s atomima litija, što rezultira reakcijom koja proizvodi tricij:

neutron + litijum → helijum + tricijum

Osim toga, u sistemu se javljaju kompetitivne reakcije (bez stvaranja tricijuma), kao i mnoge reakcije sa oslobađanjem dodatnih neutrona, koji potom također dovode do stvaranja tricijuma (u ovom slučaju može doći do oslobađanja dodatnih neutrona). značajno poboljšana, na primjer, uvođenjem atoma berilija u ljusku i olovo). Opći zaključak je da bi ovo postrojenje moglo (barem teoretski) proći reakciju nuklearne fuzije koja bi proizvela tricij. U tom slučaju količina proizvedenog tritijuma ne samo da treba zadovoljiti potrebe same instalacije, već i biti nešto veća, što će omogućiti opskrbu novih instalacija tritijem. Upravo ovaj koncept rada mora biti testiran i implementiran u reaktoru ITER opisanom u nastavku.

Osim toga, neutroni moraju zagrijati ljusku u takozvanim pilot postrojenjima (u kojima će se koristiti relativno “obični” građevinski materijali) na približno 400°C. U budućnosti se planira izrada poboljšanih instalacija sa temperaturom zagrijavanja ljuske iznad 1000°C, što se može postići upotrebom najnovijih materijala visoke čvrstoće (kao što su kompoziti silicijum karbida). Toplinu koja se stvara u omotaču, kao u konvencionalnim stanicama, prima primarni rashladni krug s rashladnim sredstvom (koji sadrži, na primjer, vodu ili helijum) i prenosi u sekundarni krug, gdje se proizvodi vodena para i dovodi do turbina.

1985 - Sovjetski Savez je predložio novu generaciju elektrane Tokamak, koristeći iskustvo četiri vodeće zemlje u stvaranju fuzijskih reaktora. Sjedinjene Američke Države, zajedno sa Japanom i Evropskom zajednicom, iznijele su prijedlog za implementaciju projekta.

Trenutno je u Francuskoj u toku izgradnja međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER (International Tokamak Experimental Reactor), opisanog u nastavku, koji će biti prvi tokamak sposoban da "zapali" plazmu.

Najnaprednije postojeće instalacije tokamaka odavno su dostigle temperature od oko 150 M°C, blizu vrijednosti koje su potrebne za rad fuzijske stanice, ali reaktor ITER trebao bi biti prva elektrana velikih razmjera dizajnirana za dugo vremena. -termin operacija. U budućnosti će biti potrebno značajno poboljšati njegove radne parametre, što će zahtijevati, prije svega, povećanje tlaka u plazmi, jer je brzina nuklearne fuzije na datoj temperaturi proporcionalna kvadratu tlaka. Glavni naučni problem u ovom slučaju je vezan za činjenicu da kada se pritisak u plazmi poveća, nastaju veoma složene i opasne nestabilnosti, odnosno nestabilni režimi rada.

Zašto nam ovo treba?

Glavna prednost nuklearne fuzije je da zahtijeva samo vrlo male količine tvari koje su u prirodi vrlo česte kao gorivo. Reakcija nuklearne fuzije u opisanim instalacijama može dovesti do oslobađanja enormnih količina energije, deset miliona puta veće od standardne toplote koja se oslobađa tokom konvencionalnih hemijskih reakcija (kao što je sagorevanje fosilnih goriva). Poređenja radi, ističemo da je količina uglja potrebna za napajanje termoelektrane snage 1 gigavat (GW) 10.000 tona dnevno (deset željezničkih vagona), a fuzijsko postrojenje iste snage će potrošiti samo oko 1 kilogram D+T mješavine dnevno.

Deuterijum je stabilan izotop vodonika; U otprilike jednom od svakih 3.350 molekula obične vode, jedan od atoma vodika je zamijenjen deuterijumom (naslijeđe iz Velikog praska). Ova činjenica olakšava organiziranje prilično jeftine proizvodnje potrebne količine deuterija iz vode. Teže je dobiti tricijum, koji je nestabilan (poluživot je oko 12 godina, zbog čega je njegov sadržaj u prirodi zanemarljiv), međutim, kao što je gore prikazano, tricij će se tokom rada pojaviti direktno unutar termonuklearne instalacije, zbog reakcije neutrona sa litijumom.

Dakle, početno gorivo za fuzijski reaktor su litijum i voda. Litijum je uobičajen metal koji se široko koristi u kućanskim aparatima (baterije za mobilne telefone, itd.). Gore opisana instalacija, čak i ako se uzme u obzir neidealna efikasnost, moći će proizvesti 200.000 kWh električne energije, što je ekvivalentno energiji sadržanoj u 70 tona uglja. Količina litijuma potrebna za to nalazi se u jednoj bateriji računara, a količina deuterijuma je u 45 litara vode. Navedena vrijednost odgovara trenutnoj potrošnji električne energije (obračunato po osobi) u zemljama EU preko 30 godina. Sama činjenica da tako beznačajna količina litijuma može osigurati proizvodnju tolike količine električne energije (bez emisije CO2 i bez najmanjeg zagađenja zraka) prilično je ozbiljan argument za najbrži i najsnažniji razvoj termonuklearne energije (unatoč svim teškoće i problemi) pa čak i bez stopostotnog uverenja u uspeh takvog istraživanja.

Deuterijum bi trebalo da traje milionima godina, a rezerve litijuma koje se lako kopaju dovoljne su za snabdevanje potreba stotinama godina. Čak i ako ponestane litija u stijenama, možemo ga izvući iz vode, gdje se nalazi u dovoljno visokim koncentracijama (100 puta veća od koncentracije uranijuma) da bi njegovo vađenje bilo ekonomski izvodljivo.

Eksperimentalni termonuklearni reaktor (International thermonuclear experimental reactor) gradi se u blizini grada Cadarache u Francuskoj. Glavni cilj projekta ITER je implementacija kontrolirane reakcije termonuklearne fuzije u industrijskim razmjerima.

Po jedinici težine termonuklearnog goriva dobija se oko 10 miliona puta više energije nego pri sagorevanju iste količine organskog goriva i oko stotinu puta više nego pri cijepanju jezgri uranijuma u reaktorima trenutno aktivnih nuklearnih elektrana. Ako se proračuni naučnika i dizajnera ostvare, to će čovječanstvu dati neiscrpni izvor energije.

Stoga su se brojne zemlje (Rusija, Indija, Kina, Koreja, Kazahstan, SAD, Kanada, Japan, zemlje Evropske unije) udružile u stvaranju Međunarodnog termonuklearnog istraživačkog reaktora - prototipa novih elektrana.

ITER je postrojenje koje stvara uslove za sintezu atoma vodika i tricijuma (izotop vodonika), što rezultira formiranjem novog atoma - atoma helija. Ovaj proces je praćen ogromnim naletom energije: temperatura plazme u kojoj se odvija termonuklearna reakcija je oko 150 miliona stepeni Celzijusa (za poređenje, temperatura jezgra Sunca je 40 miliona stepeni). U ovom slučaju izotopi izgaraju, ne ostavljajući gotovo nikakav radioaktivni otpad.

Šema učešća u međunarodnom projektu predviđa nabavku komponenti reaktora i finansiranje njegove izgradnje. U zamjenu za to, svaka od zemalja učesnica dobija potpun pristup svim tehnologijama za stvaranje termonuklearnog reaktora i rezultatima svih eksperimentalnih radova na ovom reaktoru, koji će poslužiti kao osnova za projektovanje serijskih energetskih termonuklearnih reaktora.

Reaktor, zasnovan na principu termonuklearne fuzije, nema radioaktivno zračenje i potpuno je bezbedan za okolinu. Može se nalaziti gotovo bilo gdje u svijetu, a gorivo za njega je obična voda. Očekuje se da će izgradnja ITER-a trajati oko deset godina, nakon čega se očekuje da će reaktor biti u upotrebi 20 godina.

Interese Rusije u Vijeću Međunarodne organizacije za izgradnju termonuklearnog reaktora ITER u narednim godinama zastupat će dopisni član Ruske akademije nauka Mihail Kovalčuk - direktor Kurčatovskog instituta, Instituta za kristalografiju Ruske akademije nauka i naučni sekretar Predsedničkog saveta za nauku, tehnologiju i obrazovanje. Kovalčuk će na ovoj funkciji privremeno zamijeniti akademika Evgenija Velikhova, koji je izabran za predsjedavajućeg Međunarodnog vijeća ITER-a u naredne dvije godine i nema pravo kombinirati ovu funkciju sa dužnostima službenog predstavnika zemlje učesnice.

Ukupni troškovi izgradnje procijenjeni su na 5 milijardi eura, a isto toliko će biti potrebno i za probni rad reaktora. Udjeli Indije, Kine, Koreje, Rusije, SAD-a i Japana čine po oko 10 posto ukupne vrijednosti, 45 posto dolazi iz zemalja Evropske unije. Međutim, evropske države se još nisu dogovorile o tome kako će tačno troškovi biti raspoređeni između njih. Zbog toga je početak izgradnje odgođen za april 2010. godine. Uprkos posljednjem kašnjenju, naučnici i zvaničnici uključeni u ITER kažu da će moći završiti projekat do 2018.

Procijenjena termonuklearna snaga ITER-a je 500 megavata. Pojedinačni magnetni dijelovi dostižu težinu od 200 do 450 tona. Za hlađenje ITER-a biće potrebno 33 hiljade kubnih metara vode dnevno.

Godine 1998. Sjedinjene Države su prestale finansirati svoje učešće u projektu. Nakon što su republikanci došli na vlast i počeli nestanci struje u Kaliforniji, Bushova administracija najavila je povećanje ulaganja u energiju. Sjedinjene Američke Države nisu imale namjeru da učestvuju u međunarodnom projektu i bile su angažovane na sopstvenom termonuklearnom projektu. Početkom 2002. savjetnik predsjednika Busha za tehnologiju John Marburger III rekao je da su Sjedinjene Države promijenile mišljenje i namjeravaju se vratiti projektu.

Po broju učesnika projekat je uporediv sa drugim velikim međunarodnim naučnim projektom - Međunarodnom svemirskom stanicom. Trošak ITER-a, koji je ranije dostigao 8 milijardi dolara, tada je iznosio manje od 4 milijarde. Kao rezultat povlačenja Sjedinjenih Država iz učešća, odlučeno je da se snaga reaktora smanji sa 1,5 GW na 500 MW. Shodno tome, cijena projekta je također smanjena.

U junu 2002. godine u ruskoj prijestolnici održan je simpozijum „Dani ITER-a u Moskvi“. Razgovaralo se o teorijskim, praktičnim i organizacionim problemima oživljavanja projekta, čiji uspjeh može promijeniti sudbinu čovječanstva i dati mu novu vrstu energije, uporedivu po efikasnosti i ekonomičnosti samo sa energijom Sunca.

U julu 2010. godine, predstavnici zemalja koje učestvuju u projektu međunarodnog termonuklearnog reaktora ITER odobrili su njegov budžet i raspored izgradnje na vanrednom sastanku održanom u Cadaracheu u Francuskoj. Izvještaj sa sastanka dostupan je ovdje.

Na posljednjem vanrednom sastanku učesnici projekta odobrili su datum početka prvih eksperimenata sa plazmom - 2019. Puni eksperimenti planirani su za mart 2027. godine, iako je menadžment projekta zatražio od tehničkih stručnjaka da pokušaju optimizirati proces i započeti eksperimente 2026. godine. Učesnici sastanka odlučivali su i o troškovima izgradnje reaktora, ali nisu objavljeni iznosi planirani za izgradnju postrojenja. Prema informacijama koje je urednik portala ScienceNOW dobio od neimenovanog izvora, do početka eksperimenata cijena projekta ITER mogla bi dostići 16 milijardi eura.

Sastanak u Cadaracheu ujedno je označio i prvi službeni radni dan za novog direktora projekta, japanskog fizičara Osamua Motojima. Prije njega, projekat je od 2005. godine vodio Japanac Kaname Ikeda, koji je želio da napusti svoju funkciju odmah nakon odobrenja budžeta i rokova izgradnje.

ITER fuzijski reaktor je zajednički projekat Evropske unije, Švicarske, Japana, SAD-a, Rusije, Južne Koreje, Kine i Indije. Ideja o stvaranju ITER-a razmatra se od 80-ih godina prošlog stoljeća, međutim, zbog finansijskih i tehničkih poteškoća, cijena projekta stalno raste, a datum početka izgradnje se stalno odgađa. Stručnjaci su 2009. očekivali da će radovi na stvaranju reaktora početi 2010. godine. Kasnije je ovaj datum pomjeren, pa su prvo 2018., a potom 2019. imenovane kao vrijeme lansiranja reaktora.

Reakcije termonuklearne fuzije su reakcije fuzije jezgara lakih izotopa da se formira teže jezgro, koje su praćene ogromnim oslobađanjem energije. U teoriji, fuzijski reaktori mogu proizvesti mnogo energije po niskoj cijeni, ali u ovom trenutku naučnici troše mnogo više energije i novca za pokretanje i održavanje reakcije fuzije.

Termonuklearna fuzija je jeftin i ekološki prihvatljiv način proizvodnje energije. Nekontrolisana termonuklearna fuzija se dešava na Suncu milijardama godina – helijum nastaje iz teškog izotopa vodika deuterijuma. Ovo oslobađa kolosalnu količinu energije. Međutim, ljudi na Zemlji još nisu naučili da kontrolišu takve reakcije.

ITER reaktor će koristiti izotope vodika kao gorivo. Tokom termonuklearne reakcije, energija se oslobađa kada se laki atomi spoje u teže. Da bi se to postiglo, gas se mora zagrejati na temperaturu od preko 100 miliona stepeni – mnogo više od temperature u centru Sunca. Gas se na ovoj temperaturi pretvara u plazmu. Istovremeno se atomi izotopa vodika spajaju, pretvarajući se u atome helija uz oslobađanje velikog broja neutrona. Elektrana koja radi na ovom principu koristit će energiju neutrona koju usporava sloj gustog materijala (litij).

Zašto je stvaranje termonuklearnih instalacija trajalo toliko dugo?

Zašto još nisu stvorene tako važne i vrijedne instalacije o čijim se dobrobitima govori skoro pola stoljeća? Postoje tri glavna razloga (o kojima se govori u nastavku), od kojih se prvi može nazvati vanjskim ili društvenim, a druga dva - unutrašnjim, odnosno određenim zakonima i uvjetima razvoja same termonuklearne energije.

1. Dugo se vjerovalo da problem praktične upotrebe energije termonuklearne fuzije ne zahtijeva hitne odluke i radnje, jer su se još 80-ih godina prošlog stoljeća izvori fosilnih goriva činili neiscrpnima, a ekološki problemi i klimatske promjene. ne tiče se javnosti. Godine 1976. Savjetodavni odbor za fuzijsku energiju američkog Ministarstva energetike pokušao je procijeniti vremenski okvir za istraživanje i razvoj i demonstracijsku fuzijsku elektranu u okviru različitih opcija finansiranja istraživanja. Istovremeno, otkriveno je da je obim godišnjeg finansiranja istraživanja u ovom pravcu potpuno nedovoljan, a ako se zadrži postojeći nivo izdvajanja, stvaranje termonuklearnih instalacija nikada neće biti uspješno, jer dodijeljena sredstva ne odgovaraju čak do minimalnog, kritičnog nivoa.

2. Ozbiljnija prepreka razvoju istraživanja u ovoj oblasti je to što se termonuklearna instalacija onog tipa ne može stvoriti i demonstrirati u malom obimu. Iz objašnjenja predstavljenih u nastavku, postat će jasno da termonuklearna fuzija zahtijeva ne samo magnetsko ograničenje plazme, već i njeno dovoljno zagrijavanje. Odnos potrošene i primljene energije raste barem proporcionalno kvadratu linearnih dimenzija instalacije, zbog čega se naučne i tehničke mogućnosti i prednosti termonuklearnih instalacija mogu testirati i demonstrirati samo na prilično velikim stanicama, kao što je npr. kao pomenuti reaktor ITER. Društvo jednostavno nije bilo spremno da finansira tako velike projekte sve dok nije bilo dovoljno poverenja u uspeh.

3. Razvoj termonuklearne energije bio je vrlo složen, međutim (uprkos nedovoljnom financiranju i poteškoćama u odabiru centara za stvaranje JET i ITER instalacija), posljednjih godina uočen je jasan napredak, iako operativna stanica još nije stvorena.

Savremeni svijet se suočava sa vrlo ozbiljnim energetskim izazovom, koji se preciznije može nazvati “neizvjesnom energetskom krizom”. Problem je vezan za činjenicu da bi rezerve fosilnih goriva mogle da nestanu u drugoj polovini ovog veka. Štoviše, sagorijevanje fosilnih goriva može rezultirati potrebom da se na neki način sekvestrira i „skladišti“ ugljični dioksid koji se oslobađa u atmosferu (gore spomenuti CCS program) kako bi se spriječile velike promjene u klimi planete.

Trenutno, gotovo sva energija koju čovječanstvo troši nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva, a rješenje problema može biti povezano s korištenjem sunčeve energije ili nuklearne energije (stvaranje reaktora za razmnožavanje brzih neutrona, itd.). Globalni problem uzrokovan rastućom populacijom zemalja u razvoju i njihovom potrebom da poboljšaju životni standard i povećaju količinu proizvedene energije ne može se riješiti samo na osnovu ovih pristupa, iako, naravno, bilo kakvi pokušaji razvoja alternativnih metoda proizvodnje energije treba podsticati.

Strogo govoreći, imamo mali izbor strategija ponašanja i razvoj termonuklearne energije je izuzetno važan, čak i bez garancije uspjeha. List Financial Times (od 25. januara 2004.) pisao je o tome:

“Čak i ako troškovi projekta ITER znatno premaše prvobitnu procjenu, malo je vjerovatno da će dostići nivo od milijardu dolara godišnje. Ovakav nivo izdataka treba smatrati vrlo skromnom cijenom za vrlo razumnu priliku za stvaranje novog izvora energije za cijelo čovječanstvo, posebno imajući u vidu činjenicu da ćemo već u ovom stoljeću neminovno morati odustati od navike rasipništva. i bezobzirno spaljivanje fosilnih goriva.”

Nadajmo se da neće biti većih i neočekivanih iznenađenja na putu razvoja termonuklearne energije. U tom slučaju, za 30-ak godina moći ćemo prvi put iz njega isporučiti električnu struju u energetske mreže, a za nešto više od 10 godina počet će s radom prva komercijalna termonuklearna elektrana. Moguće je da će u drugoj polovini ovog stoljeća energija nuklearne fuzije početi zamjenjivati ​​fosilna goriva i postepeno početi igrati sve važniju ulogu u opskrbljivanju energijom čovječanstva na globalnoj razini.

Ne postoji apsolutna garancija da će zadatak stvaranja termonuklearne energije (kao efikasnog i velikog izvora energije za cijelo čovječanstvo) biti uspješno završen, ali vjerovatnoća uspjeha u ovom pravcu je prilično velika. S obzirom na ogroman potencijal termonuklearnih stanica, svi troškovi za projekte njihovog brzog (pa čak i ubrzanog) razvoja mogu se smatrati opravdanim, pogotovo što ove investicije izgledaju vrlo skromno na pozadini monstruoznog globalnog energetskog tržišta (4 triliona dolara godišnje8). Zadovoljavanje energetskih potreba čovečanstva je veoma ozbiljan problem. Kako fosilna goriva postaju sve manje dostupna (a njihova upotreba postaje nepoželjna), situacija se mijenja i jednostavno ne možemo priuštiti da ne razvijamo fuzijsku energiju.

Na pitanje "Kada će se pojaviti termonuklearna energija?" Lev Artsimovich (priznati pionir i vođa istraživanja u ovoj oblasti) jednom je odgovorio da će „nastati kada bude zaista neophodno čovečanstvu“

ITER će biti prvi fuzijski reaktor koji proizvodi više energije nego što troši. Naučnici mjere ovu karakteristiku koristeći jednostavan koeficijent koji nazivaju "Q". Ako ITER ostvari sve svoje naučne ciljeve, proizvešće 10 puta više energije nego što troši. Posljednji napravljeni uređaj, Joint European Torus u Engleskoj, manji je prototip fuzijskog reaktora koji je, u završnoj fazi naučnog istraživanja, postigao Q vrijednost od skoro 1. To znači da je proizvodio potpuno istu količinu energije koju je potrošio . ITER će ići dalje od ovoga tako što će demonstrirati stvaranje energije iz fuzije i postići Q vrijednost od 10. Ideja je da se proizvede 500 MW iz potrošnje energije od približno 50 MW. Dakle, jedan od naučnih ciljeva ITER-a je da dokaže da se Q vrijednost od 10 može postići.

Još jedan naučni cilj je da ITER ima veoma dugo vreme "sagorevanja" - puls produženog trajanja do jednog sata. ITER je istraživački eksperimentalni reaktor koji ne može kontinuirano proizvoditi energiju. Kada ITER počne raditi, bit će uključen jedan sat, nakon čega će se morati isključiti. Ovo je važno jer su do sada standardni uređaji koje smo kreirali mogli imati vrijeme gorenja od nekoliko sekundi ili čak desetinki sekunde - to je maksimum. "Joint European Torus" je dostigao svoju Q vrijednost od 1 sa vremenom sagorevanja od približno dvije sekunde sa dužinom impulsa od 20 sekundi. Ali proces koji traje nekoliko sekundi nije zaista trajan. Po analogiji s pokretanjem motora automobila: kratko paljenje motora, a zatim gašenje još nije pravi rad automobila. Tek kada vozite svoj automobil pola sata, on će dostići konstantan režim rada i pokazati da se takav automobil zaista može voziti.

To jest, sa tehničke i naučne tačke gledišta, ITER će osigurati Q vrijednost od 10 i produženo vrijeme sagorijevanja.

Program termonuklearne fuzije je zaista međunarodni i širok po prirodi. Ljudi već računaju na uspjeh ITER-a i razmišljaju o sljedećem koraku - stvaranju prototipa industrijskog termonuklearnog reaktora pod nazivom DEMO. Da bi se izgradio, ITER treba da radi. Moramo ostvariti naše naučne ciljeve jer će to značiti da su ideje koje smo iznijeli u potpunosti izvodljive. Međutim, slažem se da uvijek treba razmišljati o tome šta slijedi. Osim toga, kako ITER radi 25-30 godina, naše znanje će se postepeno produbljivati ​​i širiti, te ćemo moći preciznije ocrtati naš sljedeći korak.

Zaista, nema rasprave o tome da li bi ITER trebao biti tokamak. Neki naučnici postavljaju pitanje sasvim drugačije: da li ITER postoji? Stručnjaci iz različitih zemalja, koji razvijaju svoje, ne tako velike termonuklearne projekte, tvrde da tako veliki reaktor uopće nije potreban.

Međutim, njihovo mišljenje teško da bi trebalo smatrati mjerodavnim. U kreiranju ITER-a bili su uključeni fizičari koji su nekoliko decenija radili sa toroidnim zamkama. Dizajn eksperimentalnog termonuklearnog reaktora u Karadašu zasnovan je na svim saznanjima stečenim tokom eksperimenata na desetinama prethodnika tokamaka. A ovi rezultati ukazuju da reaktor mora biti tokamak, i to veliki.

JET Trenutno se najuspješnijim tokamakom može smatrati JET, koji je izgradila EU u britanskom gradu Abingdon. Ovo je najveći reaktor tipa tokamak stvoren do danas, veliki radijus torusa plazme je 2,96 metara. Snaga termonuklearne reakcije već je dostigla više od 20 megavata sa vremenom zadržavanja do 10 sekundi. Reaktor vraća oko 40% energije uložene u plazmu.

To je fizika plazme koja određuje energetski balans”, rekao je Igor Semenov za Infox.ru. Vanredni profesor MIPT-a opisao je šta je energetski bilans jednostavnim primjerom: „Svi smo vidjeli kako gori. U stvari, tamo ne gori drva, već plin. Energetski lanac tamo je ovakav: plin gori, drvo se zagrijava, drvo isparava, plin ponovo gori. Stoga, ako bacimo vodu na vatru, naglo ćemo uzeti energiju iz sistema za fazni prijelaz tekuće vode u stanje pare. Bilans će postati negativan i vatra će se ugasiti. Postoji još jedan način - možemo jednostavno uzeti žile i raširiti ih u svemiru. Vatra će se takođe ugasiti. Isto je i u termonuklearnom reaktoru koji gradimo. Dimenzije su odabrane kako bi se stvorio odgovarajući pozitivni energetski bilans za ovaj reaktor. Dovoljno za izgradnju prave nuklearne elektrane u budućnosti, rješavajući u ovoj eksperimentalnoj fazi sve probleme koji trenutno ostaju neriješeni.”

Jednom su promijenjene dimenzije reaktora. To se dogodilo na prijelazu iz 20. u 21. stoljeće, kada su se Sjedinjene Države povukle iz projekta, a preostale članice su shvatile da je budžet ITER-a (do tada je procijenjen na 10 milijardi američkih dolara) prevelik. Bili su potrebni fizičari i inženjeri da smanje troškove instalacije. A to se moglo učiniti samo zbog veličine. “Redizajn” ITER-a vodio je francuski fizičar Robert Aymar, koji je prethodno radio na francuskom tokamaku Tore Supra u Karadašu. Vanjski polumjer plazma torusa smanjen je sa 8,2 na 6,3 metra. Međutim, rizici povezani sa smanjenjem veličine bili su djelomično nadoknađeni s nekoliko dodatnih supravodljivih magneta, koji su omogućili implementaciju režima zadržavanja plazme, koji je u to vrijeme bio otvoren i proučavan.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") je naučni i tehnički projekat velikih razmjera koji ima za cilj izgradnju prvog međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora.

Realizira sedam glavnih partnera (Evropska unija, Indija, Kina, Republika Koreja, Rusija, SAD, Japan) u Cadaracheu (regija Provansa-Alpi-Azurna obala, Francuska). ITER se zasniva na instalaciji tokamaka (nazvanoj po prvim slovima: toroidna komora sa magnetnim zavojnicama), koja se smatra najperspektivnijim uređajem za izvođenje kontrolisane termonuklearne fuzije. Prvi tokamak izgrađen je u Sovjetskom Savezu 1954. godine.

Cilj projekta je pokazati da se energija fuzije može koristiti u industrijskim razmjerima. ITER bi trebao generirati energiju kroz reakciju fuzije s teškim izotopima vodika na temperaturama iznad 100 miliona stepeni.

Pretpostavlja se da će 1 g goriva (mješavina deuterija i tritijuma) koje će se koristiti u instalaciji dati istu količinu energije kao 8 tona nafte. Procijenjena termonuklearna snaga ITER-a je 500 MW.

Stručnjaci kažu da je reaktor ovog tipa mnogo sigurniji od sadašnjih nuklearnih elektrana (NPP), a morska voda može osigurati gorivo za njega u gotovo neograničenim količinama. Stoga će uspješna implementacija ITER-a osigurati neiscrpni izvor ekološki prihvatljive energije.

Istorija projekta

Koncept reaktora razvijen je u Institutu za atomsku energiju po imenu. I.V.Kurchatova. SSSR je 1978. godine iznio ideju o implementaciji projekta u Međunarodnoj agenciji za atomsku energiju (IAEA). Dogovor o realizaciji projekta postignut je 1985. godine u Ženevi tokom pregovora između SSSR-a i SAD-a.

Program je kasnije odobrila IAEA. Godine 1987. projekat je dobio sadašnji naziv, a 1988. godine stvoreno je upravljačko tijelo - Vijeće ITER. U 1988-1990 Sovjetski, američki, japanski i evropski naučnici i inženjeri izveli su konceptualnu studiju projekta.

21. jula 1992. godine u Washingtonu su EU, Rusija, SAD i Japan potpisale sporazum o razvoju tehničkog projekta ITER, koji je završen 2001. godine. 2002-2005. Projektu su se pridružile Južna Koreja, Kina i Indija. Ugovor o izgradnji prvog međunarodnog eksperimentalnog fuzijskog reaktora potpisan je u Parizu 21. novembra 2006. godine.

Godinu dana kasnije, 7. novembra 2007., potpisan je ugovor o gradilištu ITER-a, prema kojem će reaktor biti smješten u Francuskoj, u nuklearnom centru Cadarache u blizini Marseillea. Centar za kontrolu i obradu podataka nalazit će se u Naki (prefektura Ibaraki, Japan).

Priprema gradilišta u Cadaracheu počela je u januaru 2007. godine, a gradnja u punom obimu počela je 2013. godine. Kompleks će se nalaziti na površini od 180 hektara. Reaktor, visok 60 m i težak 23 hiljade tona, biće smješten na lokaciji dugoj 1 km i širokoj 400 m. Radove na njegovoj izgradnji koordinira Međunarodna organizacija ITER, osnovana u oktobru 2007. godine.

Troškovi projekta procjenjuju se na 15 milijardi eura, od čega na EU (preko Euratoma) otpada 45,4%, a šest drugih učesnika (uključujući Rusku Federaciju) doprinose po 9,1%. Od 1994. Kazahstan takođe učestvuje u projektu pod ruskom kvotom.

Elementi reaktora bit će dopremljeni brodom do mediteranske obale Francuske i odatle posebnim karavanima transportovani u regiju Cadarache. U tom cilju, u 2013. godini značajno su preopremljene dionice postojećih puteva, ojačani mostovi, izgrađeni novi prelazi i kolosijeci sa posebno čvrstim podlogama. U periodu od 2014. do 2019. godine utvrđenom saobraćajnicom trebalo bi da prođe najmanje tri desetine superteških drumskih vozova.

Plazma dijagnostički sistemi za ITER biće razvijeni u Novosibirsku. Sporazum o tome potpisali su 27. januara 2014. direktor Međunarodne organizacije ITER Osamu Motojima i čelnik nacionalne agencije ITER u Ruskoj Federaciji Anatolij Krasilnikov.

Razvoj dijagnostičkog kompleksa u okviru novog sporazuma odvija se na bazi Fizičko-tehničkog instituta po imenu. A.F. Ioffe Ruska akademija nauka.

Očekuje se da će reaktor pustiti u rad 2020. godine, prve reakcije nuklearne fuzije na njemu će biti izvedene najkasnije 2027. Za 2037. planirano je da se završi eksperimentalni dio projekta, a do 2040. pređe na proizvodnju električne energije . Prema preliminarnim prognozama stručnjaka, industrijska verzija reaktora bit će gotova najkasnije 2060. godine, a serija reaktora ovog tipa može se stvoriti tek do kraja 21. stoljeća.

Da li je termonuklearna energija neophodna?

U ovoj fazi razvoja civilizacije možemo sa sigurnošću reći da se čovječanstvo suočava sa „energetskim izazovom“. To je zbog nekoliko osnovnih faktora:

— Čovječanstvo sada troši ogromnu količinu energije.

Trenutno, svjetska potrošnja energije iznosi oko 15,7 teravata (TW). Podijeleći ovu vrijednost sa populacijom planete, dobijamo otprilike 2400 vati po osobi, što se lako može procijeniti i zamisliti. Energija koju potroši svaki stanovnik Zemlje (uključujući i djecu) odgovara danonoćnom radu 24 električne lampe od 100 vati.

— Svjetska potrošnja energije brzo raste.

Prema Međunarodnoj agenciji za energiju (2006.), očekuje se da će globalna potrošnja energije porasti za 50% do 2030. godine.

— Trenutno, 80% energije koju troši svijet nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva (nafta, ugalj i plin), čija upotreba potencijalno predstavlja rizik od katastrofalnih promjena okoliša.

Među Saudijcima je popularan vic: „Moj otac je jahao kamilu. Imam auto, a moj sin već leti avionom. Ali sada će njegov sin ponovo jahati kamilu.”

Čini se da je to slučaj, jer su sve ozbiljne prognoze da će svjetske rezerve nafte uveliko ponestati za oko 50 godina.

Čak i na osnovu procjena američkog Geološkog zavoda (ova prognoza je mnogo optimističnija od drugih), rast svjetske proizvodnje nafte će se nastaviti ne više od sljedećih 20 godina (drugi stručnjaci predviđaju da će vrhunac proizvodnje biti dostignut za 5-10 godine), nakon čega će količina proizvedene nafte početi da se smanjuje po stopi od oko 3% godišnje. Izgledi za proizvodnju prirodnog gasa ne izgledaju mnogo bolji. Obično se kaže da ćemo uglja imati dovoljno za još 200 godina, ali ova prognoza se zasniva na održavanju postojećeg nivoa proizvodnje i potrošnje. U međuvremenu, potrošnja uglja sada raste za 4,5% godišnje, čime se pomenuti period od 200 godina odmah smanjuje na samo 50 godina.

Stoga se sada treba pripremiti za kraj ere korištenja fosilnih goriva.

Nažalost, trenutno postojeći alternativni izvori energije nisu u mogućnosti pokriti rastuće potrebe čovječanstva. Prema najoptimističnijim procjenama, maksimalna količina energije (u navedenom toplotnom ekvivalentu) koju generiraju navedeni izvori je samo 3 TW (vjetar), 1 TW (hidro), 1 TW (biološki izvori) i 100 GW (geotermalni i morski). biljke). Ukupna količina dodatne energije (čak i u ovoj najoptimalniji prognozi) je samo oko 6 TW. Vrijedi napomenuti da je razvoj novih izvora energije vrlo složen tehnički zadatak, pa će cijena energije koju oni proizvode u svakom slučaju biti veća nego kod uobičajenog sagorijevanja uglja itd. Čini se sasvim očiglednim da

čovječanstvo mora tražiti neke druge izvore energije, za koje se trenutno zaista mogu uzeti u obzir samo Sunce i reakcije termonuklearne fuzije.

Sunce je potencijalno gotovo neiscrpan izvor energije. Količina energije koja pogađa samo 0,1% površine planete je ekvivalentna 3,8 TW (čak i ako se pretvori sa samo 15% efikasnosti). Problem leži u našoj nesposobnosti da uhvatimo i pretvorimo ovu energiju, što je povezano kako sa visokim troškovima solarnih panela, tako i sa problemima akumulacije, skladištenja i daljeg prenosa rezultirajuće energije u potrebne regione.

Trenutno nuklearne elektrane proizvode energiju koja se oslobađa tokom reakcija fisije atomskih jezgri u velikim razmjerima. Smatram da stvaranje i razvoj ovakvih stanica treba na svaki mogući način poticati, ali se mora voditi računa da se i rezerve jednog od najvažnijih materijala za njihov rad (jeftinog uranijuma) mogu u potpunosti potrošiti unutar narednih 50 godina.

Drugi važan pravac razvoja je upotreba nuklearne fuzije (nuklearna fuzija), koja danas djeluje kao glavna nada za spas, iako je vrijeme nastanka prvih termonuklearnih elektrana ostalo neizvjesno. Ovo predavanje je posvećeno ovoj temi.

Šta je nuklearna fuzija?

Nuklearna fuzija, koja je osnova za postojanje Sunca i zvijezda, potencijalno predstavlja nepresušan izvor energije za razvoj Univerzuma uopšte. Eksperimenti izvedeni u Rusiji (Rusija je rodno mjesto termonuklearne elektrane Tokamak), SAD-u, Japanu, Njemačkoj, kao i u Velikoj Britaniji u sklopu Joint European Torus (JET) programa, koji je jedan od vodećih istraživačkih programa u svijetu, pokazuju da nuklearna fuzija može osigurati ne samo trenutne energetske potrebe čovječanstva (16 TW), već i mnogo veću količinu energije.

Energija nuklearne fuzije je vrlo stvarna, a glavno je pitanje možemo li stvoriti dovoljno pouzdana i isplativa fuzijska postrojenja.

Procesi nuklearne fuzije su reakcije koje uključuju fuziju lakih atomskih jezgara u teže, pri čemu se oslobađa određena količina energije.

Prije svega, među njima treba istaknuti reakciju između dva izotopa (deuterijuma i tritijuma) vodika, koja je vrlo česta na Zemlji, uslijed koje nastaje helij i oslobađa se neutron. Reakcija se može napisati na sljedeći način:

D + T = 4 He + n + energija (17,6 MeV).

Oslobođena energija, koja proizlazi iz činjenice da helijum-4 ima vrlo jake nuklearne veze, pretvara se u običnu kinetičku energiju, raspoređenu između neutrona i jezgra helija-4 u omjeru 14,1 MeV/3,5 MeV.

Za pokretanje (zapaljenje) fuzijske reakcije potrebno je potpuno ionizirati i zagrijati plin iz mješavine deuterijuma i tritijuma na temperaturu iznad 100 miliona stepeni Celzijusa (označit ćemo je sa M stepeni), što je oko pet puta više od temperature u centru Sunca. Već na temperaturama od nekoliko hiljada stepeni, međuatomski sudari dovode do izbacivanja elektrona iz atoma, što rezultira stvaranjem mješavine odvojenih jezgara i elektrona poznate kao plazma, u kojoj se nalaze pozitivno nabijeni i visoko energetski deuteroni i tritoni (tj. deuterijum). i jezgra tricijuma) doživljavaju snažno međusobno odbijanje. Međutim, visoka temperatura plazme (i povezana visoka energija jona) omogućava ovim jonima deuterijuma i tricijuma da prevladaju Kulonovo odbijanje i sudare se jedni s drugima. Na temperaturama iznad 100 M stepeni, najenergičniji deuteroni i tritoni se spajaju u sudarima na tako bliskim udaljenostima da između njih počinju djelovati moćne nuklearne sile, prisiljavajući ih da se međusobno spajaju u jedinstvenu cjelinu.

Provođenje ovog procesa u laboratoriji postavlja tri vrlo teška problema. Prije svega, plinska mješavina jezgara D i T mora se zagrijati na temperature iznad 100 M stepeni, na neki način spriječiti da se ohladi i kontaminira (zbog reakcija sa zidovima posude).

Da bi se riješio ovaj problem, izmišljene su “magnetne zamke” nazvane Tokamak, koje sprječavaju interakciju plazme sa zidovima reaktora.

U opisanoj metodi, plazma se zagrijava električnom strujom koja teče unutar torusa do približno 3 M stepeni, što je, međutim, još uvijek nedovoljno za pokretanje reakcije. Da bi se plazma dodatno zagrijala, u nju se ili „upumpa“ energija radiofrekventnim zračenjem (kao u mikrotalasnoj pećnici), ili se ubrizgavaju snopovi visokoenergetskih neutralnih čestica, koje prenose svoju energiju plazmi prilikom sudara. Osim toga, oslobađanje topline nastaje zbog samih termonuklearnih reakcija (kao što će biti razmotreno u nastavku), zbog čega bi se "paljenje" plazme trebalo dogoditi u dovoljno velikoj instalaciji.

Trenutno u Francuskoj počinje izgradnja međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), opisanog u nastavku, koji će biti prvi Tokamak sposoban da "zapali" plazmu.

U najnaprednijim postojećim instalacijama tipa Tokamak odavno su postignute temperature od oko 150 M stepeni, blizu vrijednosti koje su potrebne za rad termonuklearne stanice, ali bi reaktor ITER trebao postati prva snaga velike razmjere. postrojenje dizajnirano za dugotrajan rad. U budućnosti će biti potrebno značajno poboljšati parametre njegovog rada, što će zahtijevati, prije svega, povećanje tlaka u plazmi, jer je brzina nuklearne fuzije na datoj temperaturi proporcionalna kvadratu pritisak.

Glavni naučni problem u ovom slučaju je vezan za činjenicu da kada se pritisak u plazmi poveća, nastaju veoma složene i opasne nestabilnosti, odnosno nestabilni režimi rada.

Električno nabijene jezgre helijuma koje nastaju tijekom fuzijske reakcije drže se unutar "magnetne zamke", gdje se postupno usporavaju zbog sudara s drugim česticama, a energija oslobođena tijekom sudara pomaže u održavanju visoke temperature plazma kabela. Neutralni (bez električnog naboja) neutroni napuštaju sistem i prenose svoju energiju na zidove reaktora, a toplota koja se uzima sa zidova je izvor energije za rad turbina koje proizvode električnu energiju. Problemi i poteškoće u radu ovakvog objekta povezani su, prije svega, s činjenicom da snažan tok visokoenergetskih neutrona i oslobođena energija (u obliku elektromagnetnog zračenja i čestica plazme) ozbiljno utječu na reaktor i mogu uništiti materijala od kojih je napravljena.

Zbog toga je dizajn termonuklearnih instalacija vrlo složen. Fizičari i inženjeri su suočeni sa zadatkom da obezbede visoku pouzdanost svog rada. Projektovanje i izgradnja termonuklearnih stanica zahtijeva od njih rješavanje niza raznolikih i vrlo složenih tehnoloških problema.

Projektovanje termonuklearne elektrane

Na slici je prikazan šematski dijagram (ne u mjerilu) uređaja i princip rada termonuklearne elektrane. U centralnom dijelu nalazi se toroidna (u obliku krofne) komora zapremine ~2000 m 3, ispunjena tricijum-deuterijumom (T-D) plazmom zagrijanom na temperaturu iznad 100 M stepeni. Neutroni nastali tokom reakcije fuzije napuštaju „magnetnu zamku“ i ulaze u školjku prikazanu na slici debljine oko 1 m.

Unutar ljuske, neutroni se sudaraju s atomima litija, što rezultira reakcijom koja proizvodi tricij:

neutron + litijum = helijum + tricijum.

Osim toga, u sistemu se javljaju kompetitivne reakcije (bez stvaranja tricijuma), kao i mnoge reakcije sa oslobađanjem dodatnih neutrona, koji potom također dovode do stvaranja tricijuma (u ovom slučaju može doći do oslobađanja dodatnih neutrona). značajno poboljšana, na primjer, uvođenjem atoma u ljusku berilija i olova). Opći zaključak je da bi ovo postrojenje moglo (barem teoretski) proći reakciju nuklearne fuzije koja bi proizvela tricij. U tom slučaju količina proizvedenog tritijuma ne samo da treba zadovoljiti potrebe same instalacije, već i biti nešto veća, što će omogućiti opskrbu novih instalacija tritijem.

Upravo ovaj koncept rada mora biti testiran i implementiran u reaktoru ITER opisanom u nastavku.

Neutroni bi trebali zagrijati školjku u takozvanim pilot postrojenjima (u kojima će se koristiti relativno „obični“ građevinski materijali) do temperature od približno 400 stepeni. U budućnosti se planira izrada poboljšanih instalacija sa temperaturom zagrijavanja školjke iznad 1000 stepeni, što se može postići upotrebom najnovijih materijala visoke čvrstoće (kao što su kompoziti silicijum karbida). Toplinu koja se stvara u omotaču, kao u konvencionalnim stanicama, prima primarni rashladni krug s rashladnim sredstvom (koji sadrži, na primjer, vodu ili helijum) i prenosi u sekundarni krug, gdje se proizvodi vodena para i dovodi do turbina.

Glavna prednost nuklearne fuzije je da zahtijeva samo vrlo male količine tvari koje su u prirodi vrlo česte kao gorivo.

Reakcija nuklearne fuzije u opisanim instalacijama može dovesti do oslobađanja enormnih količina energije, deset miliona puta veće od standardne toplote koja se oslobađa tokom konvencionalnih hemijskih reakcija (kao što je sagorevanje fosilnih goriva). Poređenja radi, ističemo da je količina uglja potrebna za napajanje termoelektrane snage 1 gigavat (GW) 10.000 tona dnevno (deset željezničkih vagona), a fuzijsko postrojenje iste snage će potrošiti samo oko 1 kg D+ mješavine dnevno T.

Deuterijum je stabilan izotop vodonika; U otprilike jednom od svakih 3.350 molekula obične vode, jedan od atoma vodika je zamijenjen deuterijumom (naslijeđe iz Velikog praska svemira). Ova činjenica olakšava organiziranje prilično jeftine proizvodnje potrebne količine deuterija iz vode. Teže je dobiti tricijum koji je nestabilan (poluživot je oko 12 godina, zbog čega je njegov sadržaj u prirodi zanemariv), međutim, kao što je gore prikazano, tricij će se proizvoditi direktno unutar termonuklearne instalacije tokom rada. zbog reakcije neutrona sa litijumom.

Dakle, početno gorivo za fuzijski reaktor su litijum i voda.

Litijum je uobičajen metal koji se široko koristi u kućanskim aparatima (baterije za mobilne telefone, na primjer). Gore opisana instalacija, čak i ako se uzme u obzir neidealna efikasnost, moći će proizvesti 200.000 kWh električne energije, što je ekvivalentno energiji sadržanoj u 70 tona uglja. Količina litijuma potrebna za to nalazi se u jednoj bateriji računara, a količina deuterijuma je u 45 litara vode. Navedena vrijednost odgovara trenutnoj potrošnji električne energije (obračunato po osobi) u zemljama EU preko 30 godina. Sama činjenica da tako beznačajna količina litijuma može obezbijediti proizvodnju tolike količine električne energije (bez emisije CO 2 i bez najmanjeg zagađenja zraka) prilično je ozbiljan argument za brz i energičan razvoj istraživanja o razvoju termonuklearnih energije (uprkos svim poteškoćama i problemima) čak i uz dugoročnu perspektivu stvaranja isplativog termonuklearnog reaktora.

Deuterijum bi trebalo da traje milionima godina, a rezerve litijuma koje se lako kopaju sasvim su dovoljne da zadovolje potrebe stotinama godina.

Čak i ako ponestane litija u stijenama, možemo ga izvući iz vode, gdje se nalazi u dovoljno visokim koncentracijama (100 puta veća od koncentracije uranijuma) da bi njegovo vađenje bilo ekonomski izvodljivo.

Energija fuzije ne samo da obećava čovječanstvu, u principu, mogućnost proizvodnje ogromnih količina energije u budućnosti (bez emisije CO 2 i bez zagađenja zraka), već ima i niz drugih prednosti.

1 ) Visoka unutrašnja sigurnost.

Plazma koja se koristi u termonuklearnim instalacijama ima vrlo nisku gustinu (oko milion puta nižu od gustine atmosfere), zbog čega radno okruženje instalacija nikada neće sadržavati dovoljno energije da izazove ozbiljne incidente ili nesreće.

Osim toga, punjenje "gorivom" mora se obavljati kontinuirano, što olakšava zaustavljanje njegovog rada, a da ne spominjemo činjenicu da bi u slučaju nesreće i nagle promjene uslova okoline termonuklearni "plamen" jednostavno trebao izači.

Koje su opasnosti povezane s termonuklearnom energijom? Prvo, vrijedno je napomenuti da iako proizvodi fuzije (helij i neutroni) nisu radioaktivni, školjka reaktora može postati radioaktivna pod produženim neutronskim zračenjem.

Drugo, tricij je radioaktivan i ima relativno kratko vrijeme poluraspada (12 godina). Ali iako je volumen upotrijebljene plazme značajan, zbog svoje male gustine sadrži samo vrlo malu količinu tritijuma (ukupna težina oko deset poštanskih maraka). Zbog toga

čak iu najtežim situacijama i nesrećama (potpuno uništenje ljuske i oslobađanje cijelog tritijuma sadržanog u njoj, na primjer, tijekom potresa i pada aviona na stanicu), samo će mala količina goriva biti ispuštena u sredine, što neće zahtijevati evakuaciju stanovništva iz obližnjih naseljenih mjesta.

2 ) Troškovi energije.

Očekuje se da će takozvana „interna“ cijena primljene električne energije (sami trošak proizvodnje) postati prihvatljiva ako iznosi 75% cijene koja već postoji na tržištu. “Priuštivo” u ovom slučaju znači da će cijena biti niža od cijene energije proizvedene korištenjem starih ugljikovodičnih goriva. „Spoljni“ trošak (nuspojave, uticaji na javno zdravlje, klimu, ekologiju, itd.) biće u suštini nula.

Međunarodni eksperimentalni termonuklearni reaktor ITER

Glavni sljedeći korak je izgradnja reaktora ITER, dizajniranog da demonstrira samu mogućnost paljenja plazme i na osnovu toga dobivanja najmanje desetostrukog povećanja energije (u odnosu na energiju koja se troši na zagrijavanje plazme). ITER reaktor će biti eksperimentalni uređaj koji neće biti opremljen čak ni turbinama za proizvodnju električne energije i uređajima za njeno korištenje. Svrha njegovog stvaranja je proučavanje uslova koji moraju biti ispunjeni tokom rada ovakvih elektrana, kao i stvaranje na toj osnovi pravih, ekonomski isplativih elektrana, koje bi, po svemu sudeći, po veličini trebale premašiti ITER. Stvaranje pravih prototipova fuzijskih elektrana (tj. postrojenja potpuno opremljenih turbinama, itd.) zahtijeva rješavanje sljedeća dva problema. Prvo, potrebno je nastaviti razvijati nove materijale (sposobne da izdrže opisane vrlo teške uslove rada) i testirati ih u skladu sa posebnim pravilima za opremu IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) opisanom u nastavku. Drugo, potrebno je riješiti mnoge čisto tehničke probleme i razviti nove tehnologije vezane za daljinsko upravljanje, grijanje, dizajn obloga, cikluse goriva itd. 2

Na slici je prikazan ITER reaktor, koji je superiorniji od današnje najveće JET instalacije ne samo po svim linearnim dimenzijama (otprilike dva puta), već i po veličini magnetskih polja koja se koriste u njemu i strujama koje teku kroz plazmu.

Svrha stvaranja ovog reaktora je demonstriranje sposobnosti kombinovanih napora fizičara i inženjera u izgradnji velike fuzijske elektrane.

Instalacioni kapacitet koji su projektanti planirali je 500 MW (sa potrošnjom energije na ulazu sistema od svega oko 50 MW). 3

Instalaciju ITER kreira konzorcij koji uključuje EU, Kinu, Indiju, Japan, Južnu Koreju, Rusiju i SAD. Ukupna populacija ovih zemalja je oko polovina ukupne populacije Zemlje, pa se projekat može nazvati globalnim odgovorom na globalni izazov. Glavne komponente i komponente reaktora ITER su već napravljene i testirane, a izgradnja je već počela u Cadaracheu (Francuska). Puštanje reaktora u rad planirano je za 2020. godinu, a proizvodnja deuterijum-tricijum plazme planirana je za 2027. godinu, jer su za puštanje u rad potrebna duga i ozbiljna ispitivanja plazme iz deuterijuma i tricijuma.

Magnetne zavojnice reaktora ITER bazirane su na supravodljivim materijalima (koji, u principu, omogućavaju kontinuirani rad sve dok se struja održava u plazmi), tako da se dizajneri nadaju da će osigurati garantirani radni ciklus od najmanje 10 minuta. Jasno je da je prisustvo supravodljivih magnetnih zavojnica fundamentalno važno za kontinuirani rad prave termonuklearne elektrane. Superprovodne zavojnice su već korištene u uređajima tipa Tokamak, ali ranije nisu korištene u tako velikim instalacijama dizajniranim za tritij plazmu. Osim toga, postrojenje ITER će biti prvo koje će koristiti i testirati različite ljuske module dizajnirane za rad u stvarnim stanicama u kojima se jezgra tricija mogu generirati ili "oporavljati".

Osnovni cilj izgradnje instalacije je demonstriranje uspješnog upravljanja sagorijevanjem plazme i mogućnosti stvarnog dobijanja energije u termonuklearnim uređajima na postojećem nivou razvoja tehnologije.

Dalji razvoj u ovom pravcu, naravno, zahtijevat će mnogo truda da se poboljša efikasnost uređaja, posebno sa stanovišta njihove ekonomske isplativosti, što je povezano sa ozbiljnim i dugotrajnim istraživanjima, kako na reaktoru ITER tako i na drugim uređajima. Među dodeljenim zadacima posebno treba istaći tri:

1) Potrebno je pokazati da postojeći nivo nauke i tehnologije već omogućava da se dobije desetostruko povećanje energije (u poređenju sa onom koja se troši na održavanje procesa) u kontrolisanom procesu nuklearne fuzije. Reakcija se mora odvijati bez pojave opasnih nestabilnih uslova, bez pregrijavanja i oštećenja konstrukcijskih materijala, te bez kontaminacije plazme nečistoćama. Sa snagom fuzijske energije reda veličine 50% snage grijanja plazme, ovi ciljevi su već postignuti u eksperimentima u malim objektima, ali stvaranje ITER reaktora će testirati pouzdanost metoda upravljanja u mnogo većem postrojenju koje proizvodi mnogo više energije tokom dužeg vremena. ITER reaktor je dizajniran da testira i dogovori zahtjeve za budući fuzijski reaktor, a njegova konstrukcija je vrlo složen i zanimljiv zadatak.

2) Neophodno je proučiti metode za povećanje pritiska u plazmi (podsjetimo da je brzina reakcije na datoj temperaturi proporcionalna kvadratu tlaka) kako bi se spriječila pojava opasnih nestabilnih načina ponašanja plazme. Uspjeh istraživanja u ovom smjeru ili će osigurati rad reaktora pri većoj gustoći plazme, ili će smanjiti zahtjeve za jačinom generiranih magnetnih polja, što će značajno smanjiti cijenu električne energije koju reaktor proizvodi.

3) Testovi moraju potvrditi da se kontinuirani rad reaktora u stabilnom režimu realno može osigurati (sa ekonomskog i tehničkog gledišta ovaj zahtjev se čini vrlo važnim, ako ne i glavni), a instalacija se može započeti bez velikih utrošak energije. Istraživači i dizajneri se zaista nadaju da se “neprekidan” protok elektromagnetne struje kroz plazmu može osigurati njenim stvaranjem u plazmi (zbog visokofrekventnog zračenja i ubrizgavanja brzih atoma).

Savremeni svijet se suočava sa vrlo ozbiljnim energetskim izazovom, koji se preciznije može nazvati “neizvjesnom energetskom krizom”.

Trenutno, gotovo sva energija koju troši čovječanstvo nastaje sagorijevanjem fosilnih goriva, a rješenje problema može biti povezano s korištenjem sunčeve energije ili nuklearne energije (stvaranje reaktora na brzim neutronima itd.). Globalni problem uzrokovan rastućom populacijom zemalja u razvoju i njihovom potrebom da poboljšaju životni standard i povećaju količinu proizvedene energije ne može se riješiti samo na osnovu ovih pristupa, iako, naravno, bilo kakvi pokušaji razvoja alternativnih metoda proizvodnje energije treba podsticati.

Ako na putu razvoja termonuklearne energije nema većih i neočekivanih iznenađenja, onda uz razvijen razuman i uredan program djelovanja, koji (naravno, uz dobru organizaciju rada i dovoljno sredstava) treba da dovede do stvaranja prototipa termonuklearne elektrane. U tom slučaju, za 30-ak godina moći ćemo prvi put iz njega isporučiti električnu struju u energetske mreže, a za nešto više od 10 godina počet će s radom prva komercijalna termonuklearna elektrana. Moguće je da će u drugoj polovini ovog stoljeća energija nuklearne fuzije početi zamjenjivati ​​fosilna goriva i postepeno početi igrati sve važniju ulogu u opskrbljivanju energijom čovječanstva na globalnoj razini.