راکتور همجوشی iter Iter: چگونه اولین راکتور آزمایشی بین المللی گرما هسته ای ایجاد شد راکتور بین المللی حرارتی

ITER - راکتور بین المللی حرارتی (ITER)

مصرف انرژی انسانی هر سال در حال رشد است که بخش انرژی را به سمت توسعه فعال سوق می دهد. بنابراین، با ظهور نیروگاه های هسته ای، میزان انرژی تولید شده در سراسر جهان به میزان قابل توجهی افزایش یافت که امکان استفاده ایمن از انرژی برای تمام نیازهای بشر را فراهم کرد. به عنوان مثال، 72.3٪ از برق تولید شده در فرانسه از نیروگاه های هسته ای، در اوکراین - 52.3٪، در سوئد - 40.0٪، در بریتانیا - 20.4٪، در روسیه - 17.1٪ تامین می شود. با این حال، فناوری ثابت نمی‌ماند و برای برآوردن نیازهای انرژی بیشتر کشورهای آینده، دانشمندان در حال کار بر روی تعدادی از پروژه‌های نوآورانه هستند که یکی از آنها ITER (رآکتور تجربی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی) است.

اگرچه سودآوری این تاسیسات هنوز مورد سوال است، اما با توجه به کار بسیاری از محققان، ایجاد و توسعه بعدی فناوری همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده می‌تواند منجر به یک منبع انرژی قدرتمند و ایمن شود. بیایید به برخی از جنبه های مثبت چنین نصبی نگاه کنیم:

• سوخت اصلی یک راکتور گرما هسته ای هیدروژن است که به معنای ذخایر عملاً پایان ناپذیر سوخت هسته ای است.
• هیدروژن را می توان با فرآوری آب دریا تولید کرد که در اکثر کشورها وجود دارد. از این نتیجه می شود که انحصار منابع سوخت نمی تواند بوجود آید.
• احتمال انفجار اضطراری در حین کار یک راکتور حرارتی بسیار کمتر از هنگام کار یک راکتور هسته ای است. به گفته محققان، حتی در صورت وقوع حادثه، انتشار تشعشعات خطری برای جمعیت نخواهد داشت و این بدان معناست که نیازی به تخلیه نیست.
• برخلاف راکتورهای هسته ای، راکتورهای همجوشی زباله های رادیواکتیو تولید می کنند که نیمه عمر کوتاهی دارند، به این معنی که سریعتر تجزیه می شوند. همچنین هیچ محصول احتراق در راکتورهای حرارتی وجود ندارد.
• یک راکتور همجوشی به موادی که برای تسلیحات هسته ای نیز استفاده می شود نیاز ندارد. این امر امکان سرپوش گذاشتن بر تولید تسلیحات هسته ای با فرآوری مواد برای نیازهای یک راکتور هسته ای را از بین می برد.

راکتور حرارتی - نمای داخلی

با این حال، تعدادی از کاستی های فنی نیز وجود دارد که محققان به طور مداوم با آن مواجه می شوند.

به عنوان مثال، نسخه فعلی سوخت که به شکل مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم ارائه شده است، نیازمند توسعه فناوری های جدید است. به عنوان مثال، در پایان اولین سری از آزمایش‌ها در راکتور گرما هسته‌ای JET، که بزرگترین راکتور تا به امروز بود، راکتور آنقدر رادیواکتیو شد که توسعه یک سیستم تعمیر و نگهداری رباتیک ویژه برای تکمیل آزمایش بیشتر مورد نیاز بود. یکی دیگر از عوامل ناامید کننده در عملکرد یک راکتور حرارتی، راندمان آن است - 20٪، در حالی که راندمان یک نیروگاه هسته ای 33-34٪ است و یک نیروگاه حرارتی 40٪ است.

ایجاد پروژه ITER و راه اندازی راکتور

پروژه ITER به سال 1985 برمی گردد، زمانی که اتحاد جماهیر شوروی ایجاد مشترک یک توکامک - یک محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی که می تواند پلاسما را با استفاده از آهنربا نگه دارد، پیشنهاد کرد، در نتیجه شرایط لازم برای انجام یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای را ایجاد کرد. در سال 1992، یک توافقنامه چهارجانبه در مورد توسعه ITER امضا شد که طرفین آن اتحادیه اروپا، ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن بودند. در سال 1994، جمهوری قزاقستان، در سال 2001 - کانادا، در سال 2003 - کره جنوبی و چین، در سال 2005 - هند به پروژه پیوست. در سال 2005، محل ساخت راکتور تعیین شد - مرکز تحقیقات انرژی هسته ای Cadarache، فرانسه.

ساخت رآکتور با آماده سازی یک گودال برای فونداسیون آغاز شد. بنابراین پارامترهای گودال 130*90*17 متر بود. وزن کل مجموعه توکامک 360000 تن خواهد بود که 23000 تن آن خود توکامک است.

عناصر مختلفی از مجموعه ITER توسعه یافته و از سراسر جهان به محل ساخت و ساز تحویل داده خواهد شد. بنابراین در سال 2016، بخشی از هادی های سیم پیچ های پولوئیدی در روسیه توسعه یافت که سپس به چین فرستاده شد، که خود کویل ها را تولید می کند.

بدیهی است که سازماندهی چنین کار بزرگی به هیچ وجه آسان نیست؛ تعدادی از کشورها بارها و بارها نتوانسته‌اند از برنامه زمان‌بندی پروژه پیروی کنند و در نتیجه راه‌اندازی راکتور دائماً به تعویق می‌افتد. بنابراین، طبق پیام ژوئن سال گذشته (2016): "دریافت اولین پلاسما برای دسامبر 2025 برنامه ریزی شده است."

مکانیسم عملکرد ITER tokamak

اصطلاح "توکامک" از یک مخفف روسی به معنای "محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی" گرفته شده است.

قلب توکامک محفظه خلاء چنبره شکل آن است. در داخل، تحت دما و فشار شدید، گاز سوخت هیدروژن به پلاسما تبدیل می شود – گازی گرم و دارای بار الکتریکی. همانطور که مشخص است، ماده ستاره ای با پلاسما نشان داده می شود و واکنش های گرما هسته ای در هسته خورشید دقیقاً تحت شرایط دما و فشار بالا رخ می دهد. شرایط مشابهی برای تشکیل، نگهداری، فشرده سازی و گرم شدن پلاسما با استفاده از سیم پیچ های مغناطیسی عظیمی که در اطراف یک ظرف خلاء قرار دارند ایجاد می شود. نفوذ آهنربا باعث محدود شدن پلاسمای داغ از دیواره های رگ می شود.

قبل از شروع فرآیند، هوا و ناخالصی ها از محفظه خلاء خارج می شوند. سپس سیستم های مغناطیسی که به کنترل پلاسما کمک می کنند شارژ می شوند و سوخت گازی معرفی می شود. هنگامی که جریان الکتریکی قدرتمندی از ظرف عبور می کند، گاز به صورت الکتریکی شکافته شده و یونیزه می شود (یعنی الکترون ها از اتم ها خارج می شوند) و پلاسما را تشکیل می دهند.

با فعال شدن و برخورد ذرات پلاسما، آنها نیز شروع به گرم شدن می کنند. تکنیک‌های گرمایش کمکی به رساندن پلاسما به دمای بین 150 تا 300 میلیون درجه سانتی‌گراد کمک می‌کند. ذرات «تحریک‌شده» تا این درجه می‌توانند بر دافعه الکترومغناطیسی طبیعی خود در هنگام برخورد غلبه کنند، چنین برخوردهایی مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند.

طراحی توکامک از عناصر زیر تشکیل شده است:

ظرف خلاء

("دونات") یک محفظه حلقوی ساخته شده از فولاد ضد زنگ است. قطر بزرگ آن 19 متر، کوچک 6 متر و ارتفاع آن 11 متر است. حجم محفظه 1400 متر مکعب و وزن آن بیش از 5000 تن است.دیواره های مخزن خلاء دوتایی است. مایع خنک کننده بین دیوارها گردش می کند که آب مقطر خواهد بود. برای جلوگیری از آلودگی آب، دیواره داخلی محفظه با استفاده از یک پتو در برابر تشعشعات رادیواکتیو محافظت می شود.

پتو

("پتو") - شامل 440 قطعه است که سطح داخلی اتاق را می پوشاند. مساحت کل ضیافت 700 متر مربع است. هر قطعه نوعی کاست است که بدنه آن از مس و دیواره جلویی آن قابل جابجایی و از بریلیم است. پارامترهای کاست ها 1×1.5 متر است و جرم آن بیش از 4.6 تن نیست، چنین کاست های بریلیوم باعث کاهش سرعت نوترون های پرانرژی تشکیل شده در طول واکنش می شود. در طول تعدیل نوترونی، گرما آزاد می شود و توسط سیستم خنک کننده حذف می شود. لازم به ذکر است که گرد و غبار بریلیم که در نتیجه کار راکتور ایجاد می شود می تواند باعث بیماری جدی به نام بریلیم شود و همچنین دارای اثر سرطان زا باشد. به همین دلیل تدابیر امنیتی شدیدی در مجتمع در حال توسعه است.

توکامک در بخش. آهنرباهای زرد - شیر برقی، نارنجی - میدان حلقوی (TF) و میدان پولوییدی (PF)، آبی - پتو، آبی روشن - VV - مخزن خلاء، بنفش - دایورتور

("سیگاری") از نوع پولوئیدی دستگاهی است که وظیفه اصلی آن "پاکسازی" پلاسما از آلودگی ناشی از گرم شدن و تعامل دیوارهای محفظه پوشیده از پتو با آن است. هنگامی که چنین آلاینده‌هایی وارد پلاسما می‌شوند، به شدت شروع به تابش می‌کنند که منجر به تلفات تشعشعات اضافی می‌شود. در پایین توکوماک قرار دارد و از آهنربا برای هدایت لایه های بالایی پلاسما (که بیشترین آلودگی را دارند) به داخل محفظه خنک کننده استفاده می کند. در اینجا پلاسما خنک می شود و به گاز تبدیل می شود و پس از آن به بیرون از محفظه پمپ می شود. گرد و غبار بریلیم پس از ورود به محفظه عملاً قادر به بازگشت به پلاسما نیست. بنابراین، آلودگی پلاسما فقط در سطح باقی می ماند و به عمق بیشتری نفوذ نمی کند.

کرایوستات

- بزرگترین جزء توکوماک که یک پوسته فولادی ضد زنگ با حجم 16000 متر مربع (29.3 در 28.6 متر) و جرم 3850 تن است. سایر عناصر سیستم در داخل کرایواستات قرار خواهند گرفت و خود به خدمت می‌پردازد. به عنوان مانعی بین توکامک و محیط بیرون. روی دیوارهای داخلی آن صفحات حرارتی وجود دارد که با گردش نیتروژن در دمای 80 کلوین (193.15- درجه سانتیگراد) خنک می شوند.

سیستم مغناطیسی

- مجموعه ای از عناصری که برای نگهداری و کنترل پلاسما در داخل یک ظرف خلاء خدمت می کنند. این مجموعه ای از 48 عنصر است:

• سیم پیچ های میدان حلقوی در خارج از محفظه خلاء و در داخل کرایوستات قرار دارند. این سیم پیچ ها در 18 قطعه با ابعاد 15×9 متر و وزن تقریبی 300 تن ارائه شده اند.این سیم پیچ ها با هم میدان مغناطیسی 11.8 تسلا در اطراف چنبره پلاسما ایجاد می کنند و انرژی 41 GJ ذخیره می کنند.
• سیم پیچ های میدان پولوئیدی – در بالای سیم پیچ های میدان حلقوی و داخل کرایوستات قرار دارند. این سیم پیچ ها وظیفه تولید میدان مغناطیسی را بر عهده دارند که جرم پلاسما را از دیواره های محفظه جدا می کند و پلاسما را برای گرمایش آدیاباتیک فشرده می کند. تعداد این سیم پیچ ها 6 عدد است. دو عدد از سیم پیچ ها قطر 24 متر و جرم آنها 400 تن است و چهار عدد باقی مانده تا حدودی کوچکتر هستند.
• شیر برقی مرکزی در قسمت داخلی محفظه حلقوی یا بهتر است بگوییم در "سوراخ دونات" قرار دارد. اصل عملکرد آن شبیه ترانسفورماتور است و وظیفه اصلی تحریک جریان القایی در پلاسما است.
• کویل های اصلاحی در داخل ظرف خلاء، بین پتو و دیواره محفظه قرار دارند. وظیفه آنها حفظ شکل پلاسما است که قادر به "برآمدگی" موضعی و حتی لمس دیواره های رگ است. به شما امکان می دهد سطح تعامل دیواره های محفظه با پلاسما و در نتیجه میزان آلودگی آن را کاهش دهید و همچنین سایش خود محفظه را کاهش می دهد.

ساختار مجتمع ITER

طرح توکامک که در بالا «به طور خلاصه» توضیح داده شد یک مکانیسم ابتکاری بسیار پیچیده است که با تلاش چندین کشور مونتاژ شده است. با این حال، برای بهره برداری کامل آن، مجموعه کاملی از ساختمان ها واقع در نزدیکی توکامک مورد نیاز است. از جمله:

• سیستم کنترل، دسترسی به داده و ارتباطات - CODAC. در تعدادی از ساختمان های مجتمع ITER واقع شده است.
• ذخیره سازی سوخت و سیستم سوخت - برای رساندن سوخت به توکامک خدمت می کند.
• سیستم خلاء - متشکل از بیش از چهارصد پمپ خلاء است که وظیفه آنها پمپاژ محصولات واکنش گرما هسته ای و همچنین آلاینده های مختلف از محفظه خلاء است.
• سیستم برودتی - نشان داده شده توسط یک مدار نیتروژن و هلیوم. مدار هلیوم دمای توکامک را نرمال می کند، کار (و بنابراین دما) آن به طور مداوم اتفاق نمی افتد، بلکه به صورت پالس است. مدار نیتروژن سپرهای حرارتی کرایوستات و خود مدار هلیوم را خنک می کند. همچنین یک سیستم خنک کننده آبی وجود خواهد داشت که هدف آن کاهش دمای دیوارهای پتو است.
• منبع تغذیه. توکامک برای کار مداوم به 110 مگاوات انرژی نیاز دارد. برای تحقق این امر، خطوط برق به طول یک کیلومتر نصب و به شبکه صنعتی فرانسه متصل خواهد شد. شایان ذکر است که تأسیسات آزمایشی ITER تولید انرژی را فراهم نمی کند، بلکه فقط در جهت منافع علمی عمل می کند.

بودجه ITER

راکتور حرارتی بین المللی ITER یک تعهد نسبتاً گران است که در ابتدا 12 میلیارد دلار تخمین زده شد که روسیه، ایالات متحده آمریکا، کره، چین و هند 111/1، ژاپن 2/11 و اتحادیه اروپا 4 را به خود اختصاص دادند. /11. این مبلغ بعداً به 15 میلیارد دلار افزایش یافت. قابل ذکر است که تامین مالی از طریق تامین تجهیزات مورد نیاز مجموعه که در هر کشور توسعه یافته است، صورت می گیرد. بنابراین، روسیه پتو، دستگاه های گرمایش پلاسما و آهنرباهای ابررسانا را تامین می کند.

دیدگاه پروژه

در حال حاضر ساخت مجتمع ITER و تولید تمامی اجزای مورد نیاز توکامک در حال انجام است. پس از راه اندازی برنامه ریزی شده توکامک در سال 2025، مجموعه ای از آزمایش ها آغاز خواهد شد که بر اساس نتایج آن جنبه هایی که نیاز به بهبود دارند ذکر می شود. پس از راه اندازی موفقیت آمیز ITER، قرار است یک نیروگاه مبتنی بر همجوشی حرارتی هسته ای به نام DEMO (نیروگاه DEMOnstration) ساخته شود. هدف DEMo نشان دادن به اصطلاح "جذابیت تجاری" قدرت همجوشی است. اگر ITER قادر به تولید تنها 500 مگاوات انرژی باشد، DEMO قادر خواهد بود به طور مداوم انرژی 2 گیگاواتی تولید کند.

با این حال، باید در نظر داشت که تأسیسات آزمایشی ITER انرژی تولید نخواهد کرد و هدف آن به دست آوردن مزایای صرفاً علمی است. و همانطور که می دانید، این یا آن آزمایش فیزیکی نه تنها می تواند انتظارات را برآورده کند، بلکه دانش و تجربه جدیدی را برای بشریت به ارمغان می آورد.

چگونه همه چیز شروع شد؟ "چالش انرژی" در نتیجه ترکیبی از سه عامل زیر بوجود آمد:

1. بشریت اکنون مقدار زیادی انرژی مصرف می کند.

در حال حاضر مصرف انرژی در جهان حدود 15.7 تراوات (TW) است. با تقسیم این مقدار بر جمعیت جهان، تقریباً 2400 وات به ازای هر نفر بدست می آید که به راحتی قابل تخمین و تجسم است. انرژی مصرف شده توسط هر ساکن زمین (از جمله کودکان) با عملکرد شبانه روزی 24 لامپ الکتریکی صد وات مطابقت دارد. با این حال، مصرف این انرژی در سراسر کره زمین بسیار نابرابر است، زیرا در چندین کشور بسیار زیاد و در برخی دیگر ناچیز است. مصرف (بر حسب یک نفر) در ایالات متحده آمریکا 10.3 کیلووات (یکی از مقادیر رکورد)، 6.3 کیلووات در فدراسیون روسیه، 5.1 کیلووات در انگلستان و غیره است، اما از طرف دیگر برابر است. تنها 0.21 کیلووات در بنگلادش (تنها 2٪ از مصرف انرژی ایالات متحده!).

2. مصرف انرژی در جهان به طور چشمگیری در حال افزایش است.

طبق پیش‌بینی آژانس بین‌المللی انرژی (2006)، مصرف جهانی انرژی تا سال 2030 باید 50 درصد افزایش یابد. البته کشورهای توسعه یافته می توانند بدون انرژی اضافی به خوبی عمل کنند، اما این رشد برای رهایی مردم از فقر در کشورهای در حال توسعه که 1.5 میلیارد نفر از کمبود شدید برق رنج می برند، ضروری است.

3. در حال حاضر 80 درصد انرژی جهان از سوختن سوخت های فسیلی تامین می شود(نفت، زغال سنگ و گاز) که استفاده از آنها:

الف) به طور بالقوه خطر تغییرات فاجعه بار محیطی را به همراه دارد.

ب) ناگزیر باید روزی پایان یابد.

با توجه به آنچه گفته شد، مشخص است که اکنون باید خود را برای پایان دوران استفاده از سوخت های فسیلی آماده کنیم.

در حال حاضر نیروگاه های هسته ای انرژی آزاد شده در طی واکنش های شکافت هسته های اتمی را در مقیاس بزرگ تولید می کنند. ایجاد و توسعه چنین ایستگاه هایی باید به هر طریق ممکن تشویق شود، اما باید در نظر داشت که ذخایر یکی از مهمترین مواد برای بهره برداری آنها (اورانیوم ارزان) نیز می تواند تا 50 سال آینده به طور کامل مصرف شود. . امکانات انرژی مبتنی بر شکافت هسته‌ای می‌تواند (و باید) به طور قابل توجهی از طریق استفاده از چرخه‌های انرژی کارآمدتر گسترش یابد، که اجازه می‌دهد مقدار انرژی تولید شده تقریباً دو برابر شود. برای توسعه انرژی در این راستا، لازم است راکتورهای توریم (به اصطلاح راکتورهای پرورش دهنده توریم یا راکتورهای پرورش دهنده) ایجاد شود که در این واکنش، توریم بیشتری نسبت به اورانیوم اصلی تولید شود که در نتیجه مقدار کل انرژی تولید شده است. برای مقدار معینی از ماده 40 برابر افزایش می یابد. همچنین به نظر می رسد امیدوارکننده ای باشد که تولید کننده های پلوتونیوم با استفاده از نوترون های سریع، که بسیار کارآمدتر از راکتورهای اورانیوم هستند و می توانند 60 برابر بیشتر انرژی تولید کنند. ممکن است برای توسعه این مناطق نیاز به توسعه روش های جدید و غیر استاندارد برای به دست آوردن اورانیوم (به عنوان مثال، از آب دریا، که به نظر می رسد در دسترس ترین است) باشد.

نیروگاه های فیوژن

شکل یک نمودار شماتیک (نه در مقیاس) از دستگاه و اصل عملکرد یک نیروگاه حرارتی را نشان می دهد. در قسمت مرکزی یک محفظه حلقوی (دونات شکل) با حجم ~ 2000 متر مکعب وجود دارد که با پلاسمای تریتیوم-دوتریوم (T-D) پر شده است که تا دمای بالای 100 درجه سانتیگراد گرم شده است. نوترون های تولید شده در طی واکنش همجوشی (1) از "بطری مغناطیسی" خارج شده و وارد پوسته نشان داده شده در شکل با ضخامت حدود 1 متر می شوند.

در داخل پوسته، نوترون ها با اتم های لیتیوم برخورد می کنند و در نتیجه واکنشی ایجاد می شود که تریتیوم تولید می کند:

نوترون + لیتیوم → هلیوم + تریتیوم

علاوه بر این، واکنش های رقابتی در سیستم رخ می دهد (بدون تشکیل تریتیوم)، و همچنین واکنش های بسیاری با آزاد شدن نوترون های اضافی، که سپس منجر به تشکیل تریتیوم می شود (در این مورد، آزاد شدن نوترون های اضافی می تواند به طور قابل توجهی افزایش یافته است، برای مثال، با وارد کردن اتم های بریلیم به پوسته و سرب). نتیجه گیری کلی این است که این تاسیسات می تواند (حداقل از نظر تئوری) تحت یک واکنش همجوشی هسته ای قرار گیرد که تریتیوم تولید می کند. در این صورت، مقدار تریتیوم تولید شده نه تنها باید پاسخگوی نیازهای خود تاسیسات باشد، بلکه حتی تا حدودی بیشتر باشد که امکان تامین تاسیسات جدید با تریتیوم را فراهم می کند. این مفهوم عملیاتی است که باید در راکتور ITER که در زیر توضیح داده شده است آزمایش و اجرا شود.

علاوه بر این، نوترون ها باید پوسته را در کارخانه های به اصطلاح آزمایشی (که در آن از مصالح ساختمانی نسبتاً معمولی استفاده می شود) تا حدود 400 درجه سانتی گراد گرم کنند. در آینده برنامه ریزی شده است که تاسیسات بهبود یافته با دمای گرمایش پوسته بالای 1000 درجه سانتیگراد ایجاد شود که با استفاده از جدیدترین مواد با مقاومت بالا (مانند کامپوزیت های کاربید سیلیکون) قابل دستیابی است. گرمای تولید شده در پوسته، مانند ایستگاه های معمولی، توسط مدار خنک کننده اولیه با یک خنک کننده (مثلاً حاوی آب یا هلیوم) گرفته می شود و به مدار ثانویه منتقل می شود، جایی که بخار آب تولید و به توربین ها عرضه می شود.

1985 - اتحاد جماهیر شوروی نسل بعدی نیروگاه توکامک را با استفاده از تجربه چهار کشور پیشرو در ایجاد راکتورهای همجوشی پیشنهاد کرد. ایالات متحده آمریکا به همراه ژاپن و جامعه اروپایی پیشنهادی را برای اجرای این پروژه ارائه کردند.

در حال حاضر، در فرانسه، ساخت و ساز راکتور آزمایشی بین‌المللی گرما هسته‌ای ITER (راکتور آزمایشی بین‌المللی توکامک)، که در زیر توضیح داده شده است، در حال انجام است، که اولین توکاماکی است که قادر به "اشتعال" پلاسما است.

پیشرفته‌ترین تاسیسات توکامک موجود مدت‌هاست که به دمای حدود 150 M°C رسیده‌اند، نزدیک به مقادیر مورد نیاز برای عملکرد یک ایستگاه همجوشی، اما راکتور ITER باید اولین نیروگاه در مقیاس بزرگ باشد که برای مدت طولانی طراحی شده است. -عملیات مدت در آینده، بهبود قابل توجهی پارامترهای عملیاتی آن ضروری خواهد بود، که اول از همه نیاز به افزایش فشار در پلاسما دارد، زیرا سرعت همجوشی هسته ای در دمای معین متناسب با مربع فشار است. مشکل اصلی علمی در این مورد به این واقعیت مربوط می شود که وقتی فشار در پلاسما افزایش می یابد، ناپایداری های بسیار پیچیده و خطرناک ایجاد می شود، یعنی حالت های عملکرد ناپایدار.

چرا ما به این نیاز داریم؟

مزیت اصلی همجوشی هسته ای این است که فقط به مقادیر بسیار کمی از موادی نیاز دارد که در طبیعت به عنوان سوخت بسیار رایج هستند. واکنش همجوشی هسته‌ای در تاسیسات توصیف‌شده می‌تواند منجر به آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی، ده میلیون برابر بیشتر از گرمای استاندارد آزاد شده در طی واکنش‌های شیمیایی معمول (مانند احتراق سوخت‌های فسیلی) شود. برای مقایسه، به این نکته اشاره می کنیم که مقدار زغال سنگ مورد نیاز برای تامین انرژی یک نیروگاه حرارتی با ظرفیت 1 گیگاوات (GW) 10000 تن در روز (ده واگن راه آهن) است و یک نیروگاه همجوشی با همین قدرت فقط حدودا مصرف خواهد کرد. 1 کیلوگرم مخلوط D+T در روز.

دوتریوم ایزوتوپ پایدار هیدروژن است. در حدود یک مولکول از هر 3350 مولکول آب معمولی، یکی از اتم های هیدروژن با دوتریوم (میراثی از انفجار بزرگ) جایگزین می شود. این واقعیت سازماندهی تولید نسبتاً ارزان مقدار مورد نیاز دوتریوم از آب را آسان می کند. به دست آوردن تریتیوم که ناپایدار است دشوارتر است (نیمه عمر حدود 12 سال است که در نتیجه محتوای آن در طبیعت ناچیز است) ، اما همانطور که در بالا نشان داده شده است ، تریتیوم در حین کار مستقیماً در داخل تأسیسات ترموهسته ظاهر می شود. به دلیل واکنش نوترون ها با لیتیوم.

بنابراین، سوخت اولیه برای یک راکتور همجوشی لیتیوم و آب است. لیتیوم یک فلز رایج است که به طور گسترده در لوازم خانگی (باتری تلفن همراه و غیره) استفاده می شود. تاسیساتی که در بالا توضیح داده شد، حتی با در نظر گرفتن راندمان غیر ایده آل، قادر به تولید 200000 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی خواهد بود که معادل انرژی موجود در 70 تن زغال سنگ است. مقدار لیتیوم مورد نیاز برای این کار در یک باتری کامپیوتر و مقدار دوتریوم در 45 لیتر آب موجود است. مقدار فوق مربوط به مصرف برق فعلی (محاسبه برای هر نفر) در کشورهای اتحادیه اروپا در طی 30 سال است. خود این واقعیت که چنین مقدار ناچیز لیتیوم می تواند تولید چنین مقدار الکتریسیته (بدون انتشار CO2 و بدون کوچکترین آلودگی هوا) را تضمین کند، استدلالی نسبتاً جدی برای سریعترین و شدیدترین توسعه انرژی حرارتی هسته ای است (علیرغم همه موارد). مشکلات و مشکلات) و حتی بدون اطمینان صددرصدی به موفقیت چنین تحقیقاتی.

دوتریوم باید میلیون ها سال دوام بیاورد و ذخایر لیتیومی که به راحتی استخراج می شود برای تامین نیازهای صدها سال کافی است. حتی اگر لیتیوم در سنگ ها تمام شود، می توانیم آن را از آب استخراج کنیم، جایی که غلظت آن به اندازه کافی بالاست (100 برابر غلظت اورانیوم) که استخراج آن از نظر اقتصادی امکان پذیر باشد.

یک راکتور آزمایشی گرما هسته ای (رآکتور آزمایشی حرارتی بین المللی) در نزدیکی شهر کاداراش در فرانسه در حال ساخت است. هدف اصلی پروژه ITER اجرای یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده در مقیاس صنعتی است.

به ازای هر واحد وزن سوخت گرما هسته ای، حدود 10 میلیون برابر انرژی بیشتری نسبت به سوزاندن همان مقدار سوخت آلی و حدود صد برابر بیشتر از تجزیه هسته های اورانیوم در راکتورهای نیروگاه های هسته ای فعلی به دست می آید. اگر محاسبات دانشمندان و طراحان محقق شود، این به بشریت یک منبع تمام نشدنی انرژی می دهد.

بنابراین، تعدادی از کشورها (روسیه، هند، چین، کره، قزاقستان، ایالات متحده آمریکا، کانادا، ژاپن، کشورهای اتحادیه اروپا) در ایجاد رآکتور بین المللی تحقیقات حرارتی هسته ای - نمونه اولیه نیروگاه های جدید، به نیروها پیوستند.

ITER تسهیلاتی است که شرایطی را برای سنتز اتم های هیدروژن و تریتیوم (ایزوتوپ هیدروژن) ایجاد می کند و در نتیجه یک اتم جدید - اتم هلیوم تشکیل می شود. این فرآیند با انفجار عظیم انرژی همراه است: دمای پلاسمایی که در آن واکنش گرما هسته ای رخ می دهد حدود 150 میلیون درجه سانتیگراد است (برای مقایسه، دمای هسته خورشید 40 میلیون درجه است). در این حالت، ایزوتوپ ها می سوزند و عملاً هیچ زباله رادیواکتیو باقی نمی گذارند.

طرح مشارکت در پروژه بین المللی تامین قطعات راکتور و تامین مالی ساخت آن را فراهم می کند. در ازای این، هر یک از کشورهای شرکت‌کننده به تمام فناوری‌های ایجاد یک راکتور گرما هسته‌ای و به نتایج تمام کارهای آزمایشی روی این راکتور دسترسی کامل دریافت می‌کنند، که به عنوان مبنایی برای طراحی راکتورهای هسته‌ای با قدرت سریال عمل می‌کند.

این راکتور که بر اساس اصل همجوشی گرما هسته ای است، تشعشعات رادیواکتیو ندارد و برای محیط زیست کاملا بی خطر است. تقریباً در هر نقطه از جهان می توان آن را قرار داد و سوخت آن آب معمولی است. انتظار می رود ساخت ITER حدود ده سال به طول بینجامد و پس از آن انتظار می رود که راکتور به مدت 20 سال مورد استفاده قرار گیرد.

منافع روسیه در شورای سازمان بین المللی ساخت رآکتور گرما هسته ای ITER در سال های آینده توسط عضو مسئول آکادمی علوم روسیه میخائیل کوالچوک - مدیر موسسه کورچاتوف، موسسه کریستالوگرافی آکادمی روسیه ارائه خواهد شد. دبیر علمی و علمی شورای علمی، فناوری و آموزش ریاست جمهوری. کوالچوک به طور موقت جایگزین آکادمیک اوگنی ولیخوف در این پست خواهد شد که برای دو سال آینده به عنوان رئیس شورای بین المللی ITER انتخاب شد و حق ندارد این سمت را با وظایف نماینده رسمی یک کشور شرکت کننده ترکیب کند.

کل هزینه ساخت 5 میلیارد یورو تخمین زده می شود و به همین میزان برای عملیات آزمایشی راکتور مورد نیاز است. سهام هند، چین، کره، روسیه، ایالات متحده آمریکا و ژاپن هر کدام تقریباً 10 درصد از ارزش کل را تشکیل می دهند که 45 درصد از کشورهای اتحادیه اروپا است. با این حال، کشورهای اروپایی هنوز درباره نحوه توزیع دقیق هزینه ها بین آنها توافق نکرده اند. به همین دلیل، شروع ساخت و ساز به آوریل 2010 به تعویق افتاد. علیرغم آخرین تاخیر، دانشمندان و مقامات درگیر در ITER می گویند که می توانند این پروژه را تا سال 2018 تکمیل کنند.

توان حرارتی هسته ای تخمینی ITER 500 مگاوات است. وزن قطعات آهنربایی مجزا به 200 تا 450 تن می رسد. برای خنک کردن ITER روزانه 33 هزار متر مکعب آب مورد نیاز است.

در سال 1998، ایالات متحده تامین مالی مشارکت خود در این پروژه را متوقف کرد. پس از به قدرت رسیدن جمهوری خواهان و شروع خاموشی های ناگهانی در کالیفرنیا، دولت بوش افزایش سرمایه گذاری در انرژی را اعلام کرد. آمريكا قصد شركت در پروژه بين المللي را نداشت و مشغول پروژه ترموهسته اي خود بود. در اوایل سال 2002، جان ماربرگر سوم، مشاور فناوری پرزیدنت بوش، گفت که ایالات متحده نظر خود را تغییر داده و قصد دارد به پروژه بازگردد.

از نظر تعداد شرکت کنندگان، این پروژه با یکی دیگر از پروژه های علمی بزرگ بین المللی - ایستگاه فضایی بین المللی قابل مقایسه است. هزینه ITER که قبلا به 8 میلیارد دلار می رسید، در آن زمان به کمتر از 4 میلیارد دلار رسید. در نتیجه خروج ایالات متحده از مشارکت، تصمیم گرفته شد که توان راکتور از 1.5 گیگاوات به 500 مگاوات کاهش یابد. بر این اساس قیمت پروژه نیز کاهش یافته است.

در ژوئن 2002، سمپوزیوم "روزهای ITER در مسکو" در پایتخت روسیه برگزار شد. مشکلات تئوری، عملی و سازمانی احیای پروژه را مورد بحث قرار داد که موفقیت آن می تواند سرنوشت بشریت را تغییر دهد و نوع جدیدی از انرژی به آن بدهد که از نظر کارایی و صرفه جویی فقط با انرژی خورشید قابل مقایسه است.

در ژوئیه 2010، نمایندگان کشورهای شرکت کننده در پروژه راکتور حرارتی بین المللی ITER در نشست فوق العاده ای که در Cadarache، فرانسه برگزار شد، بودجه و برنامه ساخت آن را تصویب کردند. گزارش جلسه در اینجا موجود است.

در آخرین جلسه فوق العاده، شرکت کنندگان پروژه تاریخ شروع اولین آزمایشات با پلاسما - 2019 را تأیید کردند. آزمایش‌های کامل برای مارس 2027 برنامه‌ریزی شده است، اگرچه مدیریت پروژه از متخصصان فنی درخواست کرد که سعی کنند روند را بهینه کنند و آزمایش‌ها را در سال 2026 آغاز کنند. شرکت کنندگان در جلسه همچنین در مورد هزینه های ساخت راکتور تصمیم گرفتند، اما مبالغ برنامه ریزی شده برای ایجاد تاسیسات فاش نشد. بر اساس اطلاعاتی که سردبیر پورتال ScienceNOW از منبعی ناشناس دریافت کرده است، تا زمان شروع آزمایش ها، هزینه پروژه ITER می تواند به 16 میلیارد یورو برسد.

جلسه در Cadarache همچنین اولین روز کاری رسمی برای مدیر پروژه جدید، فیزیکدان ژاپنی Osamu Motojima بود. قبل از او، این پروژه از سال 2005 توسط کانام ایکدا ژاپنی هدایت می شد که مایل بود بلافاصله پس از تصویب بودجه و مهلت ساخت، پست خود را ترک کند.

راکتور همجوشی ITER پروژه مشترک اتحادیه اروپا، سوئیس، ژاپن، ایالات متحده آمریکا، روسیه، کره جنوبی، چین و هند است. ایده ایجاد ITER از دهه 80 قرن گذشته مورد توجه قرار گرفته است، اما به دلیل مشکلات مالی و فنی، هزینه پروژه به طور مداوم در حال افزایش است و تاریخ شروع ساخت دائماً به تعویق می افتد. در سال 2009، کارشناسان انتظار داشتند که کار بر روی ایجاد راکتور در سال 2010 آغاز شود. بعداً این تاریخ جابجا شد و ابتدا سال 2018 و سپس 2019 به عنوان زمان راه اندازی راکتور نامگذاری شد.

واکنش‌های همجوشی گرما هسته‌ای واکنش‌هایی از همجوشی هسته‌های ایزوتوپ‌های نور برای تشکیل هسته سنگین‌تر هستند که با آزاد شدن عظیم انرژی همراه است. در تئوری، راکتورهای همجوشی می توانند انرژی زیادی را با هزینه کم تولید کنند، اما در حال حاضر دانشمندان انرژی و پول بیشتری را برای شروع و حفظ واکنش همجوشی صرف می کنند.

همجوشی حرارتی یک روش ارزان و سازگار با محیط زیست برای تولید انرژی است. همجوشی گرما هسته ای کنترل نشده میلیاردها سال است که در خورشید رخ می دهد - هلیوم از ایزوتوپ هیدروژن سنگین دوتریوم تشکیل شده است. این مقدار عظیم انرژی آزاد می کند. با این حال، مردم روی زمین هنوز یاد نگرفته اند که چنین واکنش هایی را کنترل کنند.

راکتور ITER از ایزوتوپ های هیدروژن به عنوان سوخت استفاده خواهد کرد. در طی یک واکنش گرما هسته ای، انرژی آزاد می شود که اتم های سبک با یکدیگر ترکیب شوند و اتم های سنگین تر را تشکیل دهند. برای رسیدن به این هدف، گاز باید تا دمای بیش از 100 میلیون درجه - بسیار بالاتر از دمای مرکز خورشید - گرم شود. گاز در این دما به پلاسما تبدیل می شود. در همان زمان، اتم های ایزوتوپ های هیدروژن ادغام می شوند و با آزاد شدن تعداد زیادی نوترون به اتم های هلیوم تبدیل می شوند. نیروگاهی که بر اساس این اصل کار می کند، از انرژی نوترون هایی استفاده می کند که توسط لایه ای از مواد متراکم (لیتیوم) کند شده است.

چرا ایجاد تاسیسات هسته ای اینقدر طولانی شد؟

چرا چنین تاسیسات مهم و ارزشمندی که حدود نیم قرن است درباره مزایای آن صحبت می شود، هنوز ایجاد نشده است؟ سه دلیل اصلی وجود دارد (در زیر مورد بحث قرار می گیرد)، که اولی را می توان خارجی یا اجتماعی نامید، و دو دلیل دیگر - داخلی، یعنی توسط قوانین و شرایط توسعه خود انرژی گرما هسته ای تعیین می شود.

1. برای مدت طولانی، اعتقاد بر این بود که مشکل استفاده عملی از انرژی همجوشی گرما هسته ای نیازی به تصمیم گیری و اقدامات فوری ندارد، زیرا در دهه 80 قرن گذشته، منابع سوخت فسیلی پایان ناپذیر به نظر می رسید و مشکلات زیست محیطی و تغییرات آب و هوایی باعث شد. نگران عموم نباشد در سال 1976، کمیته مشورتی انرژی همجوشی وزارت انرژی ایالات متحده تلاش کرد تا چارچوب زمانی تحقیق و توسعه و یک نیروگاه همجوشی نمایشی را تحت گزینه های مختلف بودجه تحقیقاتی تخمین بزند. در عین حال، مشخص شد که حجم بودجه سالانه برای تحقیقات در این راستا کاملاً ناکافی است و در صورت حفظ سطح اعتبارات موجود، ایجاد تأسیسات ترمو هسته‌ای هرگز موفق نخواهد بود، زیرا اعتبارات تخصیص یافته مطابقت ندارد. حتی به حداقل، سطح بحرانی.

2. مانع جدی‌تر برای توسعه تحقیقات در این زمینه این است که یک تاسیسات حرارتی هسته‌ای از نوع مورد بحث را نمی‌توان در مقیاس کوچک ایجاد و نشان داد. از توضیحات ارائه شده در زیر، مشخص خواهد شد که همجوشی حرارتی نه تنها به محصور شدن مغناطیسی پلاسما، بلکه به گرمایش کافی آن نیز نیاز دارد. نسبت انرژی مصرف شده و دریافتی حداقل به نسبت مربع ابعاد خطی تاسیسات افزایش می‌یابد، در نتیجه قابلیت‌ها و مزایای علمی و فنی تاسیسات گرما هسته‌ای را می‌توان تنها در ایستگاه‌های نسبتا بزرگ آزمایش و نشان داد. به عنوان راکتور ITER ذکر شده. تا زمانی که اعتماد کافی به موفقیت وجود نداشت، جامعه به سادگی آماده تامین مالی چنین پروژه های بزرگی نبود.

3. توسعه انرژی حرارتی هسته ای بسیار پیچیده بوده است، با این حال (با وجود بودجه ناکافی و مشکلات در انتخاب مراکز برای ایجاد تاسیسات JET و ITER)، پیشرفت واضحی در سال های اخیر مشاهده شده است، اگرچه هنوز یک ایستگاه عملیاتی ایجاد نشده است.

دنیای مدرن با یک چالش انرژی بسیار جدی مواجه است که می توان آن را به طور دقیق تر «بحران انرژی نامطمئن» نامید. مشکل به این واقعیت مربوط می شود که ذخایر سوخت های فسیلی ممکن است در نیمه دوم این قرن تمام شود. علاوه بر این، سوزاندن سوخت های فسیلی ممکن است منجر به نیاز به جذب و "ذخیره" دی اکسید کربن آزاد شده در جو (برنامه CCS ذکر شده در بالا) برای جلوگیری از تغییرات عمده در آب و هوای سیاره شود.

در حال حاضر، تقریباً تمام انرژی مصرف شده توسط بشر با سوزاندن سوخت های فسیلی ایجاد می شود و راه حل مشکل ممکن است با استفاده از انرژی خورشیدی یا انرژی هسته ای (ایجاد راکتورهای تولیدکننده سریع و غیره) مرتبط باشد. مشکل جهانی ناشی از رشد روزافزون جمعیت کشورهای در حال توسعه و نیاز آنها به بهبود استانداردهای زندگی و افزایش میزان انرژی تولیدی را نمی توان تنها بر اساس این رویکردها حل کرد، البته هر گونه تلاشی برای توسعه روش های جایگزین تولید انرژی وجود دارد. باید تشویق شود.

به بیان دقیق، ما انتخاب کوچکی از استراتژی های رفتاری داریم و توسعه انرژی حرارتی هسته ای بسیار مهم است، حتی با وجود عدم وجود تضمین موفقیت. روزنامه فایننشال تایمز (مورخ 25 ژانویه 2004) در این باره نوشت:

حتی اگر هزینه های پروژه ITER به طور قابل توجهی از برآورد اولیه فراتر رود، بعید است که به سطح 1 میلیارد دلار در سال برسد. این سطح از هزینه را باید بهای بسیار ناچیزی برای فرصتی بسیار معقول برای ایجاد منبع انرژی جدید برای همه بشریت در نظر گرفت، به ویژه با توجه به این واقعیت که در قرن حاضر ناگزیر باید عادت به اتلاف را کنار بگذاریم. و سوزاندن بی رویه سوخت های فسیلی.

بیایید امیدوار باشیم که در مسیر توسعه انرژی هسته ای هیچ غافلگیری بزرگ و غیرمنتظره ای وجود نداشته باشد. در این صورت، در حدود 30 سال آینده، برای اولین بار می‌توانیم جریان الکتریکی را از آن به شبکه‌های انرژی برسانیم و تا 10 سال دیگر، اولین نیروگاه تجاری حرارتی هسته‌ای آغاز به کار خواهد کرد. این امکان وجود دارد که در نیمه دوم قرن جاری، انرژی همجوشی هسته ای جایگزین سوخت های فسیلی شود و به تدریج نقش مهمی را در تامین انرژی بشر در مقیاس جهانی ایفا کند.

هیچ تضمینی وجود ندارد که وظیفه ایجاد انرژی گرما هسته ای (به عنوان یک منبع انرژی موثر و در مقیاس بزرگ برای تمام بشریت) با موفقیت انجام شود، اما احتمال موفقیت در این مسیر بسیار زیاد است. با توجه به پتانسیل عظیم ایستگاه‌های هسته‌ای، همه هزینه‌های پروژه‌ها برای توسعه سریع (و حتی شتاب‌زده) آنها را می‌توان موجه دانست، به‌ویژه که این سرمایه‌گذاری‌ها در مقابل پس‌زمینه بازار هیولایی انرژی جهانی (۴ تریلیون دلار در سال) بسیار متوسط ​​به نظر می‌رسند. تامین انرژی مورد نیاز بشر یک مشکل بسیار جدی است. همانطور که سوخت‌های فسیلی کمتر در دسترس می‌شوند (و استفاده از آنها نامطلوب می‌شود)، وضعیت در حال تغییر است و ما به سادگی نمی‌توانیم انرژی همجوشی را توسعه دهیم.

در پاسخ به این سوال که "انرژی حرارتی هسته ای چه زمانی ظاهر می شود؟" لو آرتیموویچ (یک پیشگام و رهبر شناخته شده تحقیقات در این زمینه) زمانی پاسخ داد که "زمانی ایجاد خواهد شد که واقعاً برای بشریت ضروری شود".

ITER اولین راکتور همجوشی خواهد بود که انرژی بیشتری نسبت به مصرف خود تولید می کند. دانشمندان این ویژگی را با استفاده از یک ضریب ساده که آن را "Q" می نامند اندازه گیری می کنند. اگر ITER به تمام اهداف علمی خود دست یابد، 10 برابر انرژی مصرفی خود تولید خواهد کرد. آخرین دستگاه ساخته شده، Joint European Torus در انگلستان، نمونه اولیه کوچکتری از راکتور همجوشی است که در مراحل پایانی تحقیقات علمی، به مقدار Q تقریباً 1 دست یافت. . ITER با نشان دادن تولید انرژی از همجوشی و دستیابی به مقدار Q 10 فراتر از این خواهد رفت. ایده تولید 500 مگاوات از مصرف انرژی تقریباً 50 مگاوات است. بنابراین، یکی از اهداف علمی ITER این است که ثابت کند که مقدار Q برابر با 10 قابل دستیابی است.

یکی دیگر از اهداف علمی این است که ITER یک زمان "سوزاندن" بسیار طولانی داشته باشد - یک پالس طولانی مدت تا یک ساعت. ITER یک راکتور آزمایشی تحقیقاتی است که نمی تواند به طور مداوم انرژی تولید کند. هنگامی که ITER شروع به کار می کند، به مدت یک ساعت روشن می شود و پس از آن باید خاموش شود. این مهم است زیرا تاکنون دستگاه‌های استانداردی که ما ایجاد کرده‌ایم می‌توانستند زمان سوختن چند ثانیه یا حتی دهم ثانیه داشته باشند - این حداکثر است. "Joint European Torus" با زمان سوختن تقریباً دو ثانیه با طول پالس 20 ثانیه به مقدار Q خود به 1 رسید. اما فرآیندی که چند ثانیه طول می کشد واقعاً دائمی نیست. به قیاس با روشن کردن موتور خودرو: روشن کردن مختصر موتور و سپس خاموش کردن آن هنوز عملکرد واقعی خودرو نیست. تنها زمانی که ماشین خود را به مدت نیم ساعت رانندگی کنید، به حالت کار ثابت می رسد و نشان می دهد که چنین ماشینی واقعاً قابل رانندگی است.

یعنی از نظر فنی و علمی، ITER مقدار Q 10 و افزایش زمان رایت را ارائه می دهد.

برنامه همجوشی حرارتی واقعاً بین المللی و ماهیت گسترده ای دارد. مردم در حال حاضر روی موفقیت ITER حساب می کنند و به گام بعدی فکر می کنند - ایجاد یک نمونه اولیه از یک راکتور حرارتی هسته ای صنعتی به نام DEMO. برای ساخت آن، ITER باید کار کند. ما باید به اهداف علمی خود برسیم زیرا این بدان معناست که ایده هایی که ارائه می کنیم کاملاً قابل اجرا هستند. با این حال، موافقم که همیشه باید به آنچه در آینده می آید فکر کنید. علاوه بر این، با فعالیت ITER به مدت 25 تا 30 سال، دانش ما به تدریج عمیق تر و گسترش خواهد یافت و ما قادر خواهیم بود گام بعدی خود را با دقت بیشتری ترسیم کنیم.

در واقع، هیچ بحثی در مورد اینکه آیا ITER باید توکاماک باشد وجود ندارد. برخی از دانشمندان این سوال را کاملا متفاوت مطرح می کنند: آیا ITER وجود دارد؟ کارشناسان در کشورهای مختلف که پروژه‌های هسته‌ای نه چندان بزرگ خود را توسعه می‌دهند، استدلال می‌کنند که اصلاً به چنین رآکتور بزرگی نیاز نیست.

با این حال، به سختی باید نظر آنها را معتبر دانست. فیزیکدانانی که برای چندین دهه با تله های حلقوی کار می کردند در ایجاد ITER نقش داشتند. طراحی راکتور حرارتی آزمایشی در کاراداش بر اساس تمام دانش به دست آمده در طی آزمایشات بر روی ده ها توکاماک قبلی بود. و این نتایج نشان می دهد که راکتور باید یک توکامک و در عین حال بزرگ باشد.

JET در حال حاضر موفق ترین توکامک را می توان JET دانست که توسط اتحادیه اروپا در شهر ابینگدون بریتانیا ساخته شده است. این بزرگترین راکتور از نوع توکاماک است که تا به امروز ایجاد شده است، شعاع بزرگ توروس پلاسما 2.96 متر است. قدرت واکنش گرما هسته ای در حال حاضر به بیش از 20 مگاوات با زمان ماند تا 10 ثانیه رسیده است. راکتور حدود 40 درصد از انرژی وارد شده به پلاسما را برمی گرداند.

ایگور سمنوف به Infox.ru گفت: این فیزیک پلاسما است که تعادل انرژی را تعیین می کند. دانشیار MIPT با یک مثال ساده توضیح داد که تعادل انرژی چیست: «همه ما آتش سوزی را دیده ایم. در واقع این چوب نیست که در آنجا می سوزد، بلکه گاز است. زنجیره انرژی در آنجا به این صورت است: گاز می سوزد، چوب گرم می شود، چوب تبخیر می شود، گاز دوباره می سوزد. بنابراین، اگر آب را روی آتش بیندازیم، برای تبدیل فاز آب مایع به حالت بخار، به طور ناگهانی از سیستم انرژی می گیریم. تعادل منفی می شود و آتش خاموش می شود. راه دیگری وجود دارد - ما به سادگی می توانیم آتش نشان ها را برداریم و آنها را در فضا پخش کنیم. آتش نیز خاموش خواهد شد. در رآکتور حرارتی هسته‌ای که ما در حال ساختن آن هستیم، همین‌طور است. ابعاد برای ایجاد تعادل انرژی مثبت مناسب برای این راکتور انتخاب شده است. برای ساختن یک نیروگاه هسته ای واقعی در آینده کافی است و در این مرحله آزمایشی تمام مشکلاتی که در حال حاضر حل نشده باقی مانده اند را حل می کند.

ابعاد راکتور یک بار تغییر کرد. این اتفاق در اواخر قرن 20-21 رخ داد، زمانی که ایالات متحده از پروژه خارج شد و اعضای باقی مانده متوجه شدند که بودجه ITER (در آن زمان 10 میلیارد دلار آمریکا تخمین زده می شد) بسیار زیاد است. فیزیکدانان و مهندسان ملزم به کاهش هزینه نصب شدند. و این فقط به دلیل اندازه قابل انجام است. "بازطراحی" ITER توسط فیزیکدان فرانسوی رابرت آیمار، که قبلاً روی توکامک فرانسوی Tore Supra در کاراداش کار می کرد، رهبری شد. شعاع بیرونی توروس پلاسما از 8.2 به 6.3 متر کاهش یافته است. با این حال، خطرات مرتبط با کاهش اندازه تا حدی توسط چندین آهنربای ابررسانای اضافی جبران شد، که امکان اجرای حالت محصور شدن پلاسما را فراهم کرد، که در آن زمان باز و مورد مطالعه قرار گرفت.

ITER (ITER، راکتور آزمایشی حرارتی بین‌المللی، «رآکتور آزمایشی بین‌المللی گرما هسته‌ای») یک پروژه علمی و فنی در مقیاس بزرگ است که هدف آن ساخت اولین راکتور آزمایشی حرارتی بین‌المللی است.

توسط هفت شریک اصلی (اتحادیه اروپا، هند، چین، جمهوری کره، روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن) در Cadarache (منطقه پروونس-آلپ-کوت دازور، فرانسه) اجرا شد. ITER بر اساس یک نصب توکامک (نامگذاری شده از اولین حروف آن: یک محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی) است که امیدوارکننده ترین دستگاه برای اجرای همجوشی گرما هسته ای کنترل شده در نظر گرفته می شود. اولین توکاماک در سال 1954 در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد.

هدف این پروژه نشان دادن این است که انرژی همجوشی می تواند در مقیاس صنعتی استفاده شود. ITER باید از طریق واکنش همجوشی با ایزوتوپ های هیدروژن سنگین در دمای بالای 100 میلیون درجه انرژی تولید کند.

فرض بر این است که 1 گرم سوخت (مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم) که در نصب استفاده می شود، انرژی برابر با 8 تن نفت را تامین می کند. توان حرارتی هسته ای تخمینی ITER 500 مگاوات است.

کارشناسان می گویند که راکتوری از این نوع بسیار ایمن تر از نیروگاه های هسته ای فعلی (NPP) است و آب دریا می تواند سوخت آن را در مقادیر تقریباً نامحدود تأمین کند. بنابراین، اجرای موفقیت آمیز ITER منبعی پایان ناپذیر از انرژی سازگار با محیط زیست را فراهم می کند.

تاریخچه پروژه

مفهوم راکتور در مؤسسه انرژی اتمی به نام توسعه یافته است. I.V.Kurchatova. در سال 1978، اتحاد جماهیر شوروی ایده اجرای این پروژه را در آژانس بین المللی انرژی اتمی (IAEA) مطرح کرد. توافق برای اجرای این پروژه در سال 1985 در ژنو در جریان مذاکرات بین اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده به دست آمد.

این برنامه بعداً توسط آژانس بین‌المللی انرژی اتمی تأیید شد. در سال 1987، این پروژه نام فعلی خود را دریافت کرد و در سال 1988، یک نهاد حاکم ایجاد شد - شورای ITER. در سال 1988-1990 دانشمندان و مهندسان شوروی، آمریکایی، ژاپنی و اروپایی مطالعه مفهومی این پروژه را انجام دادند.

در 21 جولای 1992، در واشنگتن، اتحادیه اروپا، روسیه، ایالات متحده آمریکا و ژاپن توافقنامه ای را در مورد توسعه پروژه فنی ITER امضا کردند که در سال 2001 تکمیل شد. در سال های 2002-2005. کره جنوبی، چین و هند به این پروژه پیوستند. قرارداد ساخت اولین راکتور همجوشی آزمایشی بین المللی در 21 نوامبر 2006 در پاریس به امضا رسید.

یک سال بعد، در 7 نوامبر 2007، توافق نامه ای در محل ساخت و ساز ITER امضا شد که بر اساس آن راکتور در فرانسه، در مرکز هسته ای Cadarache در نزدیکی مارسی قرار خواهد گرفت. مرکز کنترل و پردازش داده ها در ناکا (استان ایباراکی، ژاپن) واقع خواهد شد.

آماده سازی سایت ساخت و ساز در Cadarache در ژانویه 2007 آغاز شد و ساخت و ساز در مقیاس کامل در سال 2013 آغاز شد. این مجموعه در زمینی به مساحت 180 هکتار واقع خواهد شد. این راکتور با ارتفاع 60 متر و وزن 23 هزار تن در سایتی به طول 1 کیلومتر و عرض 400 متر قرار خواهد گرفت. کار ساخت آن توسط سازمان بین المللی ITER که در اکتبر 2007 ایجاد شد، هماهنگ شده است.

هزینه این پروژه 15 میلیارد یورو برآورد شده است که اتحادیه اروپا (از طریق اوراتوم) 45.4 درصد از آن را تشکیل می دهد و شش شرکت کننده دیگر (از جمله فدراسیون روسیه) هر کدام 9.1 درصد سهم دارند. از سال 1994، قزاقستان نیز تحت سهمیه روسیه در این پروژه مشارکت داشته است.

عناصر راکتور با کشتی به سواحل مدیترانه فرانسه و از آنجا با کاروان های ویژه به منطقه کاداراش منتقل می شوند. برای این منظور، در سال 2013، بخش هایی از جاده های موجود به طور قابل توجهی تجهیز شدند، پل ها تقویت شدند، گذرگاه ها و مسیرهای جدید با سطوح مخصوصاً مستحکم ساخته شدند. در بازه زمانی 2014 تا 2019، حداقل سه دوجین قطار جاده ای فوق سنگین باید از امتداد جاده مستحکم عبور کنند.

سیستم های تشخیص پلاسما برای ITER در نووسیبیرسک توسعه خواهند یافت. توافق نامه ای در این باره در 27 ژانویه 2014 توسط مدیر سازمان بین المللی ITER اوسامو موتوجیما و رئیس آژانس ملی ITER در فدراسیون روسیه آناتولی کراسیلنیکوف امضا شد.

توسعه یک مجتمع تشخیصی در چارچوب توافقنامه جدید بر اساس موسسه فیزیک و فنی به نام انجام می شود. آکادمی علوم روسیه A.F. Ioffe.

انتظار می رود که راکتور در سال 2020 به بهره برداری برسد، اولین واکنش های همجوشی هسته ای زودتر از سال 2027 روی آن انجام شود. در سال 2037 برنامه ریزی شده است که بخش آزمایشی پروژه تکمیل شود و تا سال 2040 به تولید برق روی بیاورد. . طبق پیش‌بینی‌های اولیه کارشناسان، نسخه صنعتی راکتور زودتر از سال 2060 آماده می‌شود و مجموعه‌ای از این نوع راکتورها تنها تا پایان قرن بیست و یکم می‌توانند ایجاد شوند.

آیا انرژی حرارتی هسته ای ضروری است؟

در این مرحله از توسعه تمدن، به جرات می توان گفت که بشریت با یک "چالش انرژی" روبرو است. این به چند عامل اساسی بستگی دارد:

- بشریت اکنون مقدار زیادی انرژی مصرف می کند.

در حال حاضر مصرف انرژی در جهان حدود 15.7 تراوات (TW) است. با تقسیم این مقدار بر جمعیت کره زمین، تقریباً 2400 وات برای هر نفر به دست می آید که به راحتی می توان آن را تخمین زد و تصور کرد. انرژی مصرف شده توسط هر ساکن زمین (از جمله کودکان) مربوط به عملکرد شبانه روزی 24 لامپ الکتریکی 100 وات است.

- مصرف انرژی در جهان به سرعت در حال افزایش است.

طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی (2006)، انتظار می رود مصرف جهانی انرژی تا سال 2030 50 درصد افزایش یابد.

- در حال حاضر 80 درصد انرژی مصرف شده در جهان از سوزاندن سوخت های فسیلی (نفت، زغال سنگ و گاز) ایجاد می شود.) که استفاده از آن به طور بالقوه خطر تغییرات فاجعه بار محیطی را به همراه دارد.

شوخی زیر در بین عربستانی ها رایج است: «پدرم شتر سوار شد. من یک ماشین گرفتم و پسرم در حال پرواز با هواپیما است. اما حالا پسرش دوباره سوار شتر خواهد شد.»

به نظر می رسد که چنین باشد، زیرا همه پیش بینی های جدی حاکی از آن است که ذخایر نفت جهان تا حدود 50 سال آینده تا حد زیادی تمام خواهد شد.

حتی بر اساس برآوردهای سازمان زمین شناسی ایالات متحده (این پیش بینی بسیار خوش بینانه تر از سایرین است)، رشد تولید نفت جهان تا 20 سال آینده ادامه خواهد داشت (سایر کارشناسان پیش بینی می کنند که حداکثر تولید در 5 تا 10 سال آینده خواهد رسید. سال) پس از آن حجم نفت تولیدی با نرخی در حدود 3 درصد در سال کاهش خواهد یافت. چشم انداز تولید گاز طبیعی خیلی بهتر به نظر نمی رسد. معمولاً گفته می شود تا 200 سال دیگر زغال سنگ کافی خواهیم داشت، اما این پیش بینی مبتنی بر حفظ سطح تولید و مصرف موجود است. در همین حال، مصرف زغال سنگ در حال حاضر 4.5 درصد در سال افزایش می یابد که بلافاصله دوره 200 ساله ذکر شده را به 50 سال کاهش می دهد.

بنابراین، اکنون باید برای پایان دوران استفاده از سوخت های فسیلی آماده شویم.

متاسفانه در حال حاضر منابع انرژی جایگزین موجود قادر به پوشش نیازهای روزافزون بشریت نیستند. بر اساس خوش بینانه ترین برآوردها، حداکثر مقدار انرژی (در معادل حرارتی مشخص) تولید شده توسط منابع ذکر شده تنها 3 TW (بادی)، 1 TW (هیدرو)، 1 TW (منابع بیولوژیکی) و 100 GW (زمین گرمایی و دریایی) است. گیاهان). مقدار کل انرژی اضافی (حتی در این بهینه ترین پیش بینی) تنها حدود 6 TW است. شایان ذکر است که توسعه منابع انرژی جدید یک کار فنی بسیار پیچیده است، بنابراین هزینه انرژی تولیدی آنها در هر صورت بیشتر از احتراق معمول زغال سنگ و غیره خواهد بود. کاملاً بدیهی به نظر می رسد که

بشریت باید به دنبال منابع دیگری از انرژی باشد، که در حال حاضر فقط خورشید و واکنش های همجوشی حرارتی هسته ای را واقعا می توان در نظر گرفت.

خورشید به طور بالقوه یک منبع تقریباً پایان ناپذیر انرژی است. مقدار انرژی که فقط به 0.1٪ از سطح سیاره برخورد می کند، معادل 3.8 TW است (حتی اگر تنها با بازده 15٪ تبدیل شود). مشکل در عدم توانایی ما در جذب و تبدیل این انرژی است که هم با هزینه بالای پنل های خورشیدی و هم با مشکلات انباشتگی، ذخیره سازی و انتقال بیشتر انرژی حاصله به مناطق مورد نیاز همراه است.

در حال حاضر نیروگاه های هسته ای انرژی آزاد شده در طی واکنش های شکافت هسته های اتمی را در مقیاس بزرگ تولید می کنند. من معتقدم ایجاد و توسعه چنین ایستگاه هایی باید به هر طریق ممکن تشویق شود، اما باید در نظر داشت که ذخایر یکی از مهمترین مواد برای فعالیت آنها (اورانیوم ارزان) نیز می تواند به طور کامل در داخل کشور مصرف شود. 50 سال آینده

یکی دیگر از جهت گیری های مهم توسعه استفاده از همجوشی هسته ای (همجوشی هسته ای) است که اکنون به عنوان امید اصلی برای نجات عمل می کند، اگرچه زمان ایجاد اولین نیروگاه های حرارتی هسته ای نامشخص است. این سخنرانی به این موضوع اختصاص دارد.

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته ای، که اساس وجود خورشید و ستارگان است، به طور بالقوه منبع انرژی پایان ناپذیری برای توسعه کیهان به طور کلی است. آزمایش‌هایی که در روسیه (روسیه زادگاه نیروگاه حرارتی توکاماک است)، ایالات متحده آمریکا، ژاپن، آلمان و همچنین در بریتانیا به عنوان بخشی از برنامه مشترک اروپایی Torus (JET) که یکی از برنامه‌های تحقیقاتی پیشرو است، انجام شده است. در جهان، نشان می دهد که همجوشی هسته ای می تواند نه تنها نیازهای انرژی فعلی بشر (16 TW)، بلکه مقدار بسیار بیشتری از انرژی را نیز تامین کند.

انرژی همجوشی هسته ای بسیار واقعی است و سوال اصلی این است که آیا می توانیم نیروگاه های همجوشی به اندازه کافی قابل اعتماد و مقرون به صرفه ایجاد کنیم؟

فرآیندهای همجوشی هسته‌ای واکنش‌هایی هستند که شامل همجوشی هسته‌های سبک اتمی به هسته‌های سنگین‌تر می‌شوند و مقدار معینی انرژی آزاد می‌کنند.

اول از همه، در میان آنها باید به واکنش بین دو ایزوتوپ (دوتریوم و تریتیوم) هیدروژن اشاره کرد که در زمین بسیار رایج است، در نتیجه هلیوم تشکیل شده و یک نوترون آزاد می شود. واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

D + T = 4 He + n + انرژی (17.6 مگا ولت).

انرژی آزاد شده، ناشی از این واقعیت است که هلیوم-4 دارای پیوندهای هسته ای بسیار قوی است، به انرژی جنبشی معمولی تبدیل می شود که بین نوترون و هسته هلیوم-4 به نسبت 14.1 MeV/3.5 MeV توزیع می شود.

برای شروع (اشتعال) واکنش همجوشی، لازم است گاز از مخلوط دوتریوم و تریتیوم به طور کامل یونیزه شود و تا دمای بالای 100 میلیون درجه سانتیگراد (آن را با M درجه نشان خواهیم داد) که حدوداً پنج برابر بیشتر است، گرم شود. نسبت به دمای مرکز خورشید در حال حاضر در دمای چند هزار درجه، برخوردهای بین اتمی منجر به حذف الکترون ها از اتم ها می شود و در نتیجه مخلوطی از هسته ها و الکترون های جدا شده به نام پلاسما تشکیل می شود که در آن دوترون ها و تریتون های دارای بار مثبت و پرانرژی (یعنی دوتریوم) و هسته های تریتیوم) دافعه متقابل قوی را تجربه می کنند. با این حال، دمای بالای پلاسما (و انرژی یونی بالا) به این یون‌های دوتریوم و تریتیوم اجازه می‌دهد بر دافعه کولن غلبه کرده و با یکدیگر برخورد کنند. در دماهای بالاتر از 100 M درجه، "پر انرژی ترین" دوترون ها و تریتون ها در برخوردهایی در فواصل نزدیک به هم می رسند که نیروهای هسته ای قدرتمند شروع به عمل بین آنها می کنند و آنها را مجبور می کنند با یکدیگر در یک کل واحد ادغام شوند.

انجام این فرآیند در آزمایشگاه سه مشکل بسیار دشوار را به همراه دارد. اول از همه، مخلوط گازی هسته های D و T باید تا دمای بالای 100 M درجه حرارت داده شود تا به نوعی از سرد شدن و آلوده شدن آن (به دلیل واکنش با دیواره های ظرف) جلوگیری شود.

برای حل این مشکل، "تله های مغناطیسی" به نام توکامک اختراع شد که از تعامل پلاسما با دیواره های راکتور جلوگیری می کند.

در روش توصیف شده، پلاسما توسط جریان الکتریکی که در داخل چنبره جریان دارد تا حدود 3 M درجه گرم می شود، اما هنوز برای شروع واکنش کافی نیست. برای گرم کردن پلاسما، انرژی یا با تابش فرکانس رادیویی به داخل آن پمپ می شود (مانند اجاق مایکروویو)، یا پرتوهایی از ذرات خنثی پرانرژی تزریق می شود که انرژی خود را در هنگام برخورد به پلاسما منتقل می کند. علاوه بر این، انتشار گرما به دلیل خود واکنش های گرما هسته ای اتفاق می افتد (همانطور که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت)، در نتیجه "اشتعال" پلاسما باید در یک نصب به اندازه کافی بزرگ رخ دهد.

در حال حاضر، در فرانسه، ساخت و ساز راکتور آزمایشی بین‌المللی گرما هسته‌ای ITER (رآکتور تجربی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی)، که در زیر توضیح داده شده است، آغاز می‌شود، که اولین توکامک است که قادر به "اشتعال" پلاسما است.

در پیشرفته‌ترین تاسیسات موجود از نوع توکامک، دمایی در حدود 150 M درجه به دست آمده است، نزدیک به مقادیر مورد نیاز برای عملکرد یک ایستگاه حرارتی هسته‌ای، اما راکتور ITER باید به اولین نیروگاه در مقیاس بزرگ تبدیل شود. کارخانه طراحی شده برای عملیات طولانی مدت. در آینده، بهبود قابل توجهی پارامترهای عملکرد آن ضروری خواهد بود، که اول از همه به افزایش فشار در پلاسما نیاز دارد، زیرا سرعت همجوشی هسته ای در دمای معین متناسب با مربع است. فشار.

مشکل اصلی علمی در این مورد به این واقعیت مربوط می شود که وقتی فشار در پلاسما افزایش می یابد، ناپایداری های بسیار پیچیده و خطرناک ایجاد می شود، یعنی حالت های عملکرد ناپایدار.

هسته‌های هلیوم باردار الکتریکی که در طی واکنش همجوشی به وجود می‌آیند در داخل یک «تله مغناطیسی» نگهداری می‌شوند، جایی که به تدریج به دلیل برخورد با ذرات دیگر کند می‌شوند و انرژی آزاد شده در طول برخورد به حفظ دمای بالای طناب پلاسما کمک می‌کند. نوترون های خنثی (بدون بار الکتریکی) سیستم را ترک می کنند و انرژی خود را به دیواره های راکتور منتقل می کنند و گرمای گرفته شده از دیواره ها منبع انرژی برای عملکرد توربین هایی است که برق تولید می کنند. مشکلات و دشواری های بهره برداری از چنین تأسیساتی، اول از همه، با این واقعیت مرتبط است که جریان قدرتمند نوترون های پرانرژی و انرژی آزاد شده (به شکل تابش الکترومغناطیسی و ذرات پلاسما) به طور جدی بر راکتور تأثیر می گذارد و می تواند تخریب کند. موادی که از آن ساخته شده است.

به همین دلیل، طراحی تاسیسات هسته ای بسیار پیچیده است. فیزیکدانان و مهندسان وظیفه دارند از قابلیت اطمینان بالای کار خود اطمینان حاصل کنند. طراحی و ساخت ایستگاه های ترموهسته ای نیازمند حل تعدادی از مسائل متنوع و بسیار پیچیده فناوری است.

طراحی نیروگاه حرارتی

شکل یک نمودار شماتیک (نه در مقیاس) از دستگاه و اصل عملکرد یک نیروگاه حرارتی را نشان می دهد. در قسمت مرکزی یک محفظه حلقوی (دونات شکل) با حجم ~ 2000 متر مکعب وجود دارد که با پلاسمای تریتیوم-دوتریوم (T-D) پر شده است که تا دمای بالاتر از 100 M درجه گرم شده است. نوترون های تولید شده در طی واکنش همجوشی از "تله مغناطیسی" خارج شده و وارد پوسته نشان داده شده در شکل با ضخامت حدود 1 متر می شوند.

در داخل پوسته، نوترون ها با اتم های لیتیوم برخورد می کنند و در نتیجه واکنشی ایجاد می شود که تریتیوم تولید می کند:

نوترون + لیتیوم = هلیوم + تریتیوم.

علاوه بر این، واکنش های رقابتی در سیستم رخ می دهد (بدون تشکیل تریتیوم)، و همچنین واکنش های بسیاری با آزاد شدن نوترون های اضافی، که سپس منجر به تشکیل تریتیوم می شود (در این مورد، آزاد شدن نوترون های اضافی می تواند به طور قابل توجهی افزایش یافته است، به عنوان مثال، با وارد کردن اتم ها به پوسته بریلیم و سرب). نتیجه گیری کلی این است که این تاسیسات می تواند (حداقل از نظر تئوری) تحت یک واکنش همجوشی هسته ای قرار گیرد که تریتیوم تولید می کند. در این صورت، مقدار تریتیوم تولید شده نه تنها باید پاسخگوی نیازهای خود تاسیسات باشد، بلکه حتی تا حدودی بیشتر باشد که امکان تامین تاسیسات جدید با تریتیوم را فراهم می کند.

این مفهوم عملیاتی است که باید در راکتور ITER که در زیر توضیح داده شده است آزمایش و اجرا شود.

نوترون ها باید پوسته را در کارخانه های به اصطلاح آزمایشی (که در آن از مصالح ساختمانی نسبتاً "معمولی" استفاده می شود) تا دمای تقریباً 400 درجه گرم کنند. در آینده برنامه ریزی شده است که تاسیسات بهبودیافته با دمای گرمایش پوسته بالای 1000 درجه ایجاد شود که با استفاده از جدیدترین مواد با مقاومت بالا (مانند کامپوزیت های کاربید سیلیکون) قابل دستیابی است. گرمای تولید شده در پوسته، مانند ایستگاه های معمولی، توسط مدار خنک کننده اولیه با یک خنک کننده (مثلاً حاوی آب یا هلیوم) گرفته می شود و به مدار ثانویه منتقل می شود، جایی که بخار آب تولید و به توربین ها عرضه می شود.

مزیت اصلی همجوشی هسته ای این است که فقط به مقادیر بسیار کمی از موادی نیاز دارد که در طبیعت به عنوان سوخت بسیار رایج هستند.

واکنش همجوشی هسته‌ای در تاسیسات توصیف‌شده می‌تواند منجر به آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی، ده میلیون برابر بیشتر از گرمای استاندارد آزاد شده در طی واکنش‌های شیمیایی معمول (مانند احتراق سوخت‌های فسیلی) شود. برای مقایسه، به این نکته اشاره می کنیم که مقدار زغال سنگ مورد نیاز برای تامین انرژی یک نیروگاه حرارتی با ظرفیت 1 گیگاوات (GW) 10000 تن در روز (ده واگن راه آهن) است و یک نیروگاه همجوشی با همین قدرت فقط حدودا مصرف خواهد کرد. 1 کیلوگرم مخلوط D+ در روز T.

دوتریوم ایزوتوپ پایدار هیدروژن است. در حدود یک مولکول از هر 3350 مولکول آب معمولی، یکی از اتم های هیدروژن با دوتریوم (میراثی از انفجار بزرگ کیهان) جایگزین می شود. این واقعیت سازماندهی تولید نسبتاً ارزان مقدار مورد نیاز دوتریوم از آب را آسان می کند. به دست آوردن تریتیوم که ناپایدار است دشوارتر است (نیمه عمر حدود 12 سال است که در نتیجه محتوای آن در طبیعت ناچیز است) ، اما همانطور که در بالا نشان داده شده است ، تریتیوم در حین کار مستقیماً در داخل تأسیسات ترموهسته ای تولید می شود. به دلیل واکنش نوترون ها با لیتیوم.

بنابراین، سوخت اولیه برای یک راکتور همجوشی لیتیوم و آب است.

لیتیوم یک فلز رایج است که به طور گسترده در لوازم خانگی (به عنوان مثال باتری تلفن همراه) استفاده می شود. تاسیساتی که در بالا توضیح داده شد، حتی با در نظر گرفتن راندمان غیر ایده آل، قادر به تولید 200000 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی خواهد بود که معادل انرژی موجود در 70 تن زغال سنگ است. مقدار لیتیوم مورد نیاز برای این کار در یک باتری کامپیوتر و مقدار دوتریوم در 45 لیتر آب موجود است. مقدار فوق مربوط به مصرف برق فعلی (محاسبه برای هر نفر) در کشورهای اتحادیه اروپا در طی 30 سال است. خود این واقعیت که چنین مقدار ناچیز لیتیوم می تواند تولید چنین مقدار برق را (بدون انتشار CO 2 و بدون کوچکترین آلودگی هوا) فراهم کند، یک استدلال نسبتاً جدی برای توسعه سریع و شدید تحقیقات در مورد توسعه هسته ای گرما است. انرژی (با وجود تمام مشکلات و مشکلات) حتی با چشم انداز بلندمدت ایجاد یک راکتور گرما هسته ای مقرون به صرفه.

دوتریوم باید میلیون ها سال دوام بیاورد و ذخایر لیتیومی که به راحتی استخراج می شود برای تامین نیازهای صدها سال کافی است.

حتی اگر لیتیوم در سنگ ها تمام شود، می توانیم آن را از آب استخراج کنیم، جایی که غلظت آن به اندازه کافی بالاست (100 برابر غلظت اورانیوم) که استخراج آن از نظر اقتصادی امکان پذیر باشد.

انرژی همجوشی نه تنها به بشر، در اصل، امکان تولید مقادیر عظیم انرژی در آینده (بدون انتشار CO 2 و بدون آلودگی هوا) را نوید می دهد، بلکه دارای تعدادی مزایای دیگر نیز می باشد.

1 ) امنیت داخلی بالا.

پلاسمای مورد استفاده در تاسیسات حرارتی دارای چگالی بسیار کم (حدود یک میلیون برابر کمتر از چگالی جو) است که در نتیجه محیط عملیاتی تاسیسات هرگز دارای انرژی کافی برای ایجاد حوادث یا حوادث جدی نخواهد بود.

علاوه بر این، بارگیری با "سوخت" باید به طور مداوم انجام شود، که توقف عملیات آن را آسان می کند، ناگفته نماند که در صورت وقوع حادثه و تغییر شدید شرایط محیطی، "شعله" حرارتی باید به سادگی برو بیرون.

خطرات مرتبط با انرژی گرما هسته ای چیست؟ ابتدا، شایان ذکر است که اگرچه محصولات همجوشی (هلیوم و نوترون ها) رادیواکتیو نیستند، پوسته راکتور می تواند تحت تابش طولانی مدت نوترون رادیواکتیو شود.

ثانیاً، تریتیوم رادیواکتیو است و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد (12 سال). اما اگرچه حجم پلاسمای مورد استفاده قابل توجه است، اما به دلیل چگالی کم آن تنها حاوی مقدار بسیار کمی تریتیوم است (وزن کلی حدود ده تمبر پستی). از همین رو

حتی در شدیدترین شرایط و حوادث (تخریب کامل پوسته و آزاد شدن تمام تریتیوم موجود در آن، به عنوان مثال، در هنگام زلزله و سقوط هواپیما در ایستگاه)، تنها مقدار کمی سوخت به داخل بدنه رها می شود. محیطی که نیازی به تخلیه جمعیت از مناطق پرجمعیت مجاور نخواهد داشت.

2 ) هزینه انرژی

انتظار می رود که قیمت به اصطلاح "داخلی" برق دریافتی (هزینه تولید خود) در صورتی قابل قبول باشد که 75٪ قیمت موجود در بازار باشد. "مقرون به صرفه" در این مورد به این معنی است که قیمت کمتر از قیمت انرژی تولید شده با استفاده از سوخت های هیدروکربنی قدیمی خواهد بود. هزینه "خارجی" (عوارض جانبی، اثرات بر سلامت عمومی، آب و هوا، اکولوژی و غیره) اساساً صفر خواهد بود.

راکتور حرارتی آزمایشی بین المللی ITER

گام بعدی اصلی ساختن راکتور ITER است که برای نشان دادن امکان اشتعال پلاسما و بر این اساس، دستیابی به حداقل ده برابر انرژی (نسبت به انرژی صرف شده برای گرم کردن پلاسما) طراحی شده است. راکتور ITER یک دستگاه آزمایشی خواهد بود که حتی مجهز به توربین برای تولید برق و دستگاه هایی برای استفاده از آن نخواهد بود. هدف از ایجاد آن بررسی شرایطی است که باید در حین بهره برداری از چنین نیروگاه هایی برآورده شود و همچنین ایجاد نیروگاه های واقعی و اقتصادی مقرون به صرفه بر این اساس است که ظاهراً باید از نظر اندازه ITER بیشتر باشد. ایجاد نمونه های اولیه واقعی نیروگاه های همجوشی (یعنی نیروگاه های کاملا مجهز به توربین و ...) مستلزم حل دو مشکل زیر است. اول، لازم است به توسعه مواد جدید (قابل تحمل در شرایط عملیاتی بسیار سخت توصیف شده) ادامه داده شود و آنها را مطابق با قوانین ویژه تجهیزات IFMIF (تاسیسات بین المللی تابش فیوژن) که در زیر توضیح داده شده است، آزمایش کنیم. ثانیاً، بسیاری از مشکلات صرفاً فنی باید حل شوند و فناوری‌های جدیدی در ارتباط با کنترل از راه دور، گرمایش، طراحی روکش، چرخه سوخت و غیره توسعه یابد.

شکل راکتور ITER را نشان می‌دهد که نه تنها در تمام ابعاد خطی (حدود دو برابر)، بلکه از نظر بزرگی میدان‌های مغناطیسی به کار رفته در آن و جریان‌های عبوری از پلاسما، از بزرگترین تاسیسات جت امروزی برتری دارد.

هدف از ایجاد این راکتور نشان دادن توانایی های تلاش های ترکیبی فیزیکدانان و مهندسان در ساخت نیروگاه همجوشی در مقیاس بزرگ است.

ظرفیت نصب برنامه ریزی شده توسط طراحان 500 مگاوات (با مصرف انرژی در ورودی سیستم تنها حدود 50 مگاوات) است. 3

نصب ITER توسط کنسرسیومی شامل اتحادیه اروپا، چین، هند، ژاپن، کره جنوبی، روسیه و ایالات متحده آمریکا ایجاد می شود. جمعیت کل این کشورها حدود نیمی از کل جمعیت کره زمین است، بنابراین می توان این پروژه را پاسخی جهانی به یک چالش جهانی نامید. اجزا و اجزای اصلی راکتور ITER قبلاً ایجاد و آزمایش شده است و ساخت آن در Cadarache (فرانسه) آغاز شده است. راه اندازی این راکتور برای سال 2020 برنامه ریزی شده است و تولید پلاسمای دوتریوم-تریتیوم برای سال 2027 برنامه ریزی شده است، زیرا راه اندازی راکتور به آزمایش های طولانی و جدی برای پلاسما از دوتریوم و تریتیوم نیاز دارد.

سیم پیچ های مغناطیسی راکتور ITER مبتنی بر مواد ابررسانا هستند (که اصولاً تا زمانی که جریان در پلاسما حفظ می شود اجازه کار مداوم را می دهد)، بنابراین طراحان امیدوارند که چرخه کاری تضمین شده حداقل 10 دقیقه را ارائه دهند. واضح است که وجود سیم پیچ های مغناطیسی ابررسانا برای عملکرد مداوم یک نیروگاه حرارتی هسته ای واقعی از اهمیت اساسی برخوردار است. سیم‌پیچ‌های ابررسانا قبلاً در دستگاه‌های نوع توکامک استفاده شده‌اند، اما قبلاً در چنین تأسیساتی در مقیاس بزرگ که برای پلاسمای تریتیوم طراحی شده‌اند، استفاده نشده‌اند. علاوه بر این، تاسیسات ITER اولین موردی خواهد بود که از ماژول‌های پوسته مختلف طراحی شده برای کار در ایستگاه‌های واقعی که در آن هسته‌های تریتیوم می‌توانند تولید یا «بازیابی» شوند، استفاده و آزمایش می‌کند.

هدف اصلی از ساخت تاسیسات نشان دادن کنترل موفقیت آمیز احتراق پلاسما و امکان دستیابی واقعی به انرژی در دستگاه های گرما هسته ای در سطح فعلی توسعه فناوری است.

البته توسعه بیشتر در این راستا به تلاش زیادی برای بهبود کارایی دستگاه ها نیاز دارد، به ویژه از نقطه نظر امکان سنجی اقتصادی آنها که با تحقیقات جدی و طولانی چه در راکتور ITER و چه در مورد آن همراه است. سایر وسایل. در بین وظایف محول شده، سه مورد زیر باید به ویژه برجسته شوند:

1) لازم است نشان داده شود که سطح علم و فناوری موجود در حال حاضر به دست آوردن 10 برابر افزایش انرژی (در مقایسه با میزان صرف شده برای حفظ فرآیند) در فرآیند همجوشی هسته ای کنترل شده امکان پذیر است. واکنش باید بدون وقوع شرایط ناپایدار خطرناک، بدون گرم شدن بیش از حد و آسیب به مواد ساختاری و بدون آلودگی پلاسما با ناخالصی ها ادامه یابد. با توان انرژی همجوشی حدود 50 درصد توان گرمایش پلاسما، این اهداف قبلاً در آزمایش‌ها در تأسیسات کوچک محقق شده‌اند، اما ایجاد راکتور ITER قابلیت اطمینان روش‌های کنترل را در تأسیسات بسیار بزرگ‌تری آزمایش می‌کند. انرژی بیشتر در مدت زمان طولانی راکتور ITER برای آزمایش و توافق بر سر الزامات یک راکتور همجوشی آینده طراحی شده است و ساخت آن یک کار بسیار پیچیده و جالب است.

2) مطالعه روش های افزایش فشار در پلاسما (به یاد بیاورید که سرعت واکنش در دمای معین متناسب با مجذور فشار است) برای جلوگیری از بروز حالت های خطرناک ناپایدار رفتار پلاسما ضروری است. موفقیت تحقیق در این راستا یا عملکرد راکتور را با چگالی پلاسما بالاتر تضمین می کند یا نیاز به قدرت میدان های مغناطیسی تولید شده را کاهش می دهد که به طور قابل توجهی هزینه برق تولید شده توسط راکتور را کاهش می دهد.

3) آزمایش ها باید تأیید کنند که عملکرد مداوم راکتور در حالت پایدار می تواند به طور واقع بینانه تضمین شود (از نظر اقتصادی و فنی، این نیاز بسیار مهم به نظر می رسد، اگر نه مورد اصلی)، و نصب را می توان بدون بزرگی شروع کرد. هزینه های انرژی محققان و طراحان واقعا امیدوارند که جریان "مستمر" جریان الکترومغناطیسی از طریق پلاسما را بتوان با تولید آن در پلاسما (به دلیل تابش با فرکانس بالا و تزریق اتم های سریع) تضمین کرد.

دنیای مدرن با یک چالش انرژی بسیار جدی مواجه است که می توان آن را به طور دقیق تر «بحران انرژی نامطمئن» نامید.

در حال حاضر تقریباً تمام انرژی مصرف شده توسط بشر با سوزاندن سوخت های فسیلی ایجاد می شود و راه حل مشکل ممکن است با استفاده از انرژی خورشیدی یا انرژی هسته ای (ایجاد راکتورهای سریع نوترونی و غیره) مرتبط باشد. مشکل جهانی ناشی از رشد روزافزون جمعیت کشورهای در حال توسعه و نیاز آنها به بهبود استانداردهای زندگی و افزایش میزان انرژی تولیدی را نمی توان تنها بر اساس این رویکردها حل کرد، البته هر گونه تلاشی برای توسعه روش های جایگزین تولید انرژی وجود دارد. باید تشویق شود.

اگر در مسیر توسعه انرژی هسته‌ای هیچ غافلگیری بزرگ و غیرمنتظره‌ای وجود نداشته باشد، مشروط به برنامه اقدام منطقی و منظم توسعه‌یافته است که (البته با توجه به سازماندهی خوب کار و بودجه کافی) باید به ایجاد منجر شود. نمونه اولیه یک نیروگاه حرارتی هسته ای در این صورت، در حدود 30 سال آینده، برای اولین بار می‌توانیم جریان الکتریکی را از آن به شبکه‌های انرژی برسانیم و تا 10 سال دیگر، اولین نیروگاه تجاری حرارتی هسته‌ای آغاز به کار خواهد کرد. این امکان وجود دارد که در نیمه دوم قرن جاری، انرژی همجوشی هسته ای جایگزین سوخت های فسیلی شود و به تدریج نقش مهمی را در تامین انرژی بشر در مقیاس جهانی ایفا کند.