כיצד פועל כור תרמו-גרעיני ומדוע הוא עדיין לא נבנה. כור היתוך E.P. וליכוב, S.V. תגובות גרעיניות באנרגיה נמוכה של פוטווינסקי

ITER - כור תרמו-גרעיני בינלאומי (ITER)

צריכת האנרגיה האנושית גדלה מדי שנה, מה שדוחף את מגזר האנרגיה לפיתוח אקטיבי. כך, עם הופעתן של תחנות כוח גרעיניות, כמות האנרגיה שנוצרה ברחבי העולם עלתה משמעותית, מה שאפשר להשתמש באנרגיה בבטחה לכל צרכי האנושות. לדוגמה, 72.3% מהחשמל המופק בצרפת מגיע מתחנות כוח גרעיניות, באוקראינה - 52.3%, בשוודיה - 40.0%, בבריטניה - 20.4%, ברוסיה - 17.1%. עם זאת, הטכנולוגיה אינה עומדת במקום, וכדי לענות על צורכי האנרגיה הנוספים של מדינות עתידיות, מדענים עובדים על מספר פרויקטים חדשניים, אחד מהם הוא ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

למרות שהרווחיות של מתקן זה עדיין בסימן שאלה, לפי עבודתם של חוקרים רבים, היצירה והפיתוח שלאחר מכן של טכנולוגיית היתוך תרמו-גרעיני מבוקר יכולים להביא למקור אנרגיה חזק ובטוח. בואו נסתכל על כמה מההיבטים החיוביים של התקנה כזו:

• הדלק העיקרי של כור תרמו-גרעיני הוא מימן, כלומר רזרבות בלתי נדלות של דלק גרעיני.
• ניתן לייצר מימן על ידי עיבוד מי ים, הזמין לרוב המדינות. מכאן נובע שלא יכול להיווצר מונופול של משאבי דלק.
• ההסתברות לפיצוץ חירום במהלך פעולת כור תרמו-גרעיני קטנה בהרבה מאשר במהלך פעולת כור גרעיני. לדברי החוקרים, גם במקרה של תאונה פליטת הקרינה לא תהווה סכנה לאוכלוסייה, מה שאומר שאין צורך בפינוי.
• בניגוד לכורים גרעיניים, כורי היתוך מייצרים פסולת רדיואקטיבית בעלת זמן מחצית חיים קצר, כלומר היא מתפרקת מהר יותר. כמו כן, אין מוצרי בעירה בכורים תרמו-גרעיניים.
• כור היתוך אינו דורש חומרים המשמשים גם לנשק גרעיני. זה מבטל את האפשרות לכסות את ייצור הנשק הגרעיני על ידי עיבוד חומרים לצרכי כור גרעיני.

כור טרמו-גרעיני - מבט מבפנים

עם זאת, ישנם גם מספר חסרונות טכניים שחוקרים נתקלים בהם כל הזמן.

לדוגמה, הגרסה הנוכחית של הדלק, המוצגת בצורה של תערובת של דאוטריום וטריטיום, דורשת פיתוח טכנולוגיות חדשות. לדוגמה, בתום סדרת הניסויים הראשונה בכור התרמו-גרעיני JET, הגדול ביותר עד כה, הכור הפך לרדיואקטיבי עד כדי כך שנדרש עוד יותר פיתוח של מערכת תחזוקה רובוטית מיוחדת להשלמת הניסוי. גורם מאכזב נוסף בהפעלת כור תרמו-גרעיני הוא יעילותו - 20%, בעוד היעילות של תחנת כוח גרעינית היא 33-34%, ותחנת כוח תרמית היא 40%.

יצירת פרויקט ITER והשקת הכור

פרויקט ITER מתוארך לשנת 1985, כאשר ברית המועצות הציעה יצירה משותפת של טוקאמק - תא טורואידאלי עם סלילים מגנטיים שיכול להחזיק פלזמה באמצעות מגנטים, ובכך ליצור את התנאים הנדרשים להתרחשות תגובת היתוך תרמו-גרעיני. בשנת 1992 נחתם הסכם מרובע על פיתוח ITER, שהצדדים לו היו האיחוד האירופי, ארה"ב, רוסיה ויפן. בשנת 1994 הצטרפה הרפובליקה של קזחסטן לפרויקט, בשנת 2001 - קנדה, בשנת 2003 - דרום קוריאה וסין, בשנת 2005 - הודו. בשנת 2005 נקבע המיקום להקמת הכור - מרכז המחקר לאנרגיה גרעינית Cadarache, צרפת.

בניית הכור החלה בהכנת בור לקרן. אז הפרמטרים של הבור היו 130 על 90 על 17 מטר. כל מתחם הטוקאמק ישקול 360,000 טון, מתוכם 23,000 טון הטוקאמק עצמו.

אלמנטים שונים של מתחם ITER יפותחו ויסופקו לאתר הבנייה מכל רחבי העולם. אז בשנת 2016 פותח ברוסיה חלק מהמוליכים לסלילים פולואידים, שנשלחו לאחר מכן לסין, שתייצר את הסלילים בעצמם.

ברור שעבודה בקנה מידה כה גדול כלל לא קלה לארגון מספר מדינות נכשלו שוב ושוב בלוח הזמנים של הפרויקט, וכתוצאה מכך נדחתה השקת הכור כל הזמן. אז לפי הודעת יוני של השנה שעברה (2016): "קבלת הפלזמה הראשונה מתוכננת לדצמבר 2025".

מנגנון ההפעלה של טוקאמק ITER

המונח "טוקאמק" מגיע מראשי תיבות רוסיים שפירושם "תא טורואידאלי עם סלילים מגנטיים".

הלב של טוקאמק הוא תא הוואקום שלו בצורת טורוס. בפנים, תחת טמפרטורה ולחץ קיצוניים, גז דלק המימן הופך לפלזמה - גז חם טעון חשמלי. כידוע, חומר הכוכבים מיוצג על ידי פלזמה, ותגובות תרמו-גרעיניות בליבת השמש מתרחשות בדיוק בתנאים של טמפרטורה ולחץ גבוהים. תנאים דומים להיווצרות, שמירה, דחיסה וחימום של פלזמה נוצרים באמצעות סלילים מגנטיים מסיביים הממוקמים סביב כלי ואקום. השפעת המגנטים תגביל את הפלזמה החמה מדפנות הכלי.

לפני תחילת התהליך, אוויר וזיהומים מוסרים מתא הוואקום. לאחר מכן נטענות מערכות מגנטיות שיסייעו לשלוט בפלזמה ומכניסים דלק גזי. כאשר מעבירים זרם חשמלי חזק דרך הכלי, הגז מתפצל חשמלית והופך למיונן (כלומר, אלקטרונים עוזבים את האטומים) ויוצר פלזמה.

כאשר חלקיקי הפלזמה מופעלים ומתנגשים, הם גם מתחילים להתחמם. טכניקות חימום בסיוע עוזרות להביא את הפלזמה לטמפרטורות התכה (150 עד 300 מיליון מעלות צלזיוס). חלקיקים ש"נרגשים" ברמה זו יכולים להתגבר על הדחייה האלקטרומגנטית הטבעית שלהם בעת התנגשות, ולשחרר כמויות אדירות של אנרגיה כתוצאה מהתנגשויות כאלה.

עיצוב הטוקאמק מורכב מהאלמנטים הבאים:

כלי ואקום

("סופגנייה") היא תא טורואיד עשוי מפלדת אל חלד. קוטרו הגדול 19 מ', הקטן 6 מ' וגובהו 1,400 מ' 3 ומשקלו יותר מ-5,000 טון קירות כלי הוואקום נוזל קירור יסתובב בין הקירות, שיהיו מים מזוקקים. כדי למנוע זיהום מים, הקיר הפנימי של החדר מוגן מקרינה רדיואקטיבית באמצעות שמיכה.

שְׂמִיכָה

("שמיכה") - מורכבת מ-440 שברים המכסים את פני השטח הפנימיים של החדר. שטח הנשפים הכולל הוא 700 מ"ר. כל שבר הוא מעין קסטה, שגוף שלה עשוי נחושת, והדופן הקדמית ניתנת להסרה ועשויה בריליום. הפרמטרים של הקסטות הם 1x1.5 מ', והמסה היא לא יותר מ-4.6 טון קלטות בריליום כאלה יאטו נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה שנוצרו במהלך התגובה. במהלך התמתנות נויטרונים, חום ישוחרר ויוסר על ידי מערכת הקירור. יש לציין כי אבק בריליום הנוצר כתוצאה מהפעלת הכור עלול לגרום למחלה קשה הנקראת בריליום ויש לו גם השפעה מסרטנת. מסיבה זו מפותחים במתחם אמצעי אבטחה קפדניים.

טוקמק בקטע. מגנטים צהוב - סולנואיד, כתום - שדה טורואיד (TF) ושדה פולואידי (PF), כחול - שמיכה, תכלת - VV - כלי ואקום, סגול - מפנה

("מאפרה") מסוג פולואיד הוא מכשיר שתפקידו העיקרי הוא "לנקות" את הפלזמה מלכלוך הנובע מהחימום והאינטראקציה של קירות החדר המכוסים בשמיכה איתה. כאשר מזהמים כאלה חודרים לפלזמה, הם מתחילים להקרין בעוצמה, וכתוצאה מכך הפסדי קרינה נוספים. הוא ממוקם בתחתית הטוקומק ומשתמש במגנטים כדי לכוון את השכבות העליונות של הפלזמה (שהן המזוהמות ביותר) לתוך תא הקירור. כאן הפלזמה מתקררת והופכת לגז, ולאחר מכן היא נשאבת חזרה אל מחוץ לתא. אבק בריליום, לאחר כניסתו לחדר, כמעט אינו מסוגל לחזור לפלזמה. לפיכך, זיהום פלזמה נשאר רק על פני השטח ואינו חודר עמוק יותר.

קריוסטט

- הרכיב הגדול ביותר של הטוקומק, שהוא מעטפת נירוסטה בנפח של 16,000 מ"ר (29.3 על 28.6 מ') ומסה של 3,850 טון אלמנטים אחרים של המערכת ימוקמו בתוך הקרוסטט, והוא עצמו משרת כמחסום בין הטוקאמק לבין הסביבה החיצונית. על הקירות הפנימיים שלו יהיו מסכים תרמיים מקוררים על ידי מחזור חנקן בטמפרטורה של 80 K (-193.15 מעלות צלזיוס).

מערכת מגנטית

- קבוצה של אלמנטים המשמשים להכיל ולבקר פלזמה בתוך כלי ואקום. זוהי קבוצה של 48 אלמנטים:

• סלילי שדה טורואידים ממוקמים מחוץ לתא הוואקום ובתוך הקרוסטט. הם מוצגים ב-18 חלקים, כל אחד בגודל 15 על 9 מ' ומשקל של כ-300 טון ביחד, סלילים אלה מייצרים שדה מגנטי של 11.8 טסלה מסביב לטורוס הפלזמה ומאחסנים אנרגיה של 41 GJ.
• סלילי שדה פולואידיים - ממוקמים על גבי סלילי השדה הטורואידיים ובתוך הקרוסטט. סלילים אלו אחראים על יצירת שדה מגנטי המפריד בין מסת הפלזמה לדפנות החדר ודוחס את הפלזמה לצורך חימום אדיאבטי. מספר הסלילים הללו הוא 6. לשניים מהסלילים יש קוטר של 24 מ' ומסה של 400 טון ארבעת הנותרים מעט יותר.
• הסולנואיד המרכזי ממוקם בחלק הפנימי של החדר הטורואידי, או ליתר דיוק ב"חור הסופגניה". עקרון פעולתו דומה לשנאי, והמשימה העיקרית היא לעורר זרם אינדוקטיבי בפלזמה.
• סלילי תיקון ממוקמים בתוך כלי הוואקום, בין השמיכה לקיר החדר. המשימה שלהם היא לשמור על צורת הפלזמה, המסוגלת באופן מקומי "להתנפח" ואף לגעת בדפנות הכלי. מאפשר להפחית את רמת האינטראקציה של דפנות החדר עם הפלזמה, ולכן את רמת הזיהום שלה, וגם מפחיתה את הבלאי של החדר עצמו.

מבנה מתחם ITER

עיצוב הטוקאמק שתואר לעיל "בקיצור" הוא מנגנון חדשני מורכב ביותר שהורכב באמצעות מאמצים של מספר מדינות. עם זאת, לצורך פעולתו המלאה, נדרש קומפלקס שלם של מבנים הממוקמים ליד הטוקמק. ביניהם:

• מערכת בקרה, גישה לנתונים ותקשורת - CODAC. ממוקם במספר מבנים של מתחם ITER.
• אחסון דלק ומערכת דלק - משמשת לספק דלק לטוקמק.
• מערכת ואקום - מורכבת מיותר מארבע מאות משאבות ואקום, שתפקידן לשאוב תוצרי תגובה תרמו-גרעינית, כמו גם מזהמים שונים מתא הוואקום.
• מערכת קריוגנית - מיוצגת על ידי מעגל חנקן והליום. מעגל ההליום ינרמל את הטמפרטורה בטוקאמק, שעבודתו (ולכן הטמפרטורה) שלו אינה מתרחשת ברציפות, אלא בפולסים. מעגל החנקן יצנן את מגני החום של הקרוסטט ואת מעגל ההליום עצמו. תהיה גם מערכת קירור מים, שמטרתה להוריד את הטמפרטורה של קירות השמיכה.
• ספק כוח. הטוקאמק ידרוש כ-110 MW של אנרגיה כדי לפעול באופן רציף. כדי להשיג זאת, יותקנו קווי חשמל באורך קילומטר שיחברו לרשת התעשייה הצרפתית. ראוי לזכור כי מתקן הניסויים ITER אינו מספק לייצור אנרגיה, אלא פועל רק באינטרסים מדעיים.

מימון ITER

הכור התרמו-גרעיני הבינלאומי ITER הוא מפעל יקר למדי, שהוערך בתחילה ב-12 מיליארד דולר, כאשר רוסיה, ארה"ב, קוריאה, סין והודו אחראיות ל-1/11 מהסכום, יפן ב-2/11, והאיחוד האירופי ל-4 /11 . סכום זה גדל מאוחר יותר ל-15 מיליארד דולר. ראוי לציין כי המימון מתבצע באמצעות אספקת הציוד הנדרש למתחם, המפותח בכל מדינה. לפיכך, רוסיה מספקת שמיכות, מכשירי חימום פלזמה ומגנטים מוליכים.

פרספקטיבה של הפרויקט

בימים אלה מתבצעות בניית מתחם ITER וייצור כל הרכיבים הנדרשים לטוקמק. לאחר ההשקה המתוכננת של הטוקאמק ב-2025, תחל סדרת ניסויים, על סמך תוצאותיהם יצוינו היבטים הדורשים שיפור. לאחר ההפעלה המוצלחת של ITER, מתוכננת להקים תחנת כוח המבוססת על היתוך תרמו-גרעיני בשם DEMO (DEMOnstration Power Plant). המטרה של DEMo היא להדגים את מה שמכונה "המשיכה המסחרית" של כוח היתוך. אם ITER מסוגל לייצר רק 500 MW של אנרגיה, אז DEMO יוכל לייצר אנרגיה ברציפות של 2 GW.

עם זאת, יש לזכור כי מתקן הניסויים של ITER לא יפיק אנרגיה, ומטרתו להשיג יתרונות מדעיים גרידא. וכידוע, ניסוי פיזיקלי זה או אחר יכול לא רק לעמוד בציפיות, אלא גם להביא ידע וניסיון חדשים לאנושות.

האנושות מתקרבת בהדרגה לגבול של דלדול בלתי הפיך של משאבי הפחמימנים של כדור הארץ. אנחנו מפיקים נפט, גז ופחם מבטן כדור הארץ כבר כמעט מאתיים שנה, וכבר ברור שהמאגרים שלהם מתרוקנים במהירות עצומה. המדינות המובילות בעולם חושבות זה מכבר על יצירת מקור אנרגיה חדש, ידידותי לסביבה, בטוח מנקודת המבט של הפעולה, עם עתודות דלק אדירות.

כור היתוך

כיום מדברים רבות על שימוש במה שמכונה סוגי אנרגיה אלטרנטיביים – מקורות מתחדשים בצורת פוטו-וולטאים, אנרגיית רוח וכוח הידרו. ברור כי בשל תכונותיהם, כיוונים אלה יכולים לשמש רק כמקורות עזר לאספקת אנרגיה.

כסיכוי ארוך טווח עבור האנושות, ניתן לשקול רק אנרגיה המבוססת על תגובות גרעיניות.

מצד אחד, יותר ויותר מדינות מגלות עניין בבניית כורים גרעיניים בשטחן. אבל עדיין, בעיה דחופה עבור אנרגיה גרעינית היא עיבוד ופינוי של פסולת רדיואקטיבית, וזה משפיע על אינדיקטורים כלכליים וסביבתיים. עוד באמצע המאה ה-20, הפיזיקאים המובילים בעולם, בחיפוש אחר סוגים חדשים של אנרגיה, פנו למקור החיים על פני כדור הארץ - השמש, שבעומקה, בטמפרטורה של כ-20 מיליון מעלות, תגובות. של סינתזה (היתוך) של יסודות אור מתרחשים עם שחרור של אנרגיה ענקית.

מומחים מקומיים טיפלו במשימה של פיתוח מתקן ליישום תגובות היתוך גרעיני בתנאים יבשתיים הטובים מכולם. הידע והניסיון בתחום היתוך תרמו-גרעיני מבוקר (CTF), שהושגו ברוסיה, היוו את הבסיס לפרויקט, שהוא, ללא הגזמה, התקווה האנרגטית של האנושות - הכור התרמי-גרעיני הבינלאומי (ITER), המתבצע. נבנה בקדראצ'ה (צרפת).

היסטוריה של היתוך תרמו-גרעיני

המחקר התרמו-גרעיני הראשון החל במדינות שעבדו על תוכניות ההגנה האטומית שלהן. זה לא מפתיע, כי בשחר העידן האטומי, המטרה העיקרית של הופעתם של כורי פלזמה דאוטריום הייתה חקר תהליכים פיזיקליים בפלזמה חמה, שהידע עליהם היה הכרחי, בין היתר, ליצירת נשק תרמו-גרעיני. . על פי נתונים שהוסרו, ברית המועצות וארה"ב החלו כמעט במקביל בשנות החמישים. לעבוד על UTS. אבל, יחד עם זאת, יש עדויות היסטוריות לכך שב-1932, המהפכן הוותיק וידידו הקרוב של מנהיג הפרולטריון העולמי ניקולאי בוכרין, שכיהן באותה תקופה בתפקיד יו"ר ועדת המועצה הכלכלית העליונה והלך בעקבות פיתוח המדע הסובייטי, הציע להשיק פרויקט במדינה לחקר תגובות תרמו-גרעיניות מבוקרות.

ההיסטוריה של הפרויקט התרמו-גרעיני הסובייטי אינה נטולת עובדה מהנה. האקדמאי המפורסם לעתיד ויוצר פצצת המימן, אנדריי דמיטרייביץ' סחרוב, קיבל השראה מהרעיון של בידוד תרמי מגנטי של פלזמה בטמפרטורה גבוהה ממכתב של חייל בצבא הסובייטי. בשנת 1950 שלח סמל אולג לברנטייב, ששירת בסחלין, מכתב לוועד המרכזי של המפלגה הקומוניסטית של כל האיחוד, בו הציע להשתמש ב-lithium-6 דאוטריד במקום דאוטריום נוזלי וטריטיום בפצצת מימן, וכן ליצור מערכת עם כליאה אלקטרוסטטית של פלזמה חמה לביצוע היתוך תרמו-גרעיני מבוקר. המכתב נבדק על ידי המדען הצעיר דאז אנדריי סחרוב, שכתב בסקירתו כי הוא "רואה צורך לקיים דיון מפורט בפרויקט של החבר לברנטייב".

כבר באוקטובר 1950, אנדריי סחרוב ועמיתו איגור תמם ערכו את ההערכות הראשונות של כור תרמו-גרעיני מגנטי (MTR). המתקן הטורואידי הראשון בעל שדה מגנטי אורכי חזק, המבוסס על רעיונותיהם של I. Tamm ו- A. Saharov, נבנה בשנת 1955 בליפן. זה נקרא TMP - טורוס עם שדה מגנטי. ההתקנות הבאות כבר נקראו TOKAMAK, על שם שילוב ההברות הראשוניות בביטוי "TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL". בגרסה הקלאסית שלו, טוקאמק הוא תא טורואיד בצורת סופגנייה המוצב בשדה מגנטי טורואידי. מ-1955 עד 1966 במכון קורצ'טוב נבנו 8 מתקנים כאלה, עליהם בוצעו הרבה מחקרים שונים. אם לפני 1969, טוקאמק נבנה מחוץ לברית המועצות רק באוסטרליה, אז בשנים שלאחר מכן הם נבנו ב-29 מדינות, כולל ארה"ב, יפן, מדינות אירופה, הודו, סין, קנדה, לוב, מצרים. בסך הכל נבנו עד היום כ-300 טוקאמקים בעולם, בהם 31 בברית המועצות וברוסיה, 30 בארה"ב, 32 באירופה ו-27 ביפן. למעשה, שלוש מדינות - ברית המועצות, בריטניה הגדולה וארה"ב - היו מעורבות בתחרות לא מדוברת כדי לראות מי יהיה הראשון לרתום פלזמה ולהתחיל להפיק אנרגיה "מהמים".

היתרון החשוב ביותר של כור תרמו-גרעיני הוא הפחתה בסכנה הביולוגית בקרינה בכפי אלף בהשוואה לכל כורי הכוח הגרעיני המודרניים.

כור תרמו-גרעיני אינו פולט CO2 ואינו מייצר פסולת רדיואקטיבית "כבדה". ניתן להתקין את הכור הזה בכל מקום ובכל מקום.

צעד של חצי מאה

בשנת 1985 הציע האקדמאי יבגני וליכוב, מטעם ברית המועצות, למדענים מאירופה, ארה"ב ויפן לעבוד יחד ליצירת כור תרמו-גרעיני, וכבר בשנת 1986 בז'נבה הושגה הסכמה על תכנון המתקן, שלימים. קיבל את השם ITER. בשנת 1992 חתמו השותפים על הסכם מרובע לפיתוח תכנון הנדסי לכור. שלב הבנייה הראשון אמור להסתיים עד 2020, אז מתוכנן לקבל את הפלזמה הראשונה. בשנת 2011 החלה בנייה אמיתית באתר ITER.

עיצוב ITER עוקב אחר הטוקאמק הרוסי הקלאסי, שפותח עוד בשנות ה-60. מתוכנן שבשלב הראשון הכור יפעל במצב דופק עם הספק של תגובות תרמו-גרעיניות של 400–500 מגוואט, בשלב השני תיבדק הפעילות הרציפה של הכור, כמו גם מערכת רביית הטריטיום. .

לא בכדי כור ITER נקרא עתיד האנרגיה של האנושות. ראשית, זהו הפרויקט המדעי הגדול בעולם, כי בצרפת הוא נבנה על ידי כמעט כל העולם: האיחוד האירופי + שוויץ, סין, הודו, יפן, דרום קוריאה, רוסיה וארה"ב. ההסכם על הקמת המתקן נחתם בשנת 2006. מדינות אירופה תורמות כ-50% ממימון הפרויקט, רוסיה אחראית לכ-10% מהסכום הכולל, שיושקע בצורת ציוד היי-טק. אבל התרומה החשובה ביותר של רוסיה היא טכנולוגיית הטוקאמק עצמה, שהיווה את הבסיס לכור ITER.

שנית, זה יהיה הניסיון הראשון בקנה מידה גדול להשתמש בתגובה התרמו-גרעינית המתרחשת בשמש כדי לייצר חשמל. שלישית, עבודה מדעית זו אמורה להביא תוצאות מעשיות מאוד, ועד סוף המאה העולם מצפה להופעתו של אב הטיפוס הראשון של תחנת כוח תרמו-גרעינית מסחרית.

מדענים מניחים שהפלזמה הראשונה בכור התרמו-גרעיני הניסיוני הבינלאומי תיוצר בדצמבר 2025.

למה בעצם כל הקהילה המדעית העולמית התחילה לבנות כור כזה? העובדה היא שטכנולוגיות רבות שמתוכננות לשמש בבניית ITER אינן שייכות לכל המדינות בבת אחת. מדינה אחת, אפילו המפותחת ביותר במונחים מדעיים וטכניים, אינה יכולה להיות בעלת מאה טכנולוגיות ברמה העולמית הגבוהה ביותר בכל תחומי הטכנולוגיה המשמשות בפרויקט היי-טק ופריצת דרך כמו כור תרמו-גרעיני. אבל ITER מורכב ממאות טכנולוגיות דומות.

רוסיה עולה על הרמה העולמית בטכנולוגיות רבות של היתוך תרמו-גרעיני. אבל, למשל, למדעני גרעין יפנים יש גם מיומנויות ייחודיות בתחום זה, שהן ישימות למדי ב-ITER.

לכן, כבר בתחילת הפרויקט הגיעו המדינות השותפות להסכמות לגבי מי ומה יסופקו לאתר, ושזה לא צריך להיות רק שיתוף פעולה בהנדסה, אלא הזדמנות לכל אחד מהשותפים לקבל טכנולוגיות חדשות. ממשתתפים אחרים, כדי שבעתיד תפתח אותם בעצמך.

אנדריי רטינגר, עיתונאי בינלאומי

כור היתוך E.P. וליכוב, S.V. פוטוינסקי

ע.פ. וליכוב, S.V. פוטוינסקי.
דו"ח מיום 22.10.1999 בוצע במסגרת מרכז האנרגיה של הפדרציה העולמית של המדענים

ביאור

מאמר זה מספק סקירה קצרה של המצב הנוכחי של חקר ההיתוך ומתאר את הסיכויים לכוח היתוך במערכת האנרגיה של המאה ה-21. הסקירה מיועדת למגוון רחב של קוראים המכירים את יסודות הפיסיקה וההנדסה.

על פי תפיסות פיזיקליות מודרניות, ישנם רק כמה מקורות בסיסיים של אנרגיה, שבאופן עקרוני, ניתן לשלוט בהם ולהשתמש בהם על ידי האנושות. תגובות היתוך גרעיני הן מקור אחד כזה של אנרגיה ו... בתגובות היתוך, אנרגיה מופקת עקב עבודתם של כוחות גרעיניים המבוצעים במהלך היתוך גרעינים של יסודות קלים ויצירת גרעינים כבדים יותר. תגובות אלו נפוצות בטבע - מאמינים שאנרגיה של כוכבים, כולל השמש, מופקת כתוצאה משרשרת של תגובות היתוך גרעיני הממירות ארבעה גרעינים של אטום מימן לגרעין הליום. אנו יכולים לומר שהשמש היא כור תרמו-גרעיני טבעי גדול המספק אנרגיה למערכת האקולוגית של כדור הארץ.

נכון להיום, יותר מ-85% מהאנרגיה המיוצרת על ידי בני אדם מתקבלת משריפת דלקים אורגניים - פחם, נפט וגז טבעי. מקור אנרגיה זול זה, בו שולט האדם לפני כ-200 - 300 שנה, הוביל להתפתחותה המהירה של החברה האנושית, לרווחתה וכתוצאה מכך לגידול אוכלוסיית כדור הארץ. ההנחה היא שבשל גידול האוכלוסייה וצריכת אנרגיה אחידה יותר בין האזורים, ייצור האנרגיה יגדל בכפי שלושה עד שנת 2050 בהשוואה לרמה הנוכחית ויגיע ל-10 21 J בשנה. אין ספק שבעתיד הנראה לעין יהיה צורך להחליף את מקור האנרגיה הקודם - דלקים אורגניים - בסוגים אחרים של הפקת אנרגיה. זה יקרה הן עקב דלדול משאבי הטבע והן עקב זיהום סביבתי, אשר, לדברי מומחים, אמור להתרחש הרבה לפני פיתוח משאבי טבע זולים (השיטה הנוכחית להפקת אנרגיה משתמשת באטמוספרה כמזבלה, ומשליכה החוצה. 17 מיליון טון פחמן דו חמצני וגזים אחרים הנלווים לשריפת דלקים מדי יום). המעבר מדלקים מאובנים לאנרגיה חלופית בקנה מידה גדול צפוי באמצע המאה ה-21. ההנחה היא שמערכת האנרגיה העתידית תשתמש במגוון מקורות אנרגיה, לרבות מקורות אנרגיה מתחדשים, באופן נרחב יותר ממערכת האנרגיה הנוכחית, כגון אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח, כוח הידרואלקטרי, גידול ושריפת ביומסה ואנרגיה גרעינית. חלקו של כל מקור אנרגיה בכלל ייצור האנרגיה ייקבע לפי מבנה צריכת האנרגיה והיעילות הכלכלית של כל אחד ממקורות האנרגיה הללו.

בחברה התעשייתית של היום, יותר ממחצית מהאנרגיה מנוצלת במצב צריכה קבוע, ללא תלות בשעה ביום ובעונה. על כוח הבסיס הקבוע הזה מונחות וריאציות יומיות ועונתיות. לפיכך, מערכת האנרגיה חייבת להיות מורכבת מאנרגיה בסיסית, המספקת אנרגיה לחברה ברמה קבועה או מעין-קבועה, וממקורות אנרגיה, המשמשים לפי הצורך. צפוי כי מקורות אנרגיה מתחדשים כגון אנרגיה סולארית, שריפת ביומסה וכו' ישמשו בעיקר במרכיב המשתנה של צריכת אנרגיה ו. המועמד העיקרי והיחיד לאנרגיה בסיסית הוא אנרגיה גרעינית. נכון לעכשיו, רק תגובות ביקוע גרעיני, המשמשות בתחנות כוח גרעיניות מודרניות, עברו שליטה להפקת אנרגיה. היתוך תרמו-גרעיני מבוקר הוא, עד כה, רק מועמד פוטנציאלי לאנרגיה בסיסית.

אילו יתרונות יש להיתוך תרמו-גרעיני על פני תגובות ביקוע גרעיני, המאפשרות לנו לקוות לפיתוח רחב היקף של אנרגיה תרמו-גרעינית? ההבדל העיקרי והיסודי הוא היעדר פסולת רדיואקטיבית ארוכת טווח, האופייני לכורי ביקוע גרעיני. ולמרות שבמהלך פעולתו של כור תרמו-גרעיני הקיר הראשון מופעל על ידי נויטרונים, הבחירה בחומרים מבניים מתאימים בעלי הפעלה נמוכה פותחת את האפשרות הבסיסית ליצור כור תרמו-גרעיני שבו הפעילות המושרה של הקיר הראשון תקטן לרמה מלאה רמה בטוחה שלושים שנה לאחר כיבוי הכור. המשמעות היא שכור מותש יצטרך להיות נפטם למשך 30 שנה בלבד, ולאחר מכן ניתן למחזר את החומרים ולהשתמש בהם בכור סינתזה חדש. מצב זה שונה מהותית מכורי ביקוע, המייצרים פסולת רדיואקטיבית הדורשת עיבוד מחדש ואחסון במשך עשרות אלפי שנים. בנוסף לרדיואקטיביות הנמוכה, לאנרגיה תרמו-גרעינית יש עתודות עצומות, כמעט בלתי נדלות, של דלק וחומרים נחוצים אחרים, המספיקים להפקת אנרגיה במשך מאות רבות, אם לא אלפי שנים.

היתרונות הללו הם שהניעו את מדינות הגרעין הגדולות להתחיל במחקר רחב היקף על היתוך תרמו-גרעיני מבוקר באמצע שנות ה-50. בשלב זה, הניסויים המוצלחים הראשונים של פצצות מימן כבר בוצעו בברית המועצות ובארצות הברית, אשר אישרו את האפשרות הבסיסית של שימוש באנרגיה ובהיתוך גרעיני בתנאים יבשתיים. כבר מההתחלה התברר שאין להיתוך תרמו-גרעיני מבוקר יישום צבאי. המחקר הוסר ב-1956 ומאז בוצע במסגרת שיתוף פעולה בינלאומי רחב. פצצת המימן נוצרה תוך שנים ספורות, ובאותה תקופה נראה היה שהמטרה קרובה, ושמתקני הניסוי הגדולים הראשונים, שנבנו בסוף שנות ה-50, ייצרו פלזמה תרמו-גרעינית. עם זאת, נדרשו יותר מ-40 שנות מחקר כדי ליצור תנאים שבהם שחרור כוח תרמו-גרעיני דומה לכוח החימום של התערובת המגיבה. בשנת 1997, המתקן התרמו-גרעיני הגדול ביותר, ה-TOKAMAK האירופי (JET), קיבל 16 מגה-וואט של כוח תרמו-גרעיני והתקרב לסף זה.

מה הייתה הסיבה לעיכוב הזה? התברר שכדי להשיג את המטרה, פיזיקאים ומהנדסים היו צריכים לפתור הרבה בעיות שלא היה להם מושג עליהן בתחילת הדרך. במהלך 40 השנים הללו נוצר מדע פיזיקת הפלזמה, שאיפשר להבין ולתאר את התהליכים הפיזיקליים המורכבים המתרחשים בתערובת המגיבה. מהנדסים נדרשו לפתור בעיות מורכבות לא פחות, כולל ללמוד כיצד ליצור שואבים עמוקים בנפחים גדולים, בחירה ובדיקה של חומרי בנייה מתאימים, פיתוח מגנטים מוליכי-על גדולים, לייזרים חזקים ומקורות קרני רנטגן, פיתוח מערכות כוח פועם המסוגלות ליצור אלומות חזקות של חלקיקים , לפתח שיטות לחימום בתדירות גבוהה של התערובת ועוד ועוד.

§4 מוקדש לסקירת מחקרים בתחום היתוך מבוקר מגנטי, הכולל מערכות עם כליאה מגנטית ומערכות פולסות. רוב סקירה זו מוקדשת למערכות המתקדמות ביותר לכליאת פלזמה מגנטית, מתקנים מסוג TOKAMAK.

היקף סקירה זו מאפשר לנו לדון רק בהיבטים המשמעותיים ביותר של מחקר על היתוך תרמו-גרעיני מבוקר. לקורא המעוניין במחקר מעמיק יותר של היבטים שונים של בעיה זו, מומלץ לעיין בספרות הסקירה. יש ספרות נרחבת המוקדשת להיתוך תרמו-גרעיני מבוקר. בפרט, יש להזכיר הן ספרים קלאסיים כיום שנכתבו על ידי מייסדי המחקר התרמו-גרעיני מבוקר, כמו גם פרסומים עדכניים מאוד, כגון, למשל, המתארים את המצב הנוכחי של המחקר התרמו-גרעיני.

למרות שישנן די הרבה תגובות היתוך גרעיני המובילות לשחרור אנרגיה, למטרות מעשיות של שימוש באנרגיה גרעינית, רק התגובות המפורטות בטבלה 1 הן מעניינות כאן ולהלן אנו משתמשים בייעוד הסטנדרטי עבור איזוטופי מימן: p -. פרוטון בעל מסה אטומית 1, D - דיוטרון, עם מסה אטומית 2 ו-T - טריטיום, איזוטופ בעל מסה 3. כל הגרעינים המשתתפים בתגובות אלו למעט טריטיום יציבים. טריטיום הוא איזוטופ רדיואקטיבי של מימן עם זמן מחצית חיים של 12.3 שנים. כתוצאה מדעיכת β, הוא הופך ל-He 3, פולט אלקטרון בעל אנרגיה נמוכה. בניגוד לתגובות ביקוע גרעיני, תגובות היתוך אינן מייצרות שברים רדיואקטיביים ארוכים של גרעינים כבדים, מה שמאפשר באופן עקרוני ליצור כור "נקי", שאינו עמוס בבעיית האחסון לטווח ארוך של פסולת רדיואקטיבית.

שולחן 1.
תגובות גרעיניות בעלות עניין עבור היתוך מבוקר

כל התגובות המוצגות בטבלה 1, מלבד האחרונה, מתרחשות עם שחרור אנרגיה ובצורה של אנרגיה קינטית ותוצרי תגובה, q, המצוינת בסוגריים ביחידות של מיליוני וולט אלקטרונים (MeV),
(1 eV = 1.6 10 –19 J = 11600 °K). לשתי התגובות האחרונות תפקיד מיוחד בהיתוך מבוקר – הן ישמשו לייצור טריטיום, שאינו קיים בטבע.

לתגובות היתוך גרעיני 1-5 יש קצב תגובה גבוה יחסית, המתאפיין בדרך כלל בחתך התגובה, σ. חתכי התגובה מטבלה 1 מוצגים באיור 1 כפונקציה של אנרגיה וחלקיקים מתנגשים במרכז המסה.

בשל נוכחות של דחיית קולומב בין גרעינים, חתכי הרוחב לתגובות באנרגיה נמוכה וחלקיקים זניחים, ולכן, בטמפרטורות רגילות, תערובת של איזוטופים מימן ואטומים קלים אחרים כמעט ואינה מגיבה. על מנת שלכל אחת מהתגובות הללו יהיה חתך מורגש, החלקיקים המתנגשים צריכים להיות בעלי אנרגיה קינטית גבוהה. אז יוכלו החלקיקים להתגבר על מחסום קולומב, להתקרב למרחק בסדר גודל של גרעיני ולהגיב. לדוגמה, החתך המרבי לתגובה של דאוטריום עם טריטיום מושג באנרגיית חלקיקים של כ-80 KeV, וכדי שלתערובת DT תהיה קצב תגובה גבוה, הטמפרטורה שלה חייבת להיות בקנה מידה של מאה מיליון מעלות, T = 10 8 ° K.

הדרך הפשוטה ביותר לייצר אנרגיה והיתוך גרעיני שעולה מיד בראש היא להשתמש במאיץ יונים ולהפציץ, נניח, יוני טריטיום המואצים לאנרגיה של 100 KeV, מטרה מוצקה או גז המכילה יוני דאוטריום. עם זאת, היונים המוזרקים מאטים מהר מדי כשהם מתנגשים באלקטרונים הקרים של המטרה, ואין להם זמן לייצר מספיק אנרגיה כדי לכסות את עלויות האנרגיה של ההאצה שלהם, למרות ההבדל העצום בהתחלה (כ-100 KeV) והן. אנרגיה המופקת בתגובה (כ-10 MeV). במילים אחרות, עם "שיטה" זו של הפקת אנרגיה ומקדם רביית האנרגיה ו,
עלויות Q fus = P סינתזה / P יהיו פחות מ-1.

על מנת להגדיל את Q fus, ניתן לחמם את אלקטרוני המטרה. אז יונים מהירים יאטו לאט יותר ו-Q fus יגדל. עם זאת, תשואה חיובית מושגת רק בטמפרטורת יעד גבוהה מאוד - בסדר גודל של כמה KeV. בטמפרטורה זו, הזרקת יונים מהירים כבר לא חשובה יש כמות מספקת של יונים תרמיים אנרגטיים בתערובת, אשר בעצמם נכנסים לתגובות. במילים אחרות, תגובות תרמו-גרעיניות או היתוך תרמו-גרעיני מתרחשות בתערובת.

ניתן לחשב את קצב התגובות התרמו-גרעיניות על ידי שילוב חתך התגובה המוצג באיור 1 על פני פונקציית חלוקת החלקיקים המקסווליאנית בשיווי המשקל. כתוצאה מכך, ניתן לקבל את קצב התגובה K(T), שקובע את מספר התגובות המתרחשות ליחידת נפח, n 1 n 2 K(T), וכתוצאה מכך, הצפיפות הנפחית של שחרור האנרגיה בתערובת המגיבה,

P fus = q n 1 n 2 K(T) (1)

בנוסחה האחרונה n 1 n 2- ריכוזים נפחיים של רכיבים מגיבים, ט- טמפרטורת החלקיקים המגיבים ו ש- תפוקת אנרגיה של התגובה הניתנת בטבלה 1.

בטמפרטורה גבוהה האופיינית לתערובת מגיבה, התערובת נמצאת במצב פלזמה, כלומר. מורכב מאלקטרונים חופשיים ויונים טעונים חיובית המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות שדות אלקטרומגנטיים קולקטיביים. בהתאם לתנועה של חלקיקי פלזמה, שדות אלקטרומגנטיים קובעים את הדינמיקה של הפלזמה ובמיוחד שומרים על הקוואזנייטרליות שלה. עם דיוק גבוה מאוד, צפיפות המטען של יונים ואלקטרונים בפלזמה שווה, n e = Zn z, כאשר Z הוא המטען של היון (עבור איזוטופי מימן Z = 1). רכיבי היונים והאלקטרונים מחליפים אנרגיה עקב התנגשויות קולומב ובפרמטרים של פלזמה האופייניים ליישומים תרמו-גרעיניים, הטמפרטורות שלהם שוות בערך.

עבור הטמפרטורה הגבוהה של התערובת אתה צריך לשלם עם עלויות אנרגיה נוספות. ראשית, עלינו לקחת בחשבון את ה-bremsstrahlung הנפלט על ידי אלקטרונים בעת התנגשות עם יונים:

כוחה של ברמססטרהלונג, כמו גם כוחן של תגובות תרמו-גרעיניות בתערובת, הוא פרופורציונלי לריבוע של צפיפות הפלזמה, ולכן, היחס P fus/P b תלוי רק בטמפרטורת הפלזמה. Bremsstrahlung, בניגוד לכוחן של תגובות תרמו-גרעיניות, תלוי במידה חלשה בטמפרטורת הפלזמה, מה שמוביל לנוכחות של גבול תחתון לטמפרטורת הפלזמה שבה כוחן של תגובות תרמו-גרעיניות שווה לכוח הפסדי ברמססטרהלונג, P fus / P b = 1. בטמפרטורות מתחת לסף bremsstrahlung הפסדי כוח עולים על השחרור התרמו-גרעיני של אנרגיה, ולכן בתערובת קרה שחרור אנרגיה חיובי הוא בלתי אפשרי. לתערובת של דאוטריום וטריטיום יש את הטמפרטורה המגבילה הנמוכה ביותר, אך גם במקרה זה הטמפרטורה של התערובת חייבת לעלות על 3 KeV (3.5 10 7 °K). טמפרטורות הסף עבור תגובות DD ו-DHe 3 גבוהות בערך בסדר גודל מאשר עבור תגובת DT. לתגובה של פרוטון עם בורון, קרינת ה-bremsstrahlung בכל טמפרטורה עולה על תפוקת התגובה, ולכן, כדי להשתמש בתגובה זו, יש צורך במלכודות מיוחדות בהן טמפרטורת האלקטרונים נמוכה מטמפרטורת היונים, או שצפיפות הפלזמה היא כזו. גבוה שהקרינה נספגת בתערובת העבודה.

בנוסף לטמפרטורה הגבוהה של התערובת, כדי שתתרחש תגובה חיובית, התערובת החמה חייבת להתקיים מספיק זמן כדי שהתגובות יתרחשו. בכל מערכת תרמו-גרעינית בעלת ממדים סופיים, ישנם ערוצים נוספים של איבוד אנרגיה מהפלזמה בנוסף ל-bremsstrahlung (למשל, עקב מוליכות תרמית, קרינת קו של זיהומים וכו'), שעוצמתם לא צריכה לעלות על האנרגיה התרמו-גרעינית. לְשַׁחְרֵר. במקרה הכללי, הפסדי אנרגיה נוספים יכולים להיות מאופיינים על ידי משך חיי האנרגיה של הפלזמה t E, המוגדר בצורה כזו שהיחס 3nT / t E נותן את אובדן ההספק ליחידת נפח פלזמה. ברור שעבור תשואה חיובית יש צורך שהכוח התרמו-גרעיני יעלה על כוחם של הפסדים נוספים, P fus > 3nT / t E , מה שנותן תנאי לתוצר המינימלי של צפיפות וחיי פלזמה, nt E . לדוגמה, עבור תגובת DT יש צורך בכך

nt E > 5 10 19 s/m 3 (3)

מצב זה נקרא בדרך כלל קריטריון Lawson (באופן קפדני, בעבודה המקורית, קריטריון Lawson נגזר עבור תכנון כור תרמו-גרעיני ספציפי, ובניגוד ל-(3), כולל את היעילות של המרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית). בצורה שבה הוא כתוב לעיל, הקריטריון כמעט בלתי תלוי במערכת התרמו-גרעינית והוא תנאי הכרחי כללי לתפוקה חיובית. קריטריון לוסון לתגובות אחרות גבוה בסדר גודל אחד או שניים מאשר לתגובת DT, וגם טמפרטורת הסף גבוהה יותר. קרבתו של המכשיר להשגת פלט חיובי מתוארת בדרך כלל במישור T - nt E, המוצג באיור 2.

nt E

איור 2. אזור עם תשואה חיובית של תגובה גרעינית במישור T-nt E.
מוצגים ההישגים של מתקנים ניסיוניים שונים להגביל פלזמה תרמו-גרעינית.

ניתן לראות שתגובות DT ניתנות לביצוע בקלות רבה יותר - הן דורשות טמפרטורת פלזמה נמוכה משמעותית מתגובות DD ומטילות תנאים מחמירים פחות לשמירתה. התוכנית התרמו-גרעינית המודרנית מכוונת ליישם היתוך מבוקר DT.

לפיכך, תגובות תרמו-גרעיניות מבוקרות, באופן עקרוני, אפשריות, והמשימה העיקרית של המחקר התרמו-גרעיני היא פיתוח של מכשיר מעשי שיכול להתחרות כלכלית עם מקורות אנרגיה אחרים ו.

ניתן לחלק את כל המכשירים שהומצאו במשך 50 שנה לשתי מחלקות גדולות: 1) מערכות נייחות או מעין נייחות המבוססות על כליאה מגנטית של פלזמה חמה; 2) מערכות דופק. במקרה הראשון, צפיפות הפלזמה נמוכה והקריטריון של Lawson מושג עקב שמירת אנרגיה טובה במערכת, כלומר. חיי פלזמה אנרגטית ארוכים. לכן, למערכות עם כליאה מגנטית יש גודל פלזמה אופייני בסדר גודל של מספר מטרים וצפיפות פלזמה נמוכה יחסית, n ~ 10 20 מ' -3 (זה נמוך פי 10 5 בערך מהצפיפות האטומית בלחץ רגיל וטמפרטורת החדר) .

במערכות פעימות, קריטריון Lawson מושג על ידי דחיסה של מטרות היתוך עם קרינת לייזר או רנטגן ויצירת תערובת בצפיפות גבוהה מאוד. משך החיים במערכות פעימות קצר ונקבע על ידי ההתרחבות החופשית של המטרה. האתגר הפיזי העיקרי בכיוון זה של היתוך מבוקר הוא הפחתת האנרגיה הכוללת והפיצוץ לרמה שתאפשר ליצור כור היתוך מעשי.

שני סוגי המערכות כבר התקרבו ליצירת מכונות ניסוי עם תפוקת אנרגיה חיובית ו-Q fus > 1, שבהן ייבחנו המרכיבים העיקריים של כורים תרמו-גרעיניים עתידיים. עם זאת, לפני שנעבור לדיון בהתקני היתוך, נשקול את מחזור הדלק של כור היתוך עתידי, שאינו תלוי במידה רבה בתכנון הספציפי של המערכת.

1) TOKAMAK T-15 פעל עד כה רק במצב עם חימום אוהם של הפלזמה, ולכן פרמטרי הפלזמה המתקבלים בהתקנה זו נמוכים למדי. בעתיד, מתוכנן להכניס 10 MW של הזרקה ניטרלית ו-10 MW של חימום ציקלוטרון אלקטרוני.

2) ה-Q fus הנתון חושב מחדש מהפרמטרים של פלזמת DD שהתקבלה בהגדרה לפלזמה DT.

ולמרות שתוכנית הניסוי של TOKAMAKs אלה טרם הושלמה, דור זה של מכונות השלים למעשה את המשימות שהוקצו לו. TOKAMAKs JET ו-TFTR קיבלו לראשונה כוח תרמו-גרעיני גבוה של תגובות DT בפלזמה, 11 MW ב-TFTR ו-16 MW ב-JET. איור 6 מציג את תלות הזמן של כוח תרמו-גרעיני בניסויי DT.

איור 6. תלות של כוח תרמו-גרעיני בזמן בפריקות שיא של דאוטריום-טריטיום ב-JET ו-TFTR tokamaks.

דור זה של TOKAMAKs הגיע לערך הסף Q fus = 1 וקיבל nt E נמוך פי כמה מהנדרש עבור כור TOKAMAK בקנה מידה מלא. TOKAMAKs למדו לשמור על זרם פלזמה נייח באמצעות שדות RF ואלומות ניטרליות. נחקרה הפיזיקה של חימום פלזמה על ידי חלקיקים מהירים, לרבות חלקיקי אלפא תרמו-גרעיניים, נחקרה פעולתו של המפנה ופותחו אופני פעולתו בעומסים תרמיים נמוכים. תוצאות המחקרים הללו אפשרו ליצור את היסודות הפיזיים הדרושים לשלב הבא - כור TOKAMAK הראשון, שיפעל במצב בעירה.

אילו מגבלות פיזיות על פרמטרי פלזמה קיימות ב-TOKAMAK?

לחץ פלזמה מקסימלי בTOKAMAK או ערך מקסימלי β נקבע על ידי יציבות הפלזמה ומתואר בערך על ידי היחס של טרויון,

איפה β לידי ביטוי %, IP– זרם זורם בפלזמה ו β Nהוא קבוע חסר מימד הנקרא מקדם טרויון. לפרמטרים ב- (5) יש את הממדים MA, T, m β N= 3÷5, שהושגו בניסויים, עולים בקנה אחד עם תחזיות תיאורטיות המבוססות על חישובים של יציבות הפלזמה. איור 7 מציג את ערכי הגבול β , שהושג במגוון TOKAMAKs.

איור.7. השוואה בין ערכי גבול β הושג בניסויי קנה מידה של Troyon.

אם חריגה מערך הגבול β , הפרעות סליליות בקנה מידה גדול מתפתחות בפלזמה של TOKAMAK, הפלזמה מתקררת במהירות ומתה על הקיר. תופעה זו נקראת פלזמה stall.

כפי שניתן לראות מאיור 7, TOKAMAK מאופיין בערכים נמוכים למדי β ברמה של כמה אחוזים. ישנה אפשרות מהותית להעלות את הערך β על ידי הפחתת יחס הגובה-רוחב הפלזמה לערכים נמוכים במיוחד של R/ א= 1.3÷1.5. התיאוריה חוזה את זה במכונות כאלה β יכול להגיע לכמה עשרות אחוזים. יחס הגובה-רוחב הראשון TOKAMAK, START, הנמוך במיוחד, שנבנה לפני מספר שנים באנגליה, כבר קיבל ערכים β = 30%. מצד שני, מערכות אלו תובעניות יותר מבחינה טכנית ודורשות פתרונות טכניים מיוחדים להגנה על הסליל הטורואידי, המפנה והנייטרונים. נכון לעכשיו, נבנים מספר TOKAMAK ניסיוניים גדולים יותר מאשר START עם יחס רוחב-גובה נמוך וזרם פלזמה מעל 1 MA. צפוי שבמהלך 5 השנים הקרובות ניסויים יספקו מספיק נתונים כדי להבין האם השיפור הצפוי בפרמטרי הפלזמה יושג והאם הוא יוכל לפצות על הקשיים הטכניים הצפויים בכיוון זה.

מחקרים ארוכי טווח של כליאת פלזמה ב-TOKAMAK הראו כי תהליכי העברת האנרגיה והחלקיקים על פני השדה המגנטי נקבעים על ידי תהליכים סוערים מורכבים בפלזמה. ולמרות שכבר זוהו אי יציבות פלזמה האחראית לאובדן פלזמה חריג, ההבנה התיאורטית של תהליכים לא ליניאריים עדיין לא מספיקה כדי לתאר את משך חיי הפלזמה בהתבסס על עקרונות ראשונים. לכן, כדי להרחיב את משך החיים של פלזמה שהושגו במתקנים מודרניים לקנה המידה של כור TOKAMAK, משתמשים כיום בחוקים אמפיריים - קנה מידה. אחד מקנה המידה הללו (ITER-97(y)), המתקבל באמצעות עיבוד סטטיסטי של מסד נתונים ניסיוני מ-TOKAMAKs שונים, מנבא כי משך החיים גדל עם גודל הפלזמה, R, זרם הפלזמה I p, והתארכות חתך הפלזמה k = ב/ א= 4 ויורד עם הגדלת כוח חימום הפלזמה, P:

t E ~ R 2 k 0.9 I р 0.9 / P 0.66

התלות של חיי האנרגיה בפרמטרים אחרים של פלזמה היא חלשה למדי. איור 8 מראה כי משך החיים הנמדד כמעט בכל TOKAMAKs הניסויים מתואר היטב על ידי קנה מידה זה.

איור 8. תלות של משך חיי האנרגיה שנצפה בניסוי בזה שנחזה על ידי קנה המידה של ITER-97(y).
הסטייה הסטטיסטית הממוצעת של נקודות הניסוי מקנה המידה היא 15%.
תוויות שונות מתאימות למכשירי TOKAMAK שונים ולכור TOKAMAK המוקרן ITER.

קנה מידה זה מנבא ש-TOKAMAK שבו תתרחש בעירה תרמו-גרעינית מתקיימת, צריך להיות בעל רדיוס גדול של 7-8 מ' וזרם פלזמה של 20 MA. ב-TOKAMAK כזה, אורך חיי האנרגיה יעלה על 5 שניות, והספק של תגובות תרמו-גרעיניות יהיה ברמה של 1-1.5 GW.

בשנת 1998 הושלם התכנון ההנדסי של כור TOKAMAK ITER. העבודה בוצעה במשותף על ידי ארבעה גורמים: אירופה, רוסיה, ארה"ב ויפן במטרה ליצור את הכור הניסיוני הראשון של TOKAMAK שנועד להשיג בעירה תרמו-גרעינית של תערובת של דאוטריום וטריטיום. הפרמטרים הפיזיים וההנדסיים העיקריים של המתקן ניתנים בטבלה 3, וחתך הרוחב שלו מוצג באיור 9.

איור.9. מבט כללי של כור TOKAMAK המעוצב ITER.

ל-ITER כבר יהיו כל המאפיינים העיקריים של כור TOKAMAK. תהיה לו מערכת מגנטית מוליכת על מלאה, שמיכה מקוררת והגנה מפני קרינת נויטרונים, ומערכת תחזוקה מרחוק להתקנה. ההנחה היא כי על הקיר הראשון יתקבלו שטפי נויטרונים בצפיפות הספק של 1 MW/m 2 ושטף כולל של 0.3 MW × yr/m 2, מה שיאפשר ניסויים בטכנולוגיה גרעינית של חומרים ומודולי שמיכה המסוגלים להתרבות. טריטיום.

שולחן 3.
פרמטרים בסיסיים של הכור התרמו-גרעיני הניסיוני הראשון של TOKAMAK, ITER.

ITER מתוכננת להיבנות בשנים 2010-2011. תוכנית הניסוי, שתימשך בכור ניסיוני זה במשך כעשרים שנה, תאפשר להשיג נתונים פיזיקליים וגרעיניים-גרעיניים הדרושים לבנייתו של 2030-2035. הכור ההדגמה הראשון - TOKAMAK, שכבר ייצר חשמל. המשימה העיקרית של ITER תהיה להדגים את המעשיות של כור TOKAMAK לייצור חשמל ו.

לצד TOKAMAK, שהיא כיום המערכת המתקדמת ביותר ליישום היתוך תרמו-גרעיני מבוקר, ישנן מלכודות מגנטיות נוספות המתחרות בהצלחה ב-TOKAMAK.

בנוסף ל-TOKAMAK ול-STELLARATOR, ניסויים, אם כי בקנה מידה קטן יותר, ממשיכים בכמה מערכות אחרות עם תצורות מגנטיות סגורות. ביניהם, יש לציין צביטה הפוכה בשדה, SPHEROMAKs וטורי קומפקטי. לצביטות הפוכות שדה יש ​​שדה מגנטי טורואידי נמוך יחסית. ב-SPHEROMAK או בטורי קומפקטי אין מערכת מגנטית טורואידלית כלל. בהתאם לכך, כל המערכות הללו מבטיחות את היכולת ליצור פלזמה בעלת ערך פרמטר גבוה β ולפיכך, עשוי להיות בעתיד אטרקטיבי ליצירת כורי היתוך קומפקטיים או כורים באמצעות תגובות חלופיות, כגון DHe 3 או rB, שבהם נדרש שדה נמוך להפחתת ה-bremsstrahlung המגנטי. פרמטרי הפלזמה הנוכחיים שהושגו במלכודות אלו עדיין נמוכים משמעותית מאלו המתקבלים ב-TOKAMAKS וב-STELLARATORS.

מחקר על האינטראקציה של קרינת לייזר עם חומר הראה שקרינת לייזר נספגת היטב על ידי החומר המתאדה של מעטפת המטרה עד לצפיפות ההספק הנדרשת של 2÷4 · 10 14 W/cm 2 . מקדם הקליטה יכול להגיע ל-40÷80% ועולה עם ירידה באורך הגל של הקרינה. כפי שהוזכר לעיל, ניתן להשיג תשואה תרמו-גרעינית גדולה אם עיקר הדלק נשאר קר במהלך הדחיסה. לשם כך, יש צורך שהדחיסה תהיה אדיאבטית, כלומר. יש להימנע מחימום מוקדם של המטרה, שעלולה להתרחש עקב יצירת אלקטרונים אנרגטיים, גלי הלם או קרני רנטגן קשות על ידי קרינת לייזר. מחקרים רבים הראו שניתן להפחית את ההשפעות הלא רצויות הללו על ידי יצירת פרופיל של דופק הקרינה, אופטימיזציה של הטבליות והפחתת אורך גל הקרינה. איור 16, שהושאל מהעבודה, מציג את גבולות האזור במטוס צפיפות הספק - אורך גללייזרים המתאימים לדחיסת מטרה.

איור 16. האזור במישור הפרמטר שבו הלייזרים מסוגלים לדחוס מטרות תרמו-גרעיניות (מוצלות).

מתקן הלייזר הראשון (NIF) בעל פרמטרי לייזר המספיקים להצתת מטרות ייבנה בארה"ב בשנת 2002. המתקן יאפשר ללמוד את הפיזיקה של דחיסה של מטרות, שתהיה להן תפוקה תרמו-גרעינית ברמה של 1- 20 MJ ובהתאם יאפשר קבלת ערכים גבוהים Q>1.

למרות שהלייזרים מאפשרים לבצע מחקר מעבדתי על דחיסה והצתה של מטרות, חסרונם הוא יעילותם הנמוכה, שבמקרה הטוב מגיעה עד כה ל-1-2%. ביעילות נמוכה כל כך, התשואה התרמו-גרעינית של המטרה צריכה לעלות על 10 3, וזו משימה קשה מאוד. בנוסף, ללייזרי זכוכית יש יכולת חזרה של דופק נמוכה. על מנת שלייזרים ישמשו כמניע כור לתחנת כוח היתוך, יש להפחית את עלותם בכשני סדרי גודל. לכן, במקביל לפיתוח טכנולוגיית הלייזר, פנו החוקרים לפיתוח דרייברים יעילים יותר – קרני יונים.

קורות יונים

נכון להיום, נבחנים שני סוגים של אלומות יונים: אלומות של יונים קלים מסוג Li באנרגיה של כמה עשרות MeV ואלומות של יונים כבדים מסוג Pb באנרגיה של עד 10 GeV. אם מדברים על יישומי כור, אז בשני המקרים יש צורך לספק אנרגיה של מספר MJ למטרה ברדיוס של מספר מילימטרים בזמן של כ-10 ns. יש צורך לא רק למקד את הקרן, אלא גם להיות מסוגל להוביל אותה בתא הכור במרחק של כמספר מטרים מפלט המאיץ אל המטרה, וזו משימה לא קלה כלל עבור קרני חלקיקים.

ניתן ליצור אלומות של יוני אור באנרגיות של כמה עשרות MeV ביעילות גבוהה יחסית. באמצעות מתח דופק המופעל על הדיודה. טכנולוגיית פעימה מודרנית מאפשרת להשיג את הכוחות הנדרשים לדחיסת מטרות, ולכן קרני יונים אור הן המועמד הזול ביותר לנהג. ניסויים עם יונים קלים בוצעו במשך שנים רבות במתקן PBFA-11 במעבדה הלאומית של Sandywood בארה"ב. ההגדרה מאפשרת ליצור פולסים קצרים (15 ns) של יוני 30 MeV Li עם זרם שיא של 3.5 MA ואנרגיה כוללת של כ-1 MJ. מעטפת עשויה מחומר Z גדול ובתוכו מטרה הוצבה במרכז דיודה סימטרית כדורית, המאפשרת ייצור של מספר רב של אלומות יונים מכוונות רדיאלית. אנרגיית היונים נספגה במעטפת ההולרום ובחומר המילוי הנקבובי בין המטרה למעטפת והומרה לקרני רנטגן רכות שדחסו את המטרה.

זה היה צפוי להשיג צפיפות הספק של יותר מ-5 × 10 13 W/cm 2 הדרושה לדחיסה והצתה של מטרות. עם זאת, צפיפות ההספק שהושגה היו נמוכות בערך בסדר גודל מהצפוי. כור המשתמש ביונים קלים כמניע דורש זרימות ענקיות של חלקיקים מהירים עם צפיפות חלקיקים גבוהה ליד המטרה. מיקוד אלומות כאלה על מטרות מילימטר הוא משימה בעלת מורכבות עצומה. בנוסף, יונים קלים יעוכבו באופן ניכר בגז השיורי בתא הבעירה.

המעבר ליונים כבדים ואנרגיות חלקיקים גבוהות מאפשר להפחית משמעותית את הבעיות הללו ובעיקר להפחית את צפיפות זרם החלקיקים ובכך להקל על בעיית מיקוד החלקיקים. עם זאת, כדי להשיג את חלקיקי ה-10 GeV הנדרשים, נדרשים מאיצים ענקיים עם מצברי חלקיקים וציוד האצה מורכב אחר. הבה נניח שאנרגיית האלומה הכוללת היא 3 MJ, זמן הפולס הוא 10 ns, והאזור בו יש למקד את הקרן הוא עיגול ברדיוס של 3 מ"מ. פרמטרים השוואתיים של דרייברים היפותטיים לדחיסת יעד ניתנים בטבלה 6.

טבלה 6.
מאפיינים השוואתיים של דרייברים על יונים קלים וכבדים.

*) – באזור היעד

קרני יונים כבדים, כמו גם יונים קלים, מצריכים שימוש ב-hohlraum, שבו האנרגיה של היונים מומרת לקרינת רנטגן, המקרינה באופן אחיד את המטרה עצמה. העיצוב של ה-hohlraum עבור קרן יונים כבדה שונה רק במעט מה-hohlraum עבור קרינת לייזר. ההבדל הוא שהקרנות אינן מצריכות חורים דרכם חודרות קרני הלייזר לתוך ההוהלרום. לכן, במקרה של קורות משתמשים בבולמי חלקיקים מיוחדים, הממירים את האנרגיה שלהם לקרינת רנטגן. אפשרות אפשרית אחת מוצגת באיור 14b. מסתבר שיעילות ההמרה יורדת עם הגדלת האנרגיה והיונים והגדלת גודל האזור בו מתמקדת האלומה. לכן, הגדלת האנרגיה והחלקיקים מעל 10 GeV אינה מעשית.

נכון להיום, הן באירופה והן בארה"ב, הוחלט למקד את עיקר המאמצים בפיתוח דרייברים המבוססים על קרני יונים כבדים. צפוי שדרייברים אלו יפותחו עד 2010-2020, ואם יצליחו, יחליפו את הלייזרים בהתקנות הדור הבא של NIF. עד כה, המאיצים הנדרשים לאיחוי אינרציאלי אינם קיימים. הקושי העיקרי ביצירתם קשור בצורך להגדיל את צפיפות השטף של החלקיקים לרמה שבה צפיפות המטען המרחבית של יונים כבר משפיעה באופן משמעותי על הדינמיקה והמיקוד של החלקיקים. על מנת לצמצם את השפעת מטען החלל, מוצע ליצור מספר רב של אלומות מקבילות, אשר יחוברו בתא הכור ויופנו לעבר המטרה. הגודל הטיפוסי של מאיץ ליניארי הוא מספר קילומטרים.

כיצד היא אמורה להוליך אלומות יונים למרחק של מספר מטרים בתא הכור ולמקד אותן בשטח בגודל של כמה מילימטרים? תוכנית אפשרית אחת היא מיקוד עצמי של קורות, שיכול להתרחש בגז בלחץ נמוך. האלומה תגרום ליינון של הגז ולזרם חשמלי נגדי שזורם דרך הפלזמה. השדה המגנטי האזימוטלי, שנוצר מהזרם המתקבל (ההבדל בין זרם הקרן לזרם הפלזמה ההפוך), יוביל לדחיסה רדיאלית של הקרן והמיקוד שלה. דוגמנות מספרית מראה כי באופן עקרוני, תוכנית כזו אפשרית אם לחץ הגז נשמר בטווח הרצוי של 1-100 טור.

ולמרות שקורות יונים כבדות מציעות את האפשרות ליצור מניע יעיל לכור היתוך, הן מתמודדות עם אתגרים טכניים עצומים שעדיין צריך להתגבר עליהם לפני השגת המטרה. ליישומים תרמו-גרעיניים יש צורך במאיץ שייצור אלומה של יוני 10 GeV עם שיא זרם של כמה עשרות חלליות והספק ממוצע של כ-15 מגה-וואט. נפח המערכת המגנטית של מאיץ כזה דומה לנפח המערכת המגנטית של כור TOKAMAK, ולכן ניתן לצפות שהעלויות שלהם יהיו באותו סדר.

תא כור דופק

שלא כמו כור היתוך מגנטי, שבו נדרשים ואקום גבוהים וטוהר פלזמה, דרישות כאלה אינן מוטלות על תא של כור דופק. הקשיים הטכנולוגיים העיקריים ביצירת כורים פעימים נעוצים בתחום טכנולוגיית הדרייברים, יצירת מטרות ומערכות מדויקות המאפשרות להזין ולשלוט במיקום המטרה בתא. לתא כור הדופק עצמו יש עיצוב פשוט יחסית. רוב הפרויקטים כוללים שימוש בקיר נוזלי שנוצר על ידי נוזל קירור פתוח. לדוגמה, עיצוב הכור HYLIFE-11 משתמש במלח מותך Li 2 BeF 4, וילון נוזלי שממנו מקיף את האזור אליו מגיעים המטרות. קיר הנוזל יספוג קרינת נויטרונים וישטוף את שאריות המטרות. זה גם מפחית את הלחץ של מיקרו פיצוצים ומעביר אותו באופן שווה לקיר הראשי של החדר. הקוטר החיצוני האופייני של החדר הוא כ-8 מ', גובהו כ-20 מ'.

קצב הזרימה הכולל של נוזל נוזל הקירור מוערך בכ-50 m 3 /s, וזה די בר השגה. ההנחה היא כי בנוסף לזרימה הראשית, הנייחת, יתבצע בתא תריס נוזלי פועם, שייפתח מסונכרן עם אספקת המטרה בתדר של כ-5 הרץ להעברת אלומת יונים כבדים.

הדיוק הנדרש בהזנת מטרה הוא שברירי מילימטרים. ברור שהעברת מטרה באופן פסיבי למרחק של כמה מטרים בדיוק כזה בתא בו יתרחשו זרימות גז סוערות שנגרמו מפיצוצי מטרות קודמות היא משימה בלתי אפשרית כמעט. לכן, הכור ידרוש מערכת בקרה המאפשרת מעקב אחר מיקום המטרה ומיקוד דינמי של האלומה. באופן עקרוני, משימה כזו היא ריאלית, אך היא עלולה לסבך משמעותית את בקרת הכור.

"לוקהיד מרטין החלה לפתח כור תרמו-גרעיני קומפקטי... באתר החברה נכתב כי אב הטיפוס הראשון ייבנה תוך שנה. אם זה יתברר כנכון, בעוד שנה נחיה בעולם אחר לגמרי", זו ההתחלה של אחד מ"עליית הגג". שלוש שנים חלפו מאז פרסומו, והעולם לא השתנה כל כך מאז.

כיום, בכורים של תחנות כוח גרעיניות, אנרגיה נוצרת על ידי ריקבון של גרעינים כבדים. בכורים תרמו-גרעיניים מתקבלת אנרגיה בתהליך היתוך של גרעינים, שבמהלכו נוצרים גרעינים בעלי מסה פחותה מסכום המקוריים, וה"שאריות" אובדות בצורת אנרגיה. פסולת מכורים גרעיניים היא רדיואקטיבית, וסילוק בטוח שלה הוא כאב ראש גדול. לכורי היתוך אין את החיסרון הזה, והם גם משתמשים בדלק זמין נרחב כמו מימן.

יש להם רק בעיה אחת גדולה - עיצובים תעשייתיים עדיין לא קיימים. המשימה לא פשוטה: לצורך תגובות תרמו-גרעיניות, יש לדחוס את הדלק ולחמם למאות מיליוני מעלות - חם יותר מאשר על פני השמש (שם מתרחשות תגובות תרמו-גרעיניות באופן טבעי). קשה להגיע לטמפרטורה כל כך גבוהה, אבל זה אפשרי, אבל כור כזה צורך יותר אנרגיה ממה שהוא מייצר.

עם זאת, עדיין יש להם כל כך הרבה יתרונות פוטנציאליים, שכמובן, לא רק לוקהיד מרטין מעורבת בפיתוח.

ITER

ITER הוא הפרויקט הגדול ביותר בתחום זה. הוא מערב את האיחוד האירופי, הודו, סין, קוריאה, רוסיה, ארה"ב ויפן, והכור עצמו נבנה על שטח צרפת מאז 2007, אם כי ההיסטוריה שלו עמוקה הרבה יותר אל העבר: רייגן וגורבצ'וב הסכימו על יצירתו ב- 1985. הכור הוא תא טורואידי, "סופגנייה", שבו הפלזמה מוחזקת על ידי שדות מגנטיים, וזו הסיבה שהיא נקראת טוקאמק - זֶהרוידל kaלמדוד עם אִמָארָקוּב לאטושקי. הכור יפיק אנרגיה באמצעות היתוך של איזוטופי מימן - דאוטריום וטריטיום.

מתוכנן ש-ITER יקבל פי 10 יותר אנרגיה ממה שהוא צורך, אבל זה לא יקרה בקרוב. תחילה תוכנן שהכור יתחיל לפעול במצב ניסוי ב-2020, אך אז נדחה תאריך זה ל-2025. במקביל, ייצור אנרגיה תעשייתי יתחיל לא לפני 2060, ונוכל לצפות להתפשטות הטכנולוגיה הזו אי שם רק בסוף המאה ה-21.

וונדלשטיין 7-X

וונדלשטיין 7-X הוא כור ההיתוך הגדול ביותר מסוג כוכבים. כוכב הכוכבים פותר את הבעיה הפוקדת את הטוקמקים - "התפשטות" הפלזמה ממרכז הטורוס אל הקירות שלו. את מה שהטוקאמק מנסה להתמודד איתו בשל כוחו של השדה המגנטי, פותר הכוכבים בשל צורתו המורכבת: השדה המגנטי המחזיק את הפלזמה מתכופף כדי לעצור את התקדמותם של חלקיקים טעונים.

וונדלשטיין 7-X, כפי שמקווים יוצריו, יוכל לפעול למשך חצי שעה ב-21, מה שייתן "כרטיס לחיים" לרעיון של תחנות תרמו-גרעיניות בעיצוב דומה.

מתקן הצתה לאומי

סוג אחר של כור משתמש בלייזרים רבי עוצמה כדי לדחוס ולחמם דלק. אבוי, מתקן הלייזר הגדול ביותר להפקת אנרגיה תרמו-גרעינית, ה-NIF האמריקאי, לא הצליח להפיק יותר אנרגיה ממה שהוא צורך.

איזה מכל הפרויקטים האלה באמת ימריא ומי יספוג את אותו גורל כמו NIF קשה לחזות. כל מה שאנחנו יכולים לעשות הוא לחכות, לקוות ולעקוב אחר החדשות: שנות ה-2020 מבטיחות להיות זמן מעניין לאנרגיה גרעינית.

"טכנולוגיות גרעיניות" הוא אחד הפרופילים של אולימפיאדת NTI לתלמידי בית ספר.