כור היתוך איטר. איטר: כיצד נוצר הכור התרמו-גרעיני הבינלאומי הראשון כור תרמו-גרעיני בינלאומי

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, על פי 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, אז הציעה ברית המועצות 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 קל לארגן; מספר מדינות לא הצליחו שוב ושוב לעמוד בלוח הזמנים של הפרויקט, וכתוצאה מכך השקת הכור נדחתה ללא הרף. 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 טורואידי 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 מסייעות להביא את הפלזמה לטמפרטורות שבין 150 ל-300 מיליון מעלות צלזיוס. חלקיקים "נרגשים" ברמה זו יכולים להתגבר על הדחייה האלקטרומגנטית הטבעית שלהם בעת התנגשות, התנגשויות כאלה משחררות כמויות אדירות של אנרגיה.

עיצוב טוקאמק מורכב מהאלמנטים הבאים:

כלי ואקום

("סופגנייה") היא תא טורואידי העשוי מפלדת אל חלד. קוטרו הגדול 19 מ', הקטן 6 מ' וגובהו 11 מ'. נפח החדר 1,400 מ' 3 ומשקלו יותר מ-5,000 טון. דפנות כלי הוואקום כפולים; נוזל קירור יסתובב בין הקירות, שיהיו מים מזוקקים. כדי למנוע זיהום מים, הקיר הפנימי של החדר מוגן מפני קרינה 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. קסטות בריליום כאלה יאטו את הנייטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה 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 נוספים של המערכת ימוקמו בתוך הקרוסטט, והוא עצמו משרת כמחסום בין הטוקמק 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 15X9 מ' ומשקל של כ-300 טון. ביחד, סלילים אלו מייצרים שדה מגנטי של 11.8 טסלה מסביב לטורוס הפלזמה ואוגרים 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 קוטר של 24 מ' ומסה של 400 טון. הארבעה הנותרים מעט יותר קטנים.
• 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 מתבצעת 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.

איך הכל התחיל? "אתגר האנרגיה" נוצר כתוצאה משילוב של שלושת הגורמים הבאים:

1. האנושות צורכת כעת כמות עצומה של אנרגיה.

נכון להיום, צריכת האנרגיה בעולם היא כ-15.7 טרה וואט (TW). לחלק את הערך הזה באוכלוסיית העולם, אנו מקבלים כ-2400 וואט לאדם, שניתן להעריך ולהמחיש בקלות. האנרגיה הנצרכת על ידי כל תושב כדור הארץ (כולל ילדים) מתאימה לפעולה מסביב לשעון של מנורות חשמליות של 24 מאות וואט. עם זאת, צריכת האנרגיה הזו על פני כדור הארץ היא מאוד לא אחידה, מכיוון שהיא גדולה מאוד במספר מדינות וזניחה באחרות. הצריכה (במונחים של אדם אחד) שווה ל-10.3 קילוואט בארה"ב (אחד מערכי השיא), 6.3 קילוואט בפדרציה הרוסית, 5.1 קילוואט בבריטניה וכו', אבל מצד שני זה שווה רק 0.21 קילוואט בבנגלדש (רק 2% מצריכת האנרגיה בארה"ב!).

2. צריכת האנרגיה העולמית עולה באופן דרמטי.

לפי סוכנות האנרגיה הבינלאומית (2006), צריכת האנרגיה העולמית צפויה לעלות ב-50% עד 2030. מדינות מפותחות יכולות, כמובן, להסתדר מצוין ללא אנרגיה נוספת, אבל הצמיחה הזו נחוצה כדי להוציא אנשים מהעוני במדינות מתפתחות, שבהן 1.5 מיליארד בני אדם סובלים ממחסור חמור בחשמל.

3. נכון להיום, 80% מהאנרגיה בעולם מגיעה משריפת דלקים מאובנים(נפט, פחם וגז), שהשימוש בהם:

א) עלול להוות סיכון לשינויים סביבתיים קטסטרופליים;

ב) בהכרח חייב להסתיים מתישהו.

ממה שנאמר ברור שכעת עלינו להיערך לסוף עידן השימוש בדלקים מאובנים

נכון להיום, תחנות כוח גרעיניות מייצרות אנרגיה המשתחררת במהלך תגובות ביקוע של גרעיני אטום בקנה מידה גדול. יש לעודד יצירה ופיתוח של תחנות כאלה בכל דרך אפשרית, אך יש לקחת בחשבון כי ניתן יהיה לנצל לחלוטין את הרזרבות של אחד החומרים החשובים ביותר להפעלתן (אורניום זול) ב-50 השנים הקרובות. . ניתן (וצריך) להרחיב באופן משמעותי את האפשרויות של אנרגיה מבוססת ביקוע גרעיני באמצעות שימוש במחזורי אנרגיה יעילים יותר, המאפשרים כמעט להכפיל את כמות האנרגיה המיוצרת. כדי לפתח אנרגיה בכיוון זה, יש צורך ליצור כורי תוריום (מה שנקרא כורי מגדל תוריום או כורי גידול), שבהם התגובה מייצרת יותר תוריום מהאורניום המקורי, וכתוצאה מכך כמות האנרגיה הכוללת המופקת. עבור כמות נתונה של חומר עולה פי 40. זה גם נראה מבטיח ליצור מגדלי פלוטוניום באמצעות נויטרונים מהירים, שהם הרבה יותר יעילים מכורי אורניום ויכולים לייצר פי 60 יותר אנרגיה. יכול להיות שכדי לפתח אזורים אלו יהיה צורך לפתח שיטות חדשות, לא סטנדרטיות, להשגת אורניום (למשל ממי ים, שנראה כי הם הנגישים ביותר).

תחנות כוח היתוך

האיור מציג תרשים סכמטי (לא לפי קנה מידה) של המכשיר ועקרון הפעולה של תחנת כוח תרמו-גרעינית. בחלק המרכזי ישנו תא טורואידאלי (בצורת סופגניה) בנפח של ~2000 מ"ק, מלא בפלזמה טריטיום-דאוטריום (T–D) מחוממת לטמפרטורה של מעל 100 M°C. הנייטרונים שנוצרו במהלך תגובת ההיתוך (1) יוצאים מ"הבקבוק המגנטי" ונכנסים לקליפה המוצגת באיור בעובי של כ-1 מ'.

בתוך הקליפה, נויטרונים מתנגשים באטומי ליתיום, וכתוצאה מכך תגובה המייצרת טריטיום:

נויטרון + ליתיום → הליום + טריטיום

בנוסף, מתרחשות תגובות מתחרות במערכת (ללא יצירת טריטיום), וכן תגובות רבות עם שחרור נויטרונים נוספים, אשר לאחר מכן גם מובילות ליצירת טריטיום (במקרה זה, שחרור נויטרונים נוספים יכול להיות שיפור משמעותי, למשל, על ידי החדרת אטומי בריליום לקליפה ולעופרת). המסקנה הכללית היא שהמתקן הזה יכול (לפחות תיאורטית) לעבור תגובת היתוך גרעיני שתיצור טריטיום. במקרה זה, כמות הטריטיום המיוצרת לא צריכה רק לענות על צרכי המתקן עצמו, אלא גם להיות גדולה אף יותר, מה שיאפשר לספק למתקנים חדשים טריטיום. תפיסת הפעלה זו היא שיש לבדוק וליישם בכור ITER המתואר להלן.

בנוסף, נויטרונים חייבים לחמם את המעטפת במפעלי פיילוט (בהם ישמשו חומרי בנייה "רגילים" יחסית) לכ-400 מעלות צלזיוס. בעתיד, מתוכנן ליצור מתקנים משופרים עם טמפרטורת חימום מעטפת מעל 1000 מעלות צלזיוס, שניתן להשיג באמצעות שימוש בחומרים העדכניים ביותר בעלי חוזק גבוה (כגון מרוכבים של סיליקון קרביד). החום שנוצר במעטפת, כמו בתחנות קונבנציונליות, נלקח על ידי מעגל הקירור הראשוני עם נוזל קירור (המכיל, למשל, מים או הליום) ומועבר למעגל המשני, שם מיוצרים קיטור מים ומסופקים לטורבינות.

1985 - ברית המועצות הציעה את מפעל הדור הבא של טוקאמק, תוך שימוש בניסיון של ארבע מדינות מובילות ביצירת כורי היתוך. ארצות הברית של אמריקה, יחד עם יפן והקהילה האירופית, העלו הצעה ליישום הפרויקט.

נכון לעכשיו, בצרפת, מתבצעת בנייה של הכור התרמו-גרעיני הניסיוני הבינלאומי ITER (International Tokamak Experimental Reactor), המתואר להלן, שיהיה הטוקאמק הראשון המסוגל "להצית" פלזמה.

מתקני הטוקמק הקיימים המתקדמים ביותר הגיעו מזמן לטמפרטורות של כ-150 M°C, קרוב לערכים הנדרשים להפעלת תחנת היתוך, אך כור ITER אמור להיות תחנת הכוח הגדולה הראשונה שתוכננה לאורך זמן. מבצע לטווח. בעתיד, יהיה צורך לשפר משמעותית את פרמטרי הפעולה שלו, מה שידרוש, קודם כל, הגדלת הלחץ בפלזמה, שכן קצב ההיתוך הגרעיני בטמפרטורה נתונה הוא פרופורציונלי לריבוע הלחץ. הבעיה המדעית העיקרית במקרה זה קשורה לעובדה שכאשר הלחץ בפלזמה עולה, נוצרות אי יציבות מורכבות ומסוכנות מאוד, כלומר מצבי פעולה לא יציבים.

למה אנחנו צריכים את זה?

היתרון העיקרי של היתוך גרעיני הוא בכך שהוא דורש רק כמויות קטנות מאוד של חומרים הנפוצים מאוד בטבע כדלק. תגובת ההיתוך הגרעיני במתקנים המתוארים עלולה להוביל לשחרור כמויות אדירות של אנרגיה, הגבוהה פי עשרה מיליון מהחום הסטנדרטי המשתחרר במהלך תגובות כימיות קונבנציונליות (כגון שריפה של דלק מאובנים). לשם השוואה נציין כי כמות הפחם הנדרשת להפעלת תחנת כוח תרמית בהספק של 1 ג'יגה וואט (GW) היא 10,000 טון ליום (עשרה קרונות רכבת), ומפעל היתוך באותו הספק יצרוך רק כ 1 קילוגרם מתערובת D+T ליום.

דאוטריום הוא איזוטופ יציב של מימן; בערך באחת מכל 3,350 מולקולות של מים רגילים, אחד מאטומי המימן מוחלף בדוטריום (מורשת מהמפץ הגדול). עובדה זו מקלה על ארגון ייצור זול למדי של הכמות הנדרשת של דאוטריום ממים. קשה יותר להשיג טריטיום שאינו יציב (זמן מחצית חיים הוא כ-12 שנים, וכתוצאה מכך תכולתו בטבע זניחה), אולם, כפי שמוצג לעיל, טריטיום יופיע ישירות בתוך המתקן התרמו-גרעיני במהלך הפעולה, עקב תגובה של נויטרונים עם ליתיום.

לפיכך, הדלק הראשוני לכור היתוך הוא ליתיום ומים. ליתיום היא מתכת נפוצה בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים (סוללות לטלפונים סלולריים וכו'). המתקן שתואר לעיל, גם בהתחשב ביעילות שאינה אידיאלית, יוכל להפיק 200,000 קוט"ש של אנרגיה חשמלית, השווה לאנרגיה הכלול ב-70 טון פחם. כמות הליתיום הדרושה לכך מצויה בסוללת מחשב אחת, וכמות הדאוטריום היא ב-45 ליטר מים. הערך הנ"ל מתאים לצריכת החשמל הנוכחית (מחושבת לאדם) במדינות האיחוד האירופי לאורך 30 שנה. עצם העובדה שכמות כה לא משמעותית של ליתיום יכולה להבטיח יצירת כמות כזו של חשמל (ללא פליטת CO2 וללא זיהום אוויר הקטן ביותר) היא טיעון רציני למדי לפיתוח המהיר והנמרץ ביותר של אנרגיה תרמו-גרעינית (למרות כל קשיים ובעיות) ואפילו ללא מאה אחוז אמון בהצלחת מחקר כזה.

דאוטריום אמור להימשך מיליוני שנים, ורזרבות של ליתיום שניתן לכרות בקלות מספיקות לספק צרכים במשך מאות שנים. גם אם הליתיום בסלעים אוזל, נוכל להפיק אותו ממים, שם הוא נמצא בריכוזים גבוהים מספיק (פי 100 מריכוז האורניום) כדי להפוך את ההפקה שלו למשתלמת מבחינה כלכלית.

כור תרמו-גרעיני ניסיוני (International thermonuclear experimental reactor) נבנה ליד העיר Cadarache בצרפת. המטרה העיקרית של פרויקט ITER היא ליישם תגובת היתוך תרמו-גרעיני מבוקרת בקנה מידה תעשייתי.

ליחידת משקל של דלק תרמו-גרעיני מתקבלת פי 10 מיליון יותר אנרגיה מאשר בשריפת אותה כמות של דלק אורגני, וכפי מאה יותר מאשר בפיצול גרעיני אורניום בכורים של תחנות כוח גרעיניות הפועלות כיום. אם החישובים של מדענים ומעצבים יתגשמו, זה ייתן לאנושות מקור בלתי נדלה של אנרגיה.

לכן, מספר מדינות (רוסיה, הודו, סין, קוריאה, קזחסטן, ארה"ב, קנדה, יפן, מדינות האיחוד האירופי) איחדו כוחות ביצירת כור המחקר התרמו-גרעיני הבינלאומי - אב טיפוס של תחנות כוח חדשות.

ITER הוא מתקן היוצר תנאים לסינתזה של אטומי מימן וטריטיום (איזוטופ של מימן), וכתוצאה מכך נוצר אטום חדש - אטום הליום. תהליך זה מלווה בפרץ אדיר של אנרגיה: טמפרטורת הפלזמה שבה מתרחשת התגובה התרמו-גרעינית היא כ-150 מיליון מעלות צלזיוס (לשם השוואה, הטמפרטורה של ליבת השמש היא 40 מיליון מעלות). במקרה זה, האיזוטופים נשרפים, ולא משאירים כמעט פסולת רדיואקטיבית.

תכנית ההשתתפות בפרויקט הבינלאומי מספקת אספקת רכיבי כור ומימון בנייתו. בתמורה לכך, כל אחת מהמדינות המשתתפות מקבלת גישה מלאה לכל הטכנולוגיות ליצירת כור תרמו-גרעיני ולתוצאות כל עבודת הניסוי על כור זה, אשר ישמשו בסיס לתכנון של כורים תרמו-גרעיניים טוריים.

לכור, המבוסס על עקרון ההיתוך התרמו-גרעיני, אין קרינה רדיואקטיבית והוא בטוח לחלוטין לסביבה. ניתן למקם אותו כמעט בכל מקום בעולם, והדלק עבורו הוא מים רגילים. בניית ITER צפויה להימשך כעשר שנים, ולאחר מכן הכור צפוי להיות בשימוש למשך 20 שנה.

האינטרסים של רוסיה במועצת הארגון הבינלאומי לבניית הכור התרמי-גרעיני ITER בשנים הקרובות יוצגו על ידי חבר מקביל באקדמיה הרוסית למדעים מיכאיל קובלצ'וק - מנהל מכון קורצ'טוב, המכון לקריסטלוגרפיה של האקדמיה הרוסית של מזכיר מדעים ומדעי של המועצה הנשיאותית למדע, טכנולוגיה וחינוך. קובלצ'וק יחליף בתפקיד זה באופן זמני את האקדמאי יבגני וליכוב, שנבחר ליושב ראש המועצה הבינלאומית של ITER למשך השנתיים הקרובות ואין לו את הזכות לשלב תפקיד זה עם חובותיו של נציג רשמי של המדינה המשתתפת.

עלות הבנייה הכוללת מוערכת ב-5 מיליארד יורו, ואותו סכום יידרש להפעלת ניסיון של הכור. המניות של הודו, סין, קוריאה, רוסיה, ארה"ב ויפן מהוות כל אחת כ-10% מהערך הכולל, 45% מגיעים ממדינות האיחוד האירופי. עם זאת, מדינות אירופה עדיין לא הסכימו כיצד בדיוק יתחלקו העלויות ביניהן. בשל כך נדחתה תחילת הבנייה לאפריל 2010. למרות העיכוב האחרון, מדענים ופקידים המעורבים ב-ITER אומרים שהם יוכלו להשלים את הפרויקט עד 2018.

ההספק התרמו-גרעיני המוערך של ITER הוא 500 מגה וואט. חלקי מגנט בודדים מגיעים למשקל של 200 עד 450 טון. כדי לקרר את ITER, יידרשו 33 אלף קוב מים ביום.

ב-1998 הפסיקה ארצות הברית לממן את השתתפותה בפרויקט. לאחר עליית הרפובליקנים לשלטון והחלו הפסקות חשמל מתגלגלות בקליפורניה, ממשל בוש הכריז על הגדלת ההשקעה באנרגיה. ארצות הברית לא התכוונה להשתתף בפרויקט הבינלאומי והייתה עסוקה בפרויקט תרמו-גרעיני משלה. בתחילת 2002 אמר היועץ הטכנולוגי של הנשיא בוש, ג'ון מרבורגר השלישי, כי ארצות הברית שינתה את דעתה ובכוונתה לחזור לפרויקט.

מבחינת מספר המשתתפים, הפרויקט דומה לפרויקט מדעי בינלאומי גדול אחר - תחנת החלל הבינלאומית. עלות ITER, שהגיעה בעבר ל-8 מיליארד דולר, הסתכמה אז בפחות מ-4 מיליארד. כתוצאה מנסיגת ארצות הברית מההשתתפות, הוחלט להפחית את הספק הכור מ-1.5 GW ל-500 MW. בהתאם, גם מחיר הפרויקט ירד.

ביוני 2002, התקיים סימפוזיון "ימי ITER במוסקבה" בבירת רוסיה. הוא דן בבעיות התיאורטיות, המעשיות והארגוניות של החייאת הפרויקט, שהצלחתו יכולה לשנות את גורל האנושות ולהעניק לה סוג חדש של אנרגיה, הדומה ביעילות ובחסכון רק לאנרגיית השמש.

ביולי 2010, נציגי המדינות המשתתפות בפרויקט הכור התרמו-גרעיני הבינלאומי ITER אישרו את התקציב ואת לוח הזמנים של הבנייה בפגישה יוצאת דופן שהתקיימה בקדראצ'ה, צרפת. דוח הפגישה זמין כאן.

בפגישה יוצאת הדופן האחרונה אישרו משתתפי הפרויקט את תאריך ההתחלה של הניסויים הראשונים בפלזמה - 2019. ניסויים מלאים מתוכננים למרץ 2027, אם כי הנהלת הפרויקט ביקשה ממומחים טכניים לנסות לייעל את התהליך ולהתחיל בניסויים ב-2026. משתתפי הפגישה החליטו גם על עלויות הקמת הכור, אך לא נחשפו הסכומים המתוכננים להשקיע ביצירת המתקן. לפי מידע שקיבל עורך פורטל ScienceNOW ממקור ללא שם, עד שיתחילו הניסויים, עלות פרויקט ITER עשויה להגיע ל-16 מיליארד יורו.

הפגישה בקדראצ'ה סימנה גם את יום העבודה הרשמי הראשון של מנהל הפרויקט החדש, הפיזיקאי היפני אוסמו מוטוג'ימה. לפניו הוביל את הפרויקט מאז 2005 היפני Kaname Ikeda, שביקש לעזוב את תפקידו מיד לאחר אישור התקציב ומועדי הבנייה.

כור ההיתוך ITER הוא פרויקט משותף של האיחוד האירופי, שוויץ, יפן, ארה"ב, רוסיה, דרום קוריאה, סין והודו. הרעיון של יצירת ITER נמצא בבחינה מאז שנות ה-80 של המאה הקודמת, עם זאת, בשל קשיים פיננסיים וטכניים, עלות הפרויקט גדלה ללא הרף, ותאריך תחילת הבנייה נדחה כל הזמן. ב-2009, מומחים ציפו שהעבודה על יצירת הכור תתחיל ב-2010. מאוחר יותר, תאריך זה הוזז, ותחילה 2018 ולאחר מכן 2019 נקראו כשעת ההשקה של הכור.

תגובות היתוך תרמו-גרעיניות הן תגובות של היתוך של גרעינים של איזוטופים קלים ליצירת גרעין כבד יותר, המלוות בשחרור עצום של אנרגיה. בתיאוריה, כורי היתוך יכולים לייצר הרבה אנרגיה בעלות נמוכה, אבל כרגע מדענים מוציאים הרבה יותר אנרגיה וכסף כדי להתחיל ולתחזק את תגובת ההיתוך.

היתוך טרמו-גרעיני הוא דרך זולה וידידותית לסביבה להפקת אנרגיה. היתוך תרמו-גרעיני בלתי מבוקר מתרחש על השמש כבר מיליארדי שנים - הליום נוצר מאיזוטופ המימן הכבד דאוטריום. זה משחרר כמות עצומה של אנרגיה. עם זאת, אנשים על פני כדור הארץ עדיין לא למדו לשלוט בתגובות כאלה.

כור ITER ישתמש באיזוטופי מימן כדלק. במהלך תגובה תרמו-גרעינית, אנרגיה משתחררת כאשר אטומים קלים מתאחדים לאטומים כבדים יותר. כדי להשיג זאת, יש לחמם את הגז לטמפרטורה של למעלה מ-100 מיליון מעלות - הרבה יותר מהטמפרטורה במרכז השמש. גז בטמפרטורה זו הופך לפלזמה. במקביל, אטומים של איזוטופי מימן מתמזגים, והופכים לאטומי הליום עם שחרור של מספר רב של נויטרונים. תחנת כוח הפועלת על עיקרון זה תשתמש באנרגיה של נויטרונים המואטת על ידי שכבה של חומר צפוף (ליתיום).

מדוע ארכה כל כך הרבה זמן יצירת מתקנים תרמו-גרעיניים?

מדוע עדיין לא נוצרו מתקנים כה חשובים ובעלי ערך, שיתרונותיהם נדונים כבר כמעט חצי מאה? ישנן שלוש סיבות עיקריות (עליהם נדון להלן), הראשונה שבהן יכולה להיקרא חיצונית או חברתית, והשתיים האחרות - פנימיות, כלומר נקבעות על פי החוקים והתנאים של התפתחות האנרגיה התרמו-גרעינית עצמה.

1. במשך זמן רב האמינו כי בעיית השימוש המעשי באנרגיית היתוך תרמו-גרעיני אינה דורשת החלטות ופעולות דחופות, שכן עוד בשנות ה-80 של המאה הקודמת, מקורות דלק מאובנים נראו בלתי נדלים, ובעיות סביבתיות ושינויי אקלים כן. לא נוגע לציבור. בשנת 1976 ניסתה הוועדה המייעצת לאנרגיית היתוך של משרד האנרגיה האמריקני להעריך את מסגרת הזמן עבור מו"פ ותחנת כוח היתוך הדגמה במסגרת אפשרויות מימון מחקר שונות. יחד עם זאת, התגלה כי היקף המימון השנתי למחקר בכיוון זה אינו מספיק לחלוטין, ואם נשמר רמת ההקצאות הקיימת, הקמת מתקנים תרמו-גרעיניים לעולם לא תצליח, שכן הכספים שהוקצו אינם תואמים. אפילו לרמה המינימלית והקריטית.

2. מכשול חמור יותר להתפתחות המחקר בתחום זה הוא שלא ניתן ליצור ולהדגים מתקן תרמו-גרעיני מהסוג הנדון בקנה מידה קטן. מההסברים שיוצגו להלן, יתברר שהיתוך תרמו-גרעיני דורש לא רק כליאה מגנטית של הפלזמה, אלא גם חימום מספק שלה. היחס בין האנרגיה המושקעת והמתקבלת עולה לפחות ביחס לריבוע הממדים הליניאריים של המתקן, וכתוצאה מכך ניתן לבדוק ולהדגים את היכולות המדעיות והטכניות והיתרונות של מתקנים תרמו-גרעיניים רק בתחנות גדולות למדי, כגון כמו כור ITER המוזכר. החברה פשוט לא הייתה מוכנה לממן פרויקטים גדולים כל כך עד שהיה מספיק אמון בהצלחה.

3. פיתוח האנרגיה התרמו-גרעינית היה מורכב מאוד, אולם (למרות מימון לא מספק וקשיים בבחירת מרכזים ליצירת מתקני JET ו-ITER), נצפתה התקדמות ברורה בשנים האחרונות, למרות שטרם הוקמה תחנת הפעלה.

העולם המודרני עומד בפני אתגר אנרגיה רציני ביותר, שניתן לכנותו ביתר דיוק "משבר אנרגיה לא ודאי". הבעיה קשורה לעובדה שמאגרי דלק מאובנים עלולים להיגמר במחצית השנייה של המאה הזו. יתרה מכך, שריפת דלקים מאובנים עלולה לגרום לצורך איכשהו לספוג ו"לאחסן" את הפחמן הדו חמצני המשתחרר לאטמוספירה (תוכנית CCS שהוזכרה לעיל) כדי למנוע שינויים גדולים באקלים של כדור הארץ.

נכון להיום, כמעט כל האנרגיה הנצרכת על ידי האנושות נוצרת על ידי שריפת דלקים מאובנים, והפתרון לבעיה עשוי להיות קשור בשימוש באנרגיה סולארית או באנרגיה גרעינית (יצירת כורי גידול מהירים וכו'). הבעיה העולמית הנגרמת על ידי האוכלוסייה הגדלה של מדינות מתפתחות והצורך שלהן לשפר את רמת החיים ולהגדיל את כמות האנרגיה המיוצרת לא ניתנת לפתרון על בסיס גישות אלו בלבד, אם כי, כמובן, כל ניסיונות לפתח שיטות חלופיות להפקת אנרגיה. צריך לעודד.

באופן קפדני, יש לנו מבחר קטן של אסטרטגיות התנהגותיות ופיתוח אנרגיה תרמו-גרעינית חשוב ביותר, גם למרות היעדר ערובה להצלחה. העיתון "פייננשל טיימס" (מיום 25 בינואר 2004) כתב על כך:

"גם אם העלויות של פרויקט ITER עולות משמעותית על ההערכה המקורית, לא סביר שהן יגיעו לרמה של מיליארד דולר בשנה. יש לראות ברמת ההוצאה הזו מחיר צנוע מאוד לשלם עבור הזדמנות סבירה מאוד ליצור מקור אנרגיה חדש עבור האנושות כולה, במיוחד בהתחשב בעובדה שכבר במאה זו נצטרך בהכרח לוותר על ההרגל לבזבז. ושריפה פזיזה של דלקים מאובנים".

נקווה שלא יהיו הפתעות גדולות ובלתי צפויות בדרך לפיתוח האנרגיה התרמו-גרעינית. במקרה זה, בעוד כ-30 שנה נוכל לספק זרם חשמלי ממנה לראשונה לרשתות האנרגיה, ובעוד קצת יותר מ-10 שנים תחל לפעול תחנת הכוח התרמו-גרעינית המסחרית הראשונה. ייתכן שבמחצית השנייה של המאה הזו, אנרגיית היתוך גרעיני תתחיל להחליף דלקים מאובנים ובהדרגה תתחיל לשחק תפקיד חשוב יותר ויותר באספקת אנרגיה לאנושות בקנה מידה עולמי.

אין ערובה מוחלטת שהמשימה של יצירת אנרגיה תרמו-גרעינית (כמקור אנרגיה יעיל ובקנה מידה גדול עבור האנושות כולה) תושלם בהצלחה, אבל הסבירות להצלחה בכיוון זה היא די גבוהה. בהתחשב בפוטנציאל העצום של תחנות תרמו-גרעיניות, כל העלויות עבור פרויקטים לפיתוח מהיר (ואפילו מואץ) שלהן יכולות להיחשב מוצדקות, במיוחד מכיוון שההשקעות הללו נראות צנועות מאוד על רקע שוק האנרגיה העולמי המפלצתי (4 טריליון דולר לשנה8). עמידה בצרכי האנרגיה של האנושות היא בעיה חמורה מאוד. ככל שדלקים מאובנים הופכים פחות זמינים (והשימוש בהם הופך לבלתי רצוי), המצב משתנה, ופשוט לא נוכל להרשות לעצמנו שלא לפתח אנרגיית היתוך.

לשאלה "מתי תופיע אנרגיה תרמו-גרעינית?" לב ארטסימוביץ' (חלוץ מוכר ומוביל מחקר בתחום זה) הגיב פעם כי "הוא יווצר כשזה יהיה נחוץ באמת לאנושות"

ITER יהיה כור ההיתוך הראשון שיפיק יותר אנרגיה ממה שהוא צורך. מדענים מודדים מאפיין זה באמצעות מקדם פשוט שהם מכנים "Q". אם ITER ישיג את כל המטרות המדעיות שלו, הוא יפיק פי 10 יותר אנרגיה ממה שהוא צורך. המכשיר האחרון שנבנה, Joint European Torus באנגליה, הוא אב טיפוס קטן יותר של כור היתוך, שבשלביו האחרונים של המחקר המדעי, השיג ערך Q של כמעט 1. המשמעות היא שהוא הפיק בדיוק את אותה כמות אנרגיה כפי שצרך. . ITER יעבור מעבר לכך על ידי הדגמת יצירת אנרגיה מהיתוך והשגת ערך Q של 10. הרעיון הוא לייצר 500 MW מצריכת אנרגיה של כ-50 MW. לפיכך, אחת המטרות המדעיות של ITER היא להוכיח שניתן להשיג ערך Q של 10.

מטרה מדעית נוספת היא של-ITER יהיה זמן "צריבה" ארוך מאוד - דופק באורך של עד שעה אחת. ITER הוא כור ניסויי מחקר שאינו יכול להפיק אנרגיה ברציפות. כאשר ITER יתחיל לפעול, הוא יופעל למשך שעה, ולאחר מכן יהיה צורך לכבות אותו. זה חשוב מכיוון שעד עכשיו המכשירים הסטנדרטיים שיצרנו היו מסוגלים לקבל זמן צריבה של מספר שניות ואפילו עשיריות השנייה - זה המקסימום. ה-"Joint European Torus" הגיע לערך ה-Q שלו 1 עם זמן צריבה של כשתי שניות עם אורך דופק של 20 שניות. אבל תהליך שנמשך כמה שניות הוא לא באמת קבוע. באנלוגיה להתנעת מנוע מכונית: הפעלה קצרה של המנוע ואז כיבויו אינה עדיין פעולה אמיתית של המכונית. רק כשתנהגו במכונית שלכם במשך חצי שעה היא תגיע למצב הפעלה קבוע ותוכיח שבאמת ניתן לנהוג במכונית כזו.

כלומר, מנקודת מבט טכנית ומדעית, ITER יספק ערך Q של 10 וזמן צריבה מוגדל.

תוכנית ההיתוך התרמו-גרעיני היא באמת בינלאומית ורחבה באופיה. אנשים כבר סומכים על הצלחת ITER וחושבים על השלב הבא - יצירת אב טיפוס של כור תרמו-גרעיני תעשייתי בשם DEMO. כדי לבנות אותו, ITER צריך לעבוד. עלינו להשיג את המטרות המדעיות שלנו כי זה אומר שהרעיונות שהעלינו הם ברי ביצוע לחלוטין. עם זאת, אני מסכים שאתה תמיד צריך לחשוב על מה שיבוא אחר כך. בנוסף, כאשר ITER פועלת במשך 25-30 שנה, הידע שלנו יעמיק ויתרחב בהדרגה, ונוכל לשרטט בצורה מדויקת יותר את הצעד הבא שלנו.

אכן, אין ויכוח אם ITER צריך להיות טוקאמק. כמה מדענים מציגים את השאלה בצורה שונה לגמרי: האם ITER צריך להתקיים? מומחים במדינות שונות, המפתחים פרויקטים תרמו-גרעיניים משלהם, לא כל כך גדולים, טוענים שאין צורך בכור כה גדול כלל.

עם זאת, אין לראות בדעתם כסמכותית. פיזיקאים שעבדו עם מלכודות טורואידיות במשך כמה עשורים היו מעורבים ביצירת ITER. התכנון של הכור התרמו-גרעיני הניסיוני בקראדש התבסס על כל הידע שנצבר במהלך ניסויים על עשרות טוקאמקים קודמים. והתוצאות הללו מצביעות על כך שהכור חייב להיות טוקאמק, וגם גדול.

JET נכון לעכשיו, הטוקמק המוצלח ביותר יכול להיחשב JET, שנבנה על ידי האיחוד האירופי בעיירה הבריטית אבינגדון. זהו הכור הגדול ביותר מסוג טוקאמק שנוצר עד כה, הרדיוס הגדול של טורוס הפלזמה הוא 2.96 מטר. עוצמת התגובה התרמו-גרעינית כבר הגיעה ליותר מ-20 מגה וואט עם זמן שמירה של עד 10 שניות. הכור מחזיר כ-40% מהאנרגיה המוכנסת לפלזמה.

הפיזיקה של הפלזמה היא שקובעת את מאזן האנרגיה", אמר איגור סמנוב ל-Infox.ru. פרופסור חבר ב-MIPT תיאר מהו מאזן אנרגיה באמצעות דוגמה פשוטה: "כולנו ראינו אש בוערת. למעשה, לא עצים בוערים שם, אלא גז. שרשרת האנרגיה שם היא כזו: הגז נשרף, העץ מתחמם, העץ מתאדה, הגז נשרף שוב. לכן, אם נזרוק מים על אש, ניקח בפתאומיות אנרגיה מהמערכת למעבר פאזה של מים נוזליים למצב אדים. היתרה תהפוך לשלילית והאש תכבה. יש דרך אחרת - אנחנו יכולים פשוט לקחת את מותגי האש ולפזר אותם בחלל. גם האש תכבה. זה אותו דבר בכור התרמו-גרעיני שאנחנו בונים. הממדים נבחרים כדי ליצור מאזן אנרגיה חיובי מתאים לכור זה. מספיק לבניית תחנת כוח גרעינית אמיתית בעתיד, פותרים בשלב הניסוי הזה את כל הבעיות שנותרו כרגע לא פתורות".

מידות הכור שונו פעם אחת. זה קרה בתחילת המאות ה-20-21, כאשר ארה"ב פרשה מהפרויקט, ושאר החברים הבינו שתקציב ITER (עד אז הוא נאמד ב-10 מיליארד דולר) גדול מדי. פיזיקאים ומהנדסים נדרשו להפחית את עלות ההתקנה. וזה יכול להיעשות רק בגלל הגודל. ה"עיצוב מחדש" של ITER הובל על ידי הפיזיקאי הצרפתי רוברט איימאר, שעבד בעבר על ה- Tore Supra tokamak הצרפתי בקראדש. הרדיוס החיצוני של טורוס הפלזמה הצטמצם מ-8.2 ל-6.3 מטרים. עם זאת, הסיכונים הקשורים לצמצום הגודל פוצו בחלקם על ידי מספר מגנטים מוליכים נוספים, שאפשרו ליישם את מצב כליאת הפלזמה, שהיה פתוח ונחקר באותה תקופה.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") הוא פרויקט מדעי וטכני רחב היקף שמטרתו לבנות את הכור התרמו-גרעיני הניסיוני הבינלאומי הראשון.

מיושם על ידי שבעה שותפים עיקריים (האיחוד האירופי, הודו, סין, הרפובליקה של קוריאה, רוסיה, ארה"ב, יפן) בקדראצ'ה (אזור פרובנס-אלפ-קוט ד'אזור, צרפת). ITER מבוסס על מתקן טוקאמק (על שם האותיות הראשונות שלו: תא טורואידאלי עם סלילים מגנטיים), הנחשב למכשיר המבטיח ביותר לביצוע היתוך תרמו-גרעיני מבוקר. הטוקמק הראשון נבנה בברית המועצות ב-1954.

מטרת הפרויקט היא להדגים שניתן להשתמש באנרגיית היתוך בקנה מידה תעשייתי. ITER אמור לייצר אנרגיה באמצעות תגובת היתוך עם איזוטופי מימן כבדים בטמפרטורות מעל 100 מיליון מעלות.

ההנחה היא ש-1 גרם דלק (תערובת של דאוטריום וטריטיום) שישמש במיתקן יספק את אותה כמות אנרגיה כמו 8 טון נפט. ההספק התרמו-גרעיני המוערך של ITER הוא 500 מגה וואט.

מומחים אומרים שכור מסוג זה בטוח הרבה יותר מתחנות כוח גרעיניות (NPPs) הנוכחיות, ומי ים יכולים לספק לו דלק בכמויות כמעט בלתי מוגבלות. לפיכך, יישום מוצלח של ITER יספק מקור בלתי נדלה של אנרגיה ידידותית לסביבה.

היסטוריית הפרויקט

קונספט הכור פותח במכון לאנרגיה אטומית על שמו. I.V.Kurchatova. בשנת 1978 העלתה ברית המועצות את הרעיון של יישום הפרויקט בסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (סבא"א). הסכם ליישום הפרויקט הושג בשנת 1985 בז'נבה במהלך משא ומתן בין ברית המועצות לארה"ב.

התוכנית אושרה מאוחר יותר על ידי סבא"א. בשנת 1987 קיבל הפרויקט את שמו הנוכחי, ובשנת 1988 הוקם גוף מנהל - מועצת ITER. בשנים 1988-1990 מדענים ומהנדסים סובייטים, אמריקאים, יפנים ואירופים ביצעו מחקר רעיוני של הפרויקט.

ב-21 ביולי 1992, בוושינגטון חתמו האיחוד האירופי, רוסיה, ארה"ב ויפן על הסכם לפיתוח הפרויקט הטכני של ITER, שהושלם בשנת 2001. בשנים 2002-2005. דרום קוריאה, סין והודו הצטרפו לפרויקט. ההסכם לבניית כור ההיתוך הניסיוני הבינלאומי הראשון נחתם בפריז ב-21 בנובמבר 2006.

שנה לאחר מכן, ב-7 בנובמבר 2007, נחתם הסכם באתר הבנייה של ITER, לפיו הכור ימוקם בצרפת, במרכז הגרעיני Cadarache ליד מרסיי. מרכז הבקרה ועיבוד הנתונים ימוקם בנאקה (מחוז איבארקי, יפן).

הכנת אתר הבנייה בקדראצ'ה החלה בינואר 2007, והבנייה בקנה מידה מלא החלה ב-2013. המתחם ימוקם על שטח של 180 דונם. הכור, בגובה 60 מ' ומשקלו 23 אלף טון, ימוקם באתר באורך 1 ק"מ וברוחב 400 מ'. העבודות על בנייתו מתואמות על ידי הארגון הבינלאומי ITER, שנוצר באוקטובר 2007.

עלות הפרויקט מוערכת ב-15 מיליארד יורו, מתוכם האיחוד האירופי (באמצעות Euratom) מהווה 45.4%, ושישה משתתפים נוספים (כולל הפדרציה הרוסית) תורמים 9.1% כל אחד. מאז 1994, גם קזחסטן משתתפת בפרויקט במסגרת המכסה של רוסיה.

אלמנטי הכור יימסרו באונייה לחוף הים התיכון של צרפת ומשם יועברו בשיירות מיוחדות לאזור קדראצ'ה. לשם כך, בשנת 2013 אובזרו באופן משמעותי קטעי כבישים קיימים, חוזקו גשרים, נבנו מעברי חצייה ומסלולים חדשים עם משטחים חזקים במיוחד. בתקופה שבין 2014 ל-2019 אמורות לעבור לפחות שלוש תריסר רכבות כביש סופר-כבדות לאורך הכביש המבוצר.

מערכות אבחון פלזמה עבור ITER יפותחו בנובוסיבירסק. הסכם על כך נחתם ב-27 בינואר 2014 על ידי מנהל הארגון הבינלאומי ITER Osamu Motojima וראש הסוכנות הלאומית ITER בפדרציה הרוסית אנטולי קרסילניקוב.

פיתוח מתחם אבחון במסגרת ההסכם החדש מתבצע על בסיס המכון הפיזי-טכני על שמו. A.F. Ioffe האקדמיה הרוסית למדעים.

צפוי שהכור ייכנס לפעולה ב-2020, תגובות ההיתוך הגרעיני הראשונות יבוצעו בו לא לפני 2027. ב-2037 מתוכנן להשלים את החלק הניסיוני של הפרויקט ועד 2040 לעבור לייצור חשמל . על פי תחזיות ראשוניות של מומחים, הגרסה התעשייתית של הכור תהיה מוכנה לא לפני 2060, וניתן ליצור סדרה של כורים מסוג זה רק עד סוף המאה ה-21.

האם יש צורך באנרגיה תרמו-גרעינית?

בשלב זה של התפתחות הציוויליזציה, אנו יכולים לומר בבטחה שהאנושות עומדת בפני "אתגר אנרגיה". זה נובע מכמה גורמים בסיסיים:

- האנושות צורכת כעת כמות עצומה של אנרגיה.

נכון להיום, צריכת האנרגיה בעולם היא כ-15.7 טרה וואט (TW). אם מחלקים ערך זה באוכלוסיית כדור הארץ, אנו מקבלים כ-2400 וואט לאדם, שניתן להעריך ולדמיין בקלות. האנרגיה הנצרכת על ידי כל תושב כדור הארץ (כולל ילדים) מתאימה לפעולה מסביב לשעון של 24 מנורות חשמליות של 100 וואט.

- צריכת האנרגיה העולמית עולה במהירות.

לפי סוכנות האנרגיה הבינלאומית (2006), צריכת האנרגיה העולמית צפויה לעלות ב-50% עד 2030.

- נכון להיום, 80% מהאנרגיה הנצרכת על ידי העולם נוצרת על ידי שריפת דלקים מאובנים (נפט, פחם וגז), שהשימוש בו עלול להוות סיכון לשינויים סביבתיים קטסטרופליים.

הבדיחה הבאה פופולרית בקרב סעודים: "אבי רכב על גמל. יש לי מכונית, והבן שלי כבר מטיס מטוס. אבל עכשיו בנו ירכב שוב על גמל."

נראה שזה המצב, שכן כל התחזיות הרציניות הן שמאגרי הנפט בעולם ייגמרו במידה רבה בעוד כ-50 שנה.

אפילו בהתבסס על הערכות של המכון הגיאולוגי של ארה"ב (תחזית זו הרבה יותר אופטימית מאחרות), הצמיחה של הפקת הנפט העולמית תימשך לא יותר מ-20 השנים הבאות (מומחים אחרים צופים ששיא ההפקה יושג בעוד 5-10 שנים), ולאחר מכן היקף הנפט המופק יתחיל לרדת בקצב של כ-3% בשנה. הסיכויים להפקת גז טבעי לא נראים הרבה יותר טובים. בדרך כלל אומרים שיהיה לנו מספיק פחם לעוד 200 שנה, אבל התחזית הזו מבוססת על שמירה על רמת הייצור והצריכה הקיימת. בינתיים, צריכת הפחם עולה כעת ב-4.5% בשנה, מה שמצמצם מיד את התקופה הנזכרת של 200 שנה ל-50 שנה בלבד.

לפיכך, עלינו להתכונן כעת לסוף עידן השימוש בדלקים מאובנים.

לרוע המזל, מקורות אנרגיה חלופיים קיימים כיום אינם מסוגלים לכסות את הצרכים ההולכים וגדלים של האנושות. על פי ההערכות האופטימיות ביותר, כמות האנרגיה המקסימלית (במקבילה תרמית שצוינה) הנוצרת על ידי המקורות המפורטים היא רק 3 TW (רוח), 1 TW (הידרו), 1 TW (מקורות ביולוגיים) ו-100 GW (גיאותרמיים וימיים) צמחים). הכמות הכוללת של אנרגיה נוספת (אפילו בתחזית האופטימלית ביותר הזו) היא רק כ-6 TW. ראוי לציין שפיתוח מקורות אנרגיה חדשים היא משימה טכנית מורכבת מאוד, ולכן עלות האנרגיה שהם מייצרים תהיה בכל מקרה גבוהה יותר מאשר בשריפה הרגילה של פחם וכו'. נראה די ברור ש

האנושות חייבת לחפש כמה מקורות אנרגיה אחרים, שעבורם ניתן לשקול כרגע רק תגובות היתוך תרמו-גרעיניות בלבד.

השמש היא מקור אנרגיה כמעט בלתי נדלה. כמות האנרגיה שפוגעת ב-0.1% בלבד משטח כדור הארץ שווה ערך ל-3.8 TW (גם אם הומרה ביעילות של 15% בלבד). הבעיה נעוצה בחוסר היכולת שלנו ללכוד ולהמיר את האנרגיה הזו, הקשורה הן לעלות הגבוהה של פאנלים סולאריים והן לבעיות של צבירה, אחסון והעברה נוספת של האנרגיה המתקבלת לאזורים הנדרשים.

נכון להיום, תחנות כוח גרעיניות מייצרות אנרגיה המשתחררת במהלך תגובות ביקוע של גרעיני אטום בקנה מידה גדול. אני מאמין שיש לעודד יצירה ופיתוח של תחנות כאלה בכל דרך אפשרית, אך יש לקחת בחשבון שניתן לנצל לחלוטין את הרזרבות של אחד החומרים החשובים ביותר להפעלתן (אורניום זול) 50 השנים הבאות.

כיוון התפתחות חשוב נוסף הוא השימוש בהיתוך גרעיני (היתוך גרעיני), המשמש כעת כתקווה העיקרית לישועה, אם כי מועד יצירתן של תחנות הכוח התרמו-גרעיניות הראשונות נותר לא ברור. הרצאה זו מוקדשת לנושא זה.

מהו היתוך גרעיני?

היתוך גרעיני, המהווה את הבסיס לקיומם של השמש והכוכבים, עשוי לייצג מקור בלתי נדלה של אנרגיה להתפתחות היקום בכלל. ניסויים שבוצעו ברוסיה (רוסיה היא מקום הולדתו של המפעל התרמו-גרעיני של Tokamak), ארה"ב, יפן, גרמניה וכן בבריטניה במסגרת תוכנית Joint European Torus (JET), שהיא אחת מתוכניות המחקר המובילות בעולם, מראים שהיתוך גרעיני יכול לספק לא רק את צורכי האנרגיה הנוכחיים של האנושות (16 TW), אלא גם כמות גדולה בהרבה של אנרגיה.

אנרגיית היתוך גרעיני היא אמיתית מאוד, והשאלה העיקרית היא האם אנו יכולים ליצור מפעלי היתוך אמינים וחסכוניים מספיק.

תהליכי היתוך גרעיני הם תגובות הכוללות היתוך של גרעיני אטום קלים לכבדים יותר, המשחררים כמות מסוימת של אנרגיה.

קודם כל, ביניהם יש לציין את התגובה בין שני איזוטופים (דוטריום וטריטיום) של מימן, הנפוץ מאוד בכדור הארץ, וכתוצאה מכך נוצר הליום ומשתחרר נויטרון. ניתן לכתוב את התגובה כך:

D + T = 4 He + n + אנרגיה (17.6 MeV).

האנרגיה המשתחררת, הנובעת מהעובדה שלהליום-4 יש קשרים גרעיניים חזקים מאוד, הופכת לאנרגיה קינטית רגילה, המופצת בין הנייטרון לגרעין הליום-4 בפרופורציה של 14.1 MeV/3.5 MeV.

כדי להתחיל (להצית) את תגובת ההיתוך יש צורך ליינן ולחמם לחלוטין את הגז מתערובת של דאוטריום וטריטיום לטמפרטורה של מעל 100 מיליון מעלות צלזיוס (נסמן אותה ב-M מעלות), הגבוהה בערך פי חמישה. מהטמפרטורה במרכז השמש. כבר בטמפרטורות של כמה אלפי מעלות, התנגשויות בין-אטומיות מובילות להוצאת אלקטרונים מהאטומים, וכתוצאה מכך נוצרת תערובת של גרעינים ואלקטרונים מופרדים המכונה פלזמה, שבהן דיוטרונים וטריטונים בעלי מטען חיובי ואנרגטי גבוה (כלומר, דאוטריום). וגרעיני טריטיום) חווים דחייה הדדית חזקה. עם זאת, הטמפרטורה הגבוהה של הפלזמה (ואנרגיית היונים הגבוהה הנלווית לכך) מאפשרת ליוני הדוטריום והטריטיום הללו להתגבר על דחיית קולומב ולהתנגש זה בזה. בטמפרטורות מעל 100 M מעלות, הדאוטרונים והטריטונים ה"אנרגטיים" ביותר מתכנסים בהתנגשויות במרחקים כה קרובים עד שכוחות גרעיניים רבי עוצמה מתחילים לפעול ביניהם, ומאלצים אותם להתמזג זה עם זה לכדי שלם אחד.

ביצוע תהליך זה במעבדה מציב שלוש בעיות קשות מאוד. קודם כל, יש לחמם את תערובת הגז של גרעינים D ו-T לטמפרטורות מעל 100 M מעלות, איכשהו למנוע ממנה להתקרר ולהיות מזוהם (עקב תגובות עם דפנות הכלי).

כדי לפתור בעיה זו הומצאו "מלכודות מגנטיות", הנקראות Tokamak, המונעות את האינטראקציה של פלזמה עם קירות הכור.

בשיטה המתוארת, הפלזמה מחוממת על ידי זרם חשמלי הזורם בתוך הטורוס לכ-3 M מעלות, אשר, עם זאת, עדיין לא מספיק כדי ליזום את התגובה. כדי לחמם בנוסף את הפלזמה, "נשאבת" לתוכה אנרגיה באמצעות קרינת רדיו (כמו בתנור מיקרוגל), או שמזריקים אלומות של חלקיקים ניטרליים בעלי אנרגיה גבוהה, המעבירות את האנרגיה שלהן לפלזמה בעת התנגשויות. בנוסף, שחרור חום מתרחש עקב תגובות תרמו-גרעיניות עצמן (כפי שיפורט להלן), וכתוצאה מכך "הצתה" של הפלזמה צריכה להתרחש במיתקן גדול מספיק.

נכון לעכשיו, בצרפת, מתחילה הבנייה של הכור התרמו-גרעיני הבינלאומי ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), המתואר להלן, שיהיה ה-Tokamak הראשון המסוגל "להצית" פלזמה.

במתקנים המתקדמים ביותר הקיימים מסוג Tokamak הושגו זה מכבר טמפרטורות של כ-150 M מעלות, קרוב לערכים הנדרשים להפעלת תחנה תרמו-גרעינית, אך כור ITER אמור להפוך לכוח הראשון בקנה מידה גדול. מפעל המיועד לפעולה לטווח ארוך. בעתיד, יהיה צורך לשפר משמעותית את הפרמטרים של פעולתו, מה שידרוש, קודם כל, הגדלת הלחץ בפלזמה, שכן קצב ההיתוך הגרעיני בטמפרטורה נתונה הוא פרופורציונלי לריבוע של הלחץ.

הבעיה המדעית העיקרית במקרה זה קשורה לעובדה שכאשר הלחץ בפלזמה עולה, נוצרות אי יציבות מורכבות ומסוכנות מאוד, כלומר מצבי פעולה לא יציבים.

גרעיני ההליום הטעונים חשמלית הנוצרים במהלך תגובת ההיתוך מוחזקים בתוך "מלכודת מגנטית", שם הם מואטים בהדרגה עקב התנגשויות עם חלקיקים אחרים, והאנרגיה המשתחררת במהלך התנגשויות עוזרת לשמור על הטמפרטורה הגבוהה של חוט הפלזמה. נויטרונים ניטרליים (ללא מטען חשמלי) יוצאים מהמערכת ומעבירים את האנרגיה שלהם לדפנות הכור, והחום הנלקח מהקירות הוא מקור האנרגיה להפעלת טורבינות המייצרות חשמל. הבעיות והקשיים בהפעלת מתקן כזה קשורים, קודם כל, לעובדה שזרימה עוצמתית של נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה והאנרגיה המשתחררת (בצורת קרינה אלקטרומגנטית וחלקיקי פלזמה) משפיעות קשות על הכור ועלולה להרוס החומרים מהם הוא עשוי.

בגלל זה, התכנון של מתקנים תרמו-גרעיניים הוא מורכב מאוד. פיזיקאים ומהנדסים עומדים בפני המשימה להבטיח אמינות גבוהה של עבודתם. תכנון והקמת תחנות תרמו-גרעיניות מחייבות אותן לפתור מספר בעיות טכנולוגיות מגוונות ומורכבות מאוד.

תכנון תחנת כוח תרמו-גרעינית

האיור מציג תרשים סכמטי (לא לפי קנה מידה) של המכשיר ועקרון הפעולה של תחנת כוח תרמו-גרעינית. בחלק המרכזי ישנו תא טורואידי (בצורת סופגניה) בנפח של ~ 2000 מ"ר, מלא בפלזמה טריטיום-דאוטריום (T-D) מחוממת לטמפרטורה של מעל 100 מ' מעלות. הנייטרונים שנוצרו במהלך תגובת ההיתוך יוצאים מה"מלכודת המגנטית" ונכנסים לקליפה המוצגת באיור בעובי של כ-1 מ' 1

בתוך הקליפה, נויטרונים מתנגשים באטומי ליתיום, וכתוצאה מכך תגובה המייצרת טריטיום:

נויטרון + ליתיום = הליום + טריטיום.

בנוסף, מתרחשות תגובות מתחרות במערכת (ללא יצירת טריטיום), וכן תגובות רבות עם שחרור נויטרונים נוספים, אשר לאחר מכן גם מובילות ליצירת טריטיום (במקרה זה, שחרור נויטרונים נוספים יכול להיות שיפור משמעותי, למשל, על ידי החדרת אטומים למעטפת בריליום ועופרת). המסקנה הכללית היא שהמתקן הזה יכול (לפחות תיאורטית) לעבור תגובת היתוך גרעיני שתיצור טריטיום. במקרה זה, כמות הטריטיום המיוצרת לא צריכה רק לענות על צרכי המתקן עצמו, אלא גם להיות גדולה אף יותר, מה שיאפשר לספק למתקנים חדשים טריטיום.

תפיסת הפעלה זו היא שיש לבדוק וליישם בכור ITER המתואר להלן.

ניוטרונים צריכים לחמם את המעטפת במפעלי פיילוט (בהם ישמשו חומרי בנייה "רגילים" יחסית) לטמפרטורה של כ-400 מעלות. בעתיד, מתוכנן ליצור מתקנים משופרים עם טמפרטורת חימום מעטפת מעל 1000 מעלות, שניתן להשיג באמצעות שימוש בחומרים העדכניים ביותר בעלי חוזק גבוה (כגון מרוכבים של סיליקון קרביד). החום שנוצר במעטפת, כמו בתחנות קונבנציונליות, נלקח על ידי מעגל הקירור הראשוני עם נוזל קירור (המכיל, למשל, מים או הליום) ומועבר למעגל המשני, שם מיוצרים קיטור מים ומסופקים לטורבינות.

היתרון העיקרי של היתוך גרעיני הוא בכך שהוא דורש רק כמויות קטנות מאוד של חומרים הנפוצים מאוד בטבע כדלק.

תגובת ההיתוך הגרעיני במתקנים המתוארים עלולה להוביל לשחרור כמויות אדירות של אנרגיה, הגבוהה פי עשרה מיליון מהחום הסטנדרטי המשתחרר במהלך תגובות כימיות קונבנציונליות (כגון שריפה של דלק מאובנים). לשם השוואה נציין כי כמות הפחם הנדרשת להפעלת תחנת כוח תרמית בהספק של 1 ג'יגה וואט (GW) היא 10,000 טון ליום (עשרה קרונות רכבת), ומפעל היתוך באותו הספק יצרוך רק כ 1 ק"ג תערובת D+ ליום T.

דאוטריום הוא איזוטופ יציב של מימן; בערך באחת מכל 3,350 מולקולות של מים רגילים, אחד מאטומי המימן מוחלף בדוטריום (מורשת מהמפץ הגדול של היקום). עובדה זו מקלה על ארגון ייצור זול למדי של הכמות הנדרשת של דאוטריום ממים. קשה יותר להשיג טריטיום שאינו יציב (זמן מחצית חיים הוא כ-12 שנים, וכתוצאה מכך תכולתו בטבע זניחה), אולם, כפי שמוצג לעיל, טריטיום יופק ישירות בתוך המתקן התרמו-גרעיני במהלך הפעולה. עקב תגובה של נויטרונים עם ליתיום.

לפיכך, הדלק הראשוני לכור היתוך הוא ליתיום ומים.

ליתיום היא מתכת נפוצה בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים (סוללות לטלפונים סלולריים, למשל). המתקן שתואר לעיל, גם בהתחשב ביעילות שאינה אידיאלית, יוכל להפיק 200,000 קוט"ש של אנרגיה חשמלית, השווה לאנרגיה הכלול ב-70 טון פחם. כמות הליתיום הדרושה לכך מצויה בסוללת מחשב אחת, וכמות הדאוטריום היא ב-45 ליטר מים. הערך הנ"ל מתאים לצריכת החשמל הנוכחית (מחושבת לאדם) במדינות האיחוד האירופי לאורך 30 שנה. עצם העובדה שכמות כה לא משמעותית של ליתיום יכולה לספק יצירת כמות כזו של חשמל (ללא פליטת CO 2 וללא זיהום אוויר הקטן ביותר) היא טיעון רציני למדי לפיתוח מהיר ונמרץ של מחקר על פיתוח תרמו-גרעיני. אנרגיה (למרות כל הקשיים והבעיות) אפילו עם סיכוי ארוך טווח ליצור כור תרמו-גרעיני חסכוני.

דאוטריום אמור להימשך מיליוני שנים, ורזרבות של ליתיום שנכרה בקלות מספיקות לספק צרכים במשך מאות שנים.

גם אם הליתיום בסלעים אוזל, נוכל להפיק אותו ממים, שם הוא נמצא בריכוזים גבוהים מספיק (פי 100 מריכוז האורניום) כדי להפוך את ההפקה שלו למשתלמת מבחינה כלכלית.

אנרגיית היתוך לא רק מבטיחה לאנושות, באופן עקרוני, אפשרות לייצר כמויות עצומות של אנרגיה בעתיד (ללא פליטת CO 2 וללא זיהום אוויר), אלא יש לה גם מספר יתרונות נוספים.

1 ) אבטחה פנימית גבוהה.

לפלזמה המשמשת במתקנים תרמו-גרעיניים יש צפיפות נמוכה מאוד (נמוכה בכפי מיליון מצפיפות האטמוספירה), וכתוצאה מכך סביבת ההפעלה של המתקנים לעולם לא תכיל מספיק אנרגיה כדי לגרום לאירועים או תאונות חמורות.

בנוסף, יש לבצע העמסת "דלק" באופן רציף, מה שמקל על הפסקת פעולתו, שלא לדבר על העובדה שבמקרה של תאונה ושינוי חד בתנאי הסביבה, ה"להבה" התרמו-גרעינית צריכה פשוט צא החוצה.

מהן הסכנות הכרוכות באנרגיה תרמו-גרעינית? ראשית, ראוי לציין שלמרות שתוצרי ההיתוך (הליום ונייטרונים) אינם רדיואקטיביים, מעטפת הכור עלולה להפוך לרדיואקטיבית תחת הקרנת נויטרונים ממושכת.

שנית, טריטיום הוא רדיואקטיבי ובעל זמן מחצית חיים קצר יחסית (12 שנים). אך למרות שנפח הפלזמה בשימוש משמעותי, בשל צפיפותה הנמוכה היא מכילה רק כמות קטנה מאוד של טריטיום (משקל כולל של כעשרה בולי דואר). בגלל זה

גם במצבים ובתאונות הקשים ביותר (השמדה מוחלטת של הקונכייה ושחרור כל הטריטיום המצוי בה, למשל, במהלך רעידת אדמה והתרסקות מטוס בתחנה), תשתחרר רק כמות קטנה של דלק לתוך התחנה. סביבה, שלא תחייב פינוי האוכלוסייה מאזורים מיושבים סמוכים.

2 ) עלות אנרגיה.

צפוי כי המחיר המכונה "פנימי" של החשמל המתקבל (עלות הייצור עצמו) יהפוך למקובל אם הוא יהיה 75% מהמחיר שכבר קיים בשוק. "במחיר סביר" במקרה זה אומר שהמחיר יהיה נמוך ממחיר האנרגיה המיוצרת באמצעות דלקים פחמימנים ישנים. העלות ה"חיצונית" (תופעות לוואי, השפעות על בריאות הציבור, אקלים, אקולוגיה וכו') תהיה אפס בעצם.

כור תרמו-גרעיני בינלאומי ITER

השלב הבא העיקרי הוא בניית כור ITER, שנועד להדגים את עצם האפשרות להצית פלזמה ועל בסיס זה להשיג רווח של לפחות פי עשרה באנרגיה (ביחס לאנרגיה המושקעת בחימום הפלזמה). כור ITER יהיה מכשיר ניסיוני שאפילו לא יצויד בטורבינות לייצור חשמל ובמכשירים לשימוש בו. מטרת הקמתו היא לחקור את התנאים שיש לעמוד בהם במהלך הפעלתן של תחנות כוח מסוג זה, וכן את יצירתן על בסיס זה של תחנות כוח אמיתיות, כדאיות כלכלית, אשר, ככל הנראה, צריכות לעלות על ITER בגודלן. יצירת אבות טיפוס אמיתיים של תחנות כוח היתוך (כלומר, מפעלים מצוידים במלואם בטורבינות וכו') מצריכה פתרון של שתי הבעיות הבאות. ראשית, יש צורך להמשיך ולפתח חומרים חדשים (היכולים לעמוד בתנאי ההפעלה הקשים מאוד המתוארים) ולבדוק אותם בהתאם לכללים המיוחדים לציוד IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) המתוארים להלן. שנית, יש לפתור הרבה בעיות טכניות גרידא ולפתח טכנולוגיות חדשות הקשורות לשליטה מרחוק, חימום, עיצוב חיפוי, מחזורי דלק וכו'.

האיור מציג את כור ה-ITER, העדיף על מתקן ה-JET הגדול ביותר כיום לא רק בכל הממדים הליניאריים (כפי שניים), אלא גם בגודל השדות המגנטיים המשמשים בו והזרמים הזורמים בפלזמה.

מטרת יצירת הכור הזה היא להדגים את היכולות של המאמצים המשולבים של פיזיקאים ומהנדסים בבניית תחנת כוח היתוך בקנה מידה גדול.

כושר ההתקנה המתוכנן על ידי המתכננים הוא 500 MW (עם צריכת אנרגיה בכניסת המערכת של כ-50 MW בלבד). 3

מתקן ITER נוצר על ידי קונסורציום הכולל את האיחוד האירופי, סין, הודו, יפן, דרום קוריאה, רוסיה וארה"ב. האוכלוסייה הכוללת של מדינות אלו היא כמחצית מכלל אוכלוסיית כדור הארץ, כך שניתן לקרוא לפרויקט תגובה גלובלית לאתגר גלובלי. הרכיבים והמרכיבים העיקריים של כור ITER כבר נוצרו ונבדקו, והבנייה כבר החלה בקדראצ'ה (צרפת). השקת הכור מתוכננת לשנת 2020, וייצור פלזמה של דאוטריום-טריטיום מתוכנן לשנת 2027, שכן הפעלת הכור מצריכה בדיקות ארוכות ורציניות לפלסמה מדוטריום וטריטיום.

הסלילים המגנטיים של הכור ITER מבוססים על חומרים מוליכים-על (אשר, באופן עקרוני, מאפשרים פעולה רציפה כל עוד נשמר זרם בפלזמה), כך שהמתכננים מקווים לספק מחזור עבודה מובטח של לפחות 10 דקות. ברור שנוכחותם של סלילים מגנטיים מוליכים חשובה ביסודה לפעולה רציפה של תחנת כוח תרמו-גרעינית אמיתית. סלילים מוליכי-על כבר שימשו במכשירים מסוג Tokamak, אך הם לא שימשו בעבר במתקנים כה גדולים המיועדים לפלזמה של טריטיום. בנוסף, מתקן ITER יהיה הראשון להשתמש ולבדוק מודולי מעטפת שונים המיועדים לפעול בתחנות אמיתיות בהן ניתן ליצור גרעיני טריטיום או "לשחזר".

המטרה העיקרית של בניית המתקן היא להדגים שליטה מוצלחת בשריפת פלזמה ואפשרות להשיג בפועל אנרגיה במכשירים תרמו-גרעיניים ברמת הפיתוח הטכנולוגית הקיימת.

המשך פיתוח בכיוון זה ידרוש כמובן מאמצים רבים כדי לשפר את יעילותם של המכשירים, במיוחד מנקודת מבטם של כדאיותם הכלכלית, הקשורה במחקר רציני וארוך, הן בכור ITER והן ב- מכשירים אחרים. בין המשימות שהוקצו, יש להדגיש במיוחד את שלושת הבאים:

1) יש צורך להראות שרמת המדע והטכנולוגיה הקיימת כבר מאפשרת להשיג רווח פי 10 באנרגיה (לעומת זה שהושקע לשמירה על התהליך) בתהליך היתוך גרעיני מבוקר. התגובה חייבת להתקדם ללא התרחשות של תנאים לא יציבים מסוכנים, ללא התחממות יתר ופגיעה בחומרים מבניים, וללא זיהום הפלזמה בזיהומים. עם כוחות אנרגיית היתוך בסדר גודל של 50% מעוצמת החימום בפלזמה, מטרות אלו כבר הושגו בניסויים במתקנים קטנים, אך יצירת כור ITER תבחן את מהימנות שיטות הבקרה במתקן גדול בהרבה שמייצר הרבה יותר אנרגיה לאורך זמן. כור ITER נועד לבדוק ולהסכים על הדרישות לכור היתוך עתידי, ובנייתו היא משימה מורכבת ומעניינת מאוד.

2) יש צורך ללמוד שיטות להגברת הלחץ בפלזמה (נזכיר שקצב התגובה בטמפרטורה נתונה הוא פרופורציונלי לריבוע הלחץ) כדי למנוע את התרחשותם של מצבים לא יציבים מסוכנים של התנהגות פלזמה. הצלחת המחקר בכיוון זה תבטיח את פעולת הכור בצפיפות פלזמה גבוהה יותר, או תוריד את הדרישות לחוזק השדות המגנטיים שנוצרים, מה שיוזיל משמעותית את עלות החשמל שמייצר הכור.

3) הבדיקות חייבות לאשר שניתן להבטיח באופן ריאלי הפעלה רציפה של הכור במצב יציב (מבחינה כלכלית וטכנית, דרישה זו נראית חשובה מאוד, אם לא העיקרית), וניתן להתחיל את ההתקנה ללא ענק הוצאות אנרגיה. חוקרים ומעצבים באמת מקווים שניתן להבטיח את הזרימה ה"רציפה" של זרם אלקטרומגנטי דרך הפלזמה על ידי יצירתו בפלזמה (עקב קרינה בתדר גבוה והזרקת אטומים מהירים).

העולם המודרני עומד בפני אתגר אנרגיה רציני ביותר, שניתן לכנותו ביתר דיוק "משבר אנרגיה לא ודאי".

נכון להיום, כמעט כל האנרגיה הנצרכת על ידי האנושות נוצרת על ידי שריפת דלקים מאובנים, והפתרון לבעיה עשוי להיות קשור בשימוש באנרגיה סולארית או באנרגיה גרעינית (יצירת כורי נויטרונים מהירים וכו'). הבעיה העולמית הנגרמת על ידי האוכלוסייה הגדלה של מדינות מתפתחות והצורך שלהן לשפר את רמת החיים ולהגדיל את כמות האנרגיה המיוצרת לא ניתנת לפתרון על בסיס גישות אלו בלבד, אם כי, כמובן, כל ניסיונות לפתח שיטות חלופיות להפקת אנרגיה. צריך לעודד.

אם לא יהיו הפתעות גדולות ובלתי צפויות בדרך לפיתוח אנרגיה תרמו-גרעינית, אז בכפוף לתוכנית הפעולה הסבירה והמסודרת המפותחת, אשר (כמובן, בכפוף לארגון טוב של העבודה ומימון מספק) אמורה להוביל ליצירה של אב טיפוס של תחנת כוח תרמו-גרעינית. במקרה זה, בעוד כ-30 שנה נוכל לספק זרם חשמלי ממנה לראשונה לרשתות האנרגיה, ובעוד קצת יותר מ-10 שנים תחל לפעול תחנת הכוח התרמו-גרעינית המסחרית הראשונה. ייתכן שבמחצית השנייה של המאה הזו, אנרגיית היתוך גרעיני תתחיל להחליף דלקים מאובנים ובהדרגה תתחיל לשחק תפקיד חשוב יותר ויותר באספקת אנרגיה לאנושות בקנה מידה עולמי.