เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงยังไม่ได้สร้าง เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น E.P. เวลิคอฟ, S.V. Putvinsky ปฏิกิริยานิวเคลียร์พลังงานต่ำ

ITER - เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสระหว่างประเทศ (ITER)

การใช้พลังงานของมนุษย์มีการเติบโตทุกปี ซึ่งผลักดันภาคส่วนพลังงานไปสู่การพัฒนาอย่างแข็งขัน ดังนั้นด้วยการเกิดขึ้นของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นทั่วโลกจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งทำให้สามารถใช้พลังงานได้อย่างปลอดภัยสำหรับทุกความต้องการของมนุษยชาติ ตัวอย่างเช่น 72.3% ของการผลิตไฟฟ้าในฝรั่งเศสมาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ในยูเครน - 52.3% ในสวีเดน - 40.0% ในสหราชอาณาจักร - 20.4% ในรัสเซีย - 17.1% อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีไม่หยุดนิ่ง และเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานเพิ่มเติมของประเทศในอนาคต นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานในโครงการนวัตกรรมหลายโครงการ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ ITER (เครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ)

แม้ว่าความสามารถในการทำกำไรของการติดตั้งนี้ยังคงเป็นปัญหาอยู่ ตามผลงานของนักวิจัยหลายคน การสร้างและการพัฒนาเทคโนโลยีฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมในเวลาต่อมาอาจส่งผลให้เกิดแหล่งพลังงานที่ทรงพลังและปลอดภัย ลองดูด้านบวกบางประการของการติดตั้งดังกล่าว:

• เชื้อเพลิงหลักของเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสคือไฮโดรเจนซึ่งหมายถึงเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ไม่มีวันหมดสิ้น
• ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้โดยการแปรรูปน้ำทะเล ซึ่งมีอยู่ในประเทศส่วนใหญ่ จากนี้ไปจะไม่สามารถเกิดการผูกขาดทรัพยากรเชื้อเพลิงได้
• ความน่าจะเป็นของการระเบิดฉุกเฉินระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสนั้นน้อยกว่าในระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มาก ตามที่นักวิจัยระบุว่า แม้ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ การปล่อยรังสีจะไม่เป็นอันตรายต่อประชากร ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องอพยพ
• เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันต่างจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตรงที่จะผลิตกากกัมมันตภาพรังสีซึ่งมีครึ่งชีวิตสั้น ซึ่งหมายความว่ามันจะสลายตัวเร็วขึ้น นอกจากนี้ยังไม่มีผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ในเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัส
• เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุที่ใช้สำหรับอาวุธนิวเคลียร์เช่นกัน สิ่งนี้จะช่วยลดความเป็นไปได้ในการปกปิดการผลิตอาวุธนิวเคลียร์โดยการแปรรูปวัสดุตามความต้องการของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ - มุมมองจากภายใน

อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อบกพร่องทางเทคนิคหลายประการที่นักวิจัยพบอยู่ตลอดเวลา

ตัวอย่างเช่นเชื้อเพลิงรุ่นปัจจุบันที่นำเสนอในรูปแบบของส่วนผสมของดิวเทอเรียมและไอโซโทปจำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ตัวอย่างเช่น ในตอนท้ายของการทดสอบชุดแรกที่เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ JET ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบัน เครื่องปฏิกรณ์มีกัมมันตภาพรังสีมากจนต้องมีการพัฒนาระบบบำรุงรักษาหุ่นยนต์พิเศษเพิ่มเติมเพื่อทำการทดลองให้เสร็จสิ้น ปัจจัยที่น่าผิดหวังอีกประการหนึ่งในการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสคือประสิทธิภาพ - 20% ในขณะที่ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อยู่ที่ 33-34% และโรงไฟฟ้าพลังความร้อนคือ 40%

การสร้างโครงการ ITER และการเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์

โครงการ ITER ย้อนกลับไปในปี 1985 เมื่อสหภาพโซเวียตเสนอให้มีการสร้าง tokamak ซึ่งเป็นห้องวงแหวนที่มีขดลวดแม่เหล็กซึ่งสามารถกักเก็บพลาสมาได้โดยใช้แม่เหล็ก ทำให้เกิดเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์แสนสาหัสที่จะเกิดขึ้น ในปี 1992 ได้มีการลงนามข้อตกลงสี่ฝ่ายเกี่ยวกับการพัฒนา ITER โดยมีสหภาพยุโรป สหรัฐอเมริกา รัสเซีย และญี่ปุ่น ในปี 1994 สาธารณรัฐคาซัคสถานเข้าร่วมโครงการในปี 2544 - แคนาดาในปี 2546 - เกาหลีใต้และจีนในปี 2548 - อินเดีย ในปี พ.ศ. 2548 ได้มีการกำหนดสถานที่สำหรับการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ - ศูนย์วิจัยพลังงานนิวเคลียร์ Cadarache ประเทศฝรั่งเศส

การก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์เริ่มต้นด้วยการเตรียมหลุมสำหรับวางรากฐาน ดังนั้นพารามิเตอร์ของหลุมคือ 130 x 90 x 17 เมตร โทคามักคอมเพล็กซ์ทั้งหมดจะมีน้ำหนัก 360,000 ตัน โดยโทคามัก 23,000 ตันเอง

องค์ประกอบต่างๆ ของ ITER complex จะได้รับการพัฒนาและส่งมอบไปยังสถานที่ก่อสร้างจากทั่วทุกมุมโลก ดังนั้นในปี 2559 ตัวนำบางส่วนสำหรับคอยล์โปลอยด์จึงได้รับการพัฒนาในรัสเซีย จากนั้นจึงถูกส่งไปยังประเทศจีน ซึ่งจะผลิตคอยล์เอง

เห็นได้ชัดว่างานขนาดใหญ่ดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่ายเลยในการจัดระเบียบ หลายประเทศล้มเหลวในการดำเนินการตามกำหนดการของโครงการซ้ำแล้วซ้ำเล่า ซึ่งส่งผลให้การเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์ถูกเลื่อนออกไปอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นตามข้อความในเดือนมิถุนายนของปีที่แล้ว (2559): “มีการวางแผนการรับ plasma ตัวแรกในเดือนธันวาคม 2568”

กลไกการทำงานของ ITER tokamak

คำว่า "tokamak" มาจากคำย่อของรัสเซีย ซึ่งแปลว่า "ห้องวงแหวนที่มีขดลวดแม่เหล็ก"

หัวใจของโทคามัคคือห้องสุญญากาศที่มีรูปทรงพรู ภายในภายใต้อุณหภูมิและความดันที่รุนแรง ก๊าซเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะกลายเป็นพลาสมา ซึ่งเป็นก๊าซร้อนที่มีประจุไฟฟ้า ดังที่ทราบกันดีว่าสสารของดาวฤกษ์นั้นแสดงด้วยพลาสมา และปฏิกิริยาแสนสาหัสในแกนกลางสุริยะเกิดขึ้นอย่างแม่นยำภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น เงื่อนไขที่คล้ายกันสำหรับการก่อตัว การกักเก็บ การบีบอัด และการให้ความร้อนของพลาสมานั้นถูกสร้างขึ้นโดยขดลวดแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่อยู่รอบภาชนะสุญญากาศ อิทธิพลของแม่เหล็กจะจำกัดพลาสมาร้อนจากผนังของภาชนะ

ก่อนเริ่มกระบวนการ อากาศและสิ่งสกปรกจะถูกกำจัดออกจากห้องสุญญากาศ จากนั้นระบบแม่เหล็กที่จะช่วยควบคุมพลาสมาจะถูกชาร์จและนำเชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซเข้ามา เมื่อกระแสไฟฟ้าแรงสูงไหลผ่านถัง ก๊าซจะถูกแยกตัวทางไฟฟ้าและกลายเป็นไอออน (นั่นคือ อิเล็กตรอนออกจากอะตอม) และก่อตัวเป็นพลาสมา

เมื่ออนุภาคพลาสมาถูกกระตุ้นและชนกัน พวกมันก็เริ่มร้อนขึ้นเช่นกัน เทคนิคการให้ความร้อนช่วยทำให้พลาสมามีอุณหภูมิหลอมละลาย (150 ถึง 300 ล้าน°C) อนุภาคที่ถูก "ตื่นเต้น" ในระดับนี้สามารถเอาชนะแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าตามธรรมชาติเมื่อชนกัน โดยปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลอันเป็นผลจากการชนดังกล่าว

การออกแบบ tokamak ประกอบด้วยองค์ประกอบดังต่อไปนี้:

ถังสุญญากาศ

(“โดนัท”) คือห้องวงแหวนที่ทำจากสแตนเลส เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่คือ 19 ม. ตัวเล็กคือ 6 ม. และสูง 11 ม. ปริมาตรของห้องคือ 1,400 ม. 3 และน้ำหนักมากกว่า 5,000 ตัน น้ำหล่อเย็นจะไหลเวียนระหว่างผนังซึ่งจะเป็นน้ำกลั่น เพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของน้ำ ผนังด้านในของห้องจะได้รับการปกป้องจากรังสีกัมมันตภาพรังสีโดยใช้ผ้าห่ม

ผ้าห่ม

(“ผ้าห่ม”) – ประกอบด้วยชิ้นส่วน 440 ชิ้นที่ครอบคลุมพื้นผิวด้านในของห้อง พื้นที่จัดเลี้ยงรวม 700 ตร.ม. ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นเป็นเทปคาสเซ็ตชนิดหนึ่ง ตัวเครื่องทำจากทองแดง และผนังด้านหน้าสามารถถอดออกได้และทำจากเบริลเลียม พารามิเตอร์ของคาสเซ็ตคือ 1x1.5 ม. และมวลไม่เกิน 4.6 ตัน คาสเซ็ตเบริลเลียมดังกล่าวจะทำให้นิวตรอนพลังงานสูงที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาช้าลง ในระหว่างการกลั่นกรองนิวตรอน ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาและกำจัดออกไปโดยระบบทำความเย็น ควรสังเกตว่าฝุ่นเบริลเลียมที่เกิดขึ้นจากการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์สามารถทำให้เกิดโรคร้ายแรงที่เรียกว่าเบริลเลียมและยังมีฤทธิ์เป็นสารก่อมะเร็งอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงมีการพัฒนามาตรการรักษาความปลอดภัยที่เข้มงวดในบริเวณคอมเพล็กซ์

โตกมักในส่วน. สีเหลือง - โซลินอยด์, สีส้ม - แม่เหล็กสนามวงแหวน (TF) และสนามโปโลลอยด์ (PF), สีน้ำเงิน - ผ้าห่ม, สีฟ้าอ่อน - VV - ภาชนะสุญญากาศ, สีม่วง - ไดเวอร์เตอร์

(“ที่เขี่ยบุหรี่”) ประเภทโปลอยด์เป็นอุปกรณ์ที่มีหน้าที่หลักในการ "ทำความสะอาด" พลาสมาของสิ่งสกปรกอันเป็นผลมาจากการให้ความร้อนและปฏิสัมพันธ์ของผนังห้องที่ปูด้วยผ้าห่มด้วย เมื่อสารปนเปื้อนดังกล่าวเข้าสู่พลาสมา พวกมันจะเริ่มแผ่รังสีอย่างเข้มข้น ส่งผลให้เกิดการสูญเสียรังสีเพิ่มเติม ตั้งอยู่ที่ด้านล่างของ tokomak และใช้แม่เหล็กเพื่อควบคุมพลาสมาชั้นบน (ซึ่งมีการปนเปื้อนมากที่สุด) เข้าไปในห้องทำความเย็น ที่นี่พลาสมาจะเย็นลงและกลายเป็นก๊าซ หลังจากนั้นจะถูกปั๊มกลับออกจากห้อง ฝุ่นเบริลเลียมหลังจากเข้าไปในห้องแล้ว แทบจะไม่สามารถกลับคืนสู่พลาสมาได้ ดังนั้นการปนเปื้อนในพลาสมาจึงยังคงอยู่บนพื้นผิวเท่านั้นและไม่สามารถเจาะลึกลงไปได้

ไครโอสแตท

- ส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุดของ tokomak ซึ่งเป็นเปลือกสแตนเลสที่มีปริมาตร 16,000 ม. 2 (29.3 x 28.6 ม.) และมวล 3,850 ตัน องค์ประกอบอื่น ๆ ของระบบจะอยู่ภายในตู้แช่แข็งและทำหน้าที่เอง เป็นสิ่งกั้นระหว่างโทกามัคกับสิ่งแวดล้อมภายนอก บนผนังด้านในจะมีตะแกรงระบายความร้อนโดยการหมุนเวียนไนโตรเจนที่อุณหภูมิ 80 เคลวิน (-193.15 °C)

ระบบแม่เหล็ก

– ชุดขององค์ประกอบที่ทำหน้าที่กักเก็บและควบคุมพลาสมาภายในภาชนะสุญญากาศ เป็นชุดประกอบด้วย 48 องค์ประกอบ:

• คอยล์สนามแบบ Toroidal ตั้งอยู่นอกห้องสุญญากาศและภายในตัวแช่แข็ง พวกมันถูกนำเสนอเป็น 18 ชิ้น แต่ละชิ้นมีขนาด 15 x 9 ม. และมีน้ำหนักประมาณ 300 ตัน ขดลวดเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กขนาด 11.8 เทสลารอบพลาสมาทอรัสและกักเก็บพลังงานได้ 41 กิกะจูล
• คอยล์สนามโปลอยด์ – ตั้งอยู่ด้านบนของคอยล์สนามโทรอยด์และภายในไครโอสแตต คอยล์เหล่านี้มีหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กที่แยกมวลพลาสมาออกจากผนังห้อง และบีบอัดพลาสมาเพื่อให้ความร้อนแบบอะเดียแบติก จำนวนคอยล์ดังกล่าวคือ 6 คอยล์สองอันมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 24 ม. และมีมวล 400 ตัน ที่เหลืออีกสี่อันนั้นค่อนข้างเล็กกว่า
• โซลินอยด์ส่วนกลางอยู่ที่ส่วนด้านในของห้องวงแหวนหรืออยู่ใน "รูโดนัท" หลักการทำงานของมันคล้ายกับหม้อแปลงไฟฟ้าและงานหลักคือกระตุ้นกระแสอุปนัยในพลาสมา
• คอยล์แก้ไขจะอยู่ภายในภาชนะสุญญากาศ ระหว่างผ้าห่มและผนังห้อง หน้าที่ของพวกเขาคือรักษารูปร่างของพลาสมา ซึ่งสามารถ "โป่ง" ในพื้นที่ได้ และแม้แต่สัมผัสผนังของภาชนะได้ ช่วยให้คุณลดระดับปฏิสัมพันธ์ของผนังห้องกับพลาสมาและลดระดับการปนเปื้อนและยังช่วยลดการสึกหรอของห้องด้วย

โครงสร้างของคอมเพล็กซ์ ITER

การออกแบบ tokamak ที่อธิบายไว้ข้างต้น “โดยสรุป” เป็นกลไกนวัตกรรมที่ซับซ้อนสูงซึ่งประกอบขึ้นด้วยความพยายามของหลายประเทศ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ดำเนินการได้เต็มรูปแบบ จำเป็นต้องมีอาคารทั้งหลังที่ตั้งอยู่ใกล้กับโทคามัค ในหมู่พวกเขา:

• ระบบควบคุม การเข้าถึงข้อมูล และการสื่อสาร – CODAC ตั้งอยู่ในอาคารหลายหลังของคอมเพล็กซ์ ITER
• การจัดเก็บน้ำมันเชื้อเพลิงและระบบเชื้อเพลิง - ทำหน้าที่ส่งน้ำมันเชื้อเพลิงไปยังโตคามัก
• ระบบสุญญากาศ - ประกอบด้วยปั๊มสุญญากาศมากกว่าสี่ร้อยปั๊ม ซึ่งมีหน้าที่สูบผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ รวมถึงสารปนเปื้อนต่าง ๆ ออกจากห้องสุญญากาศ
• ระบบไครโอเจนิกส์ – แสดงโดยวงจรไนโตรเจนและฮีเลียม วงจรฮีเลียมจะทำให้อุณหภูมิในโทคามักเป็นปกติ งาน (และอุณหภูมิด้วย) ซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เป็นพัลส์ วงจรไนโตรเจนจะทำให้แผงป้องกันความร้อนของไครโอสแตตและวงจรฮีเลียมเย็นลง นอกจากนี้ยังจะมีระบบระบายความร้อนด้วยน้ำซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดอุณหภูมิของผนังผ้าห่ม
• แหล่งจ่ายไฟ Tokamak จะต้องใช้พลังงานประมาณ 110 MW เพื่อดำเนินการอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ สายไฟยาวหนึ่งกิโลเมตรจะถูกติดตั้งและเชื่อมต่อกับเครือข่ายอุตสาหกรรมของฝรั่งเศส เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การระลึกว่าศูนย์ทดลองของ ITER ไม่ได้มีไว้สำหรับการผลิตพลังงาน แต่ใช้งานได้เฉพาะในความสนใจทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น

เงินทุนของ ITER

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสระหว่างประเทศ ITER เป็นกิจการที่ค่อนข้างแพง ซึ่งประเมินในตอนแรกว่ามีมูลค่า 12 พันล้านดอลลาร์ โดยรัสเซีย สหรัฐอเมริกา เกาหลี จีน และอินเดียคิดเป็น 1/11 ของปริมาณ ญี่ปุ่นคิดเป็น 2/11 และสหภาพยุโรปเป็น 4 /11 . จำนวนนี้เพิ่มขึ้นในภายหลังเป็น 15 พันล้านดอลลาร์ เป็นที่น่าสังเกตว่าการจัดหาเงินทุนเกิดขึ้นจากการจัดหาอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับคอมเพล็กซ์ซึ่งได้รับการพัฒนาในแต่ละประเทศ ดังนั้น รัสเซียจึงจัดหาผ้าห่ม อุปกรณ์ทำความร้อนด้วยพลาสมา และแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด

มุมมองโครงการ

ในขณะนี้ การก่อสร้าง ITER complex และการผลิตส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับ tokamak กำลังดำเนินการอยู่ หลังจากการวางแผนเปิดตัว tokamak ในปี 2025 การทดลองต่างๆ จะเริ่มต้นขึ้น โดยพิจารณาจากผลลัพธ์ที่ต้องมีการปรับปรุงจะถูกบันทึกไว้ หลังจากประสบความสำเร็จในการเดินเครื่องของ ITER ก็มีแผนจะสร้างโรงไฟฟ้าที่ใช้ความร้อนนิวเคลียร์ฟิวชันที่เรียกว่า DEMO (DEMOnstration Power Plant) เป้าหมายของ DEMo คือการแสดงให้เห็นถึงสิ่งที่เรียกว่า "เสน่ห์เชิงพาณิชย์" ของพลังฟิวชัน หาก ITER สามารถสร้างพลังงานได้เพียง 500 MW DEMO จะสามารถสร้างพลังงานได้อย่างต่อเนื่องที่ 2 GW

อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าสถานที่ทดลองของ ITER จะไม่ผลิตพลังงาน และจุดประสงค์คือการได้รับผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ และดังที่คุณทราบการทดลองทางกายภาพครั้งนี้ไม่เพียงแต่สามารถตอบสนองความคาดหวังเท่านั้น แต่ยังนำความรู้และประสบการณ์ใหม่มาสู่มนุษยชาติอีกด้วย

มนุษยชาติกำลังค่อยๆ เข้าใกล้ขอบเขตของการสูญเสียทรัพยากรไฮโดรคาร์บอนของโลกอย่างถาวร เราได้สกัดน้ำมัน ก๊าซ และถ่านหินออกจากส่วนลึกของโลกมาเป็นเวลาเกือบสองศตวรรษ และเป็นที่แน่ชัดแล้วว่าปริมาณสำรองของพวกมันหมดลงอย่างรวดเร็ว ประเทศชั้นนำของโลกคิดมานานแล้วเกี่ยวกับการสร้างแหล่งพลังงานใหม่ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปลอดภัยจากมุมมองของการดำเนินงาน โดยมีเชื้อเพลิงสำรองจำนวนมหาศาล

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

ปัจจุบันมีการพูดคุยกันมากมายเกี่ยวกับการใช้พลังงานประเภทอื่นที่เรียกว่า - แหล่งพลังงานหมุนเวียนในรูปแบบของไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ พลังงานลม และไฟฟ้าพลังน้ำ เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ทิศทางเหล่านี้จึงสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานเสริมเท่านั้น

เนื่องจากเป็นโอกาสระยะยาวสำหรับมนุษยชาติ จึงพิจารณาได้เฉพาะพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เท่านั้น

ในด้านหนึ่ง รัฐต่างๆ จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ แสดงความสนใจในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอาณาเขตของตน แต่ถึงกระนั้น ปัญหาเร่งด่วนสำหรับพลังงานนิวเคลียร์คือการแปรรูปและการกำจัดกากกัมมันตภาพรังสี และสิ่งนี้ส่งผลกระทบต่อตัวชี้วัดทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม ย้อนกลับไปในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ชั้นนำของโลกในการค้นหาพลังงานประเภทใหม่ได้หันไปหาแหล่งกำเนิดของชีวิตบนโลก - ดวงอาทิตย์ในระดับความลึกซึ่งมีปฏิกิริยาที่อุณหภูมิประมาณ 20 ล้านองศา การสังเคราะห์ (ฟิวชั่น) ของธาตุแสงเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงานมหาศาล

ผู้เชี่ยวชาญในประเทศจัดการงานในการพัฒนาสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปปฏิบัติภายใต้สภาวะภาคพื้นดินอย่างดีที่สุด ความรู้และประสบการณ์ในด้านการควบคุมฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ (CTF) ที่ได้รับในรัสเซียเป็นพื้นฐานของโครงการซึ่งเป็นความหวังด้านพลังงานของมนุษยชาติโดยไม่ต้องพูดเกินจริง - เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ทดลองระหว่างประเทศ (ITER) ซึ่งกำลังเป็นอยู่ สร้างขึ้นใน Cadarache (ฝรั่งเศส)

ประวัติความเป็นมาของฟิวชั่นแสนสาหัส

การวิจัยนิวเคลียร์แสนสาหัสครั้งแรกเริ่มต้นขึ้นในประเทศต่างๆ ที่ทำงานในโครงการป้องกันปรมาณู ไม่น่าแปลกใจเพราะในช่วงรุ่งสางของยุคอะตอมจุดประสงค์หลักของการปรากฏตัวของเครื่องปฏิกรณ์พลาสมาดิวทีเรียมคือการศึกษากระบวนการทางกายภาพในพลาสมาร้อนความรู้ที่จำเป็นเหนือสิ่งอื่นใดสำหรับการสร้างอาวุธแสนสาหัส . จากข้อมูลที่ไม่เป็นความลับอีกต่อไป สหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาเริ่มต้นพร้อมกันเกือบในช่วงทศวรรษ 1950 ทำงานกับ UTS แต่ในขณะเดียวกันก็มีหลักฐานทางประวัติศาสตร์ที่ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2475 นักปฏิวัติและเพื่อนสนิทเก่าของผู้นำชนชั้นกรรมาชีพโลกนิโคไล บูคาริน ซึ่งในขณะนั้นดำรงตำแหน่งประธานคณะกรรมการสภาเศรษฐกิจสูงสุดและติดตาม การพัฒนาวิทยาศาสตร์ของสหภาพโซเวียตเสนอให้เปิดโครงการในประเทศเพื่อศึกษาปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้

ประวัติความเป็นมาของโครงการนิวเคลียร์แสนสาหัสของสหภาพโซเวียตนั้นไม่ใช่เรื่องน่าสนุกเลย Andrei Dmitrievich Sakharov นักวิชาการผู้มีชื่อเสียงในอนาคตและผู้สร้างระเบิดไฮโดรเจนได้รับแรงบันดาลใจจากแนวคิดเรื่องฉนวนกันความร้อนแม่เหล็กของพลาสมาอุณหภูมิสูงจากจดหมายจากทหารกองทัพโซเวียต ในปี 1950 จ่าสิบเอก Oleg Lavrentyev ซึ่งดำรงตำแหน่งใน Sakhalin ได้ส่งจดหมายถึงคณะกรรมการกลางของพรรคคอมมิวนิสต์ All-Union ซึ่งเขาเสนอให้ใช้ลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์แทนดิวเทอเรียมและทริเทียมที่เป็นของเหลวในระเบิดไฮโดรเจน และยังได้สร้าง ระบบที่มีการจำกัดไฟฟ้าสถิตของพลาสมาร้อนเพื่อดำเนินการฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุม จดหมายดังกล่าวได้รับการตรวจสอบโดยนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ในขณะนั้น Andrei Sakharov ผู้เขียนในการทบทวนของเขาว่าเขา "พิจารณาว่าจำเป็นต้องมีการอภิปรายโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงการของ Comrade Lavrentiev"

ภายในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2493 Andrei Sakharov และเพื่อนร่วมงานของเขา Igor Tamm ได้ทำการประมาณค่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัส (MTR) เป็นครั้งแรก การติดตั้ง Toroidal ครั้งแรกที่มีสนามแม่เหล็กตามยาวแรงสูงตามแนวคิดของ I. Tamm และ A. Sakharov ถูกสร้างขึ้นในปี 1955 ในเมือง LIPAN มันถูกเรียกว่า TMP - พรูที่มีสนามแม่เหล็ก การติดตั้งครั้งต่อไปมีชื่อว่า TOKAMAK หลังจากการรวมกันของพยางค์เริ่มต้นในวลี "TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL" ในเวอร์ชันคลาสสิก tokamak คือห้องวงแหวนรูปโดนัทที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กวงแหวน ตั้งแต่ พ.ศ. 2498 ถึง พ.ศ. 2509 ที่สถาบัน Kurchatov มีการสร้างสถานที่ดังกล่าว 8 แห่งซึ่งมีการศึกษาที่แตกต่างกันมากมาย หากก่อนปี 1969 Tokamak ถูกสร้างขึ้นนอกสหภาพโซเวียตเฉพาะในออสเตรเลียเท่านั้น จากนั้นในปีต่อ ๆ มาพวกเขาก็ถูกสร้างขึ้นใน 29 ประเทศรวมถึงสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ประเทศในยุโรป อินเดีย จีน แคนาดา ลิเบีย อียิปต์ โดยรวมแล้วมีการสร้างโทคามัคประมาณ 300 ชิ้นในโลกจนถึงปัจจุบัน รวมถึง 31 แห่งในสหภาพโซเวียตและรัสเซีย 30 แห่งในสหรัฐอเมริกา 32 แห่งในยุโรป 32 แห่งในยุโรป และ 27 แห่งในญี่ปุ่น ในความเป็นจริง สามประเทศ - สหภาพโซเวียต บริเตนใหญ่ และสหรัฐอเมริกา - มีส่วนร่วมในการแข่งขันที่ไม่ได้พูดเพื่อดูว่าใครจะเป็นคนแรกที่ควบคุมพลาสมาและเริ่มผลิตพลังงาน "จากน้ำ" อย่างแท้จริง

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์คือการลดอันตรายทางชีวภาพจากการแผ่รังสีประมาณพันเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์สมัยใหม่ทั้งหมด

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไม่ก่อให้เกิดกากกัมมันตภาพรังสี "หนัก" เครื่องปฏิกรณ์นี้สามารถวางได้ทุกที่ทุกเวลา

ก้าวหนึ่งครึ่งศตวรรษ

ในปี 1985 นักวิชาการ Evgeniy Velikhov ในนามของสหภาพโซเวียตเสนอให้นักวิทยาศาสตร์จากยุโรปสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นทำงานร่วมกันเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสและในปี 1986 ในเจนีวาได้บรรลุข้อตกลงเกี่ยวกับการออกแบบการติดตั้งซึ่งต่อมา ได้รับชื่อ ITER ในปีพ.ศ. 2535 พันธมิตรได้ลงนามในข้อตกลงรูปสี่เหลี่ยมเพื่อพัฒนาการออกแบบทางวิศวกรรมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ การก่อสร้างขั้นแรกมีกำหนดจะแล้วเสร็จภายในปี 2563 เมื่อมีการวางแผนที่จะรับพลาสมาเครื่องแรก ในปี 2554 การก่อสร้างจริงเริ่มขึ้นที่ไซต์ ITER

การออกแบบ ITER ตามแบบ tokamak ของรัสเซียสุดคลาสสิก ซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงปี 1960 มีการวางแผนว่าในระยะแรกเครื่องปฏิกรณ์จะทำงานในโหมดพัลซิ่งด้วยพลังปฏิกิริยาแสนสาหัส 400–500 เมกะวัตต์ในขั้นตอนที่สองจะมีการทดสอบการทำงานอย่างต่อเนื่องของเครื่องปฏิกรณ์ตลอดจนระบบการสืบพันธุ์ไอโซโทป .

ไม่ใช่เพื่ออะไรเลยที่เครื่องปฏิกรณ์ ITER ถูกเรียกว่าอนาคตพลังงานของมนุษยชาติ ประการแรก นี่เป็นโครงการวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก เนื่องจากในฝรั่งเศสเกือบทั่วโลกกำลังสร้างโครงการนี้ ได้แก่ สหภาพยุโรป + สวิตเซอร์แลนด์ จีน อินเดีย ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย และสหรัฐอเมริกา ข้อตกลงในการก่อสร้างการติดตั้งได้ลงนามในปี 2549 ประเทศในยุโรปมีส่วนร่วมประมาณ 50% ของเงินทุนของโครงการ รัสเซียคิดเป็นประมาณ 10% ของจำนวนเงินทั้งหมด ซึ่งจะลงทุนในรูปแบบของอุปกรณ์ไฮเทค แต่การสนับสนุนที่สำคัญที่สุดของรัสเซียคือเทคโนโลยี tokamak ซึ่งเป็นพื้นฐานของเครื่องปฏิกรณ์ ITER

ประการที่สอง นี่จะเป็นความพยายามขนาดใหญ่ครั้งแรกในการใช้ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ประการที่สาม งานทางวิทยาศาสตร์นี้ควรนำมาซึ่งผลลัพธ์เชิงปฏิบัติอย่างมาก และภายในสิ้นศตวรรษนี้ โลกคาดว่าจะมีการปรากฏตัวของต้นแบบแรกของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสเชิงพาณิชย์

นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าพลาสมาเครื่องแรกในเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ทดลองระหว่างประเทศจะมีการผลิตในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2568

เหตุใดชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงเริ่มสร้างเครื่องปฏิกรณ์เช่นนี้ ความจริงก็คือเทคโนโลยีจำนวนมากที่วางแผนจะใช้ในการก่อสร้าง ITER ไม่ได้เป็นของทุกประเทศในคราวเดียว รัฐหนึ่ง แม้แต่รัฐที่มีการพัฒนาขั้นสูงสุดในแง่วิทยาศาสตร์และเทคนิค ก็ไม่สามารถมีเทคโนโลยีระดับสูงสุดของโลกนับร้อยเทคโนโลยีในทุกสาขาที่ใช้ในโครงการเทคโนโลยีขั้นสูงและก้าวหน้าเช่นนี้ในฐานะเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสได้ แต่ ITER ประกอบด้วยเทคโนโลยีที่คล้ายกันหลายร้อยรายการ

รัสเซียก้าวล้ำระดับโลกในด้านเทคโนโลยีเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันมากมาย แต่ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ของญี่ปุ่นก็มีความสามารถพิเศษในด้านนี้เช่นกัน ซึ่งค่อนข้างนำไปใช้ได้ใน ITER

ดังนั้น ในช่วงเริ่มต้นของโครงการ ประเทศหุ้นส่วนจึงได้ตกลงกันว่าใครและสิ่งที่จะจัดหาให้กับไซต์งาน และนี่ไม่ควรเป็นเพียงความร่วมมือในด้านวิศวกรรมเท่านั้น แต่ยังเป็นโอกาสสำหรับพันธมิตรแต่ละรายที่จะได้รับเทคโนโลยีใหม่ ๆ จากผู้เข้าร่วมรายอื่นเพื่อพัฒนาตนเองในอนาคต

Andrey Retinger นักข่าวต่างประเทศ

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น E.P. เวลิคอฟ, S.V. พุทวินสกี้

อี.พี. เวลิคอฟ, S.V. พุทวินสกี้.
รายงานลงวันที่ 22 ตุลาคม 2542 จัดทำในกรอบของศูนย์พลังงานแห่งสหพันธ์นักวิทยาศาสตร์โลก

คำอธิบายประกอบ

บทความนี้จะให้ภาพรวมโดยย่อเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันของการวิจัยฟิวชัน และสรุปแนวโน้มของพลังงานฟิวชันในระบบพลังงานแห่งศตวรรษที่ 21 บทวิจารณ์นี้มีไว้สำหรับผู้อ่านที่หลากหลายซึ่งคุ้นเคยกับพื้นฐานของฟิสิกส์และวิศวกรรมศาสตร์

ตามแนวคิดทางกายภาพสมัยใหม่ มีแหล่งพลังงานพื้นฐานเพียงไม่กี่แหล่งเท่านั้น ซึ่งโดยหลักการแล้ว มนุษย์สามารถเชี่ยวชาญและนำไปใช้ได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานชนิดหนึ่งและ... ในปฏิกิริยาฟิวชัน พลังงานจะเกิดขึ้นเนื่องจากการทำงานของแรงนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นระหว่างการหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุแสงและการก่อตัวของนิวเคลียสที่หนักกว่า ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างแพร่หลายในธรรมชาติ เชื่อกันว่าพลังงานของดวงดาว รวมถึงดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาลูกโซ่ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่เปลี่ยนนิวเคลียส 4 นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนให้เป็นนิวเคลียสฮีเลียม เราสามารถพูดได้ว่าดวงอาทิตย์เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสธรรมชาติขนาดใหญ่ที่ให้พลังงานแก่ระบบนิเวศของโลก

ปัจจุบัน มากกว่า 85% ของพลังงานที่มนุษย์ผลิตได้มาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงอินทรีย์ ได้แก่ ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ แหล่งพลังงานราคาถูกนี้ ซึ่งควบคุมโดยมนุษย์เมื่อประมาณ 200 - 300 ปีที่แล้ว นำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของสังคมมนุษย์ ความอยู่ดีมีสุขของมัน และเป็นผลให้จำนวนประชากรโลกเพิ่มขึ้น สันนิษฐานว่าเนื่องจากการเติบโตของประชากรและการใช้พลังงานที่สม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งภูมิภาค การผลิตพลังงานจะเพิ่มขึ้นประมาณสามเท่าภายในปี 2593 เมื่อเทียบกับระดับปัจจุบันและสูงถึง 10 21 J ต่อปี ไม่ต้องสงสัยเลยว่าในอนาคตอันใกล้นี้แหล่งพลังงานก่อนหน้านี้ - เชื้อเพลิงอินทรีย์ - จะต้องถูกแทนที่ด้วยการผลิตพลังงานประเภทอื่น สิ่งนี้จะเกิดขึ้นทั้งจากการหมดสิ้นของทรัพยากรธรรมชาติและเนื่องจากมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งตามที่ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าควรเกิดขึ้นเร็วกว่าการพัฒนาทรัพยากรธรรมชาติราคาถูกมาก (วิธีการผลิตพลังงานในปัจจุบันใช้บรรยากาศเป็นกองขยะทิ้ง คาร์บอนไดออกไซด์ 17 ล้านตันต่อวัน และก๊าซอื่นๆ ที่มาพร้อมกับการเผาไหม้เชื้อเพลิง) การเปลี่ยนแปลงจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นพลังงานทดแทนขนาดใหญ่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 21 สันนิษฐานว่าระบบพลังงานในอนาคตจะใช้แหล่งพลังงานที่หลากหลายรวมถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างกว้างขวางกว่าระบบพลังงานในปัจจุบัน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ การปลูกและการเผาไหม้ชีวมวลและพลังงานนิวเคลียร์ ส่วนแบ่งของแหล่งพลังงานแต่ละแหล่งในการผลิตพลังงานทั้งหมดจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างการใช้พลังงานและประสิทธิภาพเชิงเศรษฐกิจของแหล่งพลังงานแต่ละแห่ง

ในสังคมอุตสาหกรรมปัจจุบัน พลังงานมากกว่าครึ่งหนึ่งถูกใช้ในโหมดการบริโภคคงที่ โดยไม่ขึ้นอยู่กับเวลาของวันและฤดูกาล การซ้อนทับบนกำลังฐานคงที่นี้คือการเปลี่ยนแปลงรายวันและตามฤดูกาล ดังนั้นระบบพลังงานจึงต้องประกอบด้วยพลังงานฐานซึ่งจ่ายพลังงานให้กับสังคมในระดับคงที่หรือกึ่งถาวร และทรัพยากรพลังงานที่ใช้เท่าที่จำเป็น เป็นที่คาดหวังว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ การเผาไหม้ชีวมวล ฯลฯ จะถูกนำไปใช้เป็นหลักในองค์ประกอบที่แปรผันของการใช้พลังงานและ ตัวเลือกหลักและเดียวสำหรับพลังงานพื้นฐานคือพลังงานนิวเคลียร์ ปัจจุบันมีเพียงปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สมัยใหม่เท่านั้นที่ได้รับการเรียนรู้เพื่อผลิตพลังงาน จนถึงขณะนี้ ฟิวชั่นนิวเคลียร์แสนสาหัสที่ควบคุมได้เป็นเพียงตัวเลือกที่มีศักยภาพสำหรับพลังงานพื้นฐานเท่านั้น

ฟิวชันแสนสาหัสมีข้อดีอะไรบ้างเหนือปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังการพัฒนาพลังงานแสนสาหัสในวงกว้างได้ ความแตกต่างหลักและพื้นฐานคือการไม่มีกากกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาว ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชัน และแม้ว่าในระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัส ผนังด้านแรกจะถูกกระตุ้นโดยนิวตรอน การเลือกใช้วัสดุโครงสร้างที่มีการกระตุ้นต่ำที่เหมาะสมจะเปิดโอกาสให้มีความเป็นไปได้ขั้นพื้นฐานในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสซึ่งกิจกรรมเหนี่ยวนำของผนังด้านแรกจะลดลงจนหมดสิ้น ระดับความปลอดภัยสามสิบปีหลังจากปิดเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งหมายความว่าเครื่องปฏิกรณ์ที่หมดสภาพจะต้องถูก mothballed เป็นเวลาเพียง 30 ปีเท่านั้น หลังจากนั้นวัสดุดังกล่าวจะสามารถรีไซเคิลและใช้ในเครื่องปฏิกรณ์สังเคราะห์ใหม่ได้ สถานการณ์นี้แตกต่างโดยพื้นฐานจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชัน ซึ่งผลิตกากกัมมันตภาพรังสีซึ่งต้องมีการแปรรูปและการเก็บรักษาเป็นเวลานับหมื่นปี นอกจากกัมมันตภาพรังสีต่ำแล้ว พลังงานนิวเคลียร์แสนสาหัสยังมีเชื้อเพลิงและวัสดุที่จำเป็นอื่นๆ จำนวนมากซึ่งแทบจะไม่มีวันหมดสิ้น ซึ่งเพียงพอที่จะผลิตพลังงานได้หลายร้อยหรือหลายพันปี

ข้อได้เปรียบเหล่านี้เองที่ทำให้ประเทศนิวเคลียร์หลักๆ เริ่มการวิจัยขนาดใหญ่เกี่ยวกับฟิวชันเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมในช่วงกลางทศวรรษที่ 50 มาถึงตอนนี้ การทดสอบระเบิดไฮโดรเจนที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกได้ดำเนินการไปแล้วในสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกา ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้ขั้นพื้นฐานในการใช้พลังงานและนิวเคลียร์ฟิวชันในสภาวะภาคพื้นดิน ตั้งแต่เริ่มแรก เป็นที่ชัดเจนว่าฟิวชั่นแสนสาหัสที่ควบคุมนั้นไม่สามารถนำมาใช้ทางการทหารได้ การวิจัยนี้ไม่เป็นความลับอีกต่อไปในปี พ.ศ. 2499 และตั้งแต่นั้นมาได้ดำเนินการภายใต้กรอบความร่วมมือระหว่างประเทศในวงกว้าง ระเบิดไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นในเวลาเพียงไม่กี่ปี และในเวลานั้นดูเหมือนว่าเป้าหมายใกล้เข้ามาแล้ว และสิ่งอำนวยความสะดวกการทดลองขนาดใหญ่แห่งแรกที่สร้างขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 50 จะผลิตพลาสมาแสนสาหัสได้ อย่างไรก็ตาม การวิจัยใช้เวลามากกว่า 40 ปีเพื่อสร้างสภาวะที่การปล่อยพลังงานความร้อนนิวเคลียร์จะเทียบได้กับพลังงานความร้อนของส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา ในปี 1997 การติดตั้งนิวเคลียร์แสนสาหัสที่ใหญ่ที่สุดคือ TOKAMAK (JET) ของยุโรป ได้รับพลังงานความร้อนนิวเคลียร์ 16 เมกะวัตต์ และเข้าใกล้เกณฑ์ดังกล่าว

อะไรคือสาเหตุของความล่าช้านี้? ปรากฎว่าเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย นักฟิสิกส์และวิศวกรต้องแก้ไขปัญหามากมายที่พวกเขาไม่รู้ตั้งแต่เริ่มต้นการเดินทาง ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา วิทยาศาสตร์ของพลาสมาฟิสิกส์ได้ถูกสร้างขึ้น ซึ่งทำให้สามารถเข้าใจและอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นในส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยาได้ วิศวกรจำเป็นต้องแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนไม่แพ้กัน รวมถึงการเรียนรู้วิธีสร้างสุญญากาศลึกในปริมาณมาก การเลือกและทดสอบวัสดุก่อสร้างที่เหมาะสม การพัฒนาแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดขนาดใหญ่ เลเซอร์อันทรงพลัง และแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ การพัฒนาระบบพลังงานพัลส์ที่สามารถสร้างลำอนุภาคอันทรงพลังได้ , พัฒนาวิธีการให้ความร้อนส่วนผสมด้วยความถี่สูง และอื่นๆ อีกมากมาย

§4 ทุ่มเทให้กับการทบทวนการวิจัยในสาขาฟิวชันที่ควบคุมด้วยแม่เหล็ก ซึ่งรวมถึงระบบที่มีการจำกัดขอบเขตด้วยแม่เหล็กและระบบพัลส์ การตรวจสอบส่วนใหญ่นี้เน้นไปที่ระบบที่ทันสมัยที่สุดสำหรับการกักขังพลาสมาแม่เหล็ก การติดตั้งประเภท TOKAMAK

ขอบเขตของการทบทวนนี้ช่วยให้เราสามารถอภิปรายเฉพาะประเด็นที่สำคัญที่สุดของการวิจัยเกี่ยวกับการหลอมนิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ ผู้อ่านที่สนใจศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับแง่มุมต่าง ๆ ของปัญหานี้อาจได้รับคำแนะนำให้อ่านวรรณกรรมทบทวน มีวรรณกรรมมากมายเกี่ยวกับการควบคุมฟิวชันนิวเคลียร์แสนสาหัส โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรกล่าวถึงหนังสือคลาสสิกทั้งสองเล่มที่เขียนโดยผู้ก่อตั้งการวิจัยแสนสาหัสแบบควบคุม เช่นเดียวกับสิ่งพิมพ์ล่าสุด เช่น ที่สรุปสถานะปัจจุบันของการวิจัยแสนสาหัส

แม้ว่าจะมีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันค่อนข้างมากที่นำไปสู่การปลดปล่อยพลังงาน แต่เพื่อจุดประสงค์ในทางปฏิบัติในการใช้พลังงานนิวเคลียร์ มีเพียงปฏิกิริยาที่ระบุไว้ในตารางที่ 1 เท่านั้นที่น่าสนใจ ที่นี่และด้านล่างเราใช้การกำหนดมาตรฐานสำหรับไอโซโทปไฮโดรเจน: p - โปรตอนที่มีมวลอะตอม 1, D - ดิวเทอรอน, ที่มีมวลอะตอม 2 และ T - ทริเทียม, ไอโซโทปที่มีมวล 3 นิวเคลียสทั้งหมดที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเหล่านี้ยกเว้นไอโซโทปมีความเสถียร ทริเทียมเป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของไฮโดรเจนซึ่งมีครึ่งชีวิต 12.3 ปี ผลจากการสลายตัวของ β จะกลายเป็น He 3 โดยปล่อยอิเล็กตรอนพลังงานต่ำออกมา ปฏิกิริยาฟิวชันไม่เหมือนกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันตรงที่ไม่ก่อให้เกิดชิ้นส่วนกัมมันตภาพรังสีที่มีอายุยืนยาวของนิวเคลียสหนัก ซึ่งทำให้โดยหลักการแล้วสามารถสร้างเครื่องปฏิกรณ์ที่ "สะอาด" ได้โดยไม่ต้องกังวลกับปัญหาการจัดเก็บกากกัมมันตภาพรังสีในระยะยาว

ตารางที่ 1.
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่น่าสนใจสำหรับฟิวชันควบคุม

ปฏิกิริยาทั้งหมดที่แสดงในตารางที่ 1 ยกเว้นปฏิกิริยาสุดท้าย เกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงานและในรูปของพลังงานจลน์และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา q ซึ่งระบุอยู่ในวงเล็บในหน่วยล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV)
(1 eV = 1.6 10 –19 J = 11600 °K) ปฏิกิริยาสองประการสุดท้ายมีบทบาทพิเศษในการควบคุมฟิวชัน โดยจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไอโซโทปซึ่งไม่มีอยู่ในธรรมชาติ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน 1-5 มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาค่อนข้างสูง ซึ่งโดยปกติจะมีลักษณะเฉพาะโดยหน้าตัดของปฏิกิริยา σ ภาพตัดขวางของปฏิกิริยาจากตารางที่ 1 แสดงในรูปที่ 1 เป็นฟังก์ชันของพลังงานและการชนกันของอนุภาคในศูนย์กลางของระบบมวล

เนื่องจากการมีอยู่ของการผลักกันของคูลอมบ์ระหว่างนิวเคลียส ภาพตัดขวางของปฏิกิริยาที่พลังงานต่ำและอนุภาคจึงมีน้อยมาก ดังนั้นที่อุณหภูมิปกติ ส่วนผสมของไอโซโทปไฮโดรเจนและอะตอมแสงอื่น ๆ จึงไม่ทำปฏิกิริยาในทางปฏิบัติ เพื่อให้ปฏิกิริยาเหล่านี้มีส่วนตัดขวางที่เห็นได้ชัดเจน อนุภาคที่ชนกันจำเป็นต้องมีพลังงานจลน์สูง จากนั้นอนุภาคจะสามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางคูลอมบ์ เข้าใกล้ในระยะไกลตามลำดับของนิวเคลียร์และทำปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น ภาพตัดขวางสูงสุดสำหรับปฏิกิริยาของดิวทีเรียมกับทริเทียมจะเกิดขึ้นที่พลังงานอนุภาคประมาณ 80 KeV และเพื่อให้ส่วนผสม DT มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง อุณหภูมิของมันจะต้องอยู่ในระดับหนึ่งร้อยล้าน องศา T = 10 8 ° K

วิธีที่ง่ายที่สุดในการผลิตพลังงานและนิวเคลียร์ฟิวชันที่นึกขึ้นมาได้ในทันทีคือการใช้เครื่องเร่งไอออนและระเบิด เช่น ทริเทียมไอออนที่ถูกเร่งให้เป็นพลังงาน 100 KeV ซึ่งเป็นเป้าหมายที่เป็นของแข็งหรือก๊าซที่มีไอออนดิวทีเรียม อย่างไรก็ตาม ไอออนที่ฉีดเข้าไปจะช้าลงเร็วเกินไปเมื่อชนกับอิเล็กตรอนเย็นของเป้าหมาย และไม่มีเวลาในการผลิตพลังงานเพียงพอที่จะครอบคลุมต้นทุนพลังงานของการเร่งความเร็ว แม้ว่าค่าเริ่มต้นจะแตกต่างกันอย่างมาก (ประมาณ 100 KeV) และ พลังงานที่ผลิตในปฏิกิริยา (ประมาณ 10 MeV) กล่าวอีกนัยหนึ่ง ด้วย “วิธี” ของการผลิตพลังงานนี้และอัตราการสร้างพลังงานใหม่และ
Q fus = การสังเคราะห์ P / ต้นทุน P จะน้อยกว่า 1

เพื่อเพิ่มคิวฟิวส์ อิเล็กตรอนเป้าหมายจะถูกให้ความร้อนได้ จากนั้นไอออนเร็วจะชะลอตัวลงอย่างช้าๆ และคิวฟิวส์จะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลผลิตที่เป็นบวกจะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิเป้าหมายที่สูงมากเท่านั้น โดยเรียงตามลำดับ KeV หลายตัว ที่อุณหภูมินี้การฉีดไอออนเร็วไม่สำคัญอีกต่อไป มีไอออนความร้อนที่มีพลังเพียงพอในส่วนผสมซึ่งตัวมันเองจะเกิดปฏิกิริยา กล่าวอีกนัยหนึ่งคือปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หรือการหลอมนิวเคลียร์แสนสาหัสเกิดขึ้นในส่วนผสม

อัตราของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์สามารถคำนวณได้โดยการรวมส่วนตัดขวางของปฏิกิริยาที่แสดงในรูปที่ 1 เข้ากับฟังก์ชันการกระจายอนุภาคแมกซ์เวลเลียนที่สมดุล เป็นผลให้สามารถรับอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ เค(ท)ซึ่งกำหนดจำนวนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นต่อหน่วยปริมาตร n 1 n 2 K(T)และด้วยเหตุนี้ ความหนาแน่นเชิงปริมาตรของพลังงานที่ปล่อยออกมาในส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา

P ฟิวส์ = q n 1 n 2 K(T) (1)

ในสูตรสุดท้าย หมายเลข 1 หมายเลข 2- ความเข้มข้นของปริมาตรของส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยา ต- อุณหภูมิของอนุภาคที่ทำปฏิกิริยาและ ถาม- ผลผลิตพลังงานของปฏิกิริยาที่กำหนดในตารางที่ 1

ที่คุณลักษณะอุณหภูมิสูงของสารผสมที่ทำปฏิกิริยา สารผสมจะอยู่ในสถานะพลาสมา กล่าวคือ ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระและไอออนที่มีประจุบวกซึ่งมีปฏิกิริยาระหว่างกันผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารวม สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคพลาสมาจะเป็นตัวกำหนดไดนามิกของพลาสมา และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะรักษาความเป็นเสมือนของมันไว้ ด้วยความแม่นยำสูงมาก ความหนาแน่นประจุของไอออนและอิเล็กตรอนในพลาสมาจะเท่ากัน n e = Zn z โดยที่ Z คือประจุของไอออน (สำหรับไอโซโทปไฮโดรเจน Z = 1) ส่วนประกอบของไอออนและอิเล็กตรอนแลกเปลี่ยนพลังงานเนื่องจากการชนของคูลอมบ์ และที่พารามิเตอร์พลาสมาโดยทั่วไปสำหรับการใช้งานเทอร์โมนิวเคลียร์ อุณหภูมิของพวกมันจะเท่ากันโดยประมาณ

สำหรับส่วนผสมที่มีอุณหภูมิสูง คุณจะต้องจ่ายพร้อมค่าพลังงานเพิ่มเติม อันดับแรก เราต้องคำนึงถึง bremsstrahlung ที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนเมื่อชนกับไอออน:

พลังของ bremsstrahlung เช่นเดียวกับพลังของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในส่วนผสมนั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความหนาแน่นของพลาสมา ดังนั้นอัตราส่วน P fus /P b จึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพลาสมาเท่านั้น Bremsstrahlung ตรงกันข้ามกับพลังของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพลาสมาอย่างอ่อน ซึ่งนำไปสู่การมีขีดจำกัดล่างของอุณหภูมิพลาสมาซึ่งพลังของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เท่ากับพลังของการสูญเสีย bremsstrahlung, P fus / P b = 1 ที่อุณหภูมิต่ำกว่าเกณฑ์ bremsstrahlung การสูญเสียพลังงานจะเกินกว่าการปลดปล่อยพลังงานแสนสาหัส ดังนั้นในส่วนผสมเย็น จึงไม่สามารถปล่อยพลังงานเชิงบวกได้ ส่วนผสมของดิวทีเรียมและทริเทียมมีอุณหภูมิจำกัดต่ำสุด แต่แม้ในกรณีนี้ อุณหภูมิของส่วนผสมจะต้องเกิน 3 KeV (3.5 10 7 °K) อุณหภูมิขีดจำกัดสำหรับปฏิกิริยา DD และ DHe 3 นั้นมีลำดับความสำคัญสูงกว่าปฏิกิริยา DT โดยประมาณ สำหรับปฏิกิริยาของโปรตอนกับโบรอน การแผ่รังสีเบรมสตราลุงที่อุณหภูมิใดๆ ก็ตามจะเกินกว่าผลผลิตของปฏิกิริยา ดังนั้น ในการใช้ปฏิกิริยานี้ จึงจำเป็นต้องมีกับดักพิเศษที่อุณหภูมิอิเล็กตรอนต่ำกว่าอุณหภูมิไอออน หรือความหนาแน่นของพลาสมาเป็นเช่นนั้น สูงจนรังสีถูกดูดซับโดยส่วนผสมที่ใช้งานได้

นอกจากอุณหภูมิสูงของส่วนผสมแล้ว เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเชิงบวก ส่วนผสมที่ร้อนจะต้องมีอยู่นานพอที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ ในระบบเทอร์โมนิวเคลียร์ใดๆ ที่มีขนาดจำกัด มีช่องเพิ่มเติมของการสูญเสียพลังงานจากพลาสมานอกเหนือจากเบรมสตราลุง (เช่น เนื่องจากการนำความร้อน การแผ่รังสีเส้นของสิ่งเจือปน ฯลฯ) ซึ่งกำลังไม่ควรเกินพลังงานแสนสาหัส ปล่อย. ในกรณีทั่วไป การสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมสามารถกำหนดลักษณะโดยอายุพลังงานของพลาสมา t E ซึ่งกำหนดในลักษณะที่อัตราส่วน 3nT / t E ให้การสูญเสียพลังงานต่อปริมาตรพลาสมาหน่วย เห็นได้ชัดว่าเพื่อให้ได้ผลผลิตที่เป็นบวกจำเป็นที่พลังงานแสนสาหัสจะเกินกำลังของการสูญเสียเพิ่มเติม P fus > 3nT / t E ซึ่งให้เงื่อนไขสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นต่ำของความหนาแน่นและอายุการใช้งานของพลาสมา nt E . ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยา DT จำเป็นเช่นนั้น

E > 5 10 19 วินาที/เมตร 3 (3)

สภาวะนี้มักเรียกว่าเกณฑ์ลอว์สัน (พูดอย่างเคร่งครัดในงานต้นฉบับ เกณฑ์ลอว์สันได้มาจากวงจรเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์เฉพาะ และแตกต่างจาก (3) รวมถึงประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า) ในรูปแบบที่เขียนไว้ข้างต้น เกณฑ์แทบไม่ขึ้นอยู่กับระบบเทอร์โมนิวเคลียร์และเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นโดยทั่วไปสำหรับผลลัพธ์ที่เป็นบวก เกณฑ์ของลอว์สันสำหรับปฏิกิริยาอื่นๆ คือหนึ่งหรือสองลำดับความสำคัญที่สูงกว่าปฏิกิริยา DT และอุณหภูมิขีดจำกัดก็สูงกว่าเช่นกัน ความใกล้ชิดของอุปกรณ์เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่เป็นบวกมักจะแสดงบนระนาบ T - nt E ซึ่งแสดงในรูปที่ 2

ไม่ใช่อี

รูปที่ 2. บริเวณที่ให้ผลบวกของปฏิกิริยานิวเคลียร์บนระนาบ T-nt E
แสดงให้เห็นความสำเร็จของการติดตั้งทดลองต่างๆ สำหรับการจำกัดพลาสมาแสนสาหัสแสนสาหัส

จะเห็นได้ว่าปฏิกิริยา DT มีความเป็นไปได้ง่ายกว่า โดยพวกเขาต้องการอุณหภูมิพลาสมาต่ำกว่าปฏิกิริยา DD อย่างมาก และมีเงื่อนไขที่เข้มงวดน้อยกว่าในการกักเก็บ โปรแกรมเทอร์โมนิวเคลียร์สมัยใหม่มุ่งเป้าไปที่การนำฟิวชั่นที่ควบคุมด้วย DT ไปใช้

ดังนั้นโดยหลักการแล้วปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้จึงเป็นไปได้และงานหลักของการวิจัยแสนสาหัสคือการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงที่สามารถแข่งขันในเชิงเศรษฐกิจกับแหล่งพลังงานอื่นและ

อุปกรณ์ทั้งหมดที่คิดค้นมานานกว่า 50 ปีสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่: 1) ระบบแบบอยู่กับที่หรือกึ่งอยู่กับที่โดยอาศัยการกักขังแม่เหล็กของพลาสมาร้อน; 2) ระบบชีพจร ในกรณีแรก ความหนาแน่นของพลาสมาต่ำและบรรลุเกณฑ์ของ Lawson เนื่องจากการกักเก็บพลังงานที่ดีในระบบ เช่น อายุการใช้งานพลาสมาพลังงานที่ยาวนาน ดังนั้น ระบบที่มีการกักขังด้วยแม่เหล็กจึงมีขนาดพลาสมาที่เป็นลักษณะเฉพาะประมาณหลายเมตรและมีความหนาแน่นของพลาสมาค่อนข้างต่ำ n ~ 10 20 m -3 (ซึ่งต่ำกว่าความหนาแน่นของอะตอมที่ความดันปกติและอุณหภูมิห้องประมาณ 10 5 เท่า) .

ในระบบพัลซ์ เกณฑ์ของ Lawson สามารถทำได้โดยการบีบอัดเป้าหมายฟิวชันด้วยรังสีเลเซอร์หรือรังสีเอกซ์ และสร้างส่วนผสมที่มีความหนาแน่นสูงมาก อายุการใช้งานในระบบพัลซิ่งนั้นสั้นและถูกกำหนดโดยการขยายเป้าหมายอย่างอิสระ ความท้าทายทางกายภาพหลักในทิศทางของฟิวชันแบบควบคุมนี้คือการลดพลังงานทั้งหมดและการระเบิดให้อยู่ในระดับที่จะทำให้สามารถสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้งานได้จริง

ระบบทั้งสองประเภทเข้าใกล้การสร้างเครื่องจักรทดลองที่มีเอาต์พุตพลังงานบวกและคิวฟิวส์ > 1 แล้ว ซึ่งองค์ประกอบหลักของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสในอนาคตจะถูกทดสอบ อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะไปอภิปรายเกี่ยวกับอุปกรณ์ฟิวชัน เราจะพิจารณาวัฏจักรเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันในอนาคต ซึ่งส่วนใหญ่ไม่ขึ้นอยู่กับการออกแบบเฉพาะของระบบ

1) จนถึงขณะนี้ TOKAMAK T-15 ทำงานในโหมดที่ให้ความร้อนแบบโอห์มมิกของพลาสมาเท่านั้น ดังนั้น พารามิเตอร์พลาสมาที่ได้รับจากการติดตั้งนี้จึงค่อนข้างต่ำ ในอนาคต มีการวางแผนที่จะเปิดตัวระบบฉีดที่เป็นกลาง 10 เมกะวัตต์ และการให้ความร้อนด้วยอิเล็กตรอนไซโคลตรอน 10 เมกะวัตต์

2) Q fus ที่กำหนดได้รับการคำนวณใหม่จากพารามิเตอร์ของ DD plasma ที่ได้รับในการตั้งค่าไปยัง DT plasma

และแม้ว่าโปรแกรมทดลองบน TOKAMAK เหล่านี้จะยังไม่เสร็จสมบูรณ์ แต่เครื่องจักรรุ่นนี้ก็สามารถทำงานที่ได้รับมอบหมายได้สำเร็จในทางปฏิบัติ JET และ TFTR ของ TOKAMAK ได้รับพลังงานความร้อนสูงของปฏิกิริยา DT ในพลาสมา, 11 MW ใน TFTR และ 16 MW ใน JET รูปที่ 6 แสดงการพึ่งพาเวลาของพลังงานแสนสาหัสในการทดลอง DT

รูปที่ 6. การพึ่งพาพลังงานแสนสาหัสตรงเวลาในการบันทึกการปล่อยดิวทีเรียม-ทริเทียมที่ JET และ TFTR tokamak

TOKAMAK รุ่นนี้ถึงค่าเกณฑ์ Q fus = 1 และได้รับ nt E ต่ำกว่าค่าที่จำเป็นสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK เต็มรูปแบบเพียงหลายครั้งเท่านั้น TOKAMAK ได้เรียนรู้ที่จะรักษากระแสพลาสมาให้คงที่โดยใช้สนาม RF และลำแสงที่เป็นกลาง ศึกษาฟิสิกส์ของการทำความร้อนด้วยพลาสมาด้วยอนุภาคเร็วรวมถึงอนุภาคอัลฟาแสนสาหัสศึกษาการทำงานของตัวเปลี่ยนทิศทางและโหมดการทำงานที่มีภาระความร้อนต่ำได้รับการพัฒนา ผลการศึกษาเหล่านี้ทำให้สามารถสร้างรากฐานทางกายภาพที่จำเป็นสำหรับขั้นตอนต่อไปได้ นั่นคือเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK เครื่องแรกซึ่งจะทำงานในโหมดการเผาไหม้

TOKAMAK มีข้อจำกัดทางกายภาพอะไรบ้างเกี่ยวกับพารามิเตอร์พลาสมา

ความดันพลาสมาสูงสุดใน TOKAMAK หรือค่าสูงสุด β ถูกกำหนดโดยความเสถียรของพลาสมาและอธิบายโดยประมาณโดยความสัมพันธ์ของ Troyon

ที่ไหน β แสดงเป็น % ไอพี– กระแสไหลในพลาสมาและ เบต้า เอ็นเป็นค่าคงที่ไร้มิติที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์ทรอยออน พารามิเตอร์ใน (5) มีขนาด MA, T, m ค่าสูงสุดของสัมประสิทธิ์ Troyon เบต้า เอ็น= 3÷5 ที่ได้จากการทดลอง สอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีซึ่งอิงจากการคำนวณความเสถียรของพลาสมา รูปที่ 7 แสดงค่าขีดจำกัด β ได้รับจาก TOKAMAK ต่างๆ

รูปที่ 7 การเปรียบเทียบค่าขีดจำกัด β สำเร็จในการทดลองปรับขนาด Troyon

หากเกินค่าจำกัด β จากการรบกวนของขดลวดขนาดใหญ่เกิดขึ้นในพลาสมา TOKAMAK พลาสมาจะเย็นลงอย่างรวดเร็วและตายบนผนัง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแผงพลาสม่า

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 7 TOKAMAK มีลักษณะเฉพาะด้วยค่าที่ค่อนข้างต่ำ β ในระดับหลายเปอร์เซ็นต์ มีความเป็นไปได้พื้นฐานที่จะเพิ่มมูลค่า β โดยการลดอัตราส่วนภาพพลาสมาลงเหลือค่า R/ ที่ต่ำมาก ก= 1.3۞1.5. ทฤษฎีทำนายว่าในเครื่องจักรดังกล่าว β สามารถเข้าถึงได้หลายสิบเปอร์เซ็นต์ อัตราส่วนภาพต่ำพิเศษเครื่องแรก TOKAMAK, START ซึ่งสร้างขึ้นเมื่อหลายปีก่อนในอังกฤษ ได้รับคุณค่าแล้ว β = 30%. ในทางกลับกัน ระบบเหล่านี้มีความต้องการทางเทคนิคมากกว่า และต้องการโซลูชันทางเทคนิคพิเศษสำหรับขดลวดทอรอยด์ ตัวเปลี่ยนทิศทาง และการป้องกันนิวตรอน ปัจจุบัน TOKAMAK ทดลองขนาดใหญ่กว่า START หลายเครื่องกำลังถูกสร้างขึ้นโดยมีอัตราส่วนกว้างยาวและกระแสพลาสมาสูงกว่า 1 MA คาดว่าในอีก 5 ปีข้างหน้า การทดลองจะให้ข้อมูลเพียงพอที่จะทำความเข้าใจว่าการปรับปรุงพารามิเตอร์พลาสมาจะบรรลุผลตามที่คาดหวังหรือไม่ และจะสามารถชดเชยปัญหาทางเทคนิคที่คาดหวังในทิศทางนี้ได้หรือไม่

การศึกษาระยะยาวเกี่ยวกับการกักขังพลาสมาใน TOKAMAK แสดงให้เห็นว่ากระบวนการพลังงานและการถ่ายโอนอนุภาคผ่านสนามแม่เหล็กถูกกำหนดโดยกระบวนการปั่นป่วนที่ซับซ้อนในพลาสมา และถึงแม้ว่าความไม่เสถียรของพลาสมาซึ่งรับผิดชอบต่อการสูญเสียพลาสมาที่ผิดปกติได้ถูกระบุแล้ว แต่ความเข้าใจทางทฤษฎีของกระบวนการที่ไม่เชิงเส้นยังไม่เพียงพอที่จะอธิบายอายุการใช้งานของพลาสมาตามหลักการแรก ดังนั้น เพื่อคาดการณ์อายุการใช้งานของพลาสมาที่ได้รับในการติดตั้งสมัยใหม่กับขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK จึงมีการใช้กฎเชิงประจักษ์—มาตราส่วน—อยู่ในปัจจุบัน หนึ่งในมาตราส่วนเหล่านี้ (ITER-97(y)) ซึ่งได้มาจากการประมวลผลทางสถิติของฐานข้อมูลการทดลองจาก TOKAMAK ต่างๆ คาดการณ์ว่าอายุการใช้งานจะเพิ่มขึ้นตามขนาดพลาสมา, R, I p กระแสพลาสมา และการยืดตัวของส่วนตัดขวางของพลาสมา k = ข/ ก= 4 และลดลงตามกำลังความร้อนพลาสมาที่เพิ่มขึ้น, P:

เสื้อ E ~ R 2 k 0.9 I р 0.9 / P 0.66

การพึ่งพาอายุการใช้งานพลังงานของพารามิเตอร์พลาสมาอื่นๆ ค่อนข้างอ่อนแอ รูปที่ 8 แสดงให้เห็นว่าอายุการใช้งานที่วัดได้ใน TOKAMAK เชิงทดลองเกือบทั้งหมดมีการอธิบายไว้อย่างดีจากมาตราส่วนนี้

รูปที่ 8. การขึ้นอยู่กับอายุการใช้งานพลังงานที่สังเกตได้จากการทดลองกับพลังงานที่คาดการณ์ไว้โดยมาตราส่วน ITER-97(y)
ค่าเบี่ยงเบนทางสถิติเฉลี่ยของคะแนนการทดลองจากการปรับขนาดคือ 15%
ฉลากที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับ TOKAMAK ที่แตกต่างกันและเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK ที่คาดการณ์ไว้ ITER

การปรับขนาดนี้ทำนายว่า TOKAMAK ซึ่งการเผาไหม้แสนสาหัสแบบยั่งยืนในตัวเองจะเกิดขึ้นควรมีรัศมีขนาดใหญ่ 7-8 เมตร และกระแสพลาสมา 20 MA ใน TOKAMAK อายุการใช้งานพลังงานจะเกิน 5 วินาทีและพลังของปฏิกิริยาแสนสาหัสจะอยู่ที่ระดับ 1-1.5 GW

ในปี 1998 การออกแบบทางวิศวกรรมของเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK ITER เสร็จสมบูรณ์ งานนี้ดำเนินการโดยสี่ฝ่าย ได้แก่ ยุโรป รัสเซีย สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK ทดลองเครื่องแรกที่ออกแบบมาเพื่อให้เกิดการเผาไหม้แสนสาหัสของส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม พารามิเตอร์ทางกายภาพและทางวิศวกรรมหลักของการติดตั้งแสดงไว้ในตารางที่ 3 และหน้าตัดจะแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9. มุมมองทั่วไปของ ITER เครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK ที่ได้รับการออกแบบ

ITER จะมีคุณสมบัติหลักทั้งหมดของเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK อยู่แล้ว โดยจะมีระบบแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวดเต็มรูปแบบ มีผ้าห่มระบายความร้อนและการป้องกันรังสีนิวตรอน และระบบบำรุงรักษาระยะไกลสำหรับการติดตั้ง สันนิษฐานว่าฟลักซ์นิวตรอนที่มีความหนาแน่นพลังงาน 1 MW/m 2 และฟลักซ์รวม 0.3 MW × ปี/m 2 จะได้รับบนผนังแรก ซึ่งจะช่วยให้สามารถทดสอบเทคโนโลยีนิวเคลียร์ของวัสดุและโมดูลแบบครอบคลุมที่สามารถทำซ้ำได้ ไอโซโทป

ตารางที่ 3.
พารามิเตอร์พื้นฐานของเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ TOKAMAK ทดลองเครื่องแรก ITER

ITER มีแผนจะสร้างในปี 2553-2554 โครงการทดลองซึ่งจะดำเนินต่อไปในเครื่องปฏิกรณ์ทดลองนี้อีกประมาณ 20 ปี จะทำให้สามารถรับข้อมูลพลาสมาทางกายภาพและเทคโนโลยีนิวเคลียร์ที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้างในปี 2573-2578 ของ เครื่องปฏิกรณ์สาธิตเครื่องแรก - TOKAMAK ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้แล้ว ภารกิจหลักของ ITER คือการสาธิตการใช้งานจริงของเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและ

นอกจาก TOKAMAK ซึ่งปัจจุบันเป็นระบบที่ทันสมัยที่สุดสำหรับการดำเนินการฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมแล้ว ยังมีกับดักแม่เหล็กอื่นๆ ที่ประสบความสำเร็จในการแข่งขันกับ TOKAMAK

นอกจาก TOKAMAK และ STELLARATOR แล้ว การทดลอง แม้จะมีขนาดเล็กกว่า แต่ก็ยังดำเนินต่อไปในระบบอื่นๆ ที่มีการกำหนดค่าแม่เหล็กแบบปิด ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น ควรสังเกตการหนีบแบบกลับด้าน SPHEROMAK และโทริขนาดกะทัดรัด การหนีบแบบกลับสนามแม่เหล็กมีสนามแม่เหล็กวงแหวนค่อนข้างต่ำ ใน SPHEROMAK หรือ Compact Tori ไม่มีระบบแม่เหล็กแบบ Toroidal เลย ดังนั้นระบบทั้งหมดเหล่านี้จึงรับประกันความสามารถในการสร้างพลาสมาที่มีค่าพารามิเตอร์สูง β และดังนั้นในอนาคตอาจเป็นสิ่งที่น่าสนใจสำหรับการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันขนาดกะทัดรัดหรือเครื่องปฏิกรณ์โดยใช้ปฏิกิริยาทางเลือก เช่น DHe 3 หรือ rB ซึ่งต้องใช้สนามแม่เหล็กต่ำเพื่อลดเบรมสตราลุงแม่เหล็ก พารามิเตอร์พลาสมาปัจจุบันที่ได้รับในกับดักเหล่านี้ยังคงต่ำกว่าพารามิเตอร์ที่ได้รับใน TOKAMAKS และ STELLARATORS อย่างมีนัยสำคัญ

การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีเลเซอร์กับสสารแสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีเลเซอร์ถูกดูดซับได้ดีโดยสารระเหยของเปลือกเป้าหมาย จนถึงความหนาแน่นของพลังงานที่ต้องการ 2-4 · 10 14 W/cm 2 ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสามารถเข้าถึง 40-80% และเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นรังสีที่ลดลง ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น สามารถสร้างผลผลิตแสนสาหัสได้หากเชื้อเพลิงจำนวนมากยังคงเย็นในระหว่างการบีบอัด ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องบีบอัดแบบอะเดียแบติกเช่น จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการอุ่นชิ้นงานล่วงหน้า ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากการสร้างอิเล็กตรอนที่มีพลัง คลื่นกระแทก หรือรังสีเอกซ์แข็งจากการแผ่รังสีเลเซอร์ การศึกษาจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้สามารถลดลงได้โดยการกำหนดโปรไฟล์ชีพจรของรังสี การปรับเม็ดยาให้เหมาะสม และลดความยาวคลื่นของรังสี รูปที่ 16 ยืมมาจากงาน แสดงขอบเขตของพื้นที่บนเครื่องบิน ความหนาแน่นของพลังงาน - ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่เหมาะสำหรับการบีบอัดเป้าหมาย

มะเดื่อ 16. บริเวณบนระนาบพารามิเตอร์ที่เลเซอร์สามารถบีบอัดเป้าหมายแสนสาหัส (แรเงา)

การติดตั้งเลเซอร์ (NIF) ครั้งแรกที่มีพารามิเตอร์เลเซอร์เพียงพอต่อการจุดระเบิดเป้าหมายจะถูกสร้างขึ้นในสหรัฐอเมริกาในปี 2545 การติดตั้งจะทำให้สามารถศึกษาฟิสิกส์ของการบีบอัดเป้าหมายได้ ซึ่งจะมีเอาท์พุตเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ระดับ 1- 20 MJ และตามนั้น จะทำให้ได้รับค่าสูง Q>1

แม้ว่าเลเซอร์จะทำให้สามารถทำการวิจัยในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับการบีบอัดและการจุดระเบิดของชิ้นงานได้ แต่ข้อเสียของเลเซอร์คือประสิทธิภาพต่ำ ซึ่งอย่างดีที่สุดจนถึงตอนนี้อยู่ที่ 1-2% ด้วยประสิทธิภาพที่ต่ำเช่นนี้ อัตราผลตอบแทนแสนสาหัสของเป้าหมายจะต้องเกิน 10 3 ซึ่งเป็นงานที่ยากมาก นอกจากนี้ เลเซอร์แก้วยังมีความสามารถในการทำซ้ำของพัลส์ต่ำ เพื่อให้เลเซอร์ทำหน้าที่เป็นตัวขับเคลื่อนเครื่องปฏิกรณ์สำหรับโรงไฟฟ้าฟิวชัน ต้นทุนจะต้องลดลงประมาณสองลำดับความสำคัญ ดังนั้นควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ นักวิจัยจึงหันมาพัฒนาตัวขับที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น - ลำแสงไอออน

คานไอออน

ในปัจจุบัน ลำแสงไอออนกำลังถูกพิจารณาอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ ลำแสงไอออนชนิด Li ที่มีพลังงานหลายสิบ MeV และลำแสงไอออนหนัก ชนิด Pb ที่มีพลังงานสูงถึง 10 GeV หากเราพูดถึงการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ ในทั้งสองกรณี จำเป็นต้องจ่ายพลังงานหลาย MJ ไปยังเป้าหมายที่มีรัศมีหลายมิลลิเมตรในเวลาประมาณ 10 ns ไม่เพียงแต่จำเป็นจะต้องโฟกัสลำแสงเท่านั้น แต่ยังต้องสามารถนำลำแสงดังกล่าวไปในห้องปฏิกรณ์ที่ระยะห่างประมาณหลายเมตรจากเครื่องเร่งความเร็วไปยังเป้าหมายด้วย ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายเลยสำหรับลำแสงอนุภาค

ลำแสงไอออนที่มีพลังงานหลายสิบ MeV สามารถสร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง โดยใช้แรงดันพัลส์ที่จ่ายให้กับไดโอด เทคโนโลยีพัลซ์สมัยใหม่ทำให้สามารถรับกำลังที่จำเป็นในการบีบอัดเป้าหมายได้ ดังนั้นลำแสงไอออนจึงเป็นตัวเลือกที่ถูกที่สุดสำหรับไดรเวอร์ การทดลองกับไอออนแสงดำเนินการมานานหลายปีที่โรงงาน PBFA-11 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Sandywood ในสหรัฐอเมริกา การตั้งค่านี้ทำให้สามารถสร้างพัลส์สั้น (15 ns) ของไอออน Li 30 MeV โดยมีกระแสสูงสุดที่ 3.5 MA และพลังงานรวมประมาณ 1 MJ เคสที่ทำจากวัสดุ Z ขนาดใหญ่ที่มีเป้าหมายอยู่ข้างในถูกวางไว้ตรงกลางของไดโอดแบบสมมาตรทรงกลม ทำให้สามารถผลิตลำแสงไอออนที่มีทิศทางในแนวรัศมีจำนวนมาก พลังงานไอออนถูกดูดซับไว้ในโครง Hohlraum และตัวเติมที่มีรูพรุนระหว่างชิ้นงานกับโครง และถูกแปลงเป็นรังสีเอกซ์แบบอ่อนที่บีบอัดชิ้นงาน

คาดว่าจะได้รับความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 5 × 10 13 W/cm 2 ซึ่งจำเป็นสำหรับการบีบอัดและการจุดไฟเป้าหมาย อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของพลังงานที่ได้รับนั้นมีลำดับความสำคัญต่ำกว่าที่คาดไว้โดยประมาณ เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ไอออนแสงเป็นตัวขับเคลื่อนจำเป็นต้องมีการไหลขนาดมหึมาของอนุภาคเร็วที่มีความหนาแน่นของอนุภาคสูงใกล้กับเป้าหมาย การเพ่งลำแสงดังกล่าวไปที่เป้าหมายระดับมิลลิเมตรถือเป็นงานที่มีความซับซ้อนอย่างมาก นอกจากนี้ไอออนแสงจะถูกยับยั้งอย่างเห็นได้ชัดในก๊าซที่ตกค้างในห้องเผาไหม้

การเปลี่ยนไปใช้ไอออนหนักและพลังงานอนุภาคสูงทำให้สามารถบรรเทาปัญหาเหล่านี้ได้อย่างมาก และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อลดความหนาแน่นของกระแสอนุภาค และด้วยเหตุนี้ จึงช่วยบรรเทาปัญหาการโฟกัสของอนุภาคได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้อนุภาค 10 GeV ที่ต้องการ จำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งขนาดใหญ่ที่มีตัวสะสมอนุภาคและอุปกรณ์เร่งความเร็วที่ซับซ้อนอื่นๆ สมมติว่าพลังงานลำแสงทั้งหมดคือ 3 MJ เวลาพัลส์คือ 10 ns และพื้นที่ที่ควรเน้นลำแสงคือวงกลมที่มีรัศมี 3 มม. พารามิเตอร์เปรียบเทียบของไดรเวอร์สมมุติสำหรับการบีบอัดเป้าหมายแสดงไว้ในตารางที่ 6

ตารางที่ 6.
ลักษณะเปรียบเทียบของตัวขับไอออนเบาและหนัก

*) – ในพื้นที่เป้าหมาย

ลำแสงไอออนหนักและไอออนเบาจำเป็นต้องใช้โฮห์ราอุม ซึ่งพลังงานของไอออนจะถูกแปลงเป็นรังสีเอกซ์ ซึ่งจะฉายรังสีไปยังเป้าหมายอย่างสม่ำเสมอ การออกแบบโฮห์ลเราม์สำหรับลำแสงไอออนหนักแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากโฮห์ลเราม์สำหรับการแผ่รังสีเลเซอร์ ข้อแตกต่างก็คือลำแสงไม่จำเป็นต้องมีรูที่ลำแสงเลเซอร์จะทะลุเข้าไปในโฮลเราม์ ดังนั้นในกรณีของลำแสงจึงใช้ตัวดูดซับอนุภาคพิเศษซึ่งแปลงพลังงานเป็นรังสีเอกซ์ ทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้จะแสดงในรูปที่ 14b ปรากฎว่าประสิทธิภาพการแปลงลดลงตามการเพิ่มพลังงานและไอออน และเพิ่มขนาดของบริเวณที่ลำแสงโฟกัสอยู่ ดังนั้นการเพิ่มพลังงานและอนุภาคให้สูงกว่า 10 GeV จึงเป็นไปไม่ได้

ในปัจจุบัน ทั้งในยุโรปและสหรัฐอเมริกา มีการตัดสินใจที่จะมุ่งเน้นไปที่ความพยายามหลักในการพัฒนาตัวขับที่ใช้ลำแสงไอออนหนัก คาดว่าไดรเวอร์เหล่านี้จะได้รับการพัฒนาภายในปี 2553-2563 และหากประสบความสำเร็จ ก็จะเข้ามาแทนที่เลเซอร์ในการติดตั้ง NIF รุ่นต่อไป จนถึงขณะนี้ยังไม่มีตัวเร่งที่จำเป็นสำหรับฟิวชั่นเฉื่อย ปัญหาหลักในการสร้างนั้นเกี่ยวข้องกับความจำเป็นในการเพิ่มความหนาแน่นฟลักซ์ของอนุภาคจนถึงระดับที่ความหนาแน่นประจุเชิงพื้นที่ของไอออนส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อไดนามิกและการโฟกัสของอนุภาค เพื่อลดผลกระทบของประจุอวกาศ เสนอให้สร้างคานคู่ขนานจำนวนมาก ซึ่งจะเชื่อมต่อในห้องเครื่องปฏิกรณ์และมุ่งตรงไปยังเป้าหมาย ขนาดโดยทั่วไปของตัวเร่งเชิงเส้นคือหลายกิโลเมตร

คานไอออนจะนำไอออนไปในห้องปฏิกรณ์เป็นระยะทางหลายเมตรและมุ่งความสนใจไปที่พื้นที่ขนาดหลายมิลลิเมตรได้อย่างไร รูปแบบหนึ่งที่เป็นไปได้คือการโฟกัสไปที่ลำแสงเอง ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในก๊าซความดันต่ำ ลำแสงจะทำให้เกิดการไอออไนซ์ของก๊าซและกระแสไฟฟ้าชดเชยที่ไหลผ่านพลาสมา สนามแม่เหล็กแอซิมุธัลซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยกระแสผลลัพธ์ (ความแตกต่างระหว่างกระแสลำแสงและกระแสพลาสมาย้อนกลับ) จะนำไปสู่การบีบอัดในแนวรัศมีของลำแสงและการโฟกัส การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่า โดยหลักการแล้ว รูปแบบดังกล่าวเป็นไปได้หากแรงดันก๊าซถูกรักษาให้อยู่ในช่วง 1-100 Torr ที่ต้องการ

แม้ว่าลำแสงไอออนหนักจะให้โอกาสในการสร้างตัวขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน แต่ก็ต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคมหาศาลที่ยังต้องเอาชนะก่อนที่จะบรรลุเป้าหมาย สำหรับการใช้งานนิวเคลียร์แสนสาหัส จำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งความเร็วซึ่งจะสร้างลำแสงไอออน 10 GeV โดยมีกระแสไฟสูงสุดเท่ากับยานอวกาศหลายสิบลำและมีกำลังเฉลี่ยประมาณ 15 เมกะวัตต์ ปริมาตรของระบบแม่เหล็กของเครื่องเร่งดังกล่าวเทียบได้กับปริมาตรของระบบแม่เหล็กของเครื่องปฏิกรณ์ TOKAMAK ดังนั้นจึงสามารถคาดหวังได้ว่าต้นทุนจะอยู่ในลำดับเดียวกัน

ห้องปฏิกรณ์พัลส์

ต่างจากเครื่องปฏิกรณ์แม่เหล็กฟิวชันที่ต้องการสุญญากาศและความบริสุทธิ์ของพลาสมาสูง ข้อกำหนดดังกล่าวไม่ได้ถูกกำหนดไว้บนห้องของเครื่องปฏิกรณ์แบบพัลส์ ปัญหาทางเทคโนโลยีหลักในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบพัลซิ่งนั้นอยู่ในสาขาเทคโนโลยีตัวขับ การสร้างเป้าหมายที่แม่นยำและระบบที่ทำให้สามารถป้อนและควบคุมตำแหน่งของเป้าหมายในห้องได้ ห้องปฏิกรณ์พัลส์นั้นมีการออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย โครงการส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการใช้ผนังของเหลวที่สร้างขึ้นโดยสารหล่อเย็นแบบเปิด ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ HYLIFE-11 ใช้เกลือหลอมเหลว Li 2 BeF 4 ซึ่งเป็นม่านของเหลวที่ล้อมรอบบริเวณที่เป้าหมายมาถึง ผนังของเหลวจะดูดซับรังสีนิวตรอนและชะล้างส่วนที่เหลือของเป้าหมายออกไป นอกจากนี้ยังช่วยลดแรงกดดันจากการระเบิดขนาดเล็กและถ่ายโอนไปยังผนังหลักของห้องอย่างสม่ำเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของห้องมีลักษณะเฉพาะคือประมาณ 8 ม. ความสูงประมาณ 20 ม.

อัตราการไหลรวมของของเหลวหล่อเย็นอยู่ที่ประมาณ 50 ม. 3 /วินาที ซึ่งทำได้ค่อนข้างมาก สันนิษฐานว่านอกเหนือจากการไหลหลักที่อยู่กับที่แล้ว จะมีการสร้างชัตเตอร์เหลวแบบพัลซิ่งในห้องซึ่งจะเปิดซิงโครไนซ์กับการจ่ายของเป้าหมายด้วยความถี่ประมาณ 5 Hz เพื่อส่งลำแสงไอออนหนัก

ความแม่นยำที่ต้องการในการป้อนเป้าหมายคือเศษส่วนของมิลลิเมตร เห็นได้ชัดว่าการส่งมอบเป้าหมายอย่างเฉื่อยชาในระยะทางหลายเมตรด้วยความแม่นยำในห้องซึ่งก๊าซปั่นป่วนที่เกิดจากการระเบิดของเป้าหมายก่อนหน้านี้จะเกิดขึ้นนั้นเป็นงานที่เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์จะต้องมีระบบควบคุมที่ช่วยให้สามารถติดตามตำแหน่งของเป้าหมายและปรับโฟกัสลำแสงแบบไดนามิกได้ โดยหลักการแล้ว งานดังกล่าวเป็นไปได้ แต่อาจทำให้การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์ยุ่งยากขึ้นอย่างมาก

“Lockheed Martin ได้เริ่มพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ขนาดกะทัดรัด... เว็บไซต์ของบริษัทบอกว่าต้นแบบแรกจะถูกสร้างขึ้นภายในหนึ่งปี หากสิ่งนี้กลายเป็นจริง หนึ่งปีเราจะอยู่ในโลกที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง” นี่คือจุดเริ่มต้นของหนึ่งใน “The Attic” เวลาผ่านไปสามปีนับตั้งแต่ตีพิมพ์ และโลกก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนักตั้งแต่นั้นมา

ปัจจุบัน ในเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ พลังงานถูกสร้างขึ้นโดยการสลายตัวของนิวเคลียสหนัก ในเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสพลังงานจะได้รับในระหว่างกระบวนการฟิวชั่นของนิวเคลียสในระหว่างที่นิวเคลียสที่มีมวลน้อยกว่าผลรวมของนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นและ "สารตกค้าง" จะหายไปในรูปของพลังงาน ของเสียจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีกัมมันตภาพรังสี และการกำจัดอย่างปลอดภัยทำให้เกิดอาการปวดหัวอย่างมาก เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันไม่มีข้อเสียเปรียบนี้ และยังใช้เชื้อเพลิงที่มีอยู่อย่างแพร่หลาย เช่น ไฮโดรเจน

พวกเขามีปัญหาใหญ่เพียงปัญหาเดียว นั่นคือ การออกแบบทางอุตสาหกรรมยังไม่มีอยู่จริง งานนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย: สำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ เชื้อเพลิงจะต้องถูกบีบอัดและให้ความร้อนถึงหลายร้อยล้านองศา ซึ่งร้อนกว่าบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ (ซึ่งปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เกิดขึ้นตามธรรมชาติ) เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุถึงอุณหภูมิสูงเช่นนี้ แต่ก็เป็นไปได้ แต่เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวใช้พลังงานมากกว่าที่ผลิตได้

อย่างไรก็ตาม พวกเขายังคงมีข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้มากมาย ซึ่งแน่นอนว่า ไม่เพียงแต่ Lockheed Martin เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการพัฒนา

มัน

ITER เป็นโครงการที่ใหญ่ที่สุดในย่านนี้ มันเกี่ยวข้องกับสหภาพยุโรป อินเดีย จีน เกาหลี รัสเซีย สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น และเครื่องปฏิกรณ์เองก็ถูกสร้างขึ้นในดินแดนของฝรั่งเศสตั้งแต่ปี 2550 แม้ว่าประวัติศาสตร์จะลึกซึ้งยิ่งขึ้นไปในอดีตมาก: เรแกนและกอร์บาชอฟเห็นพ้องในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ใน 1985. เครื่องปฏิกรณ์เป็นห้องวงแหวนที่เรียกว่า "โดนัท" ซึ่งพลาสมาถูกยึดไว้ด้วยสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงเรียกว่าโทคามัก - ที่รอยด์ คะวัดด้วย แม่เน่าเสีย ถึงอาตุชกิ. เครื่องปฏิกรณ์จะสร้างพลังงานผ่านการหลอมรวมของไอโซโทปไฮโดรเจน - ดิวเทอเรียมและทริเทียม

มีการวางแผนว่า ITER จะได้รับพลังงานมากกว่าที่ใช้ไป 10 เท่า แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นในเร็วๆ นี้ ในตอนแรกมีการวางแผนว่าเครื่องปฏิกรณ์จะเริ่มทำงานในโหมดทดลองในปี 2020 แต่แล้ววันนี้ก็ถูกเลื่อนออกไปเป็นปี 2025 ในเวลาเดียวกัน การผลิตพลังงานภาคอุตสาหกรรมจะเริ่มไม่ช้ากว่าปี 2060 และเราสามารถคาดหวังได้ว่าเทคโนโลยีนี้จะแพร่กระจายที่ไหนสักแห่งในช่วงปลายศตวรรษที่ 21 เท่านั้น

เวนเดลสไตน์ 7-X

Wendelstein 7-X เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันชนิดสเตลลาเรเตอร์ที่ใหญ่ที่สุด เครื่องสร้างดาวฤกษ์แก้ปัญหาที่รบกวน tokamak ซึ่งก็คือ "การแพร่กระจาย" ของพลาสมาจากศูนย์กลางของพรูไปยังผนัง สิ่งที่โทคามักพยายามรับมือเนื่องจากพลังของสนามแม่เหล็ก เครื่องสร้างดาวฤกษ์จะแก้ปัญหาเนื่องจากรูปร่างที่ซับซ้อน กล่าวคือ สนามแม่เหล็กที่ยึดพลาสมาจะโค้งงอเพื่อหยุดการเคลื่อนตัวของอนุภาคที่มีประจุ

ตามที่ผู้สร้างหวังว่า Wendelstein 7-X จะสามารถปฏิบัติการได้ครึ่งชั่วโมงในปี 21 ซึ่งจะมอบ "ตั๋วสู่ชีวิต" ให้กับแนวคิดของสถานีเทอร์โมนิวเคลียร์ที่มีการออกแบบคล้ายกัน

สิ่งอำนวยความสะดวกการจุดระเบิดแห่งชาติ

เครื่องปฏิกรณ์อีกประเภทหนึ่งใช้เลเซอร์อันทรงพลังในการบีบอัดและให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิง อนิจจา การติดตั้งเลเซอร์ที่ใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิตพลังงานแสนสาหัส American NIF ไม่สามารถผลิตพลังงานได้มากกว่าที่ใช้ไป

เป็นการยากที่จะคาดเดาว่าโครงการใดในบรรดาโครงการทั้งหมดเหล่านี้จะเริ่มต้นขึ้นจริงๆ และโครงการใดจะประสบชะตากรรมเช่นเดียวกับ NIF สิ่งที่เราทำได้คือรอ หวัง และติดตามข่าว ปี 2020 สัญญาว่าจะเป็นช่วงเวลาที่น่าสนใจสำหรับพลังงานนิวเคลียร์

“เทคโนโลยีนิวเคลียร์” เป็นหนึ่งในโปรไฟล์ของ NTI Olympiad สำหรับเด็กนักเรียน