Ima li termonuklearna energija budućnost?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Više od pola vijeka naučnici pokušavaju da naprave mašinu na Zemlji u kojoj se, kao u utrobi zvijezda, odvija termonuklearna reakcija. Tehnologija kontrolirane termonuklearne fuzije obećava čovječanstvu gotovo neiscrpan izvor čiste energije. Sovjetski naučnici bili su izvor ove tehnologije - a sada Rusija pomaže u izgradnji najvećeg fuzionog reaktora na svijetu.

Dijelove jezgra atoma drži zajedno kolosalna sila. Postoje dva načina da ga oslobodite. Prva metoda je korištenje energije fisije velikih teških jezgara sa najudaljenijeg kraja periodnog sistema: uranijuma, plutonijuma. U svim nuklearnim elektranama na Zemlji izvor energije je upravo raspad teških jezgara.

Ali postoji i drugi način oslobađanja energije atoma: ne dijeljenje, već, naprotiv, spajanje jezgara. Prilikom spajanja, neki od njih oslobađaju čak i više energije od fisilnih jezgara urana. Što je jezgro lakše, to će se više energije osloboditi tokom fuzije (kako kažu, fuzije), pa je najefikasniji način da se dobije energija nuklearne fuzije prisiliti jezgra najlakšeg elementa - vodika - i njegovih izotopa da se spoje..

Ručna zvijezda: solidni profesionalci

Nuklearna fuzija je otkrivena 1930-ih proučavanjem procesa koji se odvijaju u unutrašnjosti zvijezda. Ispostavilo se da se reakcije nuklearne fuzije odvijaju unutar svakog sunca, a svjetlost i toplina su njegovi proizvodi. Čim je to postalo jasno, naučnici su razmišljali kako da ponove ono što se dešava u utrobi Sunca na Zemlji. U poređenju sa svim poznatim izvorima energije, "sunce za ruke" ima niz neospornih prednosti.

Prvo, kao gorivo mu služi obični vodonik, čije će zalihe na Zemlji trajati mnogo hiljada godina. Čak i uzimajući u obzir činjenicu da za reakciju nije potreban najobičniji izotop, deuterijum, čaša vode dovoljna je da se mali grad snabdije strujom na tjedan dana. Drugo, za razliku od sagorijevanja ugljikovodika, reakcija nuklearne fuzije ne proizvodi toksične proizvode - samo neutralni plin helij.

Prednosti fuzijske energije

Gotovo neograničene zalihe goriva. U fuzijskom reaktoru, izotopi vodonika - deuterijum i tricijum - rade kao gorivo; možete koristiti i izotop helijuma-3. U morskoj vodi ima puno deuterija - može se dobiti konvencionalnom elektrolizom, a njegove rezerve u Svjetskom okeanu trajat će oko 300 miliona godina uz trenutnu potražnju čovječanstva za energijom.

U prirodi je mnogo manje tritijuma, on se umjetno proizvodi u nuklearnim reaktorima - ali je za termonuklearnu reakciju potrebno vrlo malo. Na Zemlji gotovo da i nema helijuma-3, ali ima dosta u lunarnom tlu. Ako jednog dana budemo imali termonuklearnu energiju, vjerovatno će biti moguće letjeti na Mjesec po gorivo za nju.

Nema eksplozija. Za stvaranje i održavanje termonuklearne reakcije potrebno je mnogo energije. Čim prestane dovod energije, reakcija prestaje, a plazma zagrijana na stotine miliona stepeni prestaje da postoji. Stoga je fuzijski reaktor teže uključiti nego isključiti.

Niska radioaktivnost. Termonuklearna reakcija proizvodi tok neutrona koji se emituju iz magnetne zamke i talože na zidovima vakuumske komore, čineći je radioaktivnom. Stvaranjem posebnog “pokriva” (pokriva) oko perimetra plazme, usporavajući neutrone, moguće je potpuno zaštititi prostor oko reaktora. Sam pokrivač s vremenom neizbježno postaje radioaktivan, ali ne zadugo. Ostavite da miruje 20-30 godina, ponovo možete dobiti materijal sa prirodnim pozadinskim zračenjem.

Nema curenja goriva. Uvijek postoji rizik od curenja goriva, ali fuzijski reaktor zahtijeva toliko malo goriva da čak ni potpuno curenje ne ugrožava okolinu. Za lansiranje ITER-a, na primjer, bilo bi potrebno samo oko 3 kg tritijuma i malo više deuterija. Čak i u najgorem slučaju, ova količina radioaktivnih izotopa brzo će se raspršiti u vodi i zraku i nikome neće naštetiti.

Bez oružja. Termonuklearni reaktor ne proizvodi supstance koje se mogu koristiti za izradu atomskog oružja. Stoga ne postoji opasnost da će širenje termonuklearne energije dovesti do nuklearne trke.

Kako osvetliti "veštačko sunce", uopšteno govoreći, postalo je jasno već pedesetih godina prošlog veka. Na obje strane okeana izvršeni su proračuni koji su postavili glavne parametre kontrolirane reakcije nuklearne fuzije. To bi trebalo da se odvija na enormnoj temperaturi od stotine miliona stepeni: u takvim uslovima, elektroni bivaju otrgnuti od njihovih jezgara. Stoga se ova reakcija naziva i termonuklearna fuzija. Gola jezgra, sudarajući se jedno s drugim vrtoglavom brzinom, savladavaju Kulonovo odbijanje i spajaju se.

Problemi i rješenja

Entuzijazam prvih decenija udario je u nevjerovatnu složenost zadatka. Pokazalo se da je pokretanje termonuklearne fuzije relativno lako - ako se izvrši u obliku eksplozije. Pacifički atoli i sovjetska poligona u Semipalatinsku i Novoj Zemlji iskusili su punu snagu termonuklearne reakcije već u prvoj poslijeratnoj deceniji.

Ali korištenje ove snage, osim za uništavanje, mnogo je teže od detonacije termonuklearnog punjenja. Da bi se termonuklearna energija koristila za proizvodnju električne energije, reakcija se mora provoditi na kontroliran način tako da se energija oslobađa u malim porcijama.

Kako uraditi? Okruženje u kojem se odvija termonuklearna reakcija naziva se plazma. Sličan je plinu, samo se za razliku od normalnog plina sastoji od nabijenih čestica. A ponašanje nabijenih čestica može se kontrolirati korištenjem električnih i magnetskih polja.

Stoga, u svom najopćenitijem obliku, termonuklearni reaktor je plazma ugrušak zarobljen u provodnicima i magnetima. Oni sprečavaju da plazma pobegne, a dok to rade, atomska jezgra se stapaju unutar plazme, usled čega se oslobađa energija. Ova energija se mora ukloniti iz reaktora, koristiti za zagrijavanje rashladne tekućine - i mora se dobiti električna energija.

Zamke i curenja

Pokazalo se da je plazma najkapricioznija supstanca s kojom su se ljudi na Zemlji morali suočiti. Svaki put kada su naučnici pronašli način da blokiraju jednu vrstu curenja plazme, otkrivala bi se nova. Cijela druga polovina 20. vijeka potrošena je na učenje da se plazma zadrži unutar reaktora neko značajno vrijeme. Ovaj problem je počeo da se javlja tek u našim danima, kada su se pojavili moćni kompjuteri koji su omogućili stvaranje matematičkih modela ponašanja plazme.

Još uvijek nema konsenzusa o tome koja je metoda najbolja za zadržavanje plazme. Najpoznatiji model, tokamak, je vakuumska komora u obliku krafne (kako matematičari kažu, torus) sa zamkama plazme iznutra i izvana. Ova konfiguracija će imati najveću i najskuplju termonuklearnu instalaciju na svijetu - reaktor ITER koji se trenutno gradi na jugu Francuske.

Osim tokamaka, postoji mnogo mogućih konfiguracija termonuklearnih reaktora: sferni, kao u Sankt Peterburgu Globus-M, bizarno zakrivljeni stelaratori (poput Wendelstein 7-X na Institutu za nuklearnu fiziku Max Planck u Njemačkoj), laserski inercijalne zamke, kao što je američki NIF. Oni dobijaju mnogo manje medijske pažnje od ITER-a, ali imaju i velika očekivanja.

Postoje naučnici koji smatraju da je dizajn stelaratora u osnovi uspješniji od tokamaka: jeftinije ga je izgraditi, a vrijeme zadržavanja plazme obećava da će dati mnogo više. Dobitak u energiji osigurava geometrija same zamke plazme, koja omogućava da se riješimo parazitskih efekata i curenja svojstvenih "krofni". Verzija sa laserskom pumpom također ima svoje prednosti.

Vodonično gorivo u njima se zagreva na potrebnu temperaturu laserskim impulsima, a reakcija fuzije počinje gotovo trenutno. Plazma se u takvim instalacijama drži po inerciji i nema vremena da se rasprši - sve se događa tako brzo.

Cijeli svijet

Svi termonuklearni reaktori koji danas postoje u svijetu su eksperimentalne mašine. Nijedan od njih se ne koristi za proizvodnju električne energije. Niko još nije uspio ispuniti glavni kriterij za termonuklearnu reakciju (Lawsonov kriterij): dobiti više energije nego što je potrošeno na stvaranje reakcije. Stoga se svjetska zajednica fokusirala na gigantski projekat ITER. Ako se na ITER-u ispuni Lawsonov kriterij, bit će moguće usavršiti tehnologiju i pokušati je prenijeti na komercijalne šine.

Nijedna zemlja na svijetu ne bi mogla sama izgraditi ITER. Potrebno je samo 100 hiljada km supravodljivih žica, a takođe i desetine supravodljivih magneta i džinovski centralni solenoid za držanje plazme, sistem za stvaranje visokog vakuuma u prstenu, helijumski hladnjaci za magnete, kontrolere, elektroniku… projekat gradi 35 zemalja i više hiljada naučnih instituta i fabrika odjednom.

Rusija je jedna od glavnih zemalja koje učestvuju u projektu; u Rusiji se projektuje i gradi 25 tehnoloških sistema budućeg reaktora. To su superprovodnici, sistemi za mjerenje parametara plazme, automatski kontroleri i komponente divertora, najtoplijeg dijela unutrašnje stijenke tokamaka.

Nakon lansiranja ITER-a, ruski naučnici će imati pristup svim njegovim eksperimentalnim podacima. Međutim, eho ITER-a neće se osjetiti samo u nauci: sada su se u nekim regijama pojavili proizvodni pogoni, kojih u Rusiji prije nije bilo. Na primjer, prije početka projekta u našoj zemlji nije bilo industrijske proizvodnje supravodljivih materijala, a u cijelom svijetu se proizvodilo samo 15 tona godišnje. Sada je samo u Čepeckom mehaničkom pogonu državne korporacije "Rosatom" moguće proizvesti 60 tona godišnje.

Budućnost energetike i dalje

Planirano je da prva plazma na ITER bude primljena 2025. godine. Cijeli svijet čeka ovaj događaj. Ali jedna, čak i najmoćnija mašina nije sve. Širom svijeta i u Rusiji nastavljaju s izgradnjom novih termonuklearnih reaktora, koji će pomoći da se konačno razumije ponašanje plazme i pronađe najbolji način za njeno korištenje.

Institut Kurčatov će već krajem 2020. godine lansirati novi tokamak T-15MD, koji će postati dio hibridne instalacije s nuklearnim i termonuklearnim elementima. Neutroni, koji nastaju u zoni termonuklearne reakcije, u hibridnoj instalaciji će se koristiti za iniciranje fisije teških jezgara - uranijuma i torija. U budućnosti, takve hibridne mašine mogu se koristiti za proizvodnju goriva za konvencionalne nuklearne reaktore – i termičke i brze neutrone.

Spasenje torija

Posebno primamljiva je perspektiva upotrebe termonuklearne "jezgre" kao izvora neutrona za iniciranje raspada u jezgrima torijuma. Na planeti ima više torija nego uranijuma, a njegovo korištenje kao nuklearnog goriva rješava nekoliko problema moderne nuklearne energije odjednom.

Stoga se proizvodi raspada torija ne mogu koristiti za proizvodnju vojnih radioaktivnih materijala. Mogućnost takve upotrebe služi kao politički faktor koji sprečava male zemlje da razvijaju vlastitu nuklearnu energiju. Gorivo od torija rješava ovaj problem jednom za svagda.

Zamke plazme mogu biti korisne ne samo u energetici, već iu drugim miroljubivim industrijama - čak iu svemiru. Sada Rosatom i Kurčatov institut rade na komponentama za plazma raketni motor bez elektroda za svemirske letelice i sisteme za plazma modifikaciju materijala. Učešće Rusije u projektu ITER podstiče industriju, što dovodi do stvaranja novih industrija, koje već čine osnovu za nove ruske razvoje.