Ima li termonuklearna energija budućnost?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Više od pola stoljeća znanstvenici pokušavaju izgraditi na Zemlji stroj u kojem se, kao u utrobi zvijezda, odvija termonuklearna reakcija. Tehnologija kontrolirane termonuklearne fuzije obećava čovječanstvu gotovo neiscrpan izvor čiste energije. Sovjetski znanstvenici bili su u podrijetlu ove tehnologije - a sada Rusija pomaže u izgradnji najvećeg fuzijskog reaktora na svijetu.

Dijelove jezgre atoma zajedno drži kolosalna sila. Postoje dva načina da ga oslobodite. Prva metoda je korištenje energije fisije velikih teških jezgri s najudaljenijeg kraja periodnog sustava: urana, plutonija. U svim nuklearnim elektranama na Zemlji izvor energije je upravo raspad teških jezgri.

Ali postoji i drugi način oslobađanja energije atoma: ne dijeliti, već, naprotiv, kombinirati jezgre. Prilikom spajanja neke od njih oslobađaju čak i više energije od fisijskih jezgri urana. Što je jezgra lakša, to će se više energije osloboditi tijekom fuzije (kako kažu, fuzije), pa je najučinkovitiji način dobivanja energije nuklearne fuzije prisiliti jezgre najlakšeg elementa - vodika - i njegovih izotopa da se spoje..

Ručna zvijezda: solidni profesionalci

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

Prvo, kao gorivo mu služi obični vodik, čije će zalihe na Zemlji trajati mnogo tisuća godina. Čak i uzimajući u obzir činjenicu da za reakciju nije potreban najčešći izotop, deuterij, čaša vode dovoljna je za opskrbu malog grada strujom na tjedan dana. Drugo, za razliku od izgaranja ugljikovodika, reakcija nuklearne fuzije ne proizvodi otrovne proizvode - samo neutralni plin helij.

Prednosti fuzijske energije

Gotovo neograničene zalihe goriva. U fuzijskom reaktoru, izotopi vodika - deuterij i tricij - rade kao gorivo; možete koristiti i izotop helij-3. U morskoj vodi ima puno deuterija – može se dobiti konvencionalnom elektrolizom, a njegove rezerve u Svjetskom oceanu potrajat će oko 300 milijuna godina uz trenutnu potražnju čovječanstva za energijom.

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

Nema eksplozija. Za stvaranje i održavanje termonuklearne reakcije potrebno je puno energije. Čim prestane opskrba energijom, reakcija prestaje, a plazma zagrijana na stotine milijuna stupnjeva prestaje postojati. Stoga je fuzijski reaktor teže uključiti nego isključiti.

Niska radioaktivnost. Termonuklearna reakcija proizvodi tok neutrona koji se emitiraju iz magnetske zamke i talože se na stijenke vakuumske komore, čineći je radioaktivnom. Stvaranjem posebnog “pokriva” (pokriva) oko perimetra plazme, usporavajući neutrone, moguće je potpuno zaštititi prostor oko reaktora. Sama deka s vremenom neminovno postaje radioaktivna, ali ne zadugo. Ostavite da miruje 20-30 godina, opet možete dobiti materijal s prirodnim pozadinskim zračenjem.

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

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

Kako zapaliti "umjetno sunce", općenito, postalo je jasno već pedesetih godina prošlog stoljeća. S obje strane oceana izvedeni su proračuni koji su postavili glavne parametre kontrolirane reakcije nuklearne fuzije. To bi se trebalo odvijati na enormnoj temperaturi od stotina milijuna stupnjeva: u takvim uvjetima elektroni bivaju otrgnuti od svojih jezgri. Stoga se ova reakcija naziva i termonuklearna fuzija. Ogoljene jezgre, sudarajući se jedna s drugom vrtoglavom brzinom, prevladavaju Coulombovo odbijanje i spajaju se.

Problemi i rješenja

Entuzijazam prvih desetljeća zabio se u nevjerojatnu složenost zadatka. Pokazalo se da je pokretanje termonuklearne fuzije relativno jednostavno - ako se radi u obliku eksplozije. Pacifički atoli i sovjetska poligona u Semipalatinsku i Novoj Zemlji doživjeli su punu snagu termonuklearne reakcije već u prvom poslijeratnom desetljeću.

Ali korištenje ove snage, osim za uništavanje, mnogo je teže od detonacije termonuklearnog naboja. Za korištenje termonuklearne energije za proizvodnju električne energije, reakcija se mora provoditi na kontroliran način tako da se energija oslobađa u malim obrocima.

Kako to učiniti? Okolina u kojoj 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 pomoću električnih i magnetskih polja.

Stoga, u svom najopćenitijem obliku, termonuklearni reaktor je plazma ugrušak zarobljen u vodičima i magnetima. Oni sprječavaju bijeg plazme, a dok to čine, atomske jezgre se spajaju unutar plazme, uslijed čega se oslobađa energija. Ta energija se mora ukloniti iz reaktora, iskoristiti za zagrijavanje rashladne tekućine - i mora se dobiti električna energija.

Zamke i curenja

Pokazalo se da je plazma najkapricioznija tvar s kojom su se ljudi na Zemlji morali suočiti. Svaki put kada su znanstvenici pronašli način da blokiraju jednu vrstu curenja plazme, otkrivala bi se nova. Cijela druga polovica 20. stoljeća potrošena je na učenje da se plazma zadrži unutar reaktora neko značajno vrijeme. Taj se problem počeo javljati tek u naše dane, kada su se pojavila moćna računala koja su omogućila 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) s plazma zamkama iznutra i izvana. Ova konfiguracija imat će 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 Wendelsteina 7-X na Institutu za nuklearnu fiziku Max Planck u Njemačkoj), laserski inercijalne zamke, kao što je američki NIF. Dobivaju mnogo manje medijske pažnje od ITER-a, ali imaju i velika očekivanja.

Postoje znanstvenici koji smatraju da je dizajn stelaratora u osnovi uspješniji od tokamaka: jeftinije ga je izgraditi, a vrijeme zadržavanja plazme obećava mnogo više. Dobitak energije osigurava geometrija same zamke plazme, koja omogućuje da se riješimo parazitskih učinaka i curenja svojstvenih "krafni". Verzija s laserskom pumpom također ima svoje prednosti.

Vodikovo gorivo u njima se zagrijava na potrebnu temperaturu laserskim impulsima, a reakcija fuzije počinje gotovo trenutno. Plazma se u takvim instalacijama drži inercijom i nema vremena za raspršivanje - sve se događa tako brzo.

Cijeli svijet

Svi termonuklearni reaktori koji danas postoje u svijetu su eksperimentalni strojevi. Niti jedan od njih se ne koristi za proizvodnju električne energije. Nitko 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 usredotočila na gigantski projekt ITER. Ako se na ITER-u zadovolji Lawsonov kriterij, bit će moguće usavršiti tehnologiju i pokušati je prenijeti na komercijalne tračnice.

Nijedna zemlja na svijetu ne bi mogla sama izgraditi ITER. Potrebno je samo 100 tisuća km supravodljivih žica, a također i deseci supravodljivih magneta i divovski središnji solenoid za držanje plazme, sustav za stvaranje visokog vakuuma u prstenu, helijevi hladnjaci za magnete, kontrolere, elektroniku… projekt gradi 35 zemalja i više tisuća znanstvenih instituta i tvornica odjednom.

Rusija je jedna od glavnih zemalja koje sudjeluju u projektu; u Rusiji se projektira i gradi 25 tehnoloških sustava budućeg reaktora. Riječ je o supravodičima, sustavima za mjerenje parametara plazme, automatskim regulatorima i komponentama divertora, najtoplijem dijelu unutarnje stijenke tokamaka.

Nakon lansiranja ITER-a, ruski znanstvenici će imati pristup svim njegovim eksperimentalnim podacima. Međutim, odjek ITER-a neće se osjetiti samo u znanosti: sada su se u nekim regijama pojavili proizvodni pogoni, kojih u Rusiji prije nije bilo. Primjerice, prije početka projekta kod nas nije bilo industrijske proizvodnje supravodljivih materijala, a u cijelom svijetu se proizvodilo samo 15 tona godišnje. Sada je samo u Čepetskom mehaničkom pogonu državne korporacije "Rosatom" moguće proizvesti 60 tona godišnje.

Budućnost energetike i dalje

Prva plazma na ITER-u planira se primiti 2025. godine. Cijeli svijet čeka ovaj događaj. Ali jedan, čak i najmoćniji stroj nije sve. U cijelom svijetu i u Rusiji nastavljaju graditi nove termonuklearne reaktore, koji će pomoći da se konačno razumije ponašanje plazme i pronađe najbolji način za njezino korištenje.

Već krajem 2020. Institut Kurchatov lansirat će 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 bit će iskorišteni za pokretanje fisije teških jezgri - urana i torija. U budućnosti se takvi hibridni strojevi mogu koristiti za proizvodnju goriva za konvencionalne nuklearne reaktore – i toplinskih i brzih neutrona.

Torijevo spasenje

Posebno je primamljiva perspektiva korištenja termonuklearne "jezgre" kao izvora neutrona za pokretanje raspada u jezgri torija. Na planetu ima više torija nego urana, a njegovo korištenje kao nuklearno gorivo rješava nekoliko problema moderne nuklearne energije odjednom.

Stoga se proizvodi raspada torija ne mogu koristiti za proizvodnju vojnih radioaktivnih materijala. Mogućnost takvog korištenja služi kao politički čimbenik koji male zemlje sprječava u razvoju vlastite nuklearne energije. Gorivo s torijem rješava ovaj problem jednom zauvijek.

Zamke plazme mogu biti korisne ne samo u energetici, već iu drugim miroljubivim industrijama – čak iu svemiru. Sada Rosatom i Institut Kurchatov rade na komponentama za plazma raketni motor bez elektroda za svemirske letjelice i sustave za plazma modifikaciju materijala. Rusko sudjelovanje u projektu ITER potiče industriju, što dovodi do stvaranja novih industrija koje već čine osnovu za nova ruska razvoja.