Neseniai Maskvos fizikos ir technologijos institute vyko Rusijos pristatymas apie ITER projektą, kurio metu planuojama sukurti termobranduolinį reaktorių, veikiantį tokamako principu. Grupė mokslininkų iš Rusijos kalbėjo apie tarptautinį projektą ir Rusijos fizikų dalyvavimą kuriant šį objektą. Lenta.ru dalyvavo ITER pristatyme ir kalbėjosi su vienu iš projekto dalyvių.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor – International Thermonuclear Experimental Reactor) yra termobranduolinio reaktoriaus projektas, leidžiantis demonstruoti ir ištirti termobranduolines technologijas tolesnis naudojimas taikiems ir komerciniams tikslams. Projekto sumanytojai mano, kad valdoma termobranduolinė sintezė gali tapti ateities energija ir pasitarnauti kaip alternatyva šiuolaikinėms dujoms, naftai ir anglims. Tyrėjai atkreipia dėmesį į ITER technologijos saugumą, ekologiškumą ir prieinamumą, palyginti su įprastine energija. Projekto sudėtingumas yra panašus į Didįjį hadronų greitintuvą; reaktoriaus įrengimas apima daugiau nei dešimt mln konstrukciniai elementai.

Apie ITER

Tokamako toroidiniams magnetams reikia 80 tūkstančių kilometrų superlaidžių gijų; bendras jų svoris siekia 400 tonų. Pats reaktorius svers apie 23 tūkst. Palyginimui, Paryžiaus Eifelio bokšto svoris siekia tik 7,3 tūkst. Plazmos tūris tokamake sieks 840 kubiniai metrai, tuo tarpu, pavyzdžiui, didžiausiame JK veikiančiame tokio tipo reaktoriuje – JET – tūris siekia šimtą kubinių metrų.

Tokamako aukštis sieks 73 metrus, iš kurių 60 metrų bus virš žemės ir 13 metrų žemiau. Palyginimui, Maskvos Kremliaus Spasskaya bokšto aukštis yra 71 metras. Pagrindinė reaktoriaus platforma užims 42 hektarų plotą, o tai prilygsta 60 futbolo aikštynų. Temperatūra tokamako plazmoje sieks 150 milijonų laipsnių Celsijaus, o tai dešimt kartų viršija temperatūrą Saulės centre.

Į ITER statybą 2010 m. antrąjį pusmetį planuojama vienu metu įtraukti iki penkių tūkstančių žmonių – tai bus ir darbininkai, ir inžinieriai, ir administracinis personalas. Daugelis ITER komponentų bus gabenami iš netoli Viduržemio jūros esančio uosto specialiai nutiestu maždaug 104 kilometrų ilgio keliu. Visų pirma juo bus gabenamas sunkiausias instaliacijos fragmentas, kurio masė sieks daugiau nei 900 tonų, o ilgis – apie dešimt metrų. Iš ITER įrenginio statybvietės bus pašalinta daugiau nei 2,5 mln. kubinių metrų žemės.

Bendros išlaidos projektavimui ir statybos darbai vertinama 13 milijardų eurų. Šias lėšas skiria septyni pagrindiniai projekto dalyviai, atstovaujantys 35 šalių interesams. Palyginimui, bendros Didžiojo hadronų greitintuvo statybos ir priežiūros sąnaudos yra beveik perpus mažesnės, o Tarptautinio greitintuvo statyba ir priežiūra kosminė stotis kainuoja beveik pusantro karto daugiau.

Tokamakas

Šiandien pasaulyje yra du perspektyvūs termobranduolinių reaktorių projektai: tokamakas ( Tai roidinis ka matuoti su mama supuvęs Į atushki) ir stelaratorius. Abiejuose įrenginiuose plazmą laiko magnetinis laukas, tačiau tokamake ji yra toroidinio laido pavidalo, per kurį elektros, o stellaratoriuje magnetinį lauką sukelia išorinės ritės. Termobranduoliniuose reaktoriuose vyksta sunkiųjų elementų iš lengvųjų (helio iš vandenilio izotopų - deuterio ir tričio) sintezės reakcijos, priešingai nei įprastuose reaktoriuose, kuriuose pradedami sunkiųjų branduolių skilimo į lengvesnius procesai.

Nuotrauka: Nacionalinis tyrimų centras „Kurchatovo institutas“ / nrcki.ru

Elektros srovė tokamake taip pat naudojama iš pradžių plazmai pašildyti iki maždaug 30 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūros; tolesnis šildymas atliekamas specialiais prietaisais.

Teorinį tokamako projektą 1951 metais pasiūlė sovietų fizikai Andrejus Sacharovas ir Igoris Tammas, o pirmoji instaliacija SSRS buvo pastatyta 1954 metais. Tačiau mokslininkams nepavyko ilgą laiką išlaikyti pastovios plazmos būsenos, o septintojo dešimtmečio viduryje pasaulis buvo įsitikinęs, kad kontroliuojama termobranduolinė sintezė tokamako pagrindu yra neįmanoma.

Tačiau vos po trejų metų Kurchatovo atominės energijos instituto T-3 instaliacijoje, vadovaujant Levui Artsimovičiui, buvo galima pašildyti plazmą iki daugiau nei penkių milijonų laipsnių Celsijaus temperatūros ir trumpam palaikyti. laikas; Eksperimente dalyvavę Didžiosios Britanijos mokslininkai savo įrangoje užfiksavo apie dešimties milijonų laipsnių temperatūrą. Po to pasaulyje prasidėjo tikras tokamako bumas, todėl pasaulyje buvo pastatyta apie 300 įrenginių, iš kurių didžiausi yra Europoje, Japonijoje, JAV ir Rusijoje.

Vaizdas: Rfassbind/ wikipedia.org

ITER valdymas

Koks yra pasitikėjimo, kad ITER veiks po 5–10 metų, pagrindas? Apie kokius praktinius ir teorinius pokyčius?

Iš Rusijos pusės vykdome nurodytą darbo grafiką ir nesiruošiame jo pažeisti. Deja, matome kai kuriuos vėlavimus, kai kiti atlieka darbus, daugiausia Europoje; Amerikoje iš dalies vėluojama ir pastebima tendencija, kad projektas kiek vėluos. Sulaikytas, bet nesustabdytas. Yra tikėjimas, kad pavyks. Pati projekto koncepcija yra visiškai teorinė ir praktiškai apskaičiuota bei patikima, todėl manau, kad ji pasiteisins. Ar pilnai duos deklaruotus rezultatus... palauksime ir pažiūrėsim.

Ar projektas yra daugiau tyrimų projektas?

Žinoma. Nurodytas rezultatas nėra gautas rezultatas. Jeigu gausiu pilnai, būsiu be galo laimingas.

Kokios naujos technologijos atsirado, atsiranda ar atsiras ITER projekte?

ITER projektas yra ne tik itin sudėtingas, bet ir itin įtemptas projektas. Įtemptas dėl energijos apkrovos, tam tikrų elementų veikimo sąlygų, įskaitant mūsų sistemas. Todėl šiame projekte tiesiog turi gimti naujos technologijos.

Ar yra pavyzdys?

Erdvė. Pavyzdžiui, mūsų deimantų detektoriai. Aptarėme galimybę naudoti mūsų deimantinius detektorius kosminiuose sunkvežimiuose, kurie yra branduolinės transporto priemonės, gabenančios tam tikrus objektus, pavyzdžiui, palydovus ar stotis iš orbitos į orbitą. Yra toks kosminio sunkvežimio projektas. Kadangi tai yra įrenginys su branduoliniu reaktoriumi, sudėtingos darbo sąlygos reikalauja analizės ir kontrolės, todėl mūsų detektoriai gali lengvai tai padaryti. Šiuo metu tokios diagnostikos kūrimo tema dar nefinansuojama. Jei jis bus sukurtas, jis gali būti pritaikytas, o tada nereikės į jį investuoti pinigų kūrimo stadijoje, o tik kūrimo ir įgyvendinimo etape.

Kokia yra XX amžiaus ir 9 dešimtmečio šiuolaikinės Rusijos raidos dalis, palyginti su sovietų ir Vakarų raida?

Rusijos mokslinio indėlio į ITER dalis, palyginti su pasauliniu, yra labai didelė. Tiksliai nežinau, bet tai labai reikšminga. Akivaizdu, kad tai ne mažesnis nei Rusijos finansinio dalyvavimo projekte procentas, nes tai turi daugelis kitų komandų didelis skaičius Rusų, išvykusių į užsienį dirbti į kitus institutus. Japonijoje ir Amerikoje visur labai gerai su jais bendraujame ir dirbame, vieni atstovauja Europai, kiti – Amerikai. Be to, ten veikia ir mokslinės mokyklos. Todėl apie tai, ar mes plėtojame daugiau ar daugiau to, ką darėme anksčiau... Vienas iš didžiūnų sakė, kad „stovime ant titanų pečių“, todėl sovietiniais laikais sukurta bazė yra neabejotinai puiki ir be jos esame nieko, ko negalėtume. Bet ir šiuo metu nestovime vietoje, o judame.

Ką tiksliai jūsų grupė veikia ITER?

Skyriuje turiu sektorių. Skyriuje kuriamos kelios diagnostikos, mūsų sektoriuje specialiai kuriama vertikali neutronų kamera, ITER neutronų diagnostika ir sprendžiamos įvairios problemos nuo projektavimo iki gamybos, taip pat atliekami su tuo susiję moksliniai tyrimai, susiję su deimantų kūrimu. detektoriai. Deimantų detektorius yra unikalus įrenginys, iš pradžių sukurtas mūsų laboratorijoje. Anksčiau jis buvo naudojamas daugelyje termobranduolinių įrenginių, dabar jis gana plačiai naudojamas daugelyje laboratorijų nuo Amerikos iki Japonijos; jie, tarkime, mus sekė, bet mes ir toliau liekame viršuje. Dabar gaminame deimantų detektorius ir ketiname pasiekti pramoninės gamybos (smulkios gamybos) lygį.

Kokiose pramonės šakose galima naudoti šiuos detektorius?

IN tokiu atveju Tai termobranduoliniai tyrimai, ateityje manome, kad jie bus paklausūs branduolinėje energetikoje.

Ką tiksliai veikia detektoriai, ką jie matuoja?

Neutronai. Nėra vertingesnio produkto už neutroną. Jūs ir aš taip pat susidedame iš neutronų.

Kokias neutronų charakteristikas jie matuoja?

Spektrinė. Pirma, neatidėliotina užduotis, kuri išsprendžiama ITER, yra neutronų energijos spektrų matavimas. Be to, jie stebi neutronų skaičių ir energiją. Antra, papildoma užduotis yra susijusi su branduoline energija: turime lygiagrečią plėtrą, kuri taip pat gali išmatuoti šiluminius neutronus, kurie yra branduolinių reaktorių pagrindas. Mums tai antraeilis uždavinys, bet jis taip pat yra plėtojamas, tai yra, mes galime čia dirbti ir tuo pačiu daryti plėtrą, kurią galima gana sėkmingai pritaikyti branduolinėje energetikoje.

Kokius metodus taikote savo tyrime: teorinį, praktinį, kompiuterinį modeliavimą?

Visiems: nuo sudėtingos matematikos (matematinės fizikos metodai) ir matematinio modeliavimo iki eksperimentų. Visų labiausiai skirtingi tipai Mūsų atliekami skaičiavimai yra patvirtinti ir patikrinti eksperimentais, nes tiesiogiai turime eksperimentinę laboratoriją su keliais veikiančiais neutronų generatoriais, ant kurių testuojame mūsų pačių kuriamas sistemas.

Ar jūsų laboratorijoje yra veikiantis reaktorius?

Ne reaktorius, o neutronų generatorius. Neutronų generatorius iš tikrųjų yra miniatiūrinis termobranduolinių reakcijų modelis. Ten viskas taip pat, tik procesas ten šiek tiek skiriasi. Jis veikia akceleratoriaus principu – tai tam tikrų jonų pluoštas, kuris pataiko į taikinį. Tai yra, plazmos atveju turime karštą objektą, kuriame kiekvienas atomas turi didelę energiją, o mūsų atveju specialiai pagreitintas jonas patenka į taikinį, prisotintą panašių jonų. Atitinkamai įvyksta reakcija. Tarkime, tai yra vienas iš būdų, kaip galite atlikti tą pačią sintezės reakciją; vienintelis dalykas, kuris buvo įrodytas, yra tai šis metodas nėra didelio efektyvumo, tai yra, jūs negausite teigiamos energijos išvesties, bet jūs gaunate pačią reakciją - mes tiesiogiai stebime šią reakciją ir daleles bei viską, kas į ją patenka.

Kaip viskas prasidėjo? „Energijos iššūkis“ atsirado dėl šių trijų veiksnių derinio:

1. Žmonija dabar sunaudoja didžiulį kiekį energijos.

Šiuo metu pasaulyje sunaudojama apie 15,7 teravatų (TW). Padalijus šią vertę iš pasaulio gyventojų skaičiaus, gauname maždaug 2400 vatų vienam žmogui, kurį galima lengvai įvertinti ir vizualizuoti. Kiekvieno Žemės gyventojo (taip pat ir vaikų) suvartojama energija atitinka 24 šimto vatų elektros lempų veikimą visą parą. Tačiau šios energijos suvartojimas visoje planetoje yra labai netolygus, nes kai kuriose šalyse jis yra labai didelis, o kitose – nereikšmingas. Sąnaudos (skaičiuojant vienam asmeniui) yra 10,3 kW JAV (viena iš rekordinių verčių), 6,3 kW Rusijos Federacija, 5,1 kW JK ir t.t., bet, kita vertus, tai tik 0,21 kW Bangladeše (tik 2% JAV energijos suvartojimo!).

2. Pasaulio energijos suvartojimas smarkiai didėja.

Pagal Tarptautinės energetikos agentūros prognozę (2006 m.), pasaulinis energijos suvartojimas iki 2030 m. turėtų padidėti 50 proc. Išsivysčiusios šalysŽinoma, galėtų puikiai apsieiti ir be papildomos energijos, bet šis augimas būtinas norint išbristi iš skurdo besivystančios šalys, kur 1,5 milijardo žmonių patiria didelį elektros energijos trūkumą.

3. Šiuo metu 80 % pasaulio energijos gaunama deginant iškastinį kurą(nafta, anglis ir dujos), kurių naudojimas:

a) gali sukelti katastrofiškų aplinkos pokyčių pavojų;

b) kažkada neišvengiamai turi baigtis.

Iš to, kas pasakyta, aišku, kad dabar turime ruoštis iškastinio kuro naudojimo eros pabaigai

Šiuo metu įjungta atominės elektrinės dideliu mastu gauna energiją, išsiskiriančią dalijimosi reakcijų metu atomų branduoliai. Tokių stočių kūrimas ir plėtra turėtų būti skatinama visais įmanomais būdais, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad per artimiausius 50 metų gali būti visiškai išnaudotos ir vienos iš svarbiausių medžiagų jų veiklai (pigaus urano) atsargos. . Branduolio dalijimosi energijos galimybes galima (ir turėtų) gerokai išplėsti naudojant efektyvesnius energijos ciklus, leidžiančius pagaminamos energijos kiekį beveik padvigubinti. Norint plėtoti energiją šia kryptimi, reikia sukurti torio reaktorius (vadinamuosius torio reaktorius arba dauginamuosius reaktorius), kuriuose vykstant reakcijai susidaro daugiau torio nei pirminiame urane, dėl to bendras pagaminamos energijos kiekis. tam tikram medžiagos kiekiui padidėja 40 kartų. Taip pat atrodo perspektyvu sukurti plutonio augintojus naudojant greituosius neutronus, kurie yra daug efektyvesni nei urano reaktoriai ir gali pagaminti 60 kartų daugiau energijos. Norint vystyti šias sritis, gali prireikti kurti naujas. nestandartiniai metodai urano gavimas (pavyzdžiui, iš jūros vandens, kuris atrodo labiausiai prieinamas).

Sintezės jėgainės

Paveikslėlyje parodyta grandinės schema(neatsižvelgiant į mastelį) termobranduolinės elektrinės sandara ir veikimo principas. Centrinėje dalyje yra ~2000 m3 tūrio toroidinė (spurgos formos) kamera, užpildyta tričio-deuterio (T–D) plazma, įkaitinta iki aukštesnės nei 100 M°C temperatūros. Sintezės reakcijos metu susidarę neutronai (1) palieka „magnetinį butelį“ ir patenka į paveikslėlyje pavaizduotą apie 1 m storio apvalkalą.

Korpuso viduje neutronai susiduria su ličio atomais, todėl vyksta reakcija, kurios metu susidaro tritis:

neutronas + litis → helis + tritis

Be to, sistemoje vyksta konkuruojančios reakcijos (nesusidarant tričiui), taip pat daug reakcijų, kai išsiskiria papildomi neutronai, dėl kurių taip pat susidaro tritis (šiuo atveju gali atsirasti papildomų neutronų išsiskyrimo). žymiai sustiprintas, pavyzdžiui, į apvalkalą įvedant berilio atomus ir šviną). Bendra išvada yra tokia, kad šiame įrenginyje (bent jau teoriškai) gali vykti branduolių sintezės reakcija, kurios metu susidarytų tritis. Tokiu atveju gaminamas tričio kiekis turėtų ne tik patenkinti paties įrenginio poreikius, bet ir būti dar kiek didesnis, o tai leis naujus įrenginius aprūpinti tričiu. Būtent ši veikimo koncepcija turi būti išbandyta ir įdiegta toliau aprašytame ITER reaktoriuje.

Be to, neutronai turi įkaitinti apvalkalą vadinamuosiuose bandomuosiuose įrenginiuose (kuriuose bus naudojamos santykinai „įprastos“ statybinės medžiagos) iki maždaug 400 °C. Ateityje planuojama sukurti patobulintus įrenginius, kurių korpuso šildymo temperatūra viršytų 1000°C, o tai būtų galima pasiekti naudojant naujausias didelio stiprumo medžiagas (pavyzdžiui, silicio karbido kompozitus). Korpuse susidariusią šilumą, kaip ir įprastose stotyse, paima pirminis aušinimo kontūras su aušinimo skysčiu (kuriame yra, pavyzdžiui, vandens arba helio) ir perduodama antriniam kontūrui, kur gaminamas vandens garas ir tiekiamas į turbinas.

1985 – Sovietų Sąjunga pasiūlė naujos kartos Tokamako elektrinę, pasinaudodama keturių pirmaujančių šalių patirtimi kuriant branduolių sintezės reaktorius. Jungtinės Amerikos Valstijos kartu su Japonija ir Europos bendrija pateikė pasiūlymą dėl projekto įgyvendinimo.

Šiuo metu Prancūzijoje statomas toliau aprašytas tarptautinis eksperimentinis termobranduolinis reaktorius ITER (International Tokamak Experimental Reactor), kuris bus pirmasis tokamakas, galintis „uždegti“ plazmą.

Pažangiausi esami tokamako įrenginiai jau seniai pasiekė apie 150 M°C temperatūrą, artimą sintezės stočiai reikalingų verčių, tačiau ITER reaktorius turėtų būti pirmoji didelės apimties elektrinė, sukurta ilgą laiką. - terminuota operacija. Ateityje reikės žymiai pagerinti jo veikimo parametrus, todėl pirmiausia reikės padidinti slėgį plazmoje, nes branduolių sintezės greitis tam tikroje temperatūroje yra proporcingas slėgio kvadratui. Pagrindinė mokslinė problema šiuo atveju susijusi su tuo, kad padidėjus slėgiui plazmoje, atsiranda labai sudėtingi ir pavojingi nestabilumai, tai yra nestabilūs darbo režimai.

Kodėl mums to reikia?

Pagrindinis branduolių sintezės privalumas yra tas, kad jai reikia tik labai nedidelio kiekio medžiagų, kurios gamtoje yra labai paplitusios kaip kuras. Branduolinės sintezės reakcija aprašytuose įrenginiuose gali sukelti didžiulį energijos kiekį, dešimt milijonų kartų didesnį nei standartinis šilumos išsiskyrimas įprastu būdu. cheminės reakcijos(pavyzdžiui, deginant iškastinį kurą). Palyginimui nurodome, kad 1 gigavato (GW) šiluminės elektrinės energijai gaminti reikalingas anglies kiekis yra 10 000 tonų per dieną (dešimt geležinkelio vagonų), o tokios pat galios termobranduolinės sintezės jėgainė sunaudos tik apie 1 kilogramas D+T mišinio per dieną.

Deuteris yra stabilus vandenilio izotopas; Maždaug vienoje iš 3350 paprasto vandens molekulių vienas iš vandenilio atomų yra pakeistas deuteriu (Didžiojo sprogimo palikimas). Šis faktas leidžia lengvai organizuoti gana pigų kvitą reikalingas kiekis deuterio iš vandens. Sunkiau gauti tričio, kuris yra nestabilus (pusėjimo laikas yra apie 12 metų, todėl jo kiekis gamtoje yra nereikšmingas), tačiau, kaip parodyta aukščiau, tritis eksploatacijos metu atsiras tiesiai termobranduolinio įrenginio viduje, dėl neutronų reakcijos su ličiu.

Taigi pradinis branduolių sintezės reaktoriaus kuras yra litis ir vanduo. Litis yra paprastas metalas, plačiai naudojamas buitiniuose prietaisuose (baterijose, skirtose Mobilieji telefonai ir taip toliau.). Aukščiau aprašytas įrenginys, net ir įvertinus ne idealų efektyvumą, galės pagaminti 200 000 kWh elektros energijos, o tai prilygsta energijai, esančiai 70 tonų anglies. Tam reikalingas ličio kiekis yra vienoje kompiuterio baterijoje, o deuterio – 45 litrais vandens. Aukščiau pateikta vertė atitinka dabartinį elektros suvartojimą (skaičiuojant vienam asmeniui) ES šalyse per 30 metų. Pats faktas, kad toks nežymus ličio kiekis gali užtikrinti tokio kiekio elektros gamybą (be CO2 emisijų ir be menkiausios oro taršos), yra gana rimtas argumentas už sparčiausią ir energingiausią termobranduolinės energijos plėtrą (nepaisant visų sunkumų ir problemų) ir net šimtu procentų nepasitikėdami tokių tyrimų sėkme.

Deuterio turėtų užtekti milijonams metų, o lengvai išgaunamo ličio atsargų pakanka šimtų metų poreikiams patenkinti. Net jei uolienose baigiasi ličio kiekis, galime jį išgauti iš vandens, kur jo koncentracija yra pakankamai didelė (100 kartų didesnė už urano koncentraciją), kad jo išgavimas būtų ekonomiškai pagrįstas.

Netoli Kadarašo miesto Prancūzijoje statomas eksperimentinis termobranduolinis reaktorius (International thermonuclear experimental reactor). Pagrindinis ITER projekto tikslas – įgyvendinti kontroliuojamą termobranduolinės sintezės reakciją pramoniniu mastu.

Termobranduolinio kuro svorio vienetui gaunama apie 10 milijonų kartų daugiau energijos nei deginant tokį pat kiekį organinio kuro ir apie šimtą kartų daugiau nei skaldant urano branduolius šiuo metu veikiančių atominių elektrinių reaktoriuose. Jei mokslininkų ir dizainerių skaičiavimai išsipildys, tai suteiks žmonijai neišsenkamą energijos šaltinį.

Todėl nemažai šalių (Rusija, Indija, Kinija, Korėja, Kazachstanas, JAV, Kanada, Japonija, Europos Sąjungos šalys) suvienijo jėgas kurdamos Tarptautinį termobranduolinių tyrimų reaktorių – naujų elektrinių prototipą.

ITER yra įrenginys, sukuriantis sąlygas vandenilio ir tričio atomų (vandenilio izotopų) sintezei, todėl susidaro naujas atomas – helio atomas. Šį procesą lydi didžiulis energijos pliūpsnis: plazmos, kurioje vyksta termobranduolinė reakcija, temperatūra yra apie 150 milijonų laipsnių Celsijaus (palyginimui, Saulės šerdies temperatūra yra 40 milijonų laipsnių). Tokiu atveju izotopai išdega, todėl radioaktyviųjų atliekų praktiškai nelieka.

Dalyvavimo tarptautiniame projekte schemoje numatytas reaktoriaus komponentų tiekimas ir jo statybos finansavimas. Mainais už tai kiekviena dalyvaujanti šalis gauna visišką prieigą prie visų termobranduolinio reaktoriaus kūrimo technologijų ir visų eksperimentinių darbų, susijusių su šiuo reaktoriumi, rezultatais, kurie bus pagrindu kuriant serijinės galios termobranduolinius reaktorius.

Reaktorius, pagrįstas termobranduolinės sintezės principu, neturi radioaktyvios spinduliuotės ir yra visiškai saugus aplinką. Jis gali būti beveik bet kurioje pasaulio vietoje, o jo kuras yra grynas vanduo. Numatoma, kad ITER statybos truks apie dešimt metų, o po to reaktorius bus naudojamas 20 metų.

Rusijos interesams Tarptautinės ITER termobranduolinio reaktoriaus statybos organizacijos taryboje artimiausiais metais atstovaus Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Michailas Kovalčiukas - Kurchatovo instituto direktorius, Rusijos akademijos Kristalografijos institutas. Prezidento tarybos mokslo, technologijų ir švietimo klausimais mokslai ir mokslinis sekretorius. Kovalčiukas šiose pareigose laikinai pakeis akademiką Jevgenijų Velikhovą, kuris kitiems dvejiems metams buvo išrinktas ITER tarptautinės tarybos pirmininku ir neturi teisės derinti šių pareigų su dalyvaujančios šalies oficialaus atstovo pareigomis.

Bendra statybų kaina skaičiuojama 5 milijardais eurų, tiek pat reikės bandomajam reaktoriaus eksploatavimui. Indijos, Kinijos, Korėjos, Rusijos, JAV ir Japonijos akcijos sudaro apie 10 procentų visos vertės, 45 procentus – iš Europos Sąjungos šalių. Tačiau Europos valstybės dar nesusitarė, kaip tiksliai bus paskirstytos išlaidos. Dėl šios priežasties statybų pradžia buvo nukelta į 2010 m. balandžio mėn. Nepaisant paskutinio vėlavimo, su ITER susiję mokslininkai ir pareigūnai teigia, kad projektą galės užbaigti iki 2018 m.

Numatoma ITER termobranduolinė galia yra 500 megavatų. Atskiros dalys magnetai pasiekia 200–450 tonų svorį. ITER vėsinimui per dieną reikės 33 tūkst. kubinių metrų vandens.

1998 metais JAV nustojo finansuoti savo dalyvavimą projekte. Respublikonams atėjus į valdžią ir Kalifornijoje prasidėjus elektros energijos tiekimui, Busho administracija paskelbė apie didinančias investicijas į energetiką. JAV neketino dalyvauti tarptautiniame projekte ir užsiėmė savo termobranduoliniu projektu. 2002 m. pradžioje prezidento Bušo patarėjas technologijų klausimais Johnas Marburgeris III pasakė, kad Jungtinės Valstijos persigalvojo ir ketina grįžti prie projekto.

Dalyvių skaičiumi projektas yra panašus į kitą didelį tarptautinį projektą mokslinis projektas- Tarptautinė kosminė stotis. ITER kaina, kuri anksčiau siekė 8 milijardus dolerių, tada siekė mažiau nei 4 mlrd. JAV pasitraukus iš dalyvavimo, buvo nuspręsta reaktoriaus galią sumažinti nuo 1,5 GW iki 500 MW. Atitinkamai sumažėjo ir projekto kaina.

2002 m. birželį Rusijos sostinėje vyko simpoziumas „ITER Days in Moscow“. Jame buvo aptariamos teorinės, praktinės ir organizacinės projekto atgaivinimo problemos, kurių sėkmė gali pakeisti žmonijos likimą ir suteikti jai naujos rūšies energijos, efektyvumu ir ekonomiškumu prilygstančią tik Saulės energijai.

2010 m. liepos mėn. ITER tarptautinio termobranduolinio reaktoriaus projekte dalyvaujančių šalių atstovai neeiliniame posėdyje, vykusiame Kadaraše (Prancūzija), patvirtino jo biudžetą ir statybos grafiką. Susitikimo ataskaitą rasite čia.

Paskutiniame neeiliniame posėdyje projekto dalyviai patvirtino pirmųjų eksperimentų su plazma pradžios datą – 2019 m. Visi eksperimentai planuojami 2027 m. kovo mėnesį, nors projekto vadovybė paprašė techninių specialistų pabandyti optimizuoti procesą ir pradėti eksperimentus 2026 m. Susitikimo dalyviai sprendė ir dėl reaktoriaus statybos sąnaudų, tačiau sumos, kurias planuojama išleisti įrenginiui sukurti, neatskleidžiamos. Remiantis informacija, kurią portalo ScienceNOW redaktorius gavo iš neįvardijamo šaltinio, iki eksperimentų pradžios ITER projekto kaina gali siekti 16 milijardų eurų.

Susitikimas Kadaraše taip pat buvo pirmoji oficiali naujojo projekto direktoriaus, japonų fiziko Osamu Motojimos darbo diena. Prieš jį projektui nuo 2005 metų vadovavo japonas Kaname Ikeda, kuris panoro palikti savo postą iš karto po to, kai buvo patvirtintas biudžetas ir statybos terminai.

ITER termobranduolinis reaktorius yra bendras Europos Sąjungos, Šveicarijos, Japonijos, JAV, Rusijos, Pietų Korėja, Kinija ir Indija. ITER kūrimo idėja buvo svarstoma dar praėjusio amžiaus 80-aisiais, tačiau dėl finansinių ir techninių sunkumų projekto kaina nuolat auga, o statybų pradžios data vis atidedama. 2009 metais ekspertai tikėjosi, kad reaktoriaus kūrimo darbai prasidės 2010 metais. Vėliau ši data buvo perkelta ir iš pradžių 2018-ieji, o vėliau 2019-ieji buvo įvardinti kaip reaktoriaus paleidimo laikas.

Termobranduolinės sintezės reakcijos – tai lengvųjų izotopų branduolių susiliejimo reakcijos į sunkesnį branduolį, kurią lydi didžiulis energijos išsiskyrimas. Teoriškai branduolių sintezės reaktoriai gali pagaminti daug energijos už mažą kainą, tačiau šiuo metu mokslininkai išleidžia daug daugiau energijos ir pinigų sintezės reakcijai pradėti ir palaikyti.

Fusion yra pigus ir nekenksmingas aplinkai saugus būdas energijos gamyba. Nekontroliuojama termobranduolinė sintezė Saulėje vyksta jau milijardus metų – helis susidaro iš sunkaus vandenilio izotopo deuterio. Taip išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Tačiau žmonės Žemėje dar neišmoko valdyti tokių reakcijų.

ITER reaktoriuje kaip kuras bus naudojami vandenilio izotopai. Termobranduolinės reakcijos metu energija išsiskiria, kai lengvieji atomai susijungia į sunkesnius. Kad tai būtų pasiekta, dujos turi būti įkaitintos iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių temperatūros – daug aukštesnės nei temperatūra Saulės centre. Dujos šioje temperatūroje virsta plazma. Tuo pačiu metu vandenilio izotopų atomai susilieja, virsdami helio atomais, išskirdami daug neutronų. Tokiu principu veikianti jėgainė naudos tankios medžiagos (ličio) sluoksnio sulėtintą neutronų energiją.

Kodėl termobranduolinių įrenginių kūrimas užtruko taip ilgai?

Kodėl tokios svarbios ir vertingos instaliacijos, apie kurių naudą kalbama beveik pusę amžiaus, dar nesukurtos? Yra trys pagrindinės priežastys (aptartos toliau), iš kurių pirmoji gali būti vadinama išorine arba socialine, o kitos dvi – vidinės, tai yra nulemtos pačios termobranduolinės energijos vystymosi dėsnių ir sąlygų.

1. Ilgą laiką buvo manoma, kad praktinio termobranduolinės sintezės energijos panaudojimo problema nereikalauja skubių sprendimų ir veiksmų, nes dar praėjusio amžiaus 80-aisiais iškastinio kuro šaltiniai atrodė neišsenkantys, o aplinkos problemos ir klimato kaita – tai. nerūpi visuomenei. 1976 m. JAV Energetikos departamento Branduolinės sintezės energijos patariamasis komitetas bandė įvertinti mokslinių tyrimų ir plėtros bei demonstracinės branduolių sintezės elektrinės laiką pagal įvairias mokslinių tyrimų finansavimo galimybes. Kartu buvo nustatyta, kad metinis finansavimas šios krypties tyrimams yra visiškai nepakankamas, o jei bus išlaikytas esamas asignavimų lygis, termobranduolinių įrenginių kūrimas niekada nebus sėkmingas, nes skirtos lėšos neatitinka net iki minimalaus, kritinio lygio.

2. Rimtesnė kliūtis plėtoti šios srities tyrimus yra ta, kad aptariamo tipo termobranduolinis įrenginys negali būti sukurtas ir demonstruojamas nedideliu mastu. Iš toliau pateiktų paaiškinimų paaiškės, kad termobranduolinės sintezės metu reikia ne tik magnetinio plazmos uždarymo, bet ir pakankamo jos kaitinimo. Išnaudotos ir gaunamos energijos santykis didėja bent jau proporcingai įrenginio linijinių matmenų kvadratui, dėl to termobranduolinių įrenginių mokslines ir technines galimybes bei pranašumus galima išbandyti ir įrodyti tik gana didelėse stotyse, pvz. kaip minėtas ITER reaktorius. Visuomenė tiesiog nebuvo pasirengusi finansuoti tokių didelių projektų, kol nebuvo pakankamai pasitikėjimo sėkme.

3. Termobranduolinės energijos plėtra buvo labai sudėtingas pobūdis Tačiau (nepaisant nepakankamo finansavimo ir sunkumų atrenkant centrus JET ir ITER įrenginiams sukurti), pastaraisiais metais buvo pastebėta aiški pažanga, nors veikiančios stoties dar nebuvo sukurta.

Šiuolaikinis pasaulis susiduria su labai rimtu energetikos iššūkiu, kurį tiksliau galima pavadinti „neaiškia energijos krize“. Problema susijusi su tuo, kad iškastinio kuro atsargos gali baigtis antroje šio amžiaus pusėje. Be to, deginant iškastinį kurą gali tekti kažkaip sekvestruoti ir „sandėliuoti“ į atmosferą išleistą anglies dioksidą (aukščiau minėta CCS programa), kad būtų išvengta didelių planetos klimato pokyčių.

Šiuo metu beveik visa žmonijos suvartojama energija sukuriama deginant iškastinį kurą, o problemos sprendimas gali būti siejamas su saulės energija arba branduolinė energija (greitųjų neutronų dauginimo reaktorių sukūrimas ir kt.). Globali problema, kurią skatina augantis besivystančių šalių gyventojų skaičius ir jų poreikis gerinti gyvenimo lygį bei padidinti gaminamos energijos kiekį, negali būti išspręstas remiantis tik svarstomais metodais, nors, žinoma, bet kokie bandymai sukurti alternatyvius energijos gamybos būdus. turėtų būti skatinamas.

Griežtai kalbant, turime nedidelį elgesio strategijų pasirinkimą, o termobranduolinės energijos plėtra yra nepaprastai svarbi, net nepaisant sėkmės garantijos stokos. „Financial Times“ laikraštis (2004 m. sausio 25 d.) rašė apie tai:

„Net jei ITER projekto sąnaudos gerokai viršys pradinę sąmatą, mažai tikėtina, kad jos pasieks 1 mlrd. USD per metus lygį. Toks išlaidų lygis turėtų būti laikomas labai kuklia kaina už labai pagrįstą galimybę sukurti naują energijos šaltinį visai žmonijai, ypač atsižvelgiant į tai, kad jau šiame amžiuje neišvengiamai turėsime atsisakyti įpročio švaistyti. ir beatodairiškas iškastinio kuro deginimas“.

Tikėkimės, kad termobranduolinės energetikos plėtros kelyje didelių ir netikėtų netikėtumų nebus. Tokiu atveju maždaug po 30 metų pirmą kartą iš jo galėsime tiekti elektros srovę į energetikos tinklus, o dar po 10 s mažų metų Pradės veikti pirmoji komercinė sintezės jėgainė. Gali būti, kad antroje šio amžiaus pusėje branduolinės sintezės energija pradės keisti iškastinį kurą ir pamažu pradės vaidinti vis svarbesnį vaidmenį aprūpinant žmoniją energija pasauliniu mastu.

Nėra absoliučios garantijos, kad termobranduolinės energijos (kaip veiksmingo ir didelio masto energijos šaltinio visai žmonijai) kūrimo užduotis bus sėkmingai atlikta, tačiau sėkmės tikimybė šia kryptimi yra gana didelė. Atsižvelgiant į didžiulį termobranduolinių stočių potencialą, visos sąnaudos projektams, skirtoms jų sparčiai (ir netgi paspartintai) plėtrai, gali būti laikomos pagrįstomis, juolab kad šios investicijos atrodo labai kuklios milžiniškos pasaulinės energijos rinkos fone (4 trilijonai USD per metus8). Žmonijos energijos poreikių tenkinimas yra labai rimta problema. Kadangi iškastinio kuro prieinamumas tampa vis mažiau prieinamas (ir jo naudojimas tampa nepageidautinas), situacija keičiasi, ir mes tiesiog negalime sau leisti nevystyti sintezės energijos.

Į klausimą „Kada atsiras termobranduolinė energija? Levas Artsimovičius (pripažintas šios srities tyrimų pradininkas ir lyderis) kartą atsakė, kad „jis bus sukurtas tada, kai tai taps tikrai reikalinga žmonijai“.

ITER bus pirmasis branduolių sintezės reaktorius, kuris pagamins daugiau energijos nei sunaudoja. Mokslininkai išmatuoja šią charakteristiką naudodami paprastą koeficientą, kurį jie vadina „Q“. Jei ITER pasieks visus savo mokslinius tikslus, jis pagamins 10 kartų daugiau energijos nei suvartoja. Paskutinis pastatytas prietaisas, Jungtinės Europos Torus Anglijoje, yra mažesnis prototipas branduolių sintezės reaktorius, kuris paskutiniame mokslinių tyrimų etape pasiekė Q reikšmę beveik 1. Tai reiškia, kad jis pagamino lygiai tiek pat energijos, kiek sunaudojo. . ITER bus daugiau nei tai, pademonstruodamas energijos kūrimą sintezės būdu ir pasiekęs 10 Q vertę. Idėja yra pagaminti 500 MW sunaudojant maždaug 50 MW energijos. Taigi vienas iš mokslinių ITER tikslų yra įrodyti, kad galima pasiekti Q reikšmę 10.

Kitas mokslinis tikslas yra tai, kad ITER turėtų labai ilgą „degimo“ laiką – pailgintos trukmės impulsą iki vienos valandos. ITER yra eksperimentinis mokslinių tyrimų reaktorius, kuris negali nuolat gaminti energijos. Kai ITER pradės veikti, jis veiks vieną valandą, po to jį reikės išjungti. Tai svarbu, nes tai, ką sukūrėme iki šiol tipiniai įrenginiai galėjo degti kelias sekundes ar net dešimtąsias sekundės dalis – tai maksimalus. „Joint European Torus“ pasiekė savo Q reikšmę 1, degimo trukmei maždaug dvi sekundės, o impulso trukmė – 20 sekundžių. Tačiau kelias sekundes trunkantis procesas tikrai nėra nuolatinis. Pagal analogiją su automobilio variklio užvedimu: trumpam užvesti variklį, o paskui jį išjungti, dar nėra tikras automobilio veikimas. Tik pusvalandį pavažinėjus savo automobiliu, jis pasieks pastovų darbo režimą ir pademonstruos, kad tokį automobilį tikrai galima vairuoti.

Tai reiškia, kad techniniu ir moksliniu požiūriu ITER užtikrins Q reikšmę 10 ir padidins degimo laiką.

Termobranduolinės sintezės programa yra tikrai tarptautinė ir plataus pobūdžio. Žmonės jau tikisi ITER sėkmės ir galvoja apie kitą žingsnį – sukurti pramoninio termobranduolinio reaktoriaus prototipą, pavadintą DEMO. Norint jį sukurti, ITER turi veikti. Turime pasiekti savo mokslinius tikslus, nes tai reikš, kad mūsų pateiktos idėjos yra visiškai įgyvendinamos. Tačiau sutinku, kad visada reikia galvoti apie tai, kas bus toliau. Be to, ITER veikiant 25–30 metų, mūsų žinios palaipsniui gilės ir plėsis ir galėsime tiksliau nubrėžti kitą žingsnį.

Iš tiesų, nėra diskusijų, ar ITER turėtų būti tokamakas. Kai kurie mokslininkai klausimą kelia visai kitaip: ar ITER turėtų egzistuoti? Specialistai į skirtingos salys, plėtojantys savo, ne tokio didelio masto termobranduolinius projektus, teigia, kad tokio didelio reaktoriaus apskritai nereikia.

Tačiau jų nuomonė vargu ar turėtų būti laikoma autoritetinga. Kuriant ITER dalyvavo fizikai, kelis dešimtmečius dirbantys su toroidiniais spąstais. Eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus Karadaše konstrukcija buvo pagrįsta visomis žiniomis, įgytomis eksperimentuojant su dešimtimis pirmtakų tokamakų. Ir šie rezultatai rodo, kad reaktorius turi būti tokamakas ir tuo pačiu didelis.

JET Šiuo metu sėkmingiausiu tokamaku galima laikyti JET, kurį ES pastatė Didžiosios Britanijos Abingdono mieste. Tai didžiausias iki šiol sukurtas tokamako tipo reaktorius, kurio didelis plazminio toro spindulys siekia 2,96 metro. Termobranduolinės reakcijos galia jau pasiekė daugiau nei 20 megavatų, o sulaikymo laikas yra iki 10 sekundžių. Reaktorius grąžina apie 40% energijos, įdėtos į plazmą.

Būtent plazmos fizika lemia energijos balansą“, – Infox.ru sakė Igoris Semenovas. Kas yra energijos balansas, apibūdino MIPT docentas paprastas pavyzdys: „Visi matėme degančią ugnį. Tiesą sakant, ten dega ne mediena, o dujos. Energijos grandinė ten tokia: dega dujos, malkos įkaista, mediena išgaruoja, dujos vėl dega. Todėl, jei mes įmesime vandenį į ugnį, mes staiga paimsime energiją iš sistemos skysto vandens faziniam perėjimui į garų būseną. Likutis taps neigiamas ir ugnis užges. Yra ir kitas būdas – galime tiesiog paimti ugnies ženklus ir paskleisti juos erdvėje. Ugnis taip pat užges. Tas pats yra termobranduoliniame reaktoriuje, kurį statome. Matmenys parenkami taip, kad būtų sukurtas tinkamas teigiamas šio reaktoriaus energijos balansas. Pakanka ateityje pastatyti tikrą atominę elektrinę, šiame eksperimentiniame etape išsprendžiant visas šiuo metu neišspręstas problemas.

Vieną kartą buvo pakeisti reaktoriaus matmenys. Tai atsitiko XX–XXI amžių sandūroje, kai JAV pasitraukė iš projekto, o likę nariai suprato, kad ITER biudžetas (tuo metu buvo įvertintas 10 mlrd. JAV dolerių) yra per didelis. Fizikai ir inžinieriai turėjo sumažinti įrengimo išlaidas. Ir tai buvo galima padaryti tik dėl dydžio. ITER „perprojektavimui“ vadovavo prancūzų fizikas Robertas Aymaras, anksčiau dirbęs prie prancūziško Tore Supra tokamako Karadaše. Išorinis plazminio toro spindulys sumažintas nuo 8,2 iki 6,3 metro. Tačiau riziką, susijusią su dydžio sumažėjimu, iš dalies kompensavo keli papildomi superlaidūs magnetai, kurie leido įgyvendinti tuo metu atvirą ir ištirtą plazmos uždarymo režimą.

Sintezės jėgainė.

Šiuo metu mokslininkai kuria termobranduolinę elektrinę, kurios privalumas – aprūpinti žmoniją elektra neribotą laiką. Termobranduolinė elektrinė veikia termobranduolinės sintezės pagrindu – sunkiųjų vandenilio izotopų sintezės reakcija su helio susidarymu ir energijos išsiskyrimu. Termobranduolinės sintezės reakcijos metu nesusidaro dujinės ar skystos radioaktyviosios atliekos ir negaminamas plutonis, kuris naudojamas gamybai atominiai ginklai. Jei dar atsižvelgsime į tai, kad termobranduolinių stočių kuras bus sunkusis vandenilio izotopas deuteris, gaunamas iš paprasto vandens – pusėje litro vandens yra sintezės energija, lygiavertė tai, kuri gaunama sudeginant benzino statinę – tai privalumai: išryškėja termobranduolinėmis reakcijomis pagrįstos elektrinės .

Termobranduolinės reakcijos metu energija išsiskiria, kai susijungia lengvieji atomai ir virsta sunkesniais. Norint tai pasiekti, būtina pašildyti dujas iki daugiau nei 100 milijonų laipsnių temperatūros – daug aukštesnės nei Saulės centro temperatūra.

Dujos šioje temperatūroje virsta plazma. Tuo pačiu metu vandenilio izotopų atomai susilieja, virsdami helio atomais ir neutronais ir išskirdami daug energijos. Šiuo principu veikiančioje komercinėje elektrinėje būtų naudojama tankios medžiagos (ličio) sluoksniu moderuojama neutronų energija.

Palyginti su branduoline elektrine, branduolių sintezės reaktorius paliks daug mažiau radioaktyvių atliekų.

Tarptautinis termobranduolinis reaktorius ITER

Tarptautinio konsorciumo, kuriančio pirmąjį pasaulyje termobranduolinį reaktorių ITER, dalyviai Briuselyje pasirašė susitarimą, kuriuo pradedamas praktinis projekto įgyvendinimas.

Europos Sąjungos, JAV, Japonijos, Kinijos, Pietų Korėjos ir Rusijos atstovai eksperimentinį reaktorių ketina pradėti statyti 2007 metais ir užbaigti per aštuonerius metus. Jei viskas klostysis pagal planą, iki 2040 metų galėtų būti pastatyta nauju principu veikianti parodomoji jėgainė.

Norėtųsi tikėti, kad aplinkai pavojingų hidroelektrinių ir atominių elektrinių era greitai baigsis ir ateis laikas naujai elektrinei – termobranduolinei, kurios projektas jau įgyvendinamas. Tačiau nepaisant to, kad ITER (Tarptautinis termobranduolinis reaktorius) projektas yra beveik paruoštas; Nepaisant to, kad jau prie pirmųjų veikiančių eksperimentinių termobranduolinių reaktorių buvo gauta galia viršija 10 MW – pirmųjų atominių elektrinių lygis, pirmoji termobranduolinė elektrinė pradės veikti ne anksčiau kaip po dvidešimties metų, nes jos savikaina yra labai didelė. . Darbų kaina vertinama 10 milijardų eurų – tai brangiausias tarptautinės elektrinės projektas. Pusę reaktoriaus statybos išlaidų padengia Europos Sąjunga. Kiti konsorciumo dalyviai skirs 10% sąmatos.

Dabar brangiausiu visų laikų bendru moksliniu projektu tapsiančio reaktoriaus statybos planą turi patvirtinti konsorciumo šalių parlamentarai.

Reaktorius bus statomas pietinėje dalyje Prancūzijos provincija Provansas, netoli Kadarašo miesto, kuriame įsikūręs Prancūzijos branduolinių tyrimų centras.

sintezės reaktorius

sintezės reaktorius

Šiuo metu kuriama. (80s) prietaisas energijai gauti per šviesos sintezės reakcijas. branduoliai, atsirandantys labai aukštoje temperatūroje (=108 K). Pagrindinis Reikalavimas, kurį turi tenkinti termobranduolinės reakcijos, yra tas, kad termobranduolinių reakcijų metu išsiskirianti energija daugiau nei kompensuotų energijos sąnaudas iš išorės šaltinių. šaltiniai reakcijai palaikyti.

Yra dviejų tipų T. r. Pirmasis tipas apima TR, į Krymą būtina iš išorės. šaltiniai tik termobranduolinės sintezės uždegimui. reakcijos. Tolesnes reakcijas palaiko sintezės metu plazmoje išsiskirianti energija. reakcijos; pavyzdžiui, deuterio-tričio mišinyje reakcijų metu susidariusių a-dalelių energija sunaudojama aukštai plazmos temperatūrai palaikyti. Stacionariu darbo režimu T.r. a-dalelių nešama energija kompensuoja energiją. plazmos nuostoliai, daugiausia dėl plazmos šilumos laidumo ir spinduliuotės. Šio tipo T. r. taikoma, pavyzdžiui, .

Į kito tipo T. r. Reaktoriams priskiriami reaktoriai, kuriuose a-dalelių pavidalu išsiskiriančios energijos nepakanka reakcijų degimui palaikyti, tačiau reikalinga energija iš išorinių šaltinių. šaltiniai. Tai atsitinka tuose reaktoriuose, kuriuose energijos lygis yra aukštas. nuostoliai, pvz. atviras magnetinis gaudyklė.

T.r. gali būti pastatytas remiantis sistemomis su magnetinėmis. plazmos uždarymas, pvz., tokamakas, atviras magnetinis. spąstai ir pan., arba sistemos su inerciniu plazmos uždarymu, kai energija į plazmą patenka per trumpą laiką (10-8-10-7 s) (arba naudojant lazerio spinduliuotę, arba naudojant santykinių elektronų ar jonų pluoštus), reakcijoms atsirasti ir palaikyti. T.r. su magnetiniu plazmos uždarymas gali veikti beveik stacionariu arba stacionariu režimu. Inercinio plazmos uždarymo atveju T. r. turi veikti trumpo impulso režimu.

T.r. būdingas koeficientas. galios stiprinimas (kokybės koeficientas) Q, lygus reaktoriuje gautos šiluminės galios ir jo pagaminimo galios sąnaudų santykiui. Terminis T.r. susideda iš galios, išsiskiriančios sintezės metu. reakcijos plazmoje, o galia išsiskiria vadinamojoje. TR antklodė – specialus plazmą supantis apvalkalas, kuriame naudojama termobranduolinių branduolių ir neutronų energija. Atrodo, kad perspektyviausia technologija yra ta, kuri veikia deuterio ir tričio mišiniu dėl didesnio reakcijos greičio nei kitos sintezės reakcijos.

T.r. ant deuterio-tričio kuro, priklausomai nuo antklodės sudėties, jis gali būti „grynas“ arba hibridinis. Antklodė „gryno“ T. r. yra Li; joje, veikiant neutronams, gaminasi, kuris „dega“ deuterio-tričio plazmoje ir didėja termobranduolų energija. reakcijos nuo 17,6 iki 22,4 MeV. Hibridinio T. r. Gaminamas ne tik tritis, bet yra zonų, kuriose į jas įdėjus 238U galima gauti 239Pu (žr. BRANDUOLINIS REAKTORIAUS). Tuo pačiu metu antklode išleidžiama energija, lygi maždaug. 140 MeV vienam termobranduoliui. . Taigi hibridiniame T. r. galima gauti maždaug šešis kartus daugiau energijos nei „gryname“ branduoliniame reaktoriuje, tačiau pirmajame yra skiliųjų radioaktų. in-in sukuria aplinką, artimą tai, kurioje yra nuodų. dalijimosi reaktoriai.

Fizinis enciklopedinis žodynas. - M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1983 .

sintezės reaktorius

Sukurta 1990 m. prietaisas energijai gauti per plazmoje vykstančių lengvųjų atomų branduolių sintezės reakcijas labai aukštoje temperatūroje (10 8 K). Pagrindinis Reikalavimas, kurį turi tenkinti T. R., yra tas, kad dėl to išsiskiria energija termobranduolinės reakcijos(TP) daugiau nei kompensavo energijos sąnaudas iš išorės šaltinių. šaltiniai reakcijai palaikyti.

Yra dviejų tipų T. r. Pirmasis apima reaktorius, kurie energiją gamina iš išorinių šaltinių. šaltiniai yra būtini tik TP užsidegimui. Tolesnes reakcijas palaiko, pavyzdžiui, TP plazmoje išsiskirianti energija. deuterio-tričio mišinyje reakcijų metu susidariusių a-dalelių energija sunaudojama aukštai temperatūrai palaikyti. Deuterio ir 3 He mišinyje visų reakcijos produktų, ty a-dalelių ir protonų, energija išleidžiama reikiamai plazmos temperatūrai palaikyti. Stacionariu darbo režimu T.r. energijos, kuri atlieka krūvį. reakcijos produktais, kompensuoja energiją. plazmos nuostoliai, kuriuos daugiausia sukelia plazmos šilumos laidumas ir spinduliuotė. Tokie reaktoriai vadinami reaktoriai, kuriuose užsidega savaime išsilaikanti termobranduolinė reakcija (žr. Uždegimo kriterijus). Tokio T.r. pavyzdys: tokamakas, stelaratorius.

Kitų rūšių T. r. Reaktoriams priskiriami reaktoriai, kuriuose plazmoje krūvių pavidalu išsiskiriančios energijos nepakanka reakcijų degimui palaikyti. reakcijos produktų, tačiau energija reikalinga iš išorinių šaltinių. šaltiniai. Tokie reaktoriai paprastai vadinami termobranduolinių reakcijų degimą palaikančiais reaktoriais. Taip atsitinka tose T. upėse, kur energija didelė. nuostoliai, pvz. atidaryti mag. gaudyklė, tokamakas, veikiantis režimu, kai plazmos tankis ir temperatūra yra žemiau uždegimo kreivės TP. Šie du reaktorių tipai apima visus įmanomus T. r. tipus, kurie gali būti pastatyti remiantis sistemomis su magnetinėmis. plazmos uždarymas (tokamakas, stellaratorius, atviras magnetinis gaudyklė ir kt.) arba sistemos su inercinis laikymas plazma.

Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius ITER: 1 - centrinis ; 2 - antklodė - ; 3 - plazma; 4 - vakuuminė siena; 5 - siurbimo vamzdynas; 6- kriostatas; 7- aktyvios valdymo ritės; 8 - toroidinės magnetinio lauko ritės; 9 - pirmoji siena; 10 - Divertorinės plokštės; 11 - poloidinio magnetinio lauko ritės.

Reaktorius su inerciniu plazmos uždarymu pasižymi tuo, kad per trumpą laiką (10 -8 -10 -7 s) į jį įvedama energija, naudojant lazerio spinduliuotę arba reliatyvistinių elektronų ar jonų pluoštus, kurių pakaktų atsirasti ir palaikyti TP. Toks reaktorius veiks tik trumpo impulso režimu, skirtingai nei reaktorius su magnetu. plazmos uždarymas, kuris gali veikti beveik stacionariu ar net stacionariu režimu.

T.r. būdingas koeficientas. galios padidėjimas (kokybės koeficientas) Q, lygus reaktoriaus šiluminės galios ir jo gamybos energijos sąnaudų santykiui. Šiluminė galia reaktorius susideda iš galios, išsiskiriančios TP metu plazmoje, galios, įvedamos į plazmą degimo temperatūrai TP palaikyti arba tokamako atveju plazmoje palaikyti stacionarią srovę, ir galios, išsiskiriančios vadinamojoje.

T.r. su magnetiniu sulaikymas yra labiau pažengęs nei inercinės sulaikymo sistemos. Tarptautinio termobranduolinio eksperimento schema. ITER tokamako reaktorius – projektas, kurį nuo 1988 m. plėtojo keturios šalys – SSRS (nuo 1992 m. Rusija), JAV, Euratomo šalys ir Japonija, parodytas paveikslėlyje. T.r. Tai turi . parametrai: didelis plazmos spindulys 8,1 m; mažas plazmos spindulys vid. plokštuma 3 m; plazmos skerspjūvio pailgėjimas 1,6; toroidinis mag. ant ašies 5,7 Tesla; vardinė plazma 21 MA; vardinė termobranduolinė galia su DT kuru 1500 MW. Reaktoriuje yra pėdsakų. pagrindinis mazgai: centras. solenoidas aš, elektrinis kurios laukas atlieka, reguliuoja srovės didėjimą ir palaiko ją kartu su specialiomis. sistema bus papildyta plazminis šildymas; pirmoji siena 9, kraštai yra tiesiai į plazmą ir suvokia šilumos srautus spinduliuotės ir neutralių dalelių pavidalu; antklodė – apsauga 2, kurie reiškiniai neatskiriama T. r. deuterio-tričio (DT) degaluose, nes plazmoje sudegęs tritis yra atkuriamas antklode. T.r. ant DT kuro, priklausomai nuo antklodės medžiagos, jis gali būti „grynas“ arba hibridinis. Antklodė „gryno“ T. r. yra Li; jame, veikiant termobranduoliniams neutronams, susidaro tritis: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, o TP energija padidėja nuo 17,6 MeV iki 22,4 MeV. Tuščioje vietoje hibridinis sintezės reaktorius Gaminamas ne tik tritis, bet yra zonų, kuriose dedamos 238 U atliekos, kad susidarytų 239 Pu. Tuo pačiu metu antklode išsiskiria energija, lygi 140 MeV vienam termobranduoliniam neutronui. T. o., hibride T. r. per pradinį sintezės įvykį galima gauti maždaug šešis kartus daugiau energijos nei „grynas“ T.R., tačiau pirmuoju atveju yra skiliųjų radioaktų. medžiagos sukuria spinduliuotę. aplinka, panaši į tą, kuri egzistuoja danguje branduoliniai reaktoriai padalinys.

T.r. naudojant kurą ant D ir 3 He mišinio, antklodės nėra, nes nereikia dauginti tričio: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), o visa energija išsiskiria apmokestinimo forma. reakcijos produktai. Radiacija Apsauga skirta sugerti neutronų ir radioaktyviųjų aktų energiją. spinduliavimas ir šilumos bei spinduliuotės srautų sumažinimas į superlaidųjį magnetą. sistemą iki tokio lygio, kuris yra priimtinas stacionariam darbui. Toroidinės magnetinės ritės laukai 8 padeda sukurti toroidinį magnetą. laukus ir daromi superlaidūs naudojant Nb 3 Sn superlaidininką ir vario matricą, veikiančią skysto helio (4,2 K) temperatūroje. Technologijų, skirtų aukštos temperatūros superlaidumui gauti, plėtra gali leisti pašalinti ritinių aušinimą skystu heliu ir, pavyzdžiui, pereiti prie pigesnio aušinimo metodo. skystas azotas. Reaktoriaus konstrukcija iš esmės nepasikeis. Poloidinio lauko ritės 11 taip pat yra superlaidūs ir kartu su magniu. plazmos srovės laukas sukuria pusiausvyrinę poloidinio magnetinio lauko konfigūraciją. laukai su vieno ar dviejų nulių poloidiniu d i v e r t o r 10, padedanti pašalinti šilumą iš plazmos krūvių srauto pavidalu. dalelės ir išsiurbti ant divertoriaus plokštelių neutralizuojamus reakcijos produktus: helis ir protis. T.r. naudojant D 3 He kurą, divertoriaus plokštės gali tarnauti kaip vienas iš tiesioginio įkrovimo energijos konversijos sistemos elementų. reakcijos produktai į elektros energiją. Kriostatas 6 padeda atvėsinti superlaidžius ritinius iki skysto helio temperatūros arba aukštesnės temperatūros, kai naudojami pažangesni aukštos temperatūros superlaidininkai. Vakuuminė kamera 4 ir siurbimo priemonės 5 yra suprojektuotos taip, kad reaktoriaus darbo kameroje, kurioje sukuriama plazma, susidarytų didelis vakuumas. 3, ir visuose pagalbiniuose tūriuose, įskaitant kriostatą.

Atrodo, kad pirmasis žingsnis kuriant termobranduolinę energiją termobranduolinis reaktorius veikia su DT mišiniu dėl didesnio reakcijos greičio nei kitos sintezės reakcijos. Ateityje svarstoma galimybė sukurti mažo radioaktyvumo T. r. ant D mišinio su 3 He, kuriame bas. energija atlieka krūvį. reakcijos produktai, o neutronai atsiranda tik DD ir DT reakcijose perdegus DD reakcijose susidariusiam tričiui. Dėl to biol. pavojus T. r. matyt, gali būti sumažintas keturiomis-penkiomis eilėmis, palyginti su branduolio dalijimosi reaktoriais, nereikia pramoninių radioaktyvus apdorojimas medžiagų ir jų transportavimo, kokybiškai supaprastinamas radioaktyviųjų medžiagų laidojimas. atliekų. Tačiau perspektyvos sukurti aplinkai nekenksmingą TR ateityje. ant mišinio D su 3 Nesudėtinga žaliavų problema: natūralus. izotopo 3 He koncentracijos Žemėje yra 4 He izotopo milijoninės dalys. Todėl iškyla nelengvas žaliavų gavimo klausimas, pvz. pristatydamas jį iš Mėnulio.

Sintezės reaktorius.

Sintezės reaktorius- prietaisas energijai gauti per termobranduolinės sintezės reakcijas, vykstančias plazmoje esant labai aukštai temperatūrai (>108K).

Pagrindinis reikalavimas, kurį turi atitikti branduolių sintezės reaktorius, yra tai, kad dėl to išsiskiria energija termobranduolinės reakcijos(TP) daugiau nei kompensavo energijos sąnaudas iš išorės šaltinių reakcijai palaikyti.
Pagrindinė ir vienintelė kandidatė į bazinę energiją yra branduolinė energija. Šiuo metu energijai gaminti įvaldytos tik branduolių dalijimosi reakcijos, kurios naudojamos šiuolaikinėse atominėse elektrinėse. Kontroliuojama termobranduolinė sintezė kol kas yra tik potencialus pagrindinės energijos kandidatas.

Visi prietaisai, išrasti per 50 metų, gali būti suskirstyti į dvi dideles klases:
1. Reaktoriai su savaime išsilaikančios termobranduolinės reakcijos uždegimu. Stacionarios arba beveik stacionarios sistemos.
Tai apima reaktorius, kuriems energijos iš išorinių šaltinių reikia tik termobranduolinei reakcijai uždegti. Be to, reakciją palaiko termobranduolinės reakcijos metu plazmoje išsiskirianti energija, pavyzdžiui, deuterio-tričio mišinyje reakcijų metu susidariusių a-dalelių energija sunaudojama aukštai temperatūrai palaikyti. Deuterio ir 3He mišinyje visų reakcijos produktų, ty a-dalelių ir protonų, energija išleidžiama reikiamai plazmos temperatūrai palaikyti. Esant pastoviam termobranduolinio reaktoriaus veikimo režimui, įkrautų reakcijos produktų nešama energija kompensuoja plazmos energijos nuostolius, kurie daugiausia atsiranda dėl plazmos šilumos laidumo ir spinduliuotės. Tokio branduolių sintezės reaktoriaus pavyzdys: tokamakas, stelaratorius.
Sistemose, pagrįstose karštos plazmos magnetiniu izoliavimu; Tokiu atveju plazmos tankis yra mažas ir valdomos termobranduolinės sintezės metu išsiskiriančios energijos perteklius virš į sistemą įvedamos energijos (Lawson kriterijus) pasiekiamas dėl gero energijos sulaikymo sistemoje, t.y. ilgas energijos plazmos tarnavimo laikas. Todėl sistemoms su magnetiniu uždarymu būdingas kelių metrų plazmos dydis ir santykinai mažas plazmos tankis, n ~ 1020 m-3 (tai yra maždaug 105 kartus mažesnis už atominį tankį esant normaliam slėgiui ir kambario temperatūrai).
2. Reaktorius su termobranduolinių reakcijų degimo palaikymu. Impulsinės sistemos.
Tai apima reaktorius, kuriuose, norint palaikyti reakcijų degimą, plazmoje nėra pakankamai energijos, išsiskiriančios įkrautų reakcijos produktų pavidalu, ir reikalinga energija iš išorinių šaltinių. Taip atsitinka tuose termobranduoliniuose reaktoriuose, kuriuose energijos nuostoliai yra dideli, pavyzdžiui, atvirame magnetiniame gaudyklyje, tokamake, veikiančiame plazmos tankio ir temperatūros režimu, žemiau termobranduolinės reakcijos užsidegimo kreivės. Šie dviejų tipų reaktoriai apima visus įmanomus termobranduolinių reakcijų tipus, kurie gali būti pastatyti remiantis sistemomis su magnetine plazma (tokamakas, stellaratorius, atvira magnetine gaudykle ir kt.) inercinis laikymas plazma.
Impulsinėse sistemose Lawsono kriterijų galima pasiekti suspaudžiant termobranduolinius taikinius lazerio arba rentgeno spinduliuote ir sukuriant mišinį su labai didelio tankio. Impulsinių sistemų eksploatavimo laikas yra trumpas ir priklauso nuo laisvo taikinio išsiplėtimo. Pagrindinė fizinė užduotis šia kontroliuojamos termobranduolinės sintezės kryptimi yra sumažinti bendrą sprogimo energiją iki tokio lygio, kad būtų galima pagaminti praktišką termobranduolinį reaktorių.

Abiejų tipų sistemos, nepaisant daugybės problemų, jau priartėjo prie eksperimentinių termobranduolinės sintezės mašinų su teigiamos energijos išeiga, kuriose bus išbandomi pagrindiniai būsimų termobranduolinių reaktorių elementai.

Magnetinio uždarymo branduolių sintezės reaktorių kūrimas yra pažangesnis nei inercinio izoliavimo sistemos.
Šiuo metu įgyvendinamas ITER projektas – tarptautinį eksperimentinį termobranduolinį reaktorių nuo 1988 metų kuria keturios šalys – SSRS (nuo 1992 m. Rusija), JAV, Euratomo šalys ir Japonija. ITER misija – parodyti sintezės reaktoriaus komercinio naudojimo galimybes ir išspręsti fizines bei technologines problemas, kurios gali kilti kelyje. Reaktoriaus projektavimas visiškai baigtas ir jo statybai parinkta vieta – Kadarašo tyrimų centras Prancūzijos pietuose, 60 km nuo Marselio.