Har termonukleär energi en framtid?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

I mer än ett halvt sekel har forskare försökt bygga en maskin på jorden, i vilken en termonukleär reaktion, precis som i stjärnornas tarmar, äger rum. Tekniken för kontrollerad termonukleär fusion lovar mänskligheten en nästan outtömlig källa till ren energi. Sovjetiska forskare var ursprunget till denna teknik - och nu hjälper Ryssland till att bygga världens största fusionsreaktor.

Delarna av en atoms kärna hålls samman av en kolossal kraft. Det finns två sätt att släppa den. Den första metoden är att använda klyvningsenergin från stora tunga kärnor från den yttersta änden av det periodiska systemet: uran, plutonium. Vid alla kärnkraftverk på jorden är energikällan just sönderfallet av tunga kärnor.

Men det finns också ett andra sätt att frigöra atomens energi: inte att dela, utan tvärtom att kombinera kärnorna. När de slås samman frigör några av dem ännu mer energi än klyvbara urankärnor. Ju lättare kärnan är, desto mer energi kommer att frigöras under fusion (som man säger, fusion), så det mest effektiva sättet att få energin från kärnfusion är att tvinga kärnorna i det lättaste grundämnet - väte - och dess isotoper att smälta samman..

Handstjärna: solida proffs

Kärnfusion upptäcktes på 1930-talet genom att studera de processer som äger rum i stjärnornas inre. Det visade sig att kärnfusionsreaktioner äger rum inuti varje sol, och ljus och värme är dess produkter. Så snart detta blev klart tänkte forskare på hur man upprepar vad som händer i solens tarmar på jorden. Jämfört med alla kända energikällor har "handsolen" en rad obestridliga fördelar.

För det första tjänar vanligt väte som dess bränsle, vars reserver på jorden kommer att räcka i många tusen år. Även om man tar hänsyn till det faktum att reaktionen inte kräver den vanligaste isotopen, deuterium, räcker ett glas vatten för att förse en liten stad med elektricitet i en vecka. För det andra, till skillnad från förbränning av kolväten, producerar kärnfusionsreaktionen inte giftiga produkter - bara den neutrala gasen helium.

Fördelar med fusionsenergi

Nästan obegränsad bränsletillförsel. I en fusionsreaktor fungerar väteisotoper - deuterium och tritium - som bränsle; du kan också använda isotopen helium-3. Det finns mycket deuterium i havsvatten - det kan erhållas genom konventionell elektrolys, och dess reserver i världshavet kommer att räcka i cirka 300 miljoner år vid mänsklighetens nuvarande efterfrågan på energi.

Det finns mycket mindre tritium i naturen, det produceras artificiellt i kärnreaktorer – men det behövs väldigt lite för en termonukleär reaktion. Det finns nästan inget helium-3 på jorden, men det finns mycket i månens mark. Om vi någon gång har termonukleär kraft kommer det förmodligen att gå att flyga till månen för att få bränsle till den.

Inga explosioner. Det tar mycket energi att skapa och upprätthålla en termonukleär reaktion. Så fort energitillförseln stannar upphör reaktionen och plasman som värmts upp till hundratals miljoner grader upphör att existera. Därför är en fusionsreaktor svårare att slå på än att stänga av.

Låg radioaktivitet. En termonukleär reaktion producerar ett flöde av neutroner som emitteras från magnetfällan och avsätts på väggarna i vakuumkammaren, vilket gör den radioaktiv. Genom att skapa en speciell "filt" (filt) runt plasmaperimetern, som bromsar neutroner, är det möjligt att helt skydda utrymmet runt reaktorn. Själva filten blir oundvikligen radioaktiv med tiden, men inte länge. Låter det vila i 20-30 år kan du återigen få material med naturlig bakgrundsstrålning.

Inga bränsleläckor. Det finns alltid en risk för bränsleläckage, men en fusionsreaktor kräver så lite bränsle att inte ens ett fullständigt läckage hotar miljön. Att till exempel lansera ITER skulle bara kräva cirka 3 kg tritium och lite mer deuterium. Även i det värsta scenariot kommer denna mängd radioaktiva isotoper snabbt att skingras i vatten och luft och inte orsaka någon skada.

Inga vapen. En termonukleär reaktor producerar inga ämnen som kan användas för att tillverka atomvapen. Därför är det ingen fara att spridningen av termonukleär energi leder till en kärnvapenkapplöpning.

Hur man tänder den "konstgjorda solen", i allmänna termer, blev det klart redan på femtiotalet av förra seklet. På båda sidor om havet utfördes beräkningar som satte huvudparametrarna för en kontrollerad kärnfusionsreaktion. Det bör ske vid en enorm temperatur på hundratals miljoner grader: under sådana förhållanden slits elektroner bort från sina kärnor. Därför kallas denna reaktion även termonukleär fusion. Nakna kärnor, som kolliderar med varandra i rasande hastigheter, övervinner Coulomb-avstötningen och smälter samman.

Problem och lösningar

Entusiasmen under de första decennierna kraschade in i uppgiftens otroliga komplexitet. Att starta termonukleär fusion visade sig vara relativt enkelt – om det gjordes i form av en explosion. Stillahavsatoller och sovjetiska testplatser i Semipalatinsk och Novaja Zemlja upplevde den fulla kraften av en termonukleär reaktion redan under det första efterkrigsårtiondet.

Men att använda denna kraft, förutom att förstöra, är mycket svårare än att detonera en termonukleär laddning. För att använda termonukleär energi för att generera elektricitet måste reaktionen utföras på ett kontrollerat sätt så att energi frigörs i små portioner.

Hur man gör det? Miljön där en termonukleär reaktion äger rum kallas plasma. Det liknar gas, bara till skillnad från vanlig gas består den av laddade partiklar. Och beteendet hos laddade partiklar kan styras med hjälp av elektriska och magnetiska fält.

Därför, i sin mest allmänna form, är en termonukleär reaktor en plasmakoagel som fångas i ledare och magneter. De hindrar plasman från att fly, och medan de gör detta smälter atomkärnor inuti plasman, vilket gör att energi frigörs. Denna energi måste avlägsnas från reaktorn, användas för att värma upp kylvätskan – och elektricitet måste erhållas.

Fällor och läckor

Plasma visade sig vara det mest nyckfulla ämne som människor på jorden var tvungna att möta. Varje gång forskare hittade ett sätt att blockera en typ av plasmaläcka upptäcktes en ny. Hela andra hälften av 1900-talet ägnades åt att lära sig att hålla plasman inne i reaktorn under någon betydande tid. Detta problem började ge efter först i våra dagar, när kraftfulla datorer dök upp som gjorde det möjligt att skapa matematiska modeller av plasmabeteende.

Det finns fortfarande ingen konsensus om vilken metod som är bäst för plasmainneslutning. Den mest kända modellen, tokamak, är en munkformad vakuumkammare (som matematiker säger, en torus) med plasmafällor inuti och utanför. Denna konfiguration kommer att ha den största och dyraste termonukleära installationen i världen - ITER-reaktorn som för närvarande byggs i södra Frankrike.

Förutom tokamak finns det många möjliga konfigurationer av termonukleära reaktorer: sfäriska, som i St. Petersburg Globus-M, bisarrt krökta stellaratorer (som Wendelstein 7-X vid Max Planck Institute of Nuclear Physics i Tyskland), laser tröghetsfällor, som amerikanska NIF. De får mycket mindre uppmärksamhet i media än ITER, men de har också höga förväntningar.

Det finns forskare som anser att designen av stellaratorn är i grunden mer framgångsrik än tokamak: den är billigare att bygga och plasmainneslutningstiden lovar att ge mycket mer. Vinsten i energi tillhandahålls av geometrin hos själva plasmafällan, vilket gör att man kan bli av med de parasiteffekter och läckor som är inneboende i "munken". Den laserpumpade versionen har också sina fördelar.

Vätebränslet i dem värms upp till önskad temperatur med laserpulser, och fusionsreaktionen startar nästan omedelbart. Plasma i sådana installationer hålls av tröghet och har inte tid att spridas - allt händer så snabbt.

Hela världen

Alla termonukleära reaktorer som finns i världen idag är experimentella maskiner. Ingen av dem används för att generera el. Ingen har ännu lyckats uppfylla huvudkriteriet för en termonukleär reaktion (Lawsons kriterium): att få mer energi än vad som gick åt på att skapa reaktionen. Därför har världssamfundet fokuserat på det gigantiska ITER-projektet. Om Lawson-kriteriet uppfylls vid ITER kommer det att vara möjligt att förfina tekniken och försöka överföra den till kommersiella räls.

Inget land i världen skulle kunna bygga ITER ensamt. Den behöver bara 100 tusen km supraledande ledningar, och även dussintals supraledande magneter och en gigantisk central solenoid för att hålla plasma, ett system för att skapa ett högt vakuum i en ring, heliumkylare för magneter, kontroller, elektronik … Därför Projektet bygger 35 länder och fler på en gång tusentals vetenskapliga institut och fabriker.

Ryssland är ett av de viktigaste länderna som deltar i projektet; i Ryssland designas och byggs 25 tekniska system för den framtida reaktorn. Dessa är supraledare, system för mätning av plasmaparametrar, automatiska styrenheter och komponenter i avledaren, den hetaste delen av tokamaks innervägg.

Efter lanseringen av ITER kommer ryska forskare att ha tillgång till alla dess experimentella data. Men ekot av ITER kommer att märkas inte bara inom vetenskapen: nu har det i vissa regioner dykt upp produktionsanläggningar, som i Ryssland inte fanns tidigare. Till exempel före projektets start fanns det ingen industriell produktion av supraledande material i vårt land, och endast 15 ton per år producerades över hela världen. Nu är det bara vid Chepetsk Mechanical Plant i det statliga företaget "Rosatom" möjligt att producera 60 ton per år.

Framtiden för energi och därefter

Den första plasman vid ITER är planerad att tas emot 2025. Hela världen väntar på denna händelse. Men en, även den mest kraftfulla, maskin är inte allt. Över hela världen och i Ryssland fortsätter de att bygga nya termonukleära reaktorer, som kommer att hjälpa till att äntligen förstå plasmas beteende och hitta det bästa sättet att använda det.

Redan i slutet av 2020 kommer Kurchatov-institutet att lansera en ny tokamak T-15MD, som kommer att bli en del av en hybridinstallation med nukleära och termonukleära element. Neutronerna, som bildas i den termonukleära reaktionszonen, i hybridanläggningen kommer att användas för att initiera klyvningen av tung kärna - uran och torium. I framtiden kan sådana hybridmaskiner användas för att producera bränsle till konventionella kärnreaktorer – både termiska och snabba neutroner.

Thorium frälsning

Särskilt frestande är möjligheten att använda en termonukleär "kärna" som en källa till neutroner för att initiera sönderfall i toriumkärnor. Det finns mer torium på planeten än uran, och dess användning som kärnbränsle löser flera problem med modern kärnkraft samtidigt.

Således kan sönderfallsprodukterna av torium inte användas för att producera militärt radioaktivt material. Möjligheten till sådan användning fungerar som en politisk faktor som hindrar små länder från att utveckla sin egen kärnenergi. Toriumbränsle löser detta problem en gång för alla.

Plasmafällor kan vara användbara inte bara inom energi, utan också i andra fredliga industrier - även i rymden. Nu arbetar Rosatom och Kurchatov-institutet på komponenter till en elektrodlös plasmaraketmotor för rymdfarkoster och system för plasmamodifiering av material. Rysslands deltagande i ITER-projektet stimulerar industrin, vilket leder till skapandet av nya industrier, som redan ligger till grund för ny rysk utveckling.