Utseendet på en termonukleär reaktor har förväntats i mer än ett halvt sekel. Förväntningarna är så överhettade att en mycket populär konspirationsteori har uppstått, som om den faktiskt uppfanns för länge sedan, men oljemagnaterna gömmer uppfinningen för massorna för att inte förlora superintäkter. Liksom alla konspirationsteorier står en sådan teori inte emot kritik och är fortfarande ett ämne för detektivprosa. Att förstå detta upphäver dock inte huvudfrågan: när kommer vi att bemästra termonukleär energi?
SUNNY BOSTER
En termonukleär reaktion (eller kärnfusionsreaktion), där lättare kärnor smälter samman i tyngre, beskrevs av fysiker redan på 1910-talet. Och för första gången observerades det av den engelska forskaren Ernst Rutherford. År 1919 pressade han helium med kväve i hög hastighet för att producera väte och tungt syre. Fem år senare avslutade Rutherford framgångsrikt syntesen av superhögt vätetritium från tunga vätekärnor i deuterium. Vid samma tid framlade astrofysikern Arthur Eddington en djärv hypotes att stjärnor brinner på grund av termonukleära reaktioner i tarmarna. 1937 kunde den amerikanska forskaren Hans Bethe bevisa förekomsten av termonukleära reaktioner i solen - därför hade Eddington rätt.
Idén att reproducera en "solbrand" på jorden tillhörde den japanska fysikern Tokutaro Hagiwara, som 1941 föreslog möjligheten att initiera en termonuklear reaktion mellan vätekärnor med hjälp av en explosiv kedjereaktion av uranfission - det vill säga en atomexplosion skulle skapa förhållanden (ultrahög temperatur och tryck) för att starta termonukleär fusion. Lite senare kom Enrico Fermi, som deltog i skapandet av den amerikanska atombomben, på samma idé. 1946, under ledning av Edward Teller, lanserades ett forskningsprojekt om användning av termonukleär energi vid Los Alamos Laboratory.
Den första termonukleära anordningen detonerades av den amerikanska militären den 1 november 1952 vid Enewetok Atoll i Stilla havet. Vi genomförde ett liknande experiment 1953. Således har mänskligheten använt termonukleär fusion i över sextio år, men bara för destruktiva ändamål. Varför kan du inte använda det mer rationellt?
PLASMA MASTERS
Kampanjvideo:
Ur energisynpunkt är den optimala plasmatemperaturen i en termonukleär reaktion 100 miljoner grader. Detta är flera gånger högre än temperaturen i det inre av solen. Hur man är?
Fysiker har föreslagit att hålla plasman i en "magnetisk fälla". I början av 1950-talet beräknade Andrei Sakharov och Igor Tamm konfigurationen av magnetfält som kan komprimera plasma till ett tunt filament och förhindra att det faller på kammarväggarna. Det var på grundval av planen de föreslog att många tokamaker skapades.
Man tror att termen "TOKAMAK" har sitt ursprung som en förkortning för frasen "TOroidal CAMERA with Magnetic Coils". Det huvudsakliga designelementet är verkligen spolarna som skapar ett kraftfullt magnetfält. Tokamaks arbetskammare är fylld med gas. Som ett resultat av nedbrytningen under virvelfältets verkan sker en förbättrad jonisering av gasen i kammaren, varför den förvandlas till plasma. En plasmatråd bildas som rör sig längs den toroidformade kammaren och värms upp av en längsgående elektrisk ström. Magnetfält håller sladden i balans och ger den en form som förhindrar att den vidrör väggarna och bränner dem.
Hittills har plasmatemperaturen vid tokamaks nått 520 miljoner grader. Uppvärmningen är dock början på resan. En tokamak är inte ett kraftverk - tvärtom förbrukar det energi utan att ge något i gengäld. Ett termonukleärt kraftverk bör byggas på olika principer.
Först och främst bestämde fysikerna bränslet. Nästan perfekt för en kraftreaktor är en reaktion baserad på fusion av kärnor av väteisotoper - deuterium och tritium (D + T), vilket resulterar i att en helium-4-kärna och en neutron bildas. Vanligt vatten kommer att tjäna som källa till deuterium och tritium kommer att erhållas från litium bestrålat med neutroner.
Då måste plasman värmas till 100 miljoner grader och komprimeras kraftigt och hålla sig i detta tillstånd under lång tid. Ur teknisk konstruktion är detta en otroligt komplex och dyr uppgift. Det är komplexiteten och de höga kostnaderna som har hållit tillbaka utvecklingen av denna energiriktning under lång tid. Företaget var inte redo att finansiera ett så stort projekt förrän det fanns förtroende för dess framgång.
VÄGEN TILL FRAMTIDEN
Sovjetunionen, där unika tokamaker byggdes, upphörde att existera, men tanken på att bemästra termonukleär energi dog inte och de ledande länderna insåg att problemet bara kunde lösas tillsammans.
Och nu byggs den första experimentella termonukleära reaktorn för kraftteknik idag i byn Cadarache, i sydöstra Frankrike, nära staden Aix-en-Provence. Ryssland, USA, Europeiska unionen, Japan, Kina, Sydkorea, Indien och Kazakstan deltar i genomförandet av detta fantastiska projekt.
Strikt taget kommer anläggningen som ska byggas i Cadarache fortfarande inte att kunna fungera som ett termonukleärt kraftverk, men det kan komma att komma närmare tiden. Det är ingen slump att den hette ITER - denna förkortning står för International Thermonuclear Experimental Reactor, men den har också en symbolisk betydelse: på latin betyder iter väg, väg. Således bör Cadarash-reaktorn bana väg för framtidens termonukleära kraft, vilket kommer att säkerställa mänsklighetens överlevnad efter uttömningen av fossila bränslen.
ITER kommer att struktureras enligt följande. I sin centrala del finns en toroidal kammare med en volym på cirka 2000 m3, fylld med tritium-deuteriumplasma uppvärmd till temperaturer över 100 miljoner grader. De neutroner som bildades under fusionsreaktionen lämnar "magnetflaskan" och genom "första väggen" går in i filtens fria utrymme ungefär en meter tjockt. Inuti filten kolliderar neutroner med litiumatomer, vilket resulterar i en reaktion med bildandet av tritium, som kommer att produceras inte bara för ITER utan även för andra reaktorer om de är byggda. I detta fall värms den "första väggen" av neutroner till 400 ° C. Den frigjorda värmen, som i konventionella stationer, tas av den primära kylkretsen med ett kylvätska (innehållande till exempel vatten eller helium) och överförs till sekundärkretsen, där vattenånga producerasgår till turbiner som genererar el.
ITER-installationen är verkligen en megamaskin. Dess vikt är 19.000 ton, den inre radien på den toroidformade kammaren är 2 meter, den yttre radien är mer än 6 meter. Byggandet är redan i full gång, men ingen kan säga säkert när den första positiva energiproduktionen kommer att tas emot vid installationen. ITER planerar dock att producera 200 000 kWh, vilket motsvarar energin i 70 ton kol. Den erforderliga mängden litium finns i ett mini-batteri för en dator och mängden deuterium finns i 45 liter vatten. Och det blir helt ren energi.
I det här fallet bör deuterium vara tillräckligt i miljoner år, och reserverna av lätt extraherat litium är tillräckligt för att möta behovet av det i hundratals år. Även om reserverna av litium i klipporna tar slut, kommer fysiker att kunna extrahera det från havsvatten.
ITER kommer definitivt att byggas. Och naturligtvis är jag glad att vårt land deltar i framtidens projekt. Endast ryska specialister har många års erfarenhet av att skapa stora supraledande magneter, utan vilka det är omöjligt att hålla plasma i glödtråden: tack vare tokamaks!
Anton Pervushin
