REATTORE TERMONUCLEARE

REATTORE TERMONUCLEARE

Sviluppato nel presente. (anni '80) un dispositivo per ottenere energia dovuta alle reazioni di sintesi di atomi di luce. nuclei che si verificano a temperature molto elevate (= 108 K). Principale il requisito, per Krom deve soddisfare T. r., è che il rilascio di energia a seguito di reazioni termonucleari compenserà più che altro i costi energetici dall'esterno. fonti a supporto della risposta.

Esistono due tipi di T. p. Il primo tipo comprende il fiume T., la Crimea è necessaria dall'esterno. sorgenti solo per accensione termonucleare. reazioni. Inoltre, le reazioni sono supportate dall'energia rilasciata nel plasma durante la fusione. reazioni; ad esempio, in una miscela di deuterio-trizio, l'energia delle particelle a formate durante le reazioni viene spesa per mantenere una temperatura del plasma elevata. In una modalità di funzionamento stazionaria T. r. energia, to-ruyu trasporta particelle-a, compensa energeticamente. perdite dal plasma, dovute principalmente alla conducibilità termica del plasma e alle radiazioni. A questo tipo di T. p. vale, per esempio.

Ad altro tipo T. r. includono reattori in cui non c'è abbastanza energia rilasciata sotto forma di particelle a per supportare la combustione delle reazioni, ma è necessaria energia dall'esterno. fonti. Questo accade in quei reattori, in cui l'energia è alta. perdite, ad es. trappola magnetica aperta.

T.r. può essere costruito sulla base di sistemi con magnetico. confinamento del plasma, come tokamak, magnetico aperto. trap, ecc., o sistemi a confinamento inerziale del plasma, quando l'energia viene immessa nel plasma in breve tempo (10-8-10-7 s) (sia con l'ausilio di radiazioni laser, sia con l'ausilio di fasci di elettroni o ioni), sufficienti per avviare e sostenere reazioni. T.r. con il mag. il confinamento del plasma può funzionare in modalità quasi stazionaria o stazionaria. Nel caso di confinamento inerziale del plasma T. r. dovrebbe funzionare nella modalità di impulsi brevi.

T.r. caratterizzato da un coefficiente guadagno di potenza (fattore di qualità) Q, uguale al rapporto potenza termica ottenuta nel reattore, alla potenza del costo della sua produzione. Termico T.r. è costituita dalla potenza rilasciata durante la fusione. reazioni nel plasma, e la potenza rilasciata nel cosiddetto. coperta T. r. - un guscio speciale che circonda il plasma, in cui viene utilizzata l'energia dei neutroni termonucleari. Il più promettente è il reattore termodinamico, che funziona con una miscela di deuterio-trizio a causa della velocità di reazione più elevata rispetto ad altre reazioni di fusione.

T.r. sul combustibile deuterio-trizio, a seconda della composizione della coperta, può essere "puro" o ibrido. Coperta "pura" fiume T.. contiene Li; in esso, sotto l'azione dei neutroni, risulta "bruciare" nel plasma di deuterio-trizio e l'energia di fusione aumenta. reazioni da 17,6 a 22,4 MeV. Nella coperta dell'ibrido T. r. non solo il trizio viene riprodotto, ma vi sono zone, quando collocate, in cui il 238U può produrre 239Pu (vedi REATTORE NUCLEARE). Allo stesso tempo, un'energia pari a ca. 140 MeV per fusione. . Così, nell'ibrido T. r. puoi ottenere circa sei volte più energia che nel "puro" T. r., ma la presenza nel primo atto radioattivo fissile. in-in crea un ambiente vicino a quello che esiste nel veleno. reattori a fissione.

Fisico dizionario enciclopedico. - M.: Enciclopedia sovietica. Il caporedattore A. M. Prokhorov. 1983 .

REATTORE TERMONUCLEARE

Sviluppato negli anni '90. un dispositivo per ottenere energia grazie alle reazioni di sintesi dei polmoni nuclei atomici che si verificano nel plasma a temperature molto elevate (10 8 K). Principale il requisito, a cui T.r. deve soddisfare, è che l'energia venga rilasciata come risultato reazioni termonucleari(TP) più che compensato il costo dell'energia da esterno. fonti a supporto della risposta.

Esistono due tipi di T. p. Il primo comprende reattori, energia a Crym dall'esterno. le sorgenti sono necessarie solo per l'accensione del TP. Inoltre, le reazioni sono supportate dall'energia rilasciata nel plasma a TP, per esempio. in una miscela di deuterio-trizio, il mantenimento di una temperatura elevata consuma l'energia delle particelle a formate durante le reazioni. In una miscela di deuterio con 3 He, l'energia di tutti i prodotti di reazione, cioè particelle a e protoni, viene spesa per mantenere la temperatura del plasma richiesta. In una modalità di funzionamento stazionaria T. p. energia, to-ruyu trasporta una carica. prodotti di reazione, compensa energicamente. perdite dal plasma, causate principalmente. conducibilità termica del plasma e della radiazione. Tali reattori sono chiamati reattori ad accensione termica autosufficiente reazione nucleare(centimetro. criterio di accensione). Un esempio di tale T. p.: tokamak, stellare.

Ad altro tipo T. p. includono reattori in cui non c'è abbastanza energia rilasciata nel plasma sotto forma di cariche per supportare la combustione delle reazioni. prodotti di reazione, ma è necessaria energia dall'esterno. fonti. Tali reattori sono solitamente chiamati reattori con il mantenimento della combustione delle reazioni termonucleari. Questo accade in quei T. p., dove l'energia è alta. perdite, ad es. magnete aperto. trap, tokamak operante nella modalità di densità del plasma e temperatura al di sotto della curva di accensione TP. Questi due tipi di reattori comprendono tutti i possibili tipi di T. r., to-rye possono essere costruiti sulla base di sistemi con un magnete. confinamento del plasma (tokamak, stellarator, trappola magnetica aperta, ecc.) o sistemi con tenuta inerziale plasma.

Reattore sperimentale termonucleare internazionale ITER: 1 - centrale; 2 - lenzuolo -; 3 - plasma; 4 - parete del vuoto; 5 - gasdotto di pompaggio; 6- criostato; 7- bobine di controllo attive; 8 - bobine toroidali campo magnetico; 9 - prima parete; 10 - piastre deviatori; 11 - bobine di campo magnetico poloidale.

Il reattore a confinamento inerziale del plasma è caratterizzato dal fatto che in breve tempo (10 -8 -10 -7 s) con l'ausilio di radiazioni laser o fasci di elettroni o ioni relativistici, viene immessa energia sufficiente a creare e mantenere TP. Un tale reattore funzionerà solo in modalità a impulsi brevi, a differenza di un reattore con un campo magnetico. confinamento del plasma, che può funzionare in modalità quasi stazionaria o addirittura stazionaria.

T.r. caratterizzato da coefficiente amplificazione di potenza (fattore di qualità) Q, pari al rapporto tra la potenza termica del reattore e la potenza del costo della sua produzione. La potenza termica del reattore è la somma della potenza rilasciata a TP nel plasma, la potenza che viene immessa nel plasma per mantenere la temperatura di combustione TP o mantenere una corrente stazionaria nel plasma nel caso di un tokamak, e la potere rilasciato nel cosiddetto.

Sviluppo di T. p. con il mag. hold è più avanzato dei sistemi di mantenimento inerziale. Diagramma dell'esperimento termonucleare internazionale. Nella figura è mostrato il reattore tokamak ITER, il cui progetto è stato sviluppato dal 1988 da quattro parti: URSS (dal 1992 Russia), USA, paesi Euratom e Giappone. T.r. Esso ha . parametri: ampio raggio plasma 8,1 m; piccolo raggio di plasma in cfr. piano 3 m; allungamento della sezione trasversale del plasma 1.6; magnetico toroidale sull'asse 5,7 T; plasma nominale 21 mA; potenza di fusione nominale con combustibile DT 1500 MW. Il reattore contiene quanto segue. principale nodi: centro. solenoide io, elettrico il campo to-rogo effettua, regola l'aumento di corrente e lo sostiene insieme a speciali. completare il sistema. riscaldamento al plasma; prima parete 9, bordi direttamente rivolti verso il plasma e percepisce flussi di calore sotto forma di radiazione e particelle neutre; coperta - protezione 2, to-rye yavl. parte integrante di T. p. su combustibile deuterio-trizio (DT), poiché il trizio bruciato nel plasma viene riprodotto nella coperta. T.r. sul carburante DT, a seconda del materiale della coperta, può essere "pulito" o ibrido. Coperta "pura" T. p. contiene Li; in esso, sotto l'azione dei neutroni termonucleari, si ottiene il trizio: 6 Li + nT + 4 He + 4,8 MeV e l'energia TP viene aumentata da 17,6 MeV a 22,4 MeV. In coperta reattore a fusione ibrida non solo si riproduce il trizio, ma vi sono zone in cui si depositano rifiuti 238 U per ottenere 239 Pu. Allo stesso tempo, nella coperta viene rilasciata energia pari a 140 MeV per un neutrone termonucleare. T. o., in ibrido T. p. è possibile ottenere circa sei volte più energia per atto di fusione iniziale rispetto a T. r. "puro", ma la presenza nel primo caso di atto radio fissile. sostanze crea radiazioni. ambiente vicino a quello in cui esiste reattori nucleari divisione.

In T. p. con carburante su una miscela di D con 3 He, non c'è coperta, poiché non c'è bisogno di riprodurre il trizio: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), e tutta l'energia viene rilasciata nel forma di addebito. prodotti di reazione. Radiazione la protezione è progettata per assorbire l'energia dei neutroni e dei radioattivi. radiazione e ridurre il flusso di calore e radiazione al magnete superconduttore. sistema ad un livello accettabile per il funzionamento stazionario. Bobine di magnete toroidale. campi 8 servono a creare un magnete toroidale. campi e sono resi superconduttori utilizzando un superconduttore Nb 3 Sn e una matrice di rame, operando ad una temperatura di elio liquido (4,2 K). Lo sviluppo della tecnologia per ottenere la superconduttività ad alta temperatura può consentire di eliminare il raffreddamento delle bobine con elio liquido e passare, ad esempio, a un metodo di raffreddamento più economico. nitrogeno liquido. Il design del reattore non cambierà in modo significativo. Bobine di campo poloidale 11 sono anche superconduttori e, insieme al magn. il campo di corrente del plasma crea una configurazione di equilibrio del campo magnetico poloidale. campi con uno o due poloidali subacquei zero 10, serve per rimuovere il calore dal plasma sotto forma di un flusso di carica. particelle e per il pompaggio dei prodotti di reazione neutralizzati sulle piastre deviatori: elio e protio. In T. p. con il carburante D 3 He, le piastre deviatori possono fungere da uno degli elementi del sistema di conversione dell'energia diretta della carica. prodotti di reazione in elettricità. criostato 6 serve a raffreddare le bobine superconduttrici alla temperatura dell'elio liquido o a una temperatura più elevata quando si utilizzano superconduttori ad alta temperatura più avanzati. Camera sottovuoto 4 e mezzi di pompaggio 5 sono atti ad ottenere un alto vuoto nella camera di lavoro del reattore, in cui si crea plasma 3, e in tutti i volumi ausiliari, compreso il criostato.

Come primo passo verso la creazione dell'ingegneria termonucleare, sembra che la centrale termonucleare operi con una miscela DT a causa della velocità di reazione più elevata rispetto ad altre reazioni di fusione. In futuro, la possibilità di creare un T. p. su una miscela di D con 3 He, in Krom DOS. l'energia viene caricata. prodotti di reazione, mentre i neutroni sorgono solo nelle reazioni DD e DT quando il trizio generato nelle reazioni DD si brucia. Di conseguenza, biol. pericolo T. p. può essere, a quanto pare, ridotto da quattro a cinque ordini di grandezza rispetto a reattori nucleari divisione, non c'è bisogno di industriale. trattamento radioattivo. materiali e il loro trasporto, lo smaltimento dell'atto radioattivo è qualitativamente semplificato. sciupare. Tuttavia, le prospettive per la creazione di un T. p. su una miscela di D con 3 Non complicato dal problema delle materie prime: naturale. Le concentrazioni dell'isotopo 3 He sulla Terra sono milionesimi dell'isotopo 4 He. Pertanto, c'è una questione difficile, ad esempio, sull'ottenimento di materie prime. consegnandolo dalla luna.

laser,

Diciamo che metteremo il sole in una scatola. L'idea è carina. Il problema è che non sappiamo come fare la scatola.

Pierre Gilles de Gennes
Premio Nobel francese

Tutti i dispositivi elettronici e le macchine hanno bisogno di energia e l'umanità ne consuma molta. Ma i combustibili fossili stanno finendo e l'energia alternativa non è ancora abbastanza efficiente.
C'è un modo per ottenere energia, ideale per tutte le esigenze: Fusion. Reazione fusione termonucleare(la conversione dell'idrogeno in elio e il rilascio di energia) avviene costantemente nel sole e questo processo fornisce energia al pianeta sotto forma di luce solare. Devi solo simularlo sulla Terra, su scala ridotta. Basta fornire alta pressione e temperatura molto alta (10 volte superiore a quella del Sole) e si avvierà la reazione di fusione. Per creare tali condizioni, è necessario costruire un reattore termonucleare. Utilizzerà risorse più abbondanti sulla terra, sarà più sicuro e più potente delle centrali nucleari convenzionali. Per più di 40 anni si è tentato di costruirlo e si sono fatti esperimenti. A l'anno scorso uno dei prototipi è persino riuscito a ottenere più energia di quella spesa. I progetti più ambiziosi in questo settore sono presentati di seguito:

Progetti statali

Recentemente, la massima attenzione pubblica è stata data a un altro progetto di un reattore termonucleare: lo stellarator Wendelstein 7-X (lo stellarator è più complicato in termini di dispositivo interno rispetto a ITER, che è un tokamak). Dopo aver speso poco più di 1 miliardo di dollari, gli scienziati tedeschi hanno costruito un modello dimostrativo ridotto del reattore in 9 anni entro il 2015. Se funziona bene, verrà creata una versione più grande.

Il MegaJoule Laser in Francia sarà il laser più potente al mondo e cercherà di far avanzare un metodo per costruire un reattore a fusione basato sull'uso dei laser. La messa in servizio dell'impianto francese è prevista per il 2018.

NIF (impianto di accensione nazionale) è stato costruito negli Stati Uniti in 12 anni e 4 miliardi di dollari entro il 2012. Si aspettavano di testare la tecnologia e poi costruire immediatamente un reattore, ma si è scoperto che, secondo Wikipedia, è necessario un lavoro considerevole se il sistema deve sempre raggiungere l'accensione. Di conseguenza, i piani grandiosi furono annullati e gli scienziati iniziarono a migliorare gradualmente il laser. La sfida finale è aumentare l'efficienza del trasferimento di energia dal 7% al 15%. In caso contrario, il finanziamento del Congresso per questo metodo di realizzazione della sintesi potrebbe cessare.

Alla fine del 2015 è iniziata a Sarov la costruzione di un edificio per l'impianto laser più potente del mondo. Sarà più potente dell'attuale americano e del futuro francese e consentirà di effettuare gli esperimenti necessari alla costruzione della versione "laser" del reattore. Completamento dei lavori nel 2020.

La fusione laser-MagLIF con sede negli Stati Uniti è riconosciuta come un cavallo oscuro tra i metodi per ottenere la fusione termonucleare. Recentemente, questo metodo ha funzionato meglio del previsto, ma la potenza deve ancora essere aumentata di un fattore 1000. Ora il laser è in fase di aggiornamento e, entro il 2018, gli scienziati sperano di ottenere tutta l'energia che hanno speso. In caso di successo, verrà creata una versione più grande.

Nell'INP russo sono stati costantemente condotti esperimenti sul metodo delle "trappole aperte", che gli Stati Uniti hanno abbandonato negli anni '90. Di conseguenza, sono stati ottenuti indicatori considerati impossibili per questo metodo. Gli scienziati dell'INP ritengono che la loro installazione sia ora al livello del Wendelstein 7-X tedesco (Q=0,1), ma più economica. Ora stanno costruendo una nuova installazione per 3 miliardi di rubli

Il capo dell'Istituto Kurchatov ricorda costantemente i piani per costruire un piccolo reattore termonucleare in Russia: Ignitor. Secondo il piano, dovrebbe essere efficace quanto ITER, anche se meno. La sua costruzione avrebbe dovuto iniziare 3 anni fa, ma questa situazione è tipica dei grandi progetti scientifici.

Il tokamak cinese EAST all'inizio del 2016 è riuscito a raggiungere una temperatura di 50 milioni di gradi ea mantenerla per 102 secondi. Prima della costruzione di enormi reattori e laser, tutte le notizie sulla fusione erano così. Si potrebbe pensare che questa sia solo una competizione tra scienziati, che possono mantenere la temperatura sempre più alta più a lungo. Più alta è la temperatura del plasma e più a lungo è possibile mantenerla, più siamo vicini all'inizio della reazione di fusione. Ci sono dozzine di installazioni di questo tipo nel mondo, molte altre () () sono in costruzione in modo che il record EAST venga presto battuto. In sostanza, questi piccoli reattori stanno solo testando le apparecchiature prima di inviarle a ITER.

Lockheed Martin ha annunciato nel 2015 una svolta nell'energia da fusione che avrebbe consentito loro di costruire un reattore a fusione piccolo e mobile in 10 anni. Considerando che anche reattori commerciali molto grandi e per nulla mobili erano previsti non prima del 2040, la dichiarazione della società è stata accolta con scetticismo. Ma l'azienda ha molte risorse, quindi chissà. Un prototipo è previsto nel 2020.

La popolare startup della Silicon Valley Helion Energy ha il suo piano unico per ottenere la fusione nucleare. La società ha raccolto oltre 10 milioni di dollari e prevede di avere un prototipo entro il 2019.

L'oscura start-up Tri Alpha Energy ha recentemente ottenuto risultati impressionanti nel far progredire il suo metodo di fusione termonucleare (oltre 100 modi teorici per ottenere la fusione sono stati sviluppati dai teorici, il tokamak è semplicemente il più semplice e popolare). La società ha anche raccolto oltre 100 milioni di dollari in fondi di investitori.

Il progetto del reattore della startup canadese General Fusion è ancora più diverso dagli altri, ma gli sviluppatori ne sono fiduciosi e hanno raccolto oltre 100 milioni di dollari in 10 anni per costruire il reattore entro il 2020.

Startup dal Regno Unito - First light ha il sito più accessibile, formato nel 2014, e ha annunciato l'intenzione di utilizzare i dati scientifici più recenti per ottenere una fusione termonucleare a costi inferiori.

Gli scienziati del MIT hanno scritto un articolo che descrive un reattore a fusione compatto. Si affidano alle nuove tecnologie apparse dopo l'inizio della costruzione di tokamak giganti e promettono di completare il progetto in 10 anni. Non è ancora noto se avranno il via libera per iniziare i lavori. Anche se approvato, un articolo di una rivista è una fase ancora precedente rispetto a una startup.

La fusione è forse l'industria meno adatta al crowdfunding. Ma è con il suo aiuto, e anche con i finanziamenti della NASA, che Lawrenceville Plasma Physics costruirà un prototipo del suo reattore. Di tutti i progetti in corso, questo è il più simile alla frode, ma chissà, forse porteranno qualcosa di utile a questo grandioso lavoro.

ITER sarà solo un prototipo per la costruzione di un vero e proprio impianto DEMO, il primo reattore a fusione commerciale. Il suo lancio è ora previsto per il 2044 e questa è ancora una previsione ottimistica.

Ma ci sono piani per la fase successiva. Un reattore termonucleare ibrido riceverà energia sia dal decadimento di un atomo (come una centrale nucleare convenzionale) che dalla fusione. In questa configurazione, l'energia può essere 10 volte superiore, ma la sicurezza è inferiore. La Cina prevede di costruire un prototipo entro il 2030, ma gli esperti dicono che è come provare ad assemblare auto ibride prima dell'invenzione del motore a combustione interna.

Risultato

Non mancano le persone disposte a portare una nuova fonte di energia nel mondo. Il progetto ITER ha le migliori possibilità, data la sua portata e il suo finanziamento, ma altri metodi, oltre ai progetti privati, non dovrebbero essere scartati. Gli scienziati hanno lavorato per decenni per lanciare una reazione di fusione senza successo speciale. Ma ora ci sono più progetti che mai per ottenere una reazione termonucleare. Anche se ciascuno di essi fallisce, verranno effettuati nuovi tentativi. È improbabile che ci riposiamo finché non illuminiamo una versione in miniatura del Sole, qui sulla Terra.

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Per molto tempo trudnopisaka ha chiesto di scrivere un post su un reattore a fusione in costruzione. Scopri i dettagli interessanti della tecnologia, scopri perché questo progetto sta impiegando così tanto tempo per essere implementato. Finalmente ho il materiale. Conosciamo i dettagli del progetto.

Come tutto è cominciato. La “sfida energetica” è nata dalla combinazione dei seguenti tre fattori:

1. L'umanità ora consuma un'enorme quantità di energia.

L'attuale consumo energetico mondiale è di circa 15,7 terawatt (TW). Dividendo questo valore per la popolazione del pianeta, otteniamo circa 2400 watt per persona, che possono essere facilmente stimati e immaginati. L'energia consumata da ogni abitante della Terra (compresi i bambini) corrisponde al funzionamento continuo di 24 lampade elettriche da cento watt. Tuttavia, il consumo di questa energia in tutto il pianeta è molto irregolare, poiché è molto elevato in diversi paesi e trascurabile in altri. Il consumo (in termini di persona) è di 10,3 kW negli USA (uno dei valori record), 6,3 kW in Federazione Russa, 5,1 kW nel Regno Unito, ecc., ma d'altra parte sono solo 0,21 kW in Bangladesh (solo il 2% del consumo statunitense!).

2. Il consumo mondiale di energia sta aumentando drammaticamente.

Secondo le previsioni dell'Agenzia Internazionale dell'Energia (2006), il consumo mondiale di energia dovrebbe aumentare del 50% entro il 2030. I paesi sviluppati, ovviamente, potrebbero fare benissimo senza energia aggiuntiva, ma questa crescita è necessaria per far uscire la popolazione dalla povertà. paesi in via di sviluppo, dove 1,5 miliardi di persone sperimentano una grave carenza di elettricità.

3. Attualmente, l'80% dell'energia mondiale è generata dalla combustione di combustibili fossili(petrolio, carbone e gas), il cui utilizzo:
a) comporta potenzialmente il rischio di cambiamenti ambientali catastrofici;
b) deve inevitabilmente finire un giorno.

Da quanto detto è chiaro che già adesso bisogna prepararsi alla fine dell'era dell'uso dei combustibili fossili.

Attualmente, le centrali nucleari ricevono su larga scala l'energia rilasciata durante le reazioni di fissione dei nuclei atomici. La creazione e lo sviluppo di tali stazioni dovrebbe essere incoraggiata in ogni modo possibile, tuttavia, va tenuto conto del fatto che le riserve di uno dei materiali più importanti per il loro funzionamento (l'uranio a basso costo) possono anche essere completamente esaurite entro i prossimi 50 anni. Le possibilità dell'energia basata sulla fissione nucleare possono (e dovrebbero) essere notevolmente ampliate attraverso l'uso di cicli energetici più efficienti, che possono quasi raddoppiare la quantità di energia prodotta. Per lo sviluppo dell'energia in questa direzione, è necessario realizzare dei reattori sul torio (i cosiddetti reattori autofertilizzanti del torio o reattori autofertilizzanti), in cui durante la reazione viene prodotto più torio dell'uranio originario, per cui il la quantità totale di energia ricevuta per una data quantità di sostanza aumenta di 40 volte. Sembra anche promettente creare allevatori di plutonio a neutroni veloci, che sono molto più efficienti reattori all'uranio e ti permettono di ottenere 60 volte più energia. Forse, per lo sviluppo di queste aree, sarà necessario sviluppare nuovi metodi non standard per ottenere l'uranio (ad esempio, da acqua di mare che sembra essere il più accessibile).

Centrali a fusione

La figura mostra un diagramma schematico (non in scala) del dispositivo e il principio di funzionamento di una centrale termonucleare. Nella parte centrale è presente una camera toroidale (a forma di ciambella) con un volume di circa 2000 m3 riempita con plasma di trizio-deuterio (T-D) riscaldato ad una temperatura superiore a 100 M°C. I neutroni prodotti durante la reazione di fusione (1) escono dalla "bottiglia magnetica" e cadono nel guscio mostrato in figura con uno spessore di circa 1 m.

All'interno del guscio, i neutroni si scontrano con gli atomi di litio, provocando una reazione con la formazione di trizio:

neutrone + litio → elio + trizio

Inoltre, nel sistema si verificano reazioni concorrenti (senza formazione di trizio), nonché molte reazioni con rilascio di neutroni aggiuntivi, che portano anche alla formazione di trizio (in questo caso, il rilascio di neutroni aggiuntivi può essere notevolmente migliorato, ad esempio, introducendo atomi di berillio nel guscio e piombo). La conclusione generale è che questa struttura potrebbe (almeno teoricamente) essere una reazione di fusione nucleare che produrrebbe trizio. In questo caso, la quantità di trizio formata non dovrebbe solo soddisfare le esigenze dell'impianto stesso, ma anche essere leggermente maggiore, il che consentirà di fornire trizio ai nuovi impianti. È questo concetto operativo che deve essere testato e implementato nel reattore ITER descritto di seguito.

Inoltre, i neutroni devono riscaldare il guscio nei cosiddetti impianti pilota (che utilizzeranno materiali strutturali relativamente "ordinari") ad una temperatura di circa 400°C. In futuro, si prevede di creare installazioni migliorate con una temperatura di riscaldamento del guscio superiore a 1000°C, che può essere raggiunta attraverso l'uso dei più recenti materiali ad alta resistenza (come i compositi al carburo di silicio). Il calore rilasciato nel mantello, come nelle stazioni tradizionali, viene prelevato dal circuito frigorifero primario con un liquido di raffreddamento (contenente, ad esempio, acqua o elio) e trasferito al circuito secondario, dove viene prodotto vapore acqueo e fornito alle turbine.

1985 - L'Unione Sovietica propone l'impianto Tokamak di nuova generazione, avvalendosi dell'esperienza dei quattro paesi leader nella realizzazione di reattori termonucleari. Gli Stati Uniti d'America, insieme al Giappone e alla Comunità Europea, hanno avanzato una proposta per l'attuazione del progetto.

La Francia sta attualmente costruendo l'International Tokamak Experimental Reactor (ITER), descritto di seguito, che sarà il primo tokamak in grado di "accendere" il plasma.

Gli impianti di tipo tokamak più avanzati esistenti hanno da tempo raggiunto temperature dell'ordine di 150 M°C, vicine a quelle richieste per il funzionamento di un impianto a fusione, ma il reattore ITER dovrebbe essere la prima centrale elettrica su larga scala progettata per operazione a termine. In futuro sarà necessario migliorare significativamente i parametri del suo funzionamento, che richiederanno, prima di tutto, un aumento della pressione nel plasma, poiché la velocità di fusione nucleare a una data temperatura è proporzionale al quadrato di la pressione. Il principale problema scientifico in questo caso è legato al fatto che quando la pressione nel plasma aumenta, sorgono instabilità molto complesse e pericolose, cioè modalità di funzionamento instabili.

Perchè ne abbiamo bisogno?

Il principale vantaggio della fusione nucleare è che richiede solo una quantità molto piccola di sostanze naturali come combustibile. La reazione di fusione nucleare negli impianti descritti può portare al rilascio di enormi quantità di energia, dieci milioni di volte superiori al normale rilascio di calore da reazioni chimiche(come bruciare combustibili fossili). A titolo di confronto, segnaliamo che la quantità di carbone necessaria per far funzionare una centrale termoelettrica con una capacità di 1 gigawatt (GW) è di 10.000 tonnellate al giorno (dieci vagoni ferroviari), e un impianto di fusione della stessa capacità consumerà solo circa 1 chilogrammo di una miscela D+T al giorno. .

Il deuterio è un isotopo stabile dell'idrogeno; in circa una molecola su 3350 di acqua ordinaria, uno degli atomi di idrogeno è sostituito dal deuterio (eredità ereditata da Big Bang). Questo fatto rende facile organizzare una produzione abbastanza economica della quantità richiesta di deuterio dall'acqua. È più difficile ottenere il trizio, che è instabile (l'emivita è di circa 12 anni, per cui il suo contenuto in natura è trascurabile), tuttavia, come mostrato sopra, il trizio sorgerà direttamente all'interno dell'impianto termonucleare durante il funzionamento, per la reazione dei neutroni con il litio.

Pertanto, il combustibile iniziale per un reattore termonucleare è litio e acqua. Il litio è un metallo comune ampiamente utilizzato negli elettrodomestici (batterie per telefoni cellulari, ecc.). L'impianto sopra descritto, pur con un rendimento imperfetto, sarà in grado di produrre 200.000 kWh di energia elettrica, equivalenti all'energia contenuta in 70 tonnellate di carbone. La quantità necessaria di litio è contenuta in una batteria del computer e la quantità di deuterio è contenuta in 45 litri di acqua. Il valore di cui sopra corrisponde al consumo corrente di elettricità (in termini di una persona) nei paesi dell'UE per 30 anni. Il fatto stesso che una quantità così insignificante di litio possa fornire la generazione di una tale quantità di elettricità (senza emissioni di CO2 e senza il minimo inquinamento dell'atmosfera) è un argomento abbastanza serio per lo sviluppo più rapido e vigoroso dell'energia termonucleare (nonostante tutte le difficoltà ei problemi) e anche senza una fiducia al cento per cento nel successo di tale ricerca.

Il deuterio dovrebbe durare milioni di anni e le riserve di litio facilmente estratte sono abbastanza sufficienti per soddisfare il fabbisogno per centinaia di anni. Anche se il litio si riserva rocce si esaurisce, possiamo estrarlo dall'acqua, dove si trova in una concentrazione sufficientemente alta (100 volte quella dell'uranio) da renderlo economicamente conveniente per l'estrazione.

Un reattore termonucleare sperimentale (reattore sperimentale termonucleare internazionale) è in costruzione vicino alla città di Cadarache in Francia. Il compito principale del progetto ITER è l'implementazione di una reazione di fusione termonucleare controllata su scala industriale.

Per unità di peso di combustibile termonucleare, si ottiene circa 10 milioni di volte più energia che bruciando la stessa quantità di combustibile organico e circa cento volte di più che fissione nuclei di uranio nei reattori delle centrali nucleari attualmente in funzione. Se i calcoli di scienziati e designer sono giustificati, ciò darà all'umanità una fonte inesauribile di energia.

Pertanto, un certo numero di paesi (Russia, India, Cina, Corea, Kazakistan, USA, Canada, Giappone, paesi dell'UE) hanno unito i loro sforzi per creare l'International Thermonuclear Research Reactor, un prototipo di nuove centrali elettriche.

ITER è un'installazione che crea le condizioni per la sintesi di atomi di idrogeno e trizio (un isotopo dell'idrogeno), con conseguente formazione di un nuovo atomo: l'atomo di elio. Questo processo è accompagnato da un'enorme ondata di energia: la temperatura del plasma in cui avviene la reazione termonucleare è di circa 150 milioni di gradi Celsius (per confronto, la temperatura del nucleo del Sole è di 40 milioni di gradi). In questo caso, gli isotopi si esauriscono, lasciando quasi no scorie radioattive.
Lo schema di partecipazione al progetto internazionale prevede la fornitura di componenti del reattore e il finanziamento della sua costruzione. In cambio, ciascuno dei paesi partecipanti riceve pieno accesso a tutte le tecnologie per la creazione di un reattore termonucleare e ai risultati di tutto il lavoro sperimentale su questo reattore, che servirà come base per la progettazione di reattori termonucleari seriali di potenza.

Il reattore, basato sul principio della fusione termonucleare, non ha radiazioni radioattive ed è completamente sicuro ambiente. Può essere localizzato quasi ovunque nel mondo e l'acqua ordinaria funge da carburante. La costruzione di ITER dovrebbe richiedere circa dieci anni, dopodiché il reattore dovrebbe essere utilizzato per 20 anni.

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Gli interessi della Russia nel Consiglio dell'Organizzazione internazionale per la costruzione del reattore termonucleare ITER nei prossimi anni saranno rappresentati dal membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa Mikhail Kovalchuk, direttore dell'Istituto Kurchatov, dell'Istituto di cristallografia dell'Accademia russa delle Scienze e Segretario Scientifico del Consiglio di Presidenza per la Scienza, la Tecnologia e l'Istruzione. Kovalchuk sostituirà temporaneamente in questo incarico l'accademico Yevgeny Velikhov, che è stato eletto Presidente del Consiglio internazionale di ITER per i prossimi due anni e non ha il diritto di combinare questa posizione con le funzioni di rappresentante ufficiale di un paese partecipante.

Il costo totale di costruzione è stimato in 5 miliardi di euro, e lo stesso importo sarà richiesto per il funzionamento di prova del reattore. Le azioni di India, Cina, Corea, Russia, Stati Uniti e Giappone rappresentano ciascuna circa il 10% del valore totale, con il 45% rappresentato dai paesi dell'Unione Europea. Tuttavia, mentre gli stati europei non hanno concordato come esattamente saranno distribuiti i costi tra di loro. Per questo motivo, l'inizio dei lavori è stato posticipato ad aprile 2010. Nonostante un altro ritardo, scienziati e funzionari coinvolti nella creazione di ITER affermano che saranno in grado di completare il progetto entro il 2018.

La potenza termonucleare stimata di ITER è di 500 megawatt. Le singole parti dei magneti raggiungono un peso da 200 a 450 tonnellate. Per raffreddare ITER saranno necessari 33.000 metri cubi di acqua al giorno.

Nel 1998, gli Stati Uniti hanno smesso di finanziare la loro partecipazione al progetto. Dopo che i repubblicani sono saliti al potere nel paese e sono iniziati i blackout in California, l'amministrazione Bush ha annunciato un aumento degli investimenti energetici. Gli Stati Uniti non intendevano partecipare al progetto internazionale ed erano impegnati nel proprio progetto termonucleare. All'inizio del 2002, il consigliere tecnologico del presidente Bush, John Marburger III, annunciò che gli Stati Uniti avevano cambiato idea e intendevano tornare al progetto.

Il progetto in termini di numero di partecipanti è paragonabile a quello di un altro grande internazionale progetto scientifico- Internazionale stazione Spaziale. Il costo di ITER, che prima raggiungeva gli 8 miliardi di dollari, è stato poi inferiore ai 4 miliardi. A seguito del ritiro degli Stati Uniti, si decise di ridurre la potenza del reattore da 1,5 GW a 500 MW. Di conseguenza, il prezzo del progetto "ha perso peso".

Nel giugno 2002 si è tenuto nella capitale russa il simposio "ITER Days in Moscow". Sono stati discussi i problemi teorici, pratici e organizzativi del rilancio del progetto, il cui successo può cambiare il destino dell'umanità e dargli un nuovo tipo di energia, in termini di efficienza ed economia paragonabile solo all'energia solare.

Nel luglio 2010, i rappresentanti dei paesi partecipanti al progetto del reattore termonucleare internazionale ITER ne hanno approvato il budget ei tempi di costruzione in una riunione straordinaria tenutasi a Cadarache, in Francia. .

Nell'ultimo incontro straordinario, i partecipanti al progetto hanno approvato la data di inizio dei primi esperimenti con il plasma - 2019. Le prove complete sono previste per marzo 2027, anche se la direzione del progetto ha chiesto al personale tecnico di cercare di ottimizzare il processo e avviare le prove nel 2026. I partecipanti alla riunione hanno anche deciso i costi per la costruzione del reattore, tuttavia non sono stati resi noti gli importi previsti per la realizzazione dell'impianto. Secondo le informazioni ricevute dall'editore del portale ScienceNOW da una fonte anonima, quando inizieranno gli esperimenti, il costo del progetto ITER potrebbe essere di 16 miliardi di euro.

L'incontro a Cadarache è stato anche il primo giorno lavorativo ufficiale per il nuovo direttore del progetto, il fisico giapponese Osamu Motojima. Prima di lui, il progetto è stato guidato dal giapponese Kaname Ikeda dal 2005, che ha voluto lasciare l'incarico subito dopo l'approvazione del budget e dei tempi di costruzione.

Il reattore a fusione ITER è un progetto congiunto dei paesi dell'UE, Svizzera, Giappone, USA, Russia, Corea del Sud, Cina e India. L'idea di creare ITER è stata presa in considerazione sin dagli anni '80 del secolo scorso, tuttavia, a causa di difficoltà finanziarie e tecniche, il costo del progetto è in costante aumento e la data di inizio della costruzione viene costantemente posticipata. Nel 2009, gli esperti prevedevano che i lavori per la creazione del reattore sarebbero iniziati nel 2010. Successivamente, questa data è stata spostata e prima il 2018 e poi il 2019 sono stati chiamati l'ora di lancio del reattore.

Le reazioni di fusione sono reazioni di fusione di nuclei di isotopi leggeri con la formazione di un nucleo più pesante, che sono accompagnate da un enorme rilascio di energia. In teoria, i reattori a fusione possono produrre molta energia a basso costo, ma attualmente gli scienziati stanno spendendo molta più energia e denaro per avviare e mantenere una reazione di fusione.

La fusione è un modo economico ed ecologico per produrre energia. Per miliardi di anni, sul Sole si è verificata una fusione termonucleare incontrollata: l'elio è formato dall'isotopo pesante dell'idrogeno deuterio. Questo rilascia un'enorme quantità di energia. Tuttavia, le persone sulla Terra non hanno ancora imparato a controllare tali reazioni.

Gli isotopi dell'idrogeno saranno utilizzati come combustibile nel reattore ITER. Durante una reazione termonucleare, l'energia viene rilasciata quando gli atomi di luce si combinano per formare quelli più pesanti. Per ottenere ciò, è necessario riscaldare il gas a una temperatura di oltre 100 milioni di gradi, molto più alta della temperatura al centro del Sole. Il gas a questa temperatura si trasforma in plasma. Allo stesso tempo, gli atomi dell'isotopo di idrogeno si fondono, trasformandosi in atomi di elio con il rilascio di un gran numero di neutroni. Una centrale elettrica che funziona secondo questo principio utilizzerà l'energia dei neutroni moderata da uno strato materia densa(litio).

Perché la creazione di installazioni termonucleari ha richiesto così tanto tempo?

Perché non sono ancora state realizzate installazioni così importanti e di valore, i cui vantaggi sono stati discussi per quasi mezzo secolo? Ci sono tre ragioni principali (discusse di seguito), la prima delle quali può essere definita esterna o pubblica, e le altre due - interne, cioè dovute alle leggi e alle condizioni per lo sviluppo dell'energia termonucleare stessa.

1. Per molto tempo si è creduto che il problema dell'uso pratico dell'energia da fusione non richiedesse decisioni e azioni urgenti, poiché negli anni '80 del secolo scorso le fonti di combustibili fossili sembravano inesauribili e i problemi ambientali e i cambiamenti climatici non lo facevano riguardano il pubblico. Nel 1976, il comitato consultivo sull'energia da fusione presso il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha tentato di stimare i tempi di ricerca e sviluppo e la costruzione di una centrale elettrica a fusione dimostrativa nell'ambito di diverse opzioni di finanziamento della ricerca. Allo stesso tempo, si è scoperto che il volume dei finanziamenti annuali per la ricerca in questa direzione è del tutto insufficiente e, pur mantenendo il livello esistente di stanziamenti, la creazione di impianti termonucleari non avrà mai successo, poiché i fondi stanziati non corrispondono nemmeno al minimo livello critico.

2. Un ostacolo più serio allo sviluppo della ricerca in questo settore è che un impianto termonucleare del tipo in discussione non può essere creato e dimostrato su piccola scala. Dalle spiegazioni presentate di seguito, risulterà chiaro che la fusione termonucleare richiede non solo il confinamento magnetico del plasma, ma anche il suo riscaldamento sufficiente. Il rapporto tra energia spesa e ricevuta aumenta almeno in proporzione al quadrato delle dimensioni lineari dell'impianto, per cui le capacità e i vantaggi scientifici e tecnici degli impianti termonucleari possono essere testati e dimostrati solo in stazioni abbastanza grandi, tali come il reattore ITER sopra menzionato. La società semplicemente non era pronta a finanziare progetti così grandi fino a quando non ci fosse stata sufficiente fiducia nel successo.

3. Lo sviluppo dell'energia termonucleare è stato tuttavia molto complesso (malgrado i finanziamenti insufficienti e le difficoltà nella scelta dei centri per la realizzazione di impianti JET e ITER), negli ultimi anni si sono registrati evidenti progressi, sebbene non sia stata ancora creata una stazione operativa.

Il mondo moderno si trova ad affrontare una sfida energetica molto seria, che può essere più precisamente definita una "crisi energetica incerta". Il problema è legato al fatto che le riserve di combustibili fossili potrebbero esaurirsi nella seconda metà di questo secolo. Inoltre, la combustione di combustibili fossili può portare alla necessità di legare e "immagazzinare" in qualche modo ciò che viene rilasciato nell'atmosfera diossido di carbonio(il programma CCS di cui sopra) per prevenire gravi cambiamenti nel clima del pianeta.

Attualmente, quasi tutta l'energia consumata dall'uomo è prodotta dalla combustione di combustibili fossili e la soluzione del problema può essere associata all'uso dell'energia solare o nucleare (creazione di reattori autofertilizzanti veloci, ecc.). Problema globale, spinti dalla crescita demografica dei paesi in via di sviluppo e dalla loro necessità di migliorare il tenore di vita e aumentare la produzione di energia, non possono essere risolti solo sulla base degli approcci considerati, sebbene, ovviamente, dovrebbe essere incoraggiato qualsiasi tentativo di sviluppare metodi alternativi di generazione di energia .

In effetti, abbiamo una piccola scelta di strategie comportamentali e lo sviluppo dell'energia termonucleare è estremamente importante, anche se non vi è alcuna garanzia di successo. Il Financial Times (datato 25 gennaio 2004) ha scritto a riguardo:

Speriamo che non ci siano grandi e inaspettate sorprese sul modo di sviluppare l'energia termonucleare. In questo caso, tra circa 30 anni, saremo in grado di fornire per la prima volta corrente elettrica alle reti energetiche, e tra poco più di 10 anni entrerà in funzione la prima centrale termonucleare commerciale. È possibile che nella seconda metà del nostro secolo l'energia della fusione nucleare cominci a sostituire i combustibili fossili e cominci gradualmente a svolgere un ruolo sempre più importante nel fornire energia all'umanità su scala globale.

Non vi è alcuna garanzia assoluta che il compito di creare energia termonucleare (come fonte di energia efficiente e su larga scala per tutta l'umanità) sarà portato a termine con successo, ma la probabilità di successo in questa direzione è piuttosto alta. Considerando l'enorme potenziale delle centrali termonucleari, tutti i costi dei progetti per il loro rapido (e anche accelerato) sviluppo possono considerarsi giustificati, tanto più che questi investimenti appaiono molto modesti sullo sfondo di un mercato energetico mondiale mostruoso (4 trilioni di dollari l'anno8 ). Soddisfare i bisogni dell'umanità in termini di energia è un problema molto serio. Man mano che i combustibili fossili diventano sempre meno disponibili (inoltre, il loro uso diventa indesiderabile), la situazione sta cambiando e semplicemente non possiamo permetterci di non sviluppare l'energia da fusione.

Alla domanda "Quando apparirà l'energia termonucleare?" Lev Artsimovich (un riconosciuto pioniere e leader della ricerca in questo settore) una volta ha risposto che "sarà creato quando sarà davvero necessario per l'umanità"

ITER sarà il primo reattore a fusione a generare più energia di quanta ne consuma. Gli scienziati misurano questa caratteristica con un semplice fattore che chiamano "Q". Se ITER consentirà di raggiungere tutti gli obiettivi scientifici prefissati, produrrà 10 volte più energia di quella che consuma. L'ultimo dispositivo costruito, il "Joint European Tor" in Inghilterra, è un prototipo di reattore a fusione più piccolo che ha raggiunto un Q di quasi 1 nella fase finale della ricerca scientifica, il che significa che ha generato esattamente la stessa potenza che ha consumato. ITER lo supererà dimostrando la creazione di energia dalla fusione e raggiungendo un valore Q di 10. L'idea è quella di generare 500 MW con un consumo energetico di circa 50 MW. Pertanto, uno degli obiettivi scientifici di ITER è dimostrare che è possibile raggiungere un valore Q di 10.

Un altro obiettivo scientifico è che ITER avrà un tempo di "bruciatura" molto lungo, un impulso di durata maggiore fino a un'ora. ITER è un reattore sperimentale di ricerca che non può produrre energia in continuo. Quando ITER entrerà in funzione, sarà acceso per un'ora, dopodiché dovrà essere spento. Questo è importante perché fino ad ora i dispositivi standard che abbiamo creato sono stati in grado di avere un tempo di combustione di diversi secondi o addirittura decimi di secondo: questo è il massimo. Il "toro europeo articolare" ha raggiunto il suo valore Q di 1 con un tempo di combustione di circa due secondi con una durata dell'impulso di 20 secondi. Ma un processo che dura pochi secondi non è veramente permanente. Per analogia con l'avviamento del motore di un'auto: accendere il motore per un breve periodo e poi spegnerlo non è il vero funzionamento dell'auto. Solo quando guidi la tua auto per mezz'ora, entrerà in una modalità di funzionamento permanente e dimostrerà che un'auto del genere può davvero essere guidata.

Cioè, da un tecnico e punti scientifici visione, ITER fornirà un valore Q di 10 e un tempo di combustione aumentato.

Il programma di fusione termonucleare ha un carattere veramente internazionale e ampio. Le persone contano già sul successo di ITER e stanno pensando al prossimo passo: creare un prototipo di reattore termonucleare industriale chiamato DEMO. Per costruirlo è necessario che ITER funzioni. Dobbiamo raggiungere i nostri obiettivi scientifici, perché ciò significherà che le idee che proponiamo sono abbastanza fattibili. Tuttavia, sono d'accordo sul fatto che dovresti sempre pensare a cosa accadrà dopo. Inoltre, durante il funzionamento di ITER per 25-30 anni, le nostre conoscenze si approfondiranno e si amplieranno gradualmente e saremo in grado di delineare con maggiore precisione il nostro prossimo passo.

In effetti, non c'è dubbio sul fatto che ITER debba essere esattamente un tokamak. Alcuni studiosi pongono la domanda in modo abbastanza diverso: dovrebbe esserci ITER? Specialisti in paesi diversi, sviluppando i propri progetti termonucleari, non così su larga scala, sostengono che un reattore così grande non è affatto necessario.

Tuttavia, la loro opinione non vale la pena considerarla autorevole. I fisici che hanno lavorato con le trappole toroidali per diversi decenni sono stati coinvolti nella creazione di ITER. La progettazione del reattore termonucleare sperimentale di Karadash si è basata su tutte le conoscenze acquisite nel corso degli esperimenti su dozzine di precursori tokamak. E questi risultati indicano che il reattore deve avere un tokamak, e per di più uno grande.

JET Al momento, il tokamak di maggior successo può essere considerato JET, costruito dall'UE nella cittadina britannica di Abingdon. Questo è il più grande dei reattori di tipo tokamak creati fino ad oggi, l'ampio raggio del toro plasma è di 2,96 metri. La potenza della reazione termonucleare raggiunge già più di 20 megawatt con un tempo di ritenzione fino a 10 secondi. Il reattore restituisce circa il 40% dell'energia investita nel plasma.

È la fisica del plasma che determina il bilancio energetico", ha detto Igor Semenov a Infox.ru. Qual è il bilancio energetico, ha descritto il Professore Associato del MIPT semplice esempio: “Abbiamo visto tutti il ​​fuoco bruciare. In effetti, non c'è legna da ardere, ma gas. La catena energetica è la seguente: il gas brucia, la legna da ardere si riscalda, la legna da ardere evapora, il gas brucia di nuovo. Pertanto, se gettiamo acqua nel fuoco, prenderemo bruscamente energia dal sistema per la transizione di fase acqua liquida allo stato di vapore. Il saldo diventerà negativo, il fuoco si spegnerà. C'è un altro modo: possiamo semplicemente prendere e diffondere i tizzoni nello spazio. Si spegnerà anche il fuoco. Lo stesso vale per il reattore a fusione che stiamo costruendo. Le dimensioni sono scelte in modo da creare un bilancio energetico positivo appropriato per questo reattore. Sufficienti per costruire un vero e proprio TNPP in futuro, risolvendo in questa fase sperimentale tutti i problemi che attualmente restano irrisolti”.

Le dimensioni del reattore una volta cambiate. Ciò accadde a cavallo tra il 20° e il 21° secolo, quando gli Stati Uniti si ritirarono dal progetto e gli altri membri si resero conto che il budget di ITER (a quel tempo era stimato in 10 miliardi di dollari USA) era troppo grande. I fisici e gli ingegneri erano tenuti a ridurre il costo dell'installazione. E questo potrebbe essere fatto solo a scapito delle dimensioni. La "riprogettazione" di ITER è stata guidata dal fisico francese Robert Aymar, che in precedenza aveva lavorato al tokamak francese Tore Supra a Karadash. Il raggio esterno del toro plasma è stato ridotto da 8,2 metri a 6,3 metri. Tuttavia, i rischi associati al ridimensionamento sono stati in qualche modo compensati da alcuni magneti superconduttori aggiuntivi, che hanno permesso di implementare il regime di confinamento del plasma allora scoperto ed esplorato.

fonte
http://ehorussia.com
http://oko-planet.su

Si riferisce a "Energia di fusione"

Reattore termonucleare E.P. Velikhov, S.V. Putvinskij

ENERGIA TERMONUCLEARE.
STATUS E RUOLO A LUNGO TERMINE.

E.P. Velikhov, S.V. Putvinskij.
Rapporto del 22.10.1999, realizzato nell'ambito dell'Energy Center della World Federation of Scientists

annotazione

Questo articolo fornisce breve recensione all'avanguardia ricerca termonucleare e delinea le prospettive dell'energia termonucleare nel sistema energetico del 21° secolo. La recensione è destinata a una vasta gamma di lettori che hanno familiarità con le basi della fisica e dell'ingegneria.

Secondo i moderni concetti fisici, ci sono solo poche fonti fondamentali di energia che, in linea di principio, possono essere padroneggiate e utilizzate dall'umanità. Le reazioni di fusione nucleare sono una di queste fonti di energia. Nelle reazioni di fusione, l'energia viene prodotta a causa del lavoro delle forze nucleari eseguite durante la fusione di nuclei di elementi leggeri e la formazione di nuclei più pesanti. Queste reazioni sono diffuse in natura: si ritiene che l'energia delle stelle, incluso il Sole, sia prodotta a seguito di una catena di reazioni di fusione nucleare che trasformano quattro nuclei di un atomo di idrogeno in un nucleo di elio. Possiamo dire che il Sole è un grande reattore termonucleare naturale che fornisce energia al sistema ecologico della Terra.

Attualmente, oltre l'85% dell'energia prodotta dall'uomo è ottenuta dalla combustione di combustibili organici: carbone, petrolio e gas naturale. Questa fonte di energia a basso costo, dominata dall'uomo circa 200 - 300 anni fa, ha portato al rapido sviluppo della società umana, al suo benessere e, di conseguenza, alla crescita della popolazione terrestre. Si presume che a causa della crescita della popolazione e del consumo energetico più uniforme tra le regioni, la produzione di energia aumenterà entro il 2050 di circa tre volte rispetto al livello attuale e raggiungerà 10 21 J all'anno. Non c'è dubbio che nel prossimo futuro la prima fonte di energia - i combustibili fossili - dovrà essere sostituita da altri tipi di produzione di energia. Ciò avverrà sia per l'esaurimento delle risorse naturali sia per l'inquinamento ambientale, che, secondo gli esperti, dovrebbe verificarsi molto prima dello sviluppo di risorse naturali a basso costo (l'attuale metodo di produzione di energia utilizza l'atmosfera come discarica, gettando 17 milioni di tonnellate al giorno di anidride carbonica e altri gas associati alla combustione di combustibili). La transizione dai combustibili fossili all'energia alternativa su larga scala è prevista per la metà del 21° secolo. Si prevede che il futuro settore energetico sarà più esteso dell'attuale sistema energetico, utilizzando una varietà di fonti energetiche, comprese le energie rinnovabili, come l'energia solare, l'energia eolica, l'energia idroelettrica, la coltivazione e combustione di biomasse e l'energia nucleare. La quota di ciascuna fonte di energia e nella produzione totale di energia sarà determinata dalla struttura del consumo energetico e dall'efficienza economica di ciascuna di queste fonti energetiche.

Nella corrente società industriale più della metà dell'energia e viene utilizzata in modalità di consumo costante, indipendentemente dall'ora del giorno e dalla stagione. Le fluttuazioni giornaliere e stagionali si sovrappongono a questa potenza di base costante. Pertanto, il sistema energetico dovrebbe consistere in energia di base, che fornisce alla società energia a un livello costante o quasi permanente, e risorse energetiche che vengono utilizzate secondo necessità. Si prevede che le fonti di energia rinnovabile come l'energia solare, la combustione di biomasse, ecc. saranno utilizzate principalmente nella componente variabile del consumo di energia. Il principale e unico candidato per l'energia di base è l'energia nucleare. Al momento, per ottenere energia, sono state padroneggiate solo le reazioni di fissione nucleare, che vengono utilizzate nelle moderne centrali nucleari. La fusione termonucleare controllata, finora, è solo un potenziale candidato per l'energia di base.

Quali vantaggi ha la fusione termonucleare rispetto alle reazioni di fissione nucleare, che ci permettono di sperare in uno sviluppo su larga scala dell'energia termonucleare? La differenza principale e fondamentale risiede nell'assenza di scorie radioattive a vita lunga, tipica dei reattori a fissione nucleare. E sebbene la prima parete sia attivata dai neutroni durante il funzionamento di un reattore termonucleare, la scelta di idonei materiali strutturali a bassa attivazione apre la possibilità fondamentale di realizzare un reattore termonucleare in cui l'attività indotta della prima parete diminuirà fino a ridursi completamente livello di sicurezza trent'anni dopo lo spegnimento del reattore. Ciò significa che il reattore scaduto dovrà essere messo fuori servizio per soli 30 anni, dopodiché i materiali potranno essere riciclati e utilizzati in un nuovo reattore a fusione. Questa situazione è fondamentalmente diversa dai reattori a fissione, che producono scorie radioattive che richiedono trattamento e stoccaggio per decine di migliaia di anni. Oltre alla bassa radioattività, l'energia termonucleare ha riserve enormi, praticamente inesauribili di combustibile e altri materiali necessari sufficienti per la produzione di energia e per molte centinaia, se non migliaia di anni.

Sono stati questi vantaggi che hanno spinto i principali paesi nucleari ad avviare ricerche su larga scala sulla fusione termonucleare controllata a metà degli anni '50. A quel tempo, i primi test di successo delle bombe all'idrogeno erano già stati effettuati in Unione Sovietica e negli Stati Uniti, il che confermava la possibilità fondamentale di utilizzare l'energia e la fusione nucleare in condizioni terrestri. Fin dall'inizio, è diventato chiaro che la fusione termonucleare controllata non aveva applicazioni militari. Nel 1956 la ricerca è stata declassificata e da allora è stata svolta nell'ambito di un ampio cooperazione internazionale. La bomba all'idrogeno fu creata in pochi anni, e in quel momento sembrava che l'obiettivo fosse vicino, e che i primi grandi impianti sperimentali, costruiti alla fine degli anni '50, avrebbero ricevuto plasma termonucleare. Tuttavia, ci sono voluti più di 40 anni di ricerca per creare condizioni in cui il rilascio di energia termonucleare fosse paragonabile alla potenza di riscaldamento della miscela reagente. Nel 1997, il più grande impianto termonucleare, il TOKAMAK (JET) europeo, ha ricevuto 16 MW di potenza termonucleare e si è avvicinato a questa soglia.

Qual è stato il motivo di un tale ritardo? Si è scoperto che per raggiungere l'obiettivo, fisici e ingegneri hanno dovuto risolvere molti problemi di cui non avevano idea all'inizio del viaggio. Durante questi 40 anni è stata creata una scienza: la fisica del plasma, che ha permesso di comprendere e descrivere i complessi processi fisici che si verificano nella miscela reagente. Gli ingegneri hanno dovuto risolvere problemi altrettanto difficili, tra cui come creare un vuoto profondo in grandi volumi, selezionare e testare materiali strutturali adatti, sviluppare grandi magneti superconduttori, potenti laser e sorgenti di raggi X, sviluppare sistemi di alimentazione pulsata in grado di creare potenti fasci di particelle, sviluppare metodi di riscaldamento ad alta frequenza della miscela e molto altro.

La sezione 4 è dedicata a una rassegna della ricerca nel campo della fusione controllata magneticamente, che comprende sistemi a confinamento magnetico e sistemi pulsati. La maggior parte di questa recensione è dedicata ai più avanzati sistemi per il confinamento magnetico del plasma, dispositivi di tipo TOKAMAK.

Il volume di questa recensione ci permette di discutere solo gli aspetti più significativi della ricerca sulla fusione termonucleare controllata. Il lettore interessato ad uno studio più approfondito di vari aspetti di questo problema può essere consigliato di fare riferimento alla letteratura di revisione. Esiste una vasta letteratura sulla fusione termonucleare controllata. In particolare vanno citati sia i libri ormai divenuti classici, scritti dai fondatori della ricerca termonucleare controllata, sia pubblicazioni recentissime, come, ad esempio, che delineano lo stato attuale della ricerca termonucleare.

Sebbene ci siano molte reazioni di fusione nucleare che portano al rilascio di energia, ai fini pratici dell'uso dell'energia nucleare sono interessanti solo le reazioni elencate nella Tabella 1. Qui e di seguito utilizziamo la designazione standard degli isotopi dell'idrogeno: p - protone c massa atomica 1, D - deuterone, con una massa atomica di 2 e T - trizio, un isotopo con una massa di 3. Tutti i nuclei coinvolti in queste reazioni, ad eccezione del trizio, sono stabili. Il trizio è un isotopo radioattivo dell'idrogeno con un'emivita di 12,3 anni. Come risultato del decadimento β, si trasforma in He 3 , emettendo un elettrone a bassa energia. A differenza delle reazioni di fissione nucleare, le reazioni di fusione non producono frammenti radioattivi di lunga durata di nuclei pesanti, il che consente in linea di principio di creare un reattore "pulito" che non sia gravato dal problema dello stoccaggio a lungo termine delle scorie radioattive.

Tabella 1.
Reazioni nucleari di interesse per la fusione controllata

		produzione di energia, q, (MeV)
	D + T = He4 + n
	D + D = He3 + n
	D + He 3 = He 4 + p
	p + B 11 = 3He 4
	Li 6 + n = He 4 + T
	Li 7 + n \u003d He 4 + T + n

Tutte le reazioni in Tabella 1, tranne l'ultima, avvengono con rilascio di energia e sotto forma di energia cinetica e prodotti di reazione, q, che è indicato tra parentesi in unità di milioni di elettronvolt (MeV),
(1 eV = 1,6 10 –19 J = 11600 °K). Le ultime due reazioni svolgono un ruolo speciale nella fusione controllata: verranno utilizzate per produrre trizio, che non esiste in natura.

Le reazioni di fusione nucleare 1-5 hanno una velocità di reazione relativamente alta, che di solito è caratterizzata dalla sezione d'urto di reazione, σ. Le sezioni d'urto di reazione della tabella 1 sono mostrate in Fig. 1 in funzione dell'energia e delle particelle in collisione nel sistema del centro di massa.

σ

E,

Fig. 1. Sezioni trasversali di alcune reazioni termonucleari dalla tabella 1,
in funzione dell'energia e delle particelle nel sistema del centro di massa.

A causa della presenza della repulsione di Coulomb tra i nuclei, le sezioni d'urto per le reazioni e le particelle a bassa energia sono trascurabili e quindi, a temperatura ordinaria, una miscela di isotopi di idrogeno e altri atomi leggeri non reagisce praticamente. Affinché una di queste reazioni abbia una sezione trasversale apprezzabile, le particelle in collisione devono avere una grande energia cinetica. Quindi le particelle potranno superare la barriera di Coulomb, avvicinarsi a una distanza dell'ordine del nucleare e reagire. Ad esempio, la sezione trasversale massima per la reazione del deuterio con il trizio si ottiene con energie delle particelle di circa 80 KeV e affinché la miscela DT abbia un'elevata velocità di reazione, la sua temperatura deve essere sulla scala di cento milioni di gradi , T = 10 8 °K.

Il modo più semplice per generare energia e fusione nucleare che viene immediatamente in mente è usare un acceleratore di ioni e bombardare, diciamo, ioni trizio accelerati a un'energia e 100 keV, un bersaglio solido o gassoso contenente ioni deuterio. Tuttavia, gli ioni iniettati rallentano troppo velocemente, andando a scontrarsi con gli elettroni freddi del bersaglio, e non hanno il tempo di produrre energia sufficiente a coprire i costi energetici per la loro accelerazione, nonostante l'enorme differenza tra l'iniziale (circa 100 KeV) e energia prodotta nella reazione e (circa 10 MeV). In altre parole, con un tale “metodo” di produzione di energia e il rapporto di riproduzione dell'energia e,
Q fus = sintesi P / i costi P saranno inferiori a 1.

Per aumentare Q fus, gli elettroni bersaglio possono essere riscaldati. Quindi gli ioni veloci rallenteranno e Q fu aumenterà. Tuttavia, una resa positiva si ottiene solo a una temperatura target molto elevata, dell'ordine di diversi KeV. A tale temperatura l'iniezione di ioni veloci non è più fondamentale, c'è una quantità sufficiente di ioni termici energetici nella miscela, che a loro volta entrano in reazione. In altre parole, nella miscela si verificano reazioni termonucleari o fusione termonucleare.

La velocità delle reazioni termonucleari può essere calcolata integrando la sezione d'urto di reazione mostrata in Fig. 1 sulla funzione di distribuzione delle particelle di Maxwell all'equilibrio. Di conseguenza, è possibile ottenere la velocità di reazione K(T), che determina il numero di reazioni che si verificano per unità di volume, n 1 n 2 K(T), e, di conseguenza, la densità apparente di rilascio di energia e nella miscela reagente,

Pfus = q n 1 n 2 K(T) (1)

Nell'ultima formula n 1 n 2- concentrazioni in volume dei componenti reagenti, Tè la temperatura delle particelle che reagiscono e q- la resa energetica della reazione è riportata in Tabella 1.

Ad una temperatura elevata caratteristica della miscela reagente, la miscela è allo stato plasma, cioè è costituito da elettroni liberi e ioni caricati positivamente, che interagiscono tra loro a causa di campi elettromagnetici collettivi. I campi elettromagnetici autocoerenti con il movimento delle particelle di plasma determinano la dinamica del plasma e, in particolare, ne mantengono la quasi neutralità. Con una precisione molto elevata, la densità di carica degli ioni e degli elettroni nel plasma sono uguali tra loro, n e = Zn z , dove Z è la carica dello ione (per gli isotopi dell'idrogeno Z = 1). I componenti ionici ed elettronici si scambiano energia a causa delle collisioni di Coulomb e, a parametri plasmatici tipici per applicazioni termonucleari, le loro temperature sono approssimativamente uguali.

Per l'alta temperatura della miscela, devi pagare costi energetici aggiuntivi. Innanzitutto, dobbiamo prendere in considerazione la bremsstrahlung emessa dagli elettroni quando entrano in collisione con gli ioni:

La potenza di bremsstrahlung, così come la potenza delle reazioni termonucleari nella miscela, è proporzionale al quadrato della densità del plasma e, quindi, il rapporto P fus /P b dipende solo dalla temperatura del plasma. Bremsstrahlung, in contrasto con la potenza delle reazioni termonucleari, dipende debolmente dalla temperatura del plasma, il che porta alla presenza di un limite inferiore della temperatura del plasma, al quale la potenza delle reazioni termonucleari è uguale alla potenza di bremsstrahlung, P fus / P b = 1. A una temperatura inferiore alla soglia, la potenza delle perdite di bremsstrahlung supera il rilascio termonucleare di energia u, e quindi, in una miscela fredda, una resa di energia positiva u è impossibile. La miscela di deuterio e trizio ha la temperatura limite più bassa, ma anche in questo caso la temperatura della miscela dovrebbe superare i 3 KeV (3,5 10 7 °K). Le temperature di soglia per le reazioni DD e DHe 3 sono circa un ordine di grandezza superiori a quelle per la reazione DT. Per la reazione di un protone con il boro, il bremsstrahlung a qualsiasi temperatura supera la resa della reazione e quindi, per utilizzare questa reazione, sono necessarie trappole speciali in cui la temperatura dell'elettrone è inferiore alla temperatura degli ioni o la densità del plasma è così alta che la radiazione sia assorbita dalla miscela di lavoro.

Oltre all'elevata temperatura della miscela, per una resa di reazione positiva, è necessario che la miscela calda duri abbastanza a lungo perché avvengano le reazioni. In qualsiasi sistema termonucleare con dimensioni finite, ci sono canali aggiuntivi per la perdita di energia dal plasma (ad esempio, a causa della conduttività termica, emissione di impurità dalla linea, ecc.) Oltre a bremsstrahlung, la cui potenza non deve superare il rilascio di energia termonucleare . Nel caso generale, perdite di energia aggiuntive e possono essere caratterizzate dalla durata dell'energia del plasma t E , definita in modo tale che il rapporto 3nT / t E fornisca la perdita di potenza per unità di volume del plasma. Ovviamente, per una resa positiva, è necessario che la potenza di fusione superi la potenza delle perdite addizionali, P fus > 3nT / t E , che dà la condizione per il prodotto minimo della densità e della vita del plasma, nt E . Ad esempio, per una reazione DT è necessario che

nt E > 5 10 19 s/m 3 (3)

Questa condizione è solitamente chiamata criterio di Lawson (a rigor di termini, nel lavoro originale, il criterio di Lawson è stato derivato per uno schema specifico di un reattore termonucleare e, a differenza di (3), include l'efficienza di conversione dell'energia termica in energia elettrica). Nella forma in cui è scritto sopra, il criterio è praticamente indipendente dal sistema termonucleare ed è generalizzato condizione necessaria uscita positiva. Il criterio di Lawson per altre reazioni è uno o due ordini di grandezza superiore a quello della reazione DT e anche la temperatura di soglia è più alta. La vicinanza del dispositivo al raggiungimento di un'uscita positiva è solitamente rappresentata sul piano T - nt E , mostrato in Fig.2.

nt E

Fig.2. Regione con una resa di reazione nucleare positiva sul piano T-nt E.
Vengono mostrati i risultati di varie strutture sperimentali per il confinamento del plasma termonucleare.

Si può vedere che le reazioni DT sono implementate più facilmente: richiedono una temperatura del plasma significativamente inferiore rispetto alle reazioni DD e impongono condizioni meno rigorose al suo confinamento. Il moderno programma termonucleare è finalizzato all'implementazione della fusione DT controllata.

Pertanto, le reazioni termonucleari controllate sono, in linea di principio, possibili e il compito principale della ricerca termonucleare è lo sviluppo di un dispositivo pratico che possa competere economicamente con altre fonti di energia.

Tutti i dispositivi inventati in 50 anni possono essere suddivisi in due grandi classi: 1) sistemi stazionari o quasi stazionari basati sul confinamento magnetico del plasma caldo; 2) sistemi ad impulsi. Nel primo caso, la densità del plasma è bassa e il criterio di Lawson è ottenuto grazie al buon confinamento dell'energia nel sistema, ad es. lunga durata del plasma energetico. Pertanto, i sistemi con confinamento magnetico hanno una dimensione del plasma caratteristica dell'ordine di diversi metri e una densità del plasma relativamente bassa, n ~ 10 20 m -3 (questo è circa 10 5 volte inferiore alla densità degli atomi a pressione normale e temperatura ambiente ).

Nei sistemi pulsati, il criterio di Lawson si ottiene comprimendo bersagli termonucleari con radiazioni laser o raggi X e creando una miscela con alta densità. La durata nei sistemi pulsati è breve ed è determinata dalla libera espansione del target. La principale sfida fisica in questa direzione della fusione termonucleare controllata è ridurre l'energia totale e l'esplosione a un livello tale da rendere possibile la realizzazione di un pratico reattore termonucleare.

Entrambi i tipi di sistemi sono già vicini alla realizzazione di macchine sperimentali con uscita di energia positiva e Q fus > 1, in cui verranno testati i principali elementi dei futuri reattori a fusione. Tuttavia, prima di passare a una discussione sui dispositivi a fusione, considereremo il ciclo del combustibile di un futuro reattore a fusione, che è ampiamente indipendente dalla progettazione specifica del sistema.

	grande raggio, R(m)	piccolo raggio, un(m)	Corrente plasmatica, io p (MA)				Caratteristiche della macchina
							Plasma DT, deviatore
							Deviatore, fasci di atomi neutri energetici
							Sistema magnetico superconduttore (Nb 3 Sn)
							Sistema magnetico superconduttore (NbTi)

1) TOKAMAK T-15 ha finora operato solo in regime di riscaldamento ohmico del plasma e, pertanto, i parametri plasma ottenuti su questa struttura sono piuttosto bassi. In futuro, si prevede di introdurre 10 MW di iniezione neutra e 10 MW di riscaldamento a ciclotrone elettronico.

2) Il Q fus dato viene ricalcolato dai parametri del plasma DD ottenuto nel setup al plasma DT.

E sebbene il programma sperimentale su questi TOKAMAK non sia stato ancora completato, questa generazione di macchine ha praticamente svolto i compiti assegnati. TOKAMAKS JET e TFTR hanno ricevuto per la prima volta una grande potenza termonucleare di reazioni DT nel plasma, 11 MW in TFTR e 16 MW in JET. La figura 6 mostra le dipendenze temporali della potenza termonucleare negli esperimenti DT.

Fig.6. Dipendenza dal tempo dell'energia termonucleare nelle scariche di deuterio-trizio da record nei tokamak JET e TFTR.

Questa generazione di TOKAMAK ha raggiunto il valore di soglia Q fus = 1 e ha ottenuto nt E solo diverse volte inferiore a quello richiesto per un reattore TOKAMAK a piena scala. In TOKAMAKS, hanno imparato a mantenere una corrente plasmatica stazionaria utilizzando campi RF e fasci neutri. È stata studiata la fisica del riscaldamento del plasma da parte di particelle veloci, comprese le particelle alfa termonucleari, è stato studiato il funzionamento del deviatore e sono state sviluppate modalità del suo funzionamento con bassi carichi termici. I risultati di questi studi hanno permesso di creare fondamenti fisici necessario per il passaggio successivo: il primo reattore TOKAMAK, che funzionerà nella modalità di combustione.

Quali sono le limitazioni fisiche sui parametri plasmatici in TOKAMAKS?

Pressione plasmatica massima in TOKAMAK o valore massimo β è determinato dalla stabilità del plasma ed è approssimativamente descritto dalla relazione di Troyon,

dove β espresso in %, Ipè la corrente che scorre nel plasma e β Nè una costante adimensionale chiamata coefficiente di Troyon. I parametri in (5) hanno le dimensioni MA, T, M. I valori massimi del coefficiente di Troyon β N= 3÷5 ottenuti negli esperimenti sono in buon accordo con le previsioni teoriche basate sui calcoli della stabilità del plasma. La Fig.7 mostra i valori limite β ottenuto in vari TOKAMAK.

Fig.7. Confronto dei valori limite β , ottenuto in esperimenti con il ridimensionamento di Troyon .

Quando il valore limite viene superato β , nel plasma TOKAMAK si sviluppano perturbazioni elicoidali su larga scala, il plasma si raffredda rapidamente e muore sulla parete. Questo fenomeno è chiamato interruzione del plasma.

Come si può vedere dalla Fig. 7, TOKAMAK è caratterizzato da valori piuttosto bassi β a livello di pochi punti percentuali. C'è una possibilità fondamentale per aumentare il valore β riducendo le proporzioni del plasma a valori estremamente bassi di R/ un= 1,3÷1,5. La teoria lo prevede in tali macchine β può raggiungere diverse decine di percento. Il primo TOKAMAK con un allungamento ultra basso, START, costruito qualche anno fa in Inghilterra, ha già ricevuto i valori β = 30%. D'altra parte, questi sistemi sono tecnicamente più esigenti e richiedono soluzioni tecniche speciali per la bobina toroidale, il deviatore e la protezione dei neutroni. Attualmente sono in costruzione diversi TOKAMAK sperimentali più grandi con proporzioni ridotte e corrente plasmatica superiore a 1 MA, più grandi di START. Si prevede che nei prossimi 5 anni, gli esperimenti forniranno dati sufficienti per capire se il previsto miglioramento dei parametri plasmatici sarà raggiunto e se può compensare difficoltà tecniche previsto in questa direzione.

Studi a lungo termine sul confinamento del plasma in TOKAMAKS hanno dimostrato che i processi di trasferimento di energia e di particelle attraverso il campo magnetico sono determinati da complessi processi turbolenti nel plasma. E sebbene le instabilità plasmatiche responsabili delle perdite di plasma anomale siano già state identificate, la comprensione teorica dei processi non lineari è ancora insufficiente per descrivere la vita del plasma in base ai primi principi. Pertanto, per estrapolare le durate del plasma ottenute in impianti moderni alla scala del reattore TOKAMAK, attualmente vengono utilizzate regolarità empiriche - ridimensionamenti. Uno di questi scaling (ITER-97(y)), ottenuto dall'elaborazione statistica del database sperimentale di vari TOKAMAK, prevede che la durata aumenta con la dimensione del plasma, R, corrente plasmatica Ip, allungamento della sezione trasversale del plasma k = b/ un= 4 e diminuisce all'aumentare della potenza di riscaldamento del plasma, Р:

t E ~ R 2 k 0,9 I p 0,9 / P 0,66

La dipendenza della durata dell'energia da altri parametri plasmatici è piuttosto debole. La Figura 8 mostra che la durata misurata in quasi tutti i TOKAMAK sperimentali è ben descritta da questo ridimensionamento.

Fig.8. Dipendenza della durata dell'energia osservata sperimentalmente dal ridimensionamento ITER-97(y) previsto.
La deviazione statistica media dei punti sperimentali dal ridimensionamento è del 15%.
Etichette diverse corrispondono a diversi TOKAMAK e al previsto reattore TOKAMAK ITER.

Questo ridimensionamento prevede che TOKAMAK, in cui si verificherà una combustione termonucleare autosufficiente, dovrebbe avere un ampio raggio di 7-8 me una corrente plasmatica di 20 MA. In un tale TOKAMAK, la durata dell'energia supererà i 5 secondi e la potenza delle reazioni termonucleari sarà al livello di 1-1,5 GW.

Nel 1998 è stato completato il progetto di ingegneria del reattore ITER TOKAMAK. Il lavoro è stato svolto dagli sforzi congiunti di quattro parti: Europa, Russia, Stati Uniti e Giappone al fine di creare il primo reattore sperimentale TOKAMAK, progettato per ottenere la combustione termonucleare di una miscela di deuterio e trizio. I principali parametri fisici e ingegneristici dell'installazione sono riportati nella Tabella 3 e la sua sezione trasversale è mostrata in Fig.9.

Fig.9. Vista generale del progetto del reattore TOKAMAK ITER.

ITER avrà già tutte le caratteristiche principali del reattore TOKAMAK. Avrà un sistema magnetico completamente superconduttore, una coperta raffreddata e una protezione contro le radiazioni di neutroni e un sistema per la manutenzione remota della struttura. Si presume che sulla prima parete si ottengano flussi di neutroni con una densità di potenza di 1 MW/m 2 e una fluenza totale di 0,3 MW yr/m 2 , il che consentirà di eseguire prove tecnologiche nucleari di materiali di copertura e moduli in grado di riprodurre il trizio.

Tabella 3
Principali parametri del primo reattore termonucleare sperimentale TOKAMAK, ITER.

Parametro	Significato
Raggi toroidali grandi / piccoli (A / un)	8,14 m / 2,80 m
Configurazione al plasma	Con un deviatore toroidale
Volume plasma
Corrente plasmatica
Campo magnetico toroidale	5,68 T (al raggio R = 8,14 m)
β
Piena potenza reazioni termonucleari
Flusso di neutroni sulla prima parete
Tempo di combustione
Potere di riscaldamento aggiuntivo plasma

La realizzazione di ITER è prevista nel 2010-2011. Il programma sperimentale, che proseguirà presso questo reattore sperimentale per circa vent'anni, fornirà i dati plasma-fisici e nucleare-tecnologici necessari per la realizzazione nel 2030-2035 della prima dimostrazione reattore TOKAMAK, che già produrrà elettricità. Il compito principale di ITER sarà quello di dimostrare la praticità del reattore TOKAMAK per la produzione di energia elettrica e.

Insieme a TOKAMAKS, che sono attualmente il sistema più avanzato per la fusione termonucleare controllata, ci sono altre trappole magnetiche che competono con successo con TOKAMAKS.

	Ampio raggio, R (m)	Raggio piccolo, a (m)	Potenza termica al plasma, (MW)	Campo magnetico, T	Commenti
L H D (Giappone)					Sistema magnetico superconduttore, deviatore elicoidale
WVII-X (Germania)					Sistema magnetico superconduttore, bobine modulari, configurazione magnetica ottimizzata

Oltre a TOKAMAKS e STELLARATOR, gli esperimenti, sebbene su scala ridotta, continuano su alcuni altri sistemi con configurazioni magnetiche chiuse. Tra questi, si dovrebbero notare pizzichi invertiti di campo, SPHEROMAK e tori compatti. I pinch di campo invertito hanno un campo magnetico toroidale relativamente basso. Nello SFEROMAK o nei tori compatti il ​​sistema magnetico toroidale è completamente assente. Di conseguenza, tutti questi sistemi promettono la possibilità di creare un plasma con un alto valore del parametro β e quindi potrebbe essere interessante in futuro per reattori a fusione compatti o reazioni alternative come DHe 3 o pB, dove è richiesto un campo basso per ridurre bremsstrahlung. Gli attuali parametri plasmatici raggiunti in queste trappole sono ancora significativamente inferiori a quelli ottenuti nei TOKAMAKS e negli STELLARATOR.

Nome dell'installazione	Tipo laser	Energia per impulso (kJ)	Lunghezza d'onda
			1.05 / 0.53 / 0.35
NIF (in costruzione negli USA)
ISKRA 5 (Russia)
DELFIN (Russia)
PHEBUS (Francia)
GEKKO HP (Giappone)			1.05 / 0.53 / 0.35

Uno studio dell'interazione della radiazione laser con la materia ha mostrato che la radiazione laser è ben assorbita dalla sostanza in evaporazione del guscio bersaglio fino alle densità di potenza richieste di 2÷4 · 10 14 W/cm 2 . Il coefficiente di assorbimento può raggiungere il 40÷80% e aumenta al diminuire della lunghezza d'onda della radiazione. Come accennato in precedenza, è possibile ottenere una grande resa termonucleare se la maggior parte del carburante rimane fredda durante la compressione. Ciò richiede che la compressione sia adiabatica, cioè Dovrebbe essere evitato il riscaldamento preliminare del bersaglio, che può verificarsi a causa della generazione di elettroni ad alta energia, onde d'urto o energia dura da radiazione laser. radiazioni a raggi X. Numerosi studi hanno dimostrato che questi effetti indesiderati possono essere ridotti profilando l'impulso di radiazione, ottimizzando le compresse e riducendo la lunghezza d'onda della radiazione. La figura 16, presa in prestito da , mostra i confini della regione sul piano densità di potenza - lunghezza d'onda laser adatti per la compressione del bersaglio.

Fig.16. La regione sul piano dei parametri in cui i laser sono in grado di spremere bersagli termonucleari (ombreggiati).

La prima struttura laser (NIF) con parametri laser sufficienti per ottenere l'accensione del bersaglio sarà costruita negli Stati Uniti nel 2002. La struttura consentirà di studiare la fisica della compressione del bersaglio, che avrà una resa termonucleare di livello 1- 20 MJ e, di conseguenza, consentirà di ottenere valori elevati Q>1.

Anche se i laser lo consentono ricerca di laboratorio in termini di compressione e accensione dei bersagli, il loro svantaggio è la bassa efficienza, che, finora, nella migliore delle ipotesi, raggiunge l'1-2%. A tali basse efficienze, la resa termonucleare del bersaglio deve superare 10 3 , che è un compito molto difficile. Inoltre, i laser in vetro hanno una bassa ripetibilità degli impulsi. Affinché i laser possano fungere da driver per una centrale a fusione, il loro costo deve essere ridotto di circa due ordini di grandezza. Pertanto, parallelamente allo sviluppo della tecnologia laser, i ricercatori si sono rivolti allo sviluppo di driver più efficienti: i fasci ionici.

fasci ionici

Attualmente si considerano due tipi di fasci ionici: fasci di ioni leggeri, di tipo Li, con energia di diverse decine di MeV, e fasci di ioni pesanti, di tipo Pb, con energie fino a 10 GeV. Per quanto riguarda le applicazioni dei reattori, in entrambi i casi è necessario fornire un'energia di diversi MJ ad un bersaglio con raggio di diversi millimetri in un tempo di circa 10 ns. È necessario non solo focalizzare il raggio, ma anche essere in grado di condurlo nella camera del reattore a una distanza dell'ordine di diversi metri dall'uscita dell'acceleratore al bersaglio, il che non è un compito facile per i fasci di particelle.

Fasci di ioni luminosi con un'energia di diverse decine di MeV possono essere creati con un'efficienza relativamente alta. utilizzando una tensione pulsata applicata al diodo. La moderna tecnologia pulsata consente di ottenere la potenza richiesta per comprimere i bersagli e, pertanto, i fasci di ioni di luce sono il candidato più economico per un driver. Gli esperimenti con gli ioni luminosi sono stati condotti per molti anni presso la struttura PBFA-11 presso il Sandiev National Laboratory negli Stati Uniti. La configurazione consente di creare impulsi brevi (15 ns) di ioni Li da 30 MeV con una corrente di picco di 3,5 MA e un'energia totale di circa 1 MJ. Al centro di un diodo sfericamente simmetrico è stato posto un involucro di materiale con una grande Z con un bersaglio all'interno, che ha permesso di ottenere un gran numero di fasci ionici diretti radialmente. L'energia ionica è stata assorbita nell'involucro dell'holraum e nel riempitivo poroso tra il bersaglio e l'involucro ed è stata convertita in raggi X morbidi che comprimono il bersaglio.

Doveva ottenere una densità di potenza superiore a 5 · 10 13 W/cm 2 , necessaria per la compressione e l'accensione dei bersagli. Tuttavia, le densità di potenza raggiunte erano circa un ordine di grandezza inferiore al previsto. In un reattore che utilizza ioni di luce come driver, sono necessari flussi colossali di particelle veloci con un'alta densità di particelle vicino al bersaglio. Concentrare tali raggi su bersagli millimetrici è un compito di grande complessità. Inoltre, gli ioni luminosi rallenteranno notevolmente nel gas residuo nella camera di combustione.

Il passaggio a ioni pesanti e ad alte energie delle particelle consente di mitigare sostanzialmente questi problemi e, in particolare, di ridurre le densità di corrente delle particelle e, quindi, di alleviare il problema della focalizzazione delle particelle. Tuttavia, per ottenere le particelle da 10 GeV richieste, sono necessari enormi acceleratori con accumulatori di particelle e altre sofisticate tecnologie di accelerazione. Assumiamo che l'energia totale del raggio sia 3 MJ, il tempo di impulso sia 10 ns e l'area su cui il raggio dovrebbe essere focalizzato sia un cerchio con un raggio di 3 mm. I parametri comparativi di ipotetici driver per la compressione target sono mostrati nella Tabella 6.

Tabella 6
Caratteristiche comparative driver su ioni leggeri e pesanti.

*) - nell'area di destinazione

Fasci di ioni pesanti, così come ioni leggeri, richiedono l'uso di un holraum, in cui l'energia degli ioni viene convertita in raggi X, che irradiano uniformemente il bersaglio stesso. La costruzione di un holraum a raggio ionico pesante differisce solo leggermente da quella di un holraum a raggio laser. La differenza sta nel fatto che i raggi non richiedono fori attraverso i quali i raggi laser penetrano nell'holraum. Pertanto, nel caso dei fasci, vengono utilizzati speciali assorbitori di particelle, che convertono la loro energia in raggi X. Una delle possibili opzioni è mostrata in Fig.14b. Si scopre che l'efficienza di conversione diminuisce con l'aumento dell'energia e degli ioni e con l'aumento delle dimensioni della regione su cui è focalizzato il fascio. Pertanto, un aumento di energia e particelle al di sopra di 10 GeV è inappropriato.

Allo stato attuale, sia in Europa che negli USA, si è deciso di concentrare gli sforzi principali sullo sviluppo di driver basati su fasci di ioni pesanti. Si presume che questi driver saranno sviluppati entro il 2010-2020 e, in caso di successo, sostituiranno i laser nella prossima generazione di installazioni NIF. Finora non esistono gli acceleratori necessari per la fusione inerziale. La principale difficoltà nel crearli è legata alla necessità di aumentare la densità di flusso delle particelle a un livello tale per cui la densità di carica spaziale degli ioni influisce già in modo significativo sulla dinamica e sulla focalizzazione delle particelle. Per ridurre l'effetto della carica spaziale, si propone di creare un gran numero di fasci paralleli, che saranno combinati nella camera del reattore e diretti al bersaglio. La dimensione caratteristica di un acceleratore lineare è di diversi chilometri.

Come dovrebbe condurre fasci di ioni su una distanza di diversi metri nella camera del reattore e focalizzarli su un'area di diversi millimetri? Uno degli schemi possibili è l'autofocalizzazione dei raggi, che può verificarsi in un gas a bassa pressione. Il raggio provocherà la ionizzazione del gas e una controcorrente di compensazione che fluirà attraverso il plasma. Il campo magnetico azimutale, creato dalla corrente risultante (la differenza tra la corrente del fascio e la corrente del plasma inversa), porterà alla compressione radiale del fascio e alla sua focalizzazione. La simulazione numerica mostra che, in linea di principio, un tale schema è possibile se la pressione del gas viene mantenuta nell'intervallo richiesto di 1-100 Torr.

E sebbene i fasci di ioni pesanti offrano la prospettiva di creare un driver efficiente per un reattore a fusione, devono affrontare enormi difficoltà tecniche che devono ancora essere superate prima che l'obiettivo sia raggiunto. Per le applicazioni termonucleari è necessario un acceleratore che creerà un fascio di ioni da 10 GeV con una corrente di picco di diverse decine di KA e con una potenza media di circa 15 MW. Il volume del sistema magnetico di un tale acceleratore è paragonabile al volume del sistema magnetico del reattore TOKAMAK e, quindi, ci si può aspettare che i loro costi saranno dello stesso ordine.

Camera del reattore di impulsi

A differenza di un reattore termonucleare magnetico, dove sono richiesti alto vuoto e purezza del plasma, tali requisiti non sono imposti alla camera di un reattore pulsato. Le principali difficoltà tecnologiche nella creazione di reattori pulsati risiedono nel campo della tecnologia dei driver, la creazione di bersagli e sistemi di precisione che consentono di alimentare e controllare la posizione del bersaglio nella camera. La stessa camera del reattore a impulsi ha un design relativamente semplice. La maggior parte dei progetti prevede l'uso di una parete liquida creata da un refrigerante aperto. Ad esempio, il progetto del reattore HYLIFE-11 utilizza sale fuso Li 2 BeF 4 , dal quale una cortina di liquido circonda la regione in cui entrano i bersagli. La parete liquida assorbirà la radiazione di neutroni e laverà via i resti dei bersagli. Smorza anche la pressione delle microesplosioni e la trasferisce uniformemente alla parete principale della camera. Il caratteristico diametro esterno della camera è di circa 8 m, la sua altezza è di circa 20 m.

La portata totale del vettore di calore liquido è stimata in circa 50 m 3 /s, il che è abbastanza ottenibile. Si presume che oltre al flusso stazionario principale, nella camera verrà realizzato uno smorzatore di liquido pulsato, che si aprirà sincronizzato con l'alimentazione del bersaglio a una frequenza di circa 5 Hz per far passare il fascio di ioni pesanti.

La precisione di alimentazione target richiesta è di frazioni di millimetri. È ovvio che la consegna passiva di un bersaglio su una distanza di diversi metri con tale precisione in una camera in cui si verificheranno flussi di gas turbolenti causati dalle esplosioni di bersagli precedenti è un compito praticamente impossibile. Pertanto, il reattore richiederà un sistema di controllo che consenta di tracciare la posizione del bersaglio e di eseguire la focalizzazione dinamica del raggio. In linea di principio, un tale compito è fattibile, ma può complicare notevolmente il controllo del reattore.

Diciamo che metteremo il sole in una scatola. L'idea è carina. Il problema è che non sappiamo come fare la scatola.

Pierre Gilles de Gennes
Premio Nobel francese

Tutti i dispositivi elettronici e le macchine hanno bisogno di energia e l'umanità ne consuma molta. Ma i combustibili fossili stanno finendo e l'energia alternativa non è ancora abbastanza efficiente.
C'è un modo per ottenere energia, ideale per tutte le esigenze: Fusion. La reazione di fusione (la conversione dell'idrogeno in elio e il rilascio di energia) avviene costantemente nel sole e questo processo fornisce energia al pianeta sotto forma di luce solare. Devi solo simularlo sulla Terra, su scala ridotta. Basta fornire alta pressione e temperatura molto alta (10 volte superiore a quella del Sole) e si avvierà la reazione di fusione. Per creare tali condizioni, è necessario costruire un reattore termonucleare. Utilizzerà risorse più abbondanti sulla terra, sarà più sicuro e più potente delle centrali nucleari convenzionali. Per più di 40 anni si è tentato di costruirlo e si sono fatti esperimenti. Negli ultimi anni, uno dei prototipi è persino riuscito a ottenere più energia di quella spesa. I progetti più ambiziosi in questo settore sono presentati di seguito:

Progetti statali

Recentemente, la massima attenzione pubblica è stata data a un altro progetto di un reattore termonucleare: lo stellarator Wendelstein 7-X (lo stellarator è più complicato nella sua struttura interna rispetto a ITER, che è un tokamak). Dopo aver speso poco più di 1 miliardo di dollari, gli scienziati tedeschi hanno costruito un modello dimostrativo ridotto del reattore in 9 anni entro il 2015. Se funziona bene, verrà creata una versione più grande.

Il MegaJoule Laser in Francia sarà il laser più potente al mondo e cercherà di far avanzare un metodo per costruire un reattore a fusione basato sull'uso dei laser. La messa in servizio dell'impianto francese è prevista per il 2018.

NIF (impianto di accensione nazionale) è stato costruito negli Stati Uniti in 12 anni e 4 miliardi di dollari entro il 2012. Si aspettavano di testare la tecnologia e poi costruire immediatamente un reattore, ma si è scoperto che, secondo Wikipedia, è necessario un lavoro considerevole se il sistema deve sempre raggiungere l'accensione. Di conseguenza, i piani grandiosi furono annullati e gli scienziati iniziarono a migliorare gradualmente il laser. La sfida finale è aumentare l'efficienza del trasferimento di energia dal 7% al 15%. In caso contrario, il finanziamento del Congresso per questo metodo di realizzazione della sintesi potrebbe cessare.

Alla fine del 2015 è iniziata a Sarov la costruzione di un edificio per l'impianto laser più potente del mondo. Sarà più potente dell'attuale americano e del futuro francese e consentirà di effettuare gli esperimenti necessari alla costruzione della versione "laser" del reattore. Completamento dei lavori nel 2020.

La fusione laser-MagLIF con sede negli Stati Uniti è riconosciuta come un cavallo oscuro tra i metodi per ottenere la fusione termonucleare. Recentemente, questo metodo ha funzionato meglio del previsto, ma la potenza deve ancora essere aumentata di un fattore 1000. Ora il laser è in fase di aggiornamento e, entro il 2018, gli scienziati sperano di ottenere tutta l'energia che hanno speso. In caso di successo, verrà creata una versione più grande.

Nell'INP russo sono stati costantemente condotti esperimenti sul metodo delle "trappole aperte", che gli Stati Uniti hanno abbandonato negli anni '90. Di conseguenza, sono stati ottenuti indicatori considerati impossibili per questo metodo. Gli scienziati dell'INP ritengono che la loro installazione sia ora al livello del Wendelstein 7-X tedesco (Q=0,1), ma più economica. Ora stanno costruendo una nuova installazione per 3 miliardi di rubli

Il capo dell'Istituto Kurchatov ricorda costantemente i piani per costruire un piccolo reattore termonucleare in Russia: Ignitor. Secondo il piano, dovrebbe essere efficace quanto ITER, anche se meno. La sua costruzione avrebbe dovuto iniziare 3 anni fa, ma questa situazione è tipica dei grandi progetti scientifici.

Il tokamak cinese EAST all'inizio del 2016 è riuscito a raggiungere una temperatura di 50 milioni di gradi ea mantenerla per 102 secondi. Prima della costruzione di enormi reattori e laser, tutte le notizie sulla fusione erano così. Si potrebbe pensare che questa sia solo una competizione tra scienziati, che possono mantenere la temperatura sempre più alta più a lungo. Più alta è la temperatura del plasma e più a lungo è possibile mantenerla, più siamo vicini all'inizio della reazione di fusione. Ci sono dozzine di installazioni di questo tipo nel mondo, molte altre () () sono in costruzione in modo che il record EAST venga presto battuto. In sostanza, questi piccoli reattori stanno solo testando le apparecchiature prima di inviarle a ITER.

Lockheed Martin ha annunciato nel 2015 una svolta nell'energia da fusione che avrebbe consentito loro di costruire un reattore a fusione piccolo e mobile in 10 anni. Considerando che anche reattori commerciali molto grandi e per nulla mobili erano previsti non prima del 2040, la dichiarazione della società è stata accolta con scetticismo. Ma l'azienda ha molte risorse, quindi chissà. Un prototipo è previsto nel 2020.

La popolare startup della Silicon Valley Helion Energy ha il suo piano unico per ottenere la fusione nucleare. La società ha raccolto oltre 10 milioni di dollari e prevede di avere un prototipo entro il 2019.

L'oscura start-up Tri Alpha Energy ha recentemente ottenuto risultati impressionanti nel far progredire il suo metodo di fusione termonucleare (oltre 100 modi teorici per ottenere la fusione sono stati sviluppati dai teorici, il tokamak è semplicemente il più semplice e popolare). La società ha anche raccolto oltre 100 milioni di dollari in fondi di investitori.

Il progetto del reattore della startup canadese General Fusion è ancora più diverso dagli altri, ma gli sviluppatori ne sono fiduciosi e hanno raccolto oltre 100 milioni di dollari in 10 anni per costruire il reattore entro il 2020.

Startup dal Regno Unito - First light ha il sito più accessibile, formato nel 2014, e ha annunciato l'intenzione di utilizzare i dati scientifici più recenti per ottenere una fusione termonucleare a costi inferiori.

Gli scienziati del MIT hanno scritto un articolo che descrive un reattore a fusione compatto. Si affidano alle nuove tecnologie apparse dopo l'inizio della costruzione di tokamak giganti e promettono di completare il progetto in 10 anni. Non è ancora noto se avranno il via libera per iniziare i lavori. Anche se approvato, un articolo di una rivista è una fase ancora precedente rispetto a una startup.

La fusione è forse l'industria meno adatta al crowdfunding. Ma è con il suo aiuto, e anche con i finanziamenti della NASA, che Lawrenceville Plasma Physics costruirà un prototipo del suo reattore. Di tutti i progetti in corso, questo è il più simile alla frode, ma chissà, forse porteranno qualcosa di utile a questo grandioso lavoro.

ITER sarà solo un prototipo per la costruzione di un vero e proprio impianto DEMO, il primo reattore a fusione commerciale. Il suo lancio è ora previsto per il 2044 e questa è ancora una previsione ottimistica.

Ma ci sono piani per la fase successiva. Un reattore termonucleare ibrido riceverà energia sia dal decadimento di un atomo (come una centrale nucleare convenzionale) che dalla fusione. In questa configurazione, l'energia può essere 10 volte superiore, ma la sicurezza è inferiore. La Cina prevede di costruire un prototipo entro il 2030, ma gli esperti dicono che è come provare ad assemblare auto ibride prima dell'invenzione del motore a combustione interna.

Risultato

Non mancano le persone disposte a portare una nuova fonte di energia nel mondo. Il progetto ITER ha le migliori possibilità, data la sua portata e il suo finanziamento, ma altri metodi, oltre ai progetti privati, non dovrebbero essere scartati. Gli scienziati hanno lavorato per decenni per lanciare la reazione di fusione senza molto successo. Ma ora ci sono più progetti che mai per ottenere una reazione termonucleare. Anche se ciascuno di essi fallisce, verranno effettuati nuovi tentativi. È improbabile che ci riposiamo finché non illuminiamo una versione in miniatura del Sole, qui sulla Terra.

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