Un apvienošanās?

Pagājušā gada beigās izskanējuši sensacionāli ziņojumi par Ķīnas speciālistu sintēzes reaktora būvniecību (1). Ķīnas valsts mediji ziņoja, ka HL-2M iekārta, kas atrodas pētniecības centrā Čendu, sāks darboties 2020. gadā. Mediju ziņojumu tonis norādīja, ka jautājums par piekļuvi neizsīkstošajai kodolsintēzes enerģijai ir atrisināts uz visiem laikiem.

Sīkāka detaļu aplūkošana palīdz atvēsināt optimismu.

Nowy tokamaka tipa aparāti, ar modernāku dizainu nekā līdz šim zināmie, vajadzētu radīt plazmu ar temperatūru virs 200 miljoniem grādu pēc Celsija. Par to paziņojumā presei paziņoja Ķīnas Nacionālās kodolenerģijas korporācijas Dienvidrietumu fizikas institūta vadītājs Duans Sjiuru. Ierīce nodrošinās tehnisko atbalstu ķīniešiem, kuri strādā pie projekta Starptautiskais eksperimentālais kodoltermiskais reaktors (ITER)kā arī būvniecība.

Tāpēc es domāju, ka tā vēl nav enerģētikas revolūcija, lai gan to radīja ķīnieši. reaktors KhL-2M pagaidām ir maz zināms. Mēs nezinām, kāda ir šī reaktora paredzamā siltuma jauda vai kāds enerģijas līmenis ir nepieciešams, lai tajā palaistu kodolsintēzes reakciju. Mēs nezinām svarīgāko - vai Ķīnas kodolsintēzes reaktors ir dizains ar pozitīvu enerģijas bilanci, vai tas ir tikai vēl viens eksperimentāls kodolsintēzes reaktors, kas pieļauj kodolsintēzes reakciju, bet tajā pašā laikā prasa vairāk enerģijas "aizdegšanai" nekā enerģiju, ko var iegūt reakciju rezultātā.

Starptautiskie centieni

Ķīna kopā ar Eiropas Savienību, ASV, Indiju, Japānu, Dienvidkoreju un Krieviju ir ITER programmas dalībvalstis. Šis ir visdārgākais no pašreizējiem iepriekšminēto valstu finansētajiem starptautiskajiem pētniecības projektiem, kas izmaksā aptuveni 20 miljardus ASV dolāru. Tas tika atvērts Mihaila Gorbačova un Ronalda Reigana valdību sadarbības rezultātā aukstā kara laikā, un daudzus gadus vēlāk tika iekļauts līgumā, ko visas šīs valstis parakstīja 2006. gadā.

2. ITER tokamaka būvlaukumā

ITER projekts Kadarašā Francijas dienvidos (2) attīsta pasaulē lielāko tokamaku, tas ir, plazmas kameru, kas jāpieradina, izmantojot spēcīgu magnētisko lauku, ko rada elektromagnēti. Šo izgudrojumu 50. un 60. gados izstrādāja Padomju Savienība. Projektu menedžeris, Lavans Koblencs, paziņoja, ka organizācijai jāsaņem "pirmā plazma" līdz 2025. gada decembrim. ITER katru reizi būtu jāatbalsta kodoltermiskā reakcija aptuveni 1 tūkstotim cilvēku. sekundes, iegūstot spēku 500-1100 MW. Salīdzinājumam, līdz šim lielākais Lielbritānijas tokamaks, JET (kopīgais Eiropas tors), saglabā reakciju vairākus desmitus sekunžu un iegūst spēku līdz 16 MW. Enerģija šajā reaktorā tiks atbrīvota siltuma veidā – to nav paredzēts pārvērst elektrībā. Kodolsintēzes enerģijas piegāde tīklam nav iespējama, jo projekts ir paredzēts tikai pētniecības nolūkiem. Tikai uz ITER bāzes tiks uzbūvēti nākamās paaudzes termokodolreaktori, kas sasniegs jaudu 3-4 tūkstoši. MW.

Galvenais iemesls, kāpēc parastās kodolsintēzes spēkstacijas joprojām neeksistē (neskatoties uz vairāk nekā sešdesmit gadus ilgajiem plašiem un dārgiem pētījumiem), ir grūtības kontrolēt un "pārvaldīt" plazmas uzvedību. Tomēr gadiem ilgi eksperimenti ir devuši daudz vērtīgu atklājumu, un šodien kodolsintēzes enerģija šķiet tuvāka nekā jebkad agrāk.

Pievienojiet hēliju-3, samaisiet un uzkarsējiet

ITER ir galvenais globālās kodolsintēzes pētniecības fokuss, taču daudzi pētniecības centri, uzņēmumi un militārās laboratorijas strādā arī pie citiem kodolsintēzes projektiem, kas atšķiras no klasiskās pieejas.

Piemēram, veikta pēdējos gados no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta eksperimentē ar Stūre-3 uz tokamaka sniedza aizraujošus rezultātus, tostarp desmitkārtīgs enerģijas pieaugums plazmas jonu. Zinātnieki, kas Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā veic eksperimentus ar C-Mod tokamaku, kopā ar Beļģijas un Apvienotās Karalistes speciālistiem ir izstrādājuši jauna veida kodoltermisko degvielu, kas satur trīs veidu jonus. Komanda Alcator C-Mod (3) 2016. gada septembrī veica pētījumu, taču šo eksperimentu dati tika analizēti tikai nesen, atklājot milzīgu plazmas enerģijas pieaugumu. Rezultāti bija tik iepriecinoši, ka zinātnieki, kas vada pasaulē lielāko kodolsintēzes laboratoriju JET Apvienotajā Karalistē, nolēma eksperimentus atkārtot. Tika sasniegts tāds pats enerģijas pieaugums. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod darbojas

Kodoldegvielas efektivitātes palielināšanas atslēga bija neliela daudzuma hēlija-3, stabila hēlija izotopa pievienošana ar vienu neitronu divu vietā. Alcator C metodē izmantotā kodoldegviela iepriekš saturēja tikai divu veidu jonus – deitēriju un ūdeņradi. Deitērijs, stabils ūdeņraža izotops ar neitronu kodolā (pretstatā ūdeņradim bez neitroniem), veido aptuveni 95% no degvielas. Plazmas pētniecības centra un Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (PSFC) zinātnieki izmantoja procesu, ko sauc par RF apkure. Antenas, kas atrodas blakus tokamakam, izmanto noteiktu radiofrekvenci, lai ierosinātu daļiņas, un viļņi ir kalibrēti, lai "mērķētu" uz ūdeņraža joniem. Tā kā ūdeņradis veido nelielu daļu no kopējā degvielas blīvuma, tikai nelielas jonu daļas koncentrēšana karsē ļauj sasniegt ārkārtējus enerģijas līmeņus. Tālāk stimulētie ūdeņraža joni pāriet uz maisījumā dominējošajiem deitērija joniem, un šādi izveidotās daļiņas nonāk reaktora ārējā apvalkā, izdalot siltumu.

Šī procesa efektivitāte palielinās, ja maisījumam pievieno hēlija-3 jonus mazāk nekā 1%. Koncentrējot visu radio apkuri uz nelielu hēlija-3 daudzumu, zinātnieki paaugstināja jonu enerģiju līdz megaelektronvoltiem (MeV).

Pirmais braucējs - pirmais Ekvivalents krievu valodā: Ēst vēlo viesi un kaulu

Pēdējo dažu gadu laikā kontrolētā kodolsintēzes darba pasaulē ir notikuši daudzi notikumi, kas ir atjaunojuši zinātnieku un mūsu visu cerības beidzot sasniegt enerģijas "Svēto Grālu".

Labi signāli cita starpā ir atklājumi no ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Prinstonas plazmas fizikas laboratorijas (PPPL). Radioviļņi ir izmantoti ar lieliem panākumiem, lai ievērojami samazinātu tā sauktos plazmas traucējumus, kam var būt izšķiroša nozīme kodoltermisko reakciju "pārģērbšanās" procesā. Tā pati pētnieku grupa 2019. gada martā ziņoja par litija tokamaka eksperimentu, kurā testa reaktora iekšējās sienas tika pārklātas ar litiju, materiālu, kas labi pazīstams no elektronikā parasti izmantotajām baterijām. Zinātnieki atzīmēja, ka litija oderējums uz reaktora sienām absorbē izkliedētās plazmas daļiņas, neļaujot tām atstaroties atpakaļ plazmas mākonī un traucējot kodoltermiskās reakcijas.

4. Vizualizācijas projekts TAE Technologies

Zinātnieki no ievērojamām zinātniskām institūcijām savos izteikumos pat ir kļuvuši par piesardzīgiem optimistiem. Pēdējā laikā ir arī ļoti pieaugusi interese par kontrolētām kodolsintēzes metodēm privātajā sektorā. 2018. gadā Lockheed Martin paziņoja par plānu nākamās desmitgades laikā izstrādāt kompakta kodolsintēzes reaktora (CFR) prototipu. Ja tehnoloģija, pie kuras uzņēmums strādā, strādās, kravas automašīnas izmēra iekārta spēs nodrošināt pietiekami daudz elektroenerģijas, lai apmierinātu 100 XNUMX kvadrātpēdu iekārtas vajadzības. pilsētas iedzīvotāji.

Citi uzņēmumi un pētniecības centri sacenšas, lai noskaidrotu, kurš var uzbūvēt pirmo īsto kodolsintēzes reaktoru, tostarp TAE Technologies un Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts. Pat Amazon Džefs Bezoss un Microsoft Bils Geitss nesen iesaistījušies apvienošanās projektos. NBC News nesen saskaitīja septiņpadsmit mazus tikai kodolsintēzes uzņēmumus ASV. Jaunuzņēmumi, piemēram, General Fusion vai Commonwealth Fusion Systems, koncentrējas uz mazākiem reaktoriem, kuru pamatā ir inovatīvi supravadītāji.

Jēdziens "aukstā kodolsintēze" un alternatīvas lielajiem reaktoriem, ne tikai tokamaki, bet arī t.s. stellaratori, ar nedaudz atšķirīgu dizainu, būvēts arī Vācijā. Turpinās arī citādas pieejas meklējumi. Piemērs tam ir ierīce ar nosaukumu Z veida šķipsna, uzbūvēja Vašingtonas universitātes zinātnieki un aprakstīja vienā no jaunākajiem žurnāla Physics World numuriem. Z-šķipsna darbojas, notverot un saspiežot plazmu spēcīgā magnētiskajā laukā. Eksperimentā bija iespējams stabilizēt plazmu 16 mikrosekundes, un saplūšanas reakcija norisinājās apmēram trešdaļu no šī laika. Demonstrācijai vajadzēja parādīt, ka neliela mēroga sintēze ir iespējama, lai gan daudziem zinātniekiem par to joprojām ir nopietnas šaubas.

Savukārt, pateicoties Google un citu progresīvu tehnoloģiju investoru atbalstam, Kalifornijas uzņēmums TAE Technologies eksperimentiem ar kodolsintēzi izmanto citu, nekā raksturīgs, bora degvielas maisījums, kas tika izmantoti mazāku un lētāku reaktoru izstrādei, sākotnēji tā sauktā kodolsintēzes raķešu dzinēja vajadzībām. Cilindriskā kodolsintēzes reaktora prototips (4) ar pretstariem (CBFR), kas uzsilda ūdeņraža gāzi, veidojot divus plazmas gredzenus. Tie apvienojas ar inertu daļiņu kūļiem un tiek turēti tādā stāvoklī, kam vajadzētu palielināt plazmas enerģiju un izturību.

Cits kodolsintēzes jaunuzņēmums General Fusion no Kanādas Britu Kolumbijas provinces bauda paša Džefa Bezosa atbalstu. Vienkārši sakot, viņa koncepcija ir iesmidzināt karstu plazmu šķidrā metāla lodītē (litija un svina maisījums) tērauda lodītes iekšpusē, pēc tam plazmu saspiež ar virzuļiem, līdzīgi kā dīzeļdzinējam. Izveidotajam spiedienam vajadzētu izraisīt kodolsintēzi, kas atbrīvos milzīgu enerģijas daudzumu, lai darbinātu jauna veida spēkstacijas turbīnas. Maiks Deladžs, General Fusion galvenais tehnoloģiju speciālists, saka, ka komerciālā kodolsintēze varētu debitēt pēc desmit gadiem.

5. ASV flotes kodoltermiskā patenta ilustrācija.

Nesen ASV flote arī iesniedza patentu "plazmas saplūšanas ierīcei". Patents runā par magnētiskajiem laukiem, lai radītu "paātrinātu vibrāciju" (5). Ideja ir būvēt kodolsintēzes reaktorus, kas ir pietiekami mazi, lai tie būtu pārnēsājami. Lieki piebilst, ka šis patenta pieteikums tika uztverts ar skepsi.