Czy energia termojądrowa ma przyszłość?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Od ponad pół wieku naukowcy próbują zbudować na Ziemi maszynę, w której, podobnie jak w trzewiach gwiazd, zachodzi reakcja termojądrowa. Technologia kontrolowanej syntezy termojądrowej obiecuje ludzkości niemal niewyczerpane źródło czystej energii. Sowieccy naukowcy byli założycielami tej technologii - a teraz Rosja pomaga w budowie największego reaktora termojądrowego na świecie.

Części jądra atomu są utrzymywane razem przez kolosalną siłę. Są dwa sposoby na uwolnienie go. Pierwsza metoda polega na wykorzystaniu energii rozszczepienia dużych ciężkich jąder z najdalszego końca układu okresowego: uranu, plutonu. We wszystkich elektrowniach jądrowych na Ziemi źródłem energii jest właśnie rozpad ciężkich jąder.

Ale jest też drugi sposób na uwolnienie energii atomu: nie dzielenie, ale wręcz przeciwnie, łączenie jąder. Niektóre z nich podczas łączenia uwalniają nawet więcej energii niż jądra rozszczepialnego uranu. Im jaśniejsze jądro, tym więcej energii zostanie uwolnione podczas fuzji (jak to mówią, fuzji), więc najskuteczniejszym sposobem uzyskania energii fuzji jądrowej jest wymuszenie połączenia się jąder najlżejszego pierwiastka - wodoru - i jego izotopów.

Gwiazda ręki: solidne plusy

Fuzję jądrową odkryto w latach 30. XX wieku, badając procesy zachodzące we wnętrzach gwiazd. Okazało się, że reakcje syntezy jądrowej zachodzą wewnątrz każdego słońca, a jego produktami są światło i ciepło. Gdy tylko stało się to jasne, naukowcy pomyśleli o tym, jak powtórzyć to, co dzieje się w trzewiach Słońca na Ziemi. W porównaniu ze wszystkimi znanymi źródłami energii „dłoń słońca” ma szereg niepodważalnych zalet.

Po pierwsze, jako paliwo służy zwykły wodór, którego rezerwy na Ziemi wystarczą na wiele tysięcy lat. Nawet biorąc pod uwagę fakt, że do reakcji nie potrzeba najpowszechniejszego izotopu, czyli deuteru, szklanka wody wystarczy na zasilenie małego miasteczka prądem na tydzień. Po drugie, w przeciwieństwie do spalania węglowodorów, reakcja syntezy jądrowej nie wytwarza toksycznych produktów – jedynie gaz neutralny hel.

Plusy energii termojądrowej

Niemal nieograniczone zapasy paliwa. W reaktorze termojądrowym izotopy wodoru - deuter i tryt - działają jako paliwo; możesz również użyć izotopu helu-3. W wodzie morskiej jest dużo deuteru - można go pozyskać metodą konwencjonalnej elektrolizy, a jego rezerwy w Oceanie Światowym wystarczą na około 300 milionów lat przy obecnym zapotrzebowaniu ludzkości na energię.

W przyrodzie jest znacznie mniej trytu, jest on sztucznie wytwarzany w reaktorach jądrowych - ale bardzo niewiele potrzeba do reakcji termojądrowej. Na Ziemi prawie nie ma helu-3, ale w glebie księżycowej jest dużo. Jeśli pewnego dnia będziemy mieć energię termojądrową, prawdopodobnie będzie można polecieć na Księżyc po paliwo.

Żadnych eksplozji. Wytworzenie i utrzymanie reakcji termojądrowej wymaga dużo energii. Gdy tylko ustaje dopływ energii, reakcja ustaje, a plazma rozgrzana do setek milionów stopni przestaje istnieć. Dlatego reaktor termojądrowy jest trudniejszy do włączenia niż wyłączenia.

Niska radioaktywność. Reakcja termojądrowa wytwarza strumień neutronów, które są emitowane z pułapki magnetycznej i osadzają się na ściankach komory próżniowej, czyniąc ją radioaktywną. Tworząc specjalny „koc” (koc) wokół obwodu plazmy, spowalniający neutrony, można całkowicie zabezpieczyć przestrzeń wokół reaktora. Sam koc z czasem nieuchronnie staje się radioaktywny, ale nie na długo. Pozostawiając go na 20-30 lat, można ponownie uzyskać materiał z naturalnym promieniowaniem tła.

Brak wycieków paliwa. Zawsze istnieje ryzyko wycieku paliwa, ale reaktor termojądrowy wymaga tak małej ilości paliwa, że nawet całkowity wyciek nie zagraża środowisku. Na przykład uruchomienie ITER wymagałoby tylko około 3 kg trytu i nieco więcej deuteru. Nawet w najgorszym przypadku taka ilość radioaktywnych izotopów szybko rozproszy się w wodzie i powietrzu i nikomu nie zaszkodzi.

Bez broni. Reaktor termojądrowy nie wytwarza substancji, które można wykorzystać do produkcji broni atomowej. Dlatego nie ma niebezpieczeństwa, że rozprzestrzenianie się energii termojądrowej doprowadzi do wyścigu jądrowego.

Jak oświetlić „sztuczne słońce”, w ogólności stało się jasne już w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Po obu stronach oceanu przeprowadzono obliczenia określające główne parametry kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej. Powinno się to odbywać w ogromnej temperaturze setek milionów stopni: w takich warunkach elektrony są wyrywane ze swoich jąder. Dlatego ta reakcja jest również nazywana fuzją termojądrową. Gołe jądra, zderzając się ze sobą z zawrotną prędkością, pokonują odpychanie kulombowskie i łączą się.

Problemy i rozwiązania

Entuzjazm pierwszych dziesięcioleci zderzył się z niewiarygodną złożonością zadania. Rozpoczęcie syntezy termojądrowej okazało się stosunkowo łatwe - jeśli miało to formę eksplozji. Atole Pacyfiku i sowieckie poligony doświadczalne w Semipałatyńsku i Nowej Ziemi doświadczyły pełnej mocy reakcji termojądrowej już w pierwszej dekadzie powojennej.

Ale użycie tej mocy, z wyjątkiem zniszczenia, jest znacznie trudniejsze niż zdetonowanie ładunku termojądrowego. Aby wykorzystać energię termojądrową do generowania elektryczności, reakcja musi przebiegać w sposób kontrolowany, tak aby energia była uwalniana w małych porcjach.

Jak to zrobić? Środowisko, w którym zachodzi reakcja termojądrowa, nazywa się plazmą. Jest podobny do gazu, tylko w przeciwieństwie do normalnego gazu składa się z naładowanych cząstek. A zachowanie naładowanych cząstek można kontrolować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych.

Dlatego w swojej najbardziej ogólnej postaci reaktor termojądrowy jest skrzepem plazmy uwięzionym w przewodnikach i magnesach. Zapobiegają ucieczce plazmy, a gdy to robią, jądra atomowe łączą się w plazmie, w wyniku czego uwalniana jest energia. Energia ta musi zostać usunięta z reaktora, wykorzystana do podgrzania chłodziwa - i trzeba pozyskać energię elektryczną.

Pułapki i przecieki

Plazma okazała się najbardziej kapryśną substancją, z jaką ludzie na Ziemi musieli się zmierzyć. Za każdym razem, gdy naukowcy znajdowali sposób na zablokowanie jednego rodzaju wycieku plazmy, odkrywano nowy. Całą drugą połowę XX wieku poświęcono na naukę utrzymywania plazmy wewnątrz reaktora przez dłuższy czas. Problem ten zaczął ustępować dopiero w naszych czasach, kiedy pojawiły się potężne komputery, które umożliwiły tworzenie matematycznych modeli zachowania plazmy.

Nadal nie ma zgody co do tego, która metoda jest najlepsza do zamknięcia w osoczu. Najsłynniejszy model, tokamak, to komora próżniowa w kształcie pączka (jak mówią matematycy, torus) z pułapkami plazmowymi wewnątrz i na zewnątrz. Ta konfiguracja będzie miała największą i najdroższą instalację termojądrową na świecie - reaktor ITER budowany obecnie na południu Francji.

Oprócz tokamaka istnieje wiele możliwych konfiguracji reaktorów termojądrowych: sferyczne, jak w petersburskim Globus-M, dziwnie zakrzywione stellaratory (jak Wendelstein 7-X w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Niemczech), laserowe pułapki inercyjne, takie jak amerykański NIF. Cieszą się one znacznie mniejszą uwagą mediów niż ITER, ale mają też wysokie oczekiwania.

Są naukowcy, którzy uważają, że konstrukcja stellaratora jest zasadniczo bardziej skuteczna niż tokamak: jest tańsza w budowie, a czas uwięzienia w plazmie daje o wiele więcej. Zysk energii zapewnia sama geometria pułapki plazmowej, która pozwala pozbyć się pasożytniczych efektów i przecieków związanych z „pączkiem”. Wersja pompowana laserowo ma również swoje zalety.

Zawarte w nich paliwo wodorowe jest podgrzewane do wymaganej temperatury za pomocą impulsów laserowych, a reakcja fuzji rozpoczyna się niemal natychmiast. Plazma w takich instalacjach trzyma się bezwładności i nie ma czasu na rozproszenie - wszystko dzieje się tak szybko.

Cały świat

Wszystkie reaktory termojądrowe istniejące obecnie na świecie są maszynami eksperymentalnymi. Żadne z nich nie są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Żadnemu z nich nie udało się jeszcze spełnić głównego kryterium reakcji termojądrowej (kryterium Lawsona): uzyskać więcej energii, niż zużyto na wytworzenie reakcji. Dlatego światowa społeczność skupiła się na gigantycznym projekcie ITER. Jeżeli w ITER zostanie spełnione kryterium Lawsona, będzie można dopracować technologię i spróbować przenieść ją na koleje komercyjne.

Żaden kraj na świecie nie jest w stanie samodzielnie zbudować ITER. Potrzebuje 100 tys. km samych przewodów nadprzewodzących, a także dziesiątki magnesów nadprzewodzących i gigantyczny centralny elektrozawór do trzymania plazmy, układ do wytwarzania wysokiej próżni w pierścieniu, helowe chłodnice magnesów, sterowniki, elektronika… Projekt buduje jednocześnie 35 krajów i więcej tysięcy instytutów naukowych i fabryk.

Rosja jest jednym z głównych krajów uczestniczących w projekcie; w Rosji projektuje się i buduje 25 systemów technologicznych przyszłego reaktora. Są to nadprzewodniki, układy do pomiaru parametrów plazmy, automatyczne sterowniki i elementy divertora, najgorętszej części wewnętrznej ściany tokamaka.

Po uruchomieniu ITER rosyjscy naukowcy uzyskają dostęp do wszystkich danych eksperymentalnych. Echo ITER będzie jednak odczuwalne nie tylko w nauce: teraz w niektórych regionach pojawiły się zakłady produkcyjne, których w Rosji wcześniej nie było. Na przykład przed rozpoczęciem projektu w naszym kraju nie było przemysłowej produkcji materiałów nadprzewodzących, a na całym świecie produkowano tylko 15 ton rocznie. Teraz tylko w Czepieckim Zakładzie Mechanicznym państwowej korporacji „Rosatom” można wyprodukować 60 ton rocznie.

Przyszłość energii i nie tylko

Pierwsze osocze w ITER ma zostać odebrane w 2025 roku. Cały świat czeka na to wydarzenie. Ale jedna, nawet najpotężniejsza maszyna to nie wszystko. Na całym świecie iw Rosji nadal budują nowe reaktory termojądrowe, które pomogą wreszcie zrozumieć zachowanie plazmy i znaleźć najlepszy sposób na jej wykorzystanie.

Już pod koniec 2020 roku Instytut Kurczatowa zamierza uruchomić nowy tokamak T-15MD, który stanie się częścią hybrydowej instalacji z elementami jądrowymi i termojądrowymi. Powstające w strefie reakcji termojądrowej neutrony w instalacji hybrydowej posłużą do zainicjowania rozszczepienia ciężkich jąder - uranu i toru. W przyszłości takie hybrydowe maszyny mogą służyć do produkcji paliwa do konwencjonalnych reaktorów jądrowych – zarówno termicznych, jak i prędkich neutronów.

Zbawienie toru

Szczególnie kusząca jest perspektywa wykorzystania „jądra” termojądrowego jako źródła neutronów inicjujących rozpad w jądrach toru. Na planecie jest więcej toru niż uranu, a jego wykorzystanie jako paliwa jądrowego rozwiązuje jednocześnie kilka problemów współczesnej energetyki jądrowej.

Zatem produkty rozpadu toru nie mogą być wykorzystywane do produkcji wojskowych materiałów radioaktywnych. Możliwość takiego wykorzystania stanowi czynnik polityczny, który powstrzymuje małe kraje przed rozwojem własnej energetyki jądrowej. Paliwo torowe rozwiązuje ten problem raz na zawsze.

Pułapki plazmowe mogą być przydatne nie tylko w energetyce, ale także w innych pokojowych gałęziach przemysłu – nawet w kosmosie. Obecnie Rosatom i Instytut Kurczatowa pracują nad podzespołami do bezelektrodowego silnika rakietowego plazmy do statków kosmicznych oraz nad systemami do plazmowej modyfikacji materiałów. Udział Rosji w projekcie ITER jest bodźcem dla przemysłu, co prowadzi do powstawania nowych gałęzi przemysłu, które już teraz stanowią podstawę dla nowych rosyjskich rozwiązań.