Пов’язані статті
Європейська комісія покращить енергоефективність будівель
Де знаходиться найдорожча електроенергія у світі?
Вони почали збирати термоядерну електростанцію
Злиття. Для мене, поза його визначенням, це викликає енергію Сонця, захоплюючі дослідження, високодосконалі технології, майбутнє. Для тих, хто менш досвідчений, найпростішим є те, що це означає: злиття легших ядер у важче ядро.
Почувши про зіткнення частинок, термоядерне обладнання легко змішати з експериментальними прискорювачами частинок. Однак мета термоядерних реакторів не в тому, щоб дізнатись про будівельні блоки та роботу Всесвіту, вони побудовані для розробки нового виду виробництва енергії. З іншого боку, в енергетичній галузі вони все менше вірять у технології, сприймаючи їх як вічну наукову фантастику. Зрештою, це зрозуміло: перші експериментальні реактори були розроблені в 1950 році, в яких плазмоподібний матеріал, утримуваний разом за допомогою магнітного поля, циркулює у формі тора (кільця або пончика) - але хоча цей винахід придатний для термоядерного синтезу, ми досі не бачать практичного значення., Хоча на атомних електростанціях ланцюгова реакція починається спонтанно вище критичної маси, прогрес був досягнутий здебільшого у підвищенні безпеки, тоді як термоядерне обладнання вимагає високого ступеня безпеки та надійності, і проблема полягає в тому, щоб ефективно запускати та підтримувати реакції.
Плазма утримується магнітами в термоядерному пристрої.
Дослідження термоядерного синтезу не забуваються, хоч і невеликими кроками, але галузь характеризується постійним розвитком. Найперше успішне будівництво, яке досі є найпоширенішим у світі, називається токамак. Перша серія токамаків може не похвалитися надмірно вигадливими іменами, але вони стали ще більш важливими віхами в історії злиття. Протягом десятиліть, починаючи з запуску Т-1 у 1958 році, нові учасники серії кожні кілька років пробивали нові бар'єри. Сюди входять підвищення стабільності, час витримки, ефективніші методи нагрівання, пошук ідеальної форми для плазми та впровадження сильніших надпровідних електромагнітів. Починаючи з 1980-х років, будується все більше і більше успішних пристроїв, більшість з яких все ще тестуються на якійсь вдосконаленій версії.
В даний час найважливіше експериментальне обладнання з використанням надпровідних магнітів використовується багатьма далекосхідними токамаками: SST1 (Індія), KSTAR (Корея), EAST (Китай) та все ще будується JT60-SA (Японія). Сьогодні все обладнання має зіграти певну роль у європейських централізованих дослідженнях термоядерного синтезу (EUROFusion), німецькій модернізації ASDEX, серед іншого в розмірах, швейцарський TCV дозволяє змінювати форму плазми, а французький WEST присвячений вивчення ключових матеріалів.
Камера токамака JET має зображення плазми зсередини праворуч.
Найуспішніший на сьогоднішній день термоядерний пристрій, Joint European Torus (JET) в Англії, працює з 1984 р., Де поведінка плазми була вивчена більш докладно. Його експлуатація також була перевірена в режимі термоядерного синтезу, досягнувши 16,1 МВт під час кампанії 1997 року. Окрім JET, лише американський TFTR (Токамакський реактор для випробування термоядерного синтезу) зміг протистояти таким розрядам плазми. Хоча ці агрегати виробляли навіть менше енергії, ніж було потрібно для опалення, вони довели придатність палива та всю концепцію.
Найпотужніший об'єкт термоядерного синтезу, який зараз будується, називається ITER (Міжнародний термоядерний експериментальний реактор), що на латині означає "Дорога". Це справді пропонує спільний шлях, у якому багато країн світу працюють разом; Країни ЄС, Японія, Росія, США, Китай, Південна Корея, Індія. Проект був започаткований у 1985 році, але у XXI. Нові прагнення ХХ століття дали йому новий поштовх. Були встановлені терміни, підзадачі, основні очікування, і процес реалізації став слідувати заздалегідь встановленим цілям. Це точка, з якої ми можемо говорити про інновації та реальні технологічні виклики, а не лише про мозковий штурм, мотивований віддаленим образом мрії. Якщо все піде далі, ITER буде запущений в 2025 році, який, як планується, зможе досягти десятикратного множення енергії, а це означає, що 500 МВт термоядерної енергії виділить 500 МВт енергії термоядерного синтезу.
Виробництво компонентів ITER розподіляється між країнами-партнерами.
Звичайно, не секрет, що завдання, пов’язані з ІТЕР, набагато складніші. Під час цього проекту країни-партнери повинні дозволити умови для виробництва в масштабі електростанції. Безшовна співпраця вимагає великої точності та, до речі, дуже складної логістики. Сотні тонн деталей довелося перевозити на вантажних суднах, наземними обозами, але на місці також повинні були будуватися складальні та виробничі будівлі, оскільки деякі елементи були настільки великими, що транспорт був неможливим.
Тороїдальна опорна котушка опорної конструкції.
Протягом першого періоду після побудови ІТЕР головна роль все ще буде в експериментах, фізики хочуть вивчити явища, що відбуваються в такій великій кількості водневої плазми, саме тому вся справа буде сповнена різними діагностичними приладами. Коли контроль плазми, наприклад, за допомогою магнітів для впливу на турбулентність, вже не є проблемою, і придатність технологічних рішень доведена, створюються умови, придатні для виділення енергії.
На практиці паливо замінюється більш важкими ізотопами водню - дейтерієм та тритієм - які набагато частіше реагують при температурі, досяжній у реакторі. Не думаймо тут про кілька сотень чи тисячу градусів; ця "низька" температура також перевищує 100 мільйонів ° C, що в 4 рази перевищує середину Сонця. Для інших ізотопних композицій плазму потрібно було б нагрівати на порядок вище, щоб максимізувати частоту реакції, але навіть другий за величиною такий пік (D-3He) залишався б нижче реакції дейтерій-тритій у десять разів.
Ось чому через 20 років JET знову готується до експериментів D-T, які очікуються в 2019-2020 роках. Висока нагрівальна потужність, нова діагностика і, як ITER, вольфрамова стінка берилію дозволяють отриманим тут результатам створити основу для підготовки до експериментів на ITER.
Закритий паливний цикл, з якого видаляються лише енергія та гелій.
Можливо, твердження про самодостатність тут не слід обговорювати трохи детальніше. Плазма повинна постійно подаватися дейтерієм, а гелій, що утворюється як кінцевий продукт, повинен бути видалений з неї, тому процес не є самостійним з точки зору постачання палива. Крім того, плазма повинна нагріватися безперервно, принаймні до "точки займання", де енергія утворених частинок вже є достатньою, щоб підтримувати плазму теплою, і в цей момент реакція може стати самодостатньою з точки зору нагрівання. Крім того, магнітна згуртованість, наявність та стабільність геометрії плазми повинні постійно забезпечуватися. За відсутності будь-якого з факторів плазма руйнується, а її частинки заповнюють камеру у вигляді газу приблизно в сто тисяч разів рідше атмосфери. На щастя, плазма не може «перегрітись» сама, оскільки частота реакцій термоядерного синтезу починає зменшуватися вище стабільної робочої температури, тому синтез - це також саморегулююча реакція. За відсутності контролю реакції зупиняються або кілька грамів матеріалу, присутніх в реакторі одночасно, можуть, у гіршому випадку, пошкодити лише тонкий шар внутрішньої поверхні стінки, тому одна з головних достоїнств плавлення це безпека.
Після перших результатів синтезу ITER розпочнеться будівництво демонстраційної електростанції DEMO. На цей час вже має бути готово кілька різних концепцій, тому проектування DEMO вже триває. Офіційна Дорожня карта EFDA щодо термоядерного синтезу, координована Європейською Комісією, має на меті залучити близько 100 МВт енергії термоядерного синтезу до мережі до 2050 року.
Електростанції термоядерного синтезу в майбутньому не обов'язково будуть токамаками, але справа в тому, що це найбезпечніший шлях на даний момент. Окрім представлених експериментів, у світі пробують інші рішення, але більшість відрізняються від структури токамаків лише пропорцією малого та великого радіусів тора.
Стелларатор з набагато складнішою геометрією - це також перспективний дизайн, оскільки його перша повністю оптимізована версія, W7-X, була випущена в 2017 році, і її результати перевершили всі очікування. Розвиток комп’ютерного тривимірного моделювання зробив можливим зворотний процес проектування: сьогодні вони спочатку моделюють ідеальний шлях частинок, потім будують з них форму плазми, потім реконструюють магнітне поле, що представляє когезійну силу, і нарешті намагаються спроектувати геометрію магнітів, які його створюють.
Виходячи з успіхів оптимізації, можна уявити, що остаточний прототип термоядерної електростанції буде сформований з цих спеціальних магнітів у галузі, або, можливо, з комбінації токамаків та стеллараторів.
W7-X - це перший повністю оптимізований стелларатор з магнітною геометрією
Зазвичай ми говорили про глобальну співпрацю, але слід згадати, що в основному в Америці приватні компанії також беруть участь у розробці власного будівництва. Згідно з їх власною заявою, вони вважають, що, скориставшись зосередженою потужністю та капіталом, вони можуть швидше та простіше дійти до будівництва термоядерної електростанції, яка є найбільш оптимальною як за розмірами, так і за ефективністю.
Більше того, до ідеї термоядерної електростанції можна підходити зовсім з іншого боку. У випадку обговорюваних до цього часу реакторів з магнітним полем стабільне утримання гарячої плазми зберігається якомога довше, тоді як у випадку інерційного (інерційного) плавлення миттєве стиснення паливної капсули з величезною енергією прагне досягти займання. Цей принцип нагадує роботу водневої бомби, звичайно, при дослідженні дуже малі кількості «детонуються» за допомогою контрольованого лазерного або іонного пучка. Первісною метою Каліфорнійського НІФ - Національного фонду запалювання - також було б досягнення займання, якого, однак, йому не вдалося досягти, але на практиці він був більше залучений до досліджень ядерної зброї. Оскільки цей сектор часто пов’язаний із військовими додатками, організації Європейської Комісії насправді не підтримують дослідження в цій галузі.
Для досягнення інерційного плавлення використовують лазери для достатнього стиснення паливної капсули.
Досі неможливо відповісти на питання, яка концепція зробить найуспішнішу термоядерну електростанцію в майбутньому. Наприклад, стелларатор, про який щойно згадувалося на рівні згадування в цій публікації, міг би бути більш оптимальним рішенням, ніж токамаки, у кількох аспектах, але прорив у його розвитку відбувся лише кілька років тому. Натомість лінія токамака має конкретні часові плани, за якими оцінюється пуск першого енергетичного реактора приблизно до 2050 року.
Принципова схема будівельної термоядерної електростанції токамак.
Стаття, опублікована в офіційному блозі Молодіжної секції Угорського енергетичного товариства.