Har termonukleær energi en fremtid?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

I mer enn et halvt århundre har forskere forsøkt å bygge en maskin på jorden, der en termonukleær reaksjon finner sted, som i stjernenes tarm. Teknologien for kontrollert termonukleær fusjon lover menneskeheten en nesten uuttømmelig kilde til ren energi. Sovjetiske forskere var opphavet til denne teknologien - og nå er Russland med på å bygge den største fusjonsreaktoren i verden.

Delene av kjernen til et atom holdes sammen av en kolossal kraft. Det er to måter å frigjøre den på. Den første metoden er å bruke fisjonsenergien til store tunge kjerner fra den ytterste enden av det periodiske systemet: uran, plutonium. Ved alle atomkraftverk på jorden er energikilden nettopp forfallet av tunge kjerner.

Men det er også en annen måte å frigjøre energien til atomet: ikke å dele, men tvert imot å kombinere kjernene. Ved sammenslåing frigjør noen av dem enda mer energi enn spaltbare urankjerner. Jo lettere kjernen er, jo mer energi vil frigjøres under fusjon (som de sier, fusjon), så den mest effektive måten å få energien til kjernefysisk fusjon på er å tvinge kjernene til det letteste grunnstoffet - hydrogen - og dets isotoper til å slå seg sammen.

Håndstjerne: solide proffer

Kjernefysisk fusjon ble oppdaget på 1930-tallet ved å studere prosessene som fant sted i stjerners indre. Det viste seg at kjernefysiske fusjonsreaksjoner finner sted inne i hver sol, og lys og varme er dens produkter. Så snart dette ble klart, tenkte forskerne på hvordan de skulle gjenta det som skjer i innvollene til solen på jorden. Sammenlignet med alle kjente energikilder har «håndsolen» en rekke udiskutable fordeler.

For det første tjener vanlig hydrogen som drivstoff, hvis reserver på jorden vil vare i mange tusen år. Selv med tanke på det faktum at reaksjonen ikke krever den vanligste isotopen, deuterium, er et glass vann nok til å forsyne en liten by med strøm i en uke. For det andre, i motsetning til forbrenning av hydrokarboner, produserer ikke kjernefusjonsreaksjonen giftige produkter - bare den nøytrale gassen helium.

Fordeler med fusjonsenergi

Nesten ubegrenset drivstofftilførsel. I en fusjonsreaktor fungerer hydrogenisotoper - deuterium og tritium - som brensel; du kan også bruke isotopen helium-3. Det er mye deuterium i sjøvann - det kan oppnås ved konvensjonell elektrolyse, og dets reserver i verdenshavet vil vare i omtrent 300 millioner år etter menneskehetens nåværende etterspørsel etter energi.

Det er mye mindre tritium i naturen, det produseres kunstig i atomreaktorer – men det trengs veldig lite for en termonukleær reaksjon. Det er nesten ikke helium-3 på jorden, men det er mye i månejorden. Hvis vi en dag har termonukleær kraft, vil det sannsynligvis være mulig å fly til månen for å få drivstoff til den.

Ingen eksplosjoner. Det krever mye energi å skape og opprettholde en termonukleær reaksjon. Så snart energitilførselen stopper, stopper reaksjonen, og plasmaet oppvarmet til hundrevis av millioner grader slutter å eksistere. Derfor er en fusjonsreaktor vanskeligere å slå på enn å slå av.

Lav radioaktivitet. En termonukleær reaksjon produserer en fluks av nøytroner som sendes ut fra den magnetiske fellen og avsettes på veggene i vakuumkammeret, noe som gjør den radioaktiv. Ved å lage et spesielt "teppe" (teppe) rundt plasmaomkretsen, som bremser nøytroner, er det mulig å fullstendig beskytte rommet rundt reaktoren. Selve teppet blir uunngåelig radioaktivt over tid, men ikke lenge. La det hvile i 20-30 år, kan du igjen få materiale med naturlig bakgrunnsstråling.

Ingen drivstofflekkasjer. Det er alltid en risiko for drivstofflekkasje, men en fusjonsreaktor krever så lite drivstoff at selv en fullstendig lekkasje ikke truer miljøet. Å lansere ITER, for eksempel, ville bare kreve omtrent 3 kg tritium og litt mer deuterium. Selv i verste fall vil denne mengden radioaktive isotoper raskt forsvinne i vann og luft og ikke forårsake skade på noen.

Ingen våpen. En termonukleær reaktor produserer ikke stoffer som kan brukes til å lage atomvåpen. Derfor er det ingen fare for at spredning av termonukleær energi vil føre til et atomkappløp.

Hvordan tenne den "kunstige solen", i generelle termer, ble det klart allerede på femtitallet av forrige århundre. På begge sider av havet ble det utført beregninger som satte hovedparametrene for en kontrollert kjernefusjonsreaksjon. Det bør foregå ved en enorm temperatur på hundrevis av millioner grader: under slike forhold blir elektroner revet av fra kjernene deres. Derfor kalles denne reaksjonen også termonukleær fusjon. Bare kjerner, som kolliderer med hverandre i forrykende hastigheter, overvinner Coulomb-frastøtningen og smelter sammen.

Problemer og løsninger

Entusiasmen fra de første tiårene krasjet inn i oppgavens utrolige kompleksitet. Å lansere termonukleær fusjon viste seg å være relativt enkelt - hvis det ble gjort i form av en eksplosjon. Stillehavsatoller og sovjetiske teststeder i Semipalatinsk og Novaja Zemlja opplevde den fulle kraften til en termonukleær reaksjon allerede i det første tiåret etter krigen.

Men å bruke denne kraften, bortsett fra ødeleggelse, er mye vanskeligere enn å detonere en termonukleær ladning. For å bruke termonukleær energi til å generere elektrisitet, må reaksjonen utføres på en kontrollert måte slik at energi frigjøres i små porsjoner.

Hvordan gjøre det? Miljøet der en termonukleær reaksjon finner sted kalles plasma. Den ligner på gass, bare i motsetning til vanlig gass består den av ladede partikler. Og oppførselen til ladede partikler kan kontrolleres ved hjelp av elektriske og magnetiske felt.

Derfor, i sin mest generelle form, er en termonukleær reaktor en plasmapropp fanget i ledere og magneter. De hindrer plasmaet i å unnslippe, og mens de gjør dette, smelter atomkjerner sammen inne i plasmaet, som et resultat av at energi frigjøres. Denne energien må fjernes fra reaktoren, brukes til å varme opp kjølevæsken – og elektrisitet må skaffes.

Feller og lekkasjer

Plasma viste seg å være det mest lunefulle stoffet som mennesker på jorden måtte møte. Hver gang forskere fant en måte å blokkere én type plasmalekkasje, ble en ny oppdaget. Hele andre halvdel av 1900-tallet ble brukt på å lære å holde plasmaet inne i reaktoren i en betydelig periode. Dette problemet begynte å gi seg bare i våre dager, da kraftige datamaskiner dukket opp som gjorde det mulig å lage matematiske modeller for plasmaadferd.

Det er fortsatt ingen konsensus om hvilken metode som er best for plasmainneslutning. Den mest kjente modellen, tokamak, er et smultringformet vakuumkammer (som matematikere sier, en torus) med plasmafeller inni og utenfor. Denne konfigurasjonen vil ha den største og dyreste termonukleære installasjonen i verden - ITER-reaktoren som for tiden er under bygging i Sør-Frankrike.

I tillegg til tokamak, er det mange mulige konfigurasjoner av termonukleære reaktorer: sfæriske, som i St. Petersburg Globus-M, bisarre buede stellaratorer (som Wendelstein 7-X ved Max Planck Institute of Nuclear Physics i Tyskland), laser treghetsfeller, som amerikanske NIF. De får mye mindre medieoppmerksomhet enn ITER, men de har også høye forventninger.

Det er forskere som anser utformingen av stellaratoren for å være fundamentalt mer vellykket enn tokamak: den er billigere å bygge, og plasma inneslutningstiden lover å gi mye mer. Gevinsten i energi er gitt av geometrien til selve plasmafellen, som lar en bli kvitt de parasittiske effektene og lekkasjer som ligger i "smultringen". Den laserpumpede versjonen har også sine fordeler.

Hydrogendrivstoffet i dem varmes opp til ønsket temperatur med laserpulser, og fusjonsreaksjonen starter nesten umiddelbart. Plasma i slike installasjoner holdes av treghet og har ikke tid til å spre seg - alt skjer så raskt.

Hele verden

Alle termonukleære reaktorer som eksisterer i verden i dag er eksperimentelle maskiner. Ingen av dem brukes til å generere strøm. Ingen har ennå lykkes i å oppfylle hovedkriteriet for en termonukleær reaksjon (Lawsons kriterium): å få mer energi enn det som ble brukt på å lage reaksjonen. Derfor har verdenssamfunnet fokusert på det gigantiske ITER-prosjektet. Dersom Lawson-kriteriet oppfylles ved ITER, vil det være mulig å foredle teknologien og prøve å overføre den til kommersielle skinner.

Ingen land i verden kunne bygge ITER alene. Den trenger 100 tusen km med superledende ledninger alene, og også dusinvis av superledende magneter og en gigantisk sentral solenoid for å holde plasma, et system for å skape et høyt vakuum i en ring, heliumkjølere for magneter, kontrollere, elektronikk … Derfor prosjektet bygger 35 land og flere på en gang tusenvis av vitenskapelige institutter og fabrikker.

Russland er et av hovedlandene som deltar i prosjektet; i Russland blir 25 teknologiske systemer for fremtidens reaktoren designet og bygget. Dette er superledere, systemer for måling av plasmaparametere, automatiske kontroller og komponenter til avlederen, den varmeste delen av tokamakens indre vegg.

Etter lanseringen av ITER vil russiske forskere ha tilgang til alle eksperimentelle data. Imidlertid vil ekkoet av ITER merkes ikke bare i vitenskapen: nå i noen regioner har det dukket opp produksjonsanlegg, som i Russland ikke eksisterte før. For eksempel, før prosjektet startet, var det ingen industriell produksjon av superledende materialer i vårt land, og bare 15 tonn per år ble produsert over hele verden. Nå, bare ved Chepetsk Mechanical Plant til statsselskapet "Rosatom" er det mulig å produsere 60 tonn per år.

Fremtiden for energi og utover

Det første plasmaet ved ITER er planlagt mottatt i 2025. Hele verden venter på denne begivenheten. Men en, selv den kraftigste, maskin er ikke alt. Over hele verden og i Russland fortsetter de å bygge nye termonukleære reaktorer, som vil hjelpe til å endelig forstå plasmaets oppførsel og finne den beste måten å bruke den på.

Allerede på slutten av 2020 skal Kurchatov-instituttet lansere en ny tokamak T-15MD, som vil bli en del av en hybridinstallasjon med kjernefysiske og termonukleære elementer. Nøytronene, som dannes i den termonukleære reaksjonssonen, i hybridinstallasjonen skal brukes til å initiere fisjon av tunge kjerne - uran og thorium. I fremtiden kan slike hybridmaskiner brukes til å produsere drivstoff til konvensjonelle atomreaktorer – både termiske og raske nøytroner.

Thorium frelse

Spesielt fristende er utsiktene til å bruke en termonukleær "kjerne" som en kilde til nøytroner for å sette i gang forfall i thoriumkjerner. Det er mer thorium på planeten enn uran, og bruken av det som kjernebrensel løser flere problemer med moderne kjernekraft på en gang.

Dermed kan ikke nedbrytningsproduktene til thorium brukes til å produsere militært radioaktivt materiale. Muligheten for slik bruk fungerer som en politisk faktor som hindrer små land fra å utvikle sin egen kjernekraft. Thorium drivstoff løser dette problemet en gang for alle.

Plasmafeller kan være nyttige ikke bare i energi, men også i andre fredelige industrier – selv i verdensrommet. Nå jobber Rosatom og Kurchatov-instituttet med komponenter til en elektrodeløs plasmarakettmotor for romfartøy og systemer for plasmamodifisering av materialer. Russlands deltakelse i ITER-prosjektet stimulerer industrien, noe som fører til etableringen av nye industrier, som allerede danner grunnlaget for nye russiske utviklinger.