Лекция о первом в мире термоядерном реакторе (iter)

Нужна ли термоядерная энергия?

На данном этапе развития цивилизации возможно смело заявить, что перед человечеством стоит «энергетический вызов». Он обусловлен сходу несколькими фундаментальными факторами:

— Человечество на данный момент потребляет огромное количество энергии.

На данный момент потребление энергии в мире образовывает около 15,7 тераватт (ТВт). Поделив эту величину на население планеты, мы возьмём приблизительно 2400 ватт на человека, что возможно легко оценить и представить себе. Потребляемая каждым обитателем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24-х 100-ваттных электрических ламп.

— Мировое потребление энергии скоро возрастает .

Согласно расчетам Интернационального агентства по энергетике (2006 год), мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%.

— На данный момент 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных горючих (нефть, газ и уголь), применение которых возможно несет опасность катастрофических экологических трансформаций.

У обитателей Саудовской Аравии популярна следующая шутка: «Мой папа ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже руководит самолетом. Но вот его сын снова пересядет на верблюда».

Похоже, что дела обстоят как раз так, потому, что, по всем важным прогнозам, запасы нефти в мире закончатся по большей части приблизительно через 5 десятилетий.

Кроме того на основании оценок Геологической работы США (данный прогноз существенно оптимистичнее остальных), рост всемирный добычи нефти не будет прекращаться не более 20 ближайших лет (другие эксперты предвещают, что пик добычи будет достигнут уже через 5–10 лет), по окончании чего количество добываемой нефти покажет негативную динамику роста со скоростью около 3% в год. Возможности добычи газа выглядят ненамного лучше. В большинстве случаев говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но данный прогноз основан на сохранении расхода и существующего уровня добычи. В это же время потребление угля на данный момент возрастает на 4,5% в год, что сходу уменьшает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет.

Так, уже на данный момент направляться подготавливаться к окончанию эры применения ископаемых типов горючего.

К сожалению, существующие на данный момент экологически чистые источники энергии не в состоянии покрыть потребностей человечества. По самым оптимистичным оценкам, предельное число энергии (в указанном тепловом эквиваленте), создаваемое перечисленными источниками, образовывает всего 3 ТВт (ветер), 1 ТВт (гидростанции), 1 ТВт (биологические источники) и 100 ГВт (геотермальные и морские установки). Суммарное количество дополнительной энергии (кроме того в этом, самом оптимальном прогнозе) образовывает только около 6 ТВт. Наряду с этим необходимо подчеркнуть, что разработка новых источников энергии есть сверхсложной технической задачей, так что цена создаваемой ими энергии будет в любом случае выше, чем при привычном сжигании угля и т. п. Представляется совсем очевидным, что

человечество должно искать какие-то иные источники энергии, в качестве которых на данный момент реально возможно разглядывать лишь реакции и Солнце термоядерного синтеза.

Возможно Солнце представляет собой фактически неистощимый источник энергии. Количество энергии, попадающей всего на 0,1% поверхности планеты, эквивалентно 3,8 ТВт (кроме того при условии его преобразования с эффективностью всего 15%). Неприятность содержится в отечественном неумении улавливать и преобразовывать эту энергию, что связано как с большой ценой солнечных батарей, так и с проблемами накопления, дальнейшей передачи и хранения приобретаемой энергии в требуемые регионы.

На данный момент на ядерных электростанциях в широких масштабах приобретают энергию, выделяющуюся при реакциях деления ядер атома. Я полагаю, что направляться всячески поощрять развитие и создание таких станций, но наряду с этим нужно учитывать, что запасы одного из наиболее значимых для их работы материала (недорогого урана) также будут быть всецело израсходованы в течение ближайших 50 лет.

Еще одним ответственным направлением развития есть применение ядерного синтеза (слияния ядер), которое выступает на данный момент в качестве главной надежды на спасение, не смотря на то, что время создания первых термоядерных электростанций до тех пор пока неопределен. Этой теме посвящена эта лекция.

Что такое ядерный синтез? (НАДАВИТЕ Ко мне ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ)

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез, являющийся базой звёзд и существования Солнца, возможно представляет собой неистощимый источник энергии для развития Вселенной по большому счету. Опыты, проводимые в Российской Федерации (Российская Федерация – отчизна термоядерной установки Токамак), США, Японии, Германии, а также в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, говорят о том, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и значительно большее количество энергии.

Энергия ядерного синтеза есть совсем настоящей, и главный вопрос пребывает в том, сможем ли мы создать достаточно качественные и рентабельные термоядерные установки.

Процессами ядерного синтеза именуют реакции слияния легких ядер атома в более тяжелые с выделением некоего количества энергии.

В первую очередь, среди них направляться отметить реакцию между двумя изотопами (тритий и дейтерий) очень распространенного на Земле водорода, из-за которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция возможно записана в следующем виде:

D + T = 4He + n + энергия (17,6 MэВ).

Выделенная энергия, появляющаяся по причине того, что гелий-4 имеет весьма сильные ядерные связи, переходит в простую кинетическую энергию, распределяемую между ядром и нейтроном гелия-4 в пропорции 14,1 MэВ/3,5 MэВ.

Для инициирования (зажигания) реакции синтеза нужно всецело ионизовать и нагреть газ из трития и смеси дейтерия до температуры выше 100 миллионов градусов по шкале Цельсия (будем обозначать ее через M градусов), что приблизительно в пять раз выше температуры в центре Солнца. Уже при температуре пара тысяч градусов межатомные столкновения приводят к выбиванию электронов из атомов, в следствии чего формируется смесь из поделённых электронов и ядер, узнаваемая называющиеся плазмы, в которой положительно заряженные и тритоны и высокоэнергичные дейтроны (другими словами трития и ядра дейтерия) испытывают сильное обоюдное отталкивание. Однако высокая температура плазмы (и связанная с этим высокая энергия ионов) разрешают этим ионам трития и дейтерия преодолевать кулоновское отталкивание и сталкиваться между собой. При температуре выше 100 M градусов наиболее «тритоны» и энергетические дейтроны сближаются при столкновениях на столь родные расстояния, что между ними начинают функционировать замечательные ядерные силы, заставляющие их сливаться между собой в единое целое.

Осуществление этого процесса в лаборатории связано с тремя сверхсложными проблемами. В первую очередь, газовую смесь ядер D и T направляться нагреть до температур выше 100 M градусов, каким-то образом предотвращая его загрязнение и охлаждение (из-за реакций со стенками сосуда).

Для решения данной задачи были придуманы «магнитные ловушки», названные Токамак, каковые предотвращают сотрудничество плазмы со стенками реактора.

В обрисовываемом способе плазма нагревается электрическим током, протекающим в тора, приблизительно до 3 M градусов, что, но, оказывается еще недостаточным для инициирования реакции. Для дополнительного нагрева плазмы в неё или «вкачивают» энергию радиочастотным излучением (как в микроволновой печке), или инжектируют пучки нейтральных частиц с высокой энергией, каковые при столкновениях передают собственную энергию плазме. Помимо этого, выделение тепла является следствием, фактически, термоядерных реакций (как будет поведано ниже), в следствии чего в большой установке должно происходить «зажигание» плазмы.

На данный момент во Франции начинается строительство обрисовываемого ниже международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), что будет первым Токамаком, талантливым «зажечь» плазму.

В самые передовых существующих установках типа Токамак в далеком прошлом достигнуты температуры порядка 150 M градусов, родные к значениям, требуемым для работы термоядерной станции, но реактор ITER будет первой широкомасштабной энергетической установкой, рассчитанной на долгую эксплуатацию. В будущем нужно будет значительно улучшить параметры её работы, что потребует прежде всего увеличения давления в плазме, поскольку скорость слияния ядер при заданной температуре пропорциональна квадрату давления.

Главная научная неприятность наряду с этим связана с тем, что при увеличении давления в плазме появляются сверхсложные и страшные неустойчивости, другими словами нестабильные режимы работы.

Появляющиеся при реакции синтеза электрически заряженные ядра гелия удерживаются в «магнитной ловушки», где неспешно тормозятся за счет столкновений с другими частицами, причем выделяющаяся при столкновениях энергия оказывает помощь поддерживать большую температуру плазменного шнура. Нейтральные (не имеющие заряда) нейтроны покидают совокупность и передают собственную энергию стенкам реактора, а отбираемое от стенку тепло и есть источником энергии для работы турбин, производящих электричество. сложности и Проблемы эксплуатации таковой установки связаны, в первую очередь, с тем, что замечательный поток высокоэнергичных нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде частиц плазмы и электромагнитного излучения) без шуток воздействуют на реактор и смогут уничтожить материалы, из которых он создан.

Вследствие этого конструкция термоядерных установок есть сверхсложной. Перед инженерами и физиками стоит задача обеспечения высокой надежности их работы. строительство и Проектирование термоядерных станций требуют от них решения многих разнообразных и сверхсложных технологических задач.

Устройство термоядерной электростанции (НАДАВИТЕ Ко мне ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ)

Устройство термоядерной электростанции

На рисунке представлена принципиальная схема (без принципа масштаба) работы и соблюдения устройства термоядерной электростанции. В центре находится тороидальная (в форме бублика) камера количеством ~ 2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T–D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 M градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную ловушку» и попадают в продемонстрированную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м. 1

В оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в следствии чего происходит реакция с образованием трития:

нейтрон + литий = гелий + тритий.

Помимо этого, в совокупности происходят и соперничающие реакции (без образования трития), и большое количество реакций с выделением дополнительных нейтронов, каковые после этого кроме этого приводят к образованию трития (наряду с этим выделение дополнительных нейтронов возможно значительно усилено, к примеру, за счет введения в оболочку свинца и атомов бериллия). Неспециализированный вывод пребывает в том, что в данной установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. Наряду с этим количество образующегося трития должно не только снабжать потребности самой установки, но и быть кроме того пара громадным, что разрешит снабжать тритием и новые установки.

Эта концепция работы должна быть проверена и реализована на обрисовываемом ниже реакторе ITER.

Нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут употребляться довольно «простые» конструкционные материалы) приблизительно до температуры 400 градусов. В будущем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 градусов, что возможно достигнуто за счет применения новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в простых станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, к примеру, воду либо гелий) и передается на вторичный контур, где и производится пар, подающийся на турбины.

Главное преимущество ядерного синтеза пребывает в том, что в качестве горючего для него требуется только совсем маленькое количество очень распространенных в природе веществ.

Реакция ядерного синтеза в обрисовываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при простых химических реакциях (типа сжигания ископаемого горючего). Для сравнения укажем, что количество угля, нужного для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаватт (ГВт), образовывает 10 000 тысячь киллограм в сутки (десять ЖД вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в сутки только около 1 кг смеси D+T.

Дейтерий есть устойчивым изотопом водорода; приблизительно в одной из каждых 3350 молекул простой воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Громадного взрыва Вселенной). Данный факт позволяет без проблем организовать достаточно недорогое получение нужного количества дейтерия из воды. Более сложным есть получение трития, что есть нестабильным (период полураспада около 12 лет, благодаря чего его содержание в природе ничтожно), но, как было продемонстрировано выше, тритий будет нарабатываться прямо в термоядерной установки в ходе работы за счет реакции нейтронов с литием.

Так, исходным горючим для термоядерного реактора являются вода и литий.

Литий представляет собой простой металл, обширно применяемый в бытовых устройствах (в батарейках для сотовых телефонов, к примеру). Обрисованная выше установка, кроме того с учетом неидеальной эффективности, сможет создавать 200 000 кВт/час электроэнергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Вышеуказанная величина соответствует современному электропотреблению (в пересчете на одного человека) в Европе за 30-летний период. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку для того чтобы количества электричества (без выбросов CO2 и без мельчайшего загрязнения воздуха), есть достаточно важным доводом для стремительнейшего и энергичного развития изучений по разработке термоядерной энергетики (не обращая внимания на все проблемы и сложности) кроме того при долговременной возможности создания экономически действенного термоядерного реактора.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легкодобываемого лития в полной мере достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет.

Кроме того в случае если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), дабы его добыча была экономически целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO2 и без загрязнения воздуха), но и владеет рядом вторых преимуществ.

1) Высокая внутренняя безопасность.

Применяемая в термоядерных установках плазма имеет весьма низкую плотность (приблизительно в миллион раз ниже плотности воздуха), благодаря чего рабочая среда установок ни при каких обстоятельствах не будет содержать в себе энергии, достаточной для происхождения важных происшествий либо аварий.

Помимо этого, загрузка «горючим» обязана производиться непрерывно, что позволяет без проблем останавливать ее работу, не говоря уже о том, что при резкого изменения и аварии условий окружения термоядерное «пламя» должно .

В чем состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, необходимо подчеркнуть, что не смотря на то, что нейтроны синтеза (и продукты гелий) не являются радиоактивными, оболочка реактора при долгом нейтронном облучении может стать радиоактивной.

Во-вторых, тритий есть радиоактивным и имеет довольно малый период полураспада (12 лет). Но не смотря на то, что количество применяемой плазмы велик, из-за ее низкой плотности в том месте содержится только совсем маленькое количество трития (неспециализированным весом приблизительно как десять почтовых марок). Исходя из этого

кроме того при самых авариях и тяжёлых ситуациях (выделение и полное разрушение оболочки всего содержащегося в ней трития, к примеру, при падении и землетрясении самолета на станцию) в вохдух поступит только незначительное количество горючего, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

2) Цена энергии.

Ожидается, что так называемая «внутренняя» цена приобретаемой электричества (цена самого производства) станет приемлемой, в случае если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. «Приемлемость» в этом случае свидетельствует, что цена будет ниже цены энергии, приобретаемой с применением ветхих углеводородных горючих. «Внешняя» цена (побочные эффекты, действие на здоровье населения, климат, экологию и т. п.) будет, по существу, равной нулю.

Интернациональный экспериментальный термоядерный реактор ITER (НАДАВИТЕ Ко мне ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ)

Интернациональный экспериментальный термоядерный реактор ITER

Главный следующий ход пребывает в построении реактора ITER, спроектированного с целью демонстрации самой получения зажигания и возможности плазмы на данной базе хотя бы десятикратного выигрыша в энергии (по отношению к энергии, затрачиваемой на разогрев плазмы). Реактор ITER будет воображать собой экспериментальное устройство, которое кроме того не будет снабжено турбинами для производства электричества и устройствами для её применения. Целью его создания есть изучение условий, каковые должны быть выполнены при работе таких энергетических установок, и создание на данной базе настоящих, рентабельных электростанций, каковые по размерам, по-видимому, должны превосходить ITER. Создание настоящих прототипов термоядерных электростанций (другими словами станций, всецело оборудованных турбинами и т. д.) требует решения двух следующих задач. Во-первых, нужно продолжить разработку новых материалов (талантливых выдерживать весьма жёсткие условия эксплуатации в обрисованных условиях) и совершить их опробования в соответствии со особыми правилами для аппаратуры совокупности IFMIF (International Fusion Irradiation Facility), обрисованной ниже. Во-вторых, нужно решить большое количество чисто технических задач и развить новые разработки, относящиеся к дистанционному управлению, нагреву, конструкции оболочек, топливным циклам и т. д.2

На рисунке продемонстрирован реактор ITER, превосходящий наибольшую на сегодня установку JET не только по всем линейным размерам (приблизительно в два раза), но и по величине применяемых в нем магнитных полей и протекающих через плазму токов.

Целью создания этого реактора есть демонстрация возможностей объединенных инженеров и усилий физиков при конструировании широкомасштабной термоядерной электростанции.

Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе совокупности всего около 50 МВт).3

Установка ITER создается консорциумом, в который входят ЕC, Китай, Индия, Япония, Республика Корея, Российская Федерация и США. Общее колличество населения этих государств образовывает около половины всего населения Почвы, так что проект возможно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. узлы реактора и Основные компоненты ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2020 год, а получение дейтерий-тритиевой плазмы – на 2027 год, поскольку ввод реактора в воздействие требует долгих и важных опробований для плазмы из трития и дейтерия.

Магнитные катушки реактора ITER созданы на базе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, разрешает трудиться непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики сохраняют надежду обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не меньше 10 мин.. Ясно, что наличие сверхпроводящих магнитных катушек есть очень важным для постоянной работы настоящей термоядерной электростанции. Сверхпроводящие катушки уже использовались в устройствах типа Токамак, но ранее они не употреблялись в столь широкомасштабных установках, рассчитанных на тритиевую плазму. Также, в установке ITER будут в первый раз использованы и испытаны различные модули оболочки, предназначенные для работы в настоящих станциях, где смогут генерироваться либо «восстанавливаться» ядра трития.

Главной целью постройки установки есть демонстрация успешного управления горением возможности и плазмы настоящего получения энергии в термоядерных устройствах при существующем уровне развития разработок.

Предстоящее развитие в этом направлении, само собой разумеется, потребует многих упрочнений чтобы повысить эффективность работы устройств, в особенности с позиций их экономической целесообразности, что связано с важными и долгими изучениями, как на реакторе ITER, так и на вторых устройствах. Среди задач направляться очень выделить три следующие:

1) Нужно продемонстрировать, что техники и существующий уровень науки уже разрешает приобретать 10-кратный выигрыш в энергии (если сравнивать с затрачиваемой для поддержания процесса) при контролируемом ходе ядерного синтеза. Реакция обязана протекать без происхождения страшных неустойчивых режимов, без повреждения и перегрева материалов конструкции и без загрязнения плазмы примесями. При мощностях термоядерной энергии порядка 50 % от мощности нагрева плазмы эти цели уже были достигнуты в опытах на маленьких установках, но создание реактора ITER разрешит проверить надежность способов управления на значительно более большой установке, создающей значительно больше энергии в течение долгого времени. Реактор ITER проектируется для согласования и проверки требований к будущему термоядерному реактору, и его создание есть сверхсложной и занимательной задачей.

2) Нужно изучить способы увеличения давления в плазме (отметим, что скорость реакции при заданной температуре пропорциональна квадрату давления) для предотвращения происхождения страшных неустойчивых режимов поведения плазмы. Успех изучений в этом направлении разрешит или обеспечить работу реактора при более высокой плотности плазмы, или понизить требования к напряженности создаваемых магнитных полей, что значительно уменьшит цена создаваемой реактором электричества.

3) Опробования должны подтвердить, что постоянная работа реактора в устойчивом режиме возможно обеспечена реально (с экономической и технической точек зрения это требование представляется крайне важным, если не главным), а запуск установки возможно будет осуществлять без огромных затрат энергии. проектировщики и Исследователи весьма сохраняют надежду, что «постоянное» течение электромагнитного тока по плазме возможно обеспечено его генерацией в плазме (за счёт инжекции и высокочастотного излучения стремительных атомов).

Современный мир стоит перед весьма важным энергетическим вызовом, что более совершенно верно возможно назвать «неизвестным энергетическим кризисом».

На данный момент практически вся потребляемая человечеством энергия создается сжиганием ископаемых горючих, а решение проблемы возможно связано с применением солнечной энергии либо ядерной энергетики (созданием реакторов на стремительных нейтронах и т. п.). Мировая проблема, обусловленная ростом населения развивающихся государств и их потребностью в увеличении уровня объёма и повышении жизни создаваемой энергии, не разрешиться лишь на базе разглядываемых подходов, не смотря на то, что, само собой разумеется, направляться поощрять каждые попытки развития других способов выработки энергии.

В случае если никаких больших и неожиданных сюрпризов на пути развития термоядерной энергетики не будет, то при соблюдении выработанной разумной и упорядоченной программы действий, которая (очевидно, при условии хорошей организации работ и достаточного их финансирования) обязана привести к созданию прототипа термоядерной электростанции. В этом случае приблизительно через 3 десятилетия мы сумеем в первый раз подать электрический ток от неё в энергетические сети, и вдобавок через 10 с маленьким лет начнет трудиться первая коммерческая термоядерная электростанция. Быть может, что во второй половине этого века энергия ядерного синтеза начнет заменять ископаемые горючие и неспешно начнёт играть все более ключевую роль в обеспечении человечества энергией в глобальном масштабе.

ИТЭР: термоядерное послезавтра. Нестандартная модель


Читать также:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: