Ali ima termonuklearna energija prihodnost?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Znanstveniki že več kot pol stoletja poskušajo na Zemlji zgraditi stroj, v katerem, kot v nedrih zvezd, poteka termonuklearna reakcija. Tehnologija nadzorovane termonuklearne fuzije človeštvu obljublja skoraj neizčrpen vir čiste energije. Sovjetski znanstveniki so bili izvor te tehnologije - zdaj pa Rusija pomaga graditi največji fuzijski reaktor na svetu.

Dele jedra atoma drži skupaj velika sila. Obstajata dva načina za sprostitev. Prva metoda je uporaba cepitvene energije velikih težkih jeder z najbolj oddaljenega konca periodnega sistema: urana, plutonija. V vseh jedrskih elektrarnah na Zemlji je vir energije ravno razpad težkih jeder.

Obstaja pa tudi drugi način za sprostitev energije atoma: ne deliti, ampak, nasprotno, združiti jedra. Pri združitvi nekateri od njih sprostijo celo več energije kot cepljiva uranova jedra. Lažje kot je jedro, več energije se bo sprostilo med fuzijo (kot pravijo, fuzija), zato je najučinkovitejši način za pridobivanje energije jedrske fuzije prisiliti jedra najlažjega elementa - vodika - in njegovih izotopov, da se združijo..

Ročna zvezda: solidni profesionalci

Jedrsko fuzijo so odkrili v tridesetih letih prejšnjega stoletja s preučevanjem procesov, ki se odvijajo v notranjosti zvezd. Izkazalo se je, da reakcije jedrske fuzije potekajo znotraj vsakega sonca, svetloba in toplota pa sta njegova produkta. Takoj ko je to postalo jasno, so znanstveniki razmišljali, kako ponoviti, kar se dogaja v črevesju Sonca na Zemlji. V primerjavi z vsemi znanimi viri energije ima »ročno sonce« številne nesporne prednosti.

Prvič, kot gorivo služi navaden vodik, katerega zaloge na Zemlji bodo trajale več tisoč let. Tudi ob upoštevanju dejstva, da reakcija ne zahteva najpogostejši izotop, devterij, je kozarec vode dovolj za oskrbo majhnega mesta z elektriko za teden dni. Drugič, za razliko od zgorevanja ogljikovodikov reakcija jedrske fuzije ne proizvaja strupenih produktov - le nevtralni plin helij.

Prednosti fuzijske energije

Skoraj neomejena zaloga goriva. V fuzijskem reaktorju izotopi vodika - devterij in tritij - delujejo kot gorivo; lahko uporabite tudi izotop helij-3. V morski vodi je veliko devterija - lahko ga pridobimo s konvencionalno elektrolizo, njegove zaloge v Svetovnem oceanu pa bodo ob trenutnem povpraševanju človeštva po energiji trajale približno 300 milijonov let.

V naravi je veliko manj tritija, umetno se proizvaja v jedrskih reaktorjih – a za termonuklearno reakcijo je potrebno zelo malo. Helija-3 na Zemlji skoraj ni, v lunini zemlji pa je veliko. Če bomo nekoč imeli termonuklearno energijo, bo verjetno mogoče leteti na Luno po gorivo zanjo.

Brez eksplozij. Za ustvarjanje in vzdrževanje termonuklearne reakcije je potrebno veliko energije. Takoj, ko se oskrba z energijo ustavi, se reakcija ustavi in plazma, segreta na stotine milijonov stopinj, preneha obstajati. Zato je fuzijski reaktor težje vklopiti kot izklopiti.

Nizka radioaktivnost. Termonuklearna reakcija povzroči tok nevtronov, ki se oddajajo iz magnetne pasti in odlagajo na stene vakuumske komore, zaradi česar je radioaktivna. Z ustvarjanjem posebne "odejice" (odejice) okoli plazemskega oboda, ki upočasnjuje nevtrone, je mogoče popolnoma zaščititi prostor okoli reaktorja. Sama odeja sčasoma neizogibno postane radioaktivna, vendar ne za dolgo. Če pustite počivati 20-30 let, lahko spet dobite material z naravnim sevanjem ozadja.

Brez puščanja goriva. Vedno obstaja nevarnost puščanja goriva, vendar fuzijski reaktor zahteva tako malo goriva, da tudi popolno puščanje ne ogroža okolja. Zagon ITER bi na primer zahteval le približno 3 kg tritija in malo več devterija. Tudi v najslabšem primeru se bo ta količina radioaktivnih izotopov hitro razpršila v vodi in zraku in nikomur ne bo škodila.

Brez orožja. Termonuklearni reaktor ne proizvaja snovi, ki bi jih lahko uporabili za izdelavo atomskega orožja. Zato ni nevarnosti, da bi širjenje termonuklearne energije vodilo v jedrsko dirko.

Kako prižgati "umetno sonce", na splošno, je postalo jasno že v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Na obeh straneh oceana so bili izvedeni izračuni, ki so določili glavne parametre nadzorovane reakcije jedrske fuzije. Potekalo bi pri ogromni temperaturi na stotine milijonov stopinj: v takih pogojih se elektroni odtrgajo od njihovih jeder. Zato se ta reakcija imenuje tudi termonuklearna fuzija. Gola jedra, ki trčijo med seboj z vrtoglavo hitrostjo, premagajo Coulombov odboj in se združijo.

Težave in rešitve

Navdušenje prvih desetletij je trčilo v neverjetno kompleksnost naloge. Izstrelitev termonuklearne fuzije se je izkazala za razmeroma enostavno - če bi bila izvedena v obliki eksplozije. Pacifiški atoli in sovjetska poligona v Semipalatinsku in Novi Zemlji so že v prvem povojnem desetletju doživeli polno moč termonuklearne reakcije.

Toda uporaba te moči je, razen za uničenje, veliko težja kot detonacija termonuklearnega naboja. Za uporabo termonuklearne energije za proizvodnjo električne energije je treba reakcijo izvajati nadzorovano, tako da se energija sprosti v majhnih delih.

Kako narediti? Okolje, v katerem poteka termonuklearna reakcija, se imenuje plazma. Podoben je plinu, le da je za razliko od običajnega plina sestavljen iz nabitih delcev. Obnašanje nabitih delcev je mogoče nadzorovati z uporabo električnih in magnetnih polj.

Zato je termonuklearni reaktor v svoji najbolj splošni obliki plazemski strdek, ujet v prevodnike in magnete. Preprečujejo, da bi plazma ušla, in medtem ko to počnejo, se atomska jedra zlijejo znotraj plazme, zaradi česar se sprosti energija. To energijo je treba odstraniti iz reaktorja, uporabiti za ogrevanje hladilne tekočine - in pridobiti je treba elektriko.

Pasti in puščanja

Izkazalo se je, da je plazma najbolj muhasta snov, s katero so se morali soočiti ljudje na Zemlji. Vsakič, ko so znanstveniki našli način, kako blokirati eno vrsto puščanja plazme, so odkrili novo. Celotna druga polovica 20. stoletja je bila porabljena za učenje, kako ohraniti plazmo v reaktorju za pomemben čas. Ta problem se je začel pojavljati šele v naših dneh, ko so se pojavili močni računalniki, ki so omogočili ustvarjanje matematičnih modelov obnašanja plazme.

Še vedno ni soglasja o tem, katera metoda je najboljša za omejevanje plazme. Najbolj znan model, tokamak, je vakuumska komora v obliki krofa (kot pravijo matematiki, torus) s plazemskimi pastmi znotraj in zunaj. Ta konfiguracija bo imela največjo in najdražjo termonuklearno napravo na svetu - reaktor ITER, ki se trenutno gradi na jugu Francije.

Poleg tokamaka obstaja veliko možnih konfiguracij termonuklearnih reaktorjev: sferični, kot v Sankt Peterburgu Globus-M, bizarno ukrivljeni stelaratorji (kot je Wendelstein 7-X na Inštitutu za jedrsko fiziko Maxa Plancka v Nemčiji), laserski inercialne pasti, kot je ameriški NIF. Prejmejo veliko manj medijske pozornosti kot ITER, vendar imajo tudi visoka pričakovanja.

Obstajajo znanstveniki, ki menijo, da je zasnova stelaratorja bistveno uspešnejša od tokamaka: cenejša je za gradnjo, čas zadrževanja plazme pa obljublja veliko več. Povečanje energije zagotavlja geometrija same plazemske pasti, ki omogoča, da se znebite parazitskih učinkov in puščanja, ki so značilna za "krof". Tudi različica z laserskim črpanjem ima svoje prednosti.

Vodikovo gorivo v njih se z laserskimi impulzi segreje na zahtevano temperaturo in fuzijska reakcija se začne skoraj v trenutku. Plazma v takšnih napravah se drži po vztrajnosti in nima časa, da bi se razpršila - vse se zgodi tako hitro.

Ves svet

Vsi termonuklearni reaktorji, ki danes obstajajo na svetu, so eksperimentalni stroji. Nobena od njih se ne uporablja za proizvodnjo električne energije. Nobenemu še ni uspelo izpolniti glavnega kriterija za termonuklearno reakcijo (Lawsonov kriterij): dobiti več energije, kot je bila porabljena za ustvarjanje reakcije. Zato se je svetovna skupnost osredotočila na gigantski projekt ITER. Če bo pri ITER izpolnjen Lawsonov kriterij, bo mogoče tehnologijo izboljšati in jo poskusiti prenesti na komercialne tirnice.

Nobena država na svetu ne bi mogla sama zgraditi ITER. Potrebuje samo 100 tisoč km superprevodnih žic, pa tudi na desetine superprevodnih magnetov in velikanski centralni solenoid za zadrževanje plazme, sistem za ustvarjanje visokega vakuuma v obroču, helijeve hladilnike za magnete, krmilnike, elektroniko … projekt gradi 35 držav in več na tisoče znanstvenih inštitutov in tovarn.

Rusija je ena glavnih držav, ki sodelujejo v projektu; v Rusiji se načrtuje in gradi 25 tehnoloških sistemov bodočega reaktorja. To so superprevodniki, sistemi za merjenje parametrov plazme, avtomatski krmilniki in komponente divertorja, najbolj vročega dela notranje stene tokamaka.

Po zagonu ITER bodo ruski znanstveniki imeli dostop do vseh njegovih eksperimentalnih podatkov. Vendar se odmev ITER ne bo čutil samo v znanosti: zdaj so se v nekaterih regijah pojavile proizvodne zmogljivosti, ki jih v Rusiji prej ni bilo. Na primer, pred začetkom projekta pri nas ni bilo industrijske proizvodnje superprevodnih materialov, po vsem svetu pa so jih proizvedli le 15 ton na leto. Zdaj je samo v Čepetskem strojnem obratu državne korporacije "Rosatom" mogoče proizvesti 60 ton na leto.

Prihodnost energije in več

Prvo plazmo na ITER naj bi prejeli leta 2025. Ves svet čaka na ta dogodek. Toda en, tudi najmočnejši stroj ni vse. Po vsem svetu in v Rusiji nadaljujejo z gradnjo novih termonuklearnih reaktorjev, ki bodo pomagali dokončno razumeti obnašanje plazme in najti najboljši način za njeno uporabo.

Inštitut Kurčatov bo že konec leta 2020 lansiral nov tokamak T-15MD, ki bo postal del hibridne naprave z jedrskimi in termonuklearnimi elementi. Nevtroni, ki nastanejo v termonuklearni reakcijski coni, bodo v hibridni napravi uporabljeni za sprožitev cepitve težkih jeder - urana in torija. V prihodnosti se bodo takšni hibridni stroji lahko uporabljali za proizvodnjo goriva za običajne jedrske reaktorje – tako toplotnih kot hitrih nevtronov.

Rešitev torija

Še posebej mamljiva je možnost uporabe termonuklearnega "jedra" kot vira nevtronov za sprožitev razpada v torijevih jedrih. Na planetu je več torija kot urana, njegova uporaba kot jedrskega goriva pa rešuje več problemov sodobne jedrske energije hkrati.

Tako produktov razpada torija ni mogoče uporabiti za proizvodnjo vojaških radioaktivnih materialov. Možnost takšne uporabe služi kot politični dejavnik, ki malim državam preprečuje razvoj lastne jedrske energije. Gorivo s torijem rešuje ta problem enkrat za vselej.

Plazemske pasti so lahko uporabne ne le v energetiki, ampak tudi v drugih miroljubnih industrijah – tudi v vesolju. Zdaj Rosatom in inštitut Kurchatov delata na komponentah za plazemski raketni motor brez elektrod za vesoljska plovila in sisteme za plazemsko modifikacijo materialov. Sodelovanje Rusije v projektu ITER spodbuja industrijo, kar vodi v ustvarjanje novih industrij, ki že tvorijo osnovo za nov razvoj v Rusiji.