Kuinka kaikki alkoi? "Energiahaaste" syntyi seuraavan kolmen tekijän yhdistelmän seurauksena:

1. Ihmiskunta kuluttaa nyt valtavasti energiaa.

Tällä hetkellä maailman energiankulutus on noin 15,7 terawattia (TW). Jakamalla tämä arvo maailman väestöllä, saadaan noin 2400 wattia henkilöä kohden, mikä on helposti arvioitavissa ja visualisoitavissa. Jokaisen maan asukkaan (lapset mukaan lukien) kuluttama energia vastaa 24 sadan watin sähkölampun ympärivuorokautista toimintaa. Tämän energian kulutus planeetalla on kuitenkin hyvin epätasaista, koska se on erittäin suurta useissa maissa ja merkityksetöntä toisissa. Kulutus (yhdelle henkilölle laskettuna) on Yhdysvalloissa 10,3 kW (yksi ennätysarvoista), 6,3 kW Venäjällä, 5,1 kW Isossa-Britanniassa jne., mutta toisaalta se on yhtä suuri. vain 0,21 kW Bangladeshissa (vain 2 % Yhdysvaltain energiankulutuksesta!).

2. Maailman energiankulutus kasvaa dramaattisesti.

Kansainvälisen energiajärjestön (2006) mukaan maailmanlaajuisen energiankulutuksen odotetaan kasvavan 50 prosenttia vuoteen 2030 mennessä. Kehittyneet maat pärjäävät tietysti hyvin ilman lisäenergiaa, mutta tämä kasvu on välttämätöntä ihmisten nostamiseksi köyhyydestä kehitysmaissa, joissa 1,5 miljardia ihmistä kärsii vakavasta sähkön puutteesta.

3. Tällä hetkellä 80 % maailman energiasta tulee fossiilisten polttoaineiden polttamisesta (öljy, hiili ja kaasu), joiden käyttö:
a) mahdollisesti aiheuttaa katastrofaalisten ympäristömuutosten riskin;
b) täytyy väistämättä päättyä jonain päivänä.

Sen perusteella, mitä on sanottu, on selvää, että nyt meidän on valmistauduttava fossiilisten polttoaineiden käytön aikakauden loppuun

Tällä hetkellä ydinvoimalat tuottavat suuressa mittakaavassa atomiytimien fissioreaktioiden aikana vapautuvaa energiaa. Tällaisten asemien perustamista ja kehittämistä tulee rohkaista kaikin mahdollisin tavoin, mutta on otettava huomioon, että yhden niiden toiminnan kannalta tärkeimmän materiaalin (halpa uraani) varannot voidaan myös käyttää kokonaan loppuun seuraavan 50 vuoden aikana. . Fissiopohjaisen energian mahdollisuuksia voidaan (ja pitäisi) laajentaa merkittävästi käyttämällä tehokkaampia energiakiertoja, jolloin tuotetun energian määrä lähes kaksinkertaistuu. Energian kehittämiseksi tähän suuntaan on tarpeen luoda toriumreaktoreita (ns. torium-jalostusreaktoreita tai jalostusreaktoreita), joissa reaktio tuottaa enemmän toriumia kuin alkuperäinen uraani, minkä seurauksena tuotetun energian kokonaismäärä. määrätylle ainemäärälle kasvaa 40 kertaa . Näyttää myös lupaavalta luoda plutoniumin kasvattajia käyttämällä nopeita neutroneja, jotka ovat paljon tehokkaampia kuin uraanireaktorit ja voivat tuottaa 60 kertaa enemmän energiaa. Saattaa olla, että näiden alueiden kehittämiseksi on tarpeen kehittää uusia, epätyypillisiä menetelmiä uraanin saamiseksi (esimerkiksi merivedestä, joka näyttää olevan kaikkein saavutettavin).

Fuusiovoimalaitokset

Kuvassa on kaavio (ei mittakaavassa) lämpöydinvoimalaitoksen laitteesta ja toimintaperiaatteesta. Keskiosassa on toroidinen (donitsin muotoinen) kammio, jonka tilavuus on ~2000 m3, täytetty tritium-deuterium (T-D) plasmalla, joka on kuumennettu yli 100 M°C:n lämpötilaan. Fuusioreaktion (1) aikana syntyvät neutronit poistuvat ”magneettipullosta” ja menevät kuvan mukaiseen kuoreen, jonka paksuus on noin 1 m.

Kuoren sisällä neutronit törmäävät litiumatomien kanssa, mikä johtaa reaktioon, joka tuottaa tritiumia:

neutroni + litium → helium + tritium

Lisäksi järjestelmässä tapahtuu kilpailevia reaktioita (ilman tritiumin muodostumista), samoin kuin monia reaktioita, joissa vapautuu lisäneutroneja, jotka sitten johtavat myös tritiumin muodostumiseen (tässä tapauksessa lisäneutronien vapautuminen voi olla merkittävästi tehostettu esimerkiksi viemällä berylliumatomeja kuoreen ja lyijyä). Yleinen johtopäätös on, että tämä laitos voisi (ainakin teoriassa) käydä läpi ydinfuusioreaktion, joka tuottaisi tritiumia. Tässä tapauksessa tuotetun tritiumin määrän ei tulisi vastata vain itse laitoksen tarpeita, vaan se on myös hieman suurempi, mikä mahdollistaa uusien laitteistojen toimittamisen tritiumilla. Juuri tämä toimintakonsepti on testattava ja toteutettava alla kuvatussa ITER-reaktorissa.

Lisäksi neutronien on lämmitettävä kuori niin sanotuissa pilottilaitoksissa (joissa käytetään suhteellisen "tavallisia" rakennusmateriaaleja) noin 400 °C:seen. Tulevaisuudessa on tarkoitus luoda parempia asennuksia, joiden vaipan lämmityslämpötila on yli 1000 °C, mikä voidaan saavuttaa käyttämällä uusimpia lujia materiaaleja (kuten piikarbidikomposiitteja). Kuoressa syntyvä lämpö, ​​kuten perinteisissä asemissa, otetaan primäärijäähdytyspiirissä jäähdytysnesteellä (joka sisältää esimerkiksi vettä tai heliumia) ja siirretään toisiopiiriin, jossa tuotetaan vesihöyryä ja syötetään turbiineille.

1985 - Neuvostoliitto ehdotti seuraavan sukupolven Tokamak-laitosta käyttämällä neljän johtavan maan kokemusta fuusioreaktorien luomisesta. Amerikan Yhdysvallat yhdessä Japanin ja Euroopan yhteisön kanssa tekivät ehdotuksen hankkeen toteuttamisesta.

Tällä hetkellä Ranskassa ollaan rakentamassa alla kuvattua kansainvälistä kokeellista lämpöydinreaktoria ITER (International Tokamak Experimental Reactor), joka on ensimmäinen tokamak, joka pystyy "sytyttämään" plasman.

Edistyksellisimmät olemassa olevat tokamak-laitokset ovat jo pitkään saavuttaneet noin 150 M°C:n lämpötilat, jotka ovat lähellä fuusioaseman toiminnan edellyttämiä arvoja, mutta ITER-reaktorin pitäisi olla ensimmäinen laajamittainen voimalaitos, joka on suunniteltu pitkään. -aikainen toiminta. Tulevaisuudessa on tarpeen parantaa merkittävästi sen toimintaparametreja, mikä vaatii ensinnäkin plasman paineen lisäämistä, koska ydinfuusion nopeus tietyssä lämpötilassa on verrannollinen paineen neliöön. Suurin tieteellinen ongelma tässä tapauksessa liittyy siihen tosiasiaan, että kun plasman paine kasvaa, syntyy erittäin monimutkaisia ​​ja vaarallisia epävakauksia, toisin sanoen epävakaita toimintatiloja.

Miksi me tarvitsemme tätä?

Ydinfuusion tärkein etu on, että se vaatii vain hyvin pieniä määriä luonnossa hyvin yleisiä aineita polttoaineena. Ydinfuusioreaktio kuvatuissa laitoksissa voi johtaa valtavien energiamäärien vapautumiseen, joka on kymmenen miljoonaa kertaa suurempi kuin tavanomaisten kemiallisten reaktioiden (kuten fossiilisten polttoaineiden polton) aikana vapautuva standardilämpö. Vertailun vuoksi huomautamme, että 1 gigawatin (GW) lämpövoimalaitoksen tehon tuottamiseen tarvittava kivihiilen määrä on 10 000 tonnia päivässä (kymmenen rautatievaunua), ja saman tehon fuusiolaitos kuluttaa vain noin n. 1 kilogramma D+T-seosta päivässä.

Deuterium on stabiili vedyn isotooppi; Noin yhdessä jokaisesta 3 350 tavallisen veden molekyylistä yksi vetyatomeista on korvattu deuteriumilla (alkuräjähdyksen perintö). Tämän tosiasian ansiosta on helppo järjestää melko halvalla tarvittavan määrän deuteriumtuotantoa vedestä. Tritiumia on vaikeampi saada, koska se on epästabiili (puoliintumisaika on noin 12 vuotta, minkä seurauksena sen pitoisuus luonnossa on mitätön), mutta kuten yllä näkyy, tritiumia ilmaantuu suoraan lämpöydinlaitoksen sisään käytön aikana, johtuu neutronien reaktiosta litiumin kanssa.

Siten fuusioreaktorin alkuperäinen polttoaine on litium ja vesi. Litium on yleinen metalli, jota käytetään laajalti kodinkoneissa (matkapuhelinakut jne.). Yllä kuvattu laitteisto pystyy tuottamaan ei-ideaalista hyötysuhdettakin huomioiden 200 000 kWh sähköenergiaa, mikä vastaa 70 tonnin hiilen sisältämää energiaa. Tähän tarvittava litiumin määrä on yksi tietokoneen akussa ja deuteriumin määrä on 45 litrassa vettä. Yllä oleva arvo vastaa nykyistä sähkönkulutusta (laskettuna henkilöä kohti) EU-maissa 30 vuoden ajalta. Jo se tosiasia, että niin merkityksetön määrä litiumia voi varmistaa tällaisen sähkömäärän tuotannon (ilman CO2-päästöjä ja ilman pienintäkään ilmansaastetta), on melko vakava argumentti lämpöydinenergian nopeimman ja voimakkaimman kehittämisen puolesta (kaikesta huolimatta vaikeuksia ja ongelmia) ja jopa ilman sataprosenttista luottamusta tällaisen tutkimuksen onnistumiseen.

Deuteriumin pitäisi kestää miljoonia vuosia, ja helposti louhittavan litiumin varannot riittävät kattamaan satojen vuosien tarpeet. Vaikka kivissä oleva litium loppuisi, voimme uuttaa sitä vedestä, jossa sitä löytyy riittävän korkeina pitoisuuksina (100 kertaa uraanin pitoisuus), jotta sen louhinta olisi taloudellisesti kannattavaa.

Cadarachen kaupungin lähelle Ranskassa rakennetaan kokeellista lämpöydinreaktoria (International thermonuclear experimental reactor). ITER-hankkeen päätavoitteena on toteuttaa kontrolloitu lämpöydinfuusioreaktio teollisessa mittakaavassa.

Termoydinpolttoaineen painoyksikköä kohti saadaan noin 10 miljoonaa kertaa enemmän energiaa kuin poltettaessa sama määrä orgaanista polttoainetta ja noin sata kertaa enemmän kuin halkaisemalla uraaniytimiä parhaillaan toimivien ydinvoimalaitosten reaktoreissa. Jos tutkijoiden ja suunnittelijoiden laskelmat toteutuvat, tämä antaa ihmiskunnalle ehtymättömän energialähteen.

Siksi useat maat (Venäjä, Intia, Kiina, Korea, Kazakstan, USA, Kanada, Japani, Euroopan unionin maat) yhdistivät voimansa luodakseen kansainvälisen lämpöydintutkimusreaktorin - uusien voimalaitosten prototyypin.

ITER on laitos, joka luo olosuhteet vety- ja tritiumatomien (vedyn isotoopin) synteesille, jolloin muodostuu uusi atomi - heliumatomi. Tähän prosessiin liittyy valtava energiapurkaus: plasman lämpötila, jossa lämpöydinreaktio tapahtuu, on noin 150 miljoonaa celsiusastetta (vertailun vuoksi Auringon ytimen lämpötila on 40 miljoonaa astetta). Tässä tapauksessa isotoopit palavat, jättämättä käytännössä mitään radioaktiivista jätettä.
Kansainväliseen hankkeeseen osallistumissuunnitelmassa määrätään reaktorikomponenttien toimittamisesta ja rakentamisen rahoituksesta. Vastineeksi tästä kukin osallistujamaa saa täyden pääsyn kaikkiin lämpöydinreaktorin luomiseen tarvittaviin teknologioihin ja kaikkien tätä reaktoria koskevien kokeellisten töiden tuloksiin, jotka toimivat pohjana sarjatehoisten lämpöydinreaktorien suunnittelulle.

Termoydinfuusion periaatteeseen perustuva reaktori ei sisällä radioaktiivista säteilyä ja on täysin turvallinen ympäristölle. Se voi sijaita melkein kaikkialla maailmassa, ja sen polttoaine on tavallista vettä. ITERin rakentamisen arvioidaan kestävän noin kymmenen vuotta, minkä jälkeen reaktorin odotetaan olevan käytössä 20 vuotta.

Venäjän etuja ITER-lämpöydinreaktorin kansainvälisen rakennusjärjestön neuvostossa tulevina vuosina edustaa Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtaja Mihail Kovaltšuk, Kurchatov-instituutin johtaja, Venäjän akatemian kristallografian instituutti. Tieteet ja tiede-, teknologia- ja koulutusneuvoston tieteellinen sihteeri. Kovaltšuk korvaa tässä tehtävässä väliaikaisesti akateemikko Evgeniy Velikhovin, joka valittiin ITERin kansainvälisen neuvoston puheenjohtajaksi seuraaviksi kahdeksi vuodeksi ja jolla ei ole oikeutta yhdistää tätä tehtävää osallistuvan maan virallisen edustajan tehtäviin.

Rakentamisen kokonaiskustannusarvio on 5 miljardia euroa, ja saman verran tarvitaan reaktorin koekäyttöön. Intian, Kiinan, Korean, Venäjän, Yhdysvaltojen ja Japanin osuudet muodostavat kukin noin 10 prosenttia kokonaisarvosta, 45 prosenttia tulee Euroopan unionin maista. Euroopan valtiot eivät kuitenkaan ole vielä päässeet yhteisymmärrykseen siitä, miten kustannukset tarkalleen jakautuvat niiden kesken. Tämän vuoksi rakentamisen aloitus siirrettiin huhtikuulle 2010. Viimeisimmästä viivästyksestä huolimatta ITERiin osallistuvat tutkijat ja virkamiehet sanovat voivansa saattaa hankkeen päätökseen vuoteen 2018 mennessä.

ITERin arvioitu lämpöydinteho on 500 megawattia. Yksittäisten magneettiosien paino on 200-450 tonnia. ITERin jäähdyttämiseen tarvitaan 33 tuhatta kuutiometriä vettä päivässä.

Vuonna 1998 Yhdysvallat lopetti osallistumisensa rahoituksen hankkeeseen. Kun republikaanit tulivat valtaan ja katkokset alkoivat Kaliforniassa, Bushin hallinto ilmoitti lisäävänsä investointeja energiaan. Yhdysvallat ei aikonut osallistua kansainväliseen projektiin ja oli mukana omassa lämpöydinprojektissaan. Vuoden 2002 alussa presidentti Bushin teknologianeuvonantaja John Marburger III sanoi, että Yhdysvallat oli muuttanut mieltään ja aikoi palata projektiin.

Osallistujamäärältään hanke on verrattavissa toiseen suureen kansainväliseen tieteelliseen hankkeeseen - Kansainväliseen avaruusasemaan. ITERin kustannukset, jotka aiemmin olivat 8 miljardia dollaria, olivat silloin alle 4 miljardia. Yhdysvaltojen vetäytymisen seurauksena reaktorin tehoa päätettiin vähentää 1,5 GW:sta 500 MW:iin. Vastaavasti myös projektin hinta on laskenut.

Kesäkuussa 2002 symposiumi "ITER Days in Moscow" pidettiin Venäjän pääkaupungissa. Siinä keskusteltiin teoreettisista, käytännöllisistä ja organisatorisista ongelmista hankkeen elvyttämiseksi, jonka onnistuminen voi muuttaa ihmiskunnan kohtalon ja antaa sille uudenlaisen energian, joka on verrattavissa tehokkuudeltaan ja taloudellisuudeltaan vain Auringon energiaan.

Heinäkuussa 2010 kansainväliseen lämpöydinreaktorihankkeeseen ITER osallistuvien maiden edustajat hyväksyivät sen budjetin ja rakennusaikataulun Ranskan Cadarachessa pidetyssä ylimääräisessä kokouksessa. .

Projektin osallistujat hyväksyivät viimeisessä ylimääräisessä kokouksessa ensimmäisten plasmakokeiden aloituspäivämäärän - 2019. Täydelliset kokeet on suunniteltu maaliskuulle 2027, vaikka projektin johto pyysi teknisiä asiantuntijoita yrittämään optimoida prosessin ja aloittamaan kokeet vuonna 2026. Kokouksen osallistujat päättivät myös reaktorin rakentamisen kustannuksista, mutta laitoksen rakentamiseen suunniteltuja summia ei julkistettu. ScienceNOW-portaalin toimittajan nimettömästä lähteestä saamien tietojen mukaan ITER-projektin kustannukset voivat kokeiden alkaessa nousta 16 miljardiin euroon.

Tapaaminen Cadarachessa oli myös uuden projektijohtajan, japanilaisen fyysikon Osamu Motojiman ensimmäinen virallinen työpäivä. Ennen häntä projektia oli johtanut vuodesta 2005 japanilainen Kaname Ikeda, joka halusi jättää tehtävänsä heti budjetin ja rakentamisen määräaikojen hyväksymisen jälkeen.

ITER-fuusioreaktori on Euroopan unionin, Sveitsin, Japanin, USA:n, Venäjän, Etelä-Korean, Kiinan ja Intian yhteinen hanke. Ajatus ITERin luomisesta on ollut harkinnassa viime vuosisadan 80-luvulta lähtien, mutta taloudellisten ja teknisten vaikeuksien vuoksi projektin kustannukset kasvavat jatkuvasti ja rakentamisen aloituspäivää lykätään jatkuvasti. Vuonna 2009 asiantuntijat odottivat, että työ reaktorin luomiseksi alkaisi vuonna 2010. Myöhemmin tätä päivämäärää siirrettiin ja ensin 2018 ja sitten 2019 nimettiin reaktorin käynnistysajaksi.

Termoydinfuusioreaktiot ovat kevyiden isotooppien ytimien fuusioreaktioita raskaamman ytimen muodostamiseksi, joihin liittyy valtava energian vapautuminen. Teoriassa fuusioreaktorit voivat tuottaa paljon energiaa alhaisin kustannuksin, mutta tällä hetkellä tutkijat käyttävät paljon enemmän energiaa ja rahaa fuusioreaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen.

Termoydinfuusio on halpa ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa. Hallitsematonta lämpöydinfuusiota on tapahtunut Auringossa miljardeja vuosia – heliumia muodostuu raskaasta vety-isotoopista deuterium. Tämä vapauttaa valtavan määrän energiaa. Ihmiset maan päällä eivät kuitenkaan ole vielä oppineet hallitsemaan tällaisia ​​reaktioita.

ITER-reaktori käyttää polttoaineena vedyn isotooppeja. Termoydinreaktion aikana vapautuu energiaa, kun kevyet atomit yhdistyvät raskaammiksi atomeiksi. Tämän saavuttamiseksi kaasu on lämmitettävä yli 100 miljoonan asteen lämpötilaan, joka on paljon korkeampi kuin Auringon keskipisteen lämpötila. Kaasu muuttuu tässä lämpötilassa plasmaksi. Samaan aikaan vety-isotooppien atomit sulautuvat ja muuttuvat heliumatomeiksi vapauttaen suuren määrän neutroneja. Tällä periaatteella toimiva voimalaitos käyttää neutronien energiaa, jota hidastaa tiheä materiaalikerros (litium).

Miksi lämpöydinlaitosten luominen kesti niin kauan?

Miksi niin tärkeitä ja arvokkaita installaatioita, joiden eduista on puhuttu lähes puoli vuosisataa, ei ole vielä tehty? On kolme pääsyytä (käsitelty alla), joista ensimmäistä voidaan kutsua ulkoiseksi tai sosiaaliseksi ja kaksi muuta - sisäisiksi, toisin sanoen itse lämpöydinenergian kehityksen lakien ja ehtojen määräämiä.

1. Pitkään uskottiin, että termoydinfuusioenergian käytännön käytön ongelma ei vaatinut kiireellisiä päätöksiä ja toimia, koska vielä viime vuosisadan 80-luvulla fossiilisten polttoaineiden lähteet näyttivät ehtymättömiltä, ​​ja ympäristöongelmat ja ilmastonmuutos tekivät. ei koske yleisöä. Vuonna 1976 Yhdysvaltain energiaministeriön fuusioenergian neuvoa-antava komitea yritti arvioida tutkimus- ja kehitystyön ja daikataulun eri tutkimusrahoitusvaihtoehdoilla. Samalla havaittiin, että tämänsuuntaisen tutkimuksen vuosirahoituksen määrä on täysin riittämätön, ja jos määrärahat säilytetään nykyisellä tasolla, lämpöydinvoimalaitosten luominen ei koskaan onnistu, koska varat eivät vastaa määrärahoja. jopa minimiin, kriittiseen tasoon.

2. Vakavampi este alan tutkimuksen kehittämiselle on se, että esillä olevan tyyppistä lämpöydinlaitosta ei voida luoda ja demonstroida pienessä mittakaavassa. Jäljempänä esitetyistä selityksistä käy selväksi, että lämpöydinfuusio vaatii plasman magneettisen rajauksen lisäksi sen riittävää lämmitystä. Kulutetun ja vastaanotetun energian suhde kasvaa ainakin suhteessa laitoksen lineaaristen mittojen neliöön, minkä seurauksena lämpöydinvoimalaitosten tieteelliset ja tekniset mahdollisuudet ja edut voidaan testata ja osoittaa vain melko suurilla asemilla, kuten esim. kuten mainittu ITER-reaktori. Yhteiskunta ei yksinkertaisesti ollut valmis rahoittamaan niin suuria hankkeita, ennen kuin luottamus onnistumiseen oli riittävä.

3. Lämpöydinenergian kehittäminen on kuitenkin ollut erittäin monimutkaista (huolimatta riittämättömästä rahoituksesta ja vaikeuksista valita keskuksia JET- ja ITER-laitosten perustamista varten), viime vuosina on havaittu selvää edistystä, vaikka toimintaasemaa ei ole vielä perustettu.

Moderni maailma on erittäin vakavan energiahaasteen edessä, jota voidaan tarkemmin kutsua "epävarmaksi energiakriisiksi". Ongelma liittyy siihen, että fossiilisten polttoaineiden varastot voivat loppua tämän vuosisadan toisella puoliskolla. Lisäksi fossiilisten polttoaineiden polttaminen voi johtaa tarpeeseen jollakin tavalla sitoa ja "varastoida" ilmakehään vapautunut hiilidioksidi (yllä mainittu CCS-ohjelma), jotta voidaan estää suuria muutoksia planeetan ilmastossa.

Tällä hetkellä lähes kaikki ihmiskunnan kuluttama energia syntyy polttamalla fossiilisia polttoaineita, ja ongelman ratkaisu voi liittyä aurinkoenergian tai ydinenergian käyttöön (nopeiden neutronien kasvattajareaktorien luominen jne.). Kehitysmaiden väestönkasvun aiheuttamaa globaalia ongelmaa ja tarvetta parantaa elintasoa ja lisätä tuotetun energian määrää ei voida ratkaista pelkästään näiden lähestymistapojen pohjalta, vaikka luonnollisesti yritetään kehittää vaihtoehtoisia energiantuotantomenetelmiä. olisi kannustettava.

Tarkkaan ottaen meillä on pieni valikoima käyttäytymisstrategioita, ja lämpöydinenergian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, vaikka onnistumistakuuta ei olekaan. Financial Times -sanomalehti (päivätty 25. tammikuuta 2004) kirjoitti tästä:

Toivotaan, ettei lämpöydinenergian kehityksen tiellä tule suuria ja odottamattomia yllätyksiä. Tällöin noin 30 vuoden kuluttua pystymme syöttämään siitä sähkövirtaa ensimmäistä kertaa energiaverkkoihin, ja runsaan 10 vuoden kuluttua aloittaa toimintansa ensimmäinen kaupallinen lämpöydinvoimala. On mahdollista, että tämän vuosisadan toisella puoliskolla ydinfuusioenergia alkaa korvata fossiilisia polttoaineita ja alkaa vähitellen olla yhä tärkeämpi rooli ihmiskunnan energian toimittamisessa maailmanlaajuisesti.

Ei ole absoluuttista takeita siitä, että lämpöydinenergian luomistehtävä (koko ihmiskunnan tehokkaana ja laajamittaisena energialähteenä) saadaan päätökseen onnistuneesti, mutta onnistumisen todennäköisyys tähän suuntaan on melko korkea. Kun otetaan huomioon lämpöydinasemien valtava potentiaali, kaikkia niiden nopeaan (ja jopa kiihtyneeseen) kehitykseen liittyvien hankkeiden kustannuksia voidaan pitää perusteltuina, varsinkin kun nämä investoinnit näyttävät erittäin vaatimattomilta hirviömäisten globaalien energiamarkkinoiden taustalla (4 biljoonaa dollaria vuodessa8). Ihmiskunnan energiatarpeiden tyydyttäminen on erittäin vakava ongelma. Kun fossiilisten polttoaineiden saatavuus vähenee (ja niiden käyttö tulee epätoivottavaksi), tilanne muuttuu, eikä meillä yksinkertaisesti ole varaa olla kehittämättä fuusioenergiaa.

Kysymykseen "Milloin lämpöydinenergia ilmestyy?" Lev Artsimovich (tunnustettu pioneeri ja tutkimuksen johtaja tällä alalla) vastasi kerran, että "se luodaan, kun siitä tulee todella tarpeellista ihmiskunnalle".

ITER on ensimmäinen fuusioreaktori, joka tuottaa enemmän energiaa kuin kuluttaa. Tutkijat mittaavat tämän ominaisuuden käyttämällä yksinkertaista kerrointa, jota he kutsuvat "Q". Jos ITER saavuttaa kaikki tieteelliset tavoitteensa, se tuottaa 10 kertaa enemmän energiaa kuin kuluttaa. Viimeisin rakennettu laite, Joint European Torus Englannissa, on pienempi fuusioreaktorin prototyyppi, joka tieteellisen tutkimuksen loppuvaiheessa saavutti Q-arvon lähes 1. Tämä tarkoittaa, että se tuotti täsmälleen saman määrän energiaa kuin kulutti. . ITER menee pidemmälle demonstroimalla energian tuottamista fuusiosta ja saavuttamalla Q-arvon 10. Ajatuksena on tuottaa 500 MW noin 50 MW:n energiankulutuksella. Siten yksi ITERin tieteellisistä tavoitteista on osoittaa, että Q-arvo 10 voidaan saavuttaa.

Toinen tieteellinen tavoite on, että ITERillä on erittäin pitkä "palamisaika" - syke, jonka kesto on pidennetty jopa tuntiin. ITER on tutkimuskokeellinen reaktori, joka ei pysty tuottamaan energiaa jatkuvasti. Kun ITER alkaa toimia, se on päällä tunnin, jonka jälkeen se on sammutettava. Tämä on tärkeää, koska tähän asti luomillamme tyypillisillä laitteilla on kyetty palamaan useiden sekuntien tai jopa sekunnin kymmenesosien verran - tämä on maksimi. "Joint European Torus" saavutti Q-arvonsa 1 noin kahden sekunnin paloajalla ja 20 sekunnin pulssin pituudella. Mutta muutaman sekunnin kestävä prosessi ei ole todella pysyvä. Vastaavasti auton moottorin käynnistämiseen: moottorin lyhytaikainen käynnistäminen ja sitten sammuttaminen ei ole vielä auton todellista toimintaa. Vain kun ajat autollasi puoli tuntia, se saavuttaa jatkuvan toimintatilan ja osoittaa, että sellaisella autolla voi todella ajaa.

Toisin sanoen teknisestä ja tieteellisestä näkökulmasta ITER tarjoaa Q-arvon 10 ja pidentyneen paloajan.

Termoydinfuusio-ohjelma on todella kansainvälinen ja laaja. Ihmiset luottavat jo ITERin menestykseen ja ajattelevat seuraavaa askelta - prototyypin luomista teollisesta lämpöydinreaktorista nimeltä DEMO. Sen rakentamiseksi ITERin on toimittava. Meidän on saavutettava tieteelliset tavoitteemme, koska tämä tarkoittaa, että esittämämme ideat ovat täysin toteutettavissa. Olen kuitenkin samaa mieltä siitä, että sinun tulee aina ajatella, mitä seuraavaksi tapahtuu. Lisäksi ITERin toimiessa 25-30 vuoden ajan tietomme syvenee ja laajenee vähitellen ja pystymme hahmottelemaan seuraavaa askeleemme tarkemmin.

Itse asiassa ei kiistetä siitä, pitäisikö ITER olla tokamak. Jotkut tutkijat esittävät kysymyksen aivan eri tavalla: pitäisikö ITER olla olemassa? Eri maiden asiantuntijat, jotka kehittävät omia, ei niin suuria lämpöydinprojektejaan, väittävät, että näin suurta reaktoria ei tarvita ollenkaan.

Heidän mielipidettään tuskin pitäisi kuitenkaan pitää arvovaltaisena. Fyysikot, jotka ovat työskennelleet toroidaalisten ansojen parissa useita vuosikymmeniä, olivat mukana ITERin luomisessa. Karadashin kokeellisen lämpöydinreaktorin suunnittelu perustui kaikkeen tietoon, joka saatiin kymmenillä edeltäjillä tokamakilla tehdyissä kokeissa. Ja nämä tulokset osoittavat, että reaktorin on oltava tokamak, ja suuri.

JET Tällä hetkellä menestyneimpana tokamakina voidaan pitää EU:n Iso-Britannian Abingdonin kaupunkiin rakentamaa JETiä. Tämä on suurin tähän mennessä luotu tokamak-tyyppinen reaktori, plasmatoruksen suuri säde on 2,96 metriä. Termoydinreaktion teho on jo saavuttanut yli 20 megawattia, ja retentioaika on jopa 10 sekuntia. Reaktori palauttaa noin 40 % plasmaan panostavasta energiasta.

Se on plasman fysiikka, joka määrittää energiatasapainon, Igor Semenov kertoi Infox.ru:lle. MIPT:n apulaisprofessori kuvaili energiatasapainoa yksinkertaisella esimerkillä: ”Olemme kaikki nähneet tulen palavan. Itse asiassa siellä ei pala puu, vaan kaasu. Energiaketju on tuollainen: kaasu palaa, puu lämpenee, puu haihtuu, kaasu palaa taas. Siksi, jos heitämme vettä tuleen, otamme äkillisesti energiaa järjestelmästä nestemäisen veden faasimuutokseen höyrytilaan. Saldo muuttuu negatiiviseksi ja tuli sammuu. On toinenkin tapa - voimme yksinkertaisesti ottaa palomerkit ja levittää ne avaruuteen. Myös tuli sammuu. Se on sama lämpöydinreaktorissa, jota olemme rakentamassa. Mitat valitaan luomaan sopiva positiivinen energiatasapaino tälle reaktorille. Riittää rakentamaan tulevaisuudessa todellista ydinvoimalaa, joka ratkaisee tässä koevaiheessa kaikki ongelmat, jotka ovat tällä hetkellä ratkaisematta."

Reaktorin mittoja muutettiin kerran. Tämä tapahtui 1900-2000-luvun vaihteessa, kun Yhdysvallat vetäytyi hankkeesta ja loput jäsenet ymmärsivät, että ITER-budjetti (siihen mennessä sen arvioitiin 10 miljardiksi dollariksi) oli liian suuri. Fyysikot ja insinöörit joutuivat vähentämään asennuskustannuksia. Ja tämä oli mahdollista vain koon vuoksi. ITERin "uudelleensuunnittelua" johti ranskalainen fyysikko Robert Aymar, joka työskenteli aiemmin ranskalaisen Tore Supran parissa Karadashissa. Plasmatoruksen ulkosäde on pienentynyt 8,2 metristä 6,3 metriin. Koon pienenemiseen liittyviä riskejä kuitenkin osittain kompensoitiin useilla ylimääräisillä suprajohtavilla magneeteilla, jotka mahdollistivat tuolloin avoimen ja tutkitun plasmarajoitusmoodin toteuttamisen.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "International Experimental Thermonuclear Reactor") on laajamittainen tieteellinen ja tekninen hanke, jonka tavoitteena on rakentaa ensimmäinen kansainvälinen kokeellinen lämpöydinreaktori.

Toteuttaja on seitsemän pääkumppania (Euroopan unioni, Intia, Kiina, Korean tasavalta, Venäjä, Yhdysvallat, Japani) Cadarachessa (Provence-Alpes-Côte d'Azurin alue, Ranska). ITER perustuu tokamak-asennukseen (nimetty sen ensimmäisistä kirjaimista: toroidinen kammio magneettikeloilla), jota pidetään lupaavimpana laitteena hallitun lämpöydinfuusion toteuttamisessa. Ensimmäinen tokamak rakennettiin Neuvostoliitossa vuonna 1954.

Hankkeen tavoitteena on osoittaa, että fuusioenergiaa voidaan käyttää teollisessa mittakaavassa. ITERin tulisi tuottaa energiaa fuusioreaktiolla raskaiden vety-isotooppien kanssa yli 100 miljoonan asteen lämpötiloissa.

Oletetaan, että laitoksessa käytettävä 1 g polttoainetta (deuteriumin ja tritiumin seos) tuottaa saman määrän energiaa kuin 8 tonnia öljyä. ITERin arvioitu lämpöydinteho on 500 MW.

Asiantuntijat sanovat, että tämäntyyppinen reaktori on paljon turvallisempi kuin nykyiset ydinvoimalat, ja merivedestä voidaan toimittaa sille polttoainetta lähes rajattomasti. Siten ITERin onnistunut toteuttaminen tarjoaa ehtymättömän ympäristöystävällisen energian lähteen.

Projektin historia

Reaktorikonsepti on kehitetty nimetyssä Atomienergiainstituutissa. I.V.Kurchatova. Vuonna 1978 Neuvostoliitto esitti idean hankkeen toteuttamisesta Kansainvälisessä atomienergiajärjestössä (IAEA). Sopimus hankkeen toteuttamisesta saavutettiin vuonna 1985 Genevessä Neuvostoliiton ja USA:n välisissä neuvotteluissa.

Ohjelma hyväksyttiin myöhemmin IAEA:ssa. Vuonna 1987 projekti sai nykyisen nimensä, ja vuonna 1988 perustettiin hallintoelin - ITER-neuvosto. Vuosina 1988-1990 Neuvostoliiton, amerikkalaiset, japanilaiset ja eurooppalaiset tiedemiehet ja insinöörit suorittivat projektin käsitteellisen tutkimuksen.

EU, Venäjä, USA ja Japani allekirjoittivat Washingtonissa 21. heinäkuuta 1992 sopimuksen ITERin teknisen projektin kehittämisestä, joka valmistui vuonna 2001. Vuosina 2002-2005. Etelä-Korea, Kiina ja Intia liittyivät hankkeeseen. Sopimus ensimmäisen kansainvälisen kokeellisen fuusioreaktorin rakentamisesta allekirjoitettiin Pariisissa 21. marraskuuta 2006.

Vuotta myöhemmin, 7.11.2007, allekirjoitettiin sopimus ITERin rakennustyömaalla, jonka mukaan reaktori sijoitetaan Ranskaan Cadarachen ydinkeskukseen lähellä Marseillea. Valvonta- ja tietojenkäsittelykeskus sijoittuu Nakaan (Ibarakin prefektuuri, Japani).

Cadarachen rakennustyömaan valmistelu aloitettiin tammikuussa 2007, ja täysimittainen rakentaminen aloitettiin vuonna 2013. Kompleksi tulee sijoittumaan 180 hehtaarin alueelle. 60 metriä korkea ja 23 tuhatta tonnia painava reaktori sijoitetaan 1 km pitkälle ja 400 metriä leveälle alueelle. Sen rakentamista koordinoi lokakuussa 2007 perustettu kansainvälinen järjestö ITER.

Hankkeen kustannusarvio on 15 miljardia euroa, josta EU:n (Euratomin kautta) osuus on 45,4 % ja kuuden muun osallistujan (mukaan lukien Venäjän federaatio) osuus 9,1 %. Vuodesta 1994 lähtien myös Kazakstan on osallistunut hankkeeseen Venäjän kiintiöllä.

Reaktorielementit toimitetaan laivalla Ranskan Välimeren rannikolle ja sieltä erikoisvaunuilla Cadarachen alueelle. Tätä tarkoitusta varten vuonna 2013 osia olemassa olevista teistä varustettiin merkittävästi uudelleen, siltoja vahvistettiin, rakennettiin uusia risteyksiä ja erityisen vahvapintaisia ​​raiteita. Vuosina 2014-2019 linnoitettua tietä pitkin tulisi kulkea vähintään kolme tusinaa erittäin raskasta maantiejunia.

ITERin plasmadiagnostiikkajärjestelmiä kehitetään Novosibirskissa. Tätä koskevan sopimuksen allekirjoittivat 27.1.2014 kansainvälisen ITER-järjestön johtaja Osamu Motojima ja Venäjän federaation kansallisen ITER-toimiston johtaja Anatoli Krasilnikov.

Diagnostisen kompleksin kehittäminen uuden sopimuksen puitteissa toteutetaan nimetyn Fysikaalisen teknisen instituutin pohjalta. A.F. Ioff Venäjän tiedeakatemia.

Reaktorin odotetaan käynnistyvän vuonna 2020, ensimmäiset ydinfuusioreaktiot suoritetaan siinä aikaisintaan vuonna 2027. Vuonna 2037 on tarkoitus saada päätökseen hankkeen kokeellinen osa ja vuoteen 2040 mennessä siirtyä sähköntuotantoon . Asiantuntijoiden alustavien ennusteiden mukaan reaktorin teollinen versio on valmis aikaisintaan vuonna 2060, ja sarja tämän tyyppisiä reaktoreita voidaan luoda vasta 2000-luvun loppuun mennessä.

CADARACHE (Ranska), 25. toukokuuta - RIA Novosti, Victoria Ivanova. Etelä-Ranska liitetään yleensä lomailuun Cote d'Azurilla, laventelipeltoihin ja Cannesin festivaaliin, mutta ei tieteeseen, vaikka "vuosisadan rakentaminen" on jatkunut Marseillen lähellä jo useita vuosia - kansainvälinen lämpöydin Cadarachen tutkimuskeskuksen lähelle rakennetaan kokeellista reaktoria (ITER).

RIA Novostin kirjeenvaihtaja sai tietää, kuinka maailman suurin ainutlaatuisen asennuksen rakentaminen etenee ja millaiset ihmiset rakentavat "Auringon prototyyppiä", joka pystyy tuottamaan 7 miljardia kilowattituntia energiaa vuodessa.

Aluksi kansainvälistä lämpöydinkoereaktoriprojektia kutsuttiin ITERiksi, joka on lyhenne sanoista International Thermonuclear Experimental Reactor. Myöhemmin nimelle ilmestyi kuitenkin kauniimpi tulkinta: projektin nimi selittyy latinan sanan iter - "polku" -käännöksellä, ja jotkut maat alkoivat varovasti siirtyä pois sanan "reaktori" mainitsemisesta, jotta se ei herättää assosiaatioita vaarasta ja säteilystä kansalaisten mielissä.

Koko maailma rakentaa uutta reaktoria. Tähän mennessä hankkeessa ovat mukana Venäjä, Intia, Japani, Kiina, Etelä-Korea ja Yhdysvallat sekä Euroopan unioni. Eurooppalaiset, jotka toimivat yhtenä ryhmänä, vastaavat hankkeen toteuttamisesta 46 %:sta, ja kukin muu osallistujamaa otti 9 %.

Keskinäisen selvitysjärjestelmän yksinkertaistamiseksi organisaatiossa keksittiin erityinen valuutta - ITER-laskentayksikkö - IUA. Näissä yksiköissä tehdään kaikki osallistujien komponenttitoimituksiin liittyvät sopimukset. Näin rakentamisen tuloksesta tuli riippumaton kansallisten valuuttakurssien vaihteluista ja osien tuotantokustannuksista kussakin maassa.

Tästä investoinnista, jota ei ilmaista rahana, vaan tulevan laitoksen osina, osallistujat saavat täyden pääsyn kaikkiin ITERiin liittyviin teknologioihin. Niinpä "kansainvälistä lämpöydinreaktorin luomisen koulua" rakennetaan parhaillaan Ranskassa.

"Aurinkokunnan kuumin asia"

Toimittajat ja jopa itse ITERin työntekijät vertaavat projektia niin usein Auringon kanssa, että on melko vaikeaa keksiä muuta liittoa lämpöydinlaitokselle. Kansainvälisen ITER-organisaation yhden jaoston päällikkö Mario Merola pystyi kutsumaan reaktoria "aurinkokuntamme kuumimmaksi asiaksi".

"Laitteen sisällä oleva lämpötila tulee olemaan noin 150 miljoonaa celsiusastetta, mikä on 10 kertaa korkeampi kuin Auringon ytimen lämpötila. Laitteen magneettikenttä on noin 200 tuhatta kertaa suurempi kuin itse maan", Mario sanoo projektista.

ITER perustuu tokamak-järjestelmään - toroidikammioihin, joissa on magneettikelat. Ajatus korkean lämpötilan plasman magneettisesta sulkemisesta kehitettiin ja toteutettiin ensimmäistä kertaa maailmassa Kurchatov-instituutissa viime vuosisadan puolivälissä. Projektin alkuvaiheessa ollut Venäjä valmistaa muiden komponenttien ohella yhtä laitoksen oleellisimmista osista, "ITERin sydämen" - suprajohtavan magneettijärjestelmän. Se koostuu erityyppisistä suprajohteista, jotka sisältävät kymmeniä tuhansia filamentteja, joilla on erityinen nanorakenne.

Tällaisen laajamittaisen järjestelmän luomiseen tarvitaan satoja tonneja tällaisia ​​suprajohtimia. Kuusi seitsemästä osallistujamaasta on mukana niiden tuotannossa. Niiden joukossa on Venäjä, joka toimittaa niobi-titaani- ja niobium-tinaseoksiin perustuvia suprajohtimia, jotka osoittautuvat maailman parhaiksi. Näiden materiaalien tuotantoa Venäjällä toteuttavat Rosatom-yritykset ja Kurchatov-instituutti.

© Kuva: ITER-organisaation luvalla

© Kuva: ITER-organisaation luvalla

Yleisiä vaikeuksia

Kuitenkin Venäjä ja Kiina, jotka täyttävät velvoitteensa ajallaan, joutuivat tahattomasti muiden projektiin osallistujien panttivangeiksi, jotka eivät aina onnistu saamaan osaa työstään ajallaan. ITER-hankkeen erityispiirre on kaikkien osapuolten tiivis vuorovaikutus, ja siksi minkä tahansa maan viive johtaa siihen, että koko projekti alkaa "luisua".

Tilanteen korjaamiseksi ITER-organisaation uusi johtaja Bernard Bigot päätti muuttaa projektin aikataulua. Uusi versio aikataulusta - sen odotetaan olevan realistisempi - esitellään marraskuussa.

Samaan aikaan Bigo ei sulkenut pois töiden uudelleenjakoa osallistujien kesken.

”Olisin iloinen, jos viivästyksiä ei olisi ollenkaan, mutta minun on myönnettävä, että joillain alueilla globaalin projektimme toteuttamisessa on ollut vaikeuksia, joita en näe mikä tahansa työn uudelleenjakamisessa on huonoa, mutta tästä asiasta on keskusteltava vakavasti, järjestön pääjohtaja sanoi.

Bigot huomautti, että ITERin luomista tekevät sadat yritykset ja organisaatiot seitsemästä osallistujamaasta. "Ei voi vain napsauttaa sormia ja toteuttaa suunnitelmaa. Kaikki ajattelivat, että määräaikojen noudattaminen on helppoa hyvän mielen ja hyvien aikomusten ansiosta. Nyt ymmärrämme, että ilman tiukkaa johtamista mikään ei toimi", Bigo painotti.

Hänen mukaansa ITERin rakentamisen vaikeudet johtuvat osallistujamaiden kulttuurien eroista sekä siitä, että vastaavanlaisia ​​projekteja ei aiemmin ollut maailmassa, joten monet ensimmäistä kertaa valmistettavat mekanismit ja asennukset vaativat lisämäärää. Testit ja sertifioinnit sääntelyviranomaisilta, mikä vie lisäaikaa .

Yksi Bigotin ehdottaman "tiukan johdon" toimenpiteistä olisi toisen hallintoelimen perustaminen, johon kuuluisivat kansallisten virastojen johtajat ja pääjohtaja. Tämän toimielimen päätökset sitovat kaikkia hankkeeseen osallistuvia - Bigot toivoo tämän vauhdittavan vuorovaikutusprosessia.

© Kuva

"Vuosisadan rakentaminen"

Tällä välin ITER-alueella on meneillään valtava rakennusprojekti. Tilan ”sydän” – itse tokamak ja toimistotilat – vievät yhden kilometrin x 400 metrin kokoisen alueen.

Reaktorille kaivettiin 20 metriä syvä kuoppa, jonka pohjalle tuodaan peilipehmeää asfalttia pitkin tässä vaiheessa tarvittavat varusteet ja muut komponentit. Ensinnäkin seinäosat kootaan vaakasuoraan yhdistämällä metallirakenteet erityisillä levyillä. Sitten ne asetetaan lopulta haluttuun asentoon neljän rakennusnosturin avulla.

Kuluu useita vuosia, ja sivusto on tunnistamaton. Laturilla olevan valtavan reiän sijasta sen yläpuolelle nousee suunnilleen Bolshoi-teatterin kokoinen kolossi - noin 40 metriä korkea.

Jossain työmaalla rakentaminen ei ole vielä alkanut - ja tämän vuoksi muut maat eivät voi laskea tarkasti lämpöydinreaktorin komponenttien toimitusaikaa, ja jossain se on jo valmis. Erityisesti ITERin pääkonttori, magneettijärjestelmän poloidikäämien käämitysrakennus, sähköasema ja useat muut apurakennukset ovat käyttövalmiita.

"Onnellisuus piilee jatkuvassa tuntemattomuuden tiedossa"

Aikana, jolloin tieteellinen työ ei ole suosittua ja arvostettua kaikkialla, ITER kokosi alustalleen 500 tiedemiestä, insinööriä ja monien muiden erikoisalojen edustajaa eri maista. Nämä asiantuntijat ovat todellisia haaveilijoita ja omistautuneita ihmisiä, aivan kuten Strugatskyt, "he hyväksyivät työhypoteesin, että onnellisuus piilee jatkuvassa tuntemattomuuden tiedossa ja elämän tarkoitus on samassa."

Mutta projektin työntekijöiden elinolosuhteet poikkeavat perustavanlaatuisesti NIICHAVO:n - noituuden ja velhojen tutkimuslaitoksen - elinoloista, joissa työskentelivät neuvostoliittolaisten tieteiskirjailijoiden tarinan "Maanantai alkaa lauantaina" sankarit. ITERin alueella ei ole hostelleja ulkomaalaisille - ne kaikki vuokraavat asuntoja läheisistä kylistä ja kaupungeista.

Yhdessä jo rakennetussa rakennuksessa on työtilojen lisäksi valtava ruokala, jossa projektityöntekijät voivat nauttia välipalan tai runsaan lounaan erittäin vaatimattomalla hinnalla. Listalta löytyy aina kansallisen keittiön ruokia, olipa kyseessä sitten japanilainen nuudeli tai italialainen minestrone.

Ruokasalin sisäänkäynnin luona on ilmoitustaulu. Se sisältää tarjouksia asuntojen yhteisvuokrauksesta ja "Ranskan luokat, korkea laatu ja edullinen". Näytölle tulee valkoinen paperilappu: "Cadarache-kuoro rekrytoi osallistujia. Tule ITERin päärakennukseen." Kuoron lisäksi, jonka muodostaminen ei ole vielä valmis, projektihenkilöstö perusti myös oman orkesterin. Myös venäläinen Jevgeni Veshchev, joka on työskennellyt Cadarachessa useita vuosia, soittaa saksofonia.

Tie aurinkoon

"Kuinka me täällä elämme, käymme välillä merellä ja vuorilla, se ei ole kaukana", sanoo Jevgeni. "Tietenkin kaipaan sitä ei ole ensimmäinen pitkäaikainen ulkomaan työmatkani, olen tottunut siihen."

Evgeniy on fyysikko ja on mukana diagnostisten järjestelmien integroinnissa projektiin.

– Opiskelija-ajoistani sain inspiraationsa ITER-projektista, edessä olevista mahdollisuuksista ja tulevaisuuden näkymistä. Minun polkuni täällä oli kuitenkin hankala, kuten monien muidenkin jälkeen Ei kovin hyvä rahan kanssa, ajattelin jopa jättää tieteen ja avata jotain omaa. Mutta menin työmatkalle, sitten toiselle. Joten kymmenen vuotta sen jälkeen, kun kuulin ensimmäisen kerran ITERistä, päädyin Ranskaan. projektissa”, fyysikko sanoo.

Venäläisen tiedemiehen mukaan "jokaisella työntekijällä on oma tarinansa projektiin pääsemisestä". Olivat sen kannattajien "tiet aurinkoon" mikä tahansa, jopa lyhimmän keskustelun jälkeen kenen tahansa kanssa käy selväksi, että heidän taitonsa fanit työskentelevät täällä.

Esimerkiksi amerikkalainen Mark Henderson on plasmalämmityksen asiantuntija ITERissä. Hän tuli kokoukseen - lyhytkarvainen, kuiva, silmälasit - yhden Applen perustajan, Steve Jobsin, varjossa. Musta paita, haalistuneet farkut, lenkkarit. Kävi ilmi, että Hendersonin ja Jobsin erikoinen läheisyys ei rajoitu ulkoiseen samankaltaisuuteen: molemmat ovat haaveilijoita, jotka ovat saaneet vaikutteita ajatuksesta muuttaa maailmaa keksintöllään.

"Olemme ihmisinä yhä riippuvaisempia resursseista emmekä tee muuta kuin kulutamme niitä. Onko meidän kollektiivinen älykkyys yhtä kuin hiivamaljan kollektiivinen älykkyys Meidän täytyy alkaa haaveilla uudelleen? Henderson on vakuuttunut.

Ja he ajattelevat, haaveilevat ja toteuttavat mitä uskomattomimmista ja upeimpia ideoita. Eikä mikään ulkopolitiikan asialista voi häiritä tutkijoiden työtä: erimielisyydet päättyvät ennemmin tai myöhemmin, ja lämpöydinreaktion tuloksena saatu lämpö lämmittää kaikkia mantereesta ja valtiosta riippumatta.

Ihmiskunta lähestyy vähitellen maapallon hiilivetyvarojen peruuttamattoman ehtymisen rajaa. Olemme ottaneet öljyä, kaasua ja hiiltä planeetan suolistosta lähes kaksi vuosisataa, ja on jo selvää, että niiden varannot ehtyvät valtavalla nopeudella. Maailman johtavat maat ovat pitkään pohtineet uuden, ympäristöystävällisen, toiminnan kannalta turvallisen energialähteen luomista, jolla on valtavat polttoainevarat.

Fuusioreaktori

Nykyään puhutaan paljon niin sanottujen vaihtoehtoisten energiamuotojen käytöstä - uusiutuvista lähteistä aurinkosähkön, tuulienergian ja vesivoiman muodossa. On selvää, että nämä suunnat voivat ominaisuuksiensa vuoksi toimia vain energiansyötön apulähteinä.

Ihmiskunnan pitkän aikavälin tulevaisuudennäkyminä voidaan pitää vain ydinreaktioihin perustuvaa energiaa.

Toisaalta yhä useammat valtiot osoittavat kiinnostusta ydinreaktorien rakentamiseen alueelleen. Mutta silti ydinenergian kiireellinen ongelma on radioaktiivisen jätteen käsittely ja loppusijoitus, mikä vaikuttaa taloudellisiin ja ympäristöindikaattoreihin. Jo 1900-luvun puolivälissä maailman johtavat fyysikot etsivät uusia energiatyyppejä, kääntyivät Maan elämän lähteen - Auringon - puoleen, jonka syvyyksissä noin 20 miljoonan asteen lämpötilassa tapahtui reaktioita. valoelementtien synteesi (fuusio) tapahtuu valtavan energian vapautuessa.

Kotimaiset asiantuntijat hoitivat parhaiten laitoksen kehittämisen ydinfuusioreaktioiden toteuttamiseen maanpäällisissä olosuhteissa. Venäjältä hankittu tieto ja kokemus ohjatun lämpöydinfuusion (CTF) alalta muodosti perustan hankkeelle, joka on liioittelematta ihmiskunnan energiatoivo - International Experimental Thermonuclear Reactor (ITER), jota ollaan parhaillaan toteuttamassa. rakennettu Cadarachessa (Ranska).

Lämpöydinfuusion historia

Ensimmäinen lämpöydintutkimus alkoi maissa, jotka työskentelevät atomipuolustusohjelmiensa parissa. Tämä ei ole yllättävää, koska atomiaikakauden kynnyksellä deuteriumplasmareaktorien ilmestymisen päätarkoitus oli kuumassa plasmassa olevien fysikaalisten prosessien tutkiminen, jonka tunteminen oli välttämätöntä muun muassa lämpöydinaseiden luomiseksi. . Turvaluokittelemattomien tietojen mukaan Neuvostoliitto ja USA alkoivat lähes samanaikaisesti 1950-luvulla. työskennellä UTS:n parissa. Mutta samaan aikaan on olemassa historiallisia todisteita siitä, että vuonna 1932 vanha vallankumouksellinen ja maailmanproletariaatin johtajan Nikolai Bukharinin läheinen ystävä, joka tuolloin toimi korkeimman talousneuvoston komitean puheenjohtajana ja seurasi Neuvostoliiton tieteen kehitys, ehdotti hankkeen käynnistämistä maassa valvottujen lämpöydinreaktioiden tutkimiseksi.

Neuvostoliiton lämpöydinprojektin historia ei ole vailla hauskaa tosiasiaa. Tuleva kuuluisa akateemikko ja vetypommin luoja Andrei Dmitrievich Saharov inspiroitui ideasta korkean lämpötilan plasman magneettisesta lämmöneristyksestä Neuvostoliiton armeijan sotilaan kirjeestä. Vuonna 1950 Sahalinilla palvellut kersantti Oleg Lavrentjev lähetti liittovaltion kommunistisen puolueen keskuskomitealle kirjeen, jossa hän ehdotti litium-6-deuteridin käyttöä nesteytetyn deuteriumin ja tritiumin sijasta vetypommissa, ja myös sen luomista. järjestelmä, jossa kuuman plasman sähköstaattinen eristys hallitun lämpöydinfuusion suorittamiseksi. Kirjeen tarkasteli silloinen nuori tiedemies Andrei Saharov, joka kirjoitti katsauksessaan, että hän "katsoo tarpeelliseksi käydä yksityiskohtaista keskustelua toveri Lavrentjevin projektista".

Jo lokakuussa 1950 Andrei Saharov ja hänen kollegansa Igor Tamm tekivät ensimmäiset arviot magneettisesta lämpöydinreaktorista (MTR). Ensimmäinen vahvalla pitkittäismagneettikentällä varustettu, I. Tammin ja A. Saharovin ajatuksiin perustuva toroidaalinen installaatio rakennettiin vuonna 1955 LIPANiin. Sitä kutsuttiin TMP - torukseksi, jolla on magneettikenttä. Myöhemmät asennukset kutsuttiin jo TOKAMAKiksi, kun alkutavut yhdistettiin lauseeseen "TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL". Klassisessa versiossaan tokamak on donitsin muotoinen toroidinen kammio, joka on sijoitettu toroidiseen magneettikenttään. Vuodesta 1955 vuoteen 1966 Kurchatov-instituutissa rakennettiin 8 tällaista asennusta, joista tehtiin paljon erilaisia ​​​​tutkimuksia. Jos ennen vuotta 1969 tokamak rakennettiin Neuvostoliiton ulkopuolelle vain Australiassa, niin seuraavina vuosina ne rakennettiin 29 maahan, mukaan lukien Yhdysvallat, Japani, Euroopan maat, Intia, Kiina, Kanada, Libya, Egypti. Yhteensä maailmassa on tähän mennessä rakennettu noin 300 tokamakkia, joista 31 Neuvostoliitossa ja Venäjällä, 30 Yhdysvalloissa, 32 Euroopassa ja 27 Japanissa. Itse asiassa kolme maata - Neuvostoliitto, Iso-Britannia ja Yhdysvallat - osallistuivat äänettömään kilpailuun selvittääkseen, kuka ensimmäisenä valjastaa plasman ja alkaa itse asiassa tuottaa energiaa "vedestä".

Termoydinreaktorin tärkein etu on säteilybiologisen vaaran väheneminen noin tuhat kertaa verrattuna kaikkiin nykyaikaisiin ydinvoimareaktoreihin.

Termoydinreaktori ei tuota hiilidioksidia eikä tuota "raskasta" radioaktiivista jätettä. Tämä reaktori voidaan sijoittaa minne tahansa, mihin tahansa paikkaan.

Puolen vuosisadan askel

Vuonna 1985 akateemikko Evgeniy Velikhov ehdotti Neuvostoliiton puolesta, että Euroopan, Yhdysvaltojen ja Japanin tutkijat työskentelevät yhdessä lämpöydinreaktorin luomiseksi, ja jo vuonna 1986 Genevessä päästiin sopimukseen laitoksen suunnittelusta, joka myöhemmin sai nimen ITER. Vuonna 1992 kumppanit allekirjoittivat neliosaisen sopimuksen reaktorin suunnittelusuunnitelman kehittämisestä. Rakentamisen ensimmäisen vaiheen on määrä valmistua vuoteen 2020 mennessä, jolloin on tarkoitus vastaanottaa ensimmäinen plasma. Vuonna 2011 ITER-työmaalla aloitettiin varsinainen rakentaminen.

ITER-suunnittelu noudattaa klassista venäläistä tokamakia, joka kehitettiin jo 1960-luvulla. Ensimmäisessä vaiheessa reaktorin on suunniteltu toimivan pulssitilassa 400–500 MW:n lämpöydinreaktioiden teholla, toisessa vaiheessa testataan reaktorin jatkuvaa toimintaa sekä tritiumin tuotantojärjestelmää. .

ITER-reaktoria ei turhaan kutsuta ihmiskunnan energiatulevaisuudeksi. Ensinnäkin tämä on maailman suurin tieteellinen hanke, koska Ranskassa sitä rakentaa melkein koko maailma: EU + Sveitsi, Kiina, Intia, Japani, Etelä-Korea, Venäjä ja USA ovat mukana. Sopimus laitoksen rakentamisesta allekirjoitettiin vuonna 2006. Euroopan maat osallistuvat noin 50 % hankkeen rahoituksesta, Venäjän osuus on noin 10 % kokonaismäärästä, joka investoidaan korkean teknologian laitteisiin. Mutta Venäjän tärkein panos on itse tokamak-teknologia, joka muodosti ITER-reaktorin perustan.

Toiseksi tämä on ensimmäinen laajamittainen yritys käyttää Auringossa tapahtuvaa lämpöydinreaktiota sähkön tuottamiseen. Kolmanneksi tämän tieteellisen työn pitäisi tuoda hyvin käytännöllisiä tuloksia, ja vuosisadan loppuun mennessä maailma odottaa kaupallisen lämpöydinvoimalan ensimmäisen prototyypin ilmestymistä.

Tutkijat olettavat, että ensimmäinen plasma kansainvälisessä kokeellisessa lämpöydinreaktorissa valmistetaan joulukuussa 2025.

Miksi kirjaimellisesti koko maailman tiedeyhteisö alkoi rakentaa tällaista reaktoria? Tosiasia on, että monet teknologiat, joita suunnitellaan käytettäväksi ITERin rakentamisessa, eivät kuulu kaikille maille kerralla. Yhdellä valtiolla, edes tieteellisesti ja teknisesti kehittyneimmällä, ei voi heti olla sataa maailman korkeimman tason teknologiaa kaikilla tekniikan aloilla, joita käytetään sellaisessa korkean teknologian ja läpimurtoprojektissa kuin lämpöydinreaktori. Mutta ITER koostuu sadoista samankaltaisista teknologioista.

Venäjä ylittää globaalin tason monissa lämpöydinfuusioteknologioissa. Mutta esimerkiksi japanilaisilla ydintutkijoilla on myös ainutlaatuista osaamista tällä alueella, joka soveltuu hyvin ITERiin.

Siksi kumppanimaat pääsivät hankkeen alussa sopimukseen siitä, ketä ja mitä toimitetaan työmaalle, ja että tämän ei pitäisi olla vain suunnitteluyhteistyötä, vaan mahdollisuus jokaiselle kumppanille saada uusia teknologioita. muilta osallistujilta, jotta voit jatkossa kehittää heitä itse.

Andrey Retinger, kansainvälinen toimittaja

Laserit,

Sanomme, että laitamme auringon laatikkoon. Idea on kaunis. Ongelmana on, että emme tiedä, miten laatikko tehdään.

Pierre-Gilles de Gennes
Ranskalainen Nobel-palkittu

Kaikki elektroniset laitteet ja koneet tarvitsevat energiaa ja ihmiskunta kuluttaa sitä paljon. Mutta fossiiliset polttoaineet ovat loppumassa, eikä vaihtoehtoinen energia ole vielä tarpeeksi tehokasta.
On olemassa menetelmä energian saamiseksi, joka sopii ihanteellisesti kaikkiin vaatimuksiin - lämpöydinfuusio. Termoydinfuusion reaktio (vedyn muuntaminen heliumiksi ja energian vapautuminen) tapahtuu jatkuvasti auringossa ja tämä prosessi antaa planeetalle energiaa auringonsäteiden muodossa. Sinun tarvitsee vain matkia sitä maan päällä, pienemmässä mittakaavassa. Riittää, että tarjotaan korkea paine ja erittäin korkea lämpötila (10 kertaa korkeampi kuin Auringossa) ja fuusioreaktio käynnistyy. Tällaisten olosuhteiden luomiseksi sinun on rakennettava lämpöydinreaktori. Se käyttää enemmän luonnonvaroja maan päällä, on turvallisempi ja tehokkaampi kuin perinteiset ydinvoimalat. Sitä on yritetty rakentaa ja tehty kokeita yli 40 vuoden ajan. Viime vuosina yksi prototyypeistä on jopa onnistunut saamaan enemmän energiaa kuin mitä kulutettiin. Tämän alan kunnianhimoisimmat hankkeet on esitelty alla:

Hallituksen hankkeet

Suurin yleisön huomio on viime aikoina kiinnitetty toiseen lämpöydinreaktorisuunnitteluun - Wendelstein 7-X -stellaraattoriin (stellaraattori on sisäiseltä rakenteeltaan monimutkaisempi kuin ITER, joka on tokamak). Hieman yli miljardin dollarin käyttämisen jälkeen saksalaiset tutkijat rakensivat reaktorista pienennetyn esittelymallin 9 vuodessa vuoteen 2015 mennessä. Jos se näyttää hyviä tuloksia, rakennetaan suurempi versio.

Ranskalainen MegaJoule Laser tulee olemaan maailman tehokkain laser, ja se yrittää kehittää laserpohjaista menetelmää fuusioreaktorin rakentamiseksi. Ranskan asennuksen odotetaan valmistuvan vuonna 2018.

NIF (National Ignition Facility) rakennettiin Yhdysvaltoihin 12 vuoden aikana ja 4 miljardia dollaria vuoteen 2012 mennessä. He odottivat testaavansa teknologiaa ja rakentavansa heti reaktorin, mutta kävi ilmi, että Wikipedian mukaan tarvitaan merkittävää työtä, jos järjestelmä syttyy aina. Tämän seurauksena suuret suunnitelmat peruttiin ja tutkijat alkoivat vähitellen parantaa laseria. Viimeinen haaste on nostaa energiansiirron tehokkuutta 7 prosentista 15 prosenttiin. Muussa tapauksessa kongressin rahoitus tälle synteesin saavuttamismenetelmälle voi loppua.

Vuoden 2015 lopulla aloitettiin maailman tehokkaimman laserasennuksen rakennuksen rakentaminen Saroviin. Se on tehokkaampi kuin nykyiset amerikkalaiset ja tulevat ranskalaiset ja mahdollistaa reaktorin "laser"-version rakentamiseen tarvittavien kokeiden suorittamisen. Rakentamisen valmistuminen vuonna 2020.

Yhdysvalloissa sijaitseva MagLIF-fuusiolaser on tunnustettu pimeäksi hevoseksi menetelmien joukossa lämpöydinfuusion saavuttamiseksi. Viime aikoina tämä menetelmä on osoittanut odotettua parempia tuloksia, mutta tehoa on vielä lisättävä 1000-kertaiseksi. Laseria päivitetään parhaillaan, ja vuoteen 2018 mennessä tutkijat toivovat saavansa saman verran energiaa kuin he käyttivät. Jos onnistuu, rakennetaan suurempi versio.

Venäjän ydinfysiikan instituutti kokeili sinnikkäästi "avoin ansa" -menetelmää, jonka Yhdysvallat hylkäsi 90-luvulla. Tuloksena saatiin indikaattoreita, joita pidettiin mahdottomina tälle menetelmälle. BINP:n tutkijat uskovat, että niiden asennus on nyt saksalaisen Wendelstein 7-X:n tasolla (Q=0,1), mutta halvempaa. Nyt he rakentavat uutta asennusta 3 miljardilla ruplalla

Kurchatov-instituutin johtaja muistuttaa jatkuvasti suunnitelmista rakentaa Venäjälle pieni lämpöydinreaktori - Ignitor. Suunnitelman mukaan sen pitäisi olla yhtä tehokas kuin ITER, vaikkakin pienempi. Sen rakentamisen olisi pitänyt alkaa 3 vuotta sitten, mutta tämä tilanne on tyypillinen suurille tieteellisille projekteille.

Vuoden 2016 alussa kiinalainen tokamak EAST onnistui saavuttamaan 50 miljoonan asteen lämpötilan ja pitämään sen 102 sekuntia. Ennen kuin valtavien reaktorien ja lasereiden rakentaminen alkoi, kaikki uutiset lämpöydinfuusiosta olivat tällaisia. Voidaan ajatella, että tämä on vain tiedemiesten välistä kilpailua siitä, kuka kestää yhä korkeampaa lämpötilaa pidempään. Mitä korkeampi plasman lämpötila ja mitä kauemmin sitä voidaan ylläpitää, sitä lähempänä fuusioreaktion alkua ollaan. Maailmassa on kymmeniä tällaisia ​​asennuksia, useita lisää () () rakennetaan, joten EAST-ennätys rikotaan pian. Pohjimmiltaan nämä pienet reaktorit ovat vain testauslaitteita ennen kuin ne lähetetään ITERiin.

Lockheed Martin ilmoitti vuonna 2015 tekemästään fuusioenergian läpimurto, jonka avulla he voivat rakentaa pienen ja liikkuvan fuusioreaktorin 10 vuodessa. Ottaen huomioon, että jopa erittäin suuria ja ei ollenkaan liikkuvia kaupallisia reaktoreita odotettiin vasta vuonna 2040, yhtiön ilmoitus suhtauduttiin skeptisesti. Mutta yrityksellä on paljon resursseja, joten kuka tietää. Prototyyppiä odotetaan vuonna 2020.

Suositulla Piilaakson startupilla Helion Energyllä on oma ainutlaatuinen suunnitelmansa lämpöydinfuusion saavuttamiseksi. Yritys on kerännyt yli 10 miljoonaa dollaria ja aikoo luoda prototyypin vuoteen 2019 mennessä.

Matalan profiilin startup Tri Alpha Energy on äskettäin saavuttanut vaikuttavia tuloksia fuusiomenetelmänsä edistämisessä (teoreetikot ovat kehittäneet yli 100 teoreettista tapaa fuusion saavuttamiseksi, tokamak on yksinkertaisesti yksinkertaisin ja suosituin). Yhtiö keräsi myös yli 100 miljoonaa dollaria sijoittajavaroja.

Kanadalaisen startup-yrityksen General Fusionin reaktoriprojekti eroaa vielä enemmän muista, mutta kehittäjät luottavat siihen ja ovat keränneet yli 100 miljoonaa dollaria 10 vuodessa rakentaakseen reaktorin vuoteen 2020 mennessä.

Brittiläisellä startupilla First lightilla on saavutettavin verkkosivusto, joka perustettiin vuonna 2014, ja se ilmoitti suunnitelmistaan ​​käyttää uusinta tieteellistä tietoa ydinfuusion saavuttamiseksi halvemmalla.

MIT:n tutkijat kirjoittivat paperin, jossa kuvattiin kompakti fuusioreaktori. He luottavat uusiin teknologioihin, jotka ilmestyivät jättimäisten tokamakkien rakentamisen alkamisen jälkeen, ja lupaavat saattaa projektin päätökseen 10 vuodessa. Vielä ei tiedetä, saavatko he vihreää valoa rakentamisen aloittamiseen. Vaikka artikkeli hyväksyttäisiin, se on vielä varhaisempi vaihe kuin aloitus

Ydinfuusio on ehkä vähiten sopiva toimiala joukkorahoitukselle. Mutta hänen avullaan ja myös NASAn rahoituksella Lawrenceville Plasma Physics -yhtiö aikoo rakentaa prototyypin reaktoristaan. Kaikista käynnissä olevista projekteista tämä näyttää eniten huijaukselta, mutta kuka tietää, ehkä ne tuovat jotain hyödyllistä tähän suurenmoiseen työhön.

ITER tulee olemaan vain prototyyppi täysimittaisen DEMO-laitteiston rakentamiseen - ensimmäinen kaupallinen fuusioreaktori. Sen julkaisu on nyt suunniteltu vuodelle 2044, ja tämä on edelleen optimistinen ennuste.

Mutta seuraavaa vaihetta varten on suunnitelmia. Hybridilämpöydinreaktori saa energiaa sekä atomien hajoamisesta (kuten perinteinen ydinvoimala) että fuusiosta. Tässä kokoonpanossa energiaa voi olla 10 kertaa enemmän, mutta turvallisuus on pienempi. Kiina aikoo rakentaa prototyypin vuoteen 2030 mennessä, mutta asiantuntijoiden mukaan se olisi kuin yrittäisi rakentaa hybridiautoja ennen polttomoottorin keksimistä.

Bottom line

Ihmisistä, jotka haluavat tuoda maailmaan uuden energialähteen, ei ole pulaa. ITER-hankkeella on mittakaavansa ja rahoituksensa vuoksi suurimmat mahdollisuudet, mutta muita menetelmiä, kuten myös yksityisiä hankkeita, ei pidä jättää huomiotta. Tiedemiehet ovat työskennelleet vuosikymmeniä saadakseen fuusioreaktion käyntiin ilman suurta menestystä. Mutta nyt on enemmän hankkeita lämpöydinreaktion saavuttamiseksi kuin koskaan ennen. Vaikka jokainen niistä epäonnistuisi, tehdään uusia yrityksiä. On epätodennäköistä, että lepäämme ennen kuin sytämme Auringon pienoisversion täällä maan päällä.

Tunnisteet:

• fuusioreaktori
• energiaa
• tulevia projekteja

Lisää tageja