Vai kodoltermiskajai enerģijai ir nākotne?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Vairāk nekā pusgadsimtu zinātnieki ir mēģinājuši uz Zemes uzbūvēt mašīnu, kurā, tāpat kā zvaigžņu zarnās, notiek kodoltermiskā reakcija. Kontrolētas kodoltermiskās kodolsintēzes tehnoloģija cilvēcei sola gandrīz neizsīkstošu tīras enerģijas avotu. Šīs tehnoloģijas pamatā bija padomju zinātnieki, un tagad Krievija palīdz uzbūvēt pasaulē lielāko kodolsintēzes reaktoru.

Atoma kodola daļas kopā satur kolosāls spēks. Ir divi veidi, kā to atbrīvot. Pirmā metode ir izmantot lielu smago kodolu dalīšanās enerģiju no periodiskās tabulas tālākā gala: urāna, plutonija. Visās atomelektrostacijās uz Zemes enerģijas avots ir tieši smago kodolu sabrukšana.

Bet ir arī otrs veids, kā atbrīvot atoma enerģiju: nevis sadalīt, bet, gluži pretēji, apvienot kodolus. Saplūstot, daži no tiem izdala pat vairāk enerģijas nekā skaldāmā urāna kodoli. Jo vieglāks ir kodols, jo vairāk enerģijas izdalīsies saplūšanas (kā saka, saplūšanas) laikā, tāpēc visefektīvākais veids, kā iegūt kodolsintēzes enerģiju, ir piespiest vieglākā elementa - ūdeņraža - kodolus un tā izotopus apvienoties..

Rokas zvaigzne: pārliecinoši plusi

Kodolsintēze tika atklāta pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados, pētot procesus, kas notiek zvaigžņu iekšienē. Izrādījās, ka kodolsintēzes reakcijas notiek katras saules iekšienē, un gaisma un siltums ir tās produkti. Tiklīdz tas kļuva skaidrs, zinātnieki domāja par to, kā atkārtot Saules zarnās notiekošo uz Zemes. Salīdzinot ar visiem zināmajiem enerģijas avotiem, "roku saulei" ir vairākas neapstrīdamas priekšrocības.

Pirmkārt, par degvielu kalpo parasts ūdeņradis, kura rezerves uz Zemes pietiks daudziem tūkstošiem gadu. Pat ņemot vērā to, ka reakcijai nepieciešams ne visparastākais izotops deitērijs, pietiek ar glāzi ūdens, lai nedēļu apgādātu mazpilsētu ar elektrību. Otrkārt, atšķirībā no ogļūdeņražu sadegšanas, kodolsintēzes reakcija nerada toksiskus produktus – tikai neitrālo gāzi hēliju.

Kodolsintēzes enerģijas plusi

Gandrīz neierobežotas degvielas rezerves. Kodolsintēzes reaktorā ūdeņraža izotopi - deitērijs un tritijs - darbojas kā degviela; jūs varat arī izmantot izotopu hēlija-3. Jūras ūdenī ir daudz deitērija – to var iegūt ar parasto elektrolīzi, un tā krājumos Pasaules okeānā pietiks aptuveni 300 miljoniem gadu pie pašreizējā cilvēces enerģijas pieprasījuma.

Dabā tritija ir daudz mazāk, to mākslīgi ražo kodolreaktoros – bet termokodolreakcijai vajag ļoti maz. Uz Zemes gandrīz nav hēlija-3, bet Mēness augsnē ir daudz. Ja kādreiz mums būs kodolenerģija, iespējams, būs iespējams aizlidot uz Mēnesi pēc degvielas.

Nekādu sprādzienu. Lai izveidotu un uzturētu kodoltermisko reakciju, ir nepieciešams daudz enerģijas. Tiklīdz enerģijas padeve apstājas, reakcija apstājas, un plazma, kas uzkarsēta līdz simtiem miljonu grādu, pārstāj eksistēt. Tāpēc kodolsintēzes reaktoru ir grūtāk ieslēgt nekā izslēgt.

Zema radioaktivitāte. Kodoltermiskā reakcija rada neitronu plūsmu, kas izplūst no magnētiskā slazda un nogulsnējas uz vakuuma kameras sienām, padarot to radioaktīvu. Izveidojot pa plazmas perimetru īpašu “segu” (segu), palēninot neitronus, iespējams pilnībā aizsargāt telpu ap reaktoru. Pati sega laika gaitā neizbēgami kļūst radioaktīva, bet ne uz ilgu laiku. Ļaujot tai nostāvēties 20-30 gadus, atkal var iegūt materiālu ar dabisku fona starojumu.

Nav degvielas noplūdes. Vienmēr pastāv degvielas noplūdes risks, taču kodolsintēzes reaktoram ir nepieciešams tik maz degvielas, ka pat pilnīga noplūde neapdraud vidi. Piemēram, lai palaistu ITER, būtu nepieciešami tikai aptuveni 3 kg tritija un nedaudz vairāk deitērija. Pat sliktākajā gadījumā šāds radioaktīvo izotopu daudzums ātri izkliedēsies ūdenī un gaisā un nevienam neradīs kaitējumu.

Nav ieroču. Kodolreaktors neražo vielas, ko varētu izmantot atomieroču izgatavošanai. Tāpēc nav nekādu draudu, ka kodoltermiskās enerģijas izplatība izraisīs kodolsacīkstes.

Kā iedegt "mākslīgo sauli", vispārīgi runājot, kļuva skaidrs jau pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados. Abās okeāna pusēs tika veikti aprēķini, kas noteica kontrolētas kodolsintēzes reakcijas galvenos parametrus. Tam jānotiek milzīgā simtiem miljonu grādu temperatūrā: šādos apstākļos elektroni tiek atrautīti no kodoliem. Tāpēc šo reakciju sauc arī par kodoltermisko saplūšanu. Kailie kodoli, milzīgā ātrumā saduroties viens ar otru, pārvar Kulona atgrūšanos un saplūst.

Problēmas un risinājumi

Pirmo gadu desmitu entuziasms sadūrās ar uzdevuma neticamo sarežģītību. Kodolsintēzes palaišana izrādījās salīdzinoši vienkārša – ja to darīja sprādziena veidā. Klusā okeāna atoli un padomju izmēģinājumu poligoni Semipalatinskā un Novaja Zemļjā jau pirmajā pēckara desmitgadē piedzīvoja pilnu kodoltermiskās reakcijas jaudu.

Bet izmantot šo spēku, izņemot iznīcināšanu, ir daudz grūtāk nekā uzspridzināt kodoltermisko lādiņu. Lai izmantotu kodoltermisko enerģiju elektroenerģijas ražošanai, reakcija jāveic kontrolētā veidā, lai enerģija tiktu atbrīvota nelielās porcijās.

Kā to izdarīt? Vidi, kurā notiek kodoltermiskā reakcija, sauc par plazmu. Tā ir līdzīga gāzei, tikai atšķirībā no parastās gāzes sastāv no lādētām daļiņām. Un uzlādēto daļiņu uzvedību var kontrolēt, izmantojot elektriskos un magnētiskos laukus.

Tāpēc kodoltermiskais reaktors savā vispārīgākajā formā ir plazmas receklis, kas iesprostots vadītājos un magnētos. Tie neļauj plazmai izkļūt, un, kamēr viņi to dara, plazmas iekšpusē saplūst atomu kodoli, kā rezultātā tiek atbrīvota enerģija. Šī enerģija ir jāizņem no reaktora, jāizmanto dzesēšanas šķidruma sildīšanai - un jāiegūst elektrība.

Slazdi un noplūdes

Plazma izrādījās kaprīzākā viela, ar ko nācās saskarties cilvēkiem uz Zemes. Katru reizi, kad zinātnieki atrada veidu, kā bloķēt viena veida plazmas noplūdi, tika atklāts jauns. Visa 20. gadsimta otrā puse tika pavadīta, lai mācītos noturēt plazmu reaktorā jebkuru nozīmīgu laiku. Šī problēma sāka parādīties tikai mūsu dienās, kad parādījās jaudīgi datori, kas ļāva izveidot plazmas uzvedības matemātiskos modeļus.

Joprojām nav vienprātības par to, kura metode ir vislabākā plazmas ierobežošanai. Slavenākais modelis, tokamaks, ir virtuļa formas vakuuma kamera (kā saka matemātiķi, tors) ar plazmas slazdiem iekšpusē un ārpusē. Šajā konfigurācijā būs pasaulē lielākā un dārgākā kodoltermiskā iekārta - ITER reaktors, kas pašlaik tiek būvēts Francijas dienvidos.

Papildus tokamakam ir daudzas iespējamās termokodolreaktoru konfigurācijas: sfēriski, piemēram, Sanktpēterburgas Globus-M, dīvaini izliekti stellaratori (piemēram, Wendelstein 7-X Maksa Planka Kodolfizikas institūtā Vācijā), lāzers. inerciālās lamatas, piemēram, amerikāņu NIF. Viņiem tiek pievērsta daudz mazāk plašsaziņas līdzekļu uzmanības nekā ITER, taču uz tiem ir arī lielas cerības.

Ir zinātnieki, kuri stellaratora dizainu uzskata par principiāli veiksmīgāku nekā tokamaku: to ir lētāk uzbūvēt, un plazmas ieslodzījuma laiks sola dot daudz vairāk. Enerģijas pieaugumu nodrošina paša plazmas slazda ģeometrija, kas ļauj atbrīvoties no "donutam" raksturīgās parazitārās ietekmes un noplūdēm. Lāzera sūknēšanas versijai ir arī savas priekšrocības.

Tajos esošā ūdeņraža degviela ar lāzera impulsiem tiek uzkarsēta līdz vajadzīgajai temperatūrai, un saplūšanas reakcija sākas gandrīz acumirklī. Plazma šādās instalācijās tiek turēta ar inerci, un tai nav laika izkliedēties - viss notiek tik ātri.

Visa pasaule

Visi mūsdienu pasaulē esošie kodolreaktori ir eksperimentālas iekārtas. Neviens no tiem netiek izmantots elektroenerģijas ražošanai. Nevienam vēl nav izdevies izpildīt galveno kodoltermiskās reakcijas kritēriju (Lawsona kritērijs): iegūt vairāk enerģijas, nekā tika iztērēts reakcijas radīšanai. Tāpēc pasaules sabiedrība ir koncentrējusies uz gigantisko ITER projektu. Ja ITER tiks izpildīts Lousona kritērijs, tehnoloģiju varēs pilnveidot un mēģināt pārnest uz komerciālām sliedēm.

Neviena valsts pasaulē nevarētu uzbūvēt ITER viena pati. Tam nepieciešami 100 tūkstoši km supravadošu vadu vien, kā arī desmitiem supravadītāju magnētu un milzu centrālais solenoīds plazmas noturēšanai, sistēma augsta vakuuma radīšanai gredzenā, hēlija dzesētāji magnētiem, kontrolleri, elektronika… Tāpēc projektā tiek būvētas 35 valstis un vienlaikus tūkstošiem zinātnisko institūtu un rūpnīcu.

Krievija ir viena no galvenajām valstīm, kas piedalās projektā; Krievijā tiek projektētas un būvētas 25 topošā reaktora tehnoloģiskās sistēmas. Tie ir supravadītāji, plazmas parametru mērīšanas sistēmas, automātiskie kontrolieri un divertora komponenti, tokamaka iekšējās sienas karstākā daļa.

Pēc ITER palaišanas Krievijas zinātniekiem būs pieejami visi tā eksperimentālie dati. Tomēr ITER atbalss būs jūtama ne tikai zinātnē: tagad dažos reģionos ir parādījušās ražotnes, kuru Krievijā agrāk nebija. Piemēram, pirms projekta sākuma mūsu valstī nebija rūpnieciskas supravadītāju materiālu ražošanas, un visā pasaulē tika saražotas tikai 15 tonnas gadā. Tagad tikai valsts korporācijas "Rosatom" Čepetskas mehāniskajā rūpnīcā ir iespējams saražot 60 tonnas gadā.

Enerģētikas nākotne un ne tikai

Pirmo plazmu ITER plānots saņemt 2025. gadā. Visa pasaule gaida šo notikumu. Taču viena, pat jaudīgākā, mašīna vēl nav viss. Visā pasaulē un Krievijā viņi turpina būvēt jaunus kodoltermiskos reaktorus, kas palīdzēs beidzot izprast plazmas uzvedību un atrast labāko veidu, kā to izmantot.

Jau 2020. gada beigās Kurčatova institūts gatavojas palaist jaunu tokamaku T-15MD, kas kļūs par daļu no hibrīdinstalācijas ar kodolelementiem un kodoltermiskajiem elementiem. Neitroni, kas veidojas kodoltermiskās reakcijas zonā, hibrīdiekārtā tiks izmantoti smago kodolu – urāna un torija – skaldīšanas ierosināšanai. Nākotnē šādas hibrīdmašīnas varēs izmantot, lai ražotu degvielu parastajiem kodolreaktoriem – gan termiskos, gan ātros neitronus.

Torija glābšana

Īpaši vilinoša ir izredzes izmantot termokodolu "kodolu" kā neitronu avotu, lai ierosinātu sabrukšanu torija kodolos. Uz planētas ir vairāk torija nekā urāna, un tā izmantošana kā kodoldegviela vienlaikus atrisina vairākas mūsdienu kodolenerģijas problēmas.

Tādējādi torija sabrukšanas produktus nevar izmantot militāru radioaktīvu materiālu ražošanai. Šādas izmantošanas iespēja kalpo kā politisks faktors, kas mazajām valstīm neļauj attīstīt savu kodolenerģiju. Torija degviela vienreiz un uz visiem laikiem atrisina šo problēmu.

Plazmas slazdi var noderēt ne tikai enerģētikā, bet arī citās miermīlīgās nozarēs – pat kosmosā. Tagad Rosatom un Kurčatova institūts strādā pie komponentiem bezelektrodu plazmas raķešu dzinējam kosmosa kuģiem un sistēmām materiālu plazmas modificēšanai. Krievijas dalība ITER projektā stimulē nozari, kas noved pie jaunu nozaru radīšanas, kas jau veido pamatu jaunām Krievijas attīstības tendencēm.