Термоядерная энергетика: Термоядерная энергетика появится тогда, когда она станет действительно необходима человечеству

Термоядерная энергетика: надежда человечества? / Хабр

В детстве я любил читать журнал «Наука и Жизнь», в деревне лежала подшивка начиная с 60-х годов. Там часто рассказывали про термоядерный синтез в радостном ключе — вот уже почти, и оно будет! Многие страны, чтобы успеть на раздачу бесплатной энергии строили у себя Токамаки (и настроили их суммарно 300 штук по всему миру).

Годы шли… Сейчас 2013-й год, а человечество до сих пор получает бОльшую часть энергии от сжигания угля, как в 19-м веке. Почему так получилось, что мешает создать термоядерный реактор, и чего нам ждать в будущем — под катом.

Ядро атома, как мы помним, состоит в первом приближении из протонов и нейтронов (=нуклонов). Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны — нужно затратить определенную энергию — энергию связи ядра. Эта энергия отличается у различных изотопов, и естественно, при ядерных реакциях баланс энергии должен сохраняться. Если построить график энергии связи для всех изотопов (из расчета на 1 нуклон), получим следующее:

Отсюда мы видим, что получать энергию мы можем или разделяя тяжелые атомы (вроде ²³⁵U), или соединяя легкие.

Наиболее реалистичные и интересные в практическом отношении следующие реакции синтеза:

1) ²D+³T -> ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

2) ²D+²D -> ³T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%

    ²D+²D -> ³He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%

3) ²D+³He -> ⁴He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)

4) p+¹¹B -> 3⁴He + 8.7 MeV

В этих реакциях используется Дейтерий (D) — его можно получать прямо из морской воды, Тритий (T) — радиоактивный изотоп водорода, сейчас его получают как отход на обычных ядерных реакторах, можно специально производить из лития. Гелий-3 — вроде-бы на Луне, как мы все уже знаем. Бор-11 — природный бор на 80% состоит из бора-11. p (Протий, атом водорода) — обычный водород.

Для сравнения, при делении ²³⁵U выделяется ~202.5 MeV энергии, т.е. гораздо больше чем при реакции синтеза из расчета на 1 атом (но из расчета на килограмм топлива — конечно термоядерное топливо дает больше энергии).

По реакциям 1 и 2 — получается много очень высокоэнергетических нейтронов, которые всю конструкцию реактора делают радиоактивной. А вот реакции 3 и 4 — «без-нейтронные» (aneutronic) — не дают наведенной радиации. К сожалению, побочные реакции все равно остаются, например из реакции 3 — дейтерий будет и сам с собой реагировать, и небольшое нейтронное излучение все-же будет.

Реакция 4 интересна тем, что в результате получаем 3 альфа-частицы, с которых теоретически можно напрямую энергию снимать (т.к. они фактически представляют собой движущиеся заряды = ток).

В общем, интересных реакций достаточно. Вопрос лишь в том, насколько просто их осуществить в реальности?

О сложности проведения реакции Человечество относительно легко освоило деление ²³⁵U: никакой сложности тут нет — поскольку нейтроны не обладают зарядом, они могут буквально «проползать» сквозь ядро даже с очень маленькой скоростью. В большинстве реакторов деления и используются как раз такие, тепловые нейтроны — у которых скорость движения сравнима со скоростью теплового движения атомов.

А вот при реакции синтеза — у нас есть 2 ядра имеющие заряд, и они отталкиваются друг от друга. Для того, чтобы сблизить их на нужное для реакции расстояние — нужно, чтобы они двигались с достаточной скоростью. Скорости такой можно либо достичь в ускорителе (когда все атомы в результате двигаются с одной оптимальной скоростью), или нагреванием (когда атомы летают как попало в случайных направлениях и случайной скоростью).

Вот график, показывающий скорость реакции (сечение) в зависимости от скорости (=энергии) сталкивающихся атомов:

Вот то же, но построенное от температуры плазмы, с учетом того, что атомы там летают со случайной скоростью:

Сразу видим, что реакция D+T — самая «легкая» (ей нужны жалкие 100 миллионов градусов), D+D — примерно в 100 раз медленее при тех же температурах, D+³He идет быстрее чем конкурирующая D+D только при температурах порядка 1 млрд градусов.

Таким образом, только реакция D+T хотя бы отдаленно доступна человеку, со всеми её недостатками (радиоактивность трития, сложности с его получением, наведенная нейтронами радиация).

Но как вы понимаете, взять и нагреть что-то до ста миллионов градусов и оставить реагировать не выйдет — любые нагретые предметы излучают свет, и таким образом быстро остывают. Плазма нагретая до сотни миллионов градусов — светит в рентгеновском диапазоне, и что самое печальное — она прозрачна для него. Т.е. плазма с такой температурой фатально быстро остывает, и чтобы поддерживать температуру нужно постоянно вкачивать гигантскую энергию на поддержание температуры.

Впрочем, из-за того, что в термоядерном реакторе газа очень мало (например в ITER — всего пол грамма), все получается не так плохо: чтобы нагреть 0.5г водорода до 100 млн градусов нужно потратить примерно столько же энергии, сколько для нагревания 186 литров воды на 100 градусов.

Есть еще критерий Лоусона, показывающий, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится. Помимо температуры важна еще плотность (само собой выше плотность плазмы — быстрее реакция идет) и время удержания плазмы (чтобы успело прореагировать). Соответственно, системы могут быть импульсные (Z-Machine, NIF, термоядерный заряд — короткое время реакции, высокая температура и плотность) и постоянные (токамак — низкая плотность и температура, длительное время реакции).

Посмотрим теперь, какие подходы есть к реализации термоядерного реактора.

Звезда — естественный термоядерный реактор. Горячая плазма под высоким давлением удерживается гравитацией, а все излучаемое рентгеновское излучение — за счет огромной плотности и размеров поглощается. Таким образом ядро не остывает даже при относительно маленьких скоростях реакции. Из-за этого в ядре сгорает не только водород и дейтерий, но и гораздо более тяжелые элементы. К сожалению, на земле такую конструкцию реализовать затруднительно.

Термоядерная (водородная) бомба — также достаточно проста по конструкции. Полый шар из плутония в дельта-фазе (дельта-фаза имеет на 1/4 меньшую плотность чем альфа-фаза), а в центре в простейшем случае — термоядерное топливо, дейтерид лития-6. С помощью 2-х типов взрывчатки («медленной» и «быстрой») и двух детонаторов формируется сферическая ударная волна, которая переводит плутоний в альфа-фазу меньшего размера, в которой возможна цепная реакция деления. По желанию можно добавить внешний импульсный нейтронный инициатор (о нем ниже) — в момент наибольшего сжатия он выдаст кучу нейтронов, которые должны дать резкий старт реакции.

«Лишние» нейтроны захватываются литием-6 с образованием трития, и образуется как раз нужная нам нагретая смесь дейтерия и трития. Они начинают реагировать друг с другом — и удерживает их от разлетания сила инерции относительно тяжелого корпуса заряда из урана. Помимо этого, урановый корпус непрозрачен для рентгеновского излучения — соответственно потери тепла меньше. Вся реакция заканчивается за 1 микросекунду — и корпус только-только начинает разлетаться в разные стороны.

Это была так называемая «бустерная схема» ядерного заряда, где вклад термоядерной реакции невелик, и лишь позволяет немного поднять мощность «задешево» (плутоний — страшно дорогой, а литий — в сравнении с ним дешев как грязь).

Тритий напрямую не используют поскольку он радиоактивный и соответственно долго не хранится. А литий-6 стабилен, и ядерный заряд всегда готов к бою. Можно использовать и литий-7 — он не только дает тритий, но и еще один лишний нейтрон. Об этой реакции не знали, когда американцы тестировали бомбу «Shrimp» («Креветка»). Из-за отсутствия чистого лития-6 положили частично обогащенный в котором лития-6 было всего 40%, и рассчитывали на взрыв в 6 мегатонн, а долбануло на 15.

Существует и схема радиационной имплозии — когда первичный ядерный взрыв рентгеновским излучением обжимает и нагревает отдельную сферу с термоядерным топливом.

Это конечно все хорошо работает в целях разрушения, но в целях получения энергии этот подход использовать не получается, очень уж высока минимальная мощность взрыва, и слишком много обычных радиоактивных продуктов реакции плутония/урана.

Линейные ускорители: идея проста — берем мишень из любого удобного дейтерида металла, и в маленьком линейном ускорителе разгоняем до нужной скорости атомы трития. Получаем настоящую термоядерную реакцию, и выходом энергии и 14.1 MeV нейтронов. Такой источник можно использовать для поиска нефти и воды (например на марсианском ровере MSL стоит российский импульсный источник нейтронов DAN), и в качестве внешнего импульсного нейтронного инициатора в ядерных зарядах.

Почему-же так нельзя вырабатывать электричество? На разгон атомов тратится намного больше энергии, чем мы получаем в результате реакции (далеко не все разгоняемые атомы реагируют). По моим расчетам DAN например имеет КПД порядка 0.0016%.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — идея уже немного сложнее, в плазменном торе как в трансформаторе наводим ток. Вокруг тора — сверхпроводящие магниты, которые «обжимают» плазму и не дают ей коснуться стенок. Плазма нагревается микроволновым излучением, и резистивным нагревом от протекающего тока. Когда начинали работать по этому направлению — казалось: вот-вот и все будет работать.

Во всем мире построено порядка 300 токамаков, и самый современный и крупный из них — строящийся международный проект ITER (в том числе и при участии России). В нем должен быть наконец достигнут показатель Q=10 (т.е. выделение энергии в 10 раз больше затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы). Водородную плазму (т.е. без термоядерной реакции) собираются зажечь в 2020-м, а начать запуски с дейтерий-тритиевой плазмой — в 2027, если конечно все пойдет по плану и не случится какой-нибудь очередной кризис.

Проблемы у токамаков следующие (при их будущем промышленном использовании):

1. Нестабильность плазмы. Разряд норовит где-то становится тоньше, где-то — толще, вплоть до разрыва кольца (с прекращением тока) или касанием стенок. С проблемой боролись увеличением размеров камеры, добавлением полоидального магнитного поля (вокруг вертикальной оси камеры).
2. Тритий — дорог, и его нужно много для производства энергии. Если мы единственный нейтрон, образующийся в реакции D+T с помощью лития-6 конвертируем в 1 атом трития — за счет неизбежных потерь нейтронов трития будет все меньше и меньше. Необходимо использовать размножение нейтронов — используя например литий-7 или свинец, которыми нужно обложить внутреннюю стенку реактора (бланкет), и доставать оттуда как-то тритий.
3. Мощное нейтронное излучение: на ту же вырабатываемую мощность нейтронный поток в ~5-10 раз больше, чем у обычных ядерных реакторов, и сами нейтроны имеют намного большую энергию. Это значит, что если конструкцию реактора сделать из тех же материалов, то срок службы у нее будет 5 лет, а не 50 (как у обычных реакторов).
4. Поскольку плазма с огромной температурой теряет много энергии на излучение, а камера должна быть большой для обеспечения стабильности — минимальная мощность реактора получается большой, сотни мегаватт.

Стелларатор — «мятый» бублик, где магнитное поле формируется внешними магнитами очень хитрой формы и обеспечивает стабильность плазмы. По сравнению с токамаком — намного более сложная конструкция. По «качеству» удержания плазмы сейчас уже уступает токамакам.

NIF — National Ignition Facility — идея в том, чтобы сфокусировать свет от 192 импульсных лазеров на мишени, окружающей капсулу с дейтерий-тритиевой смесью. Свет нагревает мишень — она нагревается до миллионов градусов, и равномерно светом «обжимает» капсулу с термоядерным топливом. На хабре кстати 3 года назад писали, что там уже почти все готово.

Проект завершился 30 сентября 2012 года. Оказалось, в компьютерной модели были неточности. По новой оценке, достигнутая в NIF мощность импульса 1.8 мегаджоуля — 33-50% от требуемой, чтобы выделилось столько же энергии, сколько было затрачено.

Sandy Z-machine Идея такая: возьмем большую кучу высоковольтных конденсаторов, и резко разрядим их через тоненькие вольфрамовые проволочки в центре машины. Проволочки мгновенно испаряются, через них продолжает течь огромный ток в 27 миллионов ампер на протяжении 95 наносекунд. Плазма, нагретая до миллионов и миллиардов(!) градусов — излучает рентгеновское излучение, и обжимает им капсулу с дейтерий-тритиевой смесью в центре (энергия импульса рентгеновского излучения — 2.7 мегаджоуля).

Планируется апгрейд системы с использованием российской силовой установки (Linear Transformer Driver — LTD). В 2013-м году ожидаются первые тесты, в которых получения энергия сравнится с затрачиваемой (Q=1). Возможно, у этого направления в будущем появится шанс сравниться и превзойти токамаки.

Dense Plasma Focus — DPF — «схлопывает» бегущую по электродам плазму с получением гигантских температур. В марте 2012 на установке, действующей по этому принципу была достигнута температура 1.8 млрд градусов.

Levitated Dipole — «вывернутый» токамак, в центре вакуумной камеры висит торообразный сверхпроводящий магнит который и удерживает плазму. В такой схеме плазма обещает быть стабильной сама по себе. Но финансирования у проекта сейчас нет, похоже непосредственно реакцию синтеза на установке не проводили.

Farnsworth–Hirsch fusor Идея проста — размещаем две сферические сетки в вакуумной камере наполненной дейтерием, или дейтерий-тритиевой смесью, прикладываем между ними потенциал в 50-200 тысяч вольт. В электрическом поле атомы начинают летать вокруг центра камеры, иногда сталкиваясь между собой.

Выход нейтронов есть, но он довольно мал. Большие потери энергии на тормозное рентгеновское излучение, внутренняя сетка быстро раскаляется и испаряется от столкновений с атомами и электронами. Хотя конструкция интересна с академической точки зрения (собрать её может любой студент), КПД генерации нейтронов намного ниже линейных ускорителей.

Polywell — хорошие напоминание о том, что не все работы по термоядерному синтезу публичны. Работа финансировалась ВМФ США, и была засекречена, пока не были получены отрицательные результаты.

Идея — развитие Farnsworth–Hirsch fusor. Центральный отрицательный электрод, с которым было больше всего проблем, мы заменяем облаком электронов, удерживаемых магнитным полем в центре камеры. Все тестовые модели имели обычные, а не сверхпроводящие магниты. Реакция давала единичные нейтроны. В общем, никакой революции. Возможно, увеличение размеров и сверхпроводящие магниты и изменили бы что-то.

Мюонный катализ — радикально отличающаяся идея. Берем отрицательно-заряженный мюон, и заменяем им электрон в атоме. Поскольку мюон в 207 раз тяжелее электрона — в молекуле водорода 2 атома будут намного ближе друг к другу, и произойдет реакция синтеза. Единственная проблема — если в результате реакции образуется гелий (шанс ~1%), и мюон улетит с ним — больше в реакциях он участвовать не сможет (т.к. гелий не образует химического соединения с водородом).

Проблема тут в том, что генерация мюона на данный момент требует больше энергии, чем может получится в цепочке реакций, и таким образом пока энергию тут не получить.

«Холодный» термоядерный синтез (сюда не включен «холодный» мюонный катализ) — давно является пастбищем псевдоученых. Научно подтвержденных и независимо повторяемых положительных результатов нет. А сенсации на уровне желтой прессы были уже не раз и до E-Cat-а Андреа Росси.

1. Термоядерная энергия — вовсе не такая кристально чистая. На единственной реалистичной на данный момент реакции D+T поток нейтронов, который сделает радиоактивными любые элементы конструкции — в ~10 раз выше, чем в обычных реакторах на той же мощности. Корпус реактора придется менять раз в 5-10 лет.
2. Человечество безусловно достигнет Q=10 (получаем в 10 раз больше термоядерной энергии, чем тратим). Этого показателя вероятно удастся достигнуть и на Токамаке (ITER) и на Z-Machine, в 2030-х годах и позднее.
3. Не смотря на достижение Q=10, термоядерные реакторы будут намного дороже, чем классические урановые из-за более сложной конструкции, более короткого срока службы корпуса и сверхпроводящих магнитов. Термоядерные реакторы также не смогут быть маленькими (как например плавучая мини-АЭС)
4. Энергии при термоядерной реакции выделяется не так много — на одно деление урана выделяется в 11. 5 раз больше энергии, чем при синтезе D+T (которая обладает наибольшим энерговыделением среди реакций синтеза)
5. Термоядерного топлива как раз не много — тритий очень дорог и дефицитен. Получение его не проще и не дешевле, чем получение плутония из отходов урана или U-233 из тория.
6. Гелий-3 — никак не помог бы человечеству, даже если бы его были горы на земле. Паразитная реакция D+D все равно будет давать радиацию, а оптимальная температура — миллиард градусов, намного сложнее D+T над которой бьется человечество на данный момент.
7. Похоже ближайшие 1000 лет мы будем использовать реакторы на быстрых нейтронах, сжигать дешевый уран-238 и торий (Если конечно человечество не уничтожит себя в очередной войне)
8. Тем не менее — человечество обязано продолжать работать над термоядерной энергией, даже если коммерческий результат будет через 1000 лет, точно так же, как тысячелетие назад ученые работали над основами математики — без них не было бы сегодняшнего прогресса.

Термоядерная энергия | Uatom.org

Создать вечный источник энергии на земле. Звучит утопично? А вот и нет. Термоядерный синтез позволит получить так называемую свободную энергию буквально из воды, при этом отходами производства будут абсолютно безопасные водород и гелий. И этот процесс не является изобретением человека. Вселенная активно и повсеместно использует термоядерные реакторы. Ближайший к нам — Солнце.

Основная проблема в том, что ученым до сих пор не удавалось создать такой реактор термоядерного синтеза, чтобы количество энергии, выделяемое в результате реакции, было больше того количества, которое требуется, собственно, для осуществления самой реакции.

Из учебников физики: что же такое термоядерный синтез?

Прежде чем перейти к основной части нашего материала и разобраться, почему вокруг термоядерного синтеза столько разговоров, давайте вспомним уроки физики за одиннадцатый класс, но если вспоминать ничего (и такое бывает), то читаем дальше.

Мы уже знаем, как с помощью контролируемой ядерной реакции человечество получает энергию. Ядерные реакторы, которые сейчас эксплуатируются, используют процесс расщепления атомов, во время которого ядра атомов делятся на 2-3 ядра с меньшими массами. Термоядерный синтез же наоборот предполагает не разделение, а объединение атомов. Проще говоря, это получение тяжелых атомных ядер из более легких.

Как это происходит? Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего числа нуклонов в ядре. В легких ядрах с увеличением числа нуклонов энергия связи возрастает, а в тяжелых — падает.

Если добавлять нуклоны в легкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Изменение состава ядра называется ядерным превращениям или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. В основе процесса управляемого термоядерного синтеза лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии.

Схема термоядерного синтеза для дейтерия и трития

Протоны в ядре имеют электрический заряд, а значит, испытывают кулоновское отталкивание. В ядре это отталкивание компенсируется сильным взаимодействием, что удерживает нуклоны вместе. Но сильное взаимодействие имеет радиус действия намного меньше кулоновского отталкивания. Поэтому для слияния двух ядер в одно нужно сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание.

Известно несколько таких способов: в недрах звезд — гравитационные силы, в ускорителях — кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц, в термоядерных реакторах и термоядерном оружии — энергия теплового движения ядер атомов.

Немного истории

Как мы упомянули в начале, термоядерный синтез — это не изобретение человека. В 1934 году, наблюдая за звездным небом, американский физик советского происхождения Георгий Гамов выдвинул гипотезу, что звезды горят благодаря ядерным реакциям, которые в них происходят. Его предположение четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.

В 40-х годах XX века один из участников «Манхэттенского проекта» (речь идет о разработке ядерного оружия) предложил коллегам подумать о бомбе не распада, а синтеза, то есть о водородной. Математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза и начались практические опыты. В 1951 году, через шесть лет после применения ядерного оружия США провели предварительное, а через год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили смесь дейтерида лития 40% дейтерида лития-6 и 60% дейтерида лития-7.

Идею о применении термоядерного синтеза в промышленных целях выдвинул советский физик Олег Лаврентьев. Вскоре, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров доработали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. Так появилась идея токамака, который был построен в 1954 году.

Кстати, первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор, был построен ранее советского, астрофизиком Лайман Спитцер в 1951 году в рамках секретного проекта «Маттерхорн». Однако, именно технология токамака сейчас считается наиболее развитой, ведь по ней накоплено больше знаний. Поэтому именно она была избрана в основу проекта International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), но об этом чуть позже.

Формально стеллараторы считаются более прогрессивными, чем токамаки. Для этого есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и содержат только внешние токи и катушки. В токамаках разжигание происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле.

Поэтому в «бублике» токамака появляются свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые так и стремятся разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить. Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии. При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отдаляет теоретический предел оптимального давления в камере. А чем выше давление, тем быстрее произойдет реакция.

Сравнение конструкции токамака (слева) та стеларратора (справа)

Солнце, но на Земле

На юге Франции, недалеко от городка Экс-ан-Прованс, 35 стран мира завершают историческое строительство под названием ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor — Международный термоядерный экспериментальный реактор. Кнопку, которая запустит в действие махину весом 23 тысяч тонн, обещают нажать через 5 лет.

Строительство же первого в мире термоядерного реактора продолжается более 30 лет. «Наша машина — как Солнце, но на Земле», — так описывают свое детище его создатели.

В ходе сооружения. Фото: ITER

ITER является первой в своем роде машиной и уникальным научным устройством. Это итоговый эксперимент, чтобы доказать, что технологии, материалы и знания человечества достаточны, чтобы сделать следующий шаг и построить термоядерную электростанцию.

Проект стартовал в ноябре 1985 года, когда на Женевском саммите генеральный секретарь СССР Михаил Горбачев предложил президенту США Рональду Рейгану идею совместного международного проекта по разработке термоядерной энергии в мирных целях. Год продолжались переговоры и было достигнуто соглашение. К проекту присоединились также Европейский союз (Евратом) и Япония.

Работы по концептуальному проектированию начались в 1988 году, после чего был долгий этап технического проектирования, пока в 2001 году страны-члены утвердили окончательный проект ITER. В 2003 году в проекту присоединились Китай и Республика Корея, затем — Индия.

Выбор места для строительства ITER был также длительной процедурой, которая завершилась в 2005 году. Как мы уже упоминали, в основе ITER — токамак, выбранна эта технология была исключительно из-за количества собранных о нем знаний. Существует множество технологий термоядерного синтеза, таких как стеллараторы (Wendelstein-7X), лазерный синтез (Laser Megajoule и National Ignition Facility), протон-борный синтез (Tri-Alpha energy) и др. Но научное сообщество считает, что концепция токамака — лучшая для достижения чистой энергии термоядерного синтеза.

Токамак в разрезе

Едва ли не самым важнейшим преимуществом термоядерного реактора является его безопасность. И как объясняют в ITER, в термоядерном реакторе неконтролируемая цепная реакция, которая приводит к расплавлению активной зоны, просто невозможна. Ведь очень трудно добиться реакции синтеза и сохранить ее. Но что бы ни случилось, в случае потери контроля над нагревом, охлаждением или подачей топлива, тепло внутри вакуумной камеры естественным образом угаснет.

Это почти так же, как газовая горелка гаснет, когда закручивают кран. Процесс ядерного синтеза безопасный по своей сути. Нет опасности утечки или взрыва. Предварительный отчет по безопасности ITER содержит анализ рисков и событий, которые могут привести к авариям на объекте. Во время нормальной работы радиологическое  влияние ITER на уязвимые группы населения будет в тысячу раз меньше, чем естественное фоновое излучение. А при «худших сценариях», таких, как пожар на тритиевом заводе, эвакуация или другие защитные меры для населения на территорях,  граничащих с производством, не понадобятся.

А сейчас несколько развеем миф о бесплатной энергии. Термоядерная энергия никогда такой не будет. Свободной ее называют потому что она чистая и безопаснадля будущих поколений.

ITER будет производить 500 мегаватт тепловой энергии. Такого количества достаточно, чтобы изучать горение плазмы, состояние, которого ранее на Земле никогда не удавалось добиться в контролируемой среде. Ожидается, что коммерческий термоядерный реактор будет в 10-15 раз мощнее. Например, термоядерная электростанция мощностью 2000 мегаватт сможет обеспечивать электроэнергией 2 миллиона домов.

Ученые прогнозируют, что промышленные термоядерные установки могут начать работу уже в 2040 году. Точные сроки будут зависеть от уровня общественного запроса и политической воли, которая проявляется в финансовых инвестициях, ведь удовольствие это не из дешевых. Начальная капитальная стоимость 2000 мегаваттной термоядерной станции — около 10 млрд долларов. Эти капитальные затраты компенсируются крайне низкими затратами на обслуживание, незначительными затратами на топливо и нечастыми расходами на замену компонентов в течение 60-летнего срока службы установки.

Отметим, что ITER является экспериментальной установкой, она не будет производить электричество. Всю энергию, которую произведет, будет преобразовано в пар и выпущено через градирни.

А Украина?

Исследование термоядерного синтеза в Украине осуществляются в КНУ им. Т. Шевченко, Институте физики (г. Киев) и ННЦ ХФТИ (г. Харьков), а также в некоторых негосударственных лабораториях. Хотя Украина не является членом международного проекта ITER, наши физики также принимают в нем участие путем сотрудничества с европейскими коллегами. Такое сотрудничество стало возможным благодаря тому, что с 2017 года Украина является полноправным членом Европейского физического сообщества по термоядерных исследованиях.

В одном из своих интервью украинский физик, президент НАН Украины Анатолий Загородный сказал о ITER следующее: «Среди широкого круга задач на передний план с увеличением мощности реактора выходит проблема повышения прочности внутренней стенки реактора, контактирующей с густой и горячей плазмой, и украинские физики ведут активные исследования в этом направлении.

Другими задачами, над которыми работают наши ученые, является совершенствование диагностик и разработка теоретических моделей плазменных процессов. Построение промышленного термоядерного реактора оказалась гораздо сложнее, чем это казалось сначала. Однако преодолена большая часть пути, и этот проект приблизит нас к новому мощному и экологичному источнику энергии».

При подготовке материала были использованы официальные материалы ITER.

путь к новой энергии

Обзор тендеров

Отдел закупок и контрактов Организации ИТЭР отвечает за своевременную и эффективную закупку товаров и услуг, обеспечивающих оптимальное соотношение цены и качества для Организации.

Отдел закупок и контрактов стремится обеспечить конкурентоспособный, справедливый и прозрачный процесс закупок при обеспечении качества и надежности.

Уважаемый поставщик,

Закупки ИТЭР переведены в онлайн-режим
Организация ИТЭР (IO) выбрала SAP Ariba, веб-инструмент, который позволяет компаниям просматривать возможности и делать ставки на них в рамках Организации ИТЭР. Все закупки будут осуществляться с помощью этого инструмента, и предприятиям необходимо будет зарегистрироваться и получить учетную запись. Мы совершаем этот переход постепенно и поэтапно.

Здесь официальное сообщение: Оцифровка закупок ИТЭР.

Вы получили письмо с приглашением зарегистрироваться?

Ниже приведены материалы, которые помогут вам в процессе регистрации:

• Руководство по регистрации для приглашенного поставщика  (EN)
• Руководство по регистрации по приглашению (Франция)
• Как зарегистрироваться поставщиком по приглашению от Iter (Видео)

Вы не получили приглашение, но хотите зарегистрироваться в качестве поставщика в Iter Organization?
Вы заинтересованы в участии в торгах с Организацией ИТЭР?
Пожалуйста, заполните приведенную ниже анкету «Процесс запроса на самостоятельных поставщиков ИТЭР»:

IProc (ariba. com)

И отправьте форму.
Команда ИТЭР проверит данные и попросит систему Ariba отправить вам электронное письмо с приглашением для дальнейшего завершения регистрации.

У вас есть существующая учетная запись и вам нужно создать пользователя или обновить информацию?

• Управление учетными записями поставщиков   (EN)
• Как создать дополнительное использование р (Видео)

Есть вопросы или нужна помощь?

Чтобы лучше понять, как управлять своей учетной записью Ariba, посетите страницу справки Ariba:

https://support.ariba.com/Adapt/Ariba_Network_Supplier_Training /

По любым другим вопросам вы можете связаться с нами по электронной почте  [email protected]

 

Подпишитесь, чтобы автоматически получать наши уведомления о закупках

Атомная энергия | Определение, источники, использование и факты

ядерное деление и ядерный синтез

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гленн Т. Сиборг
Кристофер Хинтон, барон Хинтон
Андрей Сахаров
Эдвард Теллер
Игорь Васильевич Курчатов

Похожие темы:

ядерного реактора
атомная энергия
атомная электростанция
атомная подводная лодка
энергия связи ядер

Просмотреть весь связанный контент →

ядерная энергия , также называемая атомной энергией , энергия, которая высвобождается в значительных количествах в процессах, влияющих на атомные ядра, плотные ядра атомов. Она отличается от энергии других атомных явлений, таких как обычные химические реакции, в которых участвуют только орбитальные электроны атомов. Одним из методов высвобождения ядерной энергии является контролируемое деление ядер в устройствах, называемых реакторами, которые в настоящее время используются во многих частях мира для производства электроэнергии. Другой метод получения ядерной энергии, управляемый ядерный синтез, является многообещающим, но не был усовершенствован к 2020 году. Ядерная энергия высвобождается со взрывом как в результате ядерного синтеза, так и ядерного деления. См. также ядерную энергетику.

При ядерном делении ядро ​​атома, например, урана или плутония. распадается на два более легких ядра примерно одинаковой массы. В некоторых случаях процесс может протекать самопроизвольно или может быть индуцирован возбуждением ядра различными частицами (например, нейтронами, протонами, дейтронами или альфа-частицами) или электромагнитным излучением в виде гамма-лучей. В процессе деления выделяется большое количество энергии, образуются радиоактивные продукты и испускается несколько нейтронов. Эти нейтроны могут вызвать деление в соседнем ядре делящегося материала и высвободить больше нейтронов, которые могут повторить последовательность, вызывая цепную реакцию, в которой большое количество ядер подвергается делению и высвобождается огромное количество энергии. Если управлять такой цепной реакцией в ядерном реакторе, она может дать энергию на благо общества. Если его не контролировать, как в случае с так называемой атомной бомбой, это может привести к взрыву огромной разрушительной силы.

Ядерный синтез — это процесс, при котором ядерные реакции между легкими элементами образуют более тяжелые элементы. В тех случаях, когда взаимодействующие ядра принадлежат элементам с низкими атомными номерами (например, водород [атомный номер 1] или его изотопы дейтерий и тритий), выделяется значительное количество энергии. Огромный энергетический потенциал ядерного синтеза был впервые использован в термоядерном оружии или водородных бомбах, которые были разработаны в десятилетие сразу после Второй мировой войны. Потенциальные мирные применения термоядерного синтеза, особенно с учетом практически безграничных запасов термоядерного топлива на Земле, стимулировали огромные усилия по использованию этого процесса для производства энергии. Хотя практические термоядерные реакторы еще не построены, необходимые условия температуры плазмы и теплоизоляции в значительной степени достигнуты, что позволяет предположить, что термоядерная энергия для производства электроэнергии теперь является серьезной возможностью.