A fúzia?

Senzačne zneli správy z konca minulého roka o stavbe reaktora na syntézu čínskych špecialistov (1). Čínske štátne médiá informovali, že zariadenie HL-2M, ktoré sa nachádza vo výskumnom centre v Čcheng-tu, bude funkčné v roku 2020. Tón správ v médiách naznačil, že otázka prístupu k nevyčerpateľnej energii termonukleárnej fúzie je navždy vyriešená.

Bližší pohľad na detaily pomáha schladiť optimizmus.

nový prístroj typu tokamak, s pokročilejším dizajnom ako doteraz známe, by mal generovať plazmu s teplotami nad 200 miliónov stupňov Celzia. V tlačovej správe to oznámil šéf Juhozápadného inštitútu fyziky Čínskej národnej jadrovej korporácie Duan Xiuru. Zariadenie poskytne technickú podporu Číňanom pracujúcim na projekte Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor (ITER)ako aj stavebníctvo.

Takže si myslím, že to ešte nie je energetická revolúcia, aj keď ju vytvorili Číňania. reaktor KhL-2M zatiaľ sa vie len málo. Nevieme, aký je predpokladaný tepelný výkon tohto reaktora alebo aké úrovne energie sú potrebné na spustenie jadrovej fúznej reakcie v ňom. Nevieme to najdôležitejšie – je čínsky fúzny reaktor dizajn s pozitívnou energetickou bilanciou, alebo je to len ďalší experimentálny fúzny reaktor, ktorý umožňuje fúznu reakciu, no zároveň vyžaduje viac energie na „zapálenie“ ako energiu, ktorú možno získať v dôsledku reakcií.

Medzinárodné úsilie

Čína spolu s Európskou úniou, Spojenými štátmi, Indiou, Japonskom, Južnou Kóreou a Ruskom sú členmi programu ITER. Ide o najdrahší zo súčasných medzinárodných výskumných projektov financovaných vyššie uvedenými krajinami, ktoré stoja okolo 20 miliárd USD. Bol otvorený ako výsledok spolupráce medzi vládami Michaila Gorbačova a Ronalda Reagana v období studenej vojny a o mnoho rokov neskôr bol zahrnutý do zmluvy podpísanej všetkými týmito krajinami v roku 2006.

2. Na stavenisku tokamaku ITER

Projekt ITER v Cadarache v južnom Francúzsku (2) vyvíja najväčší tokamak na svete, teda plazmovú komoru, ktorú treba skrotiť pomocou silného magnetického poľa generovaného elektromagnetmi. Tento vynález vyvinul Sovietsky zväz v 50. a 60. rokoch. Projektový manažér, Lavan Koblenz, oznámil, že organizácia by mala dostať „prvú plazmu“ do decembra 2025. ITER by mal zakaždým podporovať termonukleárnu reakciu pre približne 1 tisíc ľudí. sekundách, získavanie sily 500-1100 MW. Pre porovnanie, doteraz najväčší britský tokamak, JET (spoločný európsky torus), udrží reakciu niekoľko desiatok sekúnd a naberie na sile až 16 MW. Energia v tomto reaktore sa bude uvoľňovať vo forme tepla – nemá sa premieňať na elektrickú energiu. Dodávka energie jadrovej syntézy do siete neprichádza do úvahy, pretože projekt je určený len na výskumné účely. Iba na základe ITER bude postavená budúca generácia termonukleárnych reaktorov, ktorá dosiahne výkon 3-4 tisíc. MW.

Hlavným dôvodom, prečo normálne fúzne elektrárne stále neexistujú (napriek viac ako šesťdesiatim rokom rozsiahleho a nákladného výskumu), je náročnosť kontroly a „riadenia“ správania plazmy. Roky experimentovania však priniesli mnoho cenných objavov a dnes sa energia jadrovej syntézy zdá byť bližšie ako kedykoľvek predtým.

Pridajte hélium-3, premiešajte a zohrejte

ITER je hlavným zameraním globálneho výskumu jadrovej syntézy, ale mnohé výskumné centrá, spoločnosti a vojenské laboratóriá pracujú aj na iných projektoch jadrovej syntézy, ktoré sa odchyľujú od klasického prístupu.

Napríklad uskutočnené v posledných rokoch na z Massachusettského technologického inštitútu experimentuje s Helem-3 na tokamaku dal vzrušujúce výsledky, vrátane desaťnásobný nárast energie plazmový ión. Vedci vykonávajúci experimenty na tokamaku C-Mod na Massachusetts Institute of Technology spolu so špecialistami z Belgicka a Spojeného kráľovstva vyvinuli nový typ termonukleárneho paliva obsahujúceho tri typy iónov. tím Alcatel C-Mod (3) vykonali štúdiu už v septembri 2016, ale údaje z týchto experimentov boli analyzované len nedávno, čo odhalilo obrovský nárast energie plazmy. Výsledky boli také povzbudivé, že vedci prevádzkujúci najväčšie svetové prevádzkové fúzne laboratórium JET vo Veľkej Británii sa rozhodli experimenty zopakovať. Dosiahlo sa rovnaké zvýšenie energie. Výsledky štúdie sú publikované v časopise Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod v prevádzke

Kľúčom k zlepšeniu účinnosti jadrového paliva bolo pridanie stopových množstiev hélia-3, stabilného izotopu hélia, s jedným neutrónom namiesto dvoch. Jadrové palivo používané v metóde Alcator C predtým obsahovalo iba dva typy iónov, deutérium a vodík. Deutérium, stabilný izotop vodíka s neutrónom v jadre (na rozdiel od vodíka bez neutrónov), tvorí asi 95 % paliva. Vedci z Plasma Research Center a Massachusetts Institute of Technology (PSFC) použili proces tzv. RF vykurovanie. Antény vedľa tokamaku využívajú špecifickú rádiovú frekvenciu na excitáciu častíc a vlny sú kalibrované tak, aby „zacielili“ na ióny vodíka. Pretože vodík tvorí nepatrný zlomok celkovej hustoty paliva, sústredenie len malého zlomku iónov pri zahrievaní umožňuje dosiahnuť extrémne úrovne energie. Ďalej stimulované vodíkové ióny prechádzajú na deutériové ióny prevládajúce v zmesi a takto vytvorené častice vstupujú do vonkajšieho plášťa reaktora, pričom uvoľňujú teplo.

Účinnosť tohto procesu sa zvyšuje, keď sa do zmesi pridajú ióny hélia-3 v množstve menšom ako 1 %. Sústredením všetkého rádiového ohrevu na malé množstvo hélia-3 vedci zvýšili energiu iónov na megaelektrónvolty (MeV).

Kto prv príde, ten prv melie Ekvivalent v ruštine: Jesť neskorého hosťa a kosť

Za posledných pár rokov došlo vo svete práce riadenej fúzie k mnohým vývojom, ktoré oživili nádej vedcov a nás všetkých, že konečne dosiahneme „Svätý grál“ energie.

Medzi dobré signály patria okrem iného objavy z Princetonského laboratória pre fyziku plazmy (PPPL) Ministerstva energetiky USA (DOE). Rádiové vlny sa s veľkým úspechom používajú na výrazné zníženie takzvaných plazmatických porúch, ktoré môžu byť kľúčové v procese „obliekania“ termonukleárnych reakcií. Rovnaký výskumný tím v marci 2019 oznámil experiment s lítiovým tokamakom, v ktorom boli vnútorné steny testovacieho reaktora potiahnuté lítiom, materiálom dobre známym z batérií bežne používaných v elektronike. Vedci poznamenali, že lítiová výstelka na stenách reaktora absorbuje rozptýlené častice plazmy, čím bráni ich odrazu späť do plazmového oblaku a zasahovaniu do termonukleárnych reakcií.

4. Vizualizácia projektu TAE Technologies

Vedci z významných renomovaných vedeckých inštitúcií sa dokonca vo svojich vyjadreniach stali opatrnými optimistami. V poslednom čase tiež zaznamenal obrovský nárast záujmu o techniky riadenej fúzie v súkromnom sektore. V roku 2018 Lockheed Martin oznámil plán vyvinúť prototyp kompaktného fúzneho reaktora (CFR) v priebehu nasledujúceho desaťročia. Ak bude technológia, na ktorej spoločnosť pracuje, fungovať, zariadenie veľkosti nákladného auta bude schopné poskytnúť dostatok elektriny na uspokojenie potrieb zariadenia s rozlohou 100 XNUMX štvorcových stôp. obyvatelia mesta.

Iné spoločnosti a výskumné centrá súťažia o to, kto postaví prvý skutočný fúzny reaktor, vrátane TAE Technologies a Massachusettského technologického inštitútu. Dokonca aj Jeff Bezos z Amazonu a Bill Gates z Microsoftu sa nedávno zapojili do projektov fúzií. NBC News nedávno napočítala sedemnásť malých spoločností, ktoré sa zaoberajú výlučne fúziou v USA. Startupy ako General Fusion alebo Commonwealth Fusion Systems sa zameriavajú na menšie reaktory založené na inovatívnych supravodičoch.

Koncept „studenej fúzie“ a alternatívy k veľkým reaktorom, nielen tokamakom, ale aj tzv. stelarátory, s trochu iným dizajnom, postavený aj v Nemecku. Pokračuje aj hľadanie iného prístupu. Príkladom toho je zariadenie tzv Z-štipka, postavili vedci z Washingtonskej univerzity a opísali v jednom z najnovších čísel časopisu Physics World. Z-štipka funguje tak, že zachytáva a stláča plazmu v silnom magnetickom poli. V experimente bolo možné stabilizovať plazmu na 16 mikrosekúnd a fúzna reakcia prebiehala asi tretinu tohto času. Demonštrácia mala ukázať, že syntéza v malom meradle je možná, hoci mnohí vedci o tom stále vážne pochybujú.

Kalifornská spoločnosť TAE Technologies zasa vďaka podpore Google a ďalších investorov do pokročilých technológií využíva iné, než typické pre fúzne experimenty, bórová palivová zmes, ktoré slúžili na vývoj menších a lacnejších reaktorov, spočiatku za účelom takzvaného fúzneho raketového motora. Prototyp valcového fúzneho reaktora (4) s protilúčmi (CBFR), ktoré ohrievajú plynný vodík za vzniku dvoch plazmových prstencov. Spájajú sa so zväzkami inertných častíc a udržiavajú sa v takom stave, ktorý by mal zvýšiť energiu a odolnosť plazmy.

Ďalší fúzny startup General Fusion z kanadskej provincie Britská Kolumbia sa teší podpore samotného Jeffa Bezosa. Zjednodušene povedané, jeho koncept spočíva v vstreknutí horúcej plazmy do guľôčky tekutého kovu (zmes lítia a olova) vo vnútri oceľovej gule, po čom je plazma stlačená piestami, podobne ako pri dieselovom motore. Vzniknutý tlak by mal viesť k fúzii, ktorá uvoľní obrovské množstvo energie na pohon turbín nového typu elektrární. Mike Delage, technologický riaditeľ spoločnosti General Fusion, hovorí, že komerčná jadrová fúzia by mohla začať o desať rokov.

5. Ilustrácia z termonukleárneho patentu amerického námorníctva.

Nedávno podalo patent na „zariadenie na fúziu plazmy“ aj americké námorníctvo. Patent hovorí o magnetických poliach na vytvorenie „zrýchlenej vibrácie“ (5). Cieľom je postaviť fúzne reaktory dostatočne malé na to, aby boli prenosné. Netreba dodávať, že táto patentová prihláška sa stretla so skepticizmom.