Ja ühinemine?

Möödunud aasta lõpu teated Hiina spetsialistide sünteesireaktori ehitamisest kõlasid sensatsiooniliselt (1). Hiina riigimeedia teatas, et HL-2M rajatis, mis asub Chengdus asuvas uurimiskeskuses, hakkab tööle 2020. aastal. Meediateadete toon näitas, et termotuumasünteesi ammendamatule energiale juurdepääsu küsimus lahendati igaveseks.

Detailide lähem vaatamine aitab optimismi jahutada.

Nowy tokamak tüüpi aparaat, mille konstruktsioon on seni teadaolevatest arenenum, peaks tootma plasmat temperatuuriga üle 200 miljoni Celsiuse kraadi. Sellest teatas Hiina riikliku tuumakorporatsiooni Edela-Füüsika Instituudi juht Duan Xiru pressiteates. Seade pakub tehnilist tuge projekti kallal töötavatele hiinlastele Rahvusvaheline eksperimentaalne termotuumareaktor (ITER)samuti ehitus.

Nii et ma arvan, et see pole veel energiarevolutsioon, kuigi selle lõid hiinlased. reaktor KhL-2M seni on vähe teada. Me ei tea, milline on selle reaktori prognoositav soojusvõimsus või kui palju energiat on selles tuumasünteesireaktsiooni käivitamiseks vaja. Me ei tea kõige olulisemat - kas Hiina termotuumasünteesi reaktor on positiivse energiabilansiga konstruktsioon või on see lihtsalt järjekordne eksperimentaalne termotuumasünteesi reaktor, mis võimaldab termotuumasünteesi reaktsiooni, kuid nõuab samal ajal "süütamiseks" rohkem energiat kui energia, mida on võimalik saada reaktsioonide tulemusena.

Rahvusvaheline pingutus

Hiina koos Euroopa Liidu, USA, India, Jaapani, Lõuna-Korea ja Venemaaga on ITERi programmi liikmed. See on eelpool nimetatud riikide rahastatud praegustest rahvusvahelistest uurimisprojektidest kalleim, mis maksab umbes 20 miljardit USA dollarit. See avati Mihhail Gorbatšovi ja Ronald Reagani valitsuste koostöö tulemusena külma sõja ajal ning aastaid hiljem lisati see kõigi nende riikide poolt 2006. aastal sõlmitud lepingusse.

2. ITERi tokamaki ehitusplatsil

Lõuna-Prantsusmaal Cadarache’is (2) toimuva ITERi projekti raames arendatakse maailma suurimat tokamaki ehk plasmakambrit, mida tuleb taltsutada elektromagnetide tekitatud võimsa magnetvälja abil. Selle leiutise töötas välja Nõukogude Liit 50ndatel ja 60ndatel. Projektijuht, Lavan Koblenz, teatas, et organisatsioon peaks saama "esimese plasma" detsembriks 2025. ITER peaks iga kord toetama umbes 1 tuhande inimese termotuumareaktsiooni. sekundit, kogub jõudu 500-1100 MW. Võrdluseks, seni suurim Briti tokamak, JET (Euroopa ühine torus), säilitab reaktsiooni mitukümmend sekundit ja saab jõudu kuni 16 MW. Selles reaktoris olev energia vabaneb soojuse kujul – seda ei tohiks muundada elektriks. Tuumasünteesienergia võrku tarnimine ei tule kõne alla, kuna projekt on mõeldud ainult teadusuuringuteks. Ainult ITERi baasil ehitatakse tulevase põlvkonna termotuumareaktorid, mis jõuavad võimsuseni. 3-4 tuhat. MW.

Peamine põhjus, miks tavalisi termotuumasünteesi elektrijaamu ikka veel ei eksisteeri (vaatamata üle kuuekümne aasta pikkusele ulatuslikule ja kulukale uurimistööle), on raskused plasma käitumise kontrollimisel ja "juhtimisel". Aastatepikkune katsetamine on aga andnud palju väärtuslikke avastusi ja täna tundub termotuumasünteesienergia lähemal kui kunagi varem.

Lisa heelium-3, sega ja kuumuta

ITER on globaalsete termotuumasünteesiuuringute põhifookuses, kuid paljud uurimiskeskused, ettevõtted ja sõjaväelaborid tegelevad ka muude termotuumasünteesiprojektidega, mis kalduvad kõrvale klassikalisest lähenemisest.

Näiteks viimastel aastatel läbi viidud Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist katsetab Helm-3 tokamakil andis põnevaid tulemusi, sh kümnekordne energia suurenemine plasma ioon. Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis C-Mod tokamakiga katseid läbi viivad teadlased koos Belgia ja Ühendkuningriigi spetsialistidega on välja töötanud uut tüüpi termotuumakütuse, mis sisaldab kolme tüüpi ioone. Meeskond Alcator C-Mod (3) viis 2016. aasta septembris läbi uuringu, kuid nende katsete andmeid analüüsiti alles hiljuti, mis paljastas plasma energia tohutu suurenemise. Tulemused olid nii julgustavad, et teadlased, kes juhivad maailma suurimat töötavat termotuumasünteesi laboratooriumi JET Ühendkuningriigis, otsustasid katseid korrata. Saavutati samasugune energiakasv. Uuringu tulemused avaldatakse ajakirjas Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod töötab

Tuumakütuse efektiivsuse tõstmise võti oli heeliumi stabiilse isotoobi heelium-3 jälgede lisamine kahe neutroni asemel ühega. Alcator C meetodil kasutatud tuumkütus sisaldas varem ainult kahte tüüpi ioone, deuteeriumi ja vesinikku. Deuteerium, stabiilne vesiniku isotoop, mille tuumas on neutron (erinevalt neutronita vesinikust), moodustab umbes 95% kütusest. Plasmauuringute keskuse ja Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (PSFC) teadlased kasutasid protsessi nn. RF-küte. Tokamaki kõrval asuvad antennid kasutavad osakeste ergastamiseks kindlat raadiosagedust ja lained on kalibreeritud vesinikioonide "sihikule". Kuna vesinik moodustab väikese osa kütuse kogutihedusest, võimaldab ainult väikese osa ioonide kontsentreerimine kuumutamisel saavutada äärmuslikke energiatasemeid. Edasi lähevad stimuleeritud vesinikuioonid üle segus valitsevatele deuteeriumiioonidele ning sel viisil moodustunud osakesed sisenevad reaktori väliskesta, eraldades soojust.

Selle protsessi efektiivsus suureneb, kui segule lisatakse heelium-3 ioone koguses alla 1%. Koondades kogu raadiokütte väikesele kogusele heelium-3, tõstsid teadlased ioonide energia megaelektronvoltini (MeV).

Kes ees, see mees Samaväärne vene keeles: Hilise külalise ja luu söömine

Kontrollitud termotuumasünteesi töö maailmas on viimastel aastatel toimunud palju arenguid, mis on taaselustanud teadlaste ja meie kõigi lootused jõuda lõpuks energia "Püha Graalini".

Heade signaalide hulka kuuluvad muu hulgas USA energeetikaministeeriumi (DOE) Princetoni plasmafüüsika labori (PPPL) avastused. Raadiolaineid on kasutatud suure eduga, et oluliselt vähendada niinimetatud plasmahäireid, mis võivad olla üliolulised termotuumareaktsioonide "riietumise" protsessis. Sama uurimisrühm teatas 2019. aasta märtsis liitiumtokamaki katsest, kus katsereaktori siseseinad kaeti liitiumiga, mis on elektroonikas tavaliselt kasutatavatest akudest hästi tuntud. Teadlased märkisid, et reaktori seintel olev liitiumvooder neelab hajutatud plasmaosakesed, takistades nende peegeldumist tagasi plasmapilve ja segades termotuumareaktsioone.

4. Visualiseerimisprojekt TAE Technologies

Suuremate mainekate teadusasutuste teadlased on muutunud oma väljaütlemistes isegi ettevaatlikeks optimistideks. Viimasel ajal on erasektoris ka huvi kontrollitud termotuumasünteesi tehnikate vastu tohutult kasvanud. 2018. aastal teatas Lockheed Martin plaanist töötada järgmise kümnendi jooksul välja kompaktse tuumasünteesi reaktori (CFR) prototüüp. Kui tehnoloogia, mille kallal ettevõttes töötab, töötab, suudab veokisuurune seade anda piisavalt elektrit, et katta 100 XNUMX-ruutmeetrise seadme vajadus. linna elanikud.

Teised ettevõtted ja uurimiskeskused võistlevad selle nimel, kes suudab ehitada esimese tõelise termotuumasünteesi reaktori, sealhulgas TAE Technologies ja Massachusettsi tehnoloogiainstituut. Isegi Amazoni Jeff Bezos ja Microsofti Bill Gates on hiljuti ühinemisprojektidesse sattunud. NBC News loendas hiljuti seitseteist väikest tuumasünteesiettevõtet USA-s. Idufirmad nagu General Fusion või Commonwealth Fusion Systems keskenduvad väiksematele uuenduslikel ülijuhtidel põhinevatele reaktoritele.

"Külmtuumasünteesi" kontseptsioon ja alternatiivid suurtele reaktoritele, mitte ainult tokamakid, vaid ka nn. stellaraatorid, veidi teistsuguse disainiga, ehitatud ka Saksamaal. Jätkuvad ka teistsuguse lähenemise otsingud. Selle näiteks on seade nimega Z-näputäis, ehitasid Washingtoni ülikooli teadlased ja kirjeldasid ajakirja Physics World ühes viimastest numbritest. Z-näputäis töötab plasma kinni püüdes ja kokkusurudes võimsas magnetväljas. Katses suudeti plasmat stabiliseerida 16 mikrosekundit ning fusioonireaktsioon kestis umbes kolmandiku sellest ajast. Demonstratsioon pidi näitama, et väikesemahuline süntees on võimalik, kuigi paljud teadlased kahtlevad selles ikka veel tõsiselt.

Tänu Google'i ja teiste arenenud tehnoloogiainvestorite toele kasutab California ettevõte TAE Technologies termotuumasünteesikatsetes tavapärasest erinevat boorkütuse segu, mida kasutati väiksemate ja odavamate reaktorite arendamiseks, esialgu nn termotuumasünteesi rakettmootori tarbeks. Silindrilise termotuumasünteesi reaktori prototüüp (4) koos vastukiirtega (CBFR), mis soojendab gaasilist vesinikku, moodustades kaks plasmarõngast. Need ühinevad inertsete osakeste kimpudega ja neid hoitakse sellises olekus, mis peaks suurendama plasma energiat ja vastupidavust.

Teine termotuumasünteesi startup General Fusion Kanada Briti Columbia provintsist naudib Jeff Bezose enda tuge. Lihtsamalt öeldes on tema kontseptsiooniks kuuma plasma süstimine teraskuuli sees olevasse vedela metalli (liitiumi ja plii segu) kuuli, mille järel plasma surutakse kolbidega sarnaselt diiselmootorile kokku. Tekkiv rõhk peaks viima termotuumasünteesini, mis vabastab tohutul hulgal energiat uut tüüpi elektrijaamade turbiinide toiteks. General Fusioni tehnoloogiadirektor Mike Delage ütleb, et kaubanduslik tuumasünteesi võib debüteerida kümne aasta pärast.

5. Illustratsioon USA mereväe termotuumapatendist.

Hiljuti esitas USA merevägi patendi ka "plasma fusiooniseadmele". Patendis räägitakse magnetväljadest, mis tekitavad "kiirendatud vibratsiooni" (5). Idee on ehitada termotuumasünteesi reaktorid, mis on piisavalt väikesed, et neid oleks kaasaskantavad. Ütlematagi selge, et sellele patenditaotlusele suhtuti skeptiliselt.