Termonuklearni reaktorji na svetu. Prvi termonuklearni reaktor

Danes mnoge države sodelujejo v termonuklearnih raziskavah. Voditelji so Evropska unija, Združene države, Rusija in Japonska, programi Kitajske, Brazilije, Kanade in Koreje hitro naraščajo. Prvotni termonuklearni reaktorji v Združenih državah in ZSSR so bili povezani z razvojem jedrskega orožja in so ostali uvrščeni do konference "Atomi za mir", ki je potekal v Ženevi leta 1958. Po ustanovitvi sovjetskega tokamaka so raziskave jedrske fuzije v sedemdesetih letih postale "velika znanost". Toda stroški in zapletenost naprav so se povečali do točke, ko je bilo mednarodno sodelovanje edina priložnost za napredovanje.

Termonuklearni reaktorji na svetu

Od sedemdesetih let se je začela komercialna uporaba fuzijske energije nenehno potiskati že 40 let. Vendar se je v zadnjih letih veliko zgodilo, zaradi česar se to obdobje lahko zmanjša.

Zgrajeni so bili številni tokamaki, vključno z evropskim JET, britanskim MAST in eksperimentalnim termonuklearnim reaktorjem TFTR v Princetonu v ZDA. Mednarodni projekt ITER se trenutno gradi v Cadaracheju v Franciji. Ko bo delovala leta 2020, bo postal največji tokamak. Leta 2030 bo Kitajska zgradila CFETR, ki bo presegla ITER. V tem času LRK izvaja raziskave o eksperimentalnem superprevodnem tokamaku EAST.

Termonuklearni reaktorji drugih stelaratorjev so prav tako priljubljeni pri raziskovalcih. Eden največjih, LHD, je začel delo na japonskem nacionalnem inštitutu za termonuklearno fuzijo leta 1998. Uporablja se za iskanje najboljše magnetne konfiguracije plazme. Nemški institut Max Planck je med leti 1988 in 2002 izvedel raziskave o reaktorju Wendelstein 7-AS v Garchingu in zdaj na Wendelstein 7-X, ki je trajal več kot 19 let. Še en TJII stellarator deluje v Madridu, Španija. V ZDA je Princeton Laboratorij za fiziko plazme (PPPL), kjer je bil prvi termonuklearni reaktor te vrste zgrajen leta 1951, leta 2008 ustavil gradnjo NCSX zaradi prekoračitev stroškov in pomanjkanja sredstev.

Poleg tega je bil dosežen znaten napredek pri študijah inercialne termonuklearne fuzije. Marca 2009 je bil zaključen Nacionalni sklad za vžig (NIF) v Nacionalnem laboratoriju Livermore (LLNL), ki ga je financirala Državna uprava za jedrsko varnost. Francoski Laser Mégajoule (LMJ) je začel delovati oktobra 2014. Termonuklearni reaktorji porabijo okoli 2 milijona joulov svetlobne energije, ki jih laserji dobijo več milijardi sekunde, na cilj več milimetrov, da sproži jedrsko fuzijsko reakcijo. Glavna naloga NIF in LMJ je podpora nacionalnih vojaških jedrskih programov.

ITER

Leta 1985 je Sovjetska zveza predlagala izgradnjo naslednje generacije tokamaka skupaj z Evropo, Japonsko in Združenimi državami Amerike. Delo je potekalo pod okriljem IAEA. V obdobju od 1988 do 1990 so bili ustvarjeni prvi projekti mednarodnega termonuklearnega eksperimentalnega reaktorja ITER, kar pomeni tudi "pot" ali "potovanje" v latinščino, da bi dokazali, da lahko sinteza proizvede več energije kot absorbira. Kanada in Kazahstan sta sodelovala tudi pri mediaciji Euratoma in Rusije.

Po šestih letih je odbor ITER odobril prvo kompleksno zasnovo reaktorja, ki temelji na uveljavljeni fiziki in tehnologiji v vrednosti 6 milijard dolarjev. Nato so se ZDA umaknile iz konzorcija, ki je prisilil znižati stroške za polovico in spremenil projekt. Rezultat je bil ITER-FEAT vreden 3 milijarde dolarjev, vendar vam omogoča, da dosežete samozadostno reakcijo in pozitivno ravnovesje moči.

Leta 2003 so se ZDA ponovno pridružile konzorciju, Kitajska pa je napovedala svojo željo po sodelovanju. Zato so se sredi leta 2005 partnerji dogovorili o gradnji ITER v Cadaracheju na jugu Francije. EU in Francija sta prispevali polovico 12,8 milijarde evrov, Japonska, Kitajska, Južna Koreja, ZDA in Rusija - po 10 odstotkov. Japonska je zagotovila visokotehnološke komponente, vsebovala IFMIF namestitev v vrednosti 1 milijarde evrov za preskušanje materialov in je bila upravičena do izgradnje naslednjega reaktorja. Skupni stroški ITER vključujejo polovico stroškov za 10-letno gradnjo in polovico - za 20 let delovanja. Indija je konec leta 2005 postala sedma članica ITER.

Poskusi bi se morali začeti leta 2018 z uporabo vodika, da bi se izognili aktiviranju magnetov. Uporaba plazme DT se ne pričakuje pred letom 2026.

Cilj ITER je ustvariti 500 MW (vsaj za 400 s), pri čemer poraba manj kot 50 MW vhodne moči brez proizvodnje električne energije.

Demogova demonstracijska elektrarna Demogo bo stalno proizvajala obsežno proizvodnjo električne energije . Konceptualna zasnova Demo bo končana do leta 2017, njegova gradnja pa se bo začela leta 2024. Lansiranje bo potekalo leta 2033.

JET

Leta 1978 sta EU (Euratom, Švedska in Švica) v Združenem kraljestvu uvedla skupni evropski projekt JET. JET je danes največji delovni tokamak na svetu. Podoben reaktor JT-60 deluje na japonskem nacionalnem inštitutu za termonuklearno fuzijo, le JET pa lahko uporablja devterij-tritijsko gorivo.

Reaktor se je začel leta 1983 in je bil prvi poskus, ki je v novembru 1991 povzročil nadzorovano termonuklearno sintezo z zmogljivostjo do 16 MW za eno sekundo in 5 MW stabilne moči na plazmi devterijevega tritija. Za preučevanje različnih sistemov ogrevanja in drugih tehnik je bilo izvedenih veliko poskusov.

Nadaljnje izboljšave JET se nanašajo na povečanje njegove moči. Kompaktni MAST reaktor se razvija z JET in je del projekta ITER.

K-STAR

K-STAR je korejski superprevodni tokamak Nacionalnega inštituta za termonuklearne raziskave (NFRI) v Daejeonu, ki je sredi leta 2008 proizvedel svojo prvo plazmo. To je pilotni projekt ITER, ki je rezultat mednarodnega sodelovanja. 1,8 m tokamak s polmerom 1,8 m je prvi reaktor, ki uporablja superprevodne magnete Nb3Sn, enake tiste, ki se načrtujejo za uporabo v ITER. V prvi fazi, ki je bila zaključena do leta 2012, je K-STAR moral dokazati sposobnost preživetja osnovnih tehnologij in doseči plazemske impulze do 20 sekund. V drugi fazi (2013-2017) se nadgrajuje, da preuči dolge impulze do 300 s v načinu H in prestopi v visoko zmogljiv AT-način. Cilj tretje faze (2018-2023) je doseči visoko zmogljivost in učinkovitost v dolgem impulznem načinu. V četrti fazi (2023-2025) bodo testirane tehnologije DEMO. Naprava ne more delati s tritijem in DT ne uporablja goriva.

K-DEMO

K-DEMO naj bi bil v sodelovanju z Ministrstvom za energijo Princeton Laboratorij za fiziko plazme (PPPL) in Južnokorejskim inštitutom NFRI naslednji korak pri razvoju komercialnih reaktorjev po ITER in bo prva elektrarna, ki lahko proizvede električno energijo, in sicer 1 milijon kW v nekaj tednih. Njegov premer je 6,65 m in bo imel modul za razmnoževanje, ustvarjen v okviru projekta DEMO. Ministrstvo za šolstvo, znanost in tehnologijo Koreje namerava vlagati vanj približno bilijona korejskih zmag (941 milijonov dolarjev).

EAST

Kitajski eksperimentalni napredni superprevodni tokamak (EAST) na Inštitutu za kitajsko fiziko v Hefeiju je ustvaril vodikovo plazmo s temperaturo 50 milijonov ° C in jo držal 102 sekunde.

TFTR

V ameriškem PPPL laboratoriju je eksperimentalni termonuklearni reaktor TFTR deloval od leta 1982 do 1997. Decembra 1993 je TFTR postal prvi magnetni tokamak, na katerem so bili izdelani obsežni eksperimenti s plazmo deuterijevega tritija. Naslednje leto je reaktor v tem času proizvedel rekordno 10,7 MW nadzorovane moči, leta 1995 pa je bil dosežen zapis o temperaturi ioniziranega plina pri 510 milijonov ° C Vendar pa namestitev ni dosegla cilja razbremenilne energije termonuklearne fuzije, vendar je uspešno izpolnila cilje oblikovanja strojne opreme, kar pomembno prispeva k razvoju ITER.

LHD

LHD na japonskem nacionalnem inštitutu za termonuklearno fuzijo v Tokiju, prefektura Gifu, je bil največji stelarator na svetu. Lansiranje termonuklearnega reaktorja je potekalo leta 1998 in pokazalo je, da so kakovostne omejitve v plazmi primerljive z drugimi velikimi napravami. Temperatura ionov je bila 13,5 keV (okoli 160 milijonov ° C) in energija je bila 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Po letu testiranja, ki se je začelo konec leta 2015, je temperatura helija za kratek čas dosegla 1 milijon ° C. V letu 2016 je termonuklearni reaktor z vodikovo plazmo, ki uporablja moč 2 MW, dosegel temperaturo 80 milijonov ° C za četrtino sekunde. W7-X je največji stelarator na svetu in načrtuje se njegovo neprekinjeno delovanje v 30 minutah. Stroški reaktorja so znašali 1 milijardo EUR.

NIF

Nacionalni sklad za vžig (NIF) v Nacionalnem laboratoriju Livermore (LLNL) je bil končan marca 2009. Z uporabo svojih 192 laserskih žarkov lahko NIF koncentrira 60-krat več energije kot kateri koli prejšnji laserski sistem.

Hladna jedrska fuzija

Marca 1989 sta dva raziskovalca, ameriška Stanley Pons in Briton Martin Fleischman, povedala, da sta začela s preprostim namiznim hladnim reaktorjem, ki deluje pri sobni temperaturi. Postopek je obsegal elektrolizo težke vode z uporabo paladijevih elektrod, na katerih so bile devterijeve jedre koncentrirane pri visoki gostoti. Raziskovalci trdijo, da je bila proizvedena toplota, ki bi jo bilo mogoče razložiti samo z vidika jedrskih procesov, poleg tega pa so bili stranski produkti sinteze, vključno s helijem, tritijem in nevtroni. Vendar pa drugi preizkuševalci niso poskusili ponoviti tega preizkusa. Večina znanstvene skupnosti ne verjame, da so reaktorji hladne fuzije resnični.

Nizkoenergetske jedrske reakcije

Na podlagi trditev o "hladni fuziji" so se raziskave nadaljevale na področju jedrskih reakcij z nizko energijo , ki imajo nekaj empirične podpore, ne pa splošno sprejeto znanstveno razlago. Očitno so šibke jedrske interakcije (ne močna sila, kot pri fisiji jeder ali njihova sinteza) uporabljene za ustvarjanje in zajemanje nevtronov. Preizkusi vključujejo prodiranje vodika ali devterija skozi katalitsko posteljo in reakcijo s kovino. Raziskovalci poročajo o opaženem sproščanju energije. Glavni praktični primer je interakcija vodika z niklju v prahu s sproščanjem toplote, katere količina je večja od katere koli kemične reakcije.