Și fuziunea?

Rapoartele de la sfârșitul anului trecut despre construcția unui reactor de sinteză de către specialiștii chinezi au sunat senzațional (1). Presa de stat din China a raportat că instalația HL-2M, situată la un centru de cercetare din Chengdu, va fi operațională în 2020. Tonul relatărilor din mass-media a indicat că problema accesului la energia inepuizabilă a fuziunii termonucleare a fost rezolvată pentru totdeauna.

O privire mai atentă asupra detaliilor ajută la răcirea optimismului.

New aparat de tip tokamak, cu un design mai avansat decât cele cunoscute până acum, ar trebui să genereze plasmă cu temperaturi peste 200 de milioane de grade Celsius. Acest lucru a fost anunțat într-un comunicat de presă de către șeful Institutului de Fizică de Sud-Vest al Corporației Naționale Nucleare din China, Duan Xiuru. Dispozitivul va oferi suport tehnic chinezilor care lucrează la proiect Reactorul experimental termonuclear internațional (ITER)precum si constructii.

Deci cred că nu este încă o revoluție energetică, deși a fost creată de chinezi. reactorul KhL-2M pana acum se stie putine. Nu știm care este puterea termică prevăzută a acestui reactor sau ce niveluri de energie sunt necesare pentru a rula o reacție de fuziune nucleară în el. Nu știm cel mai important lucru - este reactorul de fuziune chinezesc un design cu un bilanț energetic pozitiv sau este doar un alt reactor experimental de fuziune care permite o reacție de fuziune, dar în același timp necesită mai multă energie pentru „aprindere” decât energie care poate fi obţinută în urma reacţiilor.

Efort internațional

China, împreună cu Uniunea Europeană, Statele Unite, India, Japonia, Coreea de Sud și Rusia, sunt membri ai programului ITER. Acesta este cel mai scump dintre proiectele de cercetare internaționale actuale finanțate de țările menționate mai sus, costând aproximativ 20 de miliarde de dolari. A fost deschis ca urmare a cooperării dintre guvernele lui Mihail Gorbaciov și Ronald Reagan în perioada Războiului Rece, iar mulți ani mai târziu a fost inclus într-un tratat semnat de toate aceste țări în 2006.

2. La șantierul tokamakului ITER

Proiectul ITER din Cadarache, în sudul Franței (2) dezvoltă cel mai mare tokamak din lume, adică o cameră cu plasmă care trebuie îmblânzită folosind un câmp magnetic puternic generat de electromagneți. Această invenție a fost dezvoltată de Uniunea Sovietică în anii 50 și 60. Manager de proiect, Lavan Koblenz, a anunțat că organizația ar trebui să primească „prima plasmă” până în decembrie 2025. ITER ar trebui să susțină o reacție termonucleară pentru aproximativ 1 mie de oameni de fiecare dată. secunde, căpătând putere 500-1100 MW. Pentru comparație, cel mai mare tokamak britanic de până acum, AVION (torul european comun), păstrează o reacție timp de câteva zeci de secunde și capătă putere până la 16 MW. Energia din acest reactor va fi eliberată sub formă de căldură - nu ar trebui să fie convertită în electricitate. Furnizarea de energie de fuziune către rețea nu este discutabilă, deoarece proiectul este doar în scopuri de cercetare. Doar pe baza ITER va fi construită viitoarea generație de reactoare termonucleare, ajungând la putere. 3-4 mii. MW.

Principalul motiv pentru care centralele electrice de fuziune normale încă nu există (în ciuda celor peste şaizeci de ani de cercetări ample şi costisitoare) este dificultatea de a controla şi „gestionare” comportamentul plasmei. Cu toate acestea, anii de experimentare au adus multe descoperiri valoroase, iar astăzi energia de fuziune pare mai aproape ca niciodată.

Adăugați heliu-3, amestecați și încălziți

ITER este principalul obiectiv al cercetării globale în materie de fuziune, dar multe centre de cercetare, companii și laboratoare militare lucrează și la alte proiecte de fuziune care se abat de la abordarea clasică.

De exemplu, efectuate în ultimii ani pe de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts experimente cu Helem-3 pe tokamak a dat rezultate interesante, inclusiv creșterea de zece ori a energiei ion de plasmă. Oamenii de știință care efectuează experimente pe tokamak-ul C-Mod de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, împreună cu specialiști din Belgia și Marea Britanie, au dezvoltat un nou tip de combustibil termonuclear care conține trei tipuri de ioni. Echipă Alcator C-Mod (3) a efectuat un studiu încă din septembrie 2016, dar datele din aceste experimente au fost analizate abia recent, dezvăluind o creștere uriașă a energiei plasmatice. Rezultatele au fost atât de încurajatoare încât oamenii de știință care conduc cel mai mare laborator de fuziune din lume, JET din Marea Britanie, au decis să repete experimentele. S-a realizat aceeași creștere a energiei. Rezultatele studiului sunt publicate în revista Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod în funcțiune

Cheia pentru creșterea eficienței combustibilului nuclear a fost adăugarea de urme de heliu-3, un izotop stabil al heliului, cu un neutron în loc de doi. Combustibilul nuclear folosit în metoda Alcator C conținea anterior doar două tipuri de ioni, deuteriu și hidrogen. Deuteriul, un izotop stabil al hidrogenului cu un neutron în nucleu (spre deosebire de hidrogenul fără neutroni), reprezintă aproximativ 95% din combustibil. Oamenii de știință de la Centrul de Cercetare în Plasmă și de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (PSFC) au folosit un proces numit Încălzire RF. Antenele de lângă tokamak folosesc o frecvență radio specifică pentru a excita particulele, iar undele sunt calibrate pentru a „ținti” ionii de hidrogen. Deoarece hidrogenul reprezintă o mică parte din densitatea totală a combustibilului, concentrarea doar a unei mici fracțiuni a ionilor la încălzire permite atingerea unor niveluri extreme de energie. Mai mult, ionii de hidrogen stimulați trec la ionii de deuteriu predominanți în amestec, iar particulele formate în acest fel intră în învelișul exterior al reactorului, eliberând căldură.

Eficiența acestui proces crește atunci când ioni de heliu-3 sunt adăugați la amestec într-o cantitate mai mică de 1%. Concentrând toată încălzirea radio pe o cantitate mică de heliu-3, oamenii de știință au crescut energia ionilor la megaelectronvolți (MeV).

Primul venit - primul servit Echivalent în rusă: Mănâncă oaspete târziu și os

Au existat multe evoluții în lumea muncii de fuziune controlată în ultimii câțiva ani, care au reaprins speranțele oamenilor de știință și ale tuturor dintre noi de a ajunge în sfârșit la „Sfântul Graal” al energiei.

Semnale bune includ, printre altele, descoperiri de la Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) al Departamentului de Energie al SUA (DOE). Undele radio au fost folosite cu mare succes pentru a reduce semnificativ așa-numitele perturbații ale plasmei, care pot fi cruciale în procesul de „îmbrăcare” a reacțiilor termonucleare. Aceeași echipă de cercetare în martie 2019 a raportat un experiment cu tokamak cu litiu în care pereții interiori ai reactorului de testare au fost acoperiți cu litiu, un material bine cunoscut din bateriile utilizate în mod obișnuit în electronică. Oamenii de știință au remarcat că căptușeala cu litiu de pe pereții reactorului absoarbe particulele de plasmă împrăștiate, împiedicându-le să fie reflectate înapoi în norul de plasmă și interferând cu reacțiile termonucleare.

4. Vizualizarea proiectului TAE Technologies

Savanții de la instituții științifice de renume au devenit chiar optimiști precauți în declarațiile lor. Recent, a existat și o creștere uriașă a interesului pentru tehnicile de fuziune controlată în sectorul privat. În 2018, Lockheed Martin a anunțat un plan de dezvoltare a unui prototip de reactor de fuziune compact (CFR) în următorul deceniu. Dacă tehnologia la care lucrează compania funcționează, un dispozitiv de dimensiunea unui camion va fi capabil să furnizeze suficientă energie electrică pentru a satisface nevoile unui dispozitiv de 100 de metri pătrați. locuitorii orașului.

Alte companii și centre de cercetare se întrec pentru a vedea cine poate construi primul reactor de fuziune real, inclusiv TAE Technologies și Massachusetts Institute of Technology. Chiar și Jeff Bezos de la Amazon și Bill Gates de la Microsoft s-au implicat recent în proiecte de fuziune. NBC News a numărat recent șaptesprezece companii mici de fuziune din SUA. Startup-uri precum General Fusion sau Commonwealth Fusion Systems se concentrează pe reactoare mai mici bazate pe supraconductori inovatori.

Conceptul de „fuziune la rece” și alternative la reactoare mari, nu numai tokamak-uri, ci și așa-numitele. stellaratori, cu un design usor diferit, construit inclusiv in Germania. Continuă și căutarea unei abordări diferite. Un exemplu în acest sens este un dispozitiv numit Z-pinch, construit de oamenii de știință de la Universitatea din Washington și descris într-unul dintre cele mai recente numere ale revistei Physics World. Z-pinch funcționează prin captarea și comprimarea plasmei într-un câmp magnetic puternic. În experiment, a fost posibilă stabilizarea plasmei timp de 16 microsecunde, iar reacția de fuziune a continuat aproximativ o treime din acest timp. Demonstrația trebuia să arate că sinteza la scară mică este posibilă, deși mulți oameni de știință au încă îndoieli serioase cu privire la acest lucru.

La rândul său, datorită sprijinului Google și al altor investitori în tehnologie avansată, compania californiană TAE Technologies folosește o metodă diferită de cea tipică pentru experimentele de fuziune, amestec de combustibil cu bor, care au fost folosite pentru a dezvolta reactoare mai mici și mai ieftine, inițial în scopul așa-numitului motor de rachetă de fuziune. Un prototip de reactor de fuziune cilindric (4) cu fascicule contrare (CBFR), care încălzește hidrogenul gazos pentru a forma două inele de plasmă. Ele se combină cu mănunchiuri de particule inerte și sunt menținute într-o astfel de stare, ceea ce ar trebui să crească energia și durabilitatea plasmei.

Un alt startup de fuziune General Fusion din provincia canadiană British Columbia se bucură de sprijinul lui Jeff Bezos însuși. Mai simplu spus, conceptul lui este de a injecta plasmă fierbinte într-o bilă de metal lichid (un amestec de litiu și plumb) în interiorul unei bile de oțel, după care plasma este comprimată de pistoane, similar unui motor diesel. Presiunea creată ar trebui să conducă la fuziune, care va elibera o cantitate uriașă de energie pentru a alimenta turbinele unui nou tip de centrale electrice. Mike Delage, director de tehnologie la General Fusion, spune că fuziunea nucleară comercială ar putea debuta în zece ani.

5. Ilustrație dintr-un brevet termonuclear al Marinei SUA.

Recent, Marina SUA a depus și un brevet pentru un „dispozitiv de fuziune cu plasmă”. Brevetul vorbește despre câmpuri magnetice pentru a crea „vibrații accelerate” (5). Ideea este de a construi reactoare de fuziune suficient de mici pentru a fi portabile. Inutil să spun că această cerere de brevet a fost întâmpinată cu scepticism.