Kas termotuumaenergial on tulevikku?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Rohkem kui pool sajandit on teadlased püüdnud Maale ehitada masinat, milles nagu tähtede soolestikus toimub termotuumareaktsioon. Kontrollitud termotuumasünteesi tehnoloogia tõotab inimkonnale peaaegu ammendamatut puhta energia allikat. Nõukogude teadlased olid selle tehnoloogia loojad ja nüüd aitab Venemaa ehitada maailma suurimat termotuumasünteesi reaktorit.

Aatomi tuuma osi hoiab koos kolossaalne jõud. Selle vabastamiseks on kaks võimalust. Esimene meetod on kasutada suurte raskete tuumade lõhustumisenergiat perioodilisustabeli kaugeimast otsast: uraan, plutoonium. Kõigis Maa tuumaelektrijaamades on energiaallikaks just raskete tuumade lagunemine.

Kuid on ka teine viis aatomi energia vabastamiseks: mitte jagada, vaid vastupidi, ühendada tuumad. Ühinemisel eraldavad mõned neist isegi rohkem energiat kui lõhustuva uraani tuumad. Mida kergem on tuum, seda rohkem energiat eraldub termotuumasünteesi (nagu öeldakse, termotuumasünteesi) käigus, nii et kõige tõhusam viis tuumasünteesi energia saamiseks on sundida kergeima elemendi - vesiniku - tuumad ja selle isotoobid ühinema..

Käsitäht: kindlad plussid

Tuumasünteesi avastati 1930. aastatel tähtede sisemuses toimuvaid protsesse uurides. Selgus, et tuumasünteesi reaktsioonid toimuvad iga päikese sees ning valgus ja soojus on selle saadused. Niipea kui see selgeks sai, mõtlesid teadlased, kuidas korrata Päikese soolestikus toimuvat Maal. Võrreldes kõigi teadaolevate energiaallikatega on "käsipäikesel" mitmeid vaieldamatuid eeliseid.

Esiteks on selle kütusena tavaline vesinik, mille varud Maal jätkuvad tuhandeteks aastateks. Isegi kui arvestada tõsiasja, et reaktsiooniks pole vaja kõige tavalisemat isotoopi, deuteeriumi, piisab klaasist veest, et varustada väikelinna nädalaks elektriga. Teiseks, erinevalt süsivesinike põlemisest, ei teki tuumasünteesi reaktsioonil toksilisi produkte – ainult neutraalne gaas heelium.

Termotuumaenergia plussid

Peaaegu piiramatud kütusevarud. Termotuumasünteesi reaktoris töötavad kütusena vesiniku isotoobid – deuteerium ja triitium; võite kasutada ka isotoopi heelium-3. Merevees on palju deuteeriumi – seda on võimalik saada tavapärase elektrolüüsi teel ning selle varudest Maailma ookeanis jätkub inimkonna praeguse energiavajaduse juures umbes 300 miljoniks aastaks.

Looduses on triitiumi palju vähem, seda toodetakse kunstlikult tuumareaktorites – aga termotuumareaktsiooniks on vaja väga vähe. Heelium-3 Maal peaaegu pole, kuid Kuu pinnases on seda palju. Kui meil kunagi on termotuumaenergia, on tõenäoliselt võimalik selle jaoks kütuse järele Kuule lennata.

Ei mingeid plahvatusi. Termotuumareaktsiooni loomiseks ja säilitamiseks kulub palju energiat. Niipea kui energiavarustus lakkab, reaktsioon peatub ja sadade miljonite kraadideni kuumutatud plasma lakkab olemast. Seetõttu on termotuumasünteesi reaktorit keerulisem sisse lülitada kui välja lülitada.

Madal radioaktiivsus. Termotuumareaktsioon tekitab neutronite voo, mis kiirguvad magnetlõksust ja sadestuvad vaakumkambri seintele, muutes selle radioaktiivseks. Luues plasma perimeetri ümber spetsiaalse “teki” (teki), aeglustavad neutronid, on võimalik reaktorit ümbritsevat ruumi täielikult kaitsta. Tekk ise muutub aja jooksul paratamatult radioaktiivseks, kuid mitte kauaks. Lases sel puhata 20-30 aastat, saab taas loomuliku taustkiirgusega materjali.

Kütuselekkeid pole. Kütuse lekkimise oht on alati olemas, kuid termotuumasünteesi reaktor nõuab nii vähe kütust, et isegi täielik leke ei ohusta keskkonda. Näiteks ITERi käivitamiseks oleks vaja ainult umbes 3 kg triitiumi ja veidi rohkem deuteeriumi. Isegi halvima stsenaariumi korral hajub see kogus radioaktiivseid isotoope kiiresti vees ja õhus ega põhjusta kellelegi kahju.

Ei mingeid relvi. Termotuumareaktor ei tooda aineid, mida saaks kasutada aatomirelvade valmistamiseks. Seetõttu pole ohtu, et termotuumaenergia levik tooks kaasa tuumavõistluse.

Kuidas "kunstpäikest" üldjoontes valgustada, sai selgeks juba eelmise sajandi viiekümnendatel. Mõlemal pool ookeani viidi läbi arvutused, mis määrasid juhitava tuumasünteesi reaktsiooni peamised parameetrid. See peaks toimuma tohutul, sadade miljonite kraadide temperatuuril: sellistes tingimustes rebenevad elektronid tuumadest lahti. Seetõttu nimetatakse seda reaktsiooni ka termotuumasünteesiks. Paljad tuumad, põrkuvad üksteisega meeletu kiirusega, ületavad Coulombi tõrjumist ja ühinevad.

Probleemid ja lahendused

Esimeste aastakümnete entusiasm põrkas kokku ülesande uskumatu keerukusega. Termotuumasünteesi käivitamine osutus suhteliselt lihtsaks – kui seda teha plahvatuse vormis. Vaikse ookeani atollid ja Nõukogude katsepaigad Semipalatinskis ja Novaja Zemljas kogesid termotuumareaktsiooni täit jõudu juba esimesel sõjajärgsel kümnendil.

Kuid selle jõu kasutamine, välja arvatud hävitamine, on palju keerulisem kui termotuumalaengu plahvatamine. Termotuumaenergia kasutamiseks elektri tootmiseks tuleb reaktsioon läbi viia kontrollitult, et energia vabaneks väikeste portsjonitena.

Kuidas seda teha? Keskkonda, kus toimub termotuumareaktsioon, nimetatakse plasmaks. See sarnaneb gaasiga, erinevalt tavalisest gaasist koosneb see laetud osakestest. Ja laetud osakeste käitumist saab kontrollida elektri- ja magnetväljade abil.

Seetõttu on termotuumareaktor oma kõige üldisemal kujul juhtmetesse ja magnetitesse lõksu jäänud plasmaklomp. Need ei lase plasmal välja pääseda ja seda tehes ühinevad plasma sees aatomituumad, mille tulemusena vabaneb energia. See energia tuleb reaktorist eemaldada, kasutada jahutusvedeliku soojendamiseks – ja tuleb hankida elekter.

Lõksud ja lekked

Plasma osutus kõige kapriissemaks aineks, millega inimesed Maal pidid silmitsi seisma. Iga kord, kui teadlased leidsid mooduse üht tüüpi plasmalekke blokeerimiseks, avastati uus. Kogu 20. sajandi teine pool kulus sellele, et õppida plasmat reaktoris iga olulise aja jooksul hoidma. See probleem hakkas järele andma alles meie päevil, kui ilmusid võimsad arvutid, mis võimaldasid luua plasma käitumise matemaatilisi mudeleid.

Siiani pole üksmeelt selles, milline meetod on plasma sulgemiseks parim. Tuntuim mudel, tokamak, on sõõrikukujuline vaakumkamber (nagu matemaatikud ütlevad, torus), mille sees ja väljas on plasmapüüdjad. Sellel konfiguratsioonil on maailma suurim ja kalleim termotuumarajatis – praegu ehitatav ITERi reaktor Lõuna-Prantsusmaal.

Lisaks tokamakile on palju võimalikke termotuumareaktorite konfiguratsioone: sfäärilised, nagu Peterburis Globus-M, veidra kõverusega stellaraatorid (nagu Wendelstein 7-X Max Plancki tuumafüüsika instituudis Saksamaal), laser inertsiaallõksud, näiteks Ameerika NIF. Nad saavad palju vähem meedia tähelepanu kui ITER, kuid neil on ka kõrged ootused.

On teadlasi, kes peavad stellaraatori disaini põhimõtteliselt edukamaks kui tokamaki: selle ehitamine on odavam ja plasmakinnitusaeg tõotab anda palju rohkem. Energia juurdekasvu annab plasmalõksu enda geomeetria, mis võimaldab vabaneda "sõõrikule" omastest parasiitmõjudest ja leketest. Laserpumbaga versioonil on ka oma eelised.

Neis olev vesinikkütus kuumutatakse laserimpulssidega vajaliku temperatuurini ja termotuumasünteesi reaktsioon algab peaaegu silmapilkselt. Sellistes paigaldistes hoitakse plasmat inertsist ja sellel pole aega hajuda - kõik juhtub nii kiiresti.

Kogu maailm

Kõik tänapäeval maailmas eksisteerivad termotuumareaktorid on eksperimentaalsed masinad. Ühtegi neist ei kasutata elektri tootmiseks. Mitte kellelgi pole veel õnnestunud täita termotuumareaktsiooni põhikriteeriumi (Lawsoni kriteerium): saada rohkem energiat, kui reaktsiooni tekitamiseks kulus. Seetõttu on maailma üldsus keskendunud hiiglaslikule ITER-projektile. Kui Lawsoni kriteerium on ITERis täidetud, on võimalik tehnoloogiat täiustada ja proovida seda kommertsrööbastele üle kanda.

Ükski riik maailmas ei suudaks üksinda ITERit ehitada. See vajab ainuüksi 100 tuhat km ülijuhtivaid juhtmeid ja ka kümneid ülijuhtivaid magneteid ja hiiglaslikku kesksolenoidi plasma hoidmiseks, süsteemi kõrgvaakumi tekitamiseks rõngas, heeliumi jahuteid magnetitele, kontrollereid, elektroonikat … Seetõttu projekt ehitab 35 riiki ja korraga tuhandeid teadusinstituute ja tehaseid.

Venemaa on üks peamisi projektis osalevaid riike; Venemaal projekteeritakse ja ehitatakse 25 tulevase reaktori tehnoloogilist süsteemi. Need on ülijuhid, plasmaparameetrite mõõtmise süsteemid, automaatkontrollerid ja divertori komponendid, tokamaki siseseina kuumim osa.

Pärast ITERi käivitamist saavad Venemaa teadlased juurdepääsu kõigile selle katseandmetele. ITER-i kaja pole aga tunda mitte ainult teaduses: nüüd on mõnes piirkonnas tekkinud tootmisrajatised, mida Venemaal varem polnud. Näiteks enne projekti algust meie riigis ülijuhtivate materjalide tööstuslikku tootmist ei olnud ja üle maailma toodeti neid vaid 15 tonni aastas. Nüüd on ainult riikliku korporatsiooni "Rosatom" Tšepetski mehaanilises tehases võimalik toota 60 tonni aastas.

Energia tulevik ja kaugemalgi

Esimene plasma ITERisse plaanitakse vastu võtta 2025. aastal. Kogu maailm ootab seda sündmust. Kuid üks, isegi kõige võimsam masin pole veel kõik. Kogu maailmas ja Venemaal jätkavad nad uute termotuumareaktorite ehitamist, mis aitavad lõpuks mõista plasma käitumist ja leida parima viisi selle kasutamiseks.

Juba 2020. aasta lõpus kavatseb Kurtšatovi Instituut käivitada uue tokamak T-15MD, millest saab osa tuuma- ja termotuumaelementidega hübriidseadmest. Hübriidpaigaldises termotuumareaktsiooni tsoonis tekkivaid neutroneid kasutatakse raskete tuumade – uraani ja tooriumi – lõhustumise algatamiseks. Tulevikus saab sellistest hübriidmasinatest toota kütust tavaliste tuumareaktorite jaoks – nii termilisi kui ka kiireid neutroneid.

Tooriumi päästmine

Eriti ahvatlev on väljavaade kasutada termotuuma "tuuma" neutronite allikana, et algatada tooriumi tuumades lagunemine. Tooriumi on planeedil rohkem kui uraani ja selle kasutamine tuumakütusena lahendab korraga mitu kaasaegse tuumaenergia probleemi.

Seega ei saa tooriumi lagunemissaadusi kasutada sõjaliste radioaktiivsete materjalide tootmiseks. Sellise kasutamise võimalus on poliitiline tegur, mis takistab väikeriikidel oma tuumaenergiat arendamast. Tooriumikütus lahendab selle probleemi lõplikult.

Plasmalõksud võivad olla kasulikud mitte ainult energeetikas, vaid ka teistes rahumeelsetes tööstusharudes – isegi kosmoses. Nüüd töötavad Rosatom ja Kurtšatovi instituut kosmoselaevade jaoks mõeldud elektroodideta plasmarakettmootori komponentide ja materjalide plasmamodifitseerimise süsteemide kallal. Venemaa osalemine ITERi projektis ergutab tööstust, mis toob kaasa uute tööstusharude loomise, mis on juba aluseks Venemaa uutele arengutele.