Utseendet til en termonukleær reaktor har blitt forventet i mer enn et halvt århundre. Forventningene er så overopphetet at en veldig populær konspirasjonsteori har oppstått, som om den faktisk ble oppfunnet for lenge siden, men oljemagnatene skjuler oppfinnelsen for massene for ikke å miste supergrønnsaker. Som enhver konspirasjonsteori tåler ikke en slik teori kritikk og forblir et tema for detektivprosa. Å forstå dette negerer imidlertid ikke hovedspørsmålet: når vil vi mestre termonuklear energi?
SUNNY BOSTER
En termonukleær reaksjon (eller kjernefusjonsreaksjon), der lettere kjerner er smeltet sammen i tyngre, ble beskrevet av fysikere tilbake på 1910-tallet. Og for første gang ble den observert av den engelske forskeren Ernst Rutherford. I 1919 presset han helium med nitrogen i høy hastighet for å produsere hydrogen og tungt oksygen. Fem år senere fullførte Rutherford vellykket syntese av superheavy hydrogen tritium fra tunge hydrogenkerner av deuterium. Rundt samme tid la astrofysikeren Arthur Eddington frem en dristig hypotese om at stjerner brenner på grunn av løpet av termonukleære reaksjoner i tarmen. I 1937 var den amerikanske forskeren Hans Bethe i stand til å bevise forekomsten av termonukleære reaksjoner i solen - derfor hadde Eddington rett.
Ideen om å reprodusere en "solbrann" på jorden tilhørte den japanske fysikeren Tokutaro Hagiwara, som i 1941 foreslo muligheten for å sette i gang en termonukleær reaksjon mellom hydrogenkerner ved hjelp av en eksplosiv kjedereaksjon av uranfisjon - det vil si at en atomeksplosjon skulle skape forhold (ultrahøy temperatur og trykk) for å starte termonukleær fusjon. Litt senere kom Enrico Fermi, som deltok i etableringen av den amerikanske atombomben, på den samme ideen. I 1946, under ledelse av Edward Teller, ble et forskningsprosjekt om bruk av termonuklear energi lansert på Los Alamos Laboratory.
Den første termonukleære enheten ble detonert av det amerikanske militæret 1. november 1952 på Enewetok Atoll i Stillehavet. Vi gjennomførte et lignende eksperiment i 1953. Dermed har menneskeheten brukt termonukleær fusjon i over seksti år, men bare for destruktive formål. Hvorfor kan du ikke bruke det mer rasjonelt?
PLASMA-MESTERE
Kampanjevideo:
Fra et synspunkt av energi er den optimale plasmatemperaturen for en termonuklear reaksjon 100 millioner grader. Dette er flere ganger høyere enn temperaturen i det indre av solen. Hvordan være?
Fysikere har foreslått å holde plasmaet inne i en "magnetisk felle." På begynnelsen av 1950-tallet beregnet Andrei Sakharov og Igor Tamm konfigurasjonen av magnetfelt som var i stand til å komprimere plasma til et tynt filament og forhindre at det falt på kammerveggene. Det var på grunnlag av ordningen de foreslo at det ble opprettet mange tokamakker.
Det antas at begrepet "TOKAMAK" stammer fra en forkortelse for uttrykket "TOroidal CAMERA with Magnetic Coils". Hoveddesignelementet er faktisk spolene som skaper et kraftig magnetfelt. Arbeidskammeret til tokamak er fylt med gass. Som et resultat av sammenbruddet under virvelfeltets virkning, oppstår en forbedret ionisering av gassen i kammeret, og det blir derfor til plasma. Det dannes et plasma-filament som beveger seg langs det toroidale kammeret og blir varmet opp av en langsgående elektrisk strøm. Magnetfelt holder ledningen i balanse og gir den en form som forhindrer at den berører veggene og brenner dem.
Til dags dato har plasmatemperaturen ved tokamaks nådd 520 millioner grader. Oppvarming er imidlertid begynnelsen på reisen. En tokamak er ikke et kraftverk - tvert imot, den bruker energi uten å gi noe tilbake. Et termonukleært kraftverk bør bygges på forskjellige prinsipper.
Først av alt bestemte fysikerne drivstoffet. Nesten ideell for en kraftreaktor er en reaksjon basert på fusjonen av kjerner av hydrogenisotoper - deuterium og tritium (D + T), som et resultat av at det dannes en helium-4-kjerne og et nøytron. Vanlig vann vil tjene som kilde til deuterium, og tritium vil bli oppnådd fra litium bestrålt med nøytroner.
Da må plasmaet varmes opp til 100 millioner grader og komprimeres sterkt, og holde i denne tilstanden i lang tid. Fra et teknisk synspunkt er dette en utrolig kompleks og kostbar oppgave. Det er kompleksiteten og de høye kostnadene som har holdt tilbake utviklingen av denne energiretningen i lang tid. Selskapet var ikke klar til å finansiere et så stort prosjekt før det var tillit til suksessen.
VEIEN TIL FRAMTIDEN
Sovjetunionen, der unike tokamakker ble bygget, sluttet å eksistere, men ideen om å mestre termonuklear energi døde ikke, og de ledende landene innså at problemet bare kunne løses sammen.
Og nå bygges den første eksperimentelle termonukleære reaktoren for kraftteknikk i dag i landsbyen Cadarache, sørøst i Frankrike, nær byen Aix-en-Provence. Russland, USA, EU, Japan, Kina, Sør-Korea, India og Kasakhstan deltar i gjennomføringen av dette flotte prosjektet.
Strengt tatt vil anlegget som skal bygges i Cadarache fremdeles ikke kunne fungere som et termonukleært kraftverk, men det kan bringe tiden nærmere. Det er ikke tilfeldig at den ble kalt ITER - denne forkortelsen står for International Thermonuclear Experimental Reactor, men den har også en symbolsk betydning: på latin er iter en vei, en sti. Dermed bør Cadarash-reaktoren bane vei for fremtidens termonukleære kraft, noe som vil sikre overlevelsen av menneskeheten etter uttømming av fossile brensler.
ITER vil være strukturert som følger. I sin sentrale del er det et toroidalt kammer med et volum på ca 2000 m3, fylt med tritium-deuterium plasma oppvarmet til temperaturer over 100 millioner grader. Nøytronene som genereres under fusjonsreaksjonen, forlater "magnetflasken" og går gjennom "den første veggen" inn i teppet ledig plass omtrent en meter tykk. Inne i teppet kolliderer nøytroner med litiumatomer, noe som resulterer i en reaksjon med dannelsen av tritium, som vil bli produsert ikke bare for ITER, men også for andre reaktorer hvis de er bygget. I dette tilfellet blir den "første veggen" oppvarmet av nøytroner til 400 ºC. Den frigjorte varmen, som i konvensjonelle stasjoner, blir tatt av den primære kjølekretsen med et kjølevæske (som for eksempel inneholder vann eller helium) og overføres til den sekundære kretsen, der vanndamp produseres,går til turbiner som genererer strøm.
ITER-installasjonen er virkelig en mega-maskin. Vekten er 19.000 tonn, den indre radiusen av det toroidale kammeret er 2 meter, den ytre radiusen er mer enn 6 meter. Byggingen er allerede i full gang, men ingen kan si med sikkerhet når den første positive energiproduksjonen vil bli mottatt ved installasjonen. Imidlertid planlegger ITER å produsere 200 000 kWh, noe som tilsvarer energien i 70 tonn kull. Den nødvendige mengden litium er inneholdt i ett mini-batteri for en datamaskin, og mengden deuterium er inneholdt i 45 liter vann. Og det vil være helt ren energi.
I dette tilfellet bør deuterium være nok i millioner av år, og reservene av lett ekstraherte litium er ganske tilstrekkelige til å dekke behovet for det i hundrevis av år. Selv om reservene av litium i bergartene tar slutt, vil fysikere kunne trekke det ut av sjøvann.
ITER vil definitivt bygges. Og selvfølgelig er jeg glad for at landet vårt deltar i dette fremtidens prosjekt. Bare russiske spesialister har mange års erfaring med å lage store superledende magneter, uten hvilke det er umulig å holde plasmaet i glødetråden: takket være tokamaks!
Anton Pervushin
