A fuzja?

Rewelacyjnie brzmiały doniesienia z końca ubiegłego roku o budowie reaktora do syntezy przez chińskich specjalistów (1). Chińskie media państwowe podały, że obiekt HL-2M, znajdujący się w centrum badawczym w Chengdu, będzie działał w 2020 roku. Ton doniesień medialnych wskazywał, że kwestia dostępu do niewyczerpanej energii syntezy termojądrowej została rozwiązana na zawsze.

Bliższe przyjrzenie się szczegółom pomaga ostudzić optymizm.

Nowy aparat typu tokamak, z bardziej zaawansowaną konstrukcją niż te znane do tej pory, powinna generować plazmę o temperaturze powyżej 200 milionów stopni Celsjusza. Zostało to ogłoszone w komunikacie prasowym przez szefa południowo-zachodniego Instytutu Fizyki Chińskiej Narodowej Korporacji Jądrowej Duan Xiuru. Urządzenie zapewni wsparcie techniczne Chińczykom pracującym nad projektem Międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy (ITER)a także budownictwo.

Myślę więc, że to jeszcze nie rewolucja energetyczna, mimo że została stworzona przez Chińczyków. reaktor KhL-2M jak dotąd niewiele wiadomo. Nie wiemy, jaka jest przewidywana moc cieplna tego reaktora ani jakie poziomy energii są potrzebne do przeprowadzenia w nim reakcji syntezy jądrowej. Nie wiemy najważniejszego - czy chiński reaktor termojądrowy jest konstrukcją z dodatnim bilansem energetycznym, czy też jest tylko kolejnym eksperymentalnym reaktorem termojądrowym, który umożliwia reakcję syntezy jądrowej, ale jednocześnie wymaga więcej energii do „zapłonu” niż energia, którą można uzyskać w wyniku reakcji.

Międzynarodowy wysiłek

Chiny wraz z Unią Europejską, Stanami Zjednoczonymi, Indiami, Japonią, Koreą Południową i Rosją są członkami programu ITER. Jest to najdroższy z dotychczasowych międzynarodowych projektów badawczych finansowanych przez ww. kraje, o wartości ok. 20 mld USD. Powstał w wyniku współpracy rządów Michaiła Gorbaczowa i Ronalda Reagana w okresie zimnej wojny, a wiele lat później został włączony do traktatu podpisanego przez wszystkie te kraje w 2006 roku.

2. Na placu budowy tokamaka ITER

W ramach projektu ITER w Cadarache w południowej Francji (2) powstaje największy na świecie tokamak, czyli komora plazmowa, którą trzeba okiełznać za pomocą silnego pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnesy. Wynalazek ten został opracowany przez Związek Radziecki w latach 50-tych i 60-tych. Menadżer projektu, Lavan Koblencjazapowiedział, że organizacja powinna otrzymać „pierwszą plazmę” do grudnia 2025 roku. ITER powinien każdorazowo wspierać reakcję termojądrową dla około 1 tys. osób. sekundy, nabiera siły 500-1100 MW. Dla porównania, największy do tej pory brytyjski tokamak, STRUMIEŃ (wspólny europejski torus), zachowuje reakcję przez kilkadziesiąt sekund i nabiera siły do 16 MW. Energia w tym reaktorze zostanie uwolniona w postaci ciepła - nie ma być zamieniana na energię elektryczną. Dostarczenie energii termojądrowej do sieci nie wchodzi w rachubę, ponieważ projekt jest przeznaczony wyłącznie do celów badawczych. Dopiero w oparciu o ITER zbudowana zostanie przyszła generacja reaktorów termojądrowych, osiągających moc 3-4 tys. MW.

Głównym powodem, dla którego normalne elektrownie termojądrowe nadal nie istnieją (pomimo ponad sześćdziesięciu lat szeroko zakrojonych i kosztownych badań) jest trudność w kontrolowaniu i „zarządzaniu” zachowaniem plazmy. Jednak lata eksperymentów przyniosły wiele cennych odkryć, a dziś energia syntezy jądrowej wydaje się bliższa niż kiedykolwiek.

Dodaj hel-3, zamieszaj i podgrzej

ITER jest głównym przedmiotem globalnych badań nad syntezą jądrową, ale wiele ośrodków badawczych, firm i laboratoriów wojskowych pracuje również nad innymi projektami syntezy jądrowej, które odbiegają od klasycznego podejścia.

Na przykład przeprowadzone w ostatnich latach na z Massachusetts Institute of Technology eksperymenty z Helem-3 na tokamaku dał ekscytujące wyniki, w tym dziesięciokrotny wzrost energii jon plazmowy. Naukowcy przeprowadzający eksperymenty na tokamaku C-Mod z Massachusetts Institute of Technology wraz ze specjalistami z Belgii i Wielkiej Brytanii opracowali nowy rodzaj paliwa termojądrowego zawierającego trzy rodzaje jonów. Zespół Alcatel C-Mod (3) przeprowadzili badanie we wrześniu 2016 r., ale dane z tych eksperymentów zostały dopiero niedawno przeanalizowane, ujawniając ogromny wzrost energii plazmy. Wyniki były tak zachęcające, że naukowcy prowadzący największe na świecie działające laboratorium syntezy jądrowej JET w Wielkiej Brytanii, postanowili powtórzyć eksperymenty. Osiągnięto ten sam wzrost energii. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod w działaniu

Kluczem do zwiększenia wydajności paliwa jądrowego było dodanie śladowych ilości helu-3, stabilnego izotopu helu, z jednym neutronem zamiast dwóch. Paliwo jądrowe stosowane w metodzie Alcator C zawierało wcześniej tylko dwa rodzaje jonów, deuter i wodór. Deuter, stabilny izotop wodoru z neutronem w jądrze (w przeciwieństwie do wodoru bez neutronów), stanowi około 95% paliwa. Naukowcy z Plasma Research Center i Massachusetts Institute of Technology (PSFC) zastosowali proces zwany Ogrzewanie RF. Anteny znajdujące się obok tokamaka wykorzystują określoną częstotliwość radiową do wzbudzania cząstek, a fale są kalibrowane tak, aby „wycelować” w jony wodorowe. Ponieważ wodór stanowi niewielki ułamek całkowitej gęstości paliwa, koncentracja tylko niewielkiej części jonów podczas ogrzewania pozwala na osiągnięcie ekstremalnych poziomów energii. Ponadto stymulowane jony wodorowe przechodzą do jonów deuteru dominujących w mieszaninie, a powstałe w ten sposób cząstki przedostają się do zewnętrznej powłoki reaktora, uwalniając ciepło.

Wydajność tego procesu wzrasta, gdy do mieszaniny dodaje się jony helu-3 w ilości poniżej 1%. Skupiając całe ogrzewanie radiowe na niewielkiej ilości helu-3, naukowcy podnieśli energię jonów do megaelektronowoltów (MeV).

Kto pierwszy, ten lepszy Odpowiednik w języku rosyjskim: Jedzenie późnego gościa i kości

W ciągu ostatnich kilku lat w świecie kontrolowanej syntezy jądrowej nastąpiło wiele postępów, które rozbudziły nadzieje naukowców i nas wszystkich, że w końcu dotrzemy do „Świętego Graala” energii.

Dobre sygnały to m.in. odkrycia z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) Departamentu Energii USA (DOE). Fale radiowe zostały z powodzeniem wykorzystane do znacznego ograniczenia tzw. perturbacji plazmowych, które mogą mieć kluczowe znaczenie w procesie „ubierania się” reakcji termojądrowych. Ten sam zespół badawczy w marcu 2019 r. poinformował o eksperymencie z tokamakiem litowym, w którym wewnętrzne ściany reaktora testowego zostały pokryte litem, materiałem dobrze znanym z akumulatorów powszechnie stosowanych w elektronice. Naukowcy zauważyli, że litowa wyściółka na ścianach reaktora pochłania rozproszone cząstki plazmy, zapobiegając ich odbiciu z powrotem do chmury plazmy i zakłócaniu reakcji termojądrowych.

4. Wizualizacja projektu TAE Technologies

Uczeni z największych renomowanych instytucji naukowych w swoich wypowiedziach stali się nawet ostrożnymi optymistami. Ostatnio nastąpił również ogromny wzrost zainteresowania technikami kontrolowanej syntezy jądrowej w sektorze prywatnym. W 2018 r. Lockheed Martin ogłosił plan opracowania prototypu kompaktowego reaktora termojądrowego (CFR) w ciągu następnej dekady. Jeśli technologia, nad którą pracuje firma, zadziała, urządzenie wielkości ciężarówki będzie w stanie zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zaspokoić potrzeby urządzenia o powierzchni 100 XNUMX stóp kwadratowych. mieszkańcy miasta.

Inne firmy i ośrodki badawcze konkurują o to, kto może zbudować pierwszy prawdziwy reaktor termojądrowy, w tym TAE Technologies i Massachusetts Institute of Technology. Nawet Jeff Bezos z Amazona i Bill Gates z Microsoftu włączyli się ostatnio w projekty fuzji. NBC News ostatnio naliczyło siedemnaście małych firm zajmujących się wyłącznie fuzją w Stanach Zjednoczonych. Startupy, takie jak General Fusion czy Commonwealth Fusion Systems, koncentrują się na mniejszych reaktorach opartych na innowacyjnych nadprzewodnikach.

Koncepcja „zimnej fuzji” i alternatyw dla dużych reaktorów, nie tylko tokamaków, ale także tzw. stellaratory, o nieco innej konstrukcji, zbudowany m.in. w Niemczech. Trwa również poszukiwanie innego podejścia. Przykładem tego jest urządzenie o nazwie zacisk w kształcie litery Z, zbudowany przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i opisany w jednym z najnowszych numerów czasopisma Physics World. Zacisk Z działa poprzez wychwytywanie i ściskanie plazmy w silnym polu magnetycznym. W eksperymencie udało się ustabilizować plazmę przez 16 mikrosekund, a reakcja fuzji trwała przez około jedną trzecią tego czasu. Demonstracja miała pokazać, że synteza na małą skalę jest możliwa, choć wielu naukowców wciąż ma co do tego poważne wątpliwości.

Z kolei dzięki wsparciu Google i innych inwestorów zaawansowanych technologii, kalifornijska firma TAE Technologies stosuje inny, niż typowe dla eksperymentów termojądrowych, mieszanka paliwowa boru, które posłużyły do ​​opracowania mniejszych i tańszych reaktorów, początkowo na potrzeby tzw. silnika rakietowego. Prototypowy cylindryczny reaktor termojądrowy (4) z przeciwwiązkami (CBFR), które ogrzewają gazowy wodór, tworząc dwa pierścienie plazmy. Łączą się z wiązkami obojętnych cząstek i są utrzymywane w takim stanie, który powinien zwiększyć energię i trwałość plazmy.

Kolejny startup fuzyjny General Fusion z kanadyjskiej prowincji Kolumbia Brytyjska cieszy się wsparciem samego Jeffa Bezosa. Mówiąc najprościej, jego koncepcja polega na wstrzyknięciu gorącej plazmy do kulki z ciekłego metalu (mieszaniny litu i ołowiu) wewnątrz stalowej kuli, po czym plazma jest sprężana przez tłoki, podobnie jak w silniku Diesla. Wytworzone ciśnienie powinno doprowadzić do fuzji, która uwolni ogromną ilość energii do zasilania turbin nowego typu elektrowni. Mike Delage, dyrektor ds. technologii w General Fusion, mówi, że komercyjna fuzja jądrowa może zadebiutować za dziesięć lat.

5. Ilustracja z patentu termojądrowego marynarki USA.

Niedawno US Navy również złożyła patent na „urządzenie do syntezy plazmy”. Patent mówi o polach magnetycznych wytwarzających „wibracje przyspieszone” (5). Pomysł polega na zbudowaniu reaktorów termojądrowych wystarczająco małych, aby były przenośne. Nie trzeba dodawać, że zgłoszenie patentowe spotkało się ze sceptycyzmem.