Van jövője a termonukleáris energiának?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A tudósok több mint fél évszázada próbálnak olyan gépet építeni a Földön, amelyben a csillagok belsejéhez hasonlóan termonukleáris reakció játszódik le. A szabályozott termonukleáris fúzió technológiája a tiszta energia szinte kimeríthetetlen forrását ígéri az emberiségnek. A szovjet tudósok kidolgozták ezt a technológiát – és most Oroszország segít megépíteni a világ legnagyobb fúziós reaktorát.

Az atommag részeit kolosszális erő tartja össze. Kétféleképpen lehet elengedni. Az első módszer a periódusos rendszer legtávolabbi végéből származó nagy nehéz atommagok hasadási energiájának felhasználása: urán, plutónium. A Föld összes atomerőművében az energiaforrás éppen a nehéz atommagok bomlása.

De van egy második mód is az atom energiájának felszabadítására: nem osztani, hanem éppen ellenkezőleg, egyesíteni az atommagokat. Egyesüléskor egyesek még több energiát szabadítanak fel, mint a hasadó uránmagok. Minél könnyebb az atommag, annál több energia szabadul fel a fúzió (ahogy mondják: fúzió) során, így a magfúzió energiájának leghatékonyabb módja a legkönnyebb elem - a hidrogén - atommagjainak - a hidrogén - és izotópjainak egyesülésre kényszerítése..

Kézi csillag: szilárd profik

A magfúziót az 1930-as években fedezték fel a csillagok belsejében lezajló folyamatok tanulmányozásával. Kiderült, hogy az egyes napokon belül magfúziós reakciók játszódnak le, és a fény és a hő a termékei. Amint ez világossá vált, a tudósok azon gondolkodtak, hogyan lehetne megismételni azt, ami a Földön a Nap belsejében történik. Az összes ismert energiaforráshoz képest a „kéznapnak” számos vitathatatlan előnye van.

Először is, a közönséges hidrogén szolgál üzemanyagként, amelynek készletei a Földön sok ezer évig kitartanak. Még azt is figyelembe véve, hogy a reakcióhoz nem a legelterjedtebb izotóp, a deutérium szükséges, egy pohár víz elegendő egy kisváros egy hétig tartó áramellátásához. Másodszor, a szénhidrogének elégetésével ellentétben a magfúziós reakció során nem keletkeznek mérgező termékek, csak a hélium semleges gáz.

A fúziós energia előnyei

Szinte korlátlan üzemanyagkészlet. A fúziós reaktorban a hidrogénizotópok – deutérium és trícium – üzemanyagként működnek; használhatja a hélium-3 izotópot is. A tengervízben sok a deutérium - ezt hagyományos elektrolízissel lehet előállítani, és a Világóceán készletei az emberiség jelenlegi energiaigénye mellett körülbelül 300 millió évre elegendőek.

A trícium jóval kevesebb a természetben, azt mesterségesen állítják elő atomreaktorokban – de nagyon kevés kell a termonukleáris reakcióhoz. A Földön szinte nincs hélium-3, de a Hold talajában nagyon sok van. Ha egyszer lesz termonukleáris energiánk, valószínűleg a Holdra repülhetünk üzemanyagért.

Nincsenek robbanások. A termonukleáris reakció létrehozása és fenntartása sok energiát igényel. Amint az energiaellátás leáll, a reakció leáll, és a több százmillió fokra felmelegített plazma megszűnik létezni. Ezért a fúziós reaktort nehezebb bekapcsolni, mint kikapcsolni.

Alacsony radioaktivitás. A termonukleáris reakció során a mágneses csapdából kibocsátott neutronok áramlása a vákuumkamra falán lerakódik, radioaktívvá téve azt. A plazma kerületén egy speciális „takaró” (takaró) kialakításával, a neutronok lassításával teljes mértékben védhető a reaktor körüli tér. Maga a takaró idővel elkerülhetetlenül radioaktívvá válik, de nem sokáig. 20-30 évig pihentetve ismét természetes háttérsugárzású anyaghoz juthatunk.

Nincs üzemanyag szivárgás. Mindig fennáll a tüzelőanyag-szivárgás veszélye, de egy fúziós reaktor olyan kevés üzemanyagot igényel, hogy még a teljes szivárgás sem veszélyezteti a környezetet. Az ITER elindításához például csak körülbelül 3 kg tríciumra és egy kicsivel több deutériumra lenne szükség. Ez a mennyiségű radioaktív izotóp még a legrosszabb esetben is gyorsan eloszlik a vízben és a levegőben, és nem okoz kárt senkinek.

Nincsenek fegyverek. A termonukleáris reaktor nem termel olyan anyagokat, amelyekkel atomfegyvereket lehetne készíteni. Ezért nem áll fenn annak a veszélye, hogy a termonukleáris energia elterjedése atomversenyhez vezet.

Általánosságban elmondható, hogy hogyan kell meggyújtani a "mesterséges napot", már a múlt század ötvenes éveiben világossá vált. Az óceán mindkét oldalán számításokat végeztek, amelyek meghatározták az irányított magfúziós reakció fő paramétereit. Hatalmas, több százmillió fokos hőmérsékleten kellene végbemennie: ilyen körülmények között az elektronok leszakadnak az atommagjukról. Ezért ezt a reakciót termonukleáris fúziónak is nevezik. A csupasz atommagok, amelyek nyaktörő sebességgel ütköznek egymásnak, legyőzik a Coulomb-taszítást és egyesülnek.

Problémák és megoldások

Az első évtizedek lelkesedése beleütközött a feladat hihetetlen összetettségébe. A termonukleáris fúzió elindítása viszonylag egyszerűnek bizonyult - ha robbanás formájában történik. A csendes-óceáni atollok és a Szemipalatyinszki és Novaja Zemlja szovjet kísérleti helyszínek már a háború utáni első évtizedben megtapasztalták a termonukleáris reakció teljes erejét.

De ennek az erőnek a felhasználása, kivéve a pusztítást, sokkal nehezebb, mint egy termonukleáris töltés felrobbantása. A termonukleáris energia villamosenergia-termelésre való felhasználásához a reakciót ellenőrzött módon kell végrehajtani, hogy az energia kis részletekben szabaduljon fel.

Hogyan kell csinálni? Azt a környezetet, amelyben a termonukleáris reakció végbemegy, plazmának nevezzük. Hasonló a gázhoz, csak a normál gáztól eltérően töltött részecskékből áll. A töltött részecskék viselkedése pedig szabályozható elektromos és mágneses mezők segítségével.

Ezért a legáltalánosabb formájában a termonukleáris reaktor egy plazma rög, amely vezetékekbe és mágnesekbe zárva van. Megakadályozzák a plazma kiszabadulását, és közben atommagok egyesülnek a plazmában, aminek következtében energia szabadul fel. Ezt az energiát el kell távolítani a reaktorból, fel kell használni a hűtőfolyadék melegítésére – és áramot kell szerezni.

Csapdák és szivárgások

A plazma a legszeszélyesebb anyag, amellyel az embereknek szembe kellett nézniük a Földön. Valahányszor a tudósok megtalálták a módját egyfajta plazmaszivárgás blokkolásának, egy újat fedeztek fel. A 20. század egész második fele azzal telt, hogy megtanulják, hogy a plazmát bármilyen jelentős ideig a reaktorban tartsák. Ez a probléma csak napjainkban kezdett beváltani, amikor megjelentek a nagy teljesítményű számítógépek, amelyek lehetővé tették a plazma viselkedésének matematikai modelljének létrehozását.

Még mindig nincs konszenzus abban, hogy melyik módszer a legjobb a plazmazárásra. A leghíresebb modell, a tokamak egy fánk alakú vákuumkamra (ahogy a matematikusok mondják, egy tórusz) belül és kívül plazmacsapdákkal. Ebben a konfigurációban lesz a világ legnagyobb és legdrágább termonukleáris létesítménye – a jelenleg épülő ITER reaktor Dél-Franciaországban.

A tokamak mellett a termonukleáris reaktoroknak számos lehetséges konfigurációja létezik: gömb alakú, mint a szentpétervári Globus-M-ben, bizarr íves sztellarátorok (mint például a Wendelstein 7-X a Max Planck Atommagfizikai Intézetben Németországban), lézeres reaktorok. inerciális csapdák, mint például az amerikai NIF. Sokkal kevesebb médiafigyelmet kapnak, mint az ITER-t, de magasak az elvárásaik is.

Vannak tudósok, akik a tokamaknál alapvetően sikeresebbnek tartják a sztellarátor tervezését: olcsóbb az építése, a plazmazáródási idő pedig sokkal többet ígér. Az energianövekedést magának a plazmacsapdának a geometriája biztosítja, amely lehetővé teszi, hogy megszabaduljunk a "fánk"-ban rejlő parazita hatásoktól és szivárgásoktól. A lézerpumpás változatnak is megvannak a maga előnyei.

A bennük lévő hidrogén-üzemanyagot lézerimpulzusokkal melegítik fel a kívánt hőmérsékletre, és szinte azonnal beindul a fúziós reakció. Az ilyen berendezésekben a plazmát a tehetetlenség tartja, és nincs ideje szétszóródni - minden olyan gyorsan történik.

Az egész világ

A világon ma létező összes termonukleáris reaktor kísérleti gép. Egyiküket sem használják villamosenergia-termelésre. Egyiknek sem sikerült még teljesítenie a termonukleáris reakció fő kritériumát (Lawson-kritérium): több energiát kapni, mint amennyit a reakció létrehozására fordítottak. Ezért a világ közössége a gigantikus ITER-projektre összpontosított. Ha az ITER-nél teljesül a Lawson-kritérium, akkor lehetőség nyílik a technológia finomítására és a kereskedelmi sínekre való átültetésére.

A világon egyetlen ország sem tudná egyedül megépíteni az ITER-t. Csak 100 ezer km szupravezető vezetékre van szüksége, valamint több tucat szupravezető mágnesre és egy óriási központi mágnesszelepre a plazma megtartására, egy rendszerre a nagy vákuum létrehozására a gyűrűben, hélium hűtőkre mágnesekhez, vezérlőkhöz, elektronikához … Ezért a A projekt 35 országot és több ezer tudományos intézetet és gyárat épít egyszerre.

Oroszország a projektben részt vevő országok egyike; Oroszországban a leendő reaktor 25 technológiai rendszerét tervezik és építik. Ezek szupravezetők, plazmaparaméterek mérésére szolgáló rendszerek, automatikus vezérlők és a divertor alkatrészei, a tokamak belső falának legforróbb része.

Az ITER elindítása után az orosz tudósok hozzáférhetnek minden kísérleti adatához. Az ITER visszhangja azonban nemcsak a tudományban lesz érezhető: néhány régióban most olyan termelő létesítmények jelentek meg, amelyek korábban nem léteztek Oroszországban. Például a projekt indulása előtt hazánkban nem folyt ipari szupravezető anyagok gyártása, és évente mindössze 15 tonnát gyártottak szerte a világon. Most már csak a "Rosatom" állami vállalat Csepetszki Mechanikai Üzemében lehet évente 60 tonnát előállítani.

Az energia jövője és azon túl

A tervek szerint 2025-ben érkezik meg az első plazma az ITER-hez. Az egész világ erre az eseményre vár. De egy, még a legerősebb gép sem minden. Világszerte és Oroszországban is folytatják az új termonukleáris reaktorok építését, amelyek segítenek végre megérteni a plazma viselkedését és megtalálni a felhasználás legjobb módját.

A Kurchatov Intézet már 2020 végén piacra dob egy új tokamak T-15MD-t, amely egy nukleáris és termonukleáris elemeket tartalmazó hibrid létesítmény részévé válik. A hibrid létesítményben a termonukleáris reakciózónában képződő neutronok nehéz atommagok - urán és tórium - hasadását fogják használni. A jövőben az ilyen hibrid gépeket hagyományos atomreaktorok – termikus és gyorsneutronok – üzemanyagának előállítására lehet használni.

Tórium megváltás

Különösen csábító az a lehetőség, hogy termonukleáris „magot” használnak neutronforrásként a tóriummagok bomlásának megindítására. Több a tórium a bolygón, mint az urán, és nukleáris üzemanyagként való felhasználása egyszerre megoldja a modern atomenergia több problémáját.

Így a tórium bomlástermékei nem használhatók katonai radioaktív anyagok előállítására. Az ilyen felhasználás lehetősége olyan politikai tényezőként szolgál, amely visszatartja a kis országokat attól, hogy saját atomenergiát fejlesszenek ki. A tórium üzemanyag egyszer és mindenkorra megoldja ezt a problémát.

A plazmacsapdák nem csak az energetikában, hanem más békés iparágakban is hasznosak lehetnek – akár az űrben is. A Roszatom és a Kurcsatov Intézet jelenleg egy elektróda nélküli plazmarakéta-hajtómű alkatrészein dolgozik űrhajókhoz, valamint az anyagok plazmamódosítására szolgáló rendszereken. Oroszország részvétele az ITER projektben ösztönzi az ipart, ami új iparágak létrejöttéhez vezet, amelyek már az új orosz fejlesztések alapját képezik.