Освоєння ядерного синтезу Науково-технічне досьє, огляди; Геовпливи
Ядерний синтез - процес, за допомогою якого два легкі атомні ядра об'єднуються, утворюючи важче і виділяючи енергію - це процес, що працює в серці Сонця. За яких умов його можна було б використати, щоб допомогти задовольнити майбутні енергетичні потреби людства? Усередині Сонця ядра водню стикаються і зливаються при надзвичайно високих температурах (близько 15 мільйонів ° С) і під величезним гравітаційним тиском: 600 мільйонів тонн водню плавиться в гелій кожна секунда. На Землі сили тяжіння занадто слабкі, щоб самостійно підтримувати достатнє утримання ядер. Температури повинні бути ще вищими (приблизно в десять разів вищими!) І стримування, створене іншими засобами для проведення реакцій синтезу.
Людський контроль плавлення - це складна задача значний, який залучатиме вчених та інженерів з усього світу. Дослідження термоядерного синтезу за останні десятиліття надзвичайно просунулися, що призвело до міжнародного експерименту ITER, основними завданнями якого є: показати, що термоядерний синтез можна використовувати для виробництва енергії; надати дані, необхідні для проектування та експлуатації першої термоядерної електростанції. Довгостроковою метою є створення прототипів реакторів, які можуть працювати безпечно, поважати навколишнє середовище та економічно вигідні. Проект ITER дозволить вченим вперше вивчити фізику палаючої плазми *, нагрітої внаслідок реакцій внутрішнього термоядерного синтезу і підтримуваної протягом «тривалих» часів (більше 300 секунд) завдяки магнітному обмеженню (токамак).
* Плазма: стан речовини (як твердий, рідкий та газоподібний стани), що складається із суміші заряджених частинок: позитивно заряджених іонів та негативно заряджених електронів. Ізолюючий газ при звичайних температурах може бути іонізований при дуже високій температурі, "суп" вільних електронів та атомних ядер є плазмою, рідиною, яка проводить електрику.
Коротка історія досліджень ядерного синтезу
Уже в 1919 році Жан Перрен висунув ідею, що синтез гелію (He) з воднем (H) дозволить уловлювати казкову енергію. Саме з 1951 р. Розвиваються систематичні дослідження з контролю термоядерних реакцій, спочатку в США, а потім у колишньому СРСР, у Великобританії та Франції в центрах СЕА у Фонтене-о-Роуз, Саклай і Греноблі, перегрупованих у 1984 р. В Кадараші. . Проект Tore Supra, розпочатий у 1978 році, був розроблений для вивчення плазми в квазістаціонарному стані. Отримані результати вступили в експлуатацію в 1988 році в Центрі CEA в Кадараші, і отримані результати зробили його зразком для розвитку проекту ITER.
На європейському рівні програма "злиття" зуміла об'єднати всі зусилля держав-членів (плюс Швейцарія), щоб зробити якнайбільший крок вперед: "Спільний європейський тор" (JET), токамак (див. Нижче) найбільший і найбільш потужна у світі на той час, вступила в дію в 1983 році в Абінгдоні поблизу Оксфорда, Сполучене Королівство, тим самим просунувши Європу на перше місце в міжнародних дослідженнях термоядерного синтезу. Усі європейські програми координуються з 1959 року асоціацією Євратом - CEA.
Рекорди йшли один за одним у всьому світі: у 1993 році американський «Тестовий реактор для термоядерного синтезу Токамака» (TFTR) забезпечив 6 МВт потужності; у 1997 р. JET із сумішшю дейтерій - тритій забезпечив термоядерну енергію 16 МВт; зовсім недавно, в 2003 році, Торе Супра отримав розряд більше шести хвилин з енергією приблизно 300 кВт-год (потужність 2,8 МВт).
Наслідуючи попередників, основною науковою метою ІТЕР буде досягнення та вивчення плазми, що виробляє 500 МВт потужності термоядерного синтезу протягом періодів 400 секунд, тобто плазма виробляє в 10 разів більше енергії, ніж інжектована енергія.
Протягом першого десятиліття 21 століття було проведено два напрямки досліджень, щоб отримати досить гарячу плазму, утримувати її досить довго і відновлювати енергію, що виділяється в результаті реакцій синтезу:
1) Шлях токамака, згідно з принципом плавлення за допомогою магнітного обмеження, спроектований навколо торичної камери, в яку вводиться плазма, оточений котушками, що створюють напружене магнітне поле.
2) Бомбардуючи паливо за допомогою лазерних променів за принципом так званого інерційного синтезу. Цей шлях окреслений у Франції на тлі військових застосувань CEA у центрі Вальдука (у Бургундії поблизу Діжона) і очікує результатів, які отримає мега-джоулевий лазер, що виробляється в Центрі d '' науково-технічне дослідження Аквітанії (CESTA) CEA *.
Ці два напрямки досліджень представляють загальні проблеми, що стосуються:
ITER базується на концепції "токамак" (Російська абревіатура Дороїдальна/тороїдальна Камера/кімната c Мійгнитими/магнітні Катушками/котушкою), розроблена навколо тороподібної камери (порожнистого кільцеподібного пристрою), оточеної надпровідними котушками (не виявляють електричного опору), які створюють напружене магнітне поле, в якому створюються та підтримуються умови злиття. Горюча суміш двох ізотопів водню, тритію (Т) і дейтерію (D) доводиться всередині камери до температури вище 150 млн ° С, утворюючи плазму. При цій температурі певні частинки палива зливаються, утворюючи атом гелію та нейтрон з кожною реакцією та високою енергією (див. Схему нижче). Щоб обмежена плазма виробляла більше енергії, ніж потрібно для її нагрівання, вона повинна бути досить гарячою, досить щільною і досить довгою.
Принципи ІТЕР
У плазмі реакція синтезу полягає у з’єднанні ядра дейтерію D (нейтрона і протона) і ядра тритію T (двох нейтронів і протона), що призводить до утворення ядра гелію 4. (4He: два нейтрони і два протони), заряджені енергією 3,5 МеВ (Мегаелектрон-вольт) і нейтрон енергією 14,1 МеВ, тобто загальною енергією, виробленою 17,6 МеВ.
Щоб подолати електростатичне відштовхування між позитивно зарядженими ядрами, їх злиття при зіткненні має відбуватися зі швидкістю близько 1000 км/с, що вимагає дуже довгого прискорення в плазмі.
Дейтерій, ізотоп водню 2Н, відносно багатий у морській воді (0,0153%), з якої його видобувають електролізом, тому він невичерпний. Набагато рідше, тритій, ізотоп водню 3H, є радіоактивним, але з коротким періодом напіввиведення 12,56 років. Його можна отримати на місці за допомогою реакції поділу літію, яка відбувається в одній зі стінок, що оточують плазму.
Дивіться на головній сторінці вкладиш, присвячений проблемам ресурсів, ризиків та навколишнього середовища
Дейтерій-тритієва паливна суміш впорскується (1) в камеру, де завдяки системі магнітного обмеження вона переходить у стан плазми (2), виробляючи попіл (атоми гелію) та енергію при швидкій формі частинок або випромінюванні (3) . Ця енергія поглинається першою стінкою, яка є першим матеріальним елементом, з яким частинки стикаються поза плазмою. Кінетична енергія нейтронів перетворюється в тепло в ковдрі тритію (4), розташованій за першою стінкою, але тим не менше всередині вакуумної камери. Вакуумна камера сама закриває простір, де відбувається реакція плавлення. Перша стінка, кришка та вакуумна камера охолоджуються системою відводу тепла, яка використовується для виробництва пари та для подачі звичайного блоку виробництва електроенергії: турбіни та генератора (5).
Енергія, яку забезпечує ядерний синтез, має теоретично багато переваг. На Землі паливо для термоядерних реакторів буде забезпечуватися двома формами (ізотопами) газоподібного водню: дейтерієм та тритієм. У кожному літрі води міститься близько 30 міліграм дейтерію. Якби весь дейтерій у літрі води, що зливається з тритієм, це дало б енергію, еквівалентну 340 літрам олії. З іншого боку, тритію вкрай мало на Землі: саме тому він виробляється всередині реактора термоядерного синтезу з літію, легкого металу і порівняно багато (див. Рамку "Проблеми ресурсів, ризиків та навколишнього середовища" на головній сторінці ).
Повсякденна експлуатація атомної електростанції не потребуватиме транспортування радіоактивних матеріалів, а аварії, що виникли внаслідок втечі, або перегрів реактора неможливі. Процес термоядерного синтезу не призведе до утворення парникових газів або стійких радіоактивних відходів (короткий термін існування слабо радіоактивних елементів). Випадкові або спричинені ризики обмежуватимуться лише реакторними майданчиками, отже їх велика простота встановлення поблизу місць споживання.
Для цього потрібно, зокрема, прогресувати в Росії ядерна кваліфікація конструкційних матеріалів, стійких до високих температур та низької активації. Для досягнення своїх цілей ITER буде вдвічі більшим за розмір найбільшого існуючого токамака - JET, європейського тору, встановленого у Великобританії, - і його здатність до синтезу, як очікується, буде в кілька разів більшою. ITER зможе генерувати 500 мільйонів ват (500 МВт) термоядерної енергії безперервно протягом 10 хвилин. Він буде в тридцять разів потужнішим за JET і дуже близький до розмірів майбутніх комерційних реакторів.
Тому він повинен стати першим реактором термоядерного синтезу, який вироблятиме чисту енергію, оскільки він розрахований на генерування у десять разів більше енергії, ніж необхідна для виробництва та нагрівання водневої плазми. Це дозволить випробувати декілька важливих методів - нагрівання, управління, діагностику та дистанційне обслуговування - які будуть потрібні у реальному термоядерному реакторі. ITER також випробує та розробить способи отримання тритію з літію, введеного в оболонку, що оточує плазму.
У майбутньому реактор DEMO повинен продемонструвати, що він може виробляти електроенергію у великих масштабах і забезпечувати свою автономію в тритії. Очікується, що він вступить в експлуатацію через 30 - 35 років після початку будівництва ІТЕР. Він ввів термоядерний синтез в індустріальну епоху, відкривши шлях для перших комерційних термоядерних реакторів.
На закінчення, міжнародна співпраця дозволила продемонструвати здійсненність теоретичні гіпотези про термоядерний синтез з магнітним контролем. Однак для досягнення промислового введення в експлуатацію першого реактора та демонстрації його економічного інтересу ще потрібно досягти дуже значного науково-технічного прогресу. Перед цим як фундаментальні, так і технологічні дослідження, які доведеться розробити, потребуватимуть значних людських та фінансових ресурсів. Це можна задумати лише в рамках довгострокової міжнародної співпраці, здатної зробити атомний синтез основним, стійким та масштабним джерелом енергії.
Синтез, запропонований Сільвіан Табарлі,
вироблено у співпраці з Катерина Сіманд Вернін, керівник сайту CultureSciences Physique в ENS de Lyon,
для Геовпливів 26 січня 2009 р