În drumul către energia de fuziune

Articole similare

Comisia Europeană ar îmbunătăți eficiența energetică a clădirilor

Unde este cea mai scumpă electricitate din lume?

Au început asamblarea centralei electrice de fuziune

Fuziune. Pentru mine, dincolo de definiția sa, evocă energia Soarelui, cercetări incitante, tehnologie extrem de avansată, viitorul. Pentru cei mai puțin experimentați, cel mai simplu este ceea ce înseamnă: fuzionarea nucleelor mai ușoare într-un nucleu mai greu.

Auzind despre coliziunile de particule, echipamentele de fuziune sunt ușor de amestecat cu acceleratorii experimentali de particule. Cu toate acestea, scopul reactoarelor de fuziune nu este de a învăța despre elementele de bază și funcționarea universului, acestea sunt construite pentru a dezvolta un nou tip de metodă de producere a energiei. În industria energetică, pe de altă parte, ei cred din ce în ce mai puțin în tehnologie, este considerată science fiction eternă. La urma urmei, acest lucru este de înțeles: primele reactoare experimentale au fost proiectate în 1950, în care un material asemănător plasmei ținut împreună de un câmp magnetic circulă sub formă de tor (inel sau gogoașă) - dar deși această invenție este potrivită pentru fuziune, noi încă nu văd importanță practică. În timp ce în centralele nucleare reacția în lanț începe spontan deasupra unei mase critice, s-au făcut progrese mai ales în creșterea siguranței, în timp ce echipamentele de fuziune necesită un grad ridicat de siguranță și fiabilitate, iar provocarea este de a porni și menține reacțiile în mod eficient.

Plasma ținută împreună de magneți într-un dispozitiv de fuziune.

Cercetarea de fuziune nu este uitată inactiv, deși în pași mici, dar domeniul se caracterizează printr-o dezvoltare continuă. Prima construcție de succes, care este încă cea mai răspândită în lume, se numește tokamak. Este posibil ca prima serie de tokamak-uri să nu se laude cu nume prea imaginative, dar au reprezentat și pietre de hotar și mai semnificative în istoria fuziunii. Timp de decenii, de la lansarea T-1 în 1958, noii membri ai seriei au străpuns noi bariere la fiecare câțiva ani. Printre acestea se numără creșterea stabilității, timpul de menținere, metode de încălzire mai eficiente, găsirea formei ideale pentru plasmă și introducerea unor magneți superconductori mai puternici. Începând cu anii 1980, au fost construite tot mai multe dispozitive de succes, dintre care majoritatea sunt încă testate pe o versiune îmbunătățită.

În prezent, cel mai important echipament experimental care utilizează magneți supraconductori este folosit de multe tokamak-uri din Orientul Îndepărtat: SST1 (India), KSTAR (Coreea), EST (China) și încă în construcție JT60-SA (Japonia). Astăzi, toate echipamentele au un rol de jucat în cercetarea de fuziune centrată în Europa (EUROFusion), actualizarea ASDEX germană, printre altele, în dimensionare, TCV elvețian permite schimbarea formei plasmei, iar Occidentul francez este dedicat studiul materialelor cheie.

Camera tokamakului JET are o imagine a plasmei din interior în dreapta.

Cel mai de succes dispozitiv de fuziune până în prezent, Joint European Torus (JET) din Anglia, funcționează din 1984, unde comportamentul plasmei a fost studiat mai în detaliu. Funcționarea sa a fost testată și în modul de fuziune, ajungând la 16,1 MW în timpul campaniei din 1997. În afară de JET, doar TFTR-ul american (Tokamak Fusion Test Reactor) a reușit să reziste la astfel de descărcări de plasmă. Deși aceste dispozitive produceau chiar mai puțină energie decât era necesară pentru încălzire, ele dovedeau adecvarea combustibilului și a întregului concept.

Facilitatea de fuziune mai puternică în prezent în construcție se numește ITER (International Thermonuclear Experimenral Reactor), care înseamnă „drum” în latină. Oferă cu adevărat o cale comună în care multe țări din întreaga lume lucrează împreună; Țările UE, Japonia, Rusia, SUA, China, Coreea de Sud, India. Proiectul a fost inițiat în 1985, dar în XXI. Noile aspirații ale secolului al XX-lea i-au dat un nou impuls. S-au stabilit termene, sub-sarcini, așteptări de bază, iar procesul de implementare a început să respecte obiectivele prestabilite. Acesta este punctul din care putem vorbi despre inovație și provocări tehnologice reale, nu doar despre brainstorming motivat de o imagine de vis îndepărtată. Dacă totul merge mai departe, ITER va fi lansat în 2025, care este planificat pentru a putea realiza de 10 ori multiplicarea energiei, ceea ce înseamnă că 500 MW de fuziune vor elibera 500 MW de putere de fuziune.

Producția componentelor ITER este partajată între țările partenere.

Desigur, nu este un secret faptul că sarcinile legate de ITER sunt mult mai complexe. În timpul acestui proiect, țările partenere trebuie să permită condițiile de producție la scara centralei electrice. Colaborarea perfectă necesită o mare precizie și, apropo, logistică foarte complicată. Sute de tone de piese trebuiau transportate cu nava de marfă, în convoaie terestră, dar clădirile de asamblare și producție trebuiau, de asemenea, ridicate la fața locului, deoarece unele elemente erau atât de mari încât transportul nu era fezabil.

Structură de susținere a bobinei spațiale toroidale.

În prima perioadă de după construirea ITER, rolul principal va fi în continuare în experimente, fizicienii doresc să studieze fenomenele care se produc într-o cantitate atât de mare de hidrogen plasmatic, motiv pentru care întregul lucru va fi plin de diferite dispozitive de diagnosticare. Când controlul plasmei, de exemplu prin intermediul unor magneți pentru a influența turbulența, nu mai este o problemă și s-a dovedit adecvarea soluțiilor tehnologice, se creează condiții adecvate pentru eliberarea de energie.

În practică, combustibilul este înlocuit de izotopii mai grei de hidrogen - deuteriu și tritiu - care sunt mult mai susceptibili să reacționeze la temperatura realizabilă în reactor. Să nu ne gândim aici la câteva sute sau la o mie de grade; această temperatură „scăzută” este, de asemenea, mai mare de 100 de milioane ° C, care este de 4 ori mai mare decât mijlocul Soarelui. Pentru alte compoziții de izotopi, plasma ar trebui încălzită cu un ordin de mărime mai mare pentru a maximiza frecvența reacției, dar chiar și al doilea cel mai înalt astfel de vârf (D-3He) ar rămâne sub reacția deuteriu-tritiu cu un factor de zece.

De aceea, după 20 de ani, JET se pregătește din nou pentru experimentele D-T, care sunt așteptate în 2019-2020. Capacitatea ridicată de încălzire, noile diagnostice și, la fel ca ITER, un perete de tungsten de beriliu permit rezultatelor obținute aici să ofere o bază pentru pregătirea experimentelor pe ITER.

Un ciclu închis de combustibil din care se elimină numai energia și heliul.

Poate că afirmația despre autosuficiență nu ar trebui discutată mai puțin aici. Plasma trebuie alimentată continuu cu deuteriu și heliul produs ca produs final trebuie îndepărtat din acesta, astfel încât procesul nu este autosustenabil în ceea ce privește alimentarea cu combustibil. În plus, plasma trebuie încălzită continuu, cel puțin până la „punctul de aprindere”, unde energia particulelor generate este deja suficientă pentru a menține plasma caldă, moment în care reacția poate deveni autonomă în ceea ce privește încălzirea. În plus, trebuie asigurată continuu coeziunea magnetică, prezența și stabilitatea geometriei plasmei. În absența oricărui factor, plasma se prăbușește și particulele sale umple camera sub forma unui gaz de aproximativ o sută de mii de ori mai rar decât atmosfera. Din fericire, plasma nu se poate „supraîncălzi”, deoarece frecvența reacțiilor de fuziune începe să scadă peste o temperatură stabilă de funcționare, deci fuziunea este, de asemenea, o reacție de autoreglare. În absența controlului, reacțiile se opresc sau cele câteva grame de material prezente în reactor la un moment dat pot, în cel mai rău caz, deteriora doar un strat subțire al suprafeței interioare a peretelui, deci una dintre principalele virtuți ale fuziunii este siguranță.

În urma primelor rezultate ale fuziunii ITER, va începe construcția centralei demonstrative, DEMO. În acest moment, mai multe concepte diferite ar trebui să fie gata, astfel încât proiectarea DEMO este deja în curs. Foaia de parcurs oficială EFDA Fusion, coordonată de Comisia Europeană, își propune să aducă la rețea aproximativ 100 MW de energie de fuziune până în 2050.

Centralele de fuziune ale viitorului nu vor fi neapărat tokamak-uri, dar faptul este că aceasta este cea mai sigură cale în acest moment. În plus față de experimentele prezentate, alte soluții sunt încercate în lume, dar cele mai multe diferă de structura tokamak-urilor doar în proporția razelor mici și mari ale torului.

Un stellarator cu o geometrie mult mai complexă este, de asemenea, un design promițător, cu prima sa versiune complet optimizată, W7-X, lansată în 2017, iar rezultatele sale au depășit toate așteptările. Dezvoltarea modelării 3D pe computer a făcut posibil procesul de proiectare inversă: astăzi modelează mai întâi calea ideală a particulelor, apoi construiesc forma plasmatică din ele, apoi reconstruiesc câmpul magnetic reprezentând forța de coeziune și, în cele din urmă, încearcă să proiecteze geometria dintre magneții care îl creează.

Pe baza succeselor optimizării, este de conceput că prototipul final al centralei electrice de fuziune va fi format din acești magneți speciali din industrie sau, eventual, dintr-o combinație de tokamak și stelari.

W7-X este primul stelarator complet optimizat cu geometrie magnetică

De obicei, am vorbit despre colaborări globale, dar trebuie menționat că în principal în America, companiile private sunt implicate și în dezvoltarea propriei construcții. Potrivit propriei declarații, ei cred că, cu putere și capital concentrat, pot ajunge mai rapid și mai ușor la construcția unei centrale electrice de fuziune, care este mai optimă atât în ceea ce privește dimensiunea, cât și eficiența.

Mai mult, ideea unei centrale de fuziune poate fi abordată dintr-o direcție complet diferită. În cazul reactoarelor cu câmpul magnetic discutat până acum, menținerea stabilă a plasmei fierbinți este menținută cât mai mult timp posibil, în timp ce în cazul fuziunii inerțiale (inerție), compresia instantanee a unei capsule de combustibil cu energie enormă se caută pentru a realiza aprinderea. Acest principiu amintește de funcționarea unei bombe cu hidrogen, desigur, în cercetare, cantități foarte mici sunt „detonate” folosind un laser sau un fascicul de ioni într-un mod controlat. Obiectivul inițial al NIF din California - Instalația Națională de Aprindere - ar fi fost să obțină aprinderea, ceea ce, totuși, nu a reușit, dar în practică a fost mai implicat în cercetarea armelor nucleare. Deoarece acest sector este adesea legat de aplicațiile militare, organizațiile Comisiei Europene nu sprijină cu adevărat cercetarea în acest domeniu.

Pentru a realiza fuziunea inerțială, laserele sunt utilizate pentru a comprima suficient capsula de combustibil.

Este încă imposibil să răspundem la întrebarea despre ce concept va face cea mai reușită centrală de fuziune din viitor. Stellarator, de exemplu, care tocmai a fost menționat la nivel de mențiune în această postare, ar putea fi o soluție mai optimă decât tokamak-urile în mai multe privințe, dar dezvoltarea sa a avut loc în urmă cu doar câțiva ani. Linia tokamak, pe de altă parte, are planuri de timp specifice care estimează pornirea primului reactor de putere în jurul anului 2050.

Diagrama schematică a unei centrale electrice de fuziune de construcție tokamak.

Un articol publicat pe blogul oficial al Secției pentru tineret a Societății Energetice Maghiare.