Lämpöydinreaktorin ulkonäön on odotettu olevan yli puoli vuosisataa. Odotukset ovat niin ylikuumentuneet, että on syntynyt erittäin suosittu salaliittoteoria, ikään kuin se olisi itse asiassa keksitty kauan sitten, mutta öljymagnaatit piilottavat keksinnön massoilta, jotta ne eivät menettäisi supervoittoja. Kuten kaikki salaliittoteoriat, tällainen teoria ei siedä kritiikkiä ja on edelleen etsivä proosan aihe. Tämän ymmärtäminen ei kuitenkaan kumoa pääkysymystä: milloin hallitsemme lämpöydinenergian?
SUNNY BOSTER
Fyysikot kuvasivat jo 1910-luvulla lämpöydintäreaktion (tai ydinfuusioreaktion), jossa kevyemmät ytimet sulautuvat raskaampiin. Ensimmäistä kertaa englantilainen tiedemies Ernst Rutherford havaitsi sen. Vuonna 1919 hän työnsi heliumia typellä suurella nopeudella vetyä ja raskasta happea tuottamaan. Viisi vuotta myöhemmin Rutherford saattoi onnistuneesti päätökseen erittäin raskaan vetytritiumin synteesin deuteriumin raskaista vetyytimistä. Noin samaan aikaan astrofyysikko Arthur Eddington esitti rohkean hypoteesin, jonka mukaan tähdet palavat lämpöydinreaktioiden vuoksi niiden syvyydessä. Vuonna 1937 amerikkalainen tiedemies Hans Bethe pystyi todistamaan lämpöydinreaktioiden esiintymisen Auringossa - siksi Eddington oli oikeassa.
Ajatus "aurinkopalon" toistamisesta maapallolla kuului japanilaiselle fyysikolle Tokutaro Hagiwaralle, joka vuonna 1941 ehdotti mahdollisuutta aloittaa vetyydinten välinen lämpöreaktio käyttämällä uraanin halkeamisen räjähtävää ketjureaktiota - toisin sanoen atomiräjähdyksen pitäisi luoda olosuhteet (erittäin korkea lämpötila ja paine) lämpöydinfuusion aloittamiseksi. Hieman myöhemmin Enrico Fermi, joka osallistui amerikkalaisen atomipommin luomiseen, tuli samaan ajatukseen. Vuonna 1946 Los Alamosin laboratoriossa aloitettiin lämpöydinenergian käyttöä koskeva tutkimushanke Edward Tellerin johdolla.
Yhdysvaltain armeija räjähti ensimmäisen lämpöydinlaitteen 1. marraskuuta 1952 Enewetokin atollilla Tyynellämerellä. Teimme samanlaisen kokeen vuonna 1953. Siksi ihmiskunta on käyttänyt lämpöydinfuusiota yli kuusikymmentä vuotta, mutta vain tuhoaviin tarkoituksiin. Miksi et voi käyttää sitä järkevämmin?
Plasman päälliköt
Mainosvideo:
Energian kannalta optimaalinen plasman lämpötila lämpöydinreaktiossa on 100 miljoonaa astetta. Tämä on useita kertoja korkeampi kuin lämpötila auringon sisällä. Kuinka olla?
Fyysikot ovat ehdottaneet plasman pitämistä "magneettilukossa". 1950-luvun alussa Andrei Saharov ja Igor Tamm laskivat magneettikenttien kokoonpanon, joka pystyy puristamaan plasman ohueksi filamentiksi ja estämään sen putoamisen kammion seinämille. Heidän ehdottaman järjestelmän pohjalta luotiin lukuisia tokamakkeja.
Uskotaan, että termi "TOKAMAK" on peräisin lyhenteestä lauseelle "TOroidal CAMERA with Magnetic Coils". Tärkein muotoiluelementti on kelat, jotka luovat voimakkaan magneettikentän. Tokamakin työskentelykammio on täytetty kaasulla. Pyörrekentän vaikutuksesta tapahtuvan hajoamisen seurauksena kammion kaasun tehostettu ionisaatio tapahtuu, mikä muuttaa sen plasmaksi. Muodostuu plasmalanka, joka liikkuu toroidikammiota pitkin ja jota lämmitetään pitkittäisellä sähkövirralla. Magneettikentät pitävät johdon tasapainossa ja antavat sille muodon, joka estää sitä koskemasta seiniin ja polttamasta niitä.
Tähän mennessä plasman lämpötila tokamakkeissa on saavuttanut 520 miljoonaa astetta. Lämmittely on kuitenkin matkan alku. Tokamak ei ole voimalaitos - päinvastoin, se kuluttaa energiaa antamatta mitään vastineeksi. Lämpövoimalan tulisi rakentaa eri periaatteita.
Ensinnäkin fyysikot päättivät polttoaineesta. Lähes ihanteellinen voimareaktorille on reaktio, joka perustuu vetyisotooppien - deuteriumin ja tritiumin (D + T) - ytimien fuusioon, minkä seurauksena muodostuu helium-4-ydin ja neutroni. Tavallinen vesi toimii deuteriumin lähteenä, ja tritiumia saadaan neutronilla säteilytetystä litiumista.
Sitten plasma on lämmitettävä 100 miljoonaan asteeseen ja puristettava voimakkaasti, pitäen tässä tilassa pitkään. Suunnittelun näkökulmasta tämä on uskomattoman monimutkainen ja kallis tehtävä. Se on monimutkaisuus ja korkeat kustannukset, jotka ovat pysäyttäneet tämän energiasuunnan kehittymisen pitkään. Yhtiö ei ollut valmis rahoittamaan niin suurta projektia, ennen kuin sen menestykseen luotettiin.
Tie tulevaisuuteen
Neuvostoliitto, jossa ainutlaatuisia tokamakkeja rakennettiin, lakkasi olemasta, mutta ajatus lämpöydinenergian hallitsemisesta ei kuollut, ja johtavat maat tajusivat, että ongelma voidaan ratkaista vain yhdessä.
Ja nyt rakennetaan ensimmäinen kokeellinen lämpöydinreaktori sähkötekniikalle Cadarachen kylään, Kaakkois-Ranskaan, lähellä Aix-en-Provence -kaupunkia. Venäjä, USA, Euroopan unioni, Japani, Kiina, Etelä-Korea, Intia ja Kazakstan osallistuvat tämän suuren projektin toteuttamiseen.
Tarkkaan ottaen Cadaracheen rakennettava laitos ei vieläkään voi toimia lämpöydinvoimalaitoksena, mutta se saattaa tuoda aikansa lähemmäksi. Ei ole sattumaa, että sitä kutsuttiin ITERiksi - tämä lyhenne tarkoittaa kansainvälistä lämpöydinkokeellista reaktoria, mutta sillä on myös symbolinen merkitys: latinaksi iter on tie, polku. Siten Cadarash-reaktorin pitäisi tasoittaa tietä tulevaisuuden lämpöydinenergialle, mikä varmistaa ihmiskunnan selviytymisen fossiilisten polttoaineiden ehtymisen jälkeen.
ITER rakennetaan seuraavasti. Sen keskiosassa on toroidikammio, jonka tilavuus on noin 2000 m3 ja joka on täytetty tritium-deuterium-plasmalla, joka on kuumennettu yli 100 miljoonan asteen lämpötilaan. Fuusioreaktion aikana syntyvät neutronit lähtevät "magneettipullosta" ja "ensimmäisen seinän" läpi menevät huopaan noin metrin paksu vapaa tila. Peiton sisällä neutronit törmäävät litiumatomiin, mikä johtaa reaktioon tritiumin muodostumisen kanssa, jota tuotetaan paitsi ITERille myös muille reaktoreille, jos ne rakennetaan. Tässä tapauksessa "ensimmäinen seinä" lämmitetään neutronien avulla 400 ºC: seen. Vapautunut lämpö, kuten tavanomaisissa asemissa, otetaan ensiöjäähdytyspiirissä jäähdytysnesteellä (joka sisältää esimerkiksi vettä tai heliumia) ja siirretään sekundääripiiriin, jossa syntyy vesihöyryä,menee turbineille, jotka tuottavat sähköä.
ITER-asennus on todella megakone. Sen paino on 19 000 tonnia, toroidikammion sisäsäde on 2 metriä, ulkosäde on yli 6 metriä. Rakentaminen on jo täydessä vauhdissa, mutta kukaan ei voi sanoa varmasti, milloin ensimmäinen positiivinen energiantuotto saadaan asennuksessa. ITER aikoo kuitenkin tuottaa 200 000 kWh, mikä vastaa 70 tonnin hiilen energiaa. Tarvittava litiummäärä sisältyy yhteen tietokoneen mini-akkuun ja deuteriumin määrä 45 litraan vettä. Ja se on ehdottoman puhdasta energiaa.
Samanaikaisesti deuteriumin pitäisi riittää miljoonien vuosien ajan, ja helposti uutettavan litiumvarannot ovat riittävät vastaamaan sen tarpeeseen satojen vuosien ajan. Vaikka kivien litiumvarannot loppuvatkin, fyysikot pystyvät purkamaan sen merivedestä.
ITER rakennetaan ehdottomasti. Ja tietysti olen iloinen siitä, että maamme osallistuu tähän tulevaisuuden projektiin. Vain venäläisillä asiantuntijoilla on monen vuoden kokemus suurten suprajohtavien magneettien luomisesta, jota ilman on mahdotonta pitää plasmaa hehkulangassa: kiitos tokamakkien!
Anton Pervushin