reactor de fusión

reactor de fusión

Actualmente en desarrollo. (80 años) un dispositivo para obtener energía mediante reacciones de síntesis de luz en. núcleos que se producen a temperaturas muy altas (= 108 K). Básico El requisito que deben satisfacer las reacciones termonucleares es que la liberación de energía como resultado de las reacciones termonucleares compense con creces los costos de energía de fuentes externas. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. r. El primer tipo incluye TR, a Crimea es necesario desde el exterior. fuentes únicamente para la ignición de fusiones termonucleares. reacciones. Otras reacciones se ven favorecidas por la energía liberada en el plasma durante la fusión. reacciones; por ejemplo, en una mezcla de deuterio y tritio, la energía de las partículas a formadas durante las reacciones se consume para mantener una temperatura del plasma alta. En modo de funcionamiento estacionario T.r. la energía transportada por las partículas a compensa la energía. Pérdidas del plasma, principalmente debido a la conductividad térmica del plasma y la radiación. A este tipo de T. r. se aplica, por ejemplo, .

A otro tipo de T. r. Los reactores incluyen reactores en los que la energía liberada en forma de partículas a no es suficiente para mantener la combustión de las reacciones, pero se requiere energía de fuentes externas. fuentes. Esto sucede en aquellos reactores en los que los niveles de energía son elevados. pérdidas, p.e. Trampa magnética abierta.

T.r. Se puede construir sobre la base de sistemas magnéticos. confinamiento de plasma, como tokamak, magnético abierto. trampa, etc., o sistemas con confinamiento de plasma inercial, cuando se introduce energía en el plasma en un corto tiempo (10-8-10-7 s) (ya sea usando radiación láser o usando haces de electrones o iones relativos), suficiente para la aparición y mantenimiento de reacciones. T.r. con magnético El confinamiento por plasma puede funcionar en modos casi estacionarios o estacionarios. En el caso del confinamiento inercial del plasma T. r. debe funcionar en modo de pulso corto.

T.r. caracterizado por el coeficiente. ganancia de potencia (factor de calidad) Q, igual a la proporción la potencia térmica obtenida en el reactor con los costes de energía para su producción. Térmico T.r. Consiste en la energía liberada durante la fusión. reacciones en plasma y la potencia liberada en las llamadas. Manta TR: una capa especial que rodea el plasma y que utiliza la energía de los núcleos termonucleares y los neutrones. La tecnología más prometedora parece ser la que opera con una mezcla de deuterio y tritio debido a la mayor velocidad de reacción que otras reacciones de fusión.

T.r. con combustible deuterio-tritio, dependiendo de la composición de la manta, puede ser “puro” o híbrido. Manta de T. r. “pura”. contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones, se produce lo que "quema" en el plasma de deuterio-tritio y aumenta la energía de los termonucleares. reacciones de 17,6 a 22,4 MeV. En el manto de un híbrido T. r. No sólo se produce tritio, sino que hay zonas en las que, al colocar en ellas 238U, se puede obtener 239Pu (ver REACTOR NUCLEAR). Al mismo tiempo se libera en la manta una energía equivalente a aprox. 140 MeV por termonuclear. . Así, en el híbrido T. r. es posible obtener aproximadamente seis veces más energía que en un reactor nuclear “puro”, salvo la presencia de radioactos fisionables en el primero. in-in crea un ambiente cercano a aquel en el que hay veneno. reactores de fisión.

Diccionario enciclopédico físico. - M.: Enciclopedia soviética. Editor en jefe A. M. Prokhorov. 1983 .

reactor de fusión

Desarrollado en la década de 1990. un dispositivo para obtener energía mediante reacciones de fusión de núcleos atómicos ligeros que ocurren en plasma a temperaturas muy altas (10 8 K). Básico El requisito que debe cumplir T.R. es que la energía liberada como resultado reacciones termonucleares(TP) compensó con creces los costos de energía de fuentes externas. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. r. El primero incluye reactores, que generan energía a partir de fuentes externas. fuentes sólo es necesario para la ignición de TP. Otras reacciones se ven favorecidas, por ejemplo, por la energía liberada en el plasma en TP. En una mezcla de deuterio y tritio, la energía de las partículas a formadas durante las reacciones se consume para mantener una temperatura alta. En una mezcla de deuterio con 3 He, la energía de todos los productos de la reacción, es decir, las partículas a y los protones, se gasta en mantener la temperatura del plasma requerida. En modo de funcionamiento estacionario T.r. energía que lleva una carga. productos de reacción, compensa la energía. Pérdidas de plasma causadas principalmente por Conductividad térmica y radiación del plasma. Estos reactores se denominan Reactores con ignición de una reacción termonuclear autosostenida (ver. Criterio de encendido). Un ejemplo de tal T.r.: tokamak, estelarador.

A otros tipos de T. r. Los reactores incluyen reactores en los que la energía liberada en el plasma en forma de cargas es insuficiente para mantener la combustión de las reacciones. productos de reacción, pero se necesita energía de fuentes externas. fuentes. Estos reactores suelen denominarse reactores que apoyan la combustión de reacciones termonucleares. Esto sucede en aquellos ríos T. donde la energía es alta. pérdidas, p.e. revista abierta. trampa, tokamak, que funciona en un modo con densidad de plasma y temperatura por debajo de la curva de ignición TP. Estos dos tipos de reactores incluyen todos los tipos posibles de T. r., que pueden construirse sobre la base de sistemas magnéticos. confinamiento de plasma (tokamak, stellarator, trampa magnética abierta, etc.) o sistemas con retención inercial plasma.

Reactor termonuclear experimental internacional ITER: 1 - central; 2 - frazada - ; 3 - plasma; 4 - pared de vacío; 5 - tubería de bombeo; 6- criostato; 7- bobinas de control activo; 8 - bobinas de campo magnético toroidales; 9 - primera pared; 10 - placas desviadoras; 11 - Bobinas de campo magnético poloidal.

Un reactor con confinamiento de plasma inercial se caracteriza por el hecho de que en un corto tiempo (10 -8 -10 -7 s) se introduce en él energía mediante radiación láser o haces de electrones o iones relativistas, suficiente para la aparición y mantenimiento de TP. Un reactor de este tipo sólo funcionará en modo de pulso corto, a diferencia de un reactor con imán. confinamiento de plasma, que puede funcionar en modos casi estacionarios o incluso estacionarios.

T.r. caracterizado por el coeficiente. ganancia de potencia (factor de calidad) P, igual a la relación entre la potencia térmica del reactor y los costos de energía de su producción. Energía térmica El reactor consiste en la potencia liberada durante TP en el plasma, la potencia introducida en el plasma para mantener la temperatura de combustión TP o mantener una corriente estacionaria en el plasma en el caso de un tokamak, y la potencia liberada en el llamado.

Desarrollo de T.r. con magnético La retención es más avanzada que los sistemas de retención inercial. Esquema del Experimento Termonuclear Internacional. En la figura se muestra el reactor ITER tokamak, un proyecto desarrollado desde 1988 por cuatro partes: la URSS (desde 1992 Rusia), los EE.UU., los países de Euratom y Japón. T.r. Tiene . parámetros: gran radio de plasma 8,1 m; radio de plasma pequeño en promedio. plano 3 m; alargamiento de la sección transversal del plasma 1,6; mag toroidal. en el eje 5,7 Tesla; plasma clasificado 21 MA; Potencia termonuclear nominal con combustible DT 1500 MW. El reactor contiene trazas. básico nodos: centro. solenoide I, eléctrico cuyo campo realiza, regula el aumento de corriente y lo mantiene junto con especial. El sistema se complementará calentamiento por plasma; primera pared 9, los bordes miran directamente al plasma y perciben flujos de calor en forma de radiación y partículas neutras; manta - protección 2, qué fenómenos una parte integral de T. r. con combustible deuterio-tritio (DT), ya que el tritio quemado en el plasma se reproduce en la manta. T.r. con combustible DT, dependiendo del material de la manta, puede ser “puro” o híbrido. Manta de T. r. "pura". contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones termonucleares, se produce tritio: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, y la energía TP aumenta de 17,6 MeV a 22,4 MeV. En el espacio en blanco reactor de fusión híbrido No sólo se produce tritio, sino que hay zonas en las que se depositan residuos de 238 U para producir 239 Pu. Al mismo tiempo, se libera en la manta una energía equivalente a 140 MeV por neutrón termonuclear. T. o., en un híbrido T. r. Es posible obtener aproximadamente seis veces más energía por evento de fusión inicial que en T.R. “puro”, pero la presencia en el primer caso de radioactos fisionables. sustancias crean radiación. un ambiente similar al del cielo que existe en reactores nucleares división.

En T.r. con combustible sobre una mezcla de D con 3 He, no hay manta, ya que no es necesario reproducir tritio: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), y toda la energía se libera en el forma de cargo. productos de reacción. Radiación La protección está diseñada para absorber la energía de neutrones y actos radiactivos. radiación y reducción del calor y los flujos de radiación hacia el imán superconductor. sistema a un nivel aceptable para funcionamiento estacionario. Bobinas magnéticas toroidales campos 8 sirven para crear un imán toroidal. campos y se vuelven superconductores utilizando un superconductor de Nb 3 Sn y una matriz de cobre que funciona a la temperatura del helio líquido (4,2 K). El desarrollo de la tecnología para obtener superconductividad a altas temperaturas podría permitir prescindir del enfriamiento de las bobinas con helio líquido y pasar a un método de enfriamiento más económico, por ejemplo. nitrógeno líquido. El diseño del reactor no cambiará significativamente. Bobinas de campo poloidal 11 También son superconductores y, junto con el magnesio. el campo de corriente de plasma crea una configuración de equilibrio del campo magnético poloidal. campos con uno o dos ceros poloidales desviadores 10, sirviendo para eliminar el calor del plasma en forma de un flujo de cargas. partículas y para bombear productos de reacción neutralizados en las placas desviadoras: helio y protio. En T.r. con combustible D 3 He, las placas desviadoras pueden servir como uno de los elementos del sistema de conversión de energía de carga directa. productos de reacción en electricidad. criostato 6 Sirve para enfriar bobinas superconductoras a la temperatura del helio líquido o temperaturas más altas cuando se utilizan superconductores de alta temperatura más avanzados. Cámara de vacío 4 y los medios de bombeo 5 están diseñados para obtener un alto vacío en la cámara de trabajo del reactor, en la que se crea el plasma. 3, y en todos los volúmenes auxiliares, incluido el criostato.

Como primer paso hacia la creación de energía termonuclear, se propone un reactor termonuclear que funcione con una mezcla DT debido a su mayor velocidad de reacción que otras reacciones de fusión. En el futuro, se está considerando la posibilidad de crear un T. r. de baja radiactividad. sobre una mezcla de D con 3 He, en la que bas. la energía lleva una carga. Los productos de reacción y los neutrones aparecen solo en las reacciones DD y DT durante la quema del tritio generado en las reacciones DD. Como resultado, biol. peligro T. r. aparentemente puede reducirse entre cuatro y cinco órdenes de magnitud en comparación con los reactores de fisión nuclear, no hay necesidad de procesamiento radioactivo Materiales y su transporte, la eliminación de materiales radiactivos se simplifica cualitativamente. desperdiciar. Sin embargo, las perspectivas de crear un TR respetuoso con el medio ambiente en el futuro también son escasas. sobre una mezcla de D con 3 No complicado por el problema de las materias primas: natural. Las concentraciones del isótopo 3 He en la Tierra son partes por millón del isótopo 4 He. Por tanto, surge la difícil cuestión de obtener materias primas, p.e. entregándolo desde la Luna.

Recientemente tuvo lugar en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú una presentación rusa del proyecto ITER, en cuyo marco está previsto crear reactor de fusión, trabajando según el principio de un tokamak. Un grupo de científicos de Rusia habló sobre el proyecto internacional y la participación de físicos rusos en la creación de este objeto. Lenta.ru asistió a la presentación de ITER y habló con uno de los participantes del proyecto.

ITER (ITER, Reactor Experimental Termonuclear Internacional) es un proyecto de reactor termonuclear que permite la demostración e investigación de tecnologías termonucleares para su uso posterior con fines pacíficos y comerciales. Los creadores del proyecto creen que la fusión termonuclear controlada puede convertirse en la energía del futuro y servir como alternativa al gas, el petróleo y el carbón modernos. Los investigadores destacan la seguridad, el respeto al medio ambiente y la accesibilidad de la tecnología ITER en comparación con la energía convencional. La complejidad del proyecto es comparable a la del Gran Colisionador de Hadrones; la instalación del reactor incluye más de diez millones elementos estructurales.

Acerca del ITER

Los imanes toroidales Tokamak requieren 80 mil kilómetros de filamentos superconductores; su peso total alcanza las 400 toneladas. El reactor en sí pesará alrededor de 23 mil toneladas. En comparación, el peso de la Torre Eiffel en París es de sólo 7,3 mil toneladas. El volumen de plasma en el tokamak alcanzará los 840 metros cúbicos, mientras que, por ejemplo, en el mayor reactor de este tipo que opera en Gran Bretaña, el JET, el volumen será de cien metros cúbicos.

La altura del tokamak será de 73 metros, de los cuales 60 metros estarán sobre el suelo y 13 metros bajo él. A modo de comparación, la altura de la Torre Spasskaya del Kremlin de Moscú es de 71 metros. La plataforma del reactor principal tendrá una superficie de 42 hectáreas, comparable a la superficie de 60 campos de fútbol. La temperatura en el plasma del tokamak alcanzará los 150 millones de grados centígrados, diez veces más que la temperatura en el centro del Sol.

En la construcción del ITER en el segundo semestre de 2010 está previsto que participen hasta cinco mil personas simultáneamente, entre trabajadores e ingenieros, así como personal administrativo. Muchos de los componentes del ITER serán transportados desde el puerto cercano al mar Mediterráneo a lo largo de una carretera especialmente construida de aproximadamente 104 kilómetros de longitud. En particular, se transportará el fragmento más pesado de la instalación, cuyo peso será de más de 900 toneladas y su longitud será de unos diez metros. Se retirarán más de 2,5 millones de metros cúbicos de tierra del lugar de construcción de la instalación ITER.

Costos totales de diseño y trabajos de construcción se estiman en 13 mil millones de euros. Estos fondos son asignados por siete participantes principales del proyecto que representan los intereses de 35 países. En comparación, los costos totales de construcción y mantenimiento del Gran Colisionador de Hadrones son casi la mitad, y la construcción y el mantenimiento del Aeropuerto Internacional estación Espacial Cuesta casi una vez y media más.

Tokamak

Hoy en el mundo hay dos proyectos prometedores de reactores termonucleares: tokamak ( Eso roidal ká medir con mamá podrido A atushki) y stellarator. En ambas instalaciones, el plasma está contenido por un campo magnético, pero en un tokamak tiene forma de cordón toroidal por el que pasa una corriente eléctrica, mientras que en un stellarator el campo magnético es inducido por bobinas externas. En los reactores termonucleares se producen reacciones de síntesis de elementos pesados ​​a partir de elementos ligeros (helio a partir de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio), a diferencia de los reactores convencionales, donde se inician los procesos de desintegración de núcleos pesados ​​​​en núcleos más ligeros.

Foto: Centro Nacional de Investigación “Instituto Kurchatov” / nrcki.ru

La corriente eléctrica del tokamak también se utiliza para calentar inicialmente el plasma a una temperatura de unos 30 millones de grados centígrados; El calentamiento adicional se realiza mediante dispositivos especiales.

El diseño teórico de un tokamak fue propuesto en 1951. físicos soviéticos Andrei Sakharov e Igor Tamm, y en 1954 se construyó la primera instalación en la URSS. Sin embargo, los científicos no pudieron mantener el plasma en un estado estable durante mucho tiempo y, a mediados de la década de 1960, el mundo estaba convencido de que la fusión termonuclear controlada basada en un tokamak era imposible.

Pero apenas tres años después, en la instalación T-3 del Instituto Kurchatov de Energía Atómica, bajo la dirección de Lev Artsimovich, fue posible calentar el plasma a una temperatura de más de cinco millones de grados Celsius y mantenerlo por un corto tiempo. tiempo; Los científicos británicos que asistieron al experimento registraron en sus aparatos una temperatura de unos diez millones de grados. Después de esto, comenzó un verdadero boom del tokamak en el mundo, de modo que se construyeron alrededor de 300 instalaciones en el mundo, las más grandes de las cuales se encuentran en Europa, Japón, Estados Unidos y Rusia.

Imagen: Rfassbind/wikipedia.org

Gestión del ITER

¿Cuál es la base para confiar en que el ITER estará operativo dentro de cinco a diez años? ¿Sobre qué desarrollos prácticos y teóricos?

Por parte rusa cumplimos el calendario de trabajo establecido y no vamos a violarlo. Desgraciadamente, vemos algunos retrasos en el trabajo que realizan otros, principalmente en Europa; Hay un retraso parcial en América y hay una tendencia a que el proyecto se retrase un poco. Detenido pero no detenido. Hay confianza en que funcionará. El concepto del proyecto en sí es completamente teórico, calculado en la práctica y confiable, por lo que creo que funcionará. Si dará completamente los resultados anunciados... esperaremos y veremos.

¿Es el proyecto más bien un proyecto de investigación?

Ciertamente. El resultado indicado no es el resultado obtenido. Si lo recibo completo, estaré extremadamente feliz.

¿Qué nuevas tecnologías han aparecido, están apareciendo o aparecerán en el proyecto ITER?

El proyecto ITER no es sólo un proyecto supercomplejo, sino también muy estresante. Estresante en términos de carga energética, condiciones de funcionamiento de ciertos elementos, incluidos nuestros sistemas. Por lo tanto, en este proyecto simplemente deben nacer nuevas tecnologías.

¿Hay un ejemplo?

Espacio. Por ejemplo, nuestros detectores de diamantes. Discutimos la posibilidad de utilizar nuestros detectores de diamantes en camiones espaciales, que son vehículos nucleares que transportan ciertos objetos como satélites o estaciones de órbita en órbita. Existe un proyecto de este tipo para un camión espacial. Dado que se trata de un dispositivo con un reactor nuclear a bordo, entonces condiciones difíciles El funcionamiento requiere análisis y control, por lo que nuestros detectores podrían hacerlo fácilmente. Por el momento, el tema de la creación de dichos diagnósticos aún no está financiado. Si se crea, se puede aplicar y entonces no será necesario invertir dinero en la etapa de desarrollo, sino solo en la etapa de desarrollo e implementación.

¿Cuál es la proporción de los desarrollos rusos modernos de los años 2000 y 1990 en comparación con los desarrollos soviéticos y occidentales?

La proporción de la contribución científica rusa al ITER en comparación con la global es muy grande. No lo sé exactamente, pero es muy significativo. Es evidente que no es menor que el porcentaje ruso de participación financiera en el proyecto, porque en muchos otros equipos hay un gran número de rusos que se fueron al extranjero a trabajar en otros institutos. En Japón y Estados Unidos, en todas partes, nos comunicamos y trabajamos muy bien con ellos, algunos representan a Europa, otros representan a Estados Unidos. Además, allí también hay escuelas científicas. Por lo tanto, sobre si estamos desarrollando más o más lo que hicimos antes... Uno de los grandes dijo que "estamos sobre los hombros de titanes", por lo tanto, la base que se desarrolló en la época soviética es innegablemente grande y sin ella somos nada que no pudiéramos. Pero incluso en este momento no nos quedamos quietos, sino que nos estamos moviendo.

¿Qué hace exactamente su grupo en el ITER?

Tengo un sector en el departamento. El departamento está desarrollando varios diagnósticos; nuestro sector está desarrollando específicamente una cámara de neutrones vertical, diagnósticos de neutrones ITER y resuelve una amplia gama de problemas desde el diseño hasta la fabricación, además de realizar trabajos de investigación relacionados con el desarrollo, en particular, del diamante. detectores. El detector de diamantes es un dispositivo único, creado originalmente en nuestro laboratorio. Utilizado anteriormente en muchas instalaciones termonucleares, ahora se utiliza ampliamente en muchos laboratorios desde Estados Unidos hasta Japón; ellos, digamos, nos siguieron, pero nosotros seguimos en la cima. Ahora estamos fabricando detectores de diamantes y vamos a alcanzar su nivel. producción industrial(producción a pequeña escala).

¿En qué industrias se pueden utilizar estos detectores?

En este caso se trata de investigaciones termonucleares, en el futuro suponemos que tendrán demanda en la energía nuclear.

¿Qué hacen exactamente los detectores, qué miden?

Neutrones. No hay producto más valioso que el neutrón. Tú y yo también estamos compuestos de neutrones.

¿Qué características de los neutrones miden?

Espectral. En primer lugar, la tarea inmediata que se resuelve en el ITER es la medición de los espectros de energía de los neutrones. Además, controlan la cantidad y la energía de los neutrones. La segunda tarea adicional se refiere a la energía nuclear: tenemos desarrollos paralelos que también pueden medir los neutrones térmicos, que son la base de los reactores nucleares. Esta es una tarea secundaria para nosotros, pero también se está desarrollando, es decir, podemos trabajar aquí y al mismo tiempo hacer desarrollos que puedan aplicarse con bastante éxito en la energía nuclear.

¿Qué métodos utiliza en su investigación: teórico, práctico, modelado por computadora?

Todos: desde matemáticas complejas (métodos de física matemática) y modelos matemáticos hasta experimentos. todo lo mas diferentes tipos Los cálculos que realizamos se confirman y verifican mediante experimentos, porque disponemos directamente de un laboratorio experimental con varios generadores de neutrones en funcionamiento, en los que probamos los sistemas que nosotros mismos desarrollamos.

¿Tiene un reactor en funcionamiento en su laboratorio?

No un reactor, sino un generador de neutrones. Un generador de neutrones es, de hecho, un minimodelo de las reacciones termonucleares en cuestión. Allí todo es igual, sólo que el proceso es ligeramente diferente. Funciona según el principio de un acelerador: es un haz de ciertos iones que alcanza un objetivo. Es decir, en el caso del plasma, tenemos un objeto caliente en el que cada átomo tiene alta energía, y en nuestro caso, un ion especialmente acelerado golpea un objetivo saturado con iones similares. En consecuencia, se produce una reacción. Digamos que esta es una forma de realizar la misma reacción de fusión; lo único que se ha demostrado es que este método no tiene una alta eficiencia, es decir, no obtendrá una producción de energía positiva, pero sí obtendrá la reacción en sí: observamos directamente esta reacción y las partículas y todo lo que entra en ella.

El reactor termonuclear aún no funciona y no funcionará pronto. Pero los científicos ya saben exactamente cómo funciona.

Teoría

El helio-3, uno de los isótopos del helio, puede utilizarse como combustible para un reactor termonuclear. Es raro en la Tierra, pero muy abundante en la Luna. Esta es la trama de la película de Duncan Jones del mismo nombre. Si estás leyendo este artículo, definitivamente te gustará la película.

Una reacción de fusión nuclear se produce cuando dos núcleos atómicos pequeños se fusionan en uno grande. Esta es la reacción opuesta. Por ejemplo, puedes romper dos núcleos de hidrógeno para producir helio.

Con tal reacción, se libera una gran cantidad de energía debido a la diferencia de masa: la masa de las partículas antes de la reacción es mayor que la masa del núcleo grande resultante. Esta masa se convierte en energía gracias a.

Pero para que se produzca la fusión de dos núcleos, es necesario superar su fuerza de repulsión electrostática y presionarlos fuertemente entre sí. Y a distancias pequeñas, del orden del tamaño de los núcleos, actúan fuerzas nucleares mucho mayores, por lo que los núcleos se atraen entre sí y se combinan en un núcleo grande.

Por lo tanto, la reacción de fusión termonuclear sólo puede tener lugar a temperaturas muy altas, de modo que la velocidad de los núcleos es tal que cuando chocan, tienen energía suficiente para acercarse lo suficiente entre sí para que las fuerzas nucleares actúen y se produzca una reacción. . De ahí viene la palabra "termo" en el nombre.

Práctica

Donde hay energía, hay armas. Durante la Guerra Fría, la URSS y Estados Unidos desarrollaron bombas termonucleares (o de hidrógeno). Esta es el arma más destructiva creada por la humanidad, en teoría puede destruir la Tierra.

La temperatura es el principal obstáculo para el uso de la energía termonuclear en la práctica. No existen materiales que puedan mantener esta temperatura sin derretirse.

Pero hay una salida, puedes retener el plasma gracias a la fuerte energía. En los tokamaks especiales, el plasma se puede mantener en forma de rosquilla mediante imanes enormes y potentes.

Una central de fusión es segura, respetuosa con el medio ambiente y muy económica. Puede resolver todos los problemas energéticos de la humanidad. Todo lo que queda por hacer es aprender a construir centrales termonucleares.

Reactor de fusión experimental internacional

Construir un reactor de fusión es muy difícil y muy caro. Para resolver tan grandiosa tarea, científicos de varios países combinaron sus esfuerzos: Rusia, Estados Unidos, países de la UE, Japón, India, China, República de Corea y Canadá.

Actualmente se está construyendo en Francia un tokamak experimental que costará aproximadamente 15 mil millones de dólares, según los planes estará terminado en 2019 y se realizarán experimentos en él hasta 2037. Si tienen éxito, quizás todavía tengamos tiempo de vivir en la feliz era de la energía termonuclear.

Así que concéntrate más y empieza a esperar los resultados de los experimentos, este no es un segundo iPad que debes esperar: el futuro de la humanidad está en juego.

¿Cómo comenzó todo? El “desafío energético” surgió como resultado de una combinación de los siguientes tres factores:

1. La humanidad consume actualmente una enorme cantidad de energía.

Actualmente, el consumo de energía mundial es de unos 15,7 teravatios (TW). Al dividir este valor por la población mundial, obtenemos aproximadamente 2400 vatios por persona, que pueden estimarse y visualizarse fácilmente. La energía consumida por cada habitante de la Tierra (incluidos los niños) corresponde al funcionamiento las 24 horas del día de 24 lámparas eléctricas de cien vatios. Sin embargo, el consumo de esta energía en todo el planeta es muy desigual, siendo muy elevado en varios países e insignificante en otros. El consumo (calculado por persona) es de 10,3 kW en EE.UU. (uno de los valores récord), 6,3 kW en Federación Rusa, 5,1 kW en el Reino Unido, etc., pero, por otro lado, es de sólo 0,21 kW en Bangladesh (¡sólo el 2% del consumo de energía de Estados Unidos!).

2. El consumo mundial de energía está aumentando dramáticamente.

Según la Agencia Internacional de Energía (2006), se espera que el consumo mundial de energía aumente un 50% para 2030. Por supuesto, los países desarrollados podrían funcionar bien sin energía adicional, pero este crecimiento es necesario para sacar a la gente de la pobreza en los países en desarrollo, donde 1.500 millones de personas sufren graves cortes de energía.

3. Actualmente, el 80% de la energía mundial proviene de la quema de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), cuyo uso:
a) potencialmente plantea un riesgo de cambios ambientales catastróficos;
b) inevitablemente debe terminar algún día.

De lo dicho se desprende claramente que ahora debemos prepararnos para el fin de la era del uso de combustibles fósiles.

Actualmente, las centrales nucleares producen la energía liberada durante las reacciones de fisión de los núcleos atómicos a gran escala. Se debe fomentar por todos los medios la creación y el desarrollo de este tipo de estaciones, pero hay que tener en cuenta que las reservas de uno de los materiales más importantes para su funcionamiento (el uranio barato) también pueden agotarse por completo en los próximos 50 años. . Las posibilidades de la energía basada en la fisión nuclear pueden (y deben) ampliarse significativamente mediante el uso de ciclos energéticos más eficientes, permitiendo que la cantidad de energía producida casi se duplique. Para desarrollar energía en esta dirección, es necesario crear reactores de torio (los llamados reactores reproductores de torio o reactores reproductores), en los que la reacción produce más torio que el uranio original, como resultado de lo cual la cantidad total de energía producida. para una determinada cantidad de sustancia aumenta 40 veces. También parece prometedor crear reproductores de plutonio utilizando neutrones rápidos, que son mucho más eficientes que los reactores de uranio y pueden producir 60 veces más energía. Puede ser que para desarrollar estas áreas sea necesario desarrollar métodos nuevos y no estándar para obtener uranio (por ejemplo, del agua de mar, que parece ser el más accesible).

Plantas de energía de fusión

La figura muestra diagrama de circuito(sin respetar la escala) la estructura y el principio de funcionamiento de una central termonuclear. En la parte central hay una cámara toroidal (en forma de rosquilla) con un volumen de ~2000 m3, llena de plasma de tritio-deuterio (T-D) calentado a una temperatura superior a 100 M°C. Los neutrones producidos durante la reacción de fusión (1) abandonan la “botella magnética” y entran en la capa que se muestra en la figura con un espesor de aproximadamente 1 m.

Dentro de la capa, los neutrones chocan con los átomos de litio, lo que resulta en una reacción que produce tritio:

neutrón + litio → helio + tritio

Además, en el sistema se producen reacciones competitivas (sin formación de tritio), así como muchas reacciones con liberación de neutrones adicionales, que luego también conducen a la formación de tritio (en este caso, la liberación de neutrones adicionales puede ser mejorado significativamente, por ejemplo, mediante la introducción de átomos de berilio y plomo en la capa). La conclusión general es que esta instalación podría (al menos teóricamente) sufrir una reacción de fusión nuclear que produciría tritio. En este caso, la cantidad de tritio producida no sólo debería cubrir las necesidades de la propia instalación, sino también ser incluso algo mayor, lo que permitirá abastecer de tritio a nuevas instalaciones. Es este concepto operativo el que debe probarse e implementarse en el reactor ITER que se describe a continuación.

Además, los neutrones deben calentar la carcasa en las llamadas instalaciones piloto (en las que las instalaciones relativamente “ordinarias” materiales de construcción) a aproximadamente 400°C. En el futuro está previsto crear instalaciones mejoradas con una temperatura de calentamiento de la carcasa superior a 1.000°C, lo que se puede lograr mediante el uso de los últimos materiales de alta resistencia (como los compuestos de carburo de silicio). El calor generado en la carcasa, como en las estaciones convencionales, es recogido por el circuito de refrigeración primario con un refrigerante (que contiene, por ejemplo, agua o helio) y transferido al circuito secundario, donde se produce vapor de agua y se suministra a las turbinas.

1985 - Unión Soviética propuso la instalación Tokamak de próxima generación, utilizando la experiencia de cuatro países líderes en la creación de reactores de fusión. Los Estados Unidos de América, junto con Japón y la Comunidad Europea, presentaron una propuesta para la implementación del proyecto.

Actualmente, en Francia se está construyendo el reactor termonuclear experimental internacional ITER (International Tokamak Experimental Reactor), que se describe a continuación, y que será el primer tokamak capaz de “encender” plasma.

Las instalaciones tokamak más avanzadas existentes alcanzan desde hace mucho tiempo temperaturas de unos 150 M°C, cercanas a los valores necesarios para el funcionamiento de una estación de fusión, pero el reactor ITER debería ser la primera central eléctrica a gran escala diseñada durante mucho tiempo. -operación a plazo. En el futuro, será necesario mejorar significativamente sus parámetros de funcionamiento, lo que requerirá, en primer lugar, aumentar la presión en el plasma, ya que la velocidad de fusión nuclear a una temperatura determinada es proporcional al cuadrado de la presión. El principal problema científico en este caso está relacionado con el hecho de que cuando aumenta la presión en el plasma surgen inestabilidades muy complejas y peligrosas, es decir, modos de funcionamiento inestables.

¿Porqué necesitamos esto?

La principal ventaja de la fusión nuclear es que sólo requiere como combustible cantidades muy pequeñas de sustancias muy comunes en la naturaleza. La reacción de fusión nuclear en las instalaciones descritas puede dar lugar a la liberación de enormes cantidades de energía, diez millones de veces mayor que el calor estándar liberado durante las reacciones químicas convencionales (como la combustión de combustibles fósiles). A modo de comparación, señalamos que la cantidad de carbón necesaria para alimentar una central térmica con una capacidad de 1 gigavatio (GW) es de 10.000 toneladas por día (diez vagones de ferrocarril), y una planta de fusión de la misma potencia consumirá sólo alrededor de 1 kilogramo de la mezcla D+T al día.

El deuterio es un isótopo estable del hidrógeno; En aproximadamente una de cada 3.350 moléculas de agua ordinaria, uno de los átomos de hidrógeno es reemplazado por deuterio (un legado que heredamos de Big Bang). Este hecho facilita la organización de una producción bastante económica de la cantidad necesaria de deuterio a partir del agua. Es más difícil obtener tritio, que es inestable (la vida media es de unos 12 años, por lo que su contenido en la naturaleza es insignificante), sin embargo, como se muestra arriba, el tritio aparecerá directamente dentro de la instalación termonuclear durante el funcionamiento. debido a la reacción de los neutrones con el litio.

Así, el combustible inicial para un reactor de fusión es litio y agua. El litio es un metal común muy utilizado en electrodomésticos (baterías para teléfonos móviles etcétera.). La instalación descrita anteriormente, incluso teniendo en cuenta la eficiencia no ideal, podrá producir 200.000 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a la energía contenida en 70 toneladas de carbón. La cantidad de litio necesaria para ello está contenida en una batería de ordenador y la cantidad de deuterio, en 45 litros de agua. El valor anterior corresponde al consumo actual de electricidad (calculado por persona) en los países de la UE durante 30 años. El hecho mismo de que una cantidad tan insignificante de litio pueda garantizar la generación de tal cantidad de electricidad (sin emisiones de CO2 y sin la más mínima contaminación del aire) es un argumento bastante serio a favor del desarrollo más rápido y vigoroso de la energía termonuclear (a pesar de todos los dificultades y problemas) e incluso sin confianza al cien por cien en el éxito de dicha investigación.

El deuterio debería durar millones de años, y las reservas de litio, que se pueden extraer fácilmente, son suficientes para satisfacer las necesidades durante cientos de años. Incluso si se agota el litio de las rocas, podemos extraerlo del agua, donde se encuentra en concentraciones suficientemente altas (100 veces la concentración de uranio) para que su extracción sea económicamente viable.

Se está construyendo un reactor termonuclear experimental (reactor termonuclear experimental internacional) cerca de la ciudad de Cadarache en Francia. El objetivo principal del proyecto ITER es implementar una reacción de fusión termonuclear controlada a escala industrial.

Por unidad de peso de combustible termonuclear se obtienen aproximadamente 10 millones de veces más energía que cuando se quema la misma cantidad de combustible orgánico y aproximadamente cien veces más que cuando se dividen núcleos de uranio en los reactores de las centrales nucleares actualmente en funcionamiento. Si los cálculos de científicos y diseñadores se hacen realidad, la humanidad tendrá una fuente inagotable de energía.

Por lo tanto, varios países (Rusia, India, China, Corea, Kazajstán, EE. UU., Canadá, Japón, países de la Unión Europea) unieron fuerzas para crear el Reactor Termonuclear Internacional de Investigación, un prototipo de nuevas centrales eléctricas.

ITER es una instalación que crea las condiciones para la síntesis de átomos de hidrógeno y tritio (un isótopo de hidrógeno), lo que da como resultado la formación de un nuevo átomo: el átomo de helio. Este proceso va acompañado de una enorme explosión de energía: la temperatura del plasma en el que se produce la reacción termonuclear es de unos 150 millones de grados Celsius (a modo de comparación, la temperatura del núcleo del Sol es de 40 millones de grados). En este caso, los isótopos se queman y prácticamente no quedan residuos radiactivos.
El plan de participación en el proyecto internacional prevé el suministro de componentes del reactor y la financiación de su construcción. A cambio de esto, cada uno de los países participantes recibe pleno acceso a todas las tecnologías para la creación de un reactor termonuclear y a los resultados de todos los trabajos experimentales en este reactor, que servirán de base para el diseño de reactores termonucleares de potencia en serie.

El reactor, basado en el principio de fusión termonuclear, no emite radiación radiactiva y es completamente seguro para ambiente. Se puede ubicar casi en cualquier lugar. globo, y el combustible para ello es agua corriente. Se espera que la construcción del ITER dure unos diez años, tras los cuales el reactor estará en funcionamiento durante 20 años.

En los próximos años, los intereses de Rusia en el Consejo de la Organización Internacional para la Construcción del Reactor Termonuclear ITER estarán representados por el Miembro Correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Mikhail Kovalchuk, Director del Centro de Investigación Ruso, Instituto Kurchatov, Instituto de Cristalografía de la Academia de Ciencias de Rusia y Secretario Científico del Consejo Presidencial de Ciencia, Tecnología y Educación. Kovalchuk sustituirá temporalmente en este cargo al académico Evgeniy Velikhov, quien fue elegido presidente del Consejo Internacional ITER para los próximos dos años y no tiene derecho a combinar este puesto con las funciones de representante oficial de un país participante.

El coste total de la construcción se estima en 5 mil millones de euros, y se necesitará la misma cantidad para la operación de prueba del reactor. Las participaciones de India, China, Corea, Rusia, EE.UU. y Japón representan cada uno aproximadamente el 10 por ciento del valor total, el 45 por ciento proviene de los países de la Unión Europea. Sin embargo, los estados europeos aún no se han puesto de acuerdo sobre cómo se distribuirán exactamente los costes entre ellos. Debido a esto, el inicio de la construcción se pospuso hasta abril de 2010. A pesar del último retraso, los científicos y funcionarios involucrados en ITER dicen que podrán completar el proyecto en 2018.

La potencia termonuclear estimada del ITER es de 500 megavatios. Las piezas magnéticas individuales alcanzan un peso de 200 a 450 toneladas. Para enfriar el ITER se necesitarán 33.000 metros cúbicos de agua al día.

En 1998, Estados Unidos dejó de financiar su participación en el proyecto. Después de que los republicanos llegaron al poder y comenzaron los apagones en California, la administración Bush anunció una mayor inversión en energía. Estados Unidos no tenía la intención de participar en el proyecto internacional y estaba involucrado en su propio proyecto termonuclear. A principios de 2002, el asesor tecnológico del presidente Bush, John Marburger III, dijo que Estados Unidos había cambiado de opinión y tenía intención de volver al proyecto.

En cuanto al número de participantes, el proyecto es comparable a otro gran proyecto científico internacional: la Estación Espacial Internacional. El coste del ITER, que antes ascendía a 8 mil millones de dólares, entonces ascendía a menos de 4 mil millones. Como consecuencia de la retirada de Estados Unidos de su participación, se decidió reducir la potencia del reactor de 1,5 GW a 500 MW. En consecuencia, el precio del proyecto también ha disminuido.

En junio de 2002 se celebró en la capital rusa el simposio “Días ITER en Moscú”. Se discutieron los problemas teóricos, prácticos y organizativos de reactivar el proyecto, cuyo éxito puede cambiar el destino de la humanidad y darle el nuevo tipo energía, comparable en eficiencia y economía sólo a la energía del sol.

En julio de 2010, representantes de los países participantes en el proyecto del reactor termonuclear internacional ITER aprobaron su presupuesto y calendario de construcción en una reunión extraordinaria celebrada en Cadarache, Francia. .

En la última reunión extraordinaria, los participantes del proyecto aprobaron la fecha de inicio de los primeros experimentos con plasma: 2019. Los experimentos completos están previstos para marzo de 2027, aunque la dirección del proyecto pidió a los especialistas técnicos que intentaran optimizar el proceso y comenzar los experimentos en 2026. Los participantes en la reunión también decidieron los costes de construcción del reactor, pero no se revelaron las cantidades previstas para la construcción de la instalación. Según la información recibida por el editor del portal ScienceNOW de una fuente anónima, cuando comiencen los experimentos, el coste del proyecto ITER podría alcanzar los 16 mil millones de euros.

La reunión de Cadarache marcó también la primera jornada de trabajo oficial del nuevo director del proyecto, el físico japonés Osamu Motojima. Antes que él, el proyecto lo dirigió desde 2005 el japonés Kaname Ikeda, que quiso dejar su cargo inmediatamente después de que se aprobaran el presupuesto y los plazos de construcción.

El reactor de fusión ITER es un proyecto conjunto de la Unión Europea, Suiza, Japón, Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur, China e India. La idea de crear ITER se ha estado considerando desde los años 80 del siglo pasado, sin embargo, debido a dificultades financieras y técnicas, el costo del proyecto aumenta constantemente y la fecha de inicio de la construcción se pospone constantemente. En 2009, los expertos esperaban que los trabajos de construcción del reactor comenzarían en 2010. Posteriormente, esta fecha se trasladó y se fijó primero 2018 y luego 2019 como fecha de lanzamiento del reactor.

Las reacciones de fusión termonuclear son reacciones de fusión de núcleos de isótopos ligeros para formar un núcleo más pesado, que van acompañadas de una enorme liberación de energía. En teoría, los reactores de fusión pueden producir mucha energía a bajo coste, pero actualmente los científicos gastan mucha más energía y dinero para iniciar y mantener la reacción de fusión.

La fusión termonuclear es una forma barata y respetuosa con el medio ambiente de producir energía. En el Sol se produce desde hace miles de millones de años una fusión termonuclear incontrolada: el helio se forma a partir del isótopo pesado del hidrógeno, el deuterio. Esto libera una cantidad colosal de energía. Sin embargo, la gente en la Tierra aún no ha aprendido a controlar tales reacciones.

El reactor ITER utilizará isótopos de hidrógeno como combustible. Durante una reacción termonuclear, se libera energía cuando los átomos ligeros se combinan en otros más pesados. Para lograrlo, el gas debe calentarse a una temperatura de más de 100 millones de grados, mucho más alta que la temperatura en el centro del Sol. El gas a esta temperatura se convierte en plasma. Al mismo tiempo, los átomos de los isótopos de hidrógeno se fusionan y se convierten en átomos de helio con la liberación de gran cantidad neutrones. Una central eléctrica que funcione según este principio utilizará la energía de los neutrones ralentizados por una capa de material denso (litio).

¿Por qué tardó tanto en crear instalaciones termonucleares?

¿Por qué no se han creado todavía instalaciones tan importantes y valiosas, cuyos beneficios se han discutido durante casi medio siglo? Hay tres razones principales (que se analizan a continuación), la primera de las cuales puede llamarse externa o social, y las otras dos, internas, es decir, determinadas por las leyes y condiciones del desarrollo de la energía termonuclear.

1. Durante mucho tiempo se creyó que el problema uso práctico La energía de fusión termonuclear no requiere decisiones y acciones urgentes, ya que allá por los años 80 del siglo pasado las fuentes de combustibles fósiles parecían inagotables y los problemas ambientales y el cambio climático no preocupaban al público. En 1976, el Comité Asesor sobre Energía de Fusión del Departamento de Energía de Estados Unidos intentó estimar el plazo para la I+D y una planta de energía de fusión de demostración bajo varias opciones de financiación de la investigación. Al mismo tiempo, se descubrió que el volumen de financiación anual para la investigación en esta dirección es completamente insuficiente y, si se mantiene el nivel actual de créditos, la creación de instalaciones termonucleares nunca tendrá éxito, ya que los fondos asignados no corresponden. incluso hasta el nivel mínimo y crítico.

2. Un obstáculo más grave para el desarrollo de la investigación en este ámbito es que no se puede crear ni demostrar en pequeña escala una instalación termonuclear del tipo que estamos examinando. De las explicaciones que se presentan a continuación, quedará claro que la fusión termonuclear requiere no sólo el confinamiento magnético del plasma, sino también un calentamiento suficiente del mismo. La proporción de energía gastada y recibida aumenta al menos en proporción al cuadrado de las dimensiones lineales de la instalación, como resultado de lo cual las capacidades y ventajas científicas y técnicas de las instalaciones termonucleares solo pueden probarse y demostrarse en estaciones bastante grandes, como como el mencionado reactor ITER. La sociedad simplemente no estaba preparada para financiar proyectos tan grandes hasta que hubiera suficiente confianza en el éxito.

3. El desarrollo de la energía termonuclear ha sido muy complejo, pero (a pesar de la insuficiencia de financiación y de las dificultades en la selección de centros para la creación de instalaciones JET e ITER), en los últimos años se han observado claros avances, aunque todavía no se ha creado una estación operativa.

El mundo moderno se enfrenta a un desafío energético muy grave, que podría denominarse más exactamente una “crisis energética incierta”. El problema está relacionado con el hecho de que las reservas de combustibles fósiles pueden agotarse en la segunda mitad de este siglo. Además, la quema de combustibles fósiles puede resultar en la necesidad de secuestrar y “almacenar” de alguna manera el dióxido de carbono liberado a la atmósfera (el programa CAC mencionado anteriormente) para evitar cambios importantes en el clima del planeta.

Actualmente, casi toda la energía consumida por la humanidad se obtiene de la quema de combustibles fósiles, y la solución al problema puede estar asociada al uso de energía solar o nuclear (creación de reactores reproductores de neutrones rápidos, etc.). problema global, impulsado por la creciente población de los países en desarrollo y su necesidad de mejorar los niveles de vida y aumentar la cantidad de energía producida, no puede resolverse únicamente sobre la base de los enfoques considerados, aunque, por supuesto, cualquier intento de desarrollar métodos alternativos de producción de energía debe alentarse.

En sentido estricto, tenemos pocas opciones de estrategias de comportamiento y el desarrollo de la energía termonuclear es extremadamente importante, incluso a pesar de la falta de garantía de éxito. El periódico Financial Times (fechado el 25 de enero de 2004) escribió sobre esto:

Esperemos que no haya sorpresas importantes e inesperadas en el camino hacia el desarrollo de la energía termonuclear. En este caso, en unos 30 años podremos por primera vez suministrar corriente eléctrica a las redes energéticas, y en poco más de 10 años comenzará a funcionar la primera central termonuclear comercial. Es posible que en la segunda mitad de este siglo, la energía de fusión nuclear comience a reemplazar a los combustibles fósiles y gradualmente comience a desempeñar un papel cada vez más importante en el suministro de energía a la humanidad a escala global.

No existe una garantía absoluta de que la tarea de crear energía termonuclear (como fuente de energía eficaz y a gran escala para toda la humanidad) se complete con éxito, pero la probabilidad de éxito en esta dirección es bastante alta. Teniendo en cuenta el enorme potencial de las centrales termonucleares, todos los costos de los proyectos para su rápido (e incluso acelerado) desarrollo pueden considerarse justificados, sobre todo porque estas inversiones parecen muy modestas en el contexto del monstruoso mercado energético mundial (4 billones de dólares al año8). Satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad es un problema muy grave. A medida que los combustibles fósiles se vuelven menos disponibles (y su uso se vuelve indeseable), la situación está cambiando y simplemente no podemos darnos el lujo de no desarrollar la energía de fusión.

A la pregunta "¿Cuándo aparecerá la energía termonuclear?" Lev Artsimovich (un reconocido pionero y líder de la investigación en este campo) respondió una vez que “se creará cuando sea verdaderamente necesario para la humanidad”.

ITER será el primer reactor de fusión que producirá más energía de la que consume. Los científicos miden esta característica utilizando un coeficiente simple que llaman "Q". Si ITER logra todos sus objetivos científicos, producirá 10 veces más energía de la que consume. El último dispositivo construido, el Joint European Thor en Inglaterra, es un prototipo de reactor de fusión más pequeño que se encuentra en sus etapas finales. investigación científica alcanzó un valor Q de casi 1. Esto significa que produjo exactamente la misma cantidad de energía que consumió. ITER irá más allá demostrando la creación de energía a partir de la fusión y logrando un valor Q de 10. La idea es generar 500 MW a partir de un consumo de energía de aproximadamente 50 MW. Por tanto, uno de los objetivos científicos del ITER es demostrar que se puede alcanzar un valor Q de 10.

Otro objetivo científico es que el ITER tenga un tiempo de "combustión" muy largo: un pulso de duración prolongada de hasta una hora. ITER es un reactor experimental de investigación que no puede producir energía de forma continua. Cuando el ITER comience a funcionar, estará encendido durante una hora, después de la cual será necesario apagarlo. Esto es importante porque lo que hemos creado hasta ahora dispositivos típicos eran capaces de tener un tiempo de combustión de varios segundos o incluso décimas de segundo; este es el máximo. El "Joint European Torus" alcanzó su valor Q de 1 con un tiempo de combustión de aproximadamente dos segundos y una duración de pulso de 20 segundos. Pero un proceso que dura unos segundos no es verdaderamente permanente. Por analogía con arrancar el motor de un automóvil: encender brevemente el motor y luego apagarlo aún no es un funcionamiento real del automóvil. Sólo cuando conduzca su automóvil durante media hora alcanzará un modo de funcionamiento constante y demostrará que un automóvil de este tipo realmente se puede conducir.

Es decir, desde un punto de vista técnico y científico, ITER proporcionará un valor Q de 10 y un mayor tiempo de funcionamiento.

El programa de fusión termonuclear es verdaderamente internacional y de naturaleza amplia. La gente ya cuenta con el éxito del ITER y está pensando en el siguiente paso: crear un prototipo de reactor termonuclear industrial llamado DEMO. Para construirlo, ITER necesita funcionar. Debemos alcanzar nuestros objetivos científicos porque esto significará que las ideas que proponemos sean totalmente factibles. Sin embargo, estoy de acuerdo en que siempre debes pensar en lo que viene después. Además, a medida que el ITER funcione durante 25 o 30 años, nuestro conocimiento se profundizará y ampliará gradualmente, y podremos delinear con mayor precisión nuestro próximo paso.

De hecho, no hay debate sobre si el ITER debería ser un tokamak. Algunos científicos plantean la pregunta de manera muy diferente: ¿debería existir el ITER? Especialistas en diferentes paises Los que desarrollan sus propios proyectos termonucleares, no a tan gran escala, argumentan que un reactor tan grande no es necesario en absoluto.

Sin embargo, su opinión difícilmente debería considerarse autorizada. En la creación del ITER participaron físicos que han trabajado con trampas toroidales durante varias décadas. El diseño del reactor termonuclear experimental en Karadash se basó en todos los conocimientos adquiridos durante los experimentos con decenas de tokamaks predecesores. Y estos resultados indican que el reactor debe ser un tokamak, y además, grande.

JET Actualmente, el tokamak de mayor éxito es el JET, construido por la UE en la ciudad británica de Abingdon. Este es el reactor tipo tokamak más grande creado hasta la fecha, el gran radio del toro de plasma es de 2,96 metros. La potencia de la reacción termonuclear ya ha alcanzado más de 20 megavatios con un tiempo de retención de hasta 10 segundos. El reactor devuelve aproximadamente el 40% de la energía introducida en el plasma.

Es la física del plasma la que determina el equilibrio energético”, dijo Ígor Semenov a Infox.ru. El profesor asociado del MIPT describió qué es el equilibrio energético con un ejemplo sencillo: “Todos hemos visto un incendio. De hecho, allí no arde madera, sino gas. La cadena energética allí es así: el gas arde, la madera se calienta, la madera se evapora, el gas vuelve a arder. Por lo tanto, si arrojamos agua al fuego, de repente tomaremos energía del sistema para la transición de fase del agua líquida al estado de vapor. El saldo se volverá negativo y el fuego se apagará. Hay otra manera: simplemente podemos tomar los tizones y esparcirlos en el espacio. El fuego también se apagará. Lo mismo ocurre con el reactor termonuclear que estamos construyendo. Las dimensiones se eligen para crear un equilibrio energético positivo apropiado para este reactor. Suficiente para construir en el futuro una verdadera central nuclear, resolviendo en esta etapa experimental todos los problemas que actualmente siguen sin resolver”.

Las dimensiones del reactor se cambiaron una vez. Esto sucedió a principios de los siglos XX y XXI, cuando Estados Unidos se retiró del proyecto y los miembros restantes se dieron cuenta de que el presupuesto del ITER (en ese momento se estimaba en 10 mil millones de dólares estadounidenses) era demasiado grande. Se requirió que físicos e ingenieros redujeran el costo de instalación. Y esto sólo se podía hacer por cuestión de tamaño. El "rediseño" del ITER estuvo dirigido por el físico francés Robert Aymar, que anteriormente trabajó en el tokamak francés Tore Supra en Karadash. El radio exterior del toro de plasma se ha reducido de 8,2 a 6,3 metros. Sin embargo, los riesgos asociados con la reducción de tamaño fueron compensados ​​en parte por varios imanes superconductores adicionales, que permitieron implementar el modo de confinamiento de plasma, que estaba abierto y estudiado en ese momento.

Hoy en día, muchos países participan en la investigación termonuclear. Los líderes son la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia y Japón, mientras que los programas en China, Brasil, Canadá y Corea se están expandiendo rápidamente. Inicialmente, los reactores de fusión en EE.UU. y la URSS estaban asociados con el desarrollo de armas nucleares y permanecieron clasificados hasta la conferencia Átomos para la paz, que tuvo lugar en Ginebra en 1958. Después de la creación del tokamak soviético, la investigación sobre la fusión nuclear se convirtió en una “gran ciencia” en la década de 1970. Pero el costo y la complejidad de los dispositivos aumentaron hasta el punto en que la cooperación internacional se convirtió en el único camino a seguir.

Reactores termonucleares en el mundo

Desde la década de 1970, el uso comercial de la energía de fusión se ha retrasado continuamente 40 años. Sin embargo, en los últimos años han ocurrido muchas cosas que podrían permitir acortar este período.

Se han construido varios tokamaks, entre ellos el JET europeo, el MAST británico y el reactor de fusión experimental TFTR en Princeton, EE.UU. El proyecto internacional ITER se encuentra actualmente en construcción en Cadarache, Francia. Será el tokamak más grande cuando entre en funcionamiento en 2020. En 2030, China construirá CFETR, que superará al ITER. Mientras tanto, China está realizando investigaciones sobre el tokamak superconductor experimental EAST.

Otro tipo de reactor de fusión, los esteladores, también es popular entre los investigadores. Uno de los más grandes, el LHD, comenzó a funcionar en el Instituto Nacional Japonés en 1998. Se utiliza para encontrar la mejor configuración magnética para el confinamiento del plasma. El Instituto alemán Max Planck realizó investigaciones en el reactor Wendelstein 7-AS en Garching entre 1988 y 2002, y actualmente en el reactor Wendelstein 7-X, cuya construcción duró más de 19 años. Otro stellarator TJII está en funcionamiento en Madrid, España. En EE.UU., el Laboratorio Princeton (PPPL), donde se construyó el primer reactor de fusión. de este tipo en 1951, detuvo la construcción del NCSX en 2008 debido a sobrecostos y falta de financiación.

Además, se han logrado avances significativos en la investigación de la fusión inercial. La construcción de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de 7 mil millones de dólares en el Laboratorio Nacional de Livermore (LLNL), financiada por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, se completó en marzo de 2009. El láser francés Mégajoule (LMJ) comenzó a operar en octubre de 2014. Los reactores de fusión utilizan láseres que emiten alrededor de 2 millones de julios de energía luminosa en unas pocas milmillonésimas de segundo a un objetivo de unos pocos milímetros de tamaño para desencadenar una reacción de fusión nuclear. La misión principal de NIF y LMJ es la investigación en apoyo de los programas nucleares militares nacionales.

ITER

En 1985, la Unión Soviética propuso construir un tokamak de próxima generación junto con Europa, Japón y Estados Unidos. El trabajo se llevó a cabo bajo los auspicios de la OIEA. Entre 1988 y 1990, se crearon los primeros diseños del Reactor Experimental Termonuclear Internacional ITER, que también significa "camino" o "viaje" en latín, para demostrar que la fusión podía producir más energía de la que absorbía. También participaron Canadá y Kazajstán, con la mediación de Euratom y Rusia, respectivamente.

Después de 6 años, el consejo del ITER aprobó la primera proyecto complejo reactor basado en física y tecnología establecidas por un valor de 6 mil millones de dólares. Luego Estados Unidos se retiró del consorcio, lo que los obligó a reducir los costos a la mitad y cambiar el proyecto. El resultado es ITER-FEAT, que cuesta 3.000 millones de dólares pero logra una respuesta autosostenible y un equilibrio de poder positivo.

En 2003, Estados Unidos se reincorporó al consorcio y China anunció su deseo de participar. Como resultado, a mediados de 2005 los socios acordaron construir ITER en Cadarache, en el sur de Francia. La UE y Francia aportaron la mitad de los 12.800 millones de euros, mientras que Japón, China, Corea del Sur, Estados Unidos y Rusia: 10% cada uno. Japón proporcionó componentes de alta tecnología, mantuvo una instalación IFMIF de mil millones de euros diseñada para probar materiales y tenía derecho a construir el próximo reactor de prueba. El coste total del ITER incluye la mitad de los costes de 10 años de construcción y la otra mitad de 20 años de funcionamiento. La India se convirtió en el séptimo miembro del ITER a finales de 2005.

Está previsto que los experimentos comiencen en 2018 utilizando hidrógeno para evitar la activación de los imanes. Usando DT No se espera plasma antes de 2026.

El objetivo del ITER es generar 500 MW (al menos durante 400 s) utilizando menos de 50 MW de potencia de entrada sin generar electricidad.

La central eléctrica de demostración de dos gigavatios de Demo producirá a gran escala de forma continua. El diseño conceptual de la demostración se completará en 2017 y la construcción comenzará en 2024. El lanzamiento tendrá lugar en 2033.

CHORRO

En 1978, la UE (Euratom, Suecia y Suiza) inició un acuerdo conjunto proyecto europeo JET en el Reino Unido. JET es hoy el tokamak en funcionamiento más grande del mundo. Un reactor similar JT-60 opera en el Instituto Nacional de Fusión de Japón, pero sólo el JET puede utilizar combustible de deuterio-tritio.

El reactor se puso en marcha en 1983 y se convirtió en el primer experimento que dio como resultado una fusión termonuclear controlada con una potencia de hasta 16 MW durante un segundo y 5 MW de potencia estable en plasma de deuterio-tritio en noviembre de 1991. Se han llevado a cabo muchos experimentos para estudiar varios esquemas de calefacción y otras técnicas.

Otras mejoras del JET implican aumentar su potencia. El reactor compacto MAST se está desarrollando junto con JET y forma parte del proyecto ITER.

K-STAR

K-STAR es un tokamak superconductor coreano del Instituto Nacional de Investigación de Fusión (NFRI) en Daejeon, que produjo su primer plasma a mediados de 2008. ITER, que es el resultado de la cooperación internacional. El Tokamak, de 1,8 m de radio, es el primer reactor que utiliza imanes superconductores de Nb3Sn, los mismos previstos para el ITER. Durante la primera fase, finalizada en 2012, K-STAR tuvo que demostrar la viabilidad de las tecnologías subyacentes y lograr pulsos de plasma que duraran hasta 20 segundos. En la segunda etapa (2013-2017), se está modernizando para estudiar pulsos largos de hasta 300 s en modo H y pasar a un modo AT de alto rendimiento. El objetivo de la tercera fase (2018-2023) es lograr una alta productividad y eficiencia en el modo de pulso largo. En la etapa 4 (2023-2025), se probarán las tecnologías DEMO. El dispositivo no es capaz de funcionar con tritio y no utiliza combustible D-T.

K-DEMO

Desarrollado en colaboración con el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. y el NFRI de Corea del Sur, se espera que K-DEMO sea el siguiente paso en el desarrollo de reactores comerciales después del ITER, y será la primera central eléctrica capaz de generar energía en red eléctrica, es decir, 1 millón de kW en unas pocas semanas. Tendrá un diámetro de 6,65 m y contará con un módulo de zona de reproducción creado en el marco del proyecto DEMO. El Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología de Corea planea invertir alrededor de un billón de wones coreanos (941 millones de dólares) en él.

ESTE

El Tokamak Superconductor Experimental Avanzado (EAST) de China en el Instituto de Física de China en Hefei creó plasma de hidrógeno a una temperatura de 50 millones de °C y lo mantuvo durante 102 s.

TFTR

En el laboratorio estadounidense PPPL funcionó el reactor experimental de fusión TFTR de 1982 a 1997. En diciembre de 1993, TFTR se convirtió en el primer tokamak magnético en realizar extensos experimentos con plasma de deuterio-tritio. Al año siguiente, el reactor produjo la entonces récord de 10,7 MW de potencia controlable y en 1995 se alcanzó un récord de temperatura de 510 millones de °C. Sin embargo, la instalación no alcanzó el objetivo de equilibrio de la energía de fusión, pero cumplió con éxito los objetivos de diseño de hardware, lo que contribuyó significativamente al desarrollo de ITER.

LHD

El LHD del Instituto Nacional de Fusión de Japón en Toki, prefectura de Gifu, era el estelarador más grande del mundo. El reactor de fusión se puso en marcha en 1998 y demostró propiedades de confinamiento de plasma comparables a las de otras grandes instalaciones. Se alcanzó una temperatura de iones de 13,5 keV (unos 160 millones de °C) y una energía de 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Después de un año de pruebas, que comenzaron a finales de 2015, las temperaturas del helio alcanzaron brevemente el millón de °C. En 2016, un reactor de fusión de plasma de hidrógeno que utilizaba 2 MW de potencia alcanzó una temperatura de 80 millones de °C en un cuarto de segundo. W7-X es el estelarador más grande del mundo y está previsto que funcione de forma continua durante 30 minutos. El coste del reactor fue de mil millones de euros.

NIF

La Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) se completó en marzo de 2009. Utilizando sus 192 rayos láser, NIF es capaz de concentrar 60 veces más energía que cualquier sistema láser anterior.

Fusión fría

En marzo de 1989, dos investigadores, el estadounidense Stanley Pons y el británico Martin Fleischman, anunciaron que habían puesto en marcha un sencillo reactor de fusión en frío de mesa que funcionaba a temperatura ambiente. El proceso implicaba la electrólisis de agua pesada utilizando electrodos de paladio en los que se concentraban núcleos de deuterio con alta densidad. Los investigadores dicen que produjo calor que sólo podría explicarse en términos de procesos nucleares, y que hubo subproductos de la fusión que incluyen helio, tritio y neutrones. Sin embargo, otros experimentadores no pudieron repetir este experimento. La mayoría de La comunidad científica no cree que los reactores de fusión fría sean reales.

Reacciones nucleares de baja energía.

Iniciada por afirmaciones de "fusión fría", la investigación ha continuado en el campo de las bajas energías con cierto apoyo empírico, pero sin una explicación científica generalmente aceptada. Aparentemente, se utilizan interacciones nucleares débiles para crear y capturar neutrones (y no una fuerza poderosa, como en su fusión). Los experimentos implican que hidrógeno o deuterio pasen a través de una capa catalítica y reaccionen con un metal. Los investigadores informan de una liberación observada de energía. Principal ejemplo práctico es la interacción del hidrógeno con el polvo de níquel con la liberación de calor, cuya cantidad es mayor que la que cualquier reacción química puede producir.