El reactor termonuclear es el futuro energético de la humanidad. Reactor termonuclear E.P. Velikhov, S.V. Putvinsky

“Lockheed Martin ha comenzado el desarrollo de un reactor de fusión compacto… El sitio web de la empresa dice que el primer prototipo se construirá en un año. Si esto resulta ser cierto, en un año viviremos en un mundo completamente diferente”, este es el comienzo de uno de los “Áticos”. Han pasado tres años desde su publicación, y el mundo no ha cambiado mucho desde entonces.

Hoy en día, en los reactores de las centrales nucleares, la energía se genera por la descomposición de núcleos pesados. En los reactores termonucleares, la energía se obtiene durante el proceso de fusión de núcleos, en el que se forman núcleos de menor masa que la suma de los originales, y el “residuo” se va en forma de energía. Los desechos de los reactores nucleares son radiactivos y su eliminación segura es un gran dolor de cabeza. Los reactores de fusión no tienen este inconveniente y también utilizan combustibles ampliamente disponibles como el hidrógeno.

Solo tienen un gran problema: los diseños industriales aún no existen. La tarea no es fácil: para las reacciones termonucleares es necesario comprimir el combustible y calentarlo a cientos de millones de grados, más caliente que en la superficie del Sol (donde las reacciones termonucleares ocurren naturalmente). Es difícil lograr una temperatura tan alta, pero es posible, solo que un reactor de este tipo consume más energía de la que produce.

Sin embargo, todavía tienen tantas ventajas potenciales que, por supuesto, no solo Lockheed Martin está involucrado en el desarrollo.

ITER

ITER es el mayor proyecto en este ámbito. En él participan la Unión Europea, India, China, Corea, Rusia, Estados Unidos y Japón, y el propio reactor se construye en Francia desde 2007, aunque su historia se remonta mucho más al pasado: Reagan y Gorbachov coincidieron en su creación en 1985. El reactor es una cámara toroidal, una “rosquilla”, en la que el plasma está retenido por campos magnéticos, por eso se le llama tokamak - entonces roidal ka medir con mamá podrido para atushkas. El reactor generará energía mediante la fusión de isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio.

Está previsto que ITER reciba 10 veces más energía de la que consume, pero esto no sucederá pronto. Inicialmente, estaba previsto que el reactor comenzara a operar en modo experimental en 2020, pero luego este período se pospuso hasta 2025. Al mismo tiempo, la producción de energía industrial no comenzará antes de 2060, y solo es posible esperar la difusión de esta tecnología a fines del siglo XXI.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X es el reactor de fusión stellarator más grande del mundo. El stellarator resuelve el problema que acecha a los tokamaks: la "esparcimiento" de plasma desde el centro del toro hasta sus paredes. Lo que el tokamak intenta resolver con su fuerte campo magnético, el stellarator lo resuelve con su forma compleja: el campo magnético que contiene el plasma se dobla para detener la invasión de partículas cargadas.

Wendelstein 7-X, como esperan sus creadores, podrá funcionar durante media hora en el año 21, lo que dará un "boleto a la vida" para la idea de estaciones termonucleares de un diseño similar.

Instalación Nacional de Encendido

Otro tipo de reactor utiliza potentes láseres para comprimir y calentar el combustible. Por desgracia, la instalación láser más grande para obtener energía termonuclear, la NIF estadounidense, no pudo producir más energía de la que consume.

Cuál de todos estos proyectos realmente "despegará" y cuál sufrirá el destino de NIF, es difícil de predecir. Queda esperar, desear y seguir las novedades: la década de 2020 promete ser una época interesante para la energía nuclear.

"Tecnologías nucleares": uno de los perfiles de la Olimpiada NTI para escolares.

Central termonuclear.

Actualmente, los científicos están trabajando en la creación de una planta de energía termonuclear, cuya ventaja es proporcionar electricidad a la humanidad por un tiempo ilimitado. Una planta de energía termonuclear opera sobre la base de la fusión termonuclear, una reacción de fusión de isótopos pesados ​​de hidrógeno con la formación de helio y la liberación de energía. La reacción de fusión no produce desechos radiactivos líquidos y gaseosos, ni plutonio, que se usa para fabricar armas nucleares. Si además tenemos en cuenta que el combustible de las centrales termonucleares será el isótopo pesado de hidrógeno deuterio, que se obtiene del agua corriente -medio litro de agua contiene una energía de fusión equivalente a la que se obtiene quemando un barril de gasolina- entonces las ventajas de las plantas de energía basadas en reacciones termonucleares se vuelven obvias.

Durante una reacción termonuclear, se libera energía cuando los átomos ligeros se combinan y los convierten en otros más pesados. Para lograr esto, es necesario calentar el gas 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 isótopos de hidrógeno se fusionan, convirtiéndose en átomos de helio y neutrones y liberando una gran cantidad de energía. Una central eléctrica comercial que funcione según este principio utilizaría la energía de los neutrones moderada por una capa de materia densa (litio).

En comparación con una planta de energía nuclear, un reactor de fusión dejará muchos menos desechos radiactivos.

Reactor termonuclear internacional ITER

Los miembros del consorcio internacional para construir el primer reactor de fusión del mundo, ITER, firmaron en Bruselas un acuerdo que pone en marcha la puesta en marcha práctica del proyecto.

Representantes de la Unión Europea, Estados Unidos, Japón, China, Corea del Sur y Rusia tienen la intención de iniciar la construcción del reactor experimental en 2007 y completarlo dentro de ocho años. Si todo sale según lo planeado, para 2040 se podría construir una central eléctrica de demostración que funcione con el nuevo principio.

Me gustaría creer que la era de las centrales hidroeléctricas y las centrales nucleares peligrosas para el medio ambiente pronto terminará, y llegará el momento de una nueva central termonuclear, cuyo proyecto ya se está implementando. Pero, a pesar de que el proyecto ITER (Reactor Termonuclear Internacional) está casi listo; a pesar de que ya en los primeros reactores termonucleares experimentales en funcionamiento se obtuvo una potencia superior a 10 MW, el nivel de las primeras centrales nucleares, la primera central termonuclear entrará en funcionamiento no antes de veinte años, porque su costo es muy alto. El costo del trabajo se estima en 10 mil millones de euros: este es el proyecto de planta de energía internacional más costoso. La Unión Europea cubre la mitad del costo de construcción del reactor. Otros miembros del consorcio destinarán el 10% del presupuesto.

Ahora el plan para la construcción del reactor, que se convertirá en el proyecto científico conjunto más costoso después, deberá ser ratificado por los parlamentarios de los países participantes en el consorcio.

El reactor se construirá en la provincia de Provenza, en el sur de Francia, en las inmediaciones de la ciudad de Cadarache, donde se ubica el centro de investigación nuclear francés.

pesimistas:

“Puedes compararlo con el comunismo. Hay más problemas en esta área que soluciones obvias…”;

“Este es uno de mis temas favoritos para escribir artículos futuristas sobre un futuro más brillante…”

Optimistas:

"Lo será, porque todo lo increíble resultó ser inicialmente imposible, o eso, cuyo progreso fue un factor crítico para el desarrollo de la tecnología ...";

“La energía de fusión es, muchachos, nuestro futuro inevitable, y no hay forma de escapar de él…”

Definamos términos

– ¿Qué es la fusión termonuclear controlada?

elena koresheva: La fusión termonuclear controlada (CTF) es una línea de investigación cuyo objeto es el aprovechamiento industrial de la energía de las reacciones de fusión termonuclear de elementos ligeros.

Científicos de todo el mundo comenzaron esta investigación cuando se demostró la fusión termonuclear en su etapa descontrolada en la explosión de la primera bomba de hidrógeno del mundo cerca de Semipalatinsk. El proyecto de tal bomba fue desarrollado en la URSS en 1949 por Andrei Sakharov y Vitaly Ginzburg: el futuro premios Nobel de FIAN - Instituto de Física. P. N. Lebedev de la Academia de Ciencias de la URSS, y el 5 de mayo de 1951, el Consejo de Ministros de la URSS emitió una resolución sobre el despliegue del trabajo en un programa termonuclear bajo el liderazgo de I. V. Kurchatov.

A diferencia de una bomba nuclear, durante cuya explosión se libera energía como resultado de la fisión de un núcleo atómico, en una bomba de hidrógeno se produce una reacción termonuclear, cuya energía principal se libera durante la combustión del isótopo pesado de hidrógeno: deuterio.

Condiciones necesarias para iniciar una reacción termonuclear. calor(~100 millones de °C) y alta densidad combustible: en una bomba de hidrógeno se logran con la ayuda de una explosión de un fusible nuclear de pequeño tamaño.

Para implementar las mismas condiciones en el laboratorio, es decir, pasar de la fusión termonuclear incontrolada a la controlada, los científicos del Instituto de Física Lebedev, el académico N. G. Basov, laureado premio Nobel 1964, y el académico O. N. Krokhin propuso el uso de radiación láser. Fue entonces, en 1964, en el Instituto de Física. P. N. Lebedev, y luego en otros centros científicos de nuestro país, comenzaron las investigaciones sobre el CTS en la región con confinamiento de plasma inercial. Esta dirección se denominó fusión termonuclear inercial o ITS.

El objetivo de combustible clásico utilizado en los experimentos ICF es un sistema de capas esféricas anidadas, cuya versión más simple es una cubierta exterior de polímero y una capa de combustible criogénico formada sobre ella. superficie interna. La idea principal de ITS es comprimir cinco miligramos de un objetivo de combustible esférico a densidades superiores a más de mil veces la densidad de un cuerpo sólido.

La compresión se lleva a cabo por la capa exterior del objetivo, cuya sustancia, que se evapora intensamente bajo la influencia de rayos láser súper potentes o rayos de iones de alta energía, crea un retroceso reactivo. La parte no evaporada del caparazón, como un poderoso pistón, comprime el combustible dentro del objetivo y, en el momento de máxima compresión, la onda de choque convergente eleva la temperatura en el centro del combustible comprimido hasta tal punto que comienza la combustión termonuclear.

Se supone que los objetivos se inyectarán en la cámara del reactor ITS a una frecuencia de 1-15 Hz para garantizar su irradiación continua y, en consecuencia, una secuencia continua de microexplosiones termonucleares que proporcionen energía. Esto recuerda al funcionamiento de un motor de combustión interna, solo que podemos obtener muchos órdenes de magnitud más de energía en dicho proceso.

Otro enfoque de CTS está relacionado con el confinamiento de plasma magnético. Esta dirección se denominó fusión termonuclear magnética (MTS). La investigación en esta dirección comenzó diez años antes, a principios de la década de 1950. Instituto. I. V. Kurchatova es una pionera de estos estudios en nuestro país.

– ¿Cuál es el fin último de estos estudios?

vladimir nikolayev: La tarea final es el uso de reacciones termonucleares en la producción de energía eléctrica y térmica en instalaciones generadoras modernas de alta tecnología y respetuosas con el medio ambiente que utilizan recursos energéticos prácticamente inagotables: centrales termonucleares inerciales. Este nuevo tipo de centrales eléctricas debería eventualmente reemplazar los combustibles de hidrocarburos habituales (gas, carbón, fuel oil) las centrales térmicas(TPP), así como centrales nucleares (NPP). ¿Cuándo sucederá esto? Según el académico L. A. Artsimovich, uno de los líderes en la investigación de CTS en nuestro país, la energía termonuclear se creará cuando sea realmente necesaria para la humanidad. Esta necesidad se agudiza cada año, y por las siguientes razones:

1. Según las previsiones realizadas en 2011 por la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el consumo anual mundial de electricidad entre 2009 y 2035 aumentará más de 1,8 veces, pasando de 17.200 TWh al año a más de 31.700 TWh al año, con un crecimiento anual tasa del 2,4 por ciento.

2. Las medidas aplicadas por la humanidad destinadas a ahorrar energía, el uso de diversos tipos de tecnologías de ahorro de energía en la producción y en el hogar, lamentablemente, no dan un resultado tangible.

3. Más del 80 por ciento de la energía consumida en el mundo ahora se produce quemando combustibles fósiles: petróleo, carbón y gas natural. El agotamiento de las reservas de este combustible fósil previsto en cincuenta a cien años, así como la ubicación desigual de los yacimientos de estos minerales, la lejanía de estos yacimientos de las centrales eléctricas, lo que requiere costos adicionales para el transporte de los recursos energéticos, la necesidad, en algunos casos, de asumir costes adicionales muy significativos para el enriquecimiento y la preparación del combustible para la incineración.

4. El desarrollo de fuentes de energía renovables basadas en energía solar, energía eólica, energía hidroeléctrica, biogás (actualmente estas fuentes representan alrededor del 13-15 por ciento de la energía consumida en el mundo) está limitado por factores tales como la dependencia de las características climáticas de la ubicación de la planta de energía, la dependencia de la época del año e incluso la hora del día. También habría que añadir aquí las capacidades nominales relativamente pequeñas de los aerogeneradores y las centrales solares, la necesidad de destinar grandes superficies para parques eólicos, la inestabilidad de los modos de funcionamiento de las centrales eólicas y solares, que crea dificultades técnicas para integrar estos objetos en el modo de operación del sistema de energía eléctrica, etc.

– ¿Cuáles son las previsiones para el futuro?

vladimir nikolayev: El principal candidato para una posición de liderazgo en la industria energética del futuro es la energía nuclear: la energía de las centrales nucleares y la energía de la fusión termonuclear controlada. Si en la actualidad alrededor del 18 por ciento de la energía consumida en Rusia es la energía de las centrales nucleares, entonces la fusión termonuclear controlada aún no se ha llevado a cabo en Rusia. escala industrial. Solución efectiva uso práctico UTS permitirá dominar una fuente de energía ecológica, segura y prácticamente inagotable.

¿Y dónde está la verdadera experiencia de implementación?

– ¿Por qué la TCB espera tanto para su implementación? Después de todo, ¿el primer trabajo en esta dirección fue realizado por Kurchatov en la década de 1950?

vladimir nikolayev: Durante mucho tiempo, generalmente se creía que el problema del uso práctico de la energía de fusión no requiere soluciones urgentes, ya que en los años 80 del siglo pasado, las fuentes de combustibles fósiles parecían inagotables y los problemas de ecología y cambio climático no eran tan agudos como ahora.

Además, el desarrollo del problema CTS inicialmente requirió el desarrollo de completamente nuevos direcciones científicas– física de plasma de alta temperatura, física de densidades de energía ultraalta, física de presiones anómalas. Requirió el desarrollo de tecnologías informáticas y el desarrollo de una serie de modelos matemáticos del comportamiento de la materia al iniciar reacciones termonucleares. Para verificar los resultados teóricos, fue necesario hacer un gran avance tecnológico en la creación de láseres, fuentes iónicas y electrónicas, microobjetivos de combustible, equipos de diagnóstico, así como crear instalaciones láser e iónicas a gran escala.

Y estos esfuerzos no fueron en vano. Muy recientemente, en septiembre de 2013, el llamado “punto de equilibrio científico” se demostró por primera vez en experimentos estadounidenses en la potente instalación láser NIF: la energía liberada en las reacciones termonucleares superó la energía invertida en comprimir y calentar el combustible en el objetivo. según el esquema ITS. Esto sirve como un incentivo adicional para acelerar el desarrollo de los programas existentes en el mundo destinados a demostrar la posibilidad de uso comercial de un reactor de fusión.

Según diversas previsiones, el primer prototipo de un reactor de fusión se lanzará antes de 2040, como resultado de una serie de proyectos internacionales y programas gubernamentales, incluido el reactor internacional ITER basado en MTS, así como programas nacionales para la construcción de reactores basados ​​en ITS en Estados Unidos, Europa y Japón. Así, pasarán setenta u ochenta años desde la puesta en marcha de procesos de fusión termonuclear no controlados hasta la puesta en marcha de la primera central eléctrica CTS.

En cuanto a la duración de la implementación de la CTS, quiero aclarar que 80 años no es mucho tiempo. Por ejemplo, desde el momento en que Alessandro Volta inventó la primera celda galvánica en 1800 hasta el momento en que Thomas Edison lanzó el primer prototipo de planta de energía en 1882, pasaron ochenta y dos años. Y si hablamos del descubrimiento y la primera investigación de William Gilbert de los fenómenos eléctricos y magnéticos (1600), entonces antes aplicación práctica han pasado más de dos siglos desde entonces.

– ¿Cuáles son las indicaciones científicas y prácticas para utilizar la fusión termonuclear controlada por inercia?

elena koresheva: El reactor ITS es una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente que puede competir económicamente con las fuentes tradicionales de combustibles fósiles y las plantas de energía nuclear. En particular, el pronóstico del Laboratorio Nacional de Livermore de los EE. UU. predice el rechazo total de la industria energética de los EE. UU. de las centrales nucleares modernas y su reemplazo completo con sistemas ITS para 2090.

Las tecnologías desarrolladas durante la creación del reactor ITS pueden ser utilizadas en diversas industrias del país.

Pero antes que nada, es necesario crear un modelo mecánico del reactor, o MMR, que permitirá optimizar los principales procesos asociados a la frecuencia y sincronismo de entrega de los blancos de combustible a la zona de combustión de fusión. El lanzamiento de un SMR y la realización de experimentos de prueba en él son una etapa necesaria en el desarrollo de elementos de un reactor comercial.

Y, por último, el reactor ITS es una potente fuente de neutrones con un rendimiento neutrónico de hasta 1020 n/s, y la densidad de flujo de neutrones en él alcanza valores colosales y puede superar los 1020 n/s-cm 2 de media y los 1027 n/s-cm 2 en cantidad de movimiento cerca de la zona de reacción. El reactor ITS como poderosa fuente de neutrones es herramienta única investigación en áreas tales como investigación fundamental, energía, nanotecnología y biotecnología, medicina, geología, cuestiones de seguridad.

En cuanto a las áreas científicas de uso de ITS, incluyen el estudio de la física asociada a la evolución de supernovas y otros objetos astrofísicos, el estudio del comportamiento de la materia en condiciones extremas, la producción de elementos transuránicos e isótopos que no existen en la naturaleza. , el estudio de la física de la interacción de la radiación láser con el plasma, y ​​mucho más.

– En su opinión, ¿hay alguna necesidad de cambiar a CTS como fuente de energía alternativa?

vladimir nikolayev: Hay varios aspectos de la necesidad de tal transición. En primer lugar, se trata de un aspecto ambiental: el hecho de un efecto perjudicial sobre medioambiente tecnologías tradicionales de producción de energía, tanto de hidrocarburos como nucleares.

No olvide el aspecto político de este problema, porque el desarrollo de la energía alternativa le permitirá al país reclamar el campeonato mundial y de hecho dictar los precios de los recursos de combustible.

Además, notamos el hecho de que se está volviendo cada vez más costoso extraer recursos de combustible, y su quema se está volviendo cada vez menos conveniente. Como dijo D. I. Mendeleev, “quemarse con aceite es lo mismo que ahogarse con billetes”. Por lo tanto, la transición a tecnologías alternativas en el sector energético permitirá preservar los recursos de hidrocarburos del país para su uso en la industria química y otras.

Y finalmente, como el número y la densidad de la población crece constantemente, cada vez es más difícil encontrar áreas para la construcción de centrales nucleares y centrales eléctricas de distrito estatal, donde la producción de energía sea rentable y segura para el medio ambiente.

Por lo tanto, desde el punto de vista de los aspectos sociales, políticos, económicos o ambientales de la creación de la fusión termonuclear controlada, simplemente no hay dudas.

La principal dificultad radica en el hecho de que para lograr el objetivo, es necesario resolver muchos problemas que la ciencia no ha enfrentado anteriormente, a saber:

Comprender y describir los procesos físicos complejos que ocurren en una mezcla de combustible que reacciona.

Seleccionar y probar materiales de construcción adecuados,

Desarrollar potentes láseres y fuentes de rayos X,

Desarrollar sistemas de energía pulsada capaces de generar potentes haces de partículas,

Desarrollar una tecnología para la producción en masa de blancos de combustible y un sistema para su suministro continuo a la cámara del reactor en sincronía con la llegada de pulsos de radiación láser o haces de partículas, y mucho más.

Por lo tanto, el problema de crear un objetivo federal programa estatal sobre el desarrollo de la fusión termonuclear controlada por inercia en nuestro país, así como temas de su financiamiento.

– ¿Será segura la fusión termonuclear controlada? ¿Cuáles son las consecuencias para el medio ambiente y la población como consecuencia de una situación de emergencia?

elena koresheva: En primer lugar, la posibilidad de un accidente crítico en una central termonuclear está completamente excluida debido al principio de su funcionamiento. El combustible para la fusión termonuclear no tiene masa crítica y, a diferencia de los reactores de las centrales nucleares, en el reactor UTS se puede detener el proceso de reacción en una fracción de segundo ante cualquier situación de emergencia.

Los materiales estructurales de una central termonuclear se seleccionarán de forma que no se formen en ellos isótopos de vida larga por activación neutrónica. Esto significa que es posible crear un reactor "limpio" que no esté cargado con el problema del almacenamiento a largo plazo de desechos radiactivos. Según las estimaciones, después del cierre de una planta de energía de fusión agotada, se puede eliminar en veinte o treinta años sin la aplicación de medidas de protección especiales.

Es importante enfatizar que la energía de fusión termonuclear es una fuente de energía poderosa y respetuosa con el medio ambiente que, en última instancia, utiliza agua de mar simple como combustible. Con este esquema de extracción de energía no se producen efectos invernadero, como en el caso de la quema de combustibles fósiles, ni residuos radiactivos de vida larga, como en el funcionamiento de una central nuclear.

reactor de fusión mucho más seguro que un reactor nuclear, principalmente en términos de radiación. Como se mencionó anteriormente, se excluye la posibilidad de un accidente crítico en una central termonuclear. Por el contrario, existe la posibilidad de un gran accidente de radiación en una central nuclear, que está asociado con el principio mismo de su funcionamiento. El ejemplo más llamativo son los accidentes en la central nuclear de Chernóbil en 1986 y en la central nuclear de Fukushima-1 en 2011. La cantidad de sustancias radiactivas en el reactor UTS es pequeña. El principal elemento radiactivo aquí es el tritio, que es débilmente radiactivo, tiene una vida media de 12,3 años y se elimina fácilmente. Además, existen varias barreras naturales en el diseño del reactor UTS que evitan la propagación de sustancias radiactivas. La vida útil de una central nuclear, teniendo en cuenta la extensión de su funcionamiento, es de treinta y cinco a cincuenta años, transcurridos los cuales la central debe ser clausurada. Queda una gran cantidad de materiales altamente radiactivos en el reactor de la planta de energía nuclear y alrededor del reactor, y lleva muchas décadas esperar a que disminuya la radiactividad. Esto conduce a la retirada de vastos territorios y valores materiales de la circulación económica.

También observamos que, desde el punto de vista de la posibilidad de una fuga accidental de tritio, las futuras estaciones basadas en ITF sin duda tienen una ventaja sobre las estaciones basadas en fusión termonuclear magnética. En las estaciones ITS, la cantidad de tritio que está simultáneamente en el ciclo del combustible se calcula en gramos, máximo decenas de gramos, mientras que en los sistemas magnéticos esta cantidad debe ser decenas de kilogramos.

– ¿Existen ya instalaciones que funcionen según los principios de la fusión termonuclear inercial? Y si es así, ¿qué tan efectivos son?

elena koresheva: Para demostrar la energía de la fusión termonuclear, obtenida según el esquema ITS, se han construido instalaciones de laboratorio piloto en muchos países del mundo. Los más poderosos entre ellos son:

Desde 2009, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de EE. UU. ha estado operando la instalación de láser NIF con una energía láser de 1,8 MJ, concentrada en 192 rayos láser;

En Francia (Burdeos), se puso en funcionamiento una potente instalación de LMJ con una energía láser de 1,8 MJ en 240 haces láser;

En la Unión Europea, se está creando una instalación láser de alta potencia HiPER (High Power laser Energy Research) con una energía de 0,3-0,5 MJ, cuyo funcionamiento requiere la producción y entrega de objetivos de combustible con una alta frecuencia > 1 Hz. ;

El Laboratorio de Energía Láser de EE. UU. opera la instalación de láser OMEGA, energía láser: 30 kJ de energía se concentran en sesenta haces de radiación láser;

El Laboratorio Naval de EE. UU. (NRL) construyó el láser de criptón-flúor NIKE más poderoso del mundo con una energía de 3 a 5 kJ en cincuenta y seis rayos láser;

En Japón, el Laboratorio de Tecnología Láser de la Universidad de Osaka opera una instalación de láser multihaz GEKKO-XII, la energía del láser es de 15-30 kJ;

En China, la instalación SG-III opera con una energía láser de 200 kJ en sesenta y cuatro rayos láser;

El Centro Nuclear Federal Ruso - Instituto de Investigación de Física Experimental de toda Rusia (RFNC-VNIIEF, Sarov) opera las instalaciones ISKRA-5 (doce rayos láser) y LUCH (cuatro rayos láser). La energía del láser en estos dispositivos es de 12 a 15 kJ. La construcción comenzó aquí en 2012. nueva instalación UFL-2M con una energía láser de 2,8 MJ en 192 haces. Está previsto que el lanzamiento de este, el láser más potente del mundo, se produzca en 2020.

El funcionamiento de las instalaciones STI enumeradas tiene por objeto demostrar la rentabilidad técnica de los STI, cuando la energía liberada en las reacciones termonucleares supere la totalidad de la energía de entrada. Hasta la fecha se ha demostrado el llamado equilibrio científico, es decir, la rentabilidad científica de los ITS: la energía liberada en las reacciones termonucleares superó por primera vez a la energía invertida en comprimir y calentar el combustible.

– En su opinión, ¿las instalaciones que utilizan fusión termonuclear controlada ya pueden ser económicamente rentables hoy en día? ¿Pueden realmente competir con las estaciones existentes?

vladimir nikolayev: La fusión termonuclear controlada es un verdadero competidor de fuentes de energía tan probadas como los combustibles de hidrocarburos y las centrales nucleares, ya que las reservas de combustible de la central CTS son prácticamente inagotables. La cantidad de agua pesada que contiene deuterio en el océano mundial es de unas ~1015 toneladas. El litio, a partir del cual se produce el segundo componente del combustible termonuclear, el tritio, ya se produce en el mundo en decenas de miles de toneladas al año y es económico. Al mismo tiempo, 1 gramo de deuterio puede dar 10 millones de veces más energía que 1 gramo de carbón, y 1 gramo de una mezcla de deuterio y tritio dará tanta energía como 8 toneladas de petróleo.

Además, las reacciones de fusión son una fuente de energía más potente que las reacciones de fisión del uranio-235: la fusión de deuterio y tritio libera 4,2 veces más energía que la fisión de la misma masa de núcleos de uranio-235.

La eliminación de residuos en las centrales nucleares es el proceso tecnológico más complicado y costoso, mientras que un reactor termonuclear está prácticamente libre de residuos y, por tanto, limpio.

También destacamos un aspecto importante de las características operativas de ITES, como es la adaptabilidad del sistema a los cambios en los regímenes energéticos. A diferencia de las plantas de energía nuclear, el proceso de reducción de energía en ITES es primitivamente simple: es suficiente para reducir la frecuencia de suministro de objetivos de combustible termonuclear a la cámara del reactor. De ahí otra ventaja importante de ITES en comparación con las centrales nucleares tradicionales: ITES es más maniobrable. Quizás en el futuro esto hará posible utilizar potentes ITPP no solo en la parte "base" del programa de carga del sistema eléctrico, junto con potentes HPP "básicos" y centrales nucleares, sino también considerar a los ITPP como los más importantes. Centrales eléctricas maniobrables de “pico” que aseguran el funcionamiento estable de grandes sistemas eléctricos. O utilizar ITES durante el periodo de puntas diarias de carga del sistema eléctrico, cuando las capacidades disponibles de otras estaciones no son suficientes.

– ¿Se están llevando a cabo desarrollos científicos hoy en día en Rusia u otros países para crear una planta de energía termonuclear inercial competitiva, rentable y segura?

elena koresheva: En los EE. UU., Europa y Japón, ya existen programas nacionales a largo plazo para construir una central eléctrica basada en ITS para 2040. Está previsto que el logro de tecnologías óptimas se lleve a cabo entre 2015 y 2018, y una demostración del funcionamiento de una planta piloto en un modo continuo de generación de energía, entre 2020 y 2025. En China, existe un programa para construir y lanzar en 2020 una instalación láser a escala de reactor SG-IV con una energía láser de 1,5 MJ.

Recuerde que para garantizar un modo continuo de generación de energía, el suministro de combustible al centro de la cámara del reactor ITES y el suministro simultáneo de radiación láser deben realizarse a una frecuencia de 1-10 Hertz.

Para probar las tecnologías de los reactores, el Laboratorio Naval de EE. UU. (NRL) creó la instalación ELEKTRA, que opera a una frecuencia de 5 Hz con una energía láser de 500 a 700 julios. Para 2020, se planea aumentar la energía del láser mil veces.

En el marco de la proyecto europeo HIPER. El propósito de este programa es demostrar la posibilidad de obtener energía de fusión en el modo de frecuencia, como es típico para la operación de una planta de energía termonuclear inercial.

Señalamos también aquí el proyecto de Estado de la República Corea del Sur sobre la creación de un innovador láser de frecuencia de alta potencia en el Instituto Coreano Progresivo de Física y Tecnología KAIST.

En Rusia, en el Instituto de Física. P. N. Lebedev, desarrolló y demostró un método FST único, que es una forma prometedora de resolver el problema de la formación de frecuencias y la entrega de objetivos de combustible criogénico al reactor ITS. Aquí también se ha creado un equipo de laboratorio que simula todo el proceso de preparación de un blanco de reactor, desde su llenado con combustible hasta la implementación de la entrega de frecuencia al foco láser. Por orden del programa HiPER, los especialistas de FIAN desarrollaron un diseño para una fábrica de objetivos basada en el método FST y asegurando la producción continua de objetivos de combustible y su entrega de frecuencia al foco de la cámara experimental HiPER.

En los EE. UU., existe un programa LIFE a largo plazo destinado a construir la primera planta de energía ITS para 2040. El programa LIFE se desarrollará sobre la base de la potente instalación láser NIF que opera en los EE. UU. con una energía láser de 1,8 MJ.

Tenga en cuenta que en los últimos años, los estudios sobre la interacción de la radiación láser muy intensa (1017-1018 W/cm2 y superior) con la materia han llevado al descubrimiento de nuevos efectos físicos previamente desconocidos. Esto reavivó las esperanzas de la implementación de un sistema simple y manera efectiva encendido de una reacción termonuclear en combustible sin comprimir por bloques de plasma (el llamado encendido lateral), que se propuso hace más de treinta años, pero no pudo implementarse al nivel tecnológico de entonces. Para implementar este enfoque, se requiere un láser con una duración de pulso de picosegundos y una potencia de 10 a 100 petavatios. Ahora se están realizando intensas investigaciones sobre este tema en todo el mundo, ya se han construido láseres con una potencia de 10 petavatios (PW). Por ejemplo, esta es la instalación de láser VULCAN en los Laboratorios Rutherford y Appleton en el Reino Unido. Los cálculos muestran que cuando se usa un láser de este tipo en ICF, las condiciones de ignición para reacciones sin neutrones, como protón-boro o protón-litio, son bastante alcanzables. En este caso, el problema de la radiactividad se elimina en principio.

En el marco de CTS, una tecnología alternativa en relación con la fusión termonuclear inercial es la fusión termonuclear magnética. Esta tecnología se está desarrollando en el mundo en paralelo con ITS, por ejemplo, en el marco del programa internacional ITER. En el centro de investigación de Cadarache se está llevando a cabo en el sur de Francia la construcción del reactor termonuclear experimental internacional ITER basado en el sistema tipo TOKAMAK. Del lado ruso, muchas empresas de Rosatom y otros departamentos están involucrados en el proyecto ITER bajo la coordinación general del Centro de Proyectos ITER establecido por Rosatom. El objetivo de ITER es estudiar las condiciones que deben cumplirse durante la operación de las centrales de fusión, así como la creación sobre esta base de centrales económicamente viables que superen en tamaño al ITER en al menos un 30 por ciento en cada una de las dimensiones. .

Hay perspectivas en Rusia

– ¿Y qué puede impedir la construcción exitosa de una central termonuclear en Rusia?

vladimir nikolayev: Como ya se mencionó, hay dos direcciones para el desarrollo de CTS: con confinamiento de plasma inercial y magnético. Para resolver con éxito el problema de la construcción de una central termonuclear, ambas direcciones deben desarrollarse en paralelo en el marco de los programas federales pertinentes, así como de los proyectos rusos e internacionales.

Rusia ya participa en el proyecto internacional para crear el primer prototipo del reactor UTS: este es el proyecto ITER relacionado con la fusión termonuclear magnética.

En cuanto a la planta de energía basada en ITS, todavía no existe un programa estatal de este tipo en Rusia. La falta de financiación en este ámbito puede conducir a un importante rezago de Rusia en el mundo ya la pérdida de las prioridades existentes.

Por el contrario, sujeto a las inversiones financieras apropiadas, se abren perspectivas reales para la construcción de una planta de energía termonuclear inercial, o ITES, en el territorio de Rusia.

– ¿Existen perspectivas de construir una planta de energía termonuclear inercial en Rusia, sujeta a inversiones financieras adecuadas?

elena koresheva: Hay perspectivas. Veamos esto con más detalle.

ITES consta de cuatro partes fundamentalmente necesarias:

1. Cámara de combustión, o cámara del reactor, donde se producen las microexplosiones termonucleares y su energía se transfiere al refrigerante.

2. Conductor: un potente láser o acelerador de iones.

3. Fábrica de destino: un sistema para preparar e introducir combustible en la cámara del reactor.

4. Equipos térmicos y eléctricos.

El combustible para tal estación será deuterio y tritio, así como litio, que forma parte de la pared de la cámara del reactor. El tritio no existe en la naturaleza, pero en un reactor se forma a partir del litio cuando interactúa con los neutrones de las reacciones termonucleares. La cantidad de agua pesada que contiene deuterio en el Océano Mundial, como ya se mencionó aquí, es de aproximadamente ~1015 toneladas. ¡Desde un punto de vista práctico, este es un valor infinito! La extracción de deuterio del agua es un proceso bien establecido y económico. El litio es un elemento accesible y bastante barato que se encuentra en la corteza terrestre. Cuando se usa litio en ITES, durará varios cientos de años. Además, a más largo plazo, a medida que se desarrolla la tecnología de los impulsores de alta potencia (es decir, láseres, haces de iones), se supone que lleva a cabo una reacción termonuclear en deuterio puro o en una mezcla de combustible que contiene solo una pequeña cantidad de tritio. Por lo tanto, el costo del combustible hará una contribución muy pequeña, menos del 1 por ciento, al costo de la energía generada por una planta de energía de fusión.

La cámara de combustión del ITES es, a grandes rasgos, una esfera de 10 metros, en cuya pared interior se prevé la circulación de un líquido, y en algunas versiones de estaciones, un refrigerante en polvo, como el litio, que se utiliza simultáneamente tanto para eliminar la energía de una microexplosión termonuclear y para producir tritio. Además, la cámara cuenta con el número requerido de ventanas de entrada para introducir objetivos y emitir el controlador. El diseño se asemeja a los cuerpos de potentes reactores nucleares o algunas plantas industriales de síntesis química, cuya experiencia práctica está disponible. Todavía hay muchos problemas por resolver aquí, pero no hay limitaciones fundamentales. Ya existen algunos desarrollos sobre materiales de este diseño y unidades individuales, en particular, en el proyecto ITER.

El equipo térmico y eléctrico es un dispositivo técnico bastante bien desarrollado que se ha utilizado durante mucho tiempo en las centrales nucleares. Naturalmente, en una estación termonuclear, estos sistemas tendrán un costo comparable.

En lo que respecta a los sistemas ITES más complejos: controladores y fábricas objetivo, Rusia tiene una buena base necesaria para la adopción del programa estatal sobre ITES y la implementación de una serie de proyectos, tanto en colaboración con instituciones rusas así como en el marco de la cooperación internacional. Desde este punto de vista punto importante son aquellos métodos y tecnologías que ya están desarrollados en los centros de investigación rusos.

En particular, el Centro Nuclear Federal Ruso en Sarov tiene desarrollos prioritarios en el campo de la creación de láseres de alta potencia, la producción de objetivos de combustible único, el diagnóstico de sistemas láser y plasma de fusión, así como la simulación por computadora de procesos que ocurren en ITS. En la actualidad, RFNC-VNIIEF está implementando el programa UFL-2M para construir el láser más potente del mundo con una energía de 2,8 MJ. Varias otras organizaciones rusas también participan en el programa, incluido el Instituto de Física. P. N. Lebedeva. La implementación exitosa del programa UFL-2M, lanzado en 2012, es otro gran paso para Rusia en el camino hacia el dominio de la energía de la fusión termonuclear.

En el Centro de Investigación Ruso "Instituto Kurchatov" (Moscú), junto con la Universidad Politécnica de San Petersburgo, se llevó a cabo una investigación en el campo de la entrega de combustible criogénico mediante un inyector neumático, que ya se utiliza en los sistemas de fusión termonuclear magnética, tales como TOKAMAK; se estudiaron varios sistemas para proteger los blancos de combustible durante su entrega a la cámara del reactor ITS; Se ha estudiado la posibilidad de un amplio uso práctico de ICF como una poderosa fuente de neutrones.

en el Instituto de Física. El Instituto PN Lebedev de la Academia Rusa de Ciencias (Moscú) tiene los desarrollos necesarios en el campo de la creación de una fábrica de objetivos de reactores. Aquí se ha desarrollado una tecnología única para la producción de frecuencia de objetivos de combustible y se ha creado un prototipo de una fábrica de objetivos que funciona a una frecuencia de 0,1 Hz. También creó e investigó varios sistemas de entrega de objetivos, incluido un inyector gravitacional, un inyector electromagnético, así como nuevos dispositivos de transporte basados ​​en la levitación cuántica. Finalmente, aquí se han desarrollado tecnologías para el control de calidad de objetivos de alta precisión y su diagnóstico durante la entrega. Algunos de estos trabajos se realizaron en colaboración con los centros ITS mencionados anteriormente en el marco de diez proyectos internacionales y rusos.

Sin embargo, una condición necesaria para la implementación de métodos y tecnologías desarrollados en Rusia es la adopción de un Programa Federal Objetivo a largo plazo para ITS y su financiación.

- ¿Cuál, en su opinión, debería ser el primer paso hacia el desarrollo de la energía termonuclear basada en ITS?

vladimir nikolayev: El primer paso podría ser el proyecto "Desarrollo de una maqueta mecánica del reactor y un prototipo de TARGET FACTORY para la recarga de frecuencia de una central que opera en base a fusión termonuclear inercial con combustible criogénico", propuesto por el Centro de Eficiencia Energética “INTER RAO UES” junto al Instituto de Física. P. N. Lebedeva y NRC Instituto Kurchatov. Los resultados obtenidos en el proyecto permitirán que Rusia no solo obtenga una prioridad estable en el mundo en el campo de CTF, sino que también se acerque a la construcción de una central eléctrica comercial basada en ITS.

Ya está claro que los futuros ITES deben construirse con una gran capacidad unitaria, al menos varios gigavatios. Bajo esta condición, serán bastante competitivos con las centrales nucleares modernas. Además, la futura ingeniería de energía termonuclear permitirá eliminar los problemas más agudos de la ingeniería de energía nuclear: el peligro de un accidente de radiación, la eliminación de desechos de alto nivel, el aumento del precio y el agotamiento del combustible para las centrales nucleares, etc. Tenga en cuenta que una planta de energía termonuclear inercial con una potencia térmica de 1 gigavatio (GW) es equivalente en términos de reactor de fisión por radiación con una potencia de solo 1 kW.

– ¿En qué regiones es conveniente ubicar ITES? ¿El lugar de una central termonuclear inercial en el sistema energético de Rusia?

vladimir nikolayev: Como se mencionó anteriormente, a diferencia de las centrales térmicas (GRES, CHP, IES), la ubicación de los ITES no depende de la ubicación de las fuentes de combustible. Su necesidad anual de entrega de combustible es de aproximadamente 1 tonelada, y estos son materiales seguros y fácilmente transportables.

Los reactores nucleares no deben ubicarse cerca de áreas densamente pobladas debido al peligro de un accidente. Estas restricciones, que son típicas de las centrales nucleares, están ausentes al elegir la ubicación de la ITPP. Los ITES se pueden ubicar cerca de las principales ciudades y centros industriales. Esto elimina el problema de conectar la estación al sistema de energía unificado. Además, no existen deficiencias para ITES relacionadas con la complejidad de construir y operar plantas de energía nuclear, así como las dificultades asociadas con el procesamiento y eliminación de desechos nucleares y el desmantelamiento de plantas de energía nuclear.

Los ITES pueden ubicarse en áreas remotas, escasamente pobladas y de difícil acceso y operar de manera autónoma, proporcionando procesos tecnológicos que consumen mucha energía, como, por ejemplo, la producción de aluminio y metales no ferrosos en Siberia oriental, la región de Magadan y Chukotka, diamantes Yakut y mucho más.

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

Teoría

El helio-3, uno de los isótopos del helio, puede servir como combustible para un reactor de fusión. 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 es cuando dos pequeños núcleos atómicos se unen en uno grande. Esta es la reacción inversa. Por ejemplo, puedes hacer chocar dos núcleos de hidrógeno para producir helio.

En 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 gran núcleo resultante. Esta masa se convierte en energía gracias a .

Pero para que se produzca la fusión de dos núcleos, es necesario vencer su fuerza de repulsión electrostática y presionarlos fuertemente uno contra el otro. Y a distancias pequeñas, del orden del tamaño de los núcleos, ya existen fuerzas nucleares mucho mayores debido a que los núcleos se atraen entre sí y se unen en un gran núcleo.

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

Práctica

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

Precisamente la temperatura es el principal obstáculo para el uso de la energía termonuclear en la práctica. No hay materiales que puedan aguantar esta temperatura y no derretirse.

Pero hay una salida, puede mantener el plasma debido a la fuerza. En dispositivos tokamak especiales, enormes imanes potentes pueden contener el plasma en forma de dona.

Una central termonuclear es segura, respetuosa con el medio ambiente y muy económica. Puede resolver todos los problemas energéticos de la humanidad. El punto es pequeño: aprender a construir plantas de energía termonuclear.

Reactor de Fusión Experimental Internacional

Construir un reactor de fusión es muy difícil y muy costoso. Para resolver tan grandiosa tarea, se han unido los esfuerzos de científicos de varios países: Rusia, EE. UU., los países de la UE, Japón, India, China, la República de Corea y Canadá.

Ahora se está construyendo un tokamak experimental en Francia, costará alrededor de 15 mil millones de dólares, según los planes, se completará en 2019 y se llevarán a cabo experimentos hasta 2037. Si tienen éxito, quizás todavía tengamos tiempo de vivir en una era feliz de energía termonuclear.

Así que concéntrese más y comience a esperar los resultados de los experimentos, este no es el segundo iPad que lo espera: el futuro de la humanidad está en juego.

Durante más de medio siglo en diferentes paises se está trabajando duro. Los científicos están tratando de encontrar la clave para otra, la despensa de energía más grandiosa. Quieren extraer energía del agua. Para muchos, una planta de energía termonuclear se ve con razón como la única forma de liberar a la humanidad de la trampa de los hidrocarburos.

Cuanto más alta es la temperatura de una sustancia, más rápido se mueven sus partículas. Pero incluso en un plasma, dos núcleos atómicos libres chocan entre sí sin ninguna consecuencia. Las fuerzas de repulsión mutua son demasiado grandes para los núcleos atómicos. Pero si la temperatura del plasma se eleva a cientos de millones de grados, la energía de las partículas rápidas puede superar la "barrera de repulsión". Entonces, a partir de dos núcleos atómicos ligeros, una colisión producirá un núcleo más pesado.

Y el nacimiento de una nueva sustancia ocurrirá con una poderosa liberación de energía.

El hidrógeno, como el elemento más ligero de la Tierra, es especialmente adecuado para participar en reacciones termonucleares. Más precisamente, no el hidrógeno que, junto con el oxígeno, forma el agua corriente, sino su contraparte pesada, el deuterio, cuyo peso atómico es el doble. Se puede extraer del agua pesada, que se forma al combinarse con oxígeno. Por seis mil gotas de agua ordinaria, hay una gota de agua pesada en la naturaleza. En un principio parece que esto es muy poco, pero los cálculos muestran que sólo los océanos de nuestro planeta contienen unas 38.000 billones de toneladas de agua pesada.

Si aprendemos a extraer con eficacia la energía escondida en él, la humanidad dispondrá de tal reserva durante miles de millones de años gracias a las centrales termonucleares.

Las reacciones termonucleares (los llamados compuestos de núcleos atómicos ligeros con formación de núcleos más pesados ​​y con liberación de energía) ya se han llevado a cabo artificialmente en la Tierra. Pero hasta ahora han sido reacciones instantáneas, incontrolables y destructivas: explosiones de bombas de hidrógeno (o más bien, deuterio) como la madre de Kuz'kina. Y si las cosas están bien con las armas termonucleares, entonces no todo es tan simple con un reactor pacífico.

Físicos de muchos países están realizando investigaciones internacionales con el objetivo de crear un reactor termonuclear industrial y construir una planta de energía basada en él. Tal reactor permitirá dominar reservas de energía verdaderamente inagotables y llevará a la humanidad a un nivel de existencia fundamentalmente nuevo. Hoy en día, los reactores existentes (tokamaks) funcionan por un corto tiempo. Durante todo el período de investigación, se construyeron alrededor de 300 reactores termonucleares. Recién en 2007 se realizó por primera vez una reacción energética de equilibrio, cuando el tokamak produjo una cuarta parte (1:1,25) más que la energía consumida.

En un futuro cercano, se planea llevar esta relación a 1:50. En este sentido, los tokamaks solo pueden considerarse instalaciones experimentales, pero no industriales. De todas las tareas técnicas ciencia moderna, el tema de la fusión termonuclear industrial puede, sin exagerar, llamarse la empresa más ambiciosa que puede convertir ideas sobre producción, ecología, construcción, agricultura y transporte

La fusión termonuclear es capaz de remodelar radicalmente el mapa político y económico del mundo. Si algún país puede tener a su disposición una fuente ilimitada de energía limpia, pronto florecerán los desiertos y habrá que abandonar la gasolina y el gas. Los procesos que consumen mucha energía, como la fundición de metales o la producción de aluminio, se pueden llevar a cabo en cualquier lugar. La extracción y el desarrollo de yacimientos de metales y sustancias que antes no eran rentables serán posibles.

Aparecerán nuevos modos de transporte rápidos y fantásticos.

Verdaderamente, ni un solo invento ha cambiado y no cambiará nuestro mundo como un reactor termonuclear, nuestro pequeño sol terrenal. Está claro que el freno al desarrollo de la fusión termonuclear industrial no es sólo la ciencia misma. Se están realizando investigaciones básicas, y no se puede decir que no tengan éxito. Sin embargo, el tema de poner una unidad de trabajo en una serie se topa con un poderoso lobby de corporaciones de materias primas y procesamiento. Hay que tener en cuenta que los presupuestos de muchos consorcios productores de petróleo superan los presupuestos de muchos países. Y estos monstruos no van a perder sus astronómicos ingresos y poder.

Por lo tanto, por más triste que suene, veremos un reactor termonuclear en funcionamiento, y más aún, una central eléctrica, ya sea por el agotamiento del petróleo y el gas, o por el agotamiento del modelo capitalista de sociedad. Además, incluso después del fin del petróleo y el gas, es poco probable que el lobby energético permita que todos tengan acceso a energía ilimitada. Y si es así, entonces se sugiere la triste conclusión: los capitalistas no pueden construir y poner en serie una planta de energía termonuclear. Sólo puede realizarse en una sociedad socialista. Para los corporativos, un reactor de este tipo es mortal y el trabajo en él nunca se completará.

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