REACTOR TERMONUCLEAR

REACTOR TERMONUCLEAR

Desarrollado en el presente. (80s) un dispositivo para generar energía a través de las reacciones de síntesis de luz en. núcleos que se producen a temperaturas muy altas (\u003d 108 K). DOS El requisito, al que debe satisfacer el fluido térmico, es que la liberación de energía como resultado de reacciones termonucleares compensa con creces los gastos de energía del exterior. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. r. T. r. Pertenece al primer tipo., Crimea es necesaria desde el exterior. fuentes solo para ignición termonuclear. reacciones Además, las reacciones están respaldadas por la energía liberada en el plasma durante la fusión. reacciones por ejemplo, en una mezcla de deuterio-tritio, la energía de las partículas a formadas durante las reacciones se consume para mantener una temperatura alta en plasma. En un modo de trabajo estacionario T. r. La energía que transportan las partículas a es compensada por energía. pérdidas del plasma, causadas principalmente por la conductividad térmica del plasma y la radiación. Para este tipo de T. r. aplica, p.

A otro tipo T. r. pertenecen los reactores, en los que la energía liberada en forma de partículas a es insuficiente para mantener la combustión de las reacciones, y se necesita energía del exterior. fuentes. Esto sucede en aquellos reactores en los que la energía es excelente. pérdidas, p. trampa magnética abierta.

T. p. se puede construir sobre la base de sistemas con magn. retención de plasma, como tokamak, abierto magn. trampa, etc., o sistemas con confinamiento inercial del plasma, cuando la energía se introduce en el plasma en poco tiempo (10-8-10-7 s) (ya sea usando radiación láser o usando haces de electrones o iones relativizados), suficiente para iniciar y mantener reacciones. T. p. con magn. El confinamiento de plasma puede operar en modos cuasiestacionario o estacionario. En el caso de confinamiento inercial de plasma T. r. debería funcionar en modo de pulso corto.

T. p. caracterizado por coeficiente. amplificación de potencia (factor Q) Q, igual a la relación entre la potencia térmica recibida en el reactor y la potencia de coste de su producción. T. térmica p. Consiste en el poder liberado por fusión termonuclear. reacciones en plasma, y \u200b\u200bel poder liberado en el llamado. manta T. r .: una capa especial que rodea el plasma, en un enjambre utiliza la energía de la fusión termonuclear, los neutrones. El más prometedor es el T. r., Que trabaja en una mezcla de deuterio-tritio debido a la mayor velocidad de reacción que con otras reacciones de síntesis.

T. p. en combustible de deuterio-tritio, dependiendo de la composición de la manta, puede ser "puro" o híbrido. Manta de "puro" T. r. contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones, resulta que se "quema" en plasma de deuterio-tritio, y la energía del termonuclear se amplifica. reacciones de 17.6 a 22.4 MeV. En la manta del híbrido T. r. no solo se reproduce el tritio, sino que hay zonas, cuando se coloca en un corte de 238U, se puede obtener 239Pu (ver REACTOR NUCLEAR). Al mismo tiempo, energía igual a aprox. 140 MeV por fusión termonuclear. . T. sobre., En híbrido T. p. puede obtener aproximadamente seis veces más energía que en T. "puro", pero la presencia en la primera radioactividad fisionable. in-in crea un entorno cercano a eso, el borde existe en veneno. reactores de fisión

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

REACTOR TERMONUCLEAR

Desarrollado en la década de 1990. un dispositivo para generar energía debido a las reacciones de síntesis de núcleos atómicos ligeros que ocurren en plasma a temperaturas muy altas (10 8 K). DOS El requisito, al que debe cumplir la T.p., es que la liberación de energía como resultado reacciones de fusión(TP) más que compensó el costo de la energía de la ext. fuentes para mantener la reacción.

Hay dos tipos de T. p. El primero incluye reactores, energía de rim desde el exterior. Fuentes necesarias solo para ignición TP. Además, las reacciones están respaldadas por la energía liberada en el plasma en TP, p. En una mezcla de deuterio-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 reacción, es decir, partículas a y protones, se gasta en mantener la temperatura plasmática requerida. En funcionamiento estacionario T. p. energía, to-ruyu llevar una carga. productos de reacción, compensa enérgico. pérdidas de plasma debido a DOS. conductividad térmica del plasma y radiación. Tales reactores se llaman. reactores de fusión autosostenibles con ignición (ver Criterio de encendido). Un ejemplo de tal T. p .: tokamak, stellarator.

A otro tipo T. r. pertenecen los reactores, en los que la energía liberada en el plasma en forma de carga es insuficiente para mantener la combustión de las reacciones. productos de reacción, y se necesita energía de la ext. fuentes. Dichos reactores se denominan reactores con el apoyo de la combustión de reacciones termonucleares. Esto ocurre en aquellos T. p., Donde los energéticos son geniales. pérdidas, p. abierto magn. trampa, tokamak operando en el modo de densidad y temperatura del plasma por debajo de la curva de ignición TP. Estos dos tipos de reactores incluyen todos los tipos posibles de T. p., Que pueden construirse sobre la base de sistemas con magn. confinamiento de plasma (tokamak, stellarator, trampa magnética abierta, etc.) o sistemas con retención inercial plasma.

Reactor Termonuclear Experimental Internacional ITER: 1 - central 2 - manta -; 3 - plasma; 4 - pared de vacío; 5 - tubería de bombeo; 6- criostato 7- bobinas de control activo; 8 - bobinas de un campo magnético toroidal; 9 - primer muro; 10 - placas desviadoras; 11 - bobinas de campo magnético poloidal.

Un reactor de confinamiento de plasma inercial se caracteriza porque una energía suficiente para generar y mantener TP se introduce en él en poco tiempo (10 -8-10-7 s) utilizando radiación láser o haces de electrones o iones relativistas. Tal reactor funcionará solo en el modo de pulsos cortos, en contraste con el reactor con magn. confinamiento de plasma, que puede funcionar en modos cuasiestacionario o incluso estacionario.

T. p. caracterizado por coeficiente. amplificación de potencia (factor Q) Q, igual a la relación entre la potencia térmica del reactor y la potencia de los costos de su producción. La potencia térmica del reactor consiste en la potencia liberada en TP en el plasma, la potencia que se introduce en el plasma para mantener la temperatura de combustión de TP o para mantener una corriente estacionaria en el plasma en el caso de un tokamak, y la potencia liberada en t.

Desarrollo T. p. con magn. 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. p. Tiene . parámetros: radio de plasma grande 8.1 m; pequeño radio de plasma cf. plano 3 m; alargamiento de la sección transversal del plasma 1.6; toroidal magn. en el eje de 5,7 T; plasma nominal 21 MA; Potencia termonuclear nominal con combustible DT de 1.500 MW. El reactor contiene un rastro. principal nodos: centro. solenoide yoeléctrico el campo del cual implementa, regula el aumento de corriente y lo apoya junto con especiales. complementará el sistema. calentamiento por plasma; primera pared 9, el borde se convierte directamente en plasma y percibe corrientes de calor en forma de radiación y partículas neutras; manta - protección 2, to-ryl. parte integral de T. p. con combustible de deuterio-tritio (DT), ya que el tritio quemado en el plasma se reproduce en la manta. T. p. con combustible DT, dependiendo del material de la mantilla, puede ser "limpio" o híbrido. Manta de "limpio" T. p. contiene Li; en él, bajo la influencia de neutrones termonucleares, se obtiene tritio: 6 Li + nT + 4 He + 4.8 MeV, y la energía TP se amplifica de 17.6 MeV a 22.4 MeV. En la manta reactor de fusión híbrido no solo se reproduce el tritio, sino que hay zonas en las que se coloca un vertedero de 238 U para producir 239 Pu. Al mismo tiempo, se libera una energía de 140 MeV por un neutrón termonuclear en la manta. T. o., En el híbrido T. p. puede obtener aproximadamente seis veces más energía por un acto inicial de síntesis que en T. "puro", pero la presencia en el primer caso de radiactividad fisionable. Las sustancias crean radiación. la situación cerca de ese borde existe en reactores nucleares divisiones

En T. p. no hay una manta con combustible en una mezcla de D con 3 He, ya que no hay necesidad de reproducir tritio: D + 3 He 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV), y toda la energía se libera como una carga. Productos de reacción. Radiates La protección está diseñada para absorber energía de neutrones y radiactividad. radiación y reducir los flujos de calor y la radiación a la superconductora magn. sistema a un nivel aceptable para trabajo estacionario. Bobinas de toroidal magn. campos 8 sirven para crear una magn toroidal. campos y se hacen superconductores utilizando un superconductor Nb 3 Sn y una matriz de cobre que funciona a una temperatura de helio líquido (4.2 K). El desarrollo de técnicas para producir superconductividad a alta temperatura puede eliminar el enfriamiento de las bobinas con helio líquido y cambiar a un método de enfriamiento más barato, por ejemplo. nitrógeno líquido. El diseño del reactor no cambiará sustancialmente. Bobinas de campo poloidal 11 también son superconductores y junto con magn. El campo de corriente de plasma crea una configuración de equilibrio de la magnitud poloidal. campos con uno o dos polos izquierdos d y vértor 10, Sirve para eliminar el calor del plasma en forma de una corriente de carga. partículas y para bombear los productos de reacción neutralizados en placas desviadoras: helio y protio. En T. p. Con el combustible D 3 He, las placas de desviación 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 de helio líquido o una temperatura más alta cuando se usan 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 un plasma 3, y en todos los volúmenes auxiliares, incluido el criostato.

Como primer paso hacia la creación de energía termonuclear, T. p., Trabajando en la mezcla DT debido a la velocidad de reacción más alta que otras reacciones de síntesis, parece ser. En el futuro, la posibilidad de crear una T. r. en una mezcla de D con 3 He, en un núcleo. La energía lleva una carga. los productos de reacción y los neutrones surgen solo en las reacciones DD y DT durante la combustión del tritio que se genera en las reacciones DD. Como resultado, biol. peligro T. p. aparentemente, se puede reducir de cuatro a cinco órdenes de magnitud en comparación con los reactores de fisión nuclear, no hay necesidad de industria. procesamiento radiactivo. materiales y su transporte, el entierro radiactivo se simplifica cualitativamente. residuos. Sin embargo, las perspectivas de crear en el futuro el medio ambiente T. p. en una mezcla de D con 3 No complicado por el problema de las materias primas: nat. la concentración del isótopo 3 He en la Tierra es la millonésima del isótopo 4 He. Por lo tanto, surge la difícil cuestión de obtener materia prima, por ejemplo. entregándolo desde la luna.

Recientemente, se realizó una presentación del proyecto ITER en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, en cuyo marco está previsto crear un reactor de fusión que funcione sobre la base del tokamak. Un grupo de científicos de Rusia habló sobre el proyecto internacional y la participación de los físicos rusos en la creación de esta instalación. Lenta.ru asistió a una presentación de ITER y habló con uno de los participantes del proyecto.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) es un proyecto de un reactor termonuclear que permite demostrar y explorar 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 una alternativa al gas, petróleo y carbón modernos. Los investigadores señalan la seguridad, el respeto al medio ambiente y la accesibilidad de la tecnología ITER en comparación con la energía convencional. En términos de complejidad, el proyecto es comparable al Gran Colisionador de Hadrones; La instalación del reactor incluye más de diez millones de elementos estructurales.

Sobre ITER

Para los imanes tokamak toroidales, se necesitan 80 mil kilómetros de filamentos superconductores; Su peso total alcanza las 400 toneladas. El reactor mismo pesará unas 23 mil toneladas. A modo de comparación, el peso de la Torre Eiffel en París es de solo 7.3 mil toneladas. El volumen de plasma en el tokamak alcanzará los 840 metros cúbicos, mientras que, por ejemplo, en el reactor más grande del Reino Unido de este tipo, JET, el volumen es igual a cien metros cúbicos.

La altura del tokamak será de 73 metros, de los cuales 60 metros estarán por encima del suelo y 13 metros por debajo. A modo de comparación, la altura de la Torre Spasskaya del Kremlin de Moscú es de 71 metros. La plataforma principal del reactor ocupará un área de 42 hectáreas, que es comparable al área de 60 campos de fútbol. La temperatura en el plasma tokamak alcanzará los 150 millones de grados Celsius, que es diez veces más alta que la temperatura en el centro del sol.

En el segundo semestre de 2010, se planea involucrar a hasta cinco mil personas en la construcción de ITER: incluirán tanto trabajadores como ingenieros, así como personal administrativo. Muchos componentes de ITER serán entregados desde el puerto por el mar Mediterráneo a través de una carretera especialmente construida con una longitud de unos 104 kilómetros. En particular, la parte más pesada de la unidad se transportará a través de ella, cuya masa será de más de 900 toneladas, y su longitud será de unos diez metros. Más de 2.5 millones de metros cúbicos de tierra serán removidos del sitio de construcción de la instalación ITER.

Los costos totales de diseño y construcción se estiman en 13 mil millones de euros. Estos fondos son asignados por siete participantes clave del proyecto que representan los intereses de 35 países. En comparación, el costo total de construcción y mantenimiento del Gran Colisionador de Hadrones es casi dos veces menor, y la construcción y mantenimiento de la Estación Espacial Internacional es casi una vez y media más costosa.

Tokamak

Hoy en el mundo hay dos proyectos prometedores de reactores termonucleares: tokamak ( luegoroidal kamedida mamáfeo aátomos) y un estellarador. En ambas instalaciones, el plasma es retenido por un campo magnético, pero en un tokamak tiene la forma de un cable toroidal a través del cual pasa una corriente eléctrica, mientras que en un estellarador el campo magnético es inducido por bobinas externas. En los reactores de fusión, se producen reacciones de la síntesis de elementos pesados \u200b\u200ba partir de la luz (helio de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio), a diferencia de los reactores convencionales, donde se inicia la descomposición de los núcleos pesados \u200b\u200ben los más ligeros.

Foto: SIC “Instituto Kurchatov” / nrcki.ru

La corriente eléctrica en el tokamak también se usa para el calentamiento inicial del plasma a una temperatura de aproximadamente 30 millones de grados Celsius; El calentamiento adicional se realiza mediante dispositivos especiales.

El esquema teórico del tokamak fue propuesto en 1951 por los 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 modo estacionario durante mucho tiempo y, a mediados de la década de 1960, el mundo había desarrollado la creencia de que la fusión termonuclear controlada basada en tokamak era imposible.

Pero tres años después, en la instalación T-3 en el Instituto Kurchatov de Energía Atómica bajo el liderazgo 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; Los científicos británicos que estuvieron presentes en el experimento registraron una temperatura de aproximadamente diez millones de grados en sus equipos. Después de eso, el mundo comenzó un verdadero boom de tokamak, por lo que se construyeron alrededor de 300 unidades en el mundo, la mayor de las cuales se encuentra en Europa, Japón, Estados Unidos y Rusia.

Imagen: Rfassbind / wikipedia.org

ITER Management

¿Cuál es la base para la creencia de que ITER funcionará en 5-10 años? ¿Sobre qué desarrollos prácticos y teóricos?

En el lado ruso, llevamos a cabo el horario de trabajo declarado y no lo vamos a violar. Desafortunadamente, vemos algún retraso en el trabajo realizado por otros, principalmente Europa; Estados Unidos tiene cierto retraso y existe una tendencia al retraso del proyecto. Detenido, pero no detenido. Hay confianza en que funcionará. El concepto del proyecto en sí mismo es completamente teórica y prácticamente calculado y confiable, por lo que creo que funcionará. ¿Dará los resultados completamente declarados ... espere y vea?

¿Es el proyecto más investigación?

Por supuesto. El resultado declarado no es el resultado obtenido. Si se recibe en su totalidad, estaré extremadamente feliz.

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

El proyecto ITER no solo es súper complejo, sino también un proyecto súper estresante. Tenso en términos de carga de energía, condiciones de funcionamiento de ciertos elementos, incluidos nuestros sistemas. Por lo tanto, las nuevas tecnologías simplemente están obligadas a nacer en este proyecto.

¿Hay un ejemplo?

Espacio. Por ejemplo, nuestros detectores de diamantes. Discutimos la posibilidad de usar 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 camión espacial. Como se trata de un aparato con un reactor nuclear a bordo, las condiciones de funcionamiento difíciles requieren análisis y control, por lo que nuestros detectores podrían hacerlo. Por el momento, el tema de crear dicho diagnóstico aún no está financiado. Si se crea, entonces se puede aplicar, y no será necesario invertir en él 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 cero y noventa en comparación con los desarrollos soviéticos y occidentales?

La parte de la contribución científica rusa a ITER en el contexto de la mundial es muy grande. No la conozco con seguridad, pero es muy pesada. Claramente, no es menos que el porcentaje ruso de participación financiera en el proyecto, porque en muchos otros equipos hay una gran cantidad de rusos que se han ido al extranjero para trabajar en otras instituciones. En Japón y Estados Unidos, en todas partes, tenemos muy buenos contactos y trabajamos con ellos, algunos de ellos representan a Europa y otros representan a Estados Unidos. Además, hay sus propias escuelas científicas. Por lo tanto, en cuanto a si estamos desarrollando más o más lo que hicimos antes ... Uno de los grandes dijo que "estamos sobre los hombros de los titanes", por lo tanto, la base que se construyó en la época soviética es innegablemente grande y sin ella no somos nada no podría Pero en este momento no estamos quietos, nos estamos moviendo.

¿Y qué está haciendo exactamente tu grupo ITER?

Tengo un sector en el departamento. El departamento se dedica al desarrollo de varios diagnósticos, nuestro sector se dedica específicamente al desarrollo de una cámara de neutrones vertical, diagnósticos de neutrones ITER y resuelve una amplia gama de problemas desde el diseño hasta la fabricación, así como también realiza trabajos de investigación relacionados con el desarrollo de, en particular, detectores de diamantes. Un detector de diamantes es un dispositivo único creado originalmente en nuestro laboratorio. Anteriormente utilizado en muchas instalaciones de fusión, ahora es ampliamente utilizado por muchos laboratorios desde América hasta Japón; dicen que nos siguieron, pero seguimos en la cima. Ahora estamos haciendo detectores de diamantes y vamos a alcanzar el nivel de su producción industrial (producción a pequeña escala).

¿En qué industrias se pueden usar estos detectores?

En este caso, se trata de investigación termonuclear, en el futuro asumimos que tendrán demanda en energía nuclear.

¿Qué hacen exactamente los detectores, qué miden?

Neutrones No existe un producto más valioso que un neutrón. También constamos de neutrones.

¿Qué características de los neutrones miden?

Espectral. En primer lugar, la tarea inmediata que se está resolviendo en ITER es la medición de los espectros de energía de neutrones. Además, controlan el número y la energía de los neutrones. La segunda tarea adicional se relaciona con la energía nuclear: tenemos desarrollos paralelos que pueden medir neutrones térmicos, que son la base de los reactores nucleares. Esta tarea es secundaria para nosotros, pero también se está trabajando, 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 modelado matemático hasta experimentos. Todos los diferentes tipos de cálculos que llevamos a cabo se confirman y verifican mediante experimentos, porque tenemos directamente un laboratorio experimental con varios generadores de neutrones en funcionamiento, en los que probamos los sistemas que nosotros mismos estamos desarrollando.

¿Tiene un reactor en funcionamiento en su laboratorio?

No un reactor, sino un generador de neutrones. El generador de neutrones, de hecho, es un minimodelo de esas reacciones termonucleares en cuestión. Todo es igual, solo allí el proceso es algo diferente. Funciona según el principio de un acelerador: es un haz de ciertos iones que golpea un objetivo. Es decir, en el caso de un plasma, tenemos un objeto caliente en el que cada átomo tiene una gran 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 de las formas en que puede hacer exactamente la misma reacción de fusión; Lo único que se demuestra es que este método no tiene una alta eficiencia, es decir, no obtienes una salida de energía positiva, pero obtienes la reacción en sí misma: observamos directamente esta reacción y las partículas y todo lo que sucede 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 de helio, puede actuar como combustible para un reactor termonuclear. Raramente se encuentra en la Tierra, pero está muy en la luna. Esta es la trama de la película del mismo nombre de Duncan Jones. Si lees este artículo, definitivamente te gustará la película.

Una reacción de fusión nuclear es cuando dos núcleos atómicos pequeños se fusionan en uno grande. Esta es una reacción inversa. Por ejemplo, puede colisionar dos núcleos de hidrógeno para obtener helio.

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

Pero para que se produzca la fusión de los dos núcleos, es necesario superar su fuerza de repulsión electrostática y presionarse fuertemente entre sí. Pero a distancias pequeñas, del orden del tamaño de los núcleos, fuerzas nucleares mucho más grandes ya están actuando, gracias a lo cual los núcleos se atraen entre sí y se combinan en un núcleo grande.

Por lo tanto, la reacción de fusión puede tener lugar solo a temperaturas muy altas, de modo que la velocidad de los núcleos es tal que en una colisión tienen suficiente energía para acercarse tanto que las fuerzas nucleares funcionan y se produce una reacción. De ahí viene el nombre "termo".

Práctica

Donde está la 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.

Solo la temperatura es el principal obstáculo para usar energía termonuclear en la práctica. No hay materiales que puedan mantener esta temperatura y no derretirse.

Pero hay una salida, puedes sostener el plasma gracias a la fuerza. En dispositivos especiales de tokamak, los imanes enormes y potentes pueden contener el plasma en forma de rosquilla.

Una planta de energía de fusión es segura, ecológica y muy económica. Ella puede resolver todos los problemas de energía de la humanidad. Lo pequeño es aprender a construir centrales termonucleares.

Reactor termonuclear experimental internacional

Construir un reactor de fusión es muy difícil y muy costoso. Para resolver una tarea tan desalentadora, se unieron los esfuerzos de científicos de varios países: Rusia, Estados Unidos, países de la UE, Japón, India, China, la República de Corea y Canadá.

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

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

Cómo empezó todo. El "desafío energético" surgió como resultado de una combinación de los siguientes tres factores:

1. La humanidad ahora consume una gran cantidad de energía.

Actualmente, el consumo mundial de energía es de aproximadamente 15,7 teravatios (TW). Al dividir este valor entre la población mundial, obtenemos unos 2400 vatios por persona, lo que se puede calcular e imaginar fácilmente. La energía consumida por cada habitante de la Tierra (incluidos los niños) corresponde al funcionamiento ininterrumpido de 24 lámparas eléctricas de cien vatios. Sin embargo, el consumo de esta energía en el planeta es muy desigual, ya que es muy grande en varios países e insignificante en otros. El consumo (en términos de una persona) es de 10,3 kW en los Estados Unidos (uno de los valores más altos), 6,3 kW en la Federación de Rusia, 5,1 kW en el Reino Unido, etc., pero, por otro lado, es solo 0.21 kW en Bangladesh (¡solo el 2% del consumo de energía en los EE. UU.!).

2. El consumo mundial de energía está creciendo dramáticamente.

Según las previsiones de la Agencia Internacional de Energía (2006), el consumo mundial de energía debería aumentar en un 50% para 2030. Los países desarrollados, por supuesto, podrían prescindir de energía adicional, pero este crecimiento es necesario para deshacerse de la pobreza en los países en desarrollo, donde 1.500 millones de personas están experimentando una grave escasez de energía eléctrica.

3. Actualmente, el 80% de la energía que consume el mundo se genera al quemar combustibles fósiles. (petróleo, carbón y gas), cuyo uso:
a) potencialmente conlleva el riesgo de cambios ambientales catastróficos;
b) inevitablemente algún día debería terminar.

Está claro por lo que se ha dicho que ya ahora debemos prepararnos para el final de la era del uso de combustibles fósiles.

En la actualidad, las centrales nucleares a gran escala reciben energía liberada durante las reacciones de fisión de los núcleos atómicos. Se debe alentar la creación y el desarrollo de tales estaciones en todos los sentidos, pero se debe tener en cuenta que las reservas de uno de los materiales más importantes (uranio barato) para su trabajo también se pueden utilizar por completo en los próximos 50 años. Las capacidades de la energía basada en la fisión pueden (y deberían) expandirse significativamente mediante el uso de ciclos de energía más eficientes, que casi pueden duplicar la cantidad de energía recibida. Para el desarrollo de energía en esta dirección, se requiere crear reactores de torio (los llamados reactores reproductores de torio o reactores reproductores) en los que durante la reacción surge más torio que el uranio inicial, como resultado de lo cual la cantidad total de energía producida para una cantidad dada de sustancia aumenta en 40 veces . También parece prometedor crear reproductores rápidos de plutonio de neutrones, que son mucho más eficientes que los reactores de uranio y pueden producir 60 veces más energía. Quizás para el desarrollo de estas áreas será necesario desarrollar métodos nuevos y no estándar para producir uranio (por ejemplo, a partir del agua de mar, que parece ser la más asequible).

Plantas de energía termonuclear

La figura muestra un diagrama esquemático (sin respetar la escala) del dispositivo y el principio de funcionamiento de una planta de energía termonuclear. En la parte central se encuentra una cámara toroidal (en forma de rosquilla) con un volumen de ~ 2000 m3 lleno de plasma de tritio-deuterio (T-D) calentado a una temperatura superior a 100 M ° C. Los neutrones formados durante la reacción de síntesis (1) abandonan la "botella magnética" y caen en la cubierta con un espesor de aproximadamente 1 m que se muestra en la figura.

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

neutrones + litio → helio + tritio

Además, se producen reacciones competitivas en el sistema (sin la formación de tritio), así como muchas reacciones con la liberación de neutrones adicionales, que luego también conducen a la formación de tritio (en este caso, la liberación de neutrones adicionales se puede mejorar significativamente, por ejemplo, al introducir átomos de berilio en la cubierta y plomo). La conclusión general es que en esta configuración puede ocurrir una reacción de fusión nuclear (al menos teóricamente) en la que se formará tritio. Al mismo tiempo, la cantidad de tritio formado no solo debe satisfacer las necesidades de la instalación en sí, sino que también debe ser algo mayor, lo que permitirá proporcionar tritio y nuevas instalaciones. Es este concepto operativo el que necesita ser probado e implementado en el reactor ITER que se describe a continuación.

Además, los neutrones deben calentar el revestimiento de las llamadas plantas piloto (en las que se utilizarán materiales estructurales relativamente "ordinarios") a aproximadamente 400 ° C. En el futuro, se planea crear instalaciones mejoradas con una temperatura de calentamiento de la carcasa superior a 1000 ° 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 retirado por el circuito de enfriamiento primario con un refrigerante (que contiene, por ejemplo, agua o helio) y transferido al circuito secundario, donde se produce agua y se alimenta a las turbinas.

1985 - La Unión Soviética propuso el Tokamak de próxima generación, utilizando la experiencia de cuatro países líderes para crear reactores termonucleares. Los Estados Unidos de América, junto con Japón y la Comunidad Europea, presentaron una propuesta de proyecto.

Actualmente, Francia está construyendo el ITER (Reactor Experimental Tokamak Internacional) descrito a continuación, que será el primer tokamak capaz de encender plasma.

Se han alcanzado temperaturas del orden de 150 M ° C en las plantas tokamak existentes más avanzadas, cercanas a los valores requeridos para la operación de una estación termonuclear, sin embargo, el reactor ITER debería ser la primera planta de energía a gran escala diseñada para operación a largo plazo. En el futuro, será necesario mejorar significativamente los parámetros de su funcionamiento, lo que requerirá, en primer lugar, aumentar la presión en el plasma, ya que la velocidad de fusión nuclear a una temperatura dada es proporcional al cuadrado de la presión. El principal problema científico en este caso es que con el aumento de 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 solo requiere una cantidad muy pequeña de sustancias que son muy comunes en la naturaleza como combustible. La reacción de fusión nuclear en las plantas descritas puede conducir a la liberación de una gran cantidad de energía, diez millones de veces mayor que el calor estándar durante las reacciones químicas convencionales (como la quema de combustibles fósiles). A modo de comparación, indicamos que la cantidad de carbón necesaria para operar una planta de energía térmica de 1 gigavatio (GW) es de 10,000 toneladas por día (diez vagones de ferrocarril), y una planta de fusión de la misma capacidad consumirá solo aproximadamente 1 kilogramo de la mezcla D + T por día .

El deuterio es un isótopo estable de hidrógeno; en aproximadamente una de cada 3350 moléculas de agua ordinaria, uno de los átomos de hidrógeno es reemplazado por deuterio (un legado heredado del Big Bang). Este hecho facilita la organización de una producción bastante barata de la cantidad requerida de deuterio a partir del agua. Más difícil es la producción de tritio, que es inestable (vida media de aproximadamente 12 años, como resultado de lo cual su contenido en la naturaleza es insignificante), sin embargo, como se muestra arriba, el tritio ocurrirá directamente dentro de la instalación termonuclear durante la operación, debido a la reacción de los neutrones con litio.

Por lo tanto, el litio y el agua son el combustible inicial para el reactor de fusión. El litio es un metal ordinario ampliamente utilizado en electrodomésticos (en baterías para teléfonos móviles, etc.). La instalación descrita anteriormente, incluso teniendo en cuenta la eficiencia imperfecta, podrá producir 200,000 kW / h de energía eléctrica, que es equivalente a la energía contenida en 70 toneladas de carbón. La cantidad de litio requerida para esto está contenida en una batería de computadora, y la cantidad de deuterio está en 45 litros de agua. El valor anterior corresponde al consumo actual de electricidad (en términos de por persona) en la UE durante 30 años. El hecho de que una cantidad tan insignificante de litio pueda proporcionar la generación de tal cantidad de electricidad (sin emisiones de CO2 y sin la más mínima contaminación de la atmósfera) es un argumento suficientemente serio para el desarrollo rápido y vigoroso de la energía termonuclear (a pesar de todas las dificultades y problemas) e incluso sin un cien por ciento de confianza El éxito de tal investigación.

El deuterio debería ser suficiente durante millones de años, y las reservas de litio fácilmente extraído son suficientes para satisfacer las necesidades durante cientos de años. Incluso si las reservas de litio en las rocas se agotan, podemos extraerlo del agua, donde está contenido en una concentración suficientemente alta (100 veces mayor que la concentración de uranio) para que su extracción sea económicamente factible.

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

Se producen aproximadamente 10 millones de veces más energía por unidad de peso de combustible termonuclear que cuando se quema la misma cantidad de combustible fósil, y aproximadamente cien veces más que cuando los núcleos de uranio se dividen en los reactores de las centrales nucleares existentes. Si los cálculos de científicos y diseñadores se hacen realidad, esto le dará a la humanidad una fuente inagotable de energía.

Por lo tanto, varios países (Rusia, India, China, Corea, Kazajstán, EE. UU., Canadá, Japón, los países de la UE) se han unido para crear el Reactor de Investigación Termonuclear Internacional, el prototipo de nuevas plantas de energía.

ITER es una instalación que crea las condiciones para la síntesis de átomos de hidrógeno y tritio (isótopo de hidrógeno), como resultado de lo cual se forma un nuevo átomo: el átomo de helio. Este proceso va acompañado de una gran oleada de energía: la temperatura del plasma en el que tiene lugar la reacción termonuclear es de aproximadamente 150 millones de grados Celsius (en comparación, la temperatura del núcleo solar es de 40 millones de grados). Al mismo tiempo, los isótopos se queman y prácticamente no dejan residuos radiactivos.
El esquema de participación en el proyecto internacional prevé el suministro de componentes del reactor y el financiamiento de su construcción. A cambio de esto, cada uno de los países participantes obtiene acceso completo a todas las tecnologías para crear un reactor termonuclear y a los resultados de todo el trabajo experimental en este reactor, que servirá como base para el diseño de reactores de potencia termonuclear en serie.

Un reactor basado en el principio de fusión termonuclear no tiene radiación radioactiva y es completamente seguro para el medio ambiente. Se puede ubicar en casi cualquier parte del mundo, y el agua común es el combustible para ello. La construcción de ITER debería durar unos diez años, después de lo cual se supone que el reactor se utilizará durante 20 años.

Los intereses de Rusia en el Consejo de la Organización Internacional para la Construcción del Reactor de Fusión ITER en los próximos años estarán representados por el Miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Mikhail Kovalchuk, Director del Instituto Kurchatov, el Instituto de Cristalografía de la Academia de Ciencias de Rusia y Secretario Científico del Consejo Presidencial de Ciencia, Tecnología y Educación. Kovalchuk reemplazará temporalmente al académico Yevgeny Velikhov en este puesto, quien es elegido como presidente del consejo internacional del ITER durante los próximos dos años y no tiene derecho a combinar este cargo con los deberes del representante oficial del país.

El costo total de construcción se estima en 5 mil millones de euros, se requerirá la misma cantidad para la operación piloto del reactor. Las acciones de India, China, Corea, Rusia, Estados Unidos y Japón representan aproximadamente el 10 por ciento del valor total, el 45 por ciento representa los países de la Unión Europea. Sin embargo, si bien los estados europeos no han acordado cómo se distribuirán exactamente los costos entre ellos. Debido a esto, el inicio de la construcción se pospuso hasta abril de 2010. A pesar de otro retraso, los científicos y funcionarios involucrados en la creación de ITER afirman que podrán completar el proyecto para 2018.

El poder termonuclear estimado de ITER es de 500 megavatios. Las partes individuales de los imanes alcanzan un peso de 200 a 450 toneladas. Para enfriar ITER, se requerirán 33 mil metros cúbicos de agua por día.

En 1998, Estados Unidos dejó de financiar su participación en el proyecto. Después de que los republicanos llegaron al poder en el país, y comenzaron los recortes de fanáticos en California, la administración Bush anunció un aumento en el gasto de energía. Estados Unidos no tenía la intención de participar en el proyecto internacional y participó 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 la intención de volver al proyecto.

El proyecto en términos de número de participantes es comparable a otro importante proyecto científico internacional: la Estación Espacial Internacional. El costo de ITER, que anteriormente había alcanzado los $ 8 mil millones, ascendió a menos de 4 mil millones. Como resultado de la retirada de los Estados Unidos, se decidió reducir la potencia del reactor de 1,5 GW a 500 MW. En consecuencia, el precio del proyecto también ha "perdido peso".

En junio de 2002, el simposio ITER Days en Moscú se celebró en la capital rusa. Discutió los problemas teóricos, prácticos y organizativos de la reactivación del proyecto, cuyo éxito puede cambiar el destino de la humanidad y darle un nuevo tipo de energía, comparable en eficiencia y economía a solo la energía del sol.

En julio de 2010, representantes de los países que participan en el proyecto internacional del reactor de fusión ITER aprobaron su presupuesto y calendario de construcción en una reunión extraordinaria celebrada en Cadarache francés. .

En una reunión extraordinaria, los participantes del proyecto aprobaron la fecha de inicio de los primeros experimentos de plasma: 2019. La realización de experimentos completos está prevista para marzo de 2027, aunque la dirección del proyecto solicitó a los especialistas técnicos que intenten optimizar el proceso y comenzar los experimentos en 2026. Los participantes de la reunión también determinaron los costos de construcción del reactor, sin embargo, no se revelaron los montos que se planea gastar en la instalación de la planta. Según la información recibida por el editor del portal ScienceNOW de una fuente no identificada, para cuando comiencen los experimentos, el costo del proyecto ITER podría ser de 16 mil millones de euros.

La reunión en Kadarash también fue el primer día de trabajo oficial para el nuevo director del proyecto, el físico japonés Osamu Motojima. Antes de él, el proyecto desde 2005 fue liderado por el japonés Kaname Ikeda, que deseaba dejar el puesto inmediatamente después de la aprobación del presupuesto y el cronograma de construcción.

El reactor termonuclear ITER es un proyecto conjunto de los estados de la Unión Europea, Suiza, Japón, Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur, China e India. La idea de crear ITER se ha considerado desde los años 80 del siglo pasado, sin embargo, debido a dificultades financieras y técnicas, el costo del proyecto crece constantemente y la fecha de inicio de la construcción se pospone constantemente. En 2009, los expertos esperaban que el trabajo en la creación del reactor comenzaría en 2010. Más tarde, esta fecha se movió, y como la hora de inicio del reactor, se llamó primero 2018 y luego 2019.

Las reacciones de fusión termonuclear son reacciones de fusión de núcleos de isótopos ligeros para formar un núcleo más pesado, que se acompañan de una gran liberación de energía. En teoría, los reactores termonucleares pueden producir mucha energía a bajo costo, pero en este momento, los científicos están gastando mucha más energía y dinero en iniciar y mantener la reacción de fusión.

La fusión termonuclear es una forma económica y ecológica de producir energía. La fusión termonuclear no controlada ha estado ocurriendo en el Sol durante miles de millones de años: el helio se forma a partir del pesado isótopo de hidrógeno del deuterio. Se libera una tremenda cantidad de energía. Sin embargo, la gente en la Tierra aún no ha aprendido cómo manejar tales reacciones.

Los isótopos de hidrógeno se utilizarán como combustible en el reactor ITER. Durante una reacción termonuclear, la energía se libera cuando los átomos ligeros se combinan en los 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. Los átomos de los isótopos de hidrógeno en este caso se fusionan, convirtiéndose en átomos de helio con la liberación de una gran cantidad de neutrones. Una planta de energía que opere según este principio utilizará la energía de los neutrones ralentizados por una capa de materia densa (litio).

¿Por qué se demora tanto la creación de instalaciones termonucleares?

¿Por qué son tan importantes y valiosas las instalaciones, cuyas ventajas se han discutido durante casi medio siglo y aún no se han creado? Hay tres razones principales (discutidas a continuación), la primera de las cuales puede llamarse externa o pública, y las otras dos, internas, es decir, debido a las leyes y condiciones para el desarrollo de la energía termonuclear.

1. Durante mucho tiempo se creyó que el problema del uso práctico de la energía de fusión no requiere soluciones y acciones urgentes, ya que en 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 Termonuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Intentó evaluar el momento de la I + D y el desarrollo de una planta de energía termonuclear de demostración con varias opciones de financiación para la investigación. Al mismo tiempo, se descubrió que el volumen de financiamiento anual de investigación en esta dirección es completamente insuficiente, y mientras se mantiene el nivel existente de apropiaciones, la creación de plantas termonucleares nunca tendrá éxito, ya que los fondos asignados no corresponden ni siquiera al nivel crítico mínimo.

2. Un obstáculo más serio para el desarrollo de la investigación en esta área es que la instalación termonuclear del tipo en discusión no se puede crear y demostrar en tamaños pequeños. A partir de las explicaciones presentadas a continuación, quedará claro que la fusión termonuclear requiere no solo un confinamiento magnético del plasma, sino también un calentamiento suficiente. La proporción de energía consumida 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 se pueden probar y demostrar en estaciones suficientemente grandes, como el reactor ITER mencionado. La sociedad simplemente no estaba lista para financiar proyectos tan grandes hasta que hubo suficiente confianza en el éxito.

3. Sin embargo, el desarrollo de la energía termonuclear fue muy complejo (a pesar de la insuficiencia de fondos y las dificultades para elegir centros para crear instalaciones JET e ITER), se ha observado un progreso obvio en los últimos años, aunque la estación existente aún no se ha creado.

El mundo moderno se enfrenta a un desafío energético muy serio, que con más precisión se puede llamar una "crisis energética incierta". El problema es que las reservas de combustibles fósiles pueden agotarse ya en la segunda mitad de este siglo. Además, la quema de combustibles fósiles puede hacer que sea necesario unir y "preservar" de alguna manera el dióxido de carbono liberado a la atmósfera (el programa CCS mencionado anteriormente) para evitar cambios importantes en el clima del planeta.

En la actualidad, casi toda la energía consumida por la humanidad se crea al quemar combustibles fósiles, y la solución al problema puede asociarse con el uso de energía solar o nuclear (la creación de reactores reproductores rápidos, etc.). El problema global, causado por la creciente población de los países en desarrollo y su necesidad de mejorar el nivel de vida y aumentar la cantidad de energía producida, no puede resolverse solo sobre la base de los enfoques considerados, aunque, por supuesto, debe alentarse cualquier intento de desarrollar métodos alternativos de generación de energía.

En realidad, tenemos una pequeña selección de estrategias de comportamiento y el desarrollo de la energía termonuclear es extremadamente importante, incluso a pesar de la ausencia de una garantía de éxito. El periódico Financial Times (del 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, después de aproximadamente 30 años, podremos suministrar corriente eléctrica a las redes de energía por primera vez, y después de otros 10 años, la primera planta comercial de energía termonuclear comenzará a operar. Es posible que en la segunda mitad de nuestro siglo, la energía de fusión comience a reemplazar a los combustibles fósiles y gradualmente juegue un papel cada vez más importante para proporcionar energía a la humanidad a escala global.

No hay garantía absoluta de que la tarea de crear energía termonuclear (como una fuente de energía efectiva y a gran escala para toda la humanidad) sea exitosa, pero la probabilidad de éxito en esta dirección es bastante alta. Dado el enorme potencial de las estaciones de fusión, todos los costos de los proyectos para su desarrollo rápido (e incluso acelerado) pueden considerarse justificados, especialmente dado que estas inversiones parecen muy modestas en el contexto del enorme volumen del mercado mundial de energía ($ 4 billones por año8). Satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad es un problema muy grave. A medida que los combustibles fósiles se vuelven menos accesibles (además, su uso se vuelve indeseable), la situación está cambiando y simplemente no podemos darnos el lujo de no desarrollar energía termonuclear.

A la pregunta "¿Cuándo aparecerá la energía termonuclear?" Lev Artsimovich (un pionero reconocido y líder en investigación en esta área) respondió una vez que "se creará cuando sea realmente necesario para la humanidad"

ITER será el primer reactor de fusión en generar más energía de la que consume. Los científicos miden esta característica con un coeficiente simple, que llaman "Q". Si ITER nos permite alcanzar todos nuestros objetivos científicos, producirá 10 veces más energía de la que consume. El último de los dispositivos construidos, el "Joint European Tor" en Inglaterra, es un prototipo más pequeño de un reactor termonuclear, que en la etapa final de la investigación científica alcanzó un valor Q de casi 1. Esto significa que produjo exactamente la misma cantidad de energía que consumió. ITER ayudará a superar este resultado al demostrar la creación de energía en el proceso de fusión nuclear y alcanzar un valor de Q igual a 10. La idea es producir 500 MW con un consumo de energía de aproximadamente 50 MW. Por lo tanto, uno de los objetivos científicos del ITER es demostrar que se puede lograr un valor Q de 10.

Otro objetivo científico es que ITER tendrá un tiempo de "combustión" muy largo, un impulso de mayor duración de hasta una hora. ITER es un reactor experimental de investigación y desarrollo que no puede producir energía continuamente. Cuando ITER comience a funcionar, se encenderá durante una hora, luego de lo cual deberá apagarse. Esto es importante porque hasta ahora los dispositivos típicos que creamos podían tener un tiempo de grabación de varios segundos o incluso décimas de segundo, este es el máximo. El "toro europeo conjunto" 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 lleva unos segundos no es realmente permanente. Por analogía con el arranque del motor de un automóvil: encender brevemente el motor y luego apagarlo no es una operación real del automóvil. Solo cuando conduzca su automóvil durante media hora, pasará a un modo de operación constante y demostrará que es realmente posible conducir dicho automóvil.

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

El programa de fusión termonuclear es verdaderamente internacional, generalizado. La gente ya cuenta con el éxito de ITER y está pensando en el siguiente paso: crear un prototipo de un reactor termonuclear industrial llamado DEMO. Para construirlo, ITER necesita trabajar. Debemos lograr nuestros objetivos científicos, porque esto significará que las ideas presentadas por nosotros son bastante factibles. Sin embargo, estoy de acuerdo en que siempre debes pensar en lo que sucederá después. Además, durante la operación de ITER durante 25-30 años, nuestro conocimiento se profundizará y expandirá gradualmente, y podremos describir con mayor precisión nuestro próximo paso.

De hecho, no hay debate sobre si ITER debería ser solo un tokamak. Algunos científicos plantean la pregunta de una manera completamente diferente: ¿debería haber ITER? Expertos en diferentes países, desarrollando sus propios proyectos de fusión, no tan a gran escala, sostienen que no se necesita un reactor tan grande en absoluto.

Sin embargo, su opinión no debe considerarse autoritaria. Los físicos que trabajan con trampas toroidales durante varias décadas han estado involucrados en la creación de ITER. El dispositivo del reactor termonuclear experimental en Karadash se basó en todo el conocimiento adquirido durante los experimentos en docenas de tokamaks precursores. Y estos resultados indican que el reactor necesariamente debe tener un tokamak y uno grande.

JET En este momento, el tokamak más exitoso puede considerarse JET, construido por la UE en la ciudad británica de Ebingdon. Este es el mayor de los reactores de tipo tokamak creados hasta la fecha, con un gran radio del toro de plasma de 2,96 metros. El poder de la reacción termonuclear alcanza ya más de 20 megavatios con un tiempo de retención de hasta 10 segundos. El reactor devuelve aproximadamente el 40% de la energía invertida en el plasma.

Es la física del plasma la que determina el equilibrio energético ”, dijo Igor Semenov a Infox.ru. ¿Qué es el balance de energía? Un profesor asociado de MIPT describió con un simple ejemplo: “Todos vimos cómo arde el fuego. De hecho, no hay leña, sino gas. La cadena de energía allí es la siguiente: las quemaduras de gas, la calefacción de leña, la leña se evapora, el gas se quema nuevamente. Por lo tanto, si salpicamos agua en un incendio, entonces tomaremos energía abruptamente del sistema a la transición de fase del agua líquida a un estado de vapor. El balance se volverá negativo, el fuego se apagará. Hay otra manera: podemos recoger las marcas de fuego en el espacio. El fuego también se apagará. Del mismo modo, en el reactor de fusión que estamos construyendo. Los tamaños se eligen para crear un balance de energía positivo apropiado para el reactor dado. Suficiente para construir un TNPP real en el futuro, habiendo decidido en esta etapa experimental todos los problemas que actualmente no se han resuelto ".

Las dimensiones del reactor una vez cambiaron. Esto sucedió a comienzos del siglo XX-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) es demasiado grande. Se requirió de físicos e ingenieros para reducir el costo de instalación. Y esto solo se puede hacer a expensas del tamaño. El físico francés Robert Aymar, que trabajó anteriormente en el tokamak francés Tore Supra en Karadash, dirigió el "rediseño" de ITER. El radio exterior del toro de plasma se redujo de 8,2 a 6,3 metros. Sin embargo, los riesgos asociados con la reducción de tamaño compensaron parcialmente varios imanes superconductores adicionales, lo que permitió realizar el régimen de confinamiento de plasma que estaba abierto e investigado en ese momento.

Hoy, muchos países están participando en la investigación de fusión. Los líderes son la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia y Japón, y los programas de China, Brasil, Canadá y Corea se están expandiendo rápidamente. Inicialmente, los reactores de fusión en los Estados Unidos y la URSS se asociaron con el desarrollo de armas nucleares y se mantuvieron clasificados hasta la conferencia Átomos para la Paz celebrada en Ginebra en 1958. Después de la creación del tokamak soviético, la investigación de fusión nuclear en la década de 1970 se convirtió en "gran ciencia". Pero el costo y la complejidad de los dispositivos aumentaron hasta el punto de que la cooperación internacional era la única oportunidad para avanzar.

Reactores de fusión en el mundo

Desde la década de 1970, el comienzo del uso comercial de la energía de fusión se ha postergado continuamente durante 40 años. Sin embargo, mucho ha sucedido en los últimos años, por lo que este período puede acortarse.

Se han construido varios tokamaks, incluido 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. Se convertirá en el tokamak más grande cuando comience a operar en 2020. En 2030, se construirá CFETR en China, que superará a ITER. Mientras tanto, China está llevando a cabo una investigación sobre el superconductor experimental tokamak EAST.

Otro tipo de reactores termonucleares, los stellators, también son populares entre los investigadores. Uno de los más grandes, LHD, comenzó a trabajar en el Instituto Nacional de Japón en 1998. Se utiliza para encontrar la mejor configuración de confinamiento de plasma magnético. De 1988 a 2002, el Instituto Alemán Max Planck realizó una investigación en el reactor Wendelstein 7-AS en Garching, y actualmente en el Wendelstein 7-X, cuya construcción duró más de 19 años. Otro stellarator TJII está en funcionamiento en Madrid, España. En los EE. UU., El Laboratorio de Princeton (PPPL), donde se construyó el primer reactor de fusión de este tipo en 1951, detuvo la construcción del NCSX en 2008 debido a costos excesivos y falta de fondos.

Además, se han realizado progresos significativos en la investigación de la fusión termonuclear inercial. El Fondo Nacional de Encendido (NIF) de $ 7 mil millones en el Laboratorio Nacional de Livermore (LLNL), financiado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, se completó en marzo de 2009. French Laser Mégajoule (LMJ) comenzó a operar en octubre de 2014. Los reactores termonucleares usan aproximadamente 2 millones de julios de energía luminosa entregada por láser en unas pocas billonésimas de segundo a un objetivo de unos pocos milímetros de tamaño para desencadenar una reacción de fusión nuclear. Los objetivos principales de NIF y LMJ son estudios para apoyar los programas nucleares militares nacionales.

ITER

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

Después de 6 años, el Consejo ITER aprobó el primer proyecto integral de reactores basado en física y tecnología bien establecida por un valor de $ 6 mil millones. Luego, Estados Unidos se retiró del consorcio, lo que los obligó a reducir los costos a la mitad y cambiar el proyecto. El resultado fue un ITER-FEAT por valor de $ 3 mil millones, pero que permitió una respuesta autosostenible y un equilibrio de poder positivo.

En 2003, Estados Unidos se unió al consorcio y China anunció su deseo de participar en él. Como resultado, a mediados de 2005, los socios acordaron construir un ITER en Cadarache, en el sur de Francia. La UE y Francia contribuyeron con la mitad de 12.800 millones de euros, mientras que Japón, China, Corea del Sur, Estados Unidos y Rusia contribuyeron cada uno con un 10%. Japón proporcionó componentes de alta tecnología, contuvo una unidad IFMIF por valor de € 1 mil millones para pruebas de materiales, y fue elegible para la construcción del próximo reactor de prueba. El costo total de ITER incluye la mitad del costo de la construcción de 10 años y la otra mitad por 20 años de operación. India se convirtió en el séptimo miembro de ITER a finales de 2005.

Los experimentos deberían comenzar en 2018 usando hidrógeno para evitar la activación del imán. No se espera el uso de plasma D-T antes de 2026.

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

La planta de demostración de dos gigavatios de Demo producirá a gran escala de forma continua. El diseño conceptual de Demo se completará en 2017, y su construcción comenzará en 2024. La puesta en marcha tendrá lugar en 2033.

Jet

En 1978, la UE (Euratom, Suecia y Suiza) lanzó un proyecto europeo conjunto JET en el Reino Unido. JET es el tokamak de trabajo más grande del mundo en la actualidad. Un reactor JT-60 similar funciona en el Instituto Nacional Japonés de Fusión Termonuclear, pero solo JET puede usar combustible de deuterio-tritio.

El reactor se lanzó en 1983 y se convirtió en el primer experimento, como resultado de lo cual, en noviembre de 1991, se controló la fusión termonuclear con una potencia de hasta 16 MW en un segundo y 5 MW de potencia estable en plasma de deuterio-tritio. Se han llevado a cabo muchos experimentos para estudiar diversos esquemas de calentamiento y otras técnicas.

Otras mejoras a JET incluyen aumentar su poder. El reactor compacto MAST se está desarrollando con JET y forma parte del proyecto ITER.

ESTRELLA K

K-STAR es el tokamak superconductor coreano del Instituto Nacional de Investigación Termonuclear (NFRI) en Daejeon, que produjo su primer plasma a mediados de 2008. ITER, el resultado de la cooperación internacional. Un tokamak con un radio de 1,8 m es el primer reactor que utiliza imanes superconductores Nb3Sn, los mismos que se planea utilizar en ITER. Durante la primera etapa, que finalizó en 2012, K-STAR debía demostrar la viabilidad de las tecnologías básicas y lograr pulsos de plasma que duran hasta 20 s. En la segunda etapa (2013-2017), se modernizó para estudiar pulsos largos de hasta 300 s en modo H y cambiar a un modo AT de alto rendimiento. El objetivo de la tercera fase (2018-2023) es lograr un alto rendimiento y eficiencia en el modo de pulsos largos. En la etapa 4 (2023-2025), se probarán las tecnologías DEMO. El dispositivo no puede funcionar con tritio y no utiliza combustible D-T.

K-demo

Desarrollado en colaboración con el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de los Estados Unidos (PPPL) y el Instituto NFRI de Corea del Sur, K-DEMO debería ser el próximo paso hacia la construcción de reactores comerciales después de ITER, y será la primera planta de energía en generar energía en una red eléctrica, a saber 1 millón de kW por varias semanas. Su diámetro será de 6.65 my tendrá un módulo de área de reproducción creado como parte del proyecto DEMO. El Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología de Corea planea invertir alrededor de un billón de won coreanos ($ 941 millones) en él.

Este

El tokamak superconductor avanzado experimental chino (EAST) en el Instituto de Física de China en Hefei creó un plasma de hidrógeno con una temperatura de 50 millones de ° C y lo mantuvo durante 102 s.

TFTR

En el laboratorio estadounidense PPPL, el reactor de fusión experimental TFTR funcionó desde 1982 hasta 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 un récord de 10.7 MW de potencia controlable en ese momento, y en 1995 se alcanzó un récord de temperatura de 510 millones de ° C. Sin embargo, la instalación no logró el objetivo de equilibrio de la energía de fusión, pero completó con éxito los objetivos de diseño del hardware, haciendo una contribución significativa al desarrollo de ITER.

Lhd

LHD en el Instituto Nacional Japonés de Fusión Termonuclear en Toki, Prefectura de Gifu, fue el stellarator más grande del mundo. El lanzamiento del reactor de fusión tuvo lugar en 1998 y demostró cualidades de confinamiento de plasma comparables a otras grandes instalaciones. Se logró una temperatura de iones de 13.5 keV (aproximadamente 160 millones de ° C) y una energía de 1.44 MJ.

Wendelstein 7-x

Después de un año de pruebas, que comenzó a finales de 2015, la temperatura del helio alcanzó por poco tiempo 1 millón de ° C. En 2016, un reactor de fusión con plasma de hidrógeno, con 2 MW de potencia, alcanzó una temperatura de 80 millones de ° C en un cuarto de segundo. W7-X es el stellarator más grande del mundo y está previsto que funcione de forma continua durante 30 minutos. El costo del reactor fue de mil millones de euros.

Nif

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

Fusión fría

En marzo de 1989, dos investigadores, Stanley Pons, un estadounidense, y Martin Fleishman, un británico, dijeron que habían lanzado un reactor de fusión simple, frío y a temperatura ambiente. El proceso consistió en la electrólisis de agua pesada utilizando electrodos de paladio, en los cuales los núcleos de deuterio se concentraron con alta densidad. Los investigadores afirman que se produjo calor que solo podía explicarse en términos de procesos nucleares, y que hubo subproductos de fusión, incluidos 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 en frío sean reales.

Reacciones nucleares de baja energía.

Iniciado por afirmaciones de "fusión en frío", la investigación continuó en el campo de baja energía con algún apoyo empírico, pero no una explicación científica generalmente aceptada. Aparentemente, las interacciones nucleares débiles se utilizan para crear y capturar neutrones (en lugar de una fuerza poderosa, como en o en su síntesis). Los experimentos incluyen la penetración de hidrógeno o deuterio a través de un lecho catalítico y la reacción con un metal. Los investigadores informan una liberación de energía observada. El principal ejemplo práctico es la interacción del hidrógeno con el polvo de níquel con la liberación de calor, cuya cantidad es mayor de lo que puede dar cualquier reacción química.