Tuumareaktorid maailmas. Esimene termotuumareaktor

Täna osalevad paljudes riikides termotuumasünteesi uuringud. Juhid on Euroopa Liit, Ameerika Ühendriigid, Venemaa ja Jaapan ning Hiina, Brasiilia, Kanada ja Korea programmid kasvavad kiiresti. Algselt olid Ameerika Ühendriikides ja NSV Liidus tekkinud termotuumareaktorid seotud tuumarelvade väljatöötamisega ja jäid klassifitseerituks kuni 1958. aastal Genfis toimunud konverentsi "Atom for Peace" juurde. Pärast nõukogude tokamaki loomist sai 1970-ndate aastateks tuumikütuste uurimine "suureks teaduseks". Kuid seadmete maksumus ja keerukus tõusid selleni, et rahvusvaheline koostöö oli ainus võimalus edasi liikuda.

Tuumareaktorid maailmas

Alates 1970ndatest aastatest on termotuumaenergia kaubanduslikuks kasutuseks alustatud 40 aastat pidevalt. Kuid viimastel aastatel on toimunud palju, tänu millele saab seda perioodi vähendada.

Ehitatud on mitu tokamat, sealhulgas Euroopa JET, Briti MAST ja eksperimentaalne TFTR-i termotuumareaktor Princetonis, USAs. Rahvusvaheline ITER projekt on praegu ehituses Cadarache'is, Prantsusmaal. See muutub suurimaks tokamaks, kui see töötab 2020. aastal. 2030. aastal ehitatakse Hiinale CFETR, mis ületab ITERi. Samal ajal tegeleb HRV eksperimentaalse ülijuhtiva tokamaki EASTi uurimisega.

Uut tüüpi termotuumareaktorid - stellaraatorid - on ka teadlaste hulgas populaarsed. 1998. aastal alustas Jaapani tuumasünteesi riikliku instituudi üks suurimaid LHD-töid. Seda kasutatakse plasmakontsentratsiooni parima magnetkonfiguratsiooni leidmiseks. Saksa Max Plancki Instituut viis läbi uuringuid Wardenstyle 7-AS-i reaktorist Garchingis aastatel 1988-2002 ja praegu Wendelsteini 7-X-st, mis kestis üle 19 aasta. Teine TJII stellarator töötab Madridis, Hispaanias. USA-s lõpetas 2008. aastal Princetoni Plasma Physics Laboratory (PPPL), kus esimene selline tüüpi termotuumareaktor ehitati 1951. aastal, seetõttu, et NCSXi ehitamine lõpetati kulude ületamise ja rahastamise puudumise tõttu.

Lisaks sellele on inertsiaalse termotuumareaktsiooni uuringutes saavutatud märkimisväärset edu. 2009. aasta märtsis valmis Riikliku tuumaohutuse ametniku rahastatav Livermore'i riikliku laboratooriumi (LLNL) riikliku süüteseadme (NIF) kogumaksumus 7 miljardit eurot. Prantsuse Laser Mégajoule (LMJ) alustas tegevust 2014. aasta oktoobris. Termotuuma reaktorid kasutavad tuumasünteesireaktsiooni käivitamiseks ligikaudu 2 miljonit džauli valgusenergiast, mida laserid tarnivad mitu miljardikku sekundit mitu millimeetrit ulatuses. NIFi ja LMJi peamine ülesanne on toetada riiklikke sõjalisi tuumaprogramme.

ITER

1985. aastal tegi Nõukogude Liit ettepaneku luua järgmise põlvkonna tokamak koos Euroopa, Jaapani ja Ameerika Ühendriikidega. Tööd viidi läbi IAEA egiidi all. Ajavahemikul 1988-1990 loodi Rahvusvahelise termotuumasünteesi eksperimentaalreaktori ITER esimene projekt, mis tähendab ka "teed" või "teekond" ladina keelde, et tõestada, et süntees võib toota rohkem energiat kui neelavad. Samuti osalesid Kanada ja Kasahstan vastavalt Euratomi ja Venemaa vahendamisega.

Pärast 6 aastat kiitis ITERi juhatus esimese keeruka reaktori projekti, mis põhineb väljakujunenud füüsikale ja tehnoloogiale väärtusega 6 miljardit dollarit. Siis lahkus USA konsortsiumist, kes sundis kulusid poole võrra vähendama ja projekti muutma. Selle tulemusena oli ITER-FEAT väärtuseks 3 miljardit dollarit, kuid võimaldas saavutada iseseisva reaktsiooni ja positiivse jõudluse tasakaalu.

2003. aastal liitus USA uuesti konsortsiumiga ja Hiina teatas oma soovist selles osaleda. Selle tulemusena saavutasid partnerid 2005. aasta keskel ITERi ehitamise Prantsusmaal lõunaosas Cadarache'is. EL ja Prantsusmaa andsid poole 12,8 miljardist eurost ja Jaapanist, Hiinast, Lõuna-Koreast, Ameerika Ühendriikidest ja Venemaalt - 10%. Jaapan esitas kõrgtehnoloogilised komponendid, sisaldas materjalimaterjalide katsetamiseks IFMIFi seadet, mille väärtus oli 1 miljard eurot, ning tal oli õigus ehitada järgmine katsereaktor. ITERi kogumaksumus hõlmab poole kümneaastase ehituse maksumust ja poole võrra - 20 aasta jooksul. India sai 2005. aasta lõpus ITERi seitsmendaks liikmeks.

Eksperimendid peaksid algama 2018. aastal, kasutades vesinikku, et vältida magnetite aktiveerimist. DT-plasma kasutamine ei ole oodata enne 2026. aastat.

ITERi eesmärk on luua 500 MW (vähemalt 400 s), kasutades vähem kui 50 MW sisendvõimsust ilma elektritootmiseta.

Demogi kahe kilovatti demonstreeriv elektrijaam toodab pidevalt ulatuslikku elektritoodangut . Demo kontseptuaalne disain viiakse lõpule 2017. aastaks ja selle ehitus algab 2024. aastal. Käivitamine toimub 2033. aastal.

JET

EL (Euratomi, Rootsi ja Šveits) käivitas 1978. aastal Ühendkuningriigis ühisprojekti JET. JET on tänapäeval suurim töömaastikamak maailmas. Sarnane reaktor JT-60 töötab Jaapani termotuumasünteesi riiklikus instituudis, kuid ainult JET saab kasutada deuteerium-triitium kütust.

Reaktor käivitati 1983. aastal ja oli esimene katse, mille tulemusena viidi 1991. aasta novembris läbi kontrollitud termotuumareaktor sünteesi, mille võimsus oli kuni 16 MW ühe sekundi kohta ja 5 MW stabiilne jõud deuteerium-triitiumplasma puhul. Mitmeid kütteseadmeid ja muid tehnikaid uuriti palju katseid.

JET edasised täiustused on seotud võimsuse suurendamisega. Kompaktne MAST-reaktor on välja töötatud JET-iga ja on osa ITERi projektist.

K-STAR

K-STAR on Daejeoni riikliku tuumauuringute instituudi (NFRI) Korea ülijuhtiv takamaak, kes tegi oma esimese plaadi 2008. aasta keskel. See on ITERi pilootprojekt , mis on rahvusvahelise koostöö tulemus. 1,8 m raadiusega tokamak on esimene reaktor, milles kasutatakse ülijuhtivate Nb3Sn magnetid, mis on samad, mida kavatsetakse kasutada ITERis. K-STARi esimesel etapil, mis oli lõpule jõudnud 2012. aastal, tuli tõendada põhitehnoloogiate elujõulisust ja saavutada plasmakiirgust kuni 20 sekundit. Teisel etapil (2013-2017) uueneb H-režiimis pikkade impulsside pikkus kuni 300 sekundit ja üleminek kõrgtehnoloogilisele AT-režiimile. Kolmanda etapi (2018-2023) eesmärk on pika impulssrežiimi kõrge jõudluse ja efektiivsuse saavutamine. Neljandas etapis (2023-2025) testitakse DEMO tehnoloogiaid. Seade ei tööta triitiumiga ja DT ei kasuta kütust.

K-DEMO

Koostöös USA energeetikaministeeriumi Princetoni Plasma Physics Laboratory (PPPL) ja Lõuna-Korea NFRI-i Instituudiga peaks KER-DEMO olema järgmine etapp kaubanduslike reaktorite väljatöötamisel pärast ITERi ja see on esimene elektrijaam, mis on võimeline elektrivõrku tootma, nimelt 1 miljonit kW mõne nädala jooksul. Selle läbimõõt on 6,65 m ja sellel on DEMO projekti raames loodud reproduktiivvööndi moodul. Korea haridus-, teadus- ja tehnoloogiaministeerium kavatseb investeerida Korea triljoni võit (941 miljonit dollarit).

EAST

Hefei Hiina Füüsika Instituudis loodud Hiina eksperimentaalselt ülitäiuslik ülijuhtiv telekamak (EAST) lõi vesiniku plasma temperatuuriga 50 miljonit ° C ja hoiti seda 102 sekundit.

TFTR

USA PPPLi laboris töötas katseline TFTR termotuumasüntees reaktoris aastatel 1982-1997. 1993. aasta detsembris sai TFTR esimeseks magnetiline tokamakiks, kus tehti ulatuslikke katseid deuteerium-triitium-plasmaga. Järgmisel aastal tegi reaktor 10,7 MW kontrollitud võimsuse sel ajal ja 1995. aastal saavutati rekord ioniseeritud gaasi temperatuuril 510 miljonit ° C. Siiski ei suutnud käitis saavutada termotuumasünteesi katkeva energia eesmärki, kuid edukalt täitsid riistvara disaini eesmärgid, andes märkimisväärse panuse ITERi arendamisse.

LHD

LHD Jaapani tuumamagneetilise tuumasünteesi instituudis Toki Gifu prefektuuris oli Toki suurim stellarator maailmas. Termotuumareaktori käivitamine toimus 1998. aastal ja see näitas teiste suurte rajatistega võrreldavaid plasmakaitsekvaliteeti. Iooni temperatuur oli 13,5 keV (umbes 160 miljonit ° C) ja energia oli 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

Pärast aastast katsetamist, mis algas 2015. aasta lõpus, oli heeliumi temperatuur lühem kui 1 miljonit ° C. Aastaks 2016 jõudis vesinikuplokiga termotuumareaktor, kasutades 2 MW võimsust, veerandi sekundis temperatuuriks 80 miljonit ° C. W7-X on maailma suurim stellaratoorium ja plaanitakse selle pidevat toimimist 30 minuti jooksul. Reaktori maksumus oli 1 miljard eurot.

NIF

Livermore'i rahvuslikus laboris (LLNL) valmis riiklik süütevahend (NIF) valmis 2009. aasta märtsis. Kasutades oma 192 laserkiire, on NIF-i võimeline keskenduma 60 korda rohkem energiat kui mis tahes varasemal lasersüsteemil.

Külm tuumasüntees

1989. aasta märtsis ütlesid kaks teadlast, Ameerika Stanley Ponsi ja britt Martin Fleischmani, et nad käivitasid toatemperatuuril töötava lihtsa töölaua külma fusioonreaktori. Protsess koosnes raskest vett elektrolüüsist, kasutades pallaadiumi elektroode, mille puhul deuteeriumituumad kontsentreeriti suure tihedusega. Teadlased väidavad, et soojust toodetakse, mida saab selgitada ainult tuumaprotsesside seisukohalt ja seal on ka sünteesi kõrvalsaadused, sealhulgas heelium, triitium ja neutronid. Kuid teised eksperimendid ei suutnud seda eksperimenti korrata. Enamik teadusringkondi ei usu, et külma termotuumasünteesi reaktorid on reaalsed.

Madala energiatarbega tuumareaktsioonid

"Külma termotuumasünteesi" nõuded on alustatud teadusuuringutega vähese energiatarbimisega tuumareaktsioonide valdkonnas , millel on mõni empiiriline toetus, kuid mitte üldtunnustatud teaduslik seletus. Näib, et neutronite tekitamiseks ja lüümiseks kasutatakse nõrka tuuma vastasmõju (mitte võimsat jõudu, nagu tuumade lagunemist või nende sünteesi). Katsed hõlmavad vesiniku või deuteeriumi tungimist läbi katalüütilise voodri ja reaktsiooni metalliga. Teadlased teatavad energia täheldatud vabanemisest. Peamine praktiline näide on vesiniku ja nikkelpulbri vastasmõju soojuse eraldumisega, mille kogus on suurem kui mis tahes keemiline reaktsioon võib anda.