понеділок, 9 квітня 2018 р.

Переспективи розробок термоядерної електростанції

В даний час учені працюють над створенням а термоядерні електростанції, перевагою яких є забезпечення людства електроенергією на необмежений час. Термоядерна електростанція працює на основі термоядерного синтезу - реакції синтезу важких ізотопів водню з утворенням гелію і виділенням енергії. Реакція термоядерного синтезу не дає газоподібних і рідких радіоактивних відходів, що не напрацьовує плутоній, який використовується для виробництва ядерної зброї. Якщо ще врахувати, що пальним для термоядерних станцій буде важкий ізотоп водню дейтерій, який отримують з простої води - в півлітра води міститься енергія синтезу, еквівалентна тій, що вийде при спалюванні бочки бензину, - то переваги електростанцій, заснованих на термоядерної реакції, стають очевидними .

В ході термоядерної реакції енергія виділяється при з'єднанні легких атомів і перетворенні їх на більш важкі. Щоб цього домогтися, необхідно розігріти газ до температури понад 100 мільйонів градусів - набагато вище температури в центрі Сонця.

Газ при такій температурі перетворюється в плазму. Атоми ізотопів водню при цьому зливаються, перетворюючись на атоми гелію і нейтрони і виділяючи велику кількість енергії. Електростанція, що працює на цьому принципі, використовувала б енергію нейтронів, які сповільнюються шаром щільної речовини (літію).

У порівнянні з атомною електростанцією термоядерний реактор буде залишати після себе набагато менш радіоактивні відходи.

Інтернаціональний термоядерний реактор ІТЕР

            Учасники міжнародного консорціуму по створенню першого в світі термоядерного реактора ІТЕР підписали в Брюсселі угоду, що дає старт практичній реалізації проекту.

Представники Європейського союзу, США, Японії, Китаю, Південної Кореї мають намір побудувати електростанцію, що працює за новим принципом.
Схема міжнародного термоядерного реактора ITER

Ера екологічно небезпечних ГЕС і АЕС скоро закінчиться, і настане час нової електростанції - термоядерної, проект якої вже здійснюється. Проект ІТЕР (Інтернаціональний термоядерний реактор) вже майже готовий; на перших діючих експериментальних термоядерних реакторах отримана потужність, що перевищує 10 МВт - рівень перших атомних електростанцій.

Німеччина запустила найпотужніший термоядерний реактор

У Німеччині 10 грудня 2015 року успішно запущений термоядерний реактор Wendelstein 7-X, в якому утримання плазми відбувається за принципом стелараторі. На проект вартістю понад мільярд євро німці покладають великі надії. Як і фізики, які пов'язують майбутнє енергетики з керованим термоядерним синтезом.

Сьогодні в світі існують два перспективні проекти термоядерних реакторів: токамак (тороїдальна камера з магнітними котушками) і стелларатор. В обох установках плазма утримується магнітним полем, але в токамаке вона має форму тороїдального шнура, по якому пропускається електричний струм, а в стелараторі магнітне поле наводиться зовнішніми котушками. Останнє є головною відмінністю стелараторі від токамака і обумовлює складну конфігурацію в ньому магнітного поля.

У стелараторі магнітні поверхні, які утримують плазму в стані рівноваги, створюються складною системою зовнішніх провідників на вакуумній камері (всередині якої і знаходиться паливо), через що кінцева форма плазмового шнура так далека від ідеальної тороидальной форми. Тим часом в токамаку утримання плазми відбувається завдяки магнітному полю від вихрового електричного поля. Це означає, що токамак може працювати (без допоміжних пристроїв) виключно в імпульсному режимі, тоді як стелларатор здатний протягом тривалого часу працювати в безперервному (стаціонарному) режимі.

Конструкцію стеларатора вперше запропонував в 1951 році американським фізиком Лайманом Спітцером. Свою назву реактор отримав від латинського stella - зірка, оскільки всередині реактора температура порівнянна з досягаються всередині ядра Сонця. Спочатку стелларатор вважався найпопулярнішим кандидатом для термоядерного реактора, однак згодом його потіснила концепція токамака, запропонована в 1951 (і розсекречена в 1956 році) радянськими фізиками Андрієм Сахаровим і Ігорем Таммом.

Термоядерний реактор з СРСР був простіший і дешевший стеларатора. Багато в чому це пов'язано з необхідністю високоточних розрахунків конфігурації магнітних полів для стеларатора, які для Wendelstein 7-X були зроблені на суперкомп'ютері, а також обмеженістю матеріалів для будівництва установки. Суперечки про те, що краще - стелларатор або токамак, - не вщухають досі, а з'ясування того, хто в чому має рацію, обходиться платникам податків в сотні мільйонів доларів.

У Німеччині введено в дію саме стелларатор. Установка Wendelstein 7-X знаходиться в німецькому Інституті фізики плазми Товариства імені Макса Планка в місті Грайфсвальд. Реактор складається з 50 надпровідних ніобій-титанових котушок близько 3,5 метрів у висоту і загальною вагою близько 425 тонн, здатних створювати магнітне поле індукцією три тесла, утримує плазму з температурою 60-130 мільйонів градусів Цельсія (це в кілька разів вище, ніж температура в центрі сонячного ядра). Великий радіус плазми дорівнює 5,5 метра, малий радіус - 0,53 метра. Обсяг плазми може досягати 30 кубічних метрів, а її щільність - три на десять в двадцятої ступеня частинок на кубічний метр. Вся конструкція оточена кріостатом (міцною теплоізолюючою оболонкою) діаметром 16 метрів.

Строительство Wendelstein 7-X
Перераховані параметри роблять Wendelstein 7-X найпотужнішим стеларатором в світі. Його найближчий конкурент - LHD (Large Helical Device) - розташований в японському місті Токи. Стелараторні можливості є в Австралії та в Украіні.
Зелене світло на зведення Wendelstein 7-X уряд Німеччини дав в 1993 році, в наступному році в Грайфсвальді була створена філія Інституту фізики плазми, куди перейшли працювати 50 співробітників головної установи з Гархинга. В даний час над Wendelstein 7-X працюють понад 400 осіб. Зведення Wendelstein 7-X було важким процессом.Географія учасників проекту Wendelstein 7-X (на території Європи). Головна проблема, з якою зіткнулися будівельники стеларатора, полягала в нестачі надпровідних магнітів, що мають спеціальну геометрію і охолоджувані гелієм. В травні 2014 року Інститут фізики плазми відзвітував про завершення будівництва стеларатора, після чого провів необхідні пусконалагоджувальні роботи і дочекався згоди національного регулятора на запуск.

Заплановані випробування з водневою плазмою. Після успішного завершення другої фази експериментів вчені сподіваються утримувати на Wendelstein 7-X водневу плазму протягом десяти секунд. Кінцеві цілі проекту, яких фізики хочуть досягти на третьому етапі, - утримати плазму в реакторі до півгодини і одночасно з цим домогтися значення параметра β, рівного 4-5 (у відсотках). Це число визначає ставлення тиску плазми до тиску утримує її магнітного поля.В німецькому місті Гархинге вже є свій токамак ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) того ж Товариства імені Макса Планка, який до запуску Wendelstein 7-X був найбільшим термоядерним реактором в ФРН (в цьому ж місті з 1988-го по 2002 рік діяв інший стелларатор - Wendelstein 7-AS). На відміну від токамаков, стеларатори є темними конячками - з ними проводилося менше експериментів, а отримані останнім часом результати обнадіюють. У тому випадку якщо установка Wendelstein 7-X виправдає покладені на неї надії, фізики зроблять висновки про можливість використання стелараторів як термоядерних електростанцій майбутнього. Так чи інакше, ясно одне: отримання практично невичерпного джерела енергії вимагає не тільки взаємодії міжнародного співтовариства вчених і держав світу і залучення величезних фінансових коштів, а й завидного терпіння і впевненості в успішності проекту. Всього цього хочеться побажати німецьким дослідникам.

(З відкритих джерел в Internet)


Немає коментарів:

Дописати коментар

Коментарі