اطلاعات راکتور فیوژن راکتورهای هسته ای: آیا آنها آینده ای دارند؟ آیا انرژی حرارتی هسته ای ضروری است؟

آیا انرژی حرارتی هسته ای ضروری است؟

در این مرحله از توسعه تمدن، به جرات می توان گفت که بشریت با یک "چالش انرژی" روبرو است. این به چند عامل اساسی بستگی دارد:

- بشریت اکنون مقدار زیادی انرژی مصرف می کند.

در حال حاضر مصرف انرژی در جهان حدود 15.7 تراوات (TW) است. با تقسیم این مقدار بر جمعیت کره زمین، تقریباً 2400 وات برای هر نفر به دست می آید که به راحتی می توان آن را تخمین زد و تصور کرد. انرژی مصرف شده توسط هر ساکن زمین (از جمله کودکان) مربوط به عملکرد شبانه روزی 24 لامپ الکتریکی 100 وات است.

- مصرف انرژی در جهان به سرعت در حال افزایش است.

طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی (2006)، انتظار می رود مصرف جهانی انرژی تا سال 2030 50 درصد افزایش یابد.

- در حال حاضر 80 درصد انرژی مصرف شده در جهان از سوزاندن سوخت های فسیلی (نفت، زغال سنگ و گاز) ایجاد می شود.) که استفاده از آن به طور بالقوه خطر تغییرات فاجعه بار محیطی را به همراه دارد.

شوخی زیر در بین عربستانی ها رایج است: «پدرم شتر سوار شد. من یک ماشین گرفتم و پسرم در حال پرواز با هواپیما است. اما حالا پسرش دوباره سوار شتر خواهد شد.»

به نظر می رسد که چنین باشد، زیرا همه پیش بینی های جدی حاکی از آن است که ذخایر نفت جهان تا حدود 50 سال آینده تا حد زیادی تمام خواهد شد.

حتی بر اساس برآوردهای سازمان زمین شناسی ایالات متحده (این پیش بینی بسیار خوش بینانه تر از سایرین است)، رشد تولید نفت جهان تا 20 سال آینده ادامه خواهد داشت (سایر کارشناسان پیش بینی می کنند که حداکثر تولید در 5 تا 10 سال آینده خواهد رسید. سال) پس از آن حجم نفت تولیدی با نرخی در حدود 3 درصد در سال کاهش خواهد یافت. چشم انداز تولید گاز طبیعی خیلی بهتر به نظر نمی رسد. معمولاً گفته می شود تا 200 سال دیگر زغال سنگ کافی خواهیم داشت، اما این پیش بینی مبتنی بر حفظ سطح تولید و مصرف موجود است. در همین حال، مصرف زغال سنگ در حال حاضر 4.5 درصد در سال افزایش می یابد که بلافاصله دوره 200 ساله ذکر شده را به 50 سال کاهش می دهد.

بنابراین، اکنون باید برای پایان دوران استفاده از سوخت های فسیلی آماده شویم.

متاسفانه در حال حاضر منابع انرژی جایگزین موجود قادر به پوشش نیازهای روزافزون بشریت نیستند. بر اساس خوش بینانه ترین برآوردها، حداکثر مقدار انرژی (در معادل حرارتی مشخص) تولید شده توسط منابع ذکر شده تنها 3 TW (بادی)، 1 TW (هیدرو)، 1 TW (منابع بیولوژیکی) و 100 GW (زمین گرمایی و دریایی) است. گیاهان). مقدار کل انرژی اضافی (حتی در این بهینه ترین پیش بینی) تنها حدود 6 TW است. شایان ذکر است که توسعه منابع انرژی جدید یک کار فنی بسیار پیچیده است، بنابراین هزینه انرژی تولیدی آنها در هر صورت بیشتر از احتراق معمول زغال سنگ و غیره خواهد بود. کاملاً بدیهی به نظر می رسد که

بشریت باید به دنبال منابع دیگری از انرژی باشد، که در حال حاضر فقط خورشید و واکنش های همجوشی حرارتی هسته ای را واقعا می توان در نظر گرفت.

خورشید به طور بالقوه یک منبع تقریباً پایان ناپذیر انرژی است. مقدار انرژی که فقط به 0.1٪ از سطح سیاره برخورد می کند، معادل 3.8 TW است (حتی اگر تنها با بازده 15٪ تبدیل شود). مشکل در عدم توانایی ما در جذب و تبدیل این انرژی است که هم با هزینه بالای پنل های خورشیدی و هم با مشکلات انباشتگی، ذخیره سازی و انتقال بیشتر انرژی حاصله به مناطق مورد نیاز همراه است.

در حال حاضر نیروگاه های هسته ای انرژی آزاد شده در طی واکنش های شکافت هسته های اتمی را در مقیاس بزرگ تولید می کنند. من معتقدم ایجاد و توسعه چنین ایستگاه هایی باید به هر طریق ممکن تشویق شود، اما باید در نظر داشت که ذخایر یکی از مهمترین مواد برای فعالیت آنها (اورانیوم ارزان) نیز می تواند به طور کامل در داخل کشور مصرف شود. 50 سال آینده

یکی دیگر از جهت گیری های مهم توسعه استفاده از همجوشی هسته ای (همجوشی هسته ای) است که اکنون به عنوان امید اصلی برای نجات عمل می کند، اگرچه زمان ایجاد اولین نیروگاه های حرارتی هسته ای نامشخص است. این سخنرانی به این موضوع اختصاص دارد.

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته ای، که اساس وجود خورشید و ستارگان است، به طور بالقوه منبع انرژی پایان ناپذیری برای توسعه کیهان به طور کلی است. آزمایش‌هایی که در روسیه (روسیه زادگاه نیروگاه حرارتی توکاماک است)، ایالات متحده آمریکا، ژاپن، آلمان و همچنین در بریتانیا به عنوان بخشی از برنامه مشترک اروپایی Torus (JET) که یکی از برنامه‌های تحقیقاتی پیشرو است، انجام شده است. در جهان، نشان می دهد که همجوشی هسته ای می تواند نه تنها نیازهای انرژی فعلی بشر (16 TW)، بلکه مقدار بسیار بیشتری از انرژی را نیز تامین کند.

انرژی همجوشی هسته ای بسیار واقعی است و سوال اصلی این است که آیا می توانیم نیروگاه های همجوشی به اندازه کافی قابل اعتماد و مقرون به صرفه ایجاد کنیم؟

فرآیندهای همجوشی هسته‌ای واکنش‌هایی هستند که شامل همجوشی هسته‌های سبک اتمی به هسته‌های سنگین‌تر می‌شوند و مقدار معینی انرژی آزاد می‌کنند.

اول از همه، در میان آنها باید به واکنش بین دو ایزوتوپ (دوتریوم و تریتیوم) هیدروژن اشاره کرد که در زمین بسیار رایج است، در نتیجه هلیوم تشکیل شده و یک نوترون آزاد می شود. واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

D + T = 4 He + n + انرژی (17.6 مگا ولت).

انرژی آزاد شده، ناشی از این واقعیت است که هلیوم-4 دارای پیوندهای هسته ای بسیار قوی است، به انرژی جنبشی معمولی تبدیل می شود که بین نوترون و هسته هلیوم-4 به نسبت 14.1 MeV/3.5 MeV توزیع می شود.

برای شروع (اشتعال) واکنش همجوشی، لازم است گاز از مخلوط دوتریوم و تریتیوم به طور کامل یونیزه شود و تا دمای بالای 100 میلیون درجه سانتیگراد (آن را با M درجه نشان خواهیم داد) که حدوداً پنج برابر بیشتر است، گرم شود. نسبت به دمای مرکز خورشید در حال حاضر در دمای چند هزار درجه، برخوردهای بین اتمی منجر به حذف الکترون ها از اتم ها می شود و در نتیجه مخلوطی از هسته ها و الکترون های جدا شده به نام پلاسما تشکیل می شود که در آن دوترون ها و تریتون های دارای بار مثبت و پرانرژی (یعنی دوتریوم) و هسته های تریتیوم) دافعه متقابل قوی را تجربه می کنند. با این حال، دمای بالای پلاسما (و انرژی یونی بالا) به این یون‌های دوتریوم و تریتیوم اجازه می‌دهد بر دافعه کولن غلبه کرده و با یکدیگر برخورد کنند. در دماهای بالاتر از 100 M درجه، "پر انرژی ترین" دوترون ها و تریتون ها در برخوردهایی در فواصل نزدیک به هم می رسند که نیروهای هسته ای قدرتمند شروع به عمل بین آنها می کنند و آنها را مجبور می کنند با یکدیگر در یک کل واحد ادغام شوند.

انجام این فرآیند در آزمایشگاه سه مشکل بسیار دشوار را به همراه دارد. اول از همه، مخلوط گازی هسته های D و T باید تا دمای بالای 100 M درجه حرارت داده شود تا به نوعی از سرد شدن و آلوده شدن آن (به دلیل واکنش با دیواره های ظرف) جلوگیری شود.

برای حل این مشکل، "تله های مغناطیسی" به نام توکامک اختراع شد که از تعامل پلاسما با دیواره های راکتور جلوگیری می کند.

در روش توصیف شده، پلاسما توسط جریان الکتریکی که در داخل چنبره جریان دارد تا حدود 3 M درجه گرم می شود، اما هنوز برای شروع واکنش کافی نیست. برای گرم کردن پلاسما، انرژی یا با تابش فرکانس رادیویی به داخل آن پمپ می شود (مانند اجاق مایکروویو)، یا پرتوهایی از ذرات خنثی پرانرژی تزریق می شود که انرژی خود را در هنگام برخورد به پلاسما منتقل می کند. علاوه بر این، انتشار گرما به دلیل خود واکنش های گرما هسته ای اتفاق می افتد (همانطور که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت)، در نتیجه "اشتعال" پلاسما باید در یک نصب به اندازه کافی بزرگ رخ دهد.

در حال حاضر، در فرانسه، ساخت و ساز راکتور آزمایشی بین‌المللی گرما هسته‌ای ITER (رآکتور تجربی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی)، که در زیر توضیح داده شده است، آغاز می‌شود، که اولین توکامک است که قادر به "اشتعال" پلاسما است.

در پیشرفته‌ترین تاسیسات موجود از نوع توکامک، دمایی در حدود 150 M درجه به دست آمده است، نزدیک به مقادیر مورد نیاز برای عملکرد یک ایستگاه حرارتی هسته‌ای، اما راکتور ITER باید به اولین نیروگاه در مقیاس بزرگ تبدیل شود. کارخانه طراحی شده برای عملیات طولانی مدت. در آینده، بهبود قابل توجهی پارامترهای عملکرد آن ضروری خواهد بود، که اول از همه به افزایش فشار در پلاسما نیاز دارد، زیرا سرعت همجوشی هسته ای در دمای معین متناسب با مربع است. فشار.

مشکل اصلی علمی در این مورد به این واقعیت مربوط می شود که وقتی فشار در پلاسما افزایش می یابد، ناپایداری های بسیار پیچیده و خطرناک ایجاد می شود، یعنی حالت های عملکرد ناپایدار.

هسته‌های هلیوم باردار الکتریکی که در طی واکنش همجوشی به وجود می‌آیند در داخل یک «تله مغناطیسی» نگهداری می‌شوند، جایی که به تدریج به دلیل برخورد با ذرات دیگر کند می‌شوند و انرژی آزاد شده در طول برخورد به حفظ دمای بالای طناب پلاسما کمک می‌کند. نوترون های خنثی (بدون بار الکتریکی) سیستم را ترک می کنند و انرژی خود را به دیواره های راکتور منتقل می کنند و گرمای گرفته شده از دیواره ها منبع انرژی برای عملکرد توربین هایی است که برق تولید می کنند. مشکلات و دشواری های بهره برداری از چنین تأسیساتی، اول از همه، با این واقعیت مرتبط است که جریان قدرتمند نوترون های پرانرژی و انرژی آزاد شده (به شکل تابش الکترومغناطیسی و ذرات پلاسما) به طور جدی بر راکتور تأثیر می گذارد و می تواند تخریب کند. موادی که از آن ساخته شده است.

به همین دلیل، طراحی تاسیسات هسته ای بسیار پیچیده است. فیزیکدانان و مهندسان وظیفه دارند از قابلیت اطمینان بالای کار خود اطمینان حاصل کنند. طراحی و ساخت ایستگاه های ترموهسته ای نیازمند حل تعدادی از مسائل متنوع و بسیار پیچیده فناوری است.

طراحی نیروگاه حرارتی

شکل یک نمودار شماتیک (نه در مقیاس) از دستگاه و اصل عملکرد یک نیروگاه حرارتی را نشان می دهد. در قسمت مرکزی یک محفظه حلقوی (دونات شکل) با حجم ~ 2000 متر مکعب وجود دارد که با پلاسمای تریتیوم-دوتریوم (T-D) پر شده است که تا دمای بالاتر از 100 M درجه گرم شده است. نوترون های تولید شده در طی واکنش همجوشی از "تله مغناطیسی" خارج شده و وارد پوسته نشان داده شده در شکل با ضخامت حدود 1 متر می شوند.

در داخل پوسته، نوترون ها با اتم های لیتیوم برخورد می کنند و در نتیجه واکنشی ایجاد می شود که تریتیوم تولید می کند:

نوترون + لیتیوم = هلیوم + تریتیوم.

علاوه بر این، واکنش های رقابتی در سیستم رخ می دهد (بدون تشکیل تریتیوم)، و همچنین واکنش های بسیاری با آزاد شدن نوترون های اضافی، که سپس منجر به تشکیل تریتیوم می شود (در این مورد، آزاد شدن نوترون های اضافی می تواند به طور قابل توجهی افزایش یافته است، به عنوان مثال، با وارد کردن اتم ها به پوسته بریلیم و سرب). نتیجه گیری کلی این است که این تاسیسات می تواند (حداقل از نظر تئوری) تحت یک واکنش همجوشی هسته ای قرار گیرد که تریتیوم تولید می کند. در این صورت، مقدار تریتیوم تولید شده نه تنها باید پاسخگوی نیازهای خود تاسیسات باشد، بلکه حتی تا حدودی بیشتر باشد که امکان تامین تاسیسات جدید با تریتیوم را فراهم می کند.

این مفهوم عملیاتی است که باید در راکتور ITER که در زیر توضیح داده شده است آزمایش و اجرا شود.

نوترون ها باید پوسته را در کارخانه های به اصطلاح آزمایشی (که در آن از مصالح ساختمانی نسبتاً "معمولی" استفاده می شود) تا دمای تقریباً 400 درجه گرم کنند. در آینده برنامه ریزی شده است که تاسیسات بهبودیافته با دمای گرمایش پوسته بالای 1000 درجه ایجاد شود که با استفاده از جدیدترین مواد با مقاومت بالا (مانند کامپوزیت های کاربید سیلیکون) قابل دستیابی است. گرمای تولید شده در پوسته، مانند ایستگاه های معمولی، توسط مدار خنک کننده اولیه با یک خنک کننده (مثلاً حاوی آب یا هلیوم) گرفته می شود و به مدار ثانویه منتقل می شود، جایی که بخار آب تولید و به توربین ها عرضه می شود.

مزیت اصلی همجوشی هسته ای این است که فقط به مقادیر بسیار کمی از موادی نیاز دارد که در طبیعت به عنوان سوخت بسیار رایج هستند.

واکنش همجوشی هسته‌ای در تاسیسات توصیف‌شده می‌تواند منجر به آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی، ده میلیون برابر بیشتر از گرمای استاندارد آزاد شده در طی واکنش‌های شیمیایی معمول (مانند احتراق سوخت‌های فسیلی) شود. برای مقایسه، به این نکته اشاره می کنیم که مقدار زغال سنگ مورد نیاز برای تامین انرژی یک نیروگاه حرارتی با ظرفیت 1 گیگاوات (GW) 10000 تن در روز (ده واگن راه آهن) است و یک نیروگاه همجوشی با همین قدرت فقط حدودا مصرف خواهد کرد. 1 کیلوگرم مخلوط D+ در روز T.

دوتریوم ایزوتوپ پایدار هیدروژن است. در حدود یک مولکول از هر 3350 مولکول آب معمولی، یکی از اتم های هیدروژن با دوتریوم (میراثی از انفجار بزرگ کیهان) جایگزین می شود. این واقعیت سازماندهی تولید نسبتاً ارزان مقدار مورد نیاز دوتریوم از آب را آسان می کند. به دست آوردن تریتیوم که ناپایدار است دشوارتر است (نیمه عمر حدود 12 سال است که در نتیجه محتوای آن در طبیعت ناچیز است) ، اما همانطور که در بالا نشان داده شده است ، تریتیوم در حین کار مستقیماً در داخل تأسیسات ترموهسته ای تولید می شود. به دلیل واکنش نوترون ها با لیتیوم.

بنابراین، سوخت اولیه برای یک راکتور همجوشی لیتیوم و آب است.

لیتیوم یک فلز رایج است که به طور گسترده در لوازم خانگی (به عنوان مثال باتری تلفن همراه) استفاده می شود. تاسیساتی که در بالا توضیح داده شد، حتی با در نظر گرفتن راندمان غیر ایده آل، قادر به تولید 200000 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی خواهد بود که معادل انرژی موجود در 70 تن زغال سنگ است. مقدار لیتیوم مورد نیاز برای این کار در یک باتری کامپیوتر و مقدار دوتریوم در 45 لیتر آب موجود است. مقدار فوق مربوط به مصرف برق فعلی (محاسبه برای هر نفر) در کشورهای اتحادیه اروپا در طی 30 سال است. خود این واقعیت که چنین مقدار ناچیز لیتیوم می تواند تولید چنین مقدار برق را (بدون انتشار CO 2 و بدون کوچکترین آلودگی هوا) فراهم کند، یک استدلال نسبتاً جدی برای توسعه سریع و شدید تحقیقات در مورد توسعه هسته ای گرما است. انرژی (با وجود تمام مشکلات و مشکلات) حتی با چشم انداز بلندمدت ایجاد یک راکتور گرما هسته ای مقرون به صرفه.

دوتریوم باید میلیون ها سال دوام بیاورد و ذخایر لیتیومی که به راحتی استخراج می شود برای تامین نیازهای صدها سال کافی است.

حتی اگر لیتیوم در سنگ ها تمام شود، می توانیم آن را از آب استخراج کنیم، جایی که غلظت آن به اندازه کافی بالاست (100 برابر غلظت اورانیوم) که استخراج آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.

انرژی همجوشی نه تنها به بشر، در اصل، امکان تولید مقادیر عظیم انرژی در آینده (بدون انتشار CO 2 و بدون آلودگی هوا) را نوید می دهد، بلکه دارای تعدادی مزایای دیگر نیز می باشد.

1 ) امنیت داخلی بالا.

پلاسمای مورد استفاده در تاسیسات حرارتی دارای چگالی بسیار کم (حدود یک میلیون برابر کمتر از چگالی جو) است که در نتیجه محیط عملیاتی تاسیسات هرگز دارای انرژی کافی برای ایجاد حوادث یا حوادث جدی نخواهد بود.

علاوه بر این، بارگیری با "سوخت" باید به طور مداوم انجام شود، که توقف عملیات آن را آسان می کند، ناگفته نماند که در صورت وقوع حادثه و تغییر شدید شرایط محیطی، "شعله" حرارتی باید به سادگی برو بیرون.

خطرات مرتبط با انرژی گرما هسته ای چیست؟ ابتدا، شایان ذکر است که اگرچه محصولات همجوشی (هلیوم و نوترون ها) رادیواکتیو نیستند، پوسته راکتور می تواند تحت تابش طولانی مدت نوترون رادیواکتیو شود.

ثانیاً، تریتیوم رادیواکتیو است و نیمه عمر نسبتاً کوتاهی دارد (12 سال). اما اگرچه حجم پلاسمای مورد استفاده قابل توجه است، اما به دلیل چگالی کم آن تنها حاوی مقدار بسیار کمی تریتیوم است (وزن کلی حدود ده تمبر پستی). از همین رو

حتی در شدیدترین شرایط و حوادث (تخریب کامل پوسته و آزاد شدن تمام تریتیوم موجود در آن، به عنوان مثال، در هنگام زلزله و سقوط هواپیما در ایستگاه)، تنها مقدار کمی سوخت به داخل بدنه رها می شود. محیطی که نیازی به تخلیه جمعیت از مناطق پرجمعیت مجاور نخواهد داشت.

2 ) هزینه انرژی

انتظار می رود که قیمت به اصطلاح "داخلی" برق دریافتی (هزینه تولید خود) در صورتی قابل قبول باشد که 75٪ قیمت موجود در بازار باشد. "مقرون به صرفه" در این مورد به این معنی است که قیمت کمتر از قیمت انرژی تولید شده با استفاده از سوخت های هیدروکربنی قدیمی خواهد بود. هزینه "خارجی" (عوارض جانبی، اثرات بر سلامت عمومی، آب و هوا، اکولوژی و غیره) اساساً صفر خواهد بود.

راکتور آزمایشی بین المللی گرما هسته ای ITER

گام بعدی اصلی ساختن راکتور ITER است که برای نشان دادن امکان اشتعال پلاسما و بر این اساس، دستیابی به حداقل ده برابر انرژی (نسبت به انرژی صرف شده برای گرم کردن پلاسما) طراحی شده است. راکتور ITER یک دستگاه آزمایشی خواهد بود که حتی مجهز به توربین برای تولید برق و دستگاه هایی برای استفاده از آن نخواهد بود. هدف از ایجاد آن بررسی شرایطی است که باید در حین بهره برداری از چنین نیروگاه هایی برآورده شود و همچنین ایجاد نیروگاه های واقعی و اقتصادی مقرون به صرفه بر این اساس است که ظاهراً باید از نظر اندازه ITER بیشتر باشد. ایجاد نمونه های اولیه واقعی نیروگاه های همجوشی (یعنی نیروگاه های کاملا مجهز به توربین و ...) مستلزم حل دو مشکل زیر است. اول، لازم است به توسعه مواد جدید (قابل تحمل در شرایط عملیاتی بسیار سخت توصیف شده) ادامه داده شود و آنها را مطابق با قوانین ویژه تجهیزات IFMIF (تاسیسات بین المللی تابش فیوژن) که در زیر توضیح داده شده است، آزمایش کنیم. ثانیاً، بسیاری از مشکلات صرفاً فنی باید حل شوند و فناوری‌های جدیدی در ارتباط با کنترل از راه دور، گرمایش، طراحی روکش، چرخه سوخت و غیره توسعه یابد.

شکل راکتور ITER را نشان می‌دهد که نه تنها در تمام ابعاد خطی (حدود دو برابر)، بلکه از نظر بزرگی میدان‌های مغناطیسی به کار رفته در آن و جریان‌های عبوری از پلاسما، از بزرگترین تاسیسات جت امروزی برتری دارد.

هدف از ایجاد این راکتور نشان دادن توانایی های تلاش های ترکیبی فیزیکدانان و مهندسان در ساخت نیروگاه همجوشی در مقیاس بزرگ است.

ظرفیت نصب برنامه ریزی شده توسط طراحان 500 مگاوات (با مصرف انرژی در ورودی سیستم تنها حدود 50 مگاوات) است. 3

نصب ITER توسط کنسرسیومی شامل اتحادیه اروپا، چین، هند، ژاپن، کره جنوبی، روسیه و ایالات متحده آمریکا ایجاد می شود. جمعیت کل این کشورها حدود نیمی از کل جمعیت کره زمین است، بنابراین می توان این پروژه را پاسخی جهانی به یک چالش جهانی نامید. اجزا و اجزای اصلی راکتور ITER قبلاً ایجاد و آزمایش شده است و ساخت آن در Cadarache (فرانسه) آغاز شده است. راه اندازی این راکتور برای سال 2020 برنامه ریزی شده است و تولید پلاسمای دوتریوم-تریتیوم برای سال 2027 برنامه ریزی شده است، زیرا راه اندازی راکتور به آزمایش های طولانی و جدی برای پلاسما از دوتریوم و تریتیوم نیاز دارد.

سیم پیچ های مغناطیسی راکتور ITER مبتنی بر مواد ابررسانا هستند (که اصولاً تا زمانی که جریان در پلاسما حفظ می شود اجازه کار مداوم را می دهد)، بنابراین طراحان امیدوارند که چرخه کاری تضمین شده حداقل 10 دقیقه را ارائه دهند. واضح است که وجود سیم پیچ های مغناطیسی ابررسانا برای عملکرد مداوم یک نیروگاه حرارتی هسته ای واقعی از اهمیت اساسی برخوردار است. سیم‌پیچ‌های ابررسانا قبلاً در دستگاه‌های نوع توکامک استفاده شده‌اند، اما قبلاً در چنین تأسیساتی در مقیاس بزرگ که برای پلاسمای تریتیوم طراحی شده‌اند، استفاده نشده‌اند. علاوه بر این، تاسیسات ITER اولین موردی خواهد بود که از ماژول‌های پوسته مختلف طراحی شده برای کار در ایستگاه‌های واقعی که در آن هسته‌های تریتیوم می‌توانند تولید یا «بازیابی» شوند، استفاده و آزمایش می‌کند.

هدف اصلی از ساخت تاسیسات نشان دادن کنترل موفقیت آمیز احتراق پلاسما و امکان دستیابی واقعی به انرژی در دستگاه های گرما هسته ای در سطح فعلی توسعه فناوری است.

البته توسعه بیشتر در این راستا به تلاش زیادی برای بهبود کارایی دستگاه ها نیاز دارد، به ویژه از نقطه نظر امکان سنجی اقتصادی آنها که با تحقیقات جدی و طولانی چه در راکتور ITER و چه در مورد آن همراه است. سایر وسایل. در بین وظایف محول شده، سه مورد زیر باید به ویژه برجسته شوند:

1) لازم است نشان داده شود که سطح علم و فناوری موجود در حال حاضر به دست آوردن 10 برابر افزایش انرژی (در مقایسه با میزان صرف شده برای حفظ فرآیند) در فرآیند همجوشی هسته ای کنترل شده امکان پذیر است. واکنش باید بدون وقوع شرایط ناپایدار خطرناک، بدون گرم شدن بیش از حد و آسیب به مواد ساختاری و بدون آلودگی پلاسما با ناخالصی ها ادامه یابد. با توان انرژی همجوشی حدود 50 درصد توان گرمایش پلاسما، این اهداف قبلاً در آزمایش‌ها در تأسیسات کوچک محقق شده‌اند، اما ایجاد راکتور ITER قابلیت اطمینان روش‌های کنترل را در یک مرکز بسیار بزرگ‌تر آزمایش می‌کند. انرژی بیشتر در مدت زمان طولانی راکتور ITER برای آزمایش و توافق بر سر الزامات یک راکتور همجوشی آینده طراحی شده است و ساخت آن یک کار بسیار پیچیده و جالب است.

2) مطالعه روش های افزایش فشار در پلاسما (به یاد بیاورید که سرعت واکنش در دمای معین متناسب با مجذور فشار است) برای جلوگیری از بروز حالت های خطرناک ناپایدار رفتار پلاسما ضروری است. موفقیت تحقیقات در این جهت یا عملکرد راکتور را در چگالی پلاسما بالاتر تضمین می کند یا نیاز به قدرت میدان های مغناطیسی تولید شده را کاهش می دهد که به طور قابل توجهی هزینه برق تولید شده توسط راکتور را کاهش می دهد.

3) آزمایش ها باید تأیید کنند که عملکرد مداوم راکتور در حالت پایدار می تواند به طور واقع بینانه تضمین شود (از نظر اقتصادی و فنی، این نیاز بسیار مهم به نظر می رسد، اگر نه مورد اصلی)، و نصب را می توان بدون بزرگی شروع کرد. هزینه های انرژی محققان و طراحان واقعا امیدوارند که جریان "پیوسته" جریان الکترومغناطیسی از طریق پلاسما را بتوان با تولید آن در پلاسما (به دلیل تابش با فرکانس بالا و تزریق اتم های سریع) تضمین کرد.

دنیای مدرن با یک چالش انرژی بسیار جدی مواجه است که می توان آن را به طور دقیق تر «بحران انرژی نامطمئن» نامید.

در حال حاضر تقریباً تمام انرژی مصرف شده توسط بشر با سوزاندن سوخت های فسیلی ایجاد می شود و راه حل مشکل ممکن است با استفاده از انرژی خورشیدی یا انرژی هسته ای (ایجاد راکتورهای سریع نوترونی و غیره) مرتبط باشد. مشکل جهانی ناشی از رشد روزافزون جمعیت کشورهای در حال توسعه و نیاز آنها به بهبود استانداردهای زندگی و افزایش میزان انرژی تولیدی را نمی توان تنها بر اساس این رویکردها حل کرد، البته هر گونه تلاشی برای توسعه روش های جایگزین تولید انرژی وجود دارد. باید تشویق شود.

اگر در مسیر توسعه انرژی هسته‌ای هیچ غافلگیری بزرگ و غیرمنتظره‌ای وجود نداشته باشد، مشروط به برنامه اقدام منطقی و منظم توسعه یافته است که (البته با توجه به سازماندهی خوب کار و بودجه کافی) باید به ایجاد منجر شود. نمونه اولیه یک نیروگاه حرارتی هسته ای در این صورت، در حدود 30 سال آینده، برای اولین بار می‌توانیم جریان الکتریکی را از آن به شبکه‌های انرژی برسانیم و تا 10 سال دیگر، اولین نیروگاه تجاری حرارتی هسته‌ای آغاز به کار خواهد کرد. این امکان وجود دارد که در نیمه دوم قرن جاری، انرژی همجوشی هسته ای جایگزین سوخت های فسیلی شود و به تدریج نقش مهمی را در تامین انرژی بشر در مقیاس جهانی ایفا کند.

بیش از نیم قرن است که در کشورهای مختلف کار سختی در حال انجام است. دانشمندان در تلاش هستند تا کلید دیگری، جاه طلبانه ترین انبار انرژی را بیابند. آنها می خواهند از آب انرژی بگیرند. بسیاری از مردم به درستی نیروگاه حرارتی هسته ای را تنها راه رهایی بشریت از تله هیدروکربنی می دانند.

هر چه دمای یک ماده بیشتر باشد، ذرات آن سریعتر حرکت می کنند. اما حتی در پلاسما، دو هسته آزاد اتم بدون هیچ عواقبی با یکدیگر برخورد می کنند. نیروهای دافعه متقابل هسته های اتمی بسیار زیاد است. اما اگر دمای پلاسما را تا صدها میلیون درجه افزایش دهید، انرژی ذرات سریع می‌تواند از «سد دافعه» بیشتر شود. سپس، از دو هسته اتمی سبک، یک برخورد منجر به یک هسته سنگین تر می شود.

و تولد یک ماده جدید با آزادسازی قدرتمند انرژی رخ خواهد داد

هیدروژن به عنوان سبک ترین عنصر روی زمین، به ویژه برای شرکت در واکنش های گرما هسته ای مناسب است. به عبارت دقیق تر، نه هیدروژنی که همراه با اکسیژن آب معمولی را تشکیل می دهد، بلکه برادر سنگین آن دوتریوم که وزن اتمی آن دو برابر بزرگتر است. می توان آن را از آب سنگین که در ترکیب با اکسیژن تشکیل می شود استخراج کرد. در طبیعت به ازای هر شش هزار قطره آب معمولی یک قطره آب سنگین وجود دارد. در ابتدا به نظر می رسد که این بسیار کم است، اما محاسبات نشان می دهد: اقیانوس های سیاره ما به تنهایی حاوی حدود 38000 میلیارد تن آب سنگین هستند.

اگر یاد بگیریم انرژی نهفته در آن را به طور موثر استخراج کنیم، بشریت به لطف نیروگاه های هسته ای برای میلیاردها سال از چنین ذخیره ای برخوردار خواهد شد.

واکنش های گرما هسته ای (به اصطلاح ترکیب هسته های اتمی سبک با تشکیل هسته های سنگین تر و آزاد شدن انرژی) قبلاً به صورت مصنوعی روی زمین انجام شده است. اما تاکنون این واکنش‌های فوری، غیرقابل کنترل و مخرب بوده است - انفجار بمب‌های هیدروژنی (یا بهتر بگوییم، دوتریومی) مانند مادر کوزکینا. و اگر همه چیز با تسلیحات هسته ای به خوبی پیش می رود، با یک راکتور صلح آمیز همه چیز به این سادگی نیست.

فیزیکدانان بسیاری از کشورها در حال انجام تحقیقات بین المللی با هدف ایجاد یک راکتور گرما هسته ای صنعتی و ساخت نیروگاهی بر اساس آن هستند. چنین راکتوری امکان تسلط بر ذخایر واقعاً پایان ناپذیر انرژی را فراهم می کند و بشریت را به سطح اساسی وجودی جدید می برد. امروزه راکتورهای موجود (توکامک) برای مدت کوتاهی کار می کنند. در طول کل دوره تحقیقات، حدود 300 راکتور حرارتی هسته ای ساخته شد. تنها در سال 2007 اولین واکنش انرژی سربه سر تولید شد، زمانی که توکامک یک چهارم (1:1.25) بیشتر از انرژی مصرف شده تولید کرد.

در آینده نزدیک قرار است این نسبت به 1:50 افزایش یابد. از این نظر توکامک ها را فقط می توان به عنوان تاسیسات آزمایشی در نظر گرفت، اما نه به عنوان تاسیسات صنعتی. از میان تمام چالش های فنی علم مدرن، موضوع همجوشی حرارتی هسته ای صنعتی را می توان بدون اغراق بلندپروازانه ترین اقدامی نامید که می تواند ایده های تولید، اکولوژی، ساخت و ساز، کشاورزی و حمل و نقل را متحول کند.

همجوشی گرما هسته ای قادر است نقشه سیاسی و اقتصادی جهان را به طور اساسی ترسیم کند. اگر هر کشوری بتواند منبع بی حد و حصر انرژی پاک را در اختیار داشته باشد، بیابان ها به زودی شکوفا خواهند شد و بنزین و گاز باید کنار گذاشته شوند. فرآیندهای انرژی بر، مانند ذوب فلز یا تولید آلومینیوم، را می توان در هر مکانی انجام داد. استخراج و توسعه ذخایر فلزات و مواد که قبلاً سودآور نبودند امکان پذیر خواهد بود.

حالت های جدید حمل و نقل سریع و خارق العاده ظاهر می شود

به راستی که هیچ اختراعی به اندازه رآکتور حرارتی، خورشید کوچک زمینی ما، جهان ما را تغییر نداده و تغییر نخواهد داد. واضح است که ترمز توسعه همجوشی حرارتی هسته ای صنعتی تنها خود علم نیست. تحقیقات بنیادی در حال انجام است، اما نمی توان گفت که ناموفق است. با این حال، موضوع معرفی یک واحد کاری به مجموعه، با قدرتمندترین لابی مواد اولیه و شرکت های فرآوری مواجه می شود. شایان ذکر است که بودجه بسیاری از کنسرسیوم های تولید کننده نفت از بودجه بسیاری از کشورها بیشتر است. و این هیولاها قرار نیست درآمد و قدرت نجومی خود را از دست بدهند.

بنابراین، مهم نیست که چقدر غم انگیز به نظر می رسد، ما شاهد یک راکتور گرما هسته ای در حال کار و حتی بیشتر از آن یک نیروگاه خواهیم بود، چه در اثر تمام شدن نفت و گاز، و چه با فرسودگی مدل سرمایه داری جامعه. علاوه بر این، حتی پس از پایان نفت و گاز، لابی انرژی بعید است که به همه اجازه دسترسی به انرژی نامحدود را بدهد. و اگر چنین است، پس یک نتیجه غم انگیز خود را نشان می دهد - یک نیروگاه حرارتی هسته ای نمی تواند توسط سرمایه داران ساخته و به تولید برسد. این فقط در یک جامعه سوسیالیستی قابل تحقق است. برای شرکت‌های بزرگ، چنین رآکتوری به‌طور فانی خطرناک است و کار روی آن هرگز کامل نخواهد شد.

به سادگی در مورد مجتمع - نیروگاه های فیوژن برای تولید برق

• گالری تصاویر، عکس، عکس.
• نیروگاه های هسته ای - مبانی، فرصت ها، چشم اندازها، توسعه.
• حقایق جالب، اطلاعات مفید.
• خبر سبز - نیروگاه های فیوژن.
• پیوندها به مواد و منابع - نیروگاه های همجوشی برای تولید برق.

ITER - راکتور بین المللی حرارتی (ITER)

مصرف انرژی انسانی هر سال در حال رشد است که بخش انرژی را به سمت توسعه فعال سوق می دهد. بنابراین، با ظهور نیروگاه های هسته ای، میزان انرژی تولید شده در سراسر جهان به میزان قابل توجهی افزایش یافت که امکان استفاده ایمن از انرژی برای تمام نیازهای بشر را فراهم کرد. به عنوان مثال، 72.3٪ از برق تولید شده در فرانسه از نیروگاه های هسته ای، در اوکراین - 52.3٪، در سوئد - 40.0٪، در بریتانیا - 20.4٪، در روسیه - 17.1٪ تامین می شود. با این حال، فناوری ثابت نمی‌ماند و برای برآوردن نیازهای انرژی بیشتر کشورهای آینده، دانشمندان در حال کار بر روی تعدادی از پروژه‌های نوآورانه هستند که یکی از آنها ITER (رآکتور تجربی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی) است.

اگرچه سودآوری این تاسیسات هنوز مورد سوال است، اما با توجه به کار بسیاری از محققان، ایجاد و توسعه بعدی فناوری همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده می‌تواند منجر به یک منبع انرژی قدرتمند و ایمن شود. بیایید به برخی از جنبه های مثبت چنین نصبی نگاه کنیم:

• سوخت اصلی یک راکتور گرما هسته ای هیدروژن است که به معنای ذخایر عملاً پایان ناپذیر سوخت هسته ای است.
• هیدروژن را می توان با فرآوری آب دریا تولید کرد که در اکثر کشورها وجود دارد. از این نتیجه می شود که انحصار منابع سوخت نمی تواند بوجود آید.
• احتمال انفجار اضطراری در حین کار یک راکتور حرارتی بسیار کمتر از هنگام کار یک راکتور هسته ای است. به گفته محققان، حتی در صورت وقوع حادثه، انتشار تشعشعات خطری برای جمعیت نخواهد داشت و این بدان معناست که نیازی به تخلیه نیست.
• برخلاف راکتورهای هسته ای، راکتورهای همجوشی زباله های رادیواکتیو تولید می کنند که نیمه عمر کوتاهی دارند، به این معنی که سریعتر تجزیه می شوند. همچنین هیچ محصول احتراق در راکتورهای حرارتی وجود ندارد.
• یک راکتور همجوشی به موادی که برای تسلیحات هسته ای نیز استفاده می شود نیاز ندارد. این امر امکان سرپوش گذاشتن بر تولید تسلیحات هسته ای با فرآوری مواد برای نیازهای یک راکتور هسته ای را از بین می برد.

راکتور حرارتی - نمای داخلی

با این حال، تعدادی از کاستی های فنی نیز وجود دارد که محققان به طور مداوم با آن مواجه می شوند.

به عنوان مثال، نسخه فعلی سوخت که به شکل مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم ارائه شده است، نیازمند توسعه فناوری های جدید است. به عنوان مثال، در پایان اولین سری از آزمایش‌ها در راکتور گرما هسته‌ای JET، که بزرگترین راکتور تا به امروز بود، راکتور آنقدر رادیواکتیو شد که توسعه یک سیستم تعمیر و نگهداری رباتیک ویژه برای تکمیل آزمایش بیشتر مورد نیاز بود. یکی دیگر از عوامل ناامید کننده در عملکرد یک راکتور حرارتی، راندمان آن است - 20٪، در حالی که راندمان یک نیروگاه هسته ای 33-34٪ است و یک نیروگاه حرارتی 40٪ است.

ایجاد پروژه ITER و راه اندازی راکتور

پروژه ITER به سال 1985 برمی گردد، زمانی که اتحاد جماهیر شوروی ایجاد مشترک یک توکامک - یک محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی که می تواند پلاسما را با استفاده از آهنربا نگه دارد، پیشنهاد کرد، در نتیجه شرایط لازم برای انجام یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای را ایجاد کرد. در سال 1992، یک توافقنامه چهارجانبه در مورد توسعه ITER امضا شد که طرفین آن اتحادیه اروپا، ایالات متحده آمریکا، روسیه و ژاپن بودند. در سال 1994، جمهوری قزاقستان، در سال 2001 - کانادا، در سال 2003 - کره جنوبی و چین، در سال 2005 - هند به پروژه پیوست. در سال 2005، محل ساخت راکتور تعیین شد - مرکز تحقیقات انرژی هسته ای Cadarache، فرانسه.

ساخت رآکتور با آماده سازی یک گودال برای فونداسیون آغاز شد. بنابراین پارامترهای گودال 130*90*17 متر بود. وزن کل مجموعه توکامک 360000 تن خواهد بود که 23000 تن آن خود توکامک است.

عناصر مختلفی از مجموعه ITER توسعه یافته و از سراسر جهان به محل ساخت و ساز تحویل داده خواهد شد. بنابراین در سال 2016، بخشی از هادی های سیم پیچ های پولوئیدی در روسیه توسعه یافت که سپس به چین فرستاده شد، که خود کویل ها را تولید می کند.

بدیهی است که سازماندهی چنین کار بزرگی به هیچ وجه آسان نیست؛ تعدادی از کشورها بارها و بارها نتوانسته‌اند از برنامه زمان‌بندی پروژه پیروی کنند و در نتیجه راه‌اندازی راکتور دائماً به تعویق می‌افتد. بنابراین، طبق پیام ژوئن سال گذشته (2016): "دریافت اولین پلاسما برای دسامبر 2025 برنامه ریزی شده است."

مکانیسم عملکرد ITER tokamak

اصطلاح "توکامک" از یک مخفف روسی به معنای "محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی" گرفته شده است.

قلب توکامک محفظه خلاء چنبره شکل آن است. در داخل، تحت دما و فشار شدید، گاز سوخت هیدروژن به پلاسما تبدیل می شود – گازی گرم و دارای بار الکتریکی. همانطور که مشخص است، ماده ستاره ای با پلاسما نشان داده می شود و واکنش های گرما هسته ای در هسته خورشید دقیقاً تحت شرایط دما و فشار بالا رخ می دهد. شرایط مشابهی برای تشکیل، نگهداری، فشرده سازی و گرم شدن پلاسما با استفاده از سیم پیچ های مغناطیسی عظیمی که در اطراف یک ظرف خلاء قرار دارند ایجاد می شود. نفوذ آهنربا باعث محدود شدن پلاسمای داغ از دیواره های رگ می شود.

قبل از شروع فرآیند، هوا و ناخالصی ها از محفظه خلاء خارج می شوند. سپس سیستم های مغناطیسی که به کنترل پلاسما کمک می کنند شارژ می شوند و سوخت گازی معرفی می شود. هنگامی که جریان الکتریکی قدرتمندی از ظرف عبور می کند، گاز به صورت الکتریکی شکافته شده و یونیزه می شود (یعنی الکترون ها از اتم ها خارج می شوند) و پلاسما را تشکیل می دهند.

با فعال شدن و برخورد ذرات پلاسما، آنها نیز شروع به گرم شدن می کنند. تکنیک های گرمایش کمکی به رساندن پلاسما به دمای ذوب (150 تا 300 میلیون درجه سانتی گراد) کمک می کند. ذرات "هیجان زده" به این درجه می توانند بر دافعه الکترومغناطیسی طبیعی خود در هنگام برخورد غلبه کنند و در نتیجه چنین برخوردهایی مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند.

طراحی توکامک از عناصر زیر تشکیل شده است:

ظرف خلاء

("دونات") یک محفظه حلقوی ساخته شده از فولاد ضد زنگ است. قطر بزرگ آن 19 متر، کوچک 6 متر و ارتفاع آن 11 متر است. حجم محفظه 1400 متر مکعب و وزن آن بیش از 5000 تن است.دیواره های مخزن خلاء دوتایی است. مایع خنک کننده بین دیوارها گردش می کند که آب مقطر خواهد بود. برای جلوگیری از آلودگی آب، دیواره داخلی محفظه با استفاده از یک پتو در برابر تشعشعات رادیواکتیو محافظت می شود.

پتو

("پتو") - شامل 440 قطعه است که سطح داخلی اتاق را می پوشاند. مساحت کل ضیافت 700 متر مربع است. هر قطعه نوعی کاست است که بدنه آن از مس و دیواره جلویی آن قابل جابجایی و از بریلیم است. پارامترهای کاست ها 1×1.5 متر است و جرم آن بیش از 4.6 تن نیست، چنین کاست های بریلیوم باعث کاهش سرعت نوترون های پرانرژی تشکیل شده در طول واکنش می شود. در طول تعدیل نوترونی، گرما آزاد می شود و توسط سیستم خنک کننده حذف می شود. لازم به ذکر است که گرد و غبار بریلیم که در نتیجه کار راکتور ایجاد می شود می تواند باعث بیماری جدی به نام بریلیم شود و همچنین دارای اثر سرطان زا باشد. به همین دلیل تدابیر امنیتی شدیدی در مجتمع در حال توسعه است.

توکامک در بخش. آهنرباهای زرد - شیر برقی، نارنجی - میدان حلقوی (TF) و میدان پولوییدی (PF)، آبی - پتو، آبی روشن - VV - مخزن خلاء، بنفش - دایورتور

("سیگاری") از نوع پولوئیدی دستگاهی است که وظیفه اصلی آن "پاکسازی" پلاسما از آلودگی ناشی از گرم شدن و تعامل دیوارهای محفظه پوشیده از پتو با آن است. هنگامی که چنین آلاینده‌هایی وارد پلاسما می‌شوند، به شدت شروع به تابش می‌کنند که منجر به تلفات تشعشعات اضافی می‌شود. در پایین توکوماک قرار دارد و از آهنربا برای هدایت لایه های بالایی پلاسما (که بیشترین آلودگی را دارند) به داخل محفظه خنک کننده استفاده می کند. در اینجا پلاسما خنک می شود و به گاز تبدیل می شود و پس از آن به بیرون از محفظه پمپ می شود. گرد و غبار بریلیم پس از ورود به محفظه عملاً قادر به بازگشت به پلاسما نیست. بنابراین، آلودگی پلاسما فقط در سطح باقی می ماند و به عمق بیشتری نفوذ نمی کند.

کرایوستات

- بزرگترین جزء توکوماک که یک پوسته فولادی ضد زنگ با حجم 16000 متر مربع (29.3 در 28.6 متر) و جرم 3850 تن است. سایر عناصر سیستم در داخل کرایواستات قرار خواهند گرفت و خود به خدمت می‌پردازد. به عنوان مانعی بین توکامک و محیط بیرون. روی دیوارهای داخلی آن صفحات حرارتی وجود دارد که با گردش نیتروژن در دمای 80 کلوین (193.15- درجه سانتیگراد) خنک می شوند.

سیستم مغناطیسی

- مجموعه ای از عناصری که برای نگهداری و کنترل پلاسما در داخل یک ظرف خلاء خدمت می کنند. این مجموعه ای از 48 عنصر است:

• سیم پیچ های میدان حلقوی در خارج از محفظه خلاء و در داخل کرایوستات قرار دارند. این سیم پیچ ها در 18 قطعه با ابعاد 15×9 متر و وزن تقریبی 300 تن ارائه شده اند.این سیم پیچ ها با هم میدان مغناطیسی 11.8 تسلا در اطراف چنبره پلاسما ایجاد می کنند و انرژی 41 GJ ذخیره می کنند.
• سیم پیچ های میدان پولوئیدی – در بالای سیم پیچ های میدان حلقوی و داخل کرایوستات قرار دارند. این سیم پیچ ها وظیفه تولید میدان مغناطیسی را بر عهده دارند که جرم پلاسما را از دیواره های محفظه جدا می کند و پلاسما را برای گرمایش آدیاباتیک فشرده می کند. تعداد این سیم پیچ ها 6 عدد است. دو عدد از سیم پیچ ها قطر 24 متر و جرم آنها 400 تن است و چهار عدد باقی مانده تا حدودی کوچکتر هستند.
• شیر برقی مرکزی در قسمت داخلی محفظه حلقوی یا بهتر است بگوییم در "سوراخ دونات" قرار دارد. اصل عملکرد آن شبیه ترانسفورماتور است و وظیفه اصلی تحریک جریان القایی در پلاسما است.
• کویل های اصلاحی در داخل ظرف خلاء، بین پتو و دیواره محفظه قرار دارند. وظیفه آنها حفظ شکل پلاسما است که قادر به "برآمدگی" موضعی و حتی لمس دیواره های رگ است. به شما امکان می دهد سطح تعامل دیواره های محفظه با پلاسما و در نتیجه میزان آلودگی آن را کاهش دهید و همچنین سایش خود محفظه را کاهش می دهد.

ساختار مجتمع ITER

طرح توکامک که در بالا «به طور خلاصه» توضیح داده شد یک مکانیسم ابتکاری بسیار پیچیده است که با تلاش چندین کشور مونتاژ شده است. با این حال، برای بهره برداری کامل آن، مجموعه کاملی از ساختمان ها واقع در نزدیکی توکامک مورد نیاز است. از جمله:

• سیستم کنترل، دسترسی به داده و ارتباطات - CODAC. در تعدادی از ساختمان های مجتمع ITER واقع شده است.
• ذخیره سازی سوخت و سیستم سوخت - برای رساندن سوخت به توکامک خدمت می کند.
• سیستم خلاء - متشکل از بیش از چهارصد پمپ خلاء است که وظیفه آنها پمپاژ محصولات واکنش گرما هسته ای و همچنین آلاینده های مختلف از محفظه خلاء است.
• سیستم برودتی - نشان داده شده توسط یک مدار نیتروژن و هلیوم. مدار هلیوم دمای توکامک را نرمال می کند، کار (و بنابراین دما) آن به طور مداوم اتفاق نمی افتد، بلکه به صورت پالس است. مدار نیتروژن سپرهای حرارتی کرایوستات و خود مدار هلیوم را خنک می کند. همچنین یک سیستم خنک کننده آبی وجود خواهد داشت که هدف آن کاهش دمای دیوارهای پتو است.
• منبع تغذیه. توکامک برای کار مداوم به 110 مگاوات انرژی نیاز دارد. برای تحقق این امر، خطوط برق به طول یک کیلومتر نصب و به شبکه صنعتی فرانسه متصل خواهد شد. شایان ذکر است که تأسیسات آزمایشی ITER تولید انرژی را فراهم نمی کند، بلکه فقط در جهت منافع علمی عمل می کند.

تامین مالی ITER

راکتور حرارتی بین المللی ITER یک تعهد نسبتاً گران است که در ابتدا 12 میلیارد دلار تخمین زده شد که روسیه، ایالات متحده آمریکا، کره، چین و هند 111/1، ژاپن 2/11 و اتحادیه اروپا 4 را به خود اختصاص دادند. /11. این مبلغ بعداً به 15 میلیارد دلار افزایش یافت. قابل ذکر است که تامین مالی از طریق تامین تجهیزات مورد نیاز مجموعه که در هر کشور توسعه یافته است، صورت می گیرد. بنابراین، روسیه پتو، دستگاه های گرمایش پلاسما و آهنرباهای ابررسانا را تامین می کند.

دیدگاه پروژه

در حال حاضر ساخت مجتمع ITER و تولید تمامی اجزای مورد نیاز توکامک در حال انجام است. پس از راه اندازی برنامه ریزی شده توکامک در سال 2025، مجموعه ای از آزمایش ها آغاز خواهد شد که بر اساس نتایج آن جنبه هایی که نیاز به بهبود دارند ذکر می شود. پس از راه اندازی موفقیت آمیز ITER، قرار است یک نیروگاه مبتنی بر همجوشی حرارتی هسته ای به نام DEMO (نیروگاه DEMOnstration) ساخته شود. هدف DEMo نشان دادن به اصطلاح "جذابیت تجاری" قدرت همجوشی است. اگر ITER قادر به تولید تنها 500 مگاوات انرژی باشد، DEMO قادر خواهد بود به طور مداوم انرژی 2 گیگاواتی تولید کند.

با این حال، باید در نظر داشت که تأسیسات آزمایشی ITER انرژی تولید نخواهد کرد و هدف آن به دست آوردن مزایای صرفاً علمی است. و همانطور که می دانید، این یا آن آزمایش فیزیکی نه تنها می تواند انتظارات را برآورده کند، بلکه دانش و تجربه جدیدی را برای بشریت به ارمغان می آورد.

نیمه دوم قرن بیستم دوره توسعه سریع فیزیک هسته ای بود. مشخص شد که واکنش‌های هسته‌ای می‌توانند برای تولید انرژی عظیم از مقادیر ناچیز سوخت مورد استفاده قرار گیرند. تنها 9 سال از انفجار اولین بمب هسته ای تا اولین نیروگاه هسته ای می گذرد و زمانی که یک بمب هیدروژنی در سال 1952 آزمایش شد، پیش بینی هایی وجود داشت که نیروگاه های هسته ای گرما در دهه 1960 به بهره برداری خواهند رسید. افسوس که این امیدها توجیه نشد.

واکنش‌های گرما هسته‌ای از میان تمام واکنش‌های گرما هسته‌ای، تنها چهار مورد در آینده نزدیک مورد توجه قرار می‌گیرند: دوتریوم + دوتریوم (محصولات - تریتیوم و پروتون، انرژی آزاد شده 4.0 MeV)، دوتریوم + دوتریوم (هلیوم-3 و نوترون، 3.3 مگا الکترون ولت)، دوتریوم + تریتیوم (هلیوم-4 و نوترون، 17.6 MeV) و دوتریوم + هلیوم-3 (هلیوم-4 و پروتون، 18.2 مگا ولت). واکنش اول و دوم به موازات با احتمال مساوی رخ می دهد. تریتیوم و هلیوم 3 حاصل در واکنش های سوم و چهارم "سوخته" می شوند

منبع اصلی انرژی برای بشر امروزی احتراق زغال سنگ، نفت و گاز است. اما منابع آنها محدود است و محصولات احتراق محیط زیست را آلوده می کند. یک نیروگاه زغال سنگ نسبت به یک نیروگاه هسته ای با همان قدرت، انتشار رادیواکتیو بیشتری تولید می کند! پس چرا ما هنوز به منابع انرژی هسته ای روی نیاورده ایم؟ دلایل زیادی برای این وجود دارد، اما اصلی ترین آنها اخیراً رادیوفوبیا بوده است. علیرغم این واقعیت که یک نیروگاه زغال سنگ، حتی در حین کار عادی، به سلامت افراد بسیار بیشتری از انتشار گازهای گلخانه ای اضطراری در یک نیروگاه هسته ای آسیب می رساند، اما این کار را بی سر و صدا و بدون توجه مردم انجام می دهد. حوادث در نیروگاه های هسته ای بلافاصله به خبر اصلی رسانه ها تبدیل می شود و باعث وحشت عمومی می شود (اغلب کاملاً بی اساس). با این حال، این بدان معنا نیست که انرژی هسته ای مشکلات عینی ندارد. زباله‌های رادیواکتیو مشکلات زیادی ایجاد می‌کنند: فناوری‌های کار با آن هنوز بسیار گران هستند و وضعیت ایده‌آل زمانی که همه آن‌ها به طور کامل بازیافت و مورد استفاده قرار می‌گیرند هنوز دور از دسترس است.

از تمام واکنش‌های گرما هسته‌ای، تنها چهار مورد در آینده نزدیک مورد توجه قرار می‌گیرند: دوتریوم + دوتریوم (محصولات - تریتیوم و پروتون، انرژی آزاد شده 4.0 MeV)، دوتریوم + دوتریوم (هلیوم-3 و نوترون، 3.3 مگا ولت)، دوتریوم + تریتیوم ( هلیوم -4 و نوترون، 17.6 MeV) و دوتریوم + هلیوم-3 (هلیوم-4 و پروتون، 18.2 مگا ولت). واکنش اول و دوم به موازات با احتمال مساوی رخ می دهد. تریتیوم و هلیوم 3 حاصل در واکنش های سوم و چهارم "سوخته" می شوند.

از شکافت تا همجوشی

یک راه حل بالقوه برای این مشکلات، انتقال از راکتورهای شکافت به راکتورهای همجوشی است. در حالی که یک راکتور شکافت معمولی حاوی ده ها تن سوخت رادیواکتیو است که به ده ها تن زباله رادیواکتیو حاوی طیف گسترده ای از ایزوتوپ های رادیواکتیو تبدیل می شود، یک راکتور همجوشی تنها از صدها گرم، حداکثر کیلوگرم، از یک ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن استفاده می کند. تریتیوم علاوه بر این واقعیت که واکنش به مقدار ناچیزی از این ایزوتوپ رادیواکتیو کم خطر نیاز دارد، تولید آن نیز به طور مستقیم در نیروگاه به منظور به حداقل رساندن خطرات مرتبط با حمل و نقل برنامه ریزی شده است. محصولات سنتز هیدروژن و هلیوم پایدار (غیر رادیواکتیو) و غیر سمی هستند. علاوه بر این، بر خلاف یک واکنش شکافت، یک واکنش گرما هسته ای بلافاصله پس از تخریب تاسیسات متوقف می شود، بدون ایجاد خطر انفجار حرارتی. پس چرا هنوز یک نیروگاه حرارتی اتمی عملیاتی ساخته نشده است؟ دلیل آن این است که مزایای ذکر شده به ناچار معایبی را به همراه دارد: ایجاد شرایط برای سنتز بسیار دشوارتر از آنچه در ابتدا انتظار می‌رفته بود.

معیار لاوسون

برای اینکه یک واکنش گرما هسته ای از نظر انرژی مطلوب باشد، لازم است از دمای کافی بالای سوخت گرما هسته ای، چگالی کافی بالا و تلفات انرژی به اندازه کافی کم اطمینان حاصل شود. دومی از نظر عددی با اصطلاح "زمان نگهداری" مشخص می شود، که برابر است با نسبت انرژی حرارتی ذخیره شده در پلاسما به قدرت از دست دادن انرژی (بسیاری از مردم به اشتباه معتقدند که "زمان ماند" زمانی است که در طی آن پلاسمای داغ در نصب حفظ می شود، اما اینطور نیست). در دمای مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم برابر با 10 کو (تقریباً 110،000،000 درجه)، باید حاصل ضرب تعداد ذرات سوخت در 1 سانتی متر مکعب (یعنی غلظت پلاسما) و زمان ماند (بر حسب ثانیه) را بدست آوریم. از حداقل 10 14. فرقی نمی کند که پلاسمایی با غلظت 1014 سانتی متر -3 و زمان ماند 1 ثانیه داشته باشیم یا پلاسمایی با غلظت 10 23 و زمان ماند 1 ns. این معیار را معیار لاوسون می نامند.
علاوه بر معیار لاوسون، که مسئول به دست آوردن یک واکنش مثبت انرژی است، یک معیار احتراق پلاسما نیز وجود دارد که برای واکنش دوتریوم-تریتیوم تقریباً سه برابر بیشتر از معیار لاوسون است. "اشتعال" به این معنی است که کسری از انرژی گرما هسته ای که در پلاسما باقی می ماند برای حفظ دمای مورد نیاز کافی است و دیگر نیازی به گرمایش اضافی پلاسما نخواهد بود.

Z-pinch

اولین وسیله ای که قرار بود در آن یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده به دست آید، اصطلاحاً Z-pinch بود. در ساده ترین حالت، این نصب تنها شامل دو الکترود است که در محیط دوتریوم (هیدروژن-2) یا مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم قرار دارند و یک باتری از خازن های پالس ولتاژ بالا. در نگاه اول، به نظر می رسد که دستیابی به پلاسمای فشرده را که تا دماهای بسیار زیاد گرم می شود، ممکن می سازد: دقیقاً همان چیزی که برای یک واکنش حرارتی هسته ای لازم است! با این حال، در زندگی، همه چیز معلوم شد، افسوس، به دور از گلگون. طناب پلاسما ناپایدار بود: کوچکترین خم شدن منجر به تقویت میدان مغناطیسی از یک طرف و ضعیف شدن از طرف دیگر می شود؛ نیروهای حاصل خم شدن طناب را بیشتر می کند - و تمام پلاسما "از بین می رود" دیوار کناری اتاقک طناب نه تنها در برابر خم شدن ناپایدار است، بلکه کوچکترین نازک شدن آن منجر به افزایش میدان مغناطیسی در این قسمت می شود که پلاسما را حتی بیشتر فشرده می کند و آن را در حجم باقی مانده طناب فشرده می کند تا در نهایت طناب "فشرده شود". " قسمت فشرده شده دارای مقاومت الکتریکی بالایی است، بنابراین جریان قطع می شود، میدان مغناطیسی ناپدید می شود و تمام پلاسما از بین می رود.

اصل عملکرد Z-pinch ساده است: یک جریان الکتریکی یک میدان مغناطیسی حلقوی ایجاد می کند که با همان جریان تعامل می کند و آن را فشرده می کند. در نتیجه چگالی و دمای پلاسمایی که جریان از آن عبور می کند افزایش می یابد.

با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی قدرتمند به موازات جریان، و قرار دادن آن در یک محفظه رسانای ضخیم، می‌توان بسته پلاسما را تثبیت کرد (با حرکت پلاسما، میدان مغناطیسی نیز حرکت می‌کند که باعث القای جریان الکتریکی در دستگاه می‌شود. پوشش، تمایل به برگرداندن پلاسما به جای خود). پلاسما خم شدن و نیشگون گرفتن را متوقف کرد، اما هنوز از یک واکنش گرما هسته ای در هر مقیاس جدی فاصله داشت: پلاسما الکترودها را لمس می کند و گرمای خود را به آنها می دهد.

کار مدرن در زمینه همجوشی Z-pinch اصل دیگری را برای ایجاد پلاسمای همجوشی پیشنهاد می کند: یک جریان از طریق یک لوله پلاسمای تنگستن جریان می یابد، که اشعه ایکس قدرتمندی ایجاد می کند که کپسول را با سوخت همجوشی واقع در داخل لوله پلاسما فشرده و گرم می کند. این کار را در یک بمب گرما هسته ای انجام می دهد. با این حال، این آثار صرفاً جنبه تحقیقاتی دارند (مکانیسم‌های عملکرد سلاح‌های هسته‌ای مورد مطالعه قرار می‌گیرند)، و آزاد شدن انرژی در این فرآیند هنوز میلیون‌ها برابر کمتر از مصرف است.

هر چه نسبت شعاع بزرگ چنبره توکامک (فاصله مرکز کل چنبره تا مرکز سطح مقطع لوله آن) به کوچکتر (شعاع مقطع لوله) کمتر باشد. فشار پلاسما بیشتر می تواند تحت همان میدان مغناطیسی باشد. با کاهش این نسبت، دانشمندان از مقطع دایره‌ای محفظه پلاسما و خلاء به سطح مقطع D تبدیل شدند (در این حالت، نقش شعاع کوچک نصف ارتفاع سطح مقطع است). تمام توکامک های مدرن دقیقاً این شکل مقطع را دارند. مورد محدود کننده به اصطلاح "توکامک کروی" بود. در چنین توکاماک‌هایی، محفظه خلاء و پلاسما تقریباً کروی هستند، به استثنای یک کانال باریک که قطب‌های کره را به هم متصل می‌کند. هادی های سیم پیچ های مغناطیسی از کانال عبور می کنند. اولین توکامک کروی، START، تنها در سال 1991 ظاهر شد، بنابراین این یک جهت نسبتا جوان است، اما قبلاً امکان به دست آوردن فشار پلاسما مشابه با میدان مغناطیسی سه برابر کمتر را نشان داده است.

اتاق چوب پنبه، ستاره ساز، توکامک

گزینه دیگر برای ایجاد شرایط لازم برای واکنش، تله های مغناطیسی باز است. معروف ترین آنها "سلول چوب پنبه" است: لوله ای با میدان مغناطیسی طولی که در انتهای آن تقویت می شود و در وسط ضعیف می شود. میدان افزایش یافته در انتها یک "شاخه مغناطیسی" (از این رو نام روسی) یا "آینه مغناطیسی" (به انگلیسی - ماشین آینه) ایجاد می کند که از خروج پلاسما از نصب از طریق انتها جلوگیری می کند. با این حال، چنین نگهداری ناقص است؛ برخی از ذرات باردار که در امتداد مسیرهای خاصی حرکت می کنند، قادر به عبور از این گیرها هستند. و در نتیجه برخوردها، هر ذره ای دیر یا زود در چنین مسیری قرار می گیرد. علاوه بر این، پلاسما در محفظه آینه نیز ناپایدار است: اگر در جایی قسمت کوچکی از پلاسما از محور نصب دور شود، نیروهایی بوجود می آیند که پلاسما را به دیواره محفظه بیرون می اندازند. اگرچه ایده اصلی سلول آینه به طور قابل توجهی بهبود یافته بود (که امکان کاهش ناپایداری پلاسما و نفوذپذیری آینه ها را فراهم می کرد)، در عمل حتی نزدیک شدن به پارامترهای لازم برای سنتز انرژی مطلوب امکان پذیر نبود. .

آیا می توان مطمئن شد که پلاسما از طریق "پریزها" فرار نمی کند؟ به نظر می رسد که راه حل واضح این است که پلاسما را به صورت حلقه درآورید. با این حال، میدان مغناطیسی داخل حلقه قوی تر از بیرون است و پلاسما دوباره به سمت دیواره محفظه می رود. راه خروج از این وضعیت دشوار نیز کاملاً واضح به نظر می رسید: به جای حلقه، یک "شکل هشت" بسازید، سپس در یک بخش ذره از محور نصب دور می شود و در قسمت دیگر به عقب باز می گردد. این گونه بود که دانشمندان به ایده اولین ستاره‌ساز رسیدند. اما چنین "شکل هشت" را نمی توان در یک صفحه ساخت، بنابراین ما مجبور شدیم از بعد سوم استفاده کنیم، میدان مغناطیسی را در جهت دوم خم کنیم، که همچنین منجر به حرکت تدریجی ذرات از محور به دیوار محفظه شد. .

با ایجاد تاسیسات از نوع توکامک، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کرد. نتایج به دست آمده در T-3 tokamak در نیمه دوم دهه 1960 برای آن زمان چنان خیره کننده بود که دانشمندان غربی با تجهیزات اندازه گیری خود به اتحاد جماهیر شوروی آمدند تا خود پارامترهای پلاسما را تأیید کنند. واقعیت حتی فراتر از انتظار آنها بود.

این لوله‌های در هم تنیده فوق‌العاده یک پروژه هنری نیستند، بلکه یک محفظه ستاره‌ای هستند که در یک منحنی پیچیده سه‌بعدی خم شده‌اند.

در دست اینرسی

علاوه بر محصور شدن مغناطیسی، یک رویکرد اساسی متفاوت برای همجوشی گرما هسته ای - محصور شدن اینرسی وجود دارد. اگر در حالت اول سعی کنیم پلاسما را برای مدت طولانی در غلظت بسیار پایین نگه داریم (غلظت مولکول های موجود در هوای اطراف شما صدها هزار بار بیشتر است)، در حالت دوم پلاسما را به مقداری فشرده می کنیم. چگالی عظیم، مرتبه‌ای بزرگ‌تر از چگالی سنگین‌ترین فلزات، با این انتظار که واکنش در آن زمان کوتاه زمان لازم را داشته باشد تا پلاسما زمان پراکندگی به طرفین داشته باشد.

در ابتدا، در دهه 1960، برنامه استفاده از یک توپ کوچک از سوخت همجوشی منجمد بود که به طور یکنواخت از همه طرف توسط پرتوهای لیزر متعدد تابش می شد. سطح توپ باید فورا تبخیر شده باشد و با انبساط یکنواخت در همه جهات، قسمت باقی مانده سوخت را فشرده و گرم کند. با این حال، در عمل، تابش به اندازه کافی یکنواخت نیست. علاوه بر این، بخشی از انرژی تشعشع به لایه‌های داخلی منتقل می‌شد و باعث گرم شدن آن‌ها می‌شد که فشرده‌سازی را دشوارتر می‌کرد. در نتیجه، توپ به طور ناهموار و ضعیف فشرده شد.

تعدادی از پیکربندی‌های ستاره‌دار مدرن وجود دارد که همگی نزدیک به یک چنبره هستند. یکی از رایج‌ترین پیکربندی‌ها استفاده از سیم‌پیچ‌هایی شبیه به سیم‌پیچ‌های میدان پولوئیدی توکاماک‌ها و چهار تا شش هادی است که در اطراف یک محفظه خلاء با جریان چند جهته پیچیده شده‌اند. میدان مغناطیسی پیچیده ایجاد شده در این روش به پلاسما اجازه می دهد تا به طور قابل اعتمادی بدون نیاز به جریان الکتریکی حلقه ای از آن عبور کند. علاوه بر این، ستارگان همچنین می توانند از سیم پیچ های میدان حلقوی مانند توکامک استفاده کنند. و ممکن است هیچ هادی مارپیچی وجود نداشته باشد، اما سیم پیچ های میدان "حلقه ای" در امتداد یک منحنی پیچیده سه بعدی نصب می شوند. پیشرفت های اخیر در زمینه ستاره سازها شامل استفاده از سیم پیچ های مغناطیسی و یک محفظه خلاء با شکل بسیار پیچیده (یک چنبره بسیار "مچاله شده") است که بر روی رایانه محاسبه می شود.

مشکل ناهمواری با تغییر قابل توجه طراحی هدف حل شد. اکنون توپ در داخل یک محفظه فلزی کوچک ویژه قرار می گیرد (به آن "holraum"، از hohlraum - حفره آلمانی می گویند) با سوراخ هایی که پرتوهای لیزر از طریق آن وارد می شوند. علاوه بر این، از کریستال هایی استفاده می شود که تابش لیزر IR را به ماوراء بنفش تبدیل می کند. این اشعه UV توسط یک لایه نازک از مواد hohlraum جذب می شود که تا دماهای بسیار زیاد گرم می شود و اشعه ایکس نرم ساطع می کند. به نوبه خود، تابش اشعه ایکس توسط یک لایه نازک روی سطح کپسول سوخت (توپ با سوخت) جذب می شود. این امر نیز امکان حل مشکل گرم شدن زودرس لایه های داخلی را فراهم کرد.

با این حال، معلوم شد که قدرت لیزرها برای واکنش بخش قابل توجهی از سوخت کافی نیست. علاوه بر این، راندمان لیزرها بسیار پایین بود، فقط حدود 1٪. برای اینکه همجوشی در چنین بازده لیزر کم از نظر انرژی مفید باشد، تقریباً تمام سوخت فشرده شده باید واکنش نشان می داد. هنگام تلاش برای جایگزینی لیزر با پرتوهای یون های سبک یا سنگین، که می توانند با کارایی بسیار بیشتری تولید شوند، دانشمندان با مشکلات زیادی نیز مواجه شدند: یون های نور یکدیگر را دفع می کنند، که مانع از تمرکز آنها می شود و در هنگام برخورد با باقیمانده سرعت آنها کاهش می یابد. گاز در محفظه و شتاب دهنده ها امکان ایجاد یون های سنگین با پارامترهای لازم وجود نداشت.

چشم اندازهای مغناطیسی

اکنون بیشترین امید در زمینه انرژی همجوشی در توکامک ها نهفته است. به خصوص بعد از اینکه حالتی را با حفظ بهبود یافته باز کردند. توکامک هم یک پینچ Z است که به صورت حلقه در می آید (جریان الکتریکی حلقه ای از پلاسما می گذرد و میدان مغناطیسی لازم برای مهار آن ایجاد می کند) و هم دنباله ای از سلول های آینه ای است که در یک حلقه جمع شده و یک مغناطیسی حلقوی "موجدار" ایجاد می کند. رشته. علاوه بر این، یک میدان عمود بر صفحه چنبره که توسط چندین سیم پیچ منفرد ایجاد می شود، بر روی میدان حلقوی سیم پیچ ها و میدان جریان پلاسما قرار می گیرد. این میدان اضافی که پولوئیدال نامیده می شود، میدان مغناطیسی جریان پلاسما (همچنین پولوئیدی) را در قسمت بیرونی چنبره تقویت می کند و آن را در داخل ضعیف می کند. بنابراین، میدان مغناطیسی کل در همه طرف طناب پلاسما یکسان است و موقعیت آن ثابت می ماند. با تغییر این میدان اضافی، امکان جابجایی بسته پلاسما در داخل محفظه خلاء در محدوده خاصی وجود دارد.

یک رویکرد اساسا متفاوت برای سنتز توسط مفهوم کاتالیز میون ارائه شده است. میون یک ذره بنیادی ناپایدار است که باری برابر با یک الکترون دارد، اما جرم آن 207 برابر بیشتر است. یک میون می تواند جایگزین یک الکترون در اتم هیدروژن شود و اندازه اتم با ضریب 207 کاهش می یابد. این اجازه می دهد تا یک هسته هیدروژن بدون صرف انرژی به هسته دیگر نزدیک شود. اما برای تولید یک میون، حدود 10 گیگا ولت انرژی صرف می شود، به این معنی که برای به دست آوردن مزایای انرژی لازم است چندین هزار واکنش همجوشی در هر میون انجام شود. با توجه به احتمال "چسبیدن" میون به هلیوم تشکیل شده در واکنش، بیش از چند صد واکنش هنوز به دست نیامده است. این عکس مونتاژ ستاره‌ساز وندلشتاین z-x را در موسسه ماکس پلانک برای فیزیک پلاسما نشان می‌دهد.

مشکل مهم توکامک ها برای مدت طولانی نیاز به ایجاد یک جریان حلقه در پلاسما بود. برای انجام این کار، یک مدار مغناطیسی از سوراخ مرکزی چنبره توکامک عبور داده شد که شار مغناطیسی در آن به طور مداوم تغییر می کرد. تغییر در شار مغناطیسی یک میدان الکتریکی گردابی ایجاد می کند که گاز را در محفظه خلاء یونیزه می کند و جریان را در پلاسمای حاصل حفظ می کند. با این حال، جریان در پلاسما باید به طور مداوم حفظ شود، به این معنی که شار مغناطیسی باید به طور مداوم در یک جهت تغییر کند. البته این غیرممکن است، بنابراین جریان در توکامک ها فقط برای مدت محدودی (از کسری از ثانیه تا چند ثانیه) قابل حفظ است. خوشبختانه جریان به اصطلاح بوت استرپ کشف شد که در پلاسما بدون میدان گرداب خارجی رخ می دهد. علاوه بر این، روش هایی برای گرم کردن پلاسما و القای همزمان جریان حلقه لازم در آن ایجاد شده است. با هم، این پتانسیل را برای حفظ پلاسمای داغ تا زمانی که می خواهید فراهم کرد. در عمل، رکورد در حال حاضر متعلق به Tore Supra tokamak است، جایی که پلاسما به طور مداوم برای بیش از شش دقیقه "سوزانید".

نوع دوم نصب محصور کننده پلاسما که نوید زیادی دارد، ستاره سازها هستند. در طول دهه های گذشته، طراحی ستاره سازها به طور چشمگیری تغییر کرده است. تقریباً چیزی از "هشت" اصلی باقی نماند و این تاسیسات بسیار به توکاماک نزدیکتر شدند. اگرچه زمان محصور شدن ستاره‌ها از توکامک‌ها کوتاه‌تر است (به دلیل کارایی کمتر حالت H)، و هزینه ساخت آنها بیشتر است، اما رفتار پلاسما در آنها آرام‌تر است، که به معنای طول عمر بیشتر اولین است. دیواره داخلی محفظه خلاء برای توسعه تجاری همجوشی حرارتی، این عامل از اهمیت زیادی برخوردار است.

انتخاب یک واکنش

در نگاه اول، منطقی ترین استفاده از دوتریوم خالص به عنوان سوخت گرما هسته ای است: نسبتا ارزان و ایمن است. با این حال، دوتریوم با دوتریوم صد برابر کمتر از تریتیوم واکنش می دهد. این بدان معناست که برای کار یک راکتور بر روی مخلوط دوتریوم و تریتیوم، دمای 10 کو کافی است و برای کار بر روی دوتریوم خالص، دمای بیش از 50 کیلو ولت لازم است. و هر چه دما بیشتر باشد، اتلاف انرژی بیشتر است. بنابراین، حداقل برای اولین بار، برنامه ریزی شده است که انرژی حرارتی هسته ای بر روی سوخت دوتریوم-تریتیوم ساخته شود. تریتیوم در خود راکتور به دلیل تابش با نوترون های لیتیوم سریع تولید شده در آن تولید خواهد شد.
نوترون های "اشتباه". در فیلم فرقه ای "9 روز از یک سال"، شخصیت اصلی در حالی که در یک تاسیسات گرما هسته ای کار می کرد، دوز جدی تابش نوترونی دریافت کرد. با این حال، بعداً مشخص شد که این نوترون ها در نتیجه یک واکنش همجوشی تولید نشده اند. این اختراع کارگردان نیست، بلکه یک اثر واقعی است که در Z-pinches مشاهده شده است. در لحظه قطع جریان الکتریکی، اندوکتانس پلاسما منجر به تولید ولتاژ عظیمی می شود - میلیون ها ولت. یون‌های هیدروژن مجزا که در این زمینه شتاب می‌گیرند، می‌توانند به معنای واقعی کلمه نوترون‌ها را از الکترودها خارج کنند. در ابتدا، این پدیده در واقع به عنوان نشانه ای مطمئن از یک واکنش گرما هسته ای در نظر گرفته شد، اما تجزیه و تحلیل بعدی طیف انرژی نوترونی نشان داد که آنها منشاء متفاوتی داشتند.
حالت حفظ بهبود یافته حالت H یک توکامک حالتی از عملکرد آن است که با قدرت بالای گرمایش اضافی، تلفات انرژی پلاسما به شدت کاهش می یابد. کشف تصادفی حالت حبس پیشرفته در سال 1982 به اندازه اختراع خود توکامک مهم است. هنوز یک نظریه عمومی پذیرفته شده در مورد این پدیده وجود ندارد، اما این مانع از استفاده از آن در عمل نمی شود. تمام توکامک های مدرن در این حالت کار می کنند، زیرا تلفات را تا بیش از نصف کاهش می دهد. متعاقباً، رژیم مشابهی در ستاره‌سازها کشف شد، که نشان می‌دهد این ویژگی کلی سیستم‌های حلقوی است، اما محصور شدن در آنها تنها حدود 30 درصد بهبود یافته است.
گرمایش پلاسما. سه روش اصلی برای گرم کردن پلاسما تا دمای هسته ای وجود دارد. گرمایش اهمی گرمایش پلاسما به دلیل عبور جریان الکتریکی از آن است. این روش در مراحل اول بیشترین تاثیر را دارد، زیرا با افزایش دما، مقاومت الکتریکی پلاسما کاهش می یابد. گرمایش الکترومغناطیسی از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس منطبق با فرکانس چرخش حول خطوط میدان مغناطیسی الکترون ها یا یون ها استفاده می کند. با تزریق اتم های خنثی سریع، جریانی از یون های منفی ایجاد می شود که سپس خنثی می شوند و به اتم های خنثی تبدیل می شوند که می توانند از میدان مغناطیسی به مرکز پلاسما عبور کنند و انرژی خود را به آنجا منتقل کنند.
آیا این راکتورها هستند؟ تریتیوم رادیواکتیو است و تابش نوترونی قدرتمند از واکنش D-T باعث ایجاد رادیواکتیویته القایی در عناصر طراحی راکتور می شود. ما باید از ربات ها استفاده کنیم که کار را پیچیده می کند. در عین حال، رفتار پلاسمای هیدروژن یا دوتریوم معمولی بسیار نزدیک به رفتار پلاسما از مخلوط دوتریوم و تریتیوم است. این منجر به این واقعیت شد که در طول تاریخ، تنها دو تاسیسات گرما هسته‌ای به طور کامل با مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم کار می‌کردند: توکاماک‌های TFTR و JET. در تاسیسات دیگر، حتی دوتریوم همیشه استفاده نمی شود. بنابراین، نام «گرمای هسته‌ای» در تعریف تأسیسات به هیچ وجه به این معنا نیست که واکنش‌های حرارتی هسته‌ای واقعاً در آن رخ داده است (و در مواردی که رخ می‌دهند، تقریباً همیشه از دوتریوم خالص استفاده می‌شود).
راکتور هیبریدی واکنش D-T نوترون های 14 MeV تولید می کند که حتی می تواند اورانیوم ضعیف شده را شکافت کند. شکافت یک هسته اورانیوم با آزاد شدن تقریباً 200 مگا ولت انرژی همراه است که بیش از ده برابر انرژی آزاد شده در طی همجوشی است. بنابراین اگر توکاماک های موجود با پوسته اورانیوم احاطه شوند، می توانند از نظر انرژی مفید باشند. در مقایسه با راکتورهای شکافت، چنین رآکتورهای هیبریدی این مزیت را دارند که از ایجاد واکنش زنجیره ای کنترل نشده در آنها جلوگیری می کنند. علاوه بر این، شارهای نوترونی بسیار شدید باید محصولات شکافت اورانیوم با عمر طولانی را به محصولات کوتاه مدت تبدیل کند، که به طور قابل توجهی مشکل دفع زباله را کاهش می دهد.

امیدهای اینرسی

همجوشی اینرسی نیز ثابت نیست. در طول دهه‌های توسعه فناوری لیزر، چشم‌اندازهایی برای افزایش کارایی لیزرها تقریباً ده برابر ظاهر شده است. و در عمل صدها و هزاران بار بر قدرت آنها افزوده شده است. همچنین کار بر روی شتاب دهنده های یون سنگین با پارامترهای مناسب برای استفاده گرما هسته ای در حال انجام است. علاوه بر این، مفهوم "اشتعال سریع" یک عامل مهم در پیشرفت همجوشی اینرسی بوده است. این شامل استفاده از دو پالس است: یکی سوخت گرما هسته ای را فشرده می کند و دیگری قسمت کوچکی از آن را گرم می کند. فرض بر این است که واکنشی که در بخش کوچکی از سوخت آغاز می‌شود، متعاقباً گسترش بیشتری یافته و کل سوخت را پوشش می‌دهد. این رویکرد امکان کاهش قابل توجه هزینه های انرژی را فراهم می کند و بنابراین واکنش را با کسر کمتری از سوخت واکنش داده شده سودمند می کند.

مشکلات توکامک

علیرغم پیشرفت تاسیسات انواع دیگر، توکامک‌ها در حال حاضر همچنان خارج از رقابت باقی می‌مانند: اگر دو توکامک (TFTR و JET) در دهه 1990 واقعاً انرژی گرمای هسته‌ای آزاد می‌کردند تقریباً برابر با انرژی مصرفی برای گرم کردن پلاسما (حتی حتی اگرچه چنین حالتی فقط حدود یک ثانیه طول کشید، اما هیچ چیز مشابهی با انواع دیگر نصب ها نمی توان به دست آورد. حتی یک افزایش ساده در اندازه توکامک ها منجر به امکان همجوشی مطلوب انرژی در آنها می شود. راکتور بین المللی ITER در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت است که باید این را در عمل نشان دهد.

با این حال، توکامک ها نیز مشکلاتی دارند. ITER میلیاردها دلار هزینه دارد که برای راکتورهای تجاری آینده غیرقابل قبول است. هیچ راکتوری حتی برای چند ساعت به طور مداوم کار نکرده است، چه رسد به هفته ها و ماه ها، که دوباره برای کاربردهای صنعتی ضروری است. هنوز هیچ اطمینانی وجود ندارد که مواد دیواره داخلی محفظه خلاء بتوانند در برابر قرار گرفتن طولانی مدت در معرض پلاسما مقاومت کنند.

مفهوم یک توکامک با میدان قوی می تواند پروژه را کم هزینه تر کند. با افزایش دو تا سه برابری میدان، برنامه ریزی شده است که پارامترهای پلاسمایی مورد نیاز را در یک نصب نسبتا کوچک به دست آوریم. این مفهوم، به ویژه، اساس راکتور Ignitor است که به همراه همکاران ایتالیایی، اکنون در TRINIT (موسسه نوآوری و تحقیقات گرما هسته ای ترینیتی) در نزدیکی مسکو شروع به ساخت کرده است. اگر محاسبات مهندسان محقق شود، با هزینه ای چند برابر کمتر از ITER، امکان اشتعال پلاسما در این راکتور وجود خواهد داشت.

پیش به سوی ستاره ها!

محصولات یک واکنش گرما هسته ای در جهات مختلف با سرعت هزاران کیلومتر در ثانیه پرواز می کنند. این امکان ایجاد موتورهای موشک فوق العاده کارآمد را فراهم می کند. تکانه خاص آنها بیشتر از بهترین موتورهای جت الکتریکی خواهد بود و مصرف انرژی آنها حتی ممکن است منفی باشد (از لحاظ نظری، تولید انرژی به جای مصرف امکان پذیر است). علاوه بر این، دلایل زیادی وجود دارد که باور کنیم ساخت یک موتور موشک گرما هسته‌ای حتی از یک راکتور زمینی ساده‌تر خواهد بود: ایجاد خلاء مشکلی ندارد، با عایق حرارتی آهنرباهای ابررسانا، هیچ محدودیتی در ابعاد و غیره وجود ندارد. علاوه بر این، تولید برق توسط موتور مطلوب است، اما اصلاً ضروری نیست، کافی است که او بیش از حد آن را مصرف نکند.

محصور شدن الکترواستاتیک

مفهوم محصور شدن یون الکترواستاتیک به راحتی از طریق تنظیمی به نام فیوزور قابل درک است. این بر اساس یک الکترود توری کروی است که پتانسیل منفی روی آن اعمال می شود. یون‌هایی که در یک شتاب‌دهنده جداگانه یا توسط میدان خود الکترود مرکزی شتاب می‌گیرند داخل آن می‌افتند و توسط یک میدان الکترواستاتیک در آنجا نگه داشته می‌شوند: اگر یونی تمایل به پرواز داشته باشد، میدان الکترود آن را به عقب برمی‌گرداند. متأسفانه، احتمال برخورد یک یون با یک شبکه چندین مرتبه بیشتر از احتمال ورود به یک واکنش همجوشی است، که باعث می شود یک واکنش مثبت از نظر انرژی غیرممکن شود. چنین تاسیساتی فقط به عنوان منابع نوترونی کاربرد پیدا کرده اند.
در تلاش برای انجام یک کشف هیجان انگیز، بسیاری از دانشمندان تلاش می کنند تا هر کجا که ممکن است سنتز را ببینند. گزارش های متعددی در مطبوعات در مورد گزینه های مختلف برای به اصطلاح "همجوشی سرد" منتشر شده است. سنتز در فلزات "آغشته" به دوتریوم هنگام عبور جریان الکتریکی از طریق آنها، در حین الکترولیز مایعات اشباع شده از دوتریوم، در هنگام تشکیل حباب های کاویتاسیون در آنها و همچنین در موارد دیگر کشف شد. با این حال، اکثر این آزمایش‌ها در آزمایشگاه‌های دیگر قابلیت تکرارپذیری رضایت‌بخشی نداشته‌اند و نتایج آنها تقریباً همیشه بدون استفاده از سنتز قابل توضیح است.
در ادامه "سنت باشکوه" که با "سنگ فیلسوف" آغاز شد و سپس به یک "ماشین حرکت دائمی" تبدیل شد، بسیاری از کلاهبرداران مدرن اکنون پیشنهاد می کنند از آنها "ژنراتور همجوشی سرد"، "راکتور حفره ای" و سایر "سوخت" بخرند. - ژنراتورهای رایگان: در مورد فلسفی همه قبلاً سنگ را فراموش کرده اند، آنها به حرکت دائمی اعتقاد ندارند، اما همجوشی هسته ای اکنون کاملاً قانع کننده به نظر می رسد. اما، متأسفانه، در واقعیت، چنین منابع انرژی هنوز وجود ندارد (و زمانی که بتوان آنها را ایجاد کرد، در همه اخبار منتشر خواهد شد). بنابراین حواستان باشد: اگر به شما پیشنهاد خرید دستگاهی داده می‌شود که از طریق همجوشی هسته‌ای سرد انرژی تولید می‌کند، آن‌ها به سادگی سعی می‌کنند شما را «فریب» کنند!

بر اساس برآوردهای اولیه، حتی با سطح فناوری فعلی، می توان یک موتور موشک گرما هسته ای برای پرواز به سیارات منظومه شمسی (با بودجه مناسب) ایجاد کرد. تسلط بر فناوری چنین موتورهایی سرعت پروازهای سرنشین دار را ده برابر افزایش می دهد و ذخیره سوخت ذخیره زیادی را در هواپیما ممکن می کند، که پرواز به مریخ را دشوارتر از کار در ایستگاه فضایی بین المللی در حال حاضر نمی کند. سرعت 10 درصد سرعت نور به طور بالقوه برای ایستگاه های خودکار در دسترس خواهد بود، به این معنی که امکان ارسال کاوشگرهای تحقیقاتی به ستارگان مجاور و به دست آوردن داده های علمی در طول عمر خالقان آنها وجود خواهد داشت.

مفهوم یک موتور موشک گرما هسته ای مبتنی بر همجوشی اینرسی در حال حاضر توسعه یافته ترین در نظر گرفته شده است. تفاوت بین یک موتور و یک راکتور در میدان مغناطیسی است که محصولات واکنش باردار را در یک جهت هدایت می کند. گزینه دوم شامل استفاده از یک تله باز است که در آن یکی از شاخه ها عمداً ضعیف شده است. پلاسمایی که از آن جاری می شود نیروی واکنشی ایجاد می کند.

آینده گرما هسته ای

مشخص شد که تسلط بر همجوشی گرما هسته‌ای بسیار دشوارتر از آن چیزی است که در ابتدا به نظر می‌رسید. و اگر چه بسیاری از مشکلات قبلاً حل شده اند، مشکلات باقی مانده برای چند دهه تلاش سخت هزاران دانشمند و مهندس کافی خواهد بود. اما دورنماهایی که دگرگونی های ایزوتوپ های هیدروژن و هلیوم برای ما باز می کند بسیار عالی است و مسیر طی شده آنقدر قابل توجه است که توقف در نیمه راه معنی ندارد. مهم نیست که بسیاری از شکاکان چه می گویند، آینده بدون شک در سنتز نهفته است.

می گوییم خورشید را در جعبه می گذاریم. ایده زیباست مشکل این است که ما نمی دانیم چگونه جعبه را بسازیم.

پیر ژیل دو ژن
برنده جایزه نوبل فرانسوی

همه دستگاه ها و ماشین های الکترونیکی نیاز به انرژی دارند و بشریت مقدار زیادی از آن را مصرف می کند. اما سوخت های فسیلی در حال اتمام هستند و انرژی های جایگزین هنوز به اندازه کافی موثر نیستند.
روشی برای به دست آوردن انرژی وجود دارد که به طور ایده آل با تمام نیازها مطابقت دارد - همجوشی گرما هسته ای. واکنش همجوشی گرما هسته ای (تبدیل هیدروژن به هلیوم و آزاد شدن انرژی) به طور مداوم در خورشید رخ می دهد و این فرآیند به سیاره انرژی به شکل پرتوهای خورشیدی می دهد. شما فقط باید آن را در زمین، در مقیاس کوچکتر تقلید کنید. کافی است فشار بالا و دمای بسیار بالا (10 برابر بیشتر از خورشید) فراهم شود و واکنش همجوشی راه اندازی می شود. برای ایجاد چنین شرایطی، باید یک راکتور گرما هسته ای بسازید. این نیروگاه از منابع فراوان تری بر روی زمین استفاده خواهد کرد، ایمن تر و قدرتمندتر از نیروگاه های هسته ای معمولی خواهد بود. بیش از 40 سال است که برای ساخت آن تلاش شده و آزمایش هایی انجام شده است. در سال‌های اخیر، یکی از نمونه‌های اولیه حتی توانسته انرژی بیشتری نسبت به مصرف شده به دست آورد. بلندپروازانه ترین پروژه ها در این زمینه در زیر ارائه شده است:

پروژه های دولتی

بیشترین توجه عمومی اخیراً به یکی دیگر از طراحی‌های راکتور گرما هسته‌ای معطوف شده است - ستاره‌ساز Wendelstein 7-X (ستاره‌گر از نظر ساختار داخلی پیچیده‌تر از ITER است که یک توکامک است). دانشمندان آلمانی با صرف اندکی بیش از یک میلیارد دلار، یک مدل نمایشی کوچک از راکتور را در 9 سال تا سال 2015 ساختند. اگر نتایج خوبی نشان دهد، یک نسخه بزرگتر ساخته خواهد شد.

لیزر مگاژول فرانسه قدرتمندترین لیزر جهان خواهد بود و تلاش خواهد کرد تا روشی مبتنی بر لیزر برای ساخت یک راکتور همجوشی را پیش ببرد. انتظار می رود که نصب فرانسوی در سال 2018 راه اندازی شود.

NIF (تاسیسات ملی احتراق) طی 12 سال و 4 میلیارد دلار تا سال 2012 در ایالات متحده ساخته شد. آنها انتظار داشتند که این فناوری را آزمایش کنند و سپس بلافاصله یک راکتور بسازند، اما معلوم شد که همانطور که ویکی پدیا گزارش می دهد، اگر سیستم همیشه به احتراق می رسد. در نتیجه، طرح های بزرگ لغو شد و دانشمندان به تدریج شروع به بهبود لیزر کردند. چالش نهایی افزایش بهره وری انتقال انرژی از 7 درصد به 15 درصد است. در غیر این صورت، بودجه کنگره برای این روش دستیابی به سنتز ممکن است متوقف شود.

در پایان سال 2015، ساخت ساختمانی برای قدرتمندترین نصب لیزر جهان در ساروف آغاز شد. این نیرومندتر از آمریکایی‌های کنونی و فرانسوی‌های آینده خواهد بود و انجام آزمایش‌های لازم برای ساخت نسخه «لیزری» راکتور را ممکن می‌سازد. اتمام ساخت و ساز در سال 2020.

لیزر همجوشی MagLIF در ایالات متحده آمریکا به عنوان یک اسب تیره در میان روش های دستیابی به همجوشی گرما هسته ای شناخته می شود. اخیراً این روش نتایج بهتری از حد انتظار نشان داده است، اما همچنان باید قدرت را 1000 برابر افزایش داد. لیزر در حال حاضر در حال ارتقاء است و دانشمندان امیدوارند تا سال 2018 همان مقدار انرژی را که صرف کرده اند دریافت کنند. در صورت موفقیت، نسخه بزرگتر ساخته خواهد شد.

مؤسسه فیزیک هسته ای روسیه به طور مداوم روش "تله باز" را آزمایش کرد که ایالات متحده در دهه 90 آن را رها کرد. در نتیجه شاخص هایی به دست آمد که برای این روش غیرممکن تلقی می شدند. دانشمندان BINP بر این باورند که نصب آنها اکنون در سطح Wendelstein 7-X آلمان (Q=0.1) است، اما ارزان تر است. اکنون آنها در حال ساختن یک تاسیسات جدید برای 3 میلیارد روبل هستند

رئیس موسسه کورچاتوف دائماً برنامه های ساخت یک راکتور گرما هسته ای کوچک در روسیه - Ignitor را یادآوری می کند. طبق این طرح، باید به اندازه ITER موثر باشد، هرچند کوچکتر. ساخت آن باید 3 سال پیش شروع می شد، اما این وضعیت برای پروژه های بزرگ علمی معمول است.

توکامک چینی در ابتدای سال 2016 موفق شد به دمای 50 میلیون درجه برسد و به مدت 102 ثانیه آن را حفظ کند. قبل از شروع ساخت رآکتورها و لیزرهای عظیم، همه اخبار در مورد همجوشی گرما هسته ای اینگونه بود. ممکن است کسی فکر کند که این فقط یک رقابت بین دانشمندان است که ببینند چه کسی می تواند دمای فزاینده بالاتر را برای مدت طولانی تری نگه دارد. هر چه دمای پلاسما بالاتر باشد و بتوان مدت بیشتری آن را حفظ کرد، به آغاز واکنش همجوشی نزدیک‌تر می‌شویم. ده ها مورد از این قبیل در جهان وجود دارد، چندین مورد دیگر () () در حال ساخت است، بنابراین رکورد EAST به زودی شکسته خواهد شد. در اصل، این راکتورهای کوچک فقط تجهیزات را قبل از ارسال به ITER آزمایش می کنند.

لاکهید مارتین در سال 2015 از پیشرفتی در زمینه انرژی همجوشی خبر داد که به آنها اجازه می دهد ظرف 10 سال یک راکتور همجوشی کوچک و متحرک بسازند. با توجه به اینکه حتی تا سال 2040 حتی رآکتورهای تجاری بسیار بزرگ و اصلاً متحرک پیش بینی نمی شد، اعلام این شرکت با شک و تردید مواجه شد. اما این شرکت منابع زیادی دارد، پس چه کسی می داند. نمونه اولیه در سال 2020 انتظار می رود.

استارتاپ محبوب دره سیلیکون Helion Energy برنامه منحصر به فرد خود را برای دستیابی به همجوشی گرما هسته ای دارد. این شرکت بیش از 10 میلیون دلار جمع آوری کرده است و انتظار دارد تا سال 2019 نمونه اولیه آن را ایجاد کند.

استارت آپ کم حاشیه Tri Alpha Energy اخیراً به نتایج چشمگیری در ترویج روش همجوشی خود دست یافته است (نظریه پردازان بیش از 100 روش نظری برای دستیابی به همجوشی ایجاد کرده اند، توکامک ساده ترین و محبوب ترین است). این شرکت همچنین بیش از 100 میلیون دلار سرمایه برای سرمایه گذاران جذب کرد.

پروژه رآکتور استارت آپ کانادایی جنرال فیوژن حتی بیشتر از بقیه متفاوت است، اما توسعه دهندگان به آن اطمینان دارند و بیش از 100 میلیون دلار در 10 سال برای ساخت راکتور تا سال 2020 جمع آوری کرده اند.

استارت آپ بریتانیایی First light دارای در دسترس ترین وب سایت است که در سال 2014 ایجاد شد و اعلام کرد که قصد دارد از آخرین داده های علمی برای دستیابی به همجوشی هسته ای با هزینه کمتر استفاده کند.

دانشمندان MIT مقاله ای نوشتند که یک راکتور همجوشی فشرده را توصیف می کرد. آنها به فناوری‌های جدیدی که پس از شروع ساخت توکامک‌های غول‌پیکر ظاهر شدند، تکیه می‌کنند و قول می‌دهند که این پروژه را در 10 سال آینده تکمیل کنند. هنوز مشخص نیست که آیا برای شروع ساخت و ساز به آنها چراغ سبز نشان داده می شود یا خیر. حتی در صورت تایید، مقاله در یک مجله حتی زودتر از یک استارتاپ است

همجوشی هسته ای شاید کمترین صنعت مناسب برای تامین مالی جمعی باشد. اما با کمک او و همچنین با کمک مالی ناسا است که شرکت لاورنسویل پلاسما فیزیک قصد دارد نمونه اولیه راکتور خود را بسازد. از بین تمام پروژه های در حال انجام، این یکی بیشتر شبیه یک کلاهبرداری به نظر می رسد، اما چه کسی می داند، شاید آنها چیز مفیدی را برای این کار بزرگ به ارمغان بیاورند.

ITER تنها یک نمونه اولیه برای ساخت یک تاسیسات DEMO تمام عیار - اولین راکتور همجوشی تجاری - خواهد بود. راه اندازی آن اکنون برای سال 2044 برنامه ریزی شده است و این هنوز یک پیش بینی خوش بینانه است.

اما برنامه هایی برای مرحله بعدی وجود دارد. یک راکتور ترموهسته ای هیبریدی هم از فروپاشی اتمی (مانند یک نیروگاه هسته ای معمولی) و هم از همجوشی انرژی دریافت می کند. در این پیکربندی، انرژی می تواند 10 برابر بیشتر باشد، اما ایمنی کمتر است. چین امیدوار است تا سال 2030 یک نمونه اولیه بسازد، اما کارشناسان می گویند که این کار مانند تلاش برای ساخت خودروهای هیبریدی قبل از اختراع موتور احتراق داخلی است.

خط پایین

هیچ کمبودی برای افرادی وجود ندارد که بخواهند منبع جدیدی از انرژی را به جهان بیاورند. پروژه ITER با توجه به مقیاس و بودجه آن بیشترین شانس را دارد، اما روش های دیگر و همچنین پروژه های خصوصی نباید تخفیف داده شوند. دانشمندان برای چندین دهه تلاش کرده اند تا واکنش همجوشی را بدون موفقیت انجام دهند. اما اکنون پروژه های بیشتری برای دستیابی به واکنش حرارتی هسته ای نسبت به قبل وجود دارد. حتی اگر هر یک از آنها شکست بخورد، تلاش های جدیدی انجام خواهد شد. بعید است که تا زمانی که یک نسخه مینیاتوری از خورشید را در اینجا روی زمین روشن نکنیم، استراحت کنیم.

برچسب ها: اضافه کردن برچسب