Термоядерні реактори у світі. Перший термоядерний реактор

Термоядерні реактори у світі. Перший термоядерний реактор


Сьогодні багато країн беруть участь у термоядерних дослідженнях. Лідерами є Європейський союз, США, Росія і Японія, а програми Китаю, Бразилії, Канади і Кореї стрімко нарощуються. Спочатку термоядерні реактори в США і СРСР були пов'язані з розробкою ядерної зброї і залишалися засекреченими до конференції «Атоми для світу», яка відбулася в Женеві 1958 року. Після створення радянського токамака дослідження ядерного синтезу в 1970 роки стали «великою наукою». Але вартість і складність пристроїв збільшувалася до точки, коли міжнародне співробітництво стало єдиною можливістю просуватися вперед.

Термоядерні реактори у світі

Починаючи з 1970 років, початок комерційного використання енергії синтезу постійно відсувався на 40 років. Однак в останні роки сталося багато чого, завдяки чому цей термін може бути скорочений.

Побудовано кілька токамаків, у тому числі європейський JET, британський MAST і експериментальний термоядерний реактор TFTR у Прінстоні, США. Міжнародний проект ITER в даний час знаходиться в стадії будівництва в Кадараші, Франція. Він стане найбільшим токамаком, коли запрацює в 2020 роках. У 2030 р. в Китаї буде побудований CFETR, який перевершить ITER. Тим часом КНР проводить дослідження на експериментальному надпровідному токамаці EAST.

Термоядерні реактори іншого типу - стелатори - також популярні у дослідників. Один з найбільших, LHD, почав роботу в японському Національному інституті термоядерного синтезу в 1998 році. Він використовується для пошуку найкращої магнітної конфігурації утримання плазми. Німецький Інститут Макса Планка в період з 1988 по 2002 рік проводив дослідження на реакторі Wendelstein 7-AS в Гархінгу, а в даний час - на Wendelstein 7-X, будівництво якого тривало більше 19 років. Інший стеларатор TJII експлуатується в Мадриді, Іспанія. У США Принстонська лабораторія фізики плазми (PPPL), де побудували перший термоядерний реактор цього типу 1951 року, 2008 року зупинила будівництво NCSX через перевитрати коштів і відсутність фінансування.

Крім того, досягнуто значних успіхів у дослідженнях інерціального термоядерного синтезу. Будівництво National Ignition Facility (NIF) вартістю 7 млрд $ в Ліверморській національній лабораторії (LLNL), що фінансується Національною адміністрацією з ядерної безпеки, було завершено в березні 2009 р. Французький Laser Mégajoule (LMJ) почав роботу в жовтні Термоядерні реактори використовують доставлені лазерами протягом декількох мільярдних часток секунди близько 2 млн джоулів світлової енергії в ціль розміром в кілька міліметрів для запуску реакції ядерного синтезу. Основним завданням NIF і LMJ є дослідження з підтримки національних військових ядерних програм.

ITER

У 1985 р. Радянський Союз запропонував побудувати токамак наступного покоління спільно з Європою, Японією і США. Робота велася під егідою МАГАТЕ. У період з 1988 по 1990 рік були створені перші проекти Міжнародного термоядерного експериментального реактора ITER, що також означає «шлях» або «подорож» латиною, з метою довести, що синтез може виробляти більше енергії, ніж поглинати. Канада і Казахстан також взяли участь за посередництва Євратому і Росії відповідно.

Через 6 років рада ITER схвалила перший комплексний проект реактора на основі усталеної фізики і технології вартістю 6 млрд $. Тоді США вийшли з консорціуму, що змусило вдвічі скоротити витрати і змінити проект. Результатом став ITER-FEAT вартістю 3 млрд дол., але дозволяє досягти самопідтримуючої реакції і позитивного балансу потужності.

У 2003 р. США знову приєдналися до консорціуму, а Китай оголосив про своє бажання в ньому брати участь. У результаті в середині 2005 року партнери домовилися про будівництво ITER у Кадараші на півдні Франції. ЄС і Франція вносили половину від 12,8 млрд євро, а Японія, Китай, Південна Корея, США і Росія - по 10% кожен. Японія надавала високотехнологічні компоненти, містила установку IFMIF вартістю 1 млрд євро, призначену для випробування матеріалів, і мала право на зведення наступного тестового реактора. Загальна вартість ITER включає половину витрат на 10-річне будівництво і половину - на 20 років експлуатації. Індія стала сьомим членом ІТЕР в кінці 2005 р.

Експерименти повинні початися в 2018 р. з використанням водню, щоб уникнути активації магнітів. Використання D-T плазми не очікується раніше 2026 р.

Мета ITER - виробити 500 МВт (хоча б протягом 400 с), використовуючи менше 50 МВт вхідної потужності без генерації електроенергії.

Двогігаваттна демонстраційна електростанція Demo буде виробляти великомасштабне виробництво електроенергії на постійній основі. Концептуальний дизайн Demo завершать до 2017 року, а його будівництво почнеться 2024 року. Пуск відбудеться в 2033 році.

JET

У 1978 р. ЄС (Євратом, Швеція і Швейцарія) почали спільний європейський проект JET у Великобританії. JET сьогодні є найбільшим працюючим токамаком у світі. Подібний реактор JT-60 працює в японському Національному інституті термоядерного синтезу, але тільки JET може використовувати дейтерій-тритієве паливо.

Реактор був запущений в 1983 році, і став першим експериментом, в результаті якого в листопаді 1991 року був проведений керований термоядерний синтез потужністю до 16 МВт протягом однієї секунди і 5 МВт стабільної потужності на дейтерій-тритієвій плазмі. Було проведено безліч експериментів з метою вивчення різних схем нагріву та інших технік.

Подальші удосконалення JET стосуються підвищення його потужності. Компактний реактор MAST розробляється разом з JET і є частиною проекту ITER.

K-STAR

K-STAR - корейський надпровідний токамак Національного інституту термоядерних досліджень (NFRI) в Теджоні, який виробив свою першу плазму в середині 2008 року. Це пілотний проект ITER, що є результатом міжнародного співробітництва. Токамак радіусом 1,8 м - перший реактор, що використовує надпровідні магніти Nb3Sn, такі ж, які планується використовувати в ITER. В ході першого етапу, що завершився до 2012 року, K-STAR повинен був довести життєздатність базових технологій і досягти плазмових імпульсів тривалістю до 20 с. На другому етапі (2013-2017) проводиться його модернізація для вивчення довгих імпульсів до 300 з в режимі H і переходу до високопродуктивного AT-режиму. Метою третьої фази (2018-2023) є досягнення високої продуктивності та ефективності в режимі тривалих імпульсів. На 4 етапі (2023-2025) будуть випробовуватися технології DEMO. Пристрій не здатний працювати з триттям і D-T паливо не використовує.

K-DEMO

Розроблений у співпраці з Прінстонською лабораторією фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США і південно-корейським інститутом NFRI, K-DEMO повинен стати наступним кроком на шляху створення комерційних реакторів після ITER, і буде першою електростанцією, здатною генерувати потужність в електричну Його діаметр складе 6,65 м, і він буде мати модуль зони відтворення, створюваний в рамках проекту DEMO. Міністерство освіти, науки і технологій Кореї планує інвестувати в нього близько трильйона корейських вон (941 млн $).

EAST

Китайський експериментальний вдосконалений надпровідний токамак (EAST) в Інституті фізики Китаю в Хефеї створив водневу плазму температурою 50 млн ° C і утримував її протягом 102 с.

TFTR

В американській лабораторії PPPL експериментальний термоядерний реактор TFTR працював з 1982 по 1997 роки. У грудні 1993 р. TFTR став першим магнітним токамаком, на якому проводилися великі експерименти з плазмою з дейтерій-тритія. У наступному році реактор справив рекордні в той час 10,7 МВт керованої потужності, а в 1995 році був досягнутий рекорд температури іонізованого газу в 510 млн ° C. Однак установка не досягла мети беззбитковості енергії термоядерного синтезу, але з успіхом виконала цілі проектування апаратних засобів, зробивши значний внесок у розвиток ITER.

LHD

LHD в японському Національному інституті термоядерного синтезу в Токі, префектура Гіфу, був найбільшим стеларатором у світі. Запуск термоядерного реактора відбувся в 1998 р., і він продемонстрував якості утримання плазми, порівнянні з іншими великими установками. Була досягнута температура іонів 13,5 кеВ (близько 160 млн ° C) і енергія 1,44 МДж.

Wendelstein 7-X

Після року випробувань, що почалися в кінці 2015 року, температура гелію на короткий час досягла 1 млн ° C. У 2016 р. термоядерний реактор з водневою плазмою, використовуючи 2 МВт потужності, досяг температури 80 млн ° C протягом чверті секунди. W7-X є найбільшим стеларатором у світі і планується його безперервна робота протягом 30 хвилин. Вартість реактора склала 1 млрд.

NIF

National Ignition Facility (NIF) у Ліверморській національній лабораторії (LLNL) завершили в березні 2009 року. Використовуючи свої 192 лазерних променів, NIF здатний сконцентрувати в 60 разів більше енергії, ніж будь-яка попередня лазерна система.

Холодний ядерний синтез

У березні 1989 року два дослідники, американець Стенлі Понс і британець Мартін Флейшман, заявили, що вони запустили простий настільний холодний термоядерний реактор, який працює при кімнатній температурі. Процес полягав в електролізі важкої води з використанням палладієвих електродів, на яких ядра дейтерія концентрувалися з високою щільністю. Дослідники стверджують, що вироблялося тепло, яке можна було пояснити тільки з точки зору ядерних процесів, а також були побічні продукти синтезу, включаючи гелій, тритій і нейтрони. Однак іншим експериментаторам не вдалося повторити цей досвід. Велика частина наукової спільноти не вважає, що холодні термоядерні реактори реальні.

Низькоенергетичні ядерні реакції

Ініційовані претензіями на «холодний термоядерний синтез», дослідження продовжилися в області низькоенергетичних ядерних реакцій, що мають деяку емпіричну підтримку, але не загальноприйняте наукове пояснення. Мабуть, для створення і захоплення нейтронів використовуються слабкі ядерні взаємодії (а не потужна сила, як при поділі ядер або їх синтезі). Експерименти включають проникнення водню або дейтерію через каталітичний шар і реакцію з металом. Дослідники повідомляють про спостережуване вивільнення енергії. Основним практичним прикладом є взаємодія водню з порошком нікелю з виділенням тепла, кількість якого більша, ніж може дати будь-яка хімічна реакція.