Pojawienie się reaktora termojądrowego oczekiwano od ponad pół wieku. Oczekiwania są tak przegrzane, że powstała bardzo popularna teoria spiskowa, jakby faktycznie została wymyślona dawno temu, ale magnaci naftowi ukrywają wynalazek przed masami, aby nie stracić superprofitów. Jak każda teoria spiskowa, taka teoria nie wytrzymuje krytyki i pozostaje tematem prozy detektywistycznej. Jednak zrozumienie tego nie neguje głównego pytania: kiedy opanujemy energię termojądrową?
„SŁONECZNY BOSTER”
Reakcja termojądrowa (lub reakcja fuzji jądrowej), w której lżejsze jądra są łączone w cięższe, została opisana przez fizyków w latach 1910-tych. I po raz pierwszy zaobserwował go angielski naukowiec Ernst Rutherford. W 1919 roku wypchnął hel z azotem z dużą prędkością, aby wyprodukować wodór i ciężki tlen. Pięć lat później Rutherford z powodzeniem ukończył syntezę superciężkiego wodoru trytu z ciężkich jąder wodoru deuteru. Mniej więcej w tym samym czasie astrofizyk Arthur Eddington wysunął odważną hipotezę, że gwiazdy płoną z powodu przebiegu reakcji termojądrowych w ich jelitach. W 1937 roku amerykański naukowiec Hans Bethe był w stanie udowodnić występowanie reakcji termojądrowych na Słońcu - dlatego Eddington miał rację.
Pomysł odtworzenia "ognia słonecznego" na Ziemi należał do japońskiego fizyka Tokutaro Hagiwary, który w 1941 r. Zasugerował możliwość zainicjowania reakcji termojądrowej między jądrami wodoru za pomocą wybuchowej reakcji łańcuchowej rozszczepienia uranu - czyli wybuch atomowy powinien stworzyć warunki (ultrawysoka temperatura i ciśnienie) rozpocząć syntezę termojądrową. Nieco później na ten sam pomysł wpadł Enrico Fermi, który brał udział w tworzeniu amerykańskiej bomby atomowej. W 1946 roku pod kierownictwem Edwarda Tellera rozpoczęto w Los Alamos Laboratory projekt badawczy dotyczący wykorzystania energii termojądrowej.
Pierwsze urządzenie termojądrowe zostało zdetonowane przez wojsko USA 1 listopada 1952 r. Na atolu Enewetok na Oceanie Spokojnym. Podobny eksperyment przeprowadziliśmy w 1953 roku. Tak więc ludzkość używa syntezy termojądrowej od ponad sześćdziesięciu lat, ale tylko do destrukcyjnych celów. Dlaczego nie możesz go używać bardziej racjonalnie?
MISTRZOWIE PLAZMY
Film promocyjny:
Z punktu widzenia energii optymalna temperatura plazmy dla reakcji termojądrowej wynosi 100 milionów stopni. Jest to kilkakrotnie wyższa niż temperatura we wnętrzu Słońca. Jak być?
Fizycy zaproponowali trzymanie plazmy w „pułapce magnetycznej”. We wczesnych latach pięćdziesiątych Andrei Sacharow i Igor Tamm obliczyli konfigurację pól magnetycznych zdolnych do ściskania plazmy w cienkie włókno i zapobiegania jej spadaniu na ściany komory. To na podstawie zaproponowanego przez nich schematu powstało wiele tokamaków.
Uważa się, że termin „TOKAMAK” powstał jako skrót wyrażenia „TOroidalna kamera z cewkami magnetycznymi”. Głównym elementem projektu są rzeczywiście cewki, które wytwarzają silne pole magnetyczne. Komora robocza tokamaka jest wypełniona gazem. W wyniku rozpadu pod działaniem pola wirowego następuje wzmożona jonizacja gazu w komorze, która zamienia go w plazmę. Tworzy się włókno plazmowe, które porusza się wzdłuż komory toroidalnej i jest ogrzewane podłużnym prądem elektrycznym. Pola magnetyczne utrzymują sznurek w równowadze i nadają mu kształt, który zapobiega dotykaniu ścian i ich spalaniu.
Do tej pory temperatura plazmy w tokamakach osiągnęła 520 milionów stopni. Jednak rozgrzewka to początek podróży. Tokamak nie jest elektrownią - wręcz przeciwnie, zużywa energię, nie dając nic w zamian. Elektrownię termojądrową należy budować na innych zasadach.
Przede wszystkim fizycy zdecydowali o paliwie. Niemal idealną dla reaktora energetycznego jest reakcja polegająca na fuzji jąder izotopów wodoru - deuteru i trytu (D + T), w wyniku której powstaje jądro helu-4 i neutron. Zwykła woda będzie służyć jako źródło deuteru, a tryt będzie otrzymywany z litu napromieniowanego neutronami.
Następnie plazmę należy podgrzać do 100 milionów stopni i mocno skompresować, utrzymując w tym stanie przez długi czas. Z punktu widzenia projektowania technicznego jest to niezwykle złożone i kosztowne zadanie. To złożoność i wysokie koszty powstrzymywały rozwój tego kierunku energii przez długi czas. Firma nie była gotowa sfinansować tak dużego projektu, dopóki nie pojawiła się pewność co do jego sukcesu.
DROGA DO PRZYSZŁOŚCI
Związek Radziecki, w którym budowano unikalne tokamaki, przestał istnieć, ale idea opanowania energii termojądrowej nie umarła, a kraje wiodące zdały sobie sprawę, że problem można rozwiązać tylko wspólnie.
A teraz pierwszy eksperymentalny reaktor termojądrowy dla energetyki powstaje dziś we wsi Cadarache, w południowo-wschodniej Francji, w pobliżu miasta Aix-en-Provence. W realizacji tego wielkiego projektu uczestniczą Rosja, USA, Unia Europejska, Japonia, Chiny, Korea Południowa, Indie i Kazachstan.
Ściśle mówiąc, obiekt, który ma powstać w Cadarache nadal nie będzie mógł funkcjonować jako elektrownia termojądrowa, ale może to przybliżyć swój czas. To nie przypadek, że nazwano go ITER - skrót ten oznacza Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy, ale ma też znaczenie symboliczne: po łacinie iter to droga, ścieżka. Tym samym reaktor Cadarash powinien utorować drogę dla energii termojądrowej przyszłości, która zapewni ludzkości przetrwanie po wyczerpaniu się paliw kopalnych.
ITER będzie miał następującą strukturę. W jego centralnej części znajduje się komora toroidalna o objętości ok. 2000 m3, wypełniona plazmą trytowo-deuterową nagrzaną do temperatury powyżej 100 mln stopni. Neutrony powstałe podczas reakcji fuzji opuszczają „butelkę magnetyczną” i przez „pierwszą ścianę” wchodzą do wolnej przestrzeni o grubości około metra. Wewnątrz płaszcza neutrony zderzają się z atomami litu, powodując reakcję z utworzeniem trytu, który będzie produkowany nie tylko dla ITER, ale także dla innych reaktorów, jeśli zostaną zbudowane. W tym przypadku „pierwsza ściana” jest podgrzewana neutronami do 400 ºC. Uwolnione ciepło, podobnie jak w konwencjonalnych stacjach, jest pobierane przez pierwotny obieg chłodzenia z czynnikiem chłodzącym (zawierającym np. Wodę lub hel) i przekazywane do obiegu wtórnego, w którym wytwarzana jest para wodnachodzenie do turbin wytwarzających energię elektryczną.
Instalacja ITER to naprawdę mega-maszyna. Jego waga wynosi 19 000 ton, promień wewnętrzny komory toroidalnej 2 metry, promień zewnętrzny ponad 6 metrów. Budowa już idzie pełną parą, ale nikt nie jest pewien, kiedy pierwsza dodatnia energia uzyskana zostanie na instalacji. Jednak ITER planuje wyprodukować 200 000 kWh, co odpowiada energii zawartej w 70 tonach węgla. Wymagana ilość litu zawarta jest w jednej mini-baterii do komputera, a ilość deuteru zawarta jest w 45 litrach wody. I będzie to absolutnie czysta energia.
Jednocześnie deuter powinien wystarczyć na miliony lat, a zapasy łatwo wydobywanego litu są wystarczające, aby zaspokoić jego zapotrzebowanie na setki lat. Nawet jeśli skończą się zapasy litu w skałach, fizycy będą mogli wydobyć go z wody morskiej.
ITER na pewno zostanie zbudowany. I oczywiście cieszę się, że nasz kraj bierze udział w tym projekcie przyszłości. Tylko rosyjscy specjaliści mają wieloletnie doświadczenie w tworzeniu dużych magnesów nadprzewodzących, bez których niemożliwe jest utrzymanie plazmy we włóknie: dzięki tokamakom!
Anton Pervushin