A sloučení?

Zprávy z konce loňského roku o stavbě reaktoru na syntézu čínskými specialisty zněly senzačně (1). Čínská státní média uvedla, že zařízení HL-2M, které se nachází ve výzkumném centru v Čcheng-tu, bude v provozu v roce 2020. Tón zpráv v médiích naznačoval, že otázka přístupu k nevyčerpatelné energii termojaderné fúze je navždy vyřešena.

Bližší pohled na detaily pomáhá zchladit optimismus.

Nový zařízení typu tokamak, s pokročilejším designem, než jaké jsou dosud známé, by měl generovat plazma s teplotami nad 200 milionů stupňů Celsia. V tiskové zprávě to oznámil šéf Jihozápadního fyzikálního institutu Čínské národní jaderné korporace Duan Xiuru. Zařízení bude poskytovat technickou podporu Číňanům pracujícím na projektu Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor (ITER)stejně jako stavebnictví.

Takže si myslím, že to ještě není energetická revoluce, i když ji vytvořili Číňané. reaktor KhL-2M zatím se ví jen málo. Nevíme, jaký je předpokládaný tepelný výkon tohoto reaktoru nebo jaké úrovně energie jsou potřebné k tomu, aby v něm proběhla reakce jaderné fúze. Nevíme to nejdůležitější – je čínský fúzní reaktor konstrukce s pozitivní energetickou bilancí, nebo je to jen další experimentální fúzní reaktor, který umožňuje fúzní reakci, ale zároveň vyžaduje více energie na „zapálení“ než energie, kterou lze získat v důsledku reakcí.

Mezinárodní úsilí

Čína spolu s Evropskou unií, Spojenými státy, Indií, Japonskem, Jižní Koreou a Ruskem jsou členy programu ITER. Jedná se o nejdražší ze současných mezinárodních výzkumných projektů financovaných výše uvedenými zeměmi, stojí kolem 20 miliard USD. Byl otevřen jako výsledek spolupráce mezi vládami Michaila Gorbačova a Ronalda Reagana v době studené války a o mnoho let později byl zahrnut do smlouvy podepsané všemi těmito zeměmi v roce 2006.

2. Na staveništi tokamaku ITER

Projekt ITER v Cadarache v jižní Francii (2) vyvíjí největší tokamak na světě, tedy plazmovou komoru, která musí být zkrocena pomocí silného magnetického pole generovaného elektromagnety. Tento vynález byl vyvinut Sovětským svazem v 50. a 60. letech. Projektový manažer, Lavan Koblenz, oznámil, že organizace by měla obdržet „první plazmu“ do prosince 2025. ITER by měl pokaždé podpořit termonukleární reakci pro zhruba 1 tisíc lidí. sekund, nabírá na síle 500-1100 MW. Pro srovnání, dosud největší britský tokamak, PROUD (společný evropský torus), udrží reakci několik desítek sekund a nabere na síle až 16 MW. Energie v tomto reaktoru se bude uvolňovat ve formě tepla - nepředpokládá se přeměna na elektřinu. Dodávka energie z jaderné syntézy do sítě nepřipadá v úvahu, protože projekt je určen pouze pro výzkumné účely. Teprve na základě ITER bude postavena budoucí generace termonukleárních reaktorů, která dosáhne výkonu 3-4 tisíce. MW.

Hlavním důvodem, proč normální fúzní elektrárny stále neexistují (i přes šedesát let rozsáhlého a nákladného výzkumu), je obtížnost kontroly a „řízení“ chování plazmatu. Roky experimentování však přinesly mnoho cenných objevů a dnes se zdá, že fúzní energie je blíže než kdy jindy.

Přidejte helium-3, zamíchejte a zahřejte

ITER je hlavním zaměřením globálního výzkumu fúze, ale mnoho výzkumných center, společností a vojenských laboratoří pracuje také na dalších projektech fúze, které se odchylují od klasického přístupu.

Například provedený v posledních letech na z Massachusetts Institute of Technology experimentuje s Helma-3 na tokamaku dal vzrušující výsledky, včetně desetinásobný nárůst energie plazmový iont. Vědci provádějící experimenty na tokamaku C-Mod na Massachusetts Institute of Technology společně se specialisty z Belgie a Spojeného království vyvinuli nový typ termonukleárního paliva obsahujícího tři typy iontů. tým Alcator C-Mod (3) provedli studii již v září 2016, ale data z těchto experimentů byla analyzována teprve nedávno a odhalila obrovský nárůst plazmové energie. Výsledky byly tak povzbudivé, že se vědci provozující největší světovou provozní fúzní laboratoř JET ve Velké Británii rozhodli experimenty zopakovat. Bylo dosaženo stejného nárůstu energie. Výsledky studie jsou publikovány v časopise Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod v provozu

Klíčem ke zvýšení účinnosti jaderného paliva bylo přidání stopového množství helia-3, stabilního izotopu helia, s jedním neutronem místo dvou. Jaderné palivo používané v metodě Alcator C dříve obsahovalo pouze dva typy iontů, deuterium a vodík. Deuterium, stabilní izotop vodíku s neutronem v jádře (na rozdíl od vodíku bez neutronů), tvoří asi 95 % paliva. Vědci z Plasma Research Center a Massachusetts Institute of Technology (PSFC) použili proces tzv. RF ohřev. Antény vedle tokamaku využívají k excitaci částic specifickou rádiovou frekvenci a vlny jsou kalibrovány tak, aby „zamířily“ na vodíkové ionty. Protože vodík tvoří nepatrný zlomek celkové hustoty paliva, koncentrace pouze malého zlomku iontů při zahřívání umožňuje dosažení extrémních úrovní energie. Stimulované vodíkové ionty dále přecházejí na deuteriové ionty převažující ve směsi a takto vytvořené částice vstupují do vnějšího pláště reaktoru a uvolňují teplo.

Účinnost tohoto procesu se zvyšuje, když se do směsi přidají ionty helia-3 v množství menším než 1 %. Soustředěním veškerého rádiového ohřevu na malé množství hélia-3 vědci zvýšili energii iontů na megaelektronvolty (MeV).

Kdo dřív přijde, ten dřív mele Ekvivalent v ruštině: Jíst pozdního hosta a kosti

Ve světě práce s řízenou fúzí došlo za posledních několik let k mnoha vývojům, které znovu rozdmýchaly naděje vědců a nás všech, že konečně dosáhneme „Svatého grálu“ energie.

Mezi dobré signály patří mimo jiné objevy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) amerického ministerstva energetiky (DOE). Rádiové vlny se s velkým úspěchem používají k výraznému snížení takzvaných plazmatických poruch, které mohou být klíčové v procesu „oblékání“ termonukleárních reakcí. Stejný výzkumný tým v březnu 2019 oznámil experiment s lithiovým tokamakem, ve kterém byly vnitřní stěny testovacího reaktoru potaženy lithiem, což je materiál dobře známý z baterií běžně používaných v elektronice. Vědci poznamenali, že lithiová výstelka na stěnách reaktoru pohlcuje rozptýlené částice plazmatu, což zabraňuje jejich odrazu zpět do plazmového oblaku a rušení termonukleárních reakcí.

4. Vizualizační projekt TAE Technologies

Učenci z významných renomovaných vědeckých institucí se dokonce ve svých prohlášeních stali opatrnými optimisty. V poslední době také došlo k obrovskému nárůstu zájmu o techniky řízené fúze v soukromém sektoru. V roce 2018 společnost Lockheed Martin oznámila plán na vývoj prototypu kompaktního fúzního reaktoru (CFR) během příštího desetiletí. Pokud technologie, na které společnost pracuje, bude fungovat, zařízení o velikosti nákladního auta bude schopno poskytnout dostatek elektřiny pro potřeby zařízení o rozloze 100 XNUMX čtverečních stop. obyvatelé města.

Další společnosti a výzkumná centra soutěží o to, kdo postaví první skutečný fúzní reaktor, včetně TAE Technologies a Massachusettského technologického institutu. Dokonce i Jeff Bezos z Amazonu a Bill Gates z Microsoftu se nedávno zapojili do projektů fúzí. NBC News nedávno napočítalo sedmnáct malých společností zabývajících se výhradně fúzí v USA. Startupy jako General Fusion nebo Commonwealth Fusion Systems se zaměřují na menší reaktory založené na inovativních supravodičech.

Koncept „studené fúze“ a alternativy k velkým reaktorům, nejen tokamakům, ale i tzv. stelarátory, s mírně odlišným designem, postaveným mimo jiné v Německu. Pokračuje také hledání jiného přístupu. Příkladem toho je zařízení tzv Z-štípnutí, postavili vědci z University of Washington a popsali v jednom z posledních čísel časopisu Physics World. Z-pinch funguje tak, že zachytí a stlačí plazmu v silném magnetickém poli. V experimentu bylo možné stabilizovat plazma po dobu 16 mikrosekund a fúzní reakce probíhala asi třetinu této doby. Demonstrace měla ukázat, že syntéza v malém měřítku je možná, ačkoli o tom mnoho vědců stále vážně pochybuje.

Kalifornská společnost TAE Technologies zase díky podpoře Googlu a dalších investorů do pokročilých technologií využívá jiné, než pro fúzní experimenty typické, borová palivová směs, které sloužily k vývoji menších a levnějších reaktorů, zpočátku za účelem tzv. fúzního raketového motoru. Prototyp válcového fúzního reaktoru (4) s protipaprsky (CBFR), které ohřívají plynný vodík za vzniku dvou plazmových prstenců. Spojují se se svazky inertních částic a jsou udržovány v takovém stavu, který by měl zvýšit energii a trvanlivost plazmatu.

Další fúzní startup General Fusion z kanadské provincie Britská Kolumbie se těší podpoře samotného Jeffa Bezose. Jednoduše řečeno, jeho koncept spočívá v vstřikování horké plazmy do koule tekutého kovu (směs lithia a olova) uvnitř ocelové koule, načež je plazma stlačováno písty, podobně jako u dieselového motoru. Vytvořený tlak by měl vést k fúzi, která uvolní obrovské množství energie pro pohon turbín nového typu elektrárny. Mike Delage, technologický ředitel společnosti General Fusion, říká, že komerční jaderná fúze by mohla začít za deset let.

5. Ilustrace z termonukleárního patentu amerického námořnictva.

Nedávno také americké námořnictvo podalo patent na „zařízení pro fúzi plazmatu“. Patent hovoří o magnetických polích k vytvoření „zrychlené vibrace“ (5). Cílem je postavit fúzní reaktory dostatečně malé, aby byly přenosné. Netřeba dodávat, že tato patentová přihláška se setkala se skepsí.