Wir haben bereits über unerwartete und bemerkenswerte Ideen und Entwicklungen auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus der Kernspaltung geschrieben. Und auch darüber, was zu tun ist, wenn mit Kernreaktoren etwas schief geht. Wie Sie wissen, ist Freiheit besser als Nichtfreiheit, und Synthese ist besser als Verfall. Genau das dachten Wissenschaftler vor hundert Jahren, als sie die ersten Schritte unternahmen, um die Kernfusion zu zähmen. In diesem Artikel werden wir kurz beschreiben, was thermonukleare Fusion ist, in welchem Stadium sich wissenschaftliche Entwicklungen befinden und wann es sich lohnt, auf die Einführung einer neuen Methode zur Energieerzeugung zu warten. Denn genau deshalb braucht ihn die Menschheit.
Die Sonne anstarren: Die Geschichte der Entdeckung der Kernfusion
Mit der Entwicklung der Wissenschaft begann sich die Menschheit zu fragen, wie die Sonne funktioniert, warum sie nicht erlischt und weiterhin Wärme und Licht abgibt. In den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts - vor fast hundert Jahren - kam der britische Wissenschaftler Arthur Stanley Eddington auf die Idee des Proton-Proton-Zyklus, dh einer Reihe von thermonuklearen Reaktionen, bei denen Wasserstoff in Sternen zu Helium wird. Und diese Reaktion geht mit der Freisetzung kolossaler Energiemengen einher, die leicht zu spüren sind, wenn man an einem sonnigen Tag einfach nach draußen geht.
Wenig später, bereits in den dreißiger Jahren, entdeckten Wissenschaftler der Universität Cambridge unter der Leitung des Australiers Mark Olyphant als Ergebnis einer Reihe von Experimenten Nukleonen (der gebräuchliche Name für die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht) von Helium-3 und Tritium, die an diesen Reaktionen beteiligt sind, sowie deren deutsches Gegenstück Hans Bethe erhielt den Nobelpreis für Physik für seine Beiträge zur Theorie der Kernreaktionen und insbesondere für seine Entdeckungen bezüglich der Energiequellen in Sternen. Bereits 1946 beschrieben und patentierten Sir George Padget Thomson und Moses Blackman die Idee der Z-Quetschung, dh eines Plasma-Begrenzungssystems unter Verwendung eines Magnetfelds oder einer "Magnetfalle", die die Grundlage für weitere Experimente bildeten, um die ersten Geräte für die kontrollierte thermonukleare Fusion zu schaffen.
Labormagnetfalle, Foto: Sandpiper / Wikimedia Commons
Unendliche Kraft: Vor- und Nachteile sowie Hindernisse für die Implementierung
Gehen wir von der Geschichte zur allgemeinen Theorie über. Kontrollierte thermonukleare Fusion ist der Prozess der Gewinnung schwererer Atomkerne aus leichteren mit dem Ziel (theoretisch), die freigesetzte Energie zur Stromerzeugung zu nutzen. Im Wesentlichen ist es das Gegenteil der Spaltreaktion, die in der traditionellen Kernenergie verwendet wird. Grundsätzlich werden Deuterium und Tritium für die Kernfusionsreaktion (die sogenannte DT-Reaktion) verwendet, obwohl auch Varianten mit Deuterium und Helium-3 zwischen den Deuteriumkernen (DD) und anderen Isotopenkombinationen möglich sind.
An sich interagieren Atomkerne aufgrund der "Coulomb-Barriere", dh der Kräfte der elektrostatischen Abstoßung zwischen ihnen, nicht sehr bereitwillig. Um dies zu überwinden und unter terrestrischen Bedingungen eine Reaktion auszulösen, muss die Substanz auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt werden, und in diesem Fall handelt es sich um Hunderte Millionen Grad. Aus diesem Prozess hat die Kernfusion ihren Namen erhalten. Die Kombination von Deuterium und Tritium erfordert in diesem Fall eine "minimale" Temperatur für den Beginn der Reaktion (dieselben 100 Millionen Grad), so dass sie am häufigsten in Versuchsanlagen verwendet wird.
DT-Fusionsreaktion. Quelle: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Im Verlauf der Reaktion tritt auch eine große Anzahl von Neutronen auf, aber wir werden im Folgenden etwas über ihre Bedeutung sprechen und zunächst versuchen zu erklären, warum die kommerzielle Anwendung dieses Verfahrens den Geist der Menschheit in den letzten 70 Jahren allgemein erregt hat. Die Vorteile einer kontrollierten Kernfusion:
- Vergleichende Verfügbarkeit von Isotopen für die Reaktion. Deuterium kann leicht aus Meerwasser gewonnen werden, dessen Reserven auf der Erde mehr als ausreichend sind. Tritium kommt in der Natur nicht vor, da es eine Halbwertszeit von nur 12,3 Jahren hat. Es wird jedoch aus Lithium-6 und schwerem Wasser aus Kernreaktoren gewonnen, auf die wir in den kommenden Jahren nicht verzichten können.
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Außerdem werden während der Kernfusion keine Substanzen freigesetzt, die später zur Herstellung "schmutziger" Waffen verwendet werden können.
Tokamak JET, Foto: EFDA JET / Wikimedia Commons
Aber warum wurde das Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelte Prinzip der kontrollierten thermonuklearen Fusion noch nicht in die Praxis umgesetzt oder nur als experimentelle Anlagen, die noch nicht mit der Stromerzeugung begonnen haben? Schauen wir uns die Nachteile und Einschränkungen dieses Prozesses an.
Kehren wir zuerst zu unseren Neutronen zurück. Während der Reaktion unter Verwendung von DT wird ein Neutronenfluss gebildet, der die Wände des Reaktorbehälters bombardiert. Infolgedessen haben wir es mit der sogenannten "induzierten" Strahlung zu tun, die die Wartung der Ausrüstung erheblich erschwert und möglicherweise zu deren regelmäßigem Austausch führen wird, da Materialien im Laufe der Zeit durch Neutronenbeschuss nicht nur radioaktiv, sondern auch zerbrechlich werden. Um dieses Problem zu lösen, wird vorgeschlagen, Materialien zu verwenden, die nicht strahlungsempfindlich sind und länger halten, deren Verwendung jedoch die bereits enormen Kosten für den Bau von Kernfusionskraftwerken erhöht. Die Verwendung anderer Wirkstoffe wird ebenfalls in Betracht gezogen, um "neutronenfreie" Reaktionen zu erhalten.Wir haben jedoch bereits oben die Anforderungen an die Dichte und Reaktionstemperatur für sie erörtert.
Selbst bei dem gegenwärtigen Stand der technologischen Entwicklung können Wissenschaftler und Ingenieure nicht sicherstellen, dass der Energieverbrauch für das Erhitzen und Bringen des Stoffes im Reaktor in einen Plasmazustand und das anschließende Aufrechterhalten dieses Zustands trotz des konstanten Wärmeverlusts (sowie des Kühlens des Systems) funktioniert Elektromagnete und andere Teilsysteme) fielen unter die während der Reaktion freigesetzte Energiemenge. Zum Beispiel hat der britische JET-Tokamak ein Verhältnis zwischen ein- und ausgehender Energie von nur 67% erreicht, dh 0,67 Q. Q ist ein Indikator, der das Verhältnis der in einem solchen System verbrauchten und empfangenen Energiemengen ausdrückt und die Fusionsreaktion als selbsttragend betrachtet muss es mindestens 5 und viel höher sein, um Nutzleistung zu erzeugen. Heute gibt es weltweit keine Reaktoren mit einem solchen Wert.
Die letzte Frage ist natürlich die Amortisation und die Kosten. Um eine genaue Nachahmung der Reaktionen innerhalb der Sonne zu erreichen, reicht es nicht aus, nur Tritium und Deuterium zu nehmen und ihnen eine bedingte Übereinstimmung zu bringen. Ein Kernfusionsreaktor ist ein unglaublich komplexes, sperriges und teures Design, das Platz für ein massives Kühlsystem, eine große Anzahl von Elektromagneten verschiedener Typen und sogar für eigene Kraftwerke bietet.
Es wird geschätzt, dass die Baukosten des noch nicht abgeschlossenen experimentellen ITER-Tokamaks (siehe unten) 20 Milliarden US-Dollar überschreiten könnten. Gleichzeitig ist der Reaktor überhaupt nicht für die Stromerzeugung ausgelegt, dh der einzige Gewinn aus dem Betrieb von ITER wird die Erfahrung der gemeinsamen Arbeit von Wissenschaftlern und experimentellen Daten sein.
Praktische Magie: die wichtigsten Bauarten und Meilensteine ihrer Entwicklung
Herkömmlicherweise können Anlagen zur kontrollierten Kernfusion in vier Typen unterteilt werden: Tokamaks, Stellaratoren, Spiegelfallen und Impulssysteme. Anhand ihres Beispiels schlagen wir vor, sowohl die Entwicklung von Ideen zu berücksichtigen, die in Zukunft zur Erzeugung von Elektrizität durch thermonukleare Fusion führen können, als auch "Sackgassen" -Zweige, die aus dem einen oder anderen Grund in den kommenden Jahren (oder nie) nicht über den Rahmen von Theorie und Experimenten hinausgehen werden. ...
TokamakIst eine Abkürzung für "Toroidkammer mit Magnetspulen", wobei diese Kammer das Hauptelement des Reaktors ist, das dazu dient, das Plasma einzuschließen. In diesem Fall werden Magnetspulen, die um die Reaktorkammer gewickelt sind, verwendet, um ein spezielles Feld zu erzeugen, das verhindert, dass das Plasma seine Wände berührt, denen moderne wärmeisolierende Materialien einfach nicht standhalten würden. Gleichzeitig wird ein Strom durch das Plasma selbst geleitet, der sowohl zur Erwärmung als auch zur Erzeugung eines poloidalen Magnetfelds dient. Unter modernen Bedingungen kann dieses Feld nicht länger als einige Sekunden existieren, und ohne es verliert das Plasma seine Stabilität. Daher ist es zu früh, um über die Verwendung von Tokamaks zur kontinuierlichen Stromerzeugung zu sprechen.obwohl es möglich ist, den Strom durch Mikrowellenstrahlung oder durch Injizieren von neutralen Deuterium / Tritium-Atomen in das Plasma für eine längere Zeit aufrechtzuerhalten.
Tokamak KSTAR, Südkorea, Foto: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons
Tokamak-Ideen wurden erstmals in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts in der Sowjetunion beschrieben, und der erste Reaktor dieser Art wurde 1954 am Kurchatov-Institut gebaut. Tokamaks blieben lange Zeit eine rein sowjetische Entwicklung, aber in den 1970er Jahren bestätigten britische Wissenschaftler die Rekordergebnisse der Plasmaerwärmung, die beim sowjetischen T-3-Tokamak erzielt wurden, und interessierten sich für die Technologie auf der ganzen Welt.
Heute gelten Tokamaks als die vielversprechendste Entwicklung, und ihre Anzahl in der Welt übersteigt die Anzahl anderer Arten von Installationen. Unter den Errungenschaften in diesem Bereich ist der chinesische EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, gebaut mit Unterstützung der Russischen Föderation) zu erwähnen, der 2018 eine Plasmatemperatur von 100 Millionen Grad erreichte, der European JET (Joint European Toru), der sich in Großbritannien befindet und als der größte Tokamak in Großbritannien gilt Welt, sowie der bereits oben erwähnte ITER, auf den wir noch näher eingehen werden.
ITER Tokamak-Schaltung. Quelle: Oak Ridge National Laboratory - ITER Tokamak und Pflanzensysteme (2016) / Wikimedia Commons
Die Idee, einen ITER (Internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor, internationaler thermonuklearer experimenteller Reaktor) zu bauen, wurde bereits 1985 bei einem Treffen zwischen Ronald Reagan und Michail Gorbatschow erörtert. Der eigentliche Bau begann jedoch erst 2010. Viele Länder sind an den Arbeiten am Reaktor beteiligt, darunter Japan, die EU-Länder, Russland, die USA, Südkorea, China und Indien. Das Ergebnis des gemeinsamen Projekts wird eine riesige Struktur mit einem Gewicht von 23.000 Tonnen sein, die JET vom Sockel des größten Tokamaks der Welt verdrängt und theoretisch den Q-Wert auf 30 bringen kann.Obwohl sich die Macher von ITER nicht das Ziel gesetzt haben, Strom zu erzeugen, besteht die Aufgabe des Tokamaks darin, endlich die Möglichkeit der thermonuklearen Fusion in diesem Bereich zu beweisen und den "Weg" (so wird der abgekürzte Name des Reaktors aus dem Lateinischen übersetzt) für DEMO, den ersten Tokamak mit einem "positiven" Gleichgewicht, zu ebnen. die erst in der Mitte des 21. Jahrhunderts beginnen wird.
Im ITER-Projekt war Japan für die Entwicklung und Produktion eines der wichtigsten Elemente verantwortlich - supraleitender Spulen, die zur Bildung eines Magnetfelds um die Reaktorkammer erforderlich sind. Insbesondere entwickelt Toshiba eine riesige 16,5-Meter-Ringfeldspule mit einem Gewicht von rund 300 Tonnen. Gleichzeitig müssen für jedes Teil - nur wenige Millimeter - äußerst strenge Maßtoleranzen eingehalten werden, damit die Technologien und Methoden, die bei der Arbeit an japanischen experimentellen Tokamaks, JT-60 und JT-60SA, erfunden wurden, eine große Hilfe darstellen.
Stellaratoren(vom lateinischen stella - "Stern") erhielten ihren Namen aufgrund der Ähnlichkeit der Prozesse im Reaktor mit denen, die innerhalb der Sterne ablaufen. Der erste Prototyp wurde 1951 in den USA unter der Leitung seines Erfinders Lyman Spitzer gebaut. Der Hauptunterschied zwischen Stellaratoren und Tokamaks liegt in der Konstruktion der Magnetfalle: In Stellaratoren werden nur externe Spulen verwendet, um das Plasma in der Kammer einzuschließen, wodurch Kraftlinien entstehen, die sich um die Kammer drehen. Diese Konstruktion ermöglicht theoretisch die Verwendung einer Magnetfalle im kontinuierlichen Modus. In Stellaratoren wie in Tokamaks wird fast immer eine Mischung aus Deuterium und Tritium verwendet, die in das Vakuumgefäß der Kammer eingeführt wird. Moderne Designs haben die torusförmige Kammer zugunsten anspruchsvoller computergenerierter Modelle aufgegeben.Ihr Ziel ist es, die Effizienz der Plasmaeinschließung zu maximieren.
Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
Trotz der Möglichkeit einer kontinuierlichen Exposition gegenüber Plasma und des modifizierten Designs der Kammer sind Stellaratoren nicht so verbreitet wie Tokamaks. Dies ist hauptsächlich auf die größere Komplexität des Designs und die geringere Effizienz unter modernen Bedingungen zurückzuführen. Wendelstein 7-X, 2015 in Greifswald gebaut, wurde zum größten Stellarator der Welt und zu einer Art "Epitaph" für diese Entwicklung. Nach Berechnungen von Wissenschaftlern musste er die Zeit der kontinuierlichen Exposition von Elektromagneten gegenüber Plasma auf 30 Minuten verkürzen, um die Möglichkeit der Verwendung von Stellaratoren zur langfristigen Stromerzeugung zu demonstrieren. Darüber hinaus wurde 2018 während des Experiments die Plasmatemperatur nur auf 40.000 Grad Celsius erhöht und die Betriebszeit auf 100 Sekunden gebracht. Die nächsten Tests sind für 2021 geplant.
- Diese Art der kontrollierten thermonuklearen Fusionsanlage bleibt weitgehend eine theoretische Entwicklung. Sogar der Akademiker Andrei Sacharow bewies 1960, dass eine thermonukleare Fusion ohne die Verwendung von Magnetfallen möglich ist, und schlug das Gegenteil des klassischen Ansatzes vor. In diesem Fall handelt es sich nicht um ein superverdünntes Plasma, das lange Zeit von elektromagnetischen Feldern an Ort und Stelle gehalten wird, sondern um seine superdichte (und extrem kurzlebige) Version. Es wird vorgeschlagen, Miniatur- "Ziele" mit einer gefrorenen DT-Zusammensetzung in gepulsten Systemen unter Verwendung leistungsfähiger Laser oder Strahlungsstrahlen zu detonieren, um eine Art Analogon von Kraftstoffexplosionen in Benzinmotoren nur auf der Ebene thermonuklearer Reaktionen zu erzielen. Ein solches System mit periodischen Explosionen kann eine nahezu kontinuierliche Kette von thermonuklearen Reaktionen liefern, die Energie erzeugen.während (theoretisch) ohne die Reaktorhülle zu beschädigen.
NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
Unter den bestehenden Entwicklungen in diesem Bereich sind das MagLIF-Projekt und die NIF (National Ignition Facility oder National Complex for Laser Thermonuclear Reactions) des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien zu erwähnen. Trotz des anhaltenden Potenzials dieser Idee plante die US-Regierung 2012, die Finanzierung des Programms aufgrund spärlicher praktischer Ergebnisse einzustellen. Bis heute werden die Experimente fortgesetzt, aber die Komplexität der "Ziele" selbst und die Notwendigkeit, sie regelmäßig in die Kammer zu bringen, in der dann eine Explosion auftritt, die einer Tonne TNT entspricht, lassen diese Art der Installation in Bezug auf die Praktikabilität weit hinter Tokamaks und Stellaratoren zurück.
Spiegelfallen- Das erste Experiment mit "offenen" Magnetfallen wurde bereits 1955 im selben Lawrence Livermore National Laboratory durchgeführt. Die Idee hinter den Fallen war, keinen geschlossenen Torus zu verwenden, sondern ein längliches Magnetgefäß, das an zwei gegenüberliegenden Enden offen ist. In diesem Fall musste sich das "neue" Plasma auf die erforderliche Temperatur erwärmen, Energie abgeben und durch die Seitenlöcher austreten (oder durch das Magnetfeld wie von Spiegeln zurückgeworfen werden - daher der Name). Dank dieser Form und dieses Mechanismus waren ihre Kosten viel niedriger als die von Konkurrenzdesigns, so dass Spiegelfallen für eine Weile eine äußerst vielversprechende Entwicklung zu sein schienen. Im Laufe der Zeit waren die Experimentatoren jedoch mit einer Plasmainstabilität konfrontiert, die zum Zeitpunkt des Beginns der Entwicklung kaum verstanden wurde.Dies führte zu Problemen und der Unmöglichkeit, die für die Kernfusion erforderlichen Temperaturen zu erreichen. In der Folge wurde das Design wiederholt geändert, aber die ehrgeizige amerikanische MFTF-Installation wurde beispielsweise bereits vor Beginn der Testläufe geschlossen, da die Tokamaks letztendlich einfacher, leistungsfähiger und billiger waren.
Von den interessanten Entwicklungen dieser Art ist die russische GDL (Gas Dynamic Trap) aus Nowosibirsk zu erwähnen, die auf der Grundlage des sowjetischen Projekts der 50er Jahre, der "offenen" Falle "Budkers Spiegelzelle", erstellt wird. Ab 2018 gelang es Wissenschaftlern des Nowosibirsker Instituts für Kernphysik des SB RAS, eine Temperatur von 10 Millionen Grad zu erreichen, und 2020 erhielten sie vom Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation einen Zuschuss für den Kauf neuer Geräte zur Fortsetzung der Experimente.
Schönes Morgen: statt Schlussfolgerungen
Unter den Wissenschaftlern, die sich mit den Problemen der Kernfusion befassen, gibt es einen Scherz, der besagt, dass "nur noch 30 Jahre bis zum Erfolg der Forschung und dem Beginn der kommerziellen Nutzung von Reaktoren übrig sind", und sie haben auf diese Weise seit mehr als einem Dutzend Jahren geantwortet (Stabilität!). Trotzdem werden sich die Technologien weiterentwickeln, und die Menschheit wird nach Wegen suchen, um die Kernfusion zu "zähmen" und eine künstliche Miniatursonne zu schaffen, die unseren Strombedarf decken kann, ohne das Risiko einer Wiederholung der Tschernobyl-Katastrophe und ohne dauerhaften Schaden für die Ökologie des Planeten. Diese Forschung kann direkt von Entwicklungen wie ITER beeinflusst werden, und wir freuen uns, dass Japan und Toshiba direkt beteiligt sind. Und was als nächstes passieren wird ... wir werden in 30 Jahren sehen.