So sah der im Bau befindliche ITER-Komplex im Februar 2020 aus. ITER könnte die erste Installation sein, die es ermöglicht, "brennendes" oder autarkes thermonukleares Plasma zu erhalten. Diese im Bau befindliche Anlage wird einen thermonuklearen Tokamak und seine Unterstützungssysteme beherbergen. Foto aus dem ITER-Archiv
Habré ignorierte die Nachrichten nichtdass China einen neuen Tokamak auf den Markt gebracht hat, den HL-2M Tokamak. Diese Nachricht ist besonders interessant, weil sie die Erinnerung an den traurigen Langzeitbau unseres Jahrhunderts auffrischt - den zukünftigen thermonuklearen Reaktor ITER, der von den Streitkräften ganz Europas in Südfrankreich gebaut wird und das erste Gerät dieser Art sein sollte, das mehr Energie produzieren könnte, als es selbst verbraucht. Trotzdem stellen wir mit Bedauern fest, dass sowohl HL-2M als auch ITER bedrückend weit von einem vollwertigen Kernkraftwerk entfernt sind.
Wir werden nicht auf die Details des Tokamak-Geräts und des ITER selbst eingehen - diese Themen werden in allen möglichen Quellen ausführlich behandelt, beispielsweise in den oben genannten Habron-Nachrichten. Unter dem Schnitt werden wir darüber sprechen, welchen Pfad ITER vor uns öffnet (übersetzt aus dem Lateinischen „iter“ bedeutet „Pfad“) und warum sich herausstellte, dass sich dieser Pfad wie die Acht eines Stellarators verdreht.
Start
Man kann sagen, dass alles in den 1920er Jahren begann, als Arthur Eddington vorschlug, dass Sonne und Sterne durch die Umwandlung von Wasserstoff in Helium verbrennen könnten. Diese Idee wurde schnell von Journalisten und Science-Fiction-Autoren aufgegriffen, die glaubten, dass es nicht schwierig sein würde, die Energie der Sonne zu nutzen, und das gewöhnlichste Wasser könnte der Rohstoff für den Brennstoff eines solchen Reaktors werden.
Wie Sie wissen, ist eine thermonukleare Reaktion einer nuklearen physikalisch entgegengesetzt. Wenn sich während einer Kernreaktion ein schwerer Kern in leichtere spaltet, verschmelzen während einer thermonuklearen Reaktion die leichten Kerne zu etwas schwereren. Die bekannteste Kernreaktion ist die Spaltung eines Urankerns:
Dies ist eine typische Sequenz, die in einem Kernreaktor eines Kernkraftwerks stattfindet.
Thermonukleare Reaktionen laufen dagegen überwiegend unter Beteiligung von Helium und Wasserstoff ab und führen zur Bildung schwererer Isotope aus leichteren. In den Sternen der Hauptsequenz ist die folgende thermonukleare Reaktion am typischsten: Die
Details der thermonuklearen Fusion und Entwurfsoptionen für einen thermonuklearen Reaktor werden in einem wunderbaren Artikel beschrieben, der 2013 von Mikhail Svarichevsky auf Habré veröffentlicht wurde. Dort können Sie auch das skeptische Urteil des Autors lesen, wonach die vollwertige thermonukleare Energie eine Frage der fernen Zukunft ist. Der Artikel ist wirklich feurig:
Wir stellen vorerst fest, dass die technischen Schwierigkeiten, die der Schaffung eines Kernkraftwerks im Wege standen, so schwerwiegend waren, dass die Periodisierung seiner Entwicklung mit dem Tempo der Entwicklung der Kernenergie nicht zu vergleichen ist. Chronologie:
Kernspaltung
1939 - Entdeckung (L. Meitner und O. Frisch)
1942 - Kernreaktor Enrico Fermi ("Chicago Woodpile") - kontrollierte Kernreaktion
1945 - erster Atomtest (Trinity) und Bombardierung von Hiroshima und Nagasaki - unkontrollierte Kernreaktion
1956 - erstes Kernkraftwerk (Obninsk)
1986 - der Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl
Kernfusion
1926 - Die Hypothese (A. Eddington) wurde in dem Artikel "Die innere Struktur der Sterne" ausgedrückt.
1934 - E. Rutherford synthetisierte Helium aus Tritium
1952 - Die erste thermonukleare Explosion wurde in der UdSSR durchgeführt (Wasserstoffbombe, unkontrollierte Reaktion)
1954 - Der erste Tokamak wurde in der UdSSR gebaut
... ...
2025 - ITER wird voraussichtlich gestartet.
Dennoch wird im IAEO- Bulletin 2019 die Idee der Schaffung eines Fusionskraftwerks sehr ernsthaft und sogar täglich diskutiert. In einem vollwertigen Kernkraftwerk sind drei Bedingungen gegeben:
- Sehr hohe Temperaturen (über 100 Millionen Grad Celsius)
- Ausreichende Partikeldichte im Plasma (wo die Reaktion stattfindet) - was die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zwischen Partikeln erhöht
- Stark genug, um mögliche Plasmalecks zu verhindern und eine stabile thermonukleare Reaktion zu gewährleisten.
Weiter in dem Dokument folgt ein Haftungsausschluss, dass der derzeit erfolgreichste Entwurf eines thermonuklearen Reaktors genau der Tokamak ist.
Wenn Sie noch keine Zeit hatten, sich mit den oben genannten Links vertraut zu machen und zu verbessern, wie ein Tokamak aussieht und funktioniert, werden wir uns kurz mit diesem Thema befassen.
Tokamak ist ein abgekürztes Wort für "Ringkammer mit Magnetspulen". Der erste Tokamak wurde 1954 in der UdSSR gebaut, und der Begriff wurde erst 1957 vorgeschlagen. Im Westen entstand das Interesse am Bau von Tokamaks viel später, 1968, nachdem eine Gruppe britischer Wissenschaftler am Kurchatov-Institut ein solches Gerät kennengelernt hatte, das von seiner Effizienz überzeugt war. Ein Tokamak ist also ursprünglich eine torusförmige Vakuumkammer, die mit einer Mischung aus Deuterium und Tritium, schweren Wasserstoffisotopen, gefüllt ist. Die Wände des Tokamak sind natürlich nicht in der Lage, das heiße Plasma im Inneren zu halten, in dem thermonukleare Reaktionen stattfinden. Daher wird das Plasma mit den stärksten Magnetfeldern in der Ringkammer gehalten und ähnelt dort einer Schnur in Form.
Der wichtigste physikalische Indikator, der es ermöglicht zu beurteilen, ob eine thermonukleare Reaktion mehr Energie erzeugt als der Reaktor verbraucht, ist das Lawson-Kriterium , das sich auf die folgende Formulierung beschränkt:
Damit die Kernfusion zu einer Energiequelle wird, muss das Produkt aus Partikeldichte und Zeitpunkt ihres Einschlusses in extrem engem Abstand voneinander einen bestimmten Wert überschreiten.
Gegenwärtig wird die energetisch günstigste thermonukleare Reaktion als thermonukleare Fusion angesehen, an der zwei Isotope von Wasserstoff beteiligt sind: Deuterium und Tritium. Wenn ein Deuteriumkern und ein Tritiumkern verschmelzen, entsteht ein Heliumkern plus ein sehr energiereiches Neutron. Wenn die notwendigen Bedingungen erfüllt sind, reicht die in diesem Fall freigesetzte Energie für weitere thermonukleare Reaktionen aus. Darüber hinaus ist die Deuterium-Tritium-Reaktion aus praktischer Sicht am zweckmäßigsten, da die Coulomb-Barriere dabei am leichtesten überwunden werden kann und diese Reaktion am bequemsten unter künstlich erzeugten Bedingungen aufrechterhalten wird.
Es sollte zusammen mit dem Deuterium-Tritium - Paar zu beachten , ,Drei weitere Varianten von Kernreaktionen, die möglicherweise in der Industrie angewendet werden können. Hier sind sie alle:
- Deuterium + Deuterium (Tritium und Proton 4.0 MeV),
- Deuterium + Deuterium (Helium-3 und Neutron, 3,3 MeV),
- Deuterium + Tritium (Helium-4 und Neutron, 17,6 MeV),
- Deuterium + Helium-3 (Helium-4 und Proton, 18,2 MeV).
Wir werden auf die vierte Reaktion zurückkommen, die aus energetischer Sicht am günstigsten ist.
Ein wichtiger Faktor, der die Ressourcenbasis für thermonukleare Energie begrenzt, ist die Notwendigkeit, Deuterium zu extrahieren und Tritium zu produzieren. Lassen Sie uns näher darauf eingehen.
Fortpflanzung von Tritium
Deuterium kommt in der Natur relativ häufig vor und kann in ausreichenden Mengen aus Meerwasser gewonnen werden. Obwohl Tritium in der Natur vorhanden ist, ist es zu selten, um in nützlichen Mengen abgebaut zu werden. Daher muss es industriell synthetisiert werden. Gegenwärtig wird Tritium aus dem Kühlmittel von Schwerwasserreaktoren extrahiert oder durch Beschießen von Lithiumtargets in Leichtwasserreaktoren erhalten.
Es wird davon ausgegangen, dass für den Betrieb eines 500-Megawatt-Kernkraftwerks etwa 50 Kilogramm Tritiumbrennstoff pro Jahr benötigt werden. Dieser Wert übertrifft nicht nur die Fähigkeiten der modernen Industrie bei weitem, wodurch etwa 2-3 kg Tritium pro Jahr hergestellt werden können, sondern berücksichtigt auch nicht die Produktionskosten, die Milliarden von Dollar erreichen werden. Dementsprechend erfordert die thermonukleare Energie die Entwicklung eines Verfahrens, das es ermöglicht, Tritium direkt an der Station zu multiplizieren. Glücklicherweise könnte die thermonukleare Reaktion selbst möglicherweise zu einer solchen Methode werden.
Durch Umgeben des Tokamaks mit einer Lithiumdecke ist es möglich (unter Freisetzung von Wärme), Tritium zu erhalten, wenn die Lithiumkerne die während der Fusion gebildeten Neutronen einfangen und sich spontan in Tritium umwandeln. Derzeit werden technologische Lösungen für die Sammlung des auf diese Weise erzeugten Tritiums entwickelt.
Eine relevante Frage ist außerdem: Ist thermonukleare Energie so umweltfreundlich und energetisch vorteilhaft? Hier sind einige der Einwände, die in dem oben genannten Artikel von Michail Svarichevsky erhoben wurden:
- — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
- Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
- Q=10, , - , . ( -)
- Es gibt nicht viel Kernbrennstoff - Tritium ist sehr teuer und knapp. Seine Herstellung ist weder einfacher noch billiger als die Gewinnung von Plutonium aus Uranabfällen oder U-233 aus Thorium.
- Helium-3 - würde der Menschheit in keiner Weise helfen, selbst wenn es Berge auf der Erde gäbe. Die parasitäre Reaktion D + D wird immer noch Strahlung abgeben, und die optimale Temperatur beträgt eine Milliarde Grad, viel schwieriger als D + T, um das die Menschheit derzeit kämpft.
Und hier ist, was die IAEO über die Umweltfreundlichkeit von Kernkraftwerken feststellt:
Der einfachste thermonukleare Fusionsprozess umfasst zwei Isotope von Wasserstoff: Deuterium und Tritium. Tritium ist radioaktiv, aber seine Halbwertszeit ist kurz (12,32 Jahre). Es wird nur in geringen Mengen verwendet und stellt daher nicht die gleiche Gefahr dar wie langlebige radioaktive Kerne. Durch diese Reaktion von Deuterium mit Tritium entstehen ein Heliumatom (ein Inertgas) und ein Neutron. Die Energie dieser Produkte (Atom und Neutron) kann gewonnen werden, um einen Reaktor anzutreiben und Strom zu erzeugen. Folglich verbleibt kein langlebiger radioaktiver Abfall aus thermonuklearen Reaktionen. Der Fusionsprozess erzeugt jedoch neutronenaktivierte Materialien, die das Plasma umgeben. Mit anderen Worten, wenn Neutronen (ein Fusionsreaktionsprodukt) auf die Wände des Reaktors treffen, werden der Reaktor selbst und seine Komponenten radioaktiv.Daher wird es beim künftigen Bau von Kernkraftwerken erforderlich sein, deren Auslegung so zu optimieren, dass diese Neutronenradioaktivität und das dadurch entstehende Volumen an radioaktivem Abfall minimiert werden.
Daher kann ITER weniger als Supertokamak als als Testprototyp eines thermonuklearen Kraftwerks betrachtet werden, der es ermöglicht, die technologischen und ökologischen Herausforderungen der Branche zu bewerten. Darunter: Tritiumzüchtung, Plasmaüberwachung, fortgeschrittene Diagnostik, Verschleißschutz von Strukturen. Darüber hinaus bleibt abzuwarten, wie lange das Reaktorgefäß der Exposition gegenüber heißem Plasma standhalten kann.
Wie jede vielversprechende Technologie erzeugt die thermonukleare Energie bereits eigene "Startups". Hier sind die wichtigsten:
- TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
- Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
- General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
- Tokamak Energy . Das in Großbritannien ansässige Unternehmen beabsichtigt, die traditionelle Fusion mit einem Tokamak zu starten, verwendet jedoch einen Tokamak, der eher einer Kugel als einem Donut ähnelt. Dieses Gerät heißt ST40 und wird derzeit erforscht. Es wird davon ausgegangen, dass darin Temperaturen bis zu 15 Millionen Grad Celsius erreichbar sind.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, haben wir im ersten Drittel des 21. Jahrhunderts all diese exotischen Technologien der thermonuklearen Fusion untersucht, hauptsächlich aus drei Gründen, die die industrielle Nutzung dieser Energie erschweren:
- Schwierigkeiten beim Abbau von Tritium.
- Die Komplexität des stabilen Einschlusses des magnetisierten Plasmas im Reaktor.
- Die Komplexität der Entsorgung radioaktiver Abfälle - durch die Wirkung von Neutronen wird der Reaktor selbst radioaktiv.
Regolithische Golconda
Und hier ist die Zeit, um zum letzten Teil unserer Exkursion überzugehen: Achten Sie auf Helium-3, das an der vierten der oben genannten wichtigsten thermonuklearen Reaktionen beteiligt ist:
Deuterium + Helium-3 (Helium-4 und Proton, 18,2 MeV).
Die Energieausbeute ist spürbar höher 17,6 MeV, das durch die Tritiumreaktion erzeugt wird, und anstelle eines Neutrons haben wir ein Proton als Nebenprodukt, das das Problem der radioaktiven Kontamination weitgehend löst.
Das Hauptproblem besteht darin, dass Helium-3 (dessen Kern aus zwei Protonen und einem Neutron besteht) im Vergleich zum Hauptisotop Helium-4 (zwei Protonen und zwei Neutronen) äußerst selten ist: Der Anteil von Helium-3 auf der Erde beträgt 0,000137% (1,37 ppm); Die Hauptquelle dieses Isotops auf unserem Planeten ist der Sonnenwind.
Bereits 1986 stellten Experten des Institute of Fusion Technology der University of Wisconsin fest, dass der Mondboden Regolith eine Million Tonnen Helium-3 enthalten könnte. Die Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond kann ein wirtschaftlich tragfähiges Unterfangen sein, da die daraus gewonnene Energie 250-mal höher ist als die Energie, die für die Gewinnung und Lieferung an die Erde benötigt wird. Mondreserven von Helium-3 können ausreichen, um jahrhundertelang thermonukleare Energie zu liefern.
Während der Deuterium-Tritium-Fusion gebildete Neutronen entweichen aus dem Reaktor, da sie keine elektrische Ladung haben und daher nicht in einem elektromagnetischen Feld enthalten sein können. Im Gegenteil, Protonen - ein Nebenprodukt einer thermonuklearen Reaktion mit Helium-3 - sind positiv geladen, und es ist nicht schwierig, sie einzufangen. Darüber hinaus können Sie die Energie der Protonen selbst nutzen, die direkt zur Stromerzeugung verwendet wird. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, Wasserdampf zu erhalten, um die Turbine zu drehen. Nach diesem Prinzip wird in modernen Kernkraftwerken Energie erzeugt.
Somit erlangt die Erforschung des Mondes einen nicht illusorischen praktischen Wert. Die Entwicklung thermonuklearer Fusionstechnologien, die möglicherweise ursprünglich auf der Deuterium-Tritium-Fusion basierten, könnte zu einer Etappe auf dem Weg zur Energieautarkie der Mondregolith-Bergbauindustrie werden, deren Ziel es ist, die Erde mit thermonuklearem Brennstoff zu versorgen.
Wir sind hier so tief in Science-Fiction vertieft, dass es Zeit ist, diesen Beitrag sorgfältig zu beenden und sich bei allen zu bedanken, die ihn gelesen haben und bereit sind, darüber zu diskutieren.
Obwohl ich als Nachwort vorschlage, dies zu betrachtenein alter Artikel aus der Zeitschrift "Schrödingers Katze". Es hat nicht nur coole Bilder, sondern schlägt auch eine Brücke zwischen dem hier behandelten Thema und dem Thema Terraforming. In dieser Branche der Zukunft ist offenbar auch die Fusion unverzichtbar.
Bisher sind sowohl ITER als auch der gesamte beschriebene Pfad noch lange nicht vollständig. Aber ich würde gerne hoffen, dass die Straße von der gehenden gemeistert wird.