Har termonuklear energi en fremtid?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

I mere end et halvt århundrede har videnskabsmænd forsøgt at bygge en maskine på Jorden, hvor der ligesom i stjernernes tarme finder en termonuklear reaktion sted. Teknologien med kontrolleret termonuklear fusion lover menneskeheden en næsten uudtømmelig kilde til ren energi. Sovjetiske videnskabsmænd stod bag denne teknologi - og nu hjælper Rusland med at bygge den største fusionsreaktor i verden.

Delene af et atoms kerne holdes sammen af en kolossal kraft. Der er to måder at frigive den på. Den første metode er at bruge fissionsenergien fra store tunge kerner fra den fjerneste ende af det periodiske system: uran, plutonium. På alle atomkraftværker på Jorden er energikilden netop henfaldet af tunge kerner.

Men der er også en anden måde at frigive atomets energi på: ikke at dele, men tværtimod at kombinere kernerne. Ved sammensmeltning frigiver nogle af dem endnu mere energi end fissile urankerner. Jo lettere kernen er, jo mere energi frigives under fusion (som man siger, fusion), så den mest effektive måde at få energien fra kernefusion på er at tvinge kernerne i det letteste grundstof - brint - og dets isotoper til at smelte sammen.

Håndstjerne: solide professionelle

Nuklear fusion blev opdaget i 1930'erne ved at studere de processer, der finder sted i stjerners indre. Det viste sig, at kernefusionsreaktioner finder sted inde i hver sol, og lys og varme er dens produkter. Så snart dette blev klart, tænkte forskerne på, hvordan man gentager, hvad der sker i solens indvolde på jorden. I forhold til alle kendte energikilder har "håndsolen" en række uomtvistelige fordele.

For det første tjener almindelig brint som dets brændstof, hvis reserver på Jorden vil vare i mange tusinde år. Selv under hensyntagen til det faktum, at reaktionen ikke kræver den mest almindelige isotop, deuterium, er et glas vand nok til at forsyne en lille by med elektricitet i en uge. For det andet, i modsætning til forbrænding af kulbrinter, producerer kernefusionsreaktionen ikke giftige produkter - kun den neutrale gas helium.

Fordele ved fusionsenergi

Næsten ubegrænset brændstofforsyning. I en fusionsreaktor fungerer brintisotoper - deuterium og tritium - som brændstof; du kan også bruge isotopen helium-3. Der er meget deuterium i havvand - det kan opnås ved konventionel elektrolyse, og dets reserver i verdenshavet vil vare i omkring 300 millioner år ved menneskehedens nuværende efterspørgsel efter energi.

Der er meget mindre tritium i naturen, det produceres kunstigt i atomreaktorer – men der skal meget lidt til en termonuklear reaktion. Der er næsten ingen helium-3 på Jorden, men der er meget i månejorden. Hvis vi en dag har termonuklear kraft, vil det sandsynligvis være muligt at flyve til månen for at få brændstof til den.

Ingen eksplosioner. Det kræver meget energi at skabe og vedligeholde en termonuklear reaktion. Så snart energiforsyningen stopper, stopper reaktionen, og plasmaet, der er opvarmet til hundreder af millioner af grader, ophører med at eksistere. Derfor er en fusionsreaktor sværere at tænde end at slukke.

Lav radioaktivitet. En termonuklear reaktion producerer en flux af neutroner, der udsendes fra den magnetiske fælde og aflejres på væggene i vakuumkammeret, hvilket gør det radioaktivt. Ved at skabe et specielt "tæppe" (tæppe) rundt om plasmaperimeteren, der decelererer neutroner, er det muligt helt at beskytte rummet omkring reaktoren. Selve tæppet bliver uundgåeligt radioaktivt over tid, men ikke længe. Lader det hvile i 20-30 år, kan du igen få materiale med en naturlig baggrundsstråling.

Ingen brændstoflækager. Der er altid en risiko for brændstoflækage, men en fusionsreaktor kræver så lidt brændsel, at selv en fuldstændig lækage ikke truer miljøet. At lancere ITER ville for eksempel kun kræve omkring 3 kg tritium og lidt mere deuterium. Selv i det værste tilfælde vil denne mængde radioaktive isotoper hurtigt forsvinde i vand og luft og ikke forårsage skade på nogen.

Ingen våben. En termonuklear reaktor producerer ikke stoffer, der kan bruges til at fremstille atomvåben. Derfor er der ingen fare for, at spredningen af termonuklear energi vil føre til et atomkapløb.

Hvordan man tænder den "kunstige sol", i generelle vendinger, blev det klart allerede i halvtredserne af forrige århundrede. På begge sider af havet blev der udført beregninger, der satte hovedparametrene for en kontrolleret nuklear fusionsreaktion. Det burde foregå ved en enorm temperatur på flere hundrede millioner grader: under sådanne forhold rives elektroner af fra deres kerner. Derfor kaldes denne reaktion også for termonukleær fusion. Nøgne kerner, der kolliderer med hinanden med hæsblæsende hastigheder, overvinder Coulomb-frastødningen og smelter sammen.

Problemer og løsninger

De første årtiers entusiasme styrtede ind i opgavens utrolige kompleksitet. At igangsætte termonuklear fusion viste sig at være relativt let - hvis det blev gjort i form af en eksplosion. Stillehavsatoller og sovjetiske teststeder i Semipalatinsk og Novaja Zemlja oplevede den fulde kraft af en termonuklear reaktion allerede i det første efterkrigsårti.

Men at bruge denne kraft, bortset fra ødelæggelse, er meget sværere end at detonere en termonuklear ladning. For at bruge termonuklear energi til at generere elektricitet, skal reaktionen udføres på en kontrolleret måde, så energi frigives i små portioner.

Hvordan gør man det? Det miljø, hvori en termonuklear reaktion finder sted, kaldes et plasma. Det ligner gas, kun i modsætning til normal gas består det af ladede partikler. Og ladede partiklers opførsel kan styres ved hjælp af elektriske og magnetiske felter.

Derfor er en termonuklear reaktor i sin mest generelle form en plasmaprop fanget i ledere og magneter. De forhindrer plasmaet i at undslippe, og mens de gør dette, smelter atomkerner sammen inde i plasmaet, hvorved der frigives energi. Denne energi skal fjernes fra reaktoren, bruges til at opvarme kølevæsken – og der skal skaffes strøm.

Fælder og utætheder

Plasma viste sig at være det mest lunefulde stof, som mennesker på Jorden skulle stå over for. Hver gang videnskabsmænd fandt en måde at blokere én type plasmalækage, blev en ny opdaget. Hele anden halvdel af det 20. århundrede blev brugt på at lære at holde plasmaet inde i reaktoren i en længere periode. Dette problem begyndte kun at give sig i vore dage, da der dukkede kraftige computere op, der gjorde det muligt at skabe matematiske modeller for plasmaadfærd.

Der er stadig ingen konsensus om, hvilken metode der er bedst til plasmaindeslutning. Den mest berømte model, tokamak, er et doughnutformet vakuumkammer (som matematikere siger, en torus) med plasmafælder inde og ude. Denne konfiguration vil have den største og dyreste termonukleare installation i verden - ITER-reaktoren, der i øjeblikket er under opførelse i det sydlige Frankrig.

Ud over tokamak er der mange mulige konfigurationer af termonukleare reaktorer: sfæriske, som i St. Petersborg Globus-M, bizart buede stjernetegn (som Wendelstein 7-X ved Max Planck Institute of Nuclear Physics i Tyskland), laser inertifælder, såsom det amerikanske NIF. De får meget mindre opmærksomhed i medierne end ITER, men de har også høje forventninger.

Der er videnskabsmænd, der betragter design af stellaratoren for at være grundlæggende mere vellykket end tokamak: det er billigere at bygge, og plasma indeslutningstiden lover at give meget mere. Gevinsten i energi er tilvejebragt af geometrien af selve plasmafælden, som gør det muligt at slippe af med de parasitiske effekter og utætheder, der ligger i "donuten". Den laserpumpede version har også sine fordele.

Brintbrændstoffet i dem opvarmes til den nødvendige temperatur ved hjælp af laserimpulser, og fusionsreaktionen starter næsten øjeblikkeligt. Plasma i sådanne installationer holdes af inerti og har ikke tid til at spredes - alt sker så hurtigt.

Hele verden

Alle termonukleare reaktorer, der findes i verden i dag, er eksperimentelle maskiner. Ingen af dem bruges til at producere elektricitet. Ingen har endnu formået at opfylde hovedkriteriet for en termonuklear reaktion (Lawsons kriterium): at få mere energi, end der blev brugt på at skabe reaktionen. Derfor har verdenssamfundet sat fokus på det gigantiske ITER-projekt. Hvis Lawson-kriteriet er opfyldt på ITER, vil det være muligt at forfine teknologien og forsøge at overføre den til kommercielle skinner.

Intet land i verden kunne bygge ITER alene. Den har brug for 100 tusinde km superledende ledninger alene, og også snesevis af superledende magneter og en gigantisk central solenoide til at holde plasma, et system til at skabe et højvakuum i en ring, heliumkølere til magneter, controllere, elektronik … Derfor Projektet bygger 35 lande og mere på én gang tusindvis af videnskabelige institutter og fabrikker.

Rusland er et af de vigtigste lande, der deltager i projektet; i Rusland er 25 teknologiske systemer i den fremtidige reaktor ved at blive designet og bygget. Disse er superledere, systemer til måling af plasmaparametre, automatiske controllere og komponenter i divertoren, den varmeste del af tokamakens indre væg.

Efter lanceringen af ITER vil russiske videnskabsmænd have adgang til alle dets eksperimentelle data. Imidlertid vil ekkoet af ITER ikke kun mærkes i videnskaben: nu er der i nogle regioner dukket op produktionsfaciliteter, som i Rusland ikke eksisterede før. For eksempel var der før projektets start ingen industriel produktion af superledende materialer i vores land, og der blev kun produceret 15 tons om året over hele verden. Nu er det kun på Chepetsk Mechanical Plant af statsselskabet "Rosatom" muligt at producere 60 tons om året.

Fremtiden for energi og videre

Det første plasma på ITER er planlagt til at blive modtaget i 2025. Hele verden venter på denne begivenhed. Men en, selv den mest kraftfulde, maskine er ikke alt. Over hele verden og i Rusland fortsætter de med at bygge nye termonukleare reaktorer, som vil hjælpe til endelig at forstå plasmas adfærd og finde den bedste måde at bruge det på.

Allerede i slutningen af 2020 vil Kurchatov Instituttet lancere en ny tokamak T-15MD, som bliver en del af en hybridinstallation med nukleare og termonukleare elementer. Neutronerne, som dannes i den termonukleare reaktionszone, i hybridinstallationen vil blive brugt til at igangsætte spaltningen af tung nuklei - uran og thorium. I fremtiden kan sådanne hybridmaskiner bruges til at producere brændstof til konventionelle atomreaktorer – både termiske og hurtige neutroner.

Thorium frelse

Særligt fristende er udsigten til at bruge en termonukleær "kerne" som en kilde til neutroner for at starte henfald i thoriumkerner. Der er mere thorium på planeten end uran, og dets brug som atombrændsel løser adskillige problemer med moderne atomkraft på én gang.

Nedbrydningsprodukterne af thorium kan således ikke bruges til at fremstille militært radioaktivt materiale. Muligheden for en sådan brug tjener som en politisk faktor, der afholder små lande fra at udvikle deres egen atomenergi. Thoriumbrændstof løser dette problem én gang for alle.

Plasmafælder kan være nyttige ikke kun i energi, men også i andre fredelige industrier - selv i rummet. Nu arbejder Rosatom og Kurchatov-instituttet på komponenter til en elektrodeløs plasmaraketmotor til rumfartøjer og systemer til plasmamodifikation af materialer. Ruslands deltagelse i ITER-projektet ansporer industrien, hvilket fører til skabelsen af nye industrier, som allerede danner grundlaget for nye russiske udviklinger.