Būdami Ispanijoje, vis dar esame įsitraukę į diskusijas apie branduolinių dalijimosi elektrinių uždarymas ir iškastinio kuro ateitisPietų Prancūzijoje vykdomas mokslinis projektas, galintis visiškai pakeisti energijos žaidimo taisykles: rimtas bandymas Žemėje atkartoti Saulę maitinančią energiją.
Šis pasaulinis eksperimentas vyksta Saint Paul-lez-Durance mieste, Kadarašo regione. Ten 33 šalys jau dešimtmečius bendradarbiauja statydamos milžinišką eksperimentinis branduolių sintezės reaktorius Ji negamins komercinės elektros energijos, tačiau nori pademonstruoti kai ką daug ambicingesnio: kad branduolių sintezė gali būti švarus, praktiškai neišsenkantis ir plačiai naudojamas energijos šaltinis.
ITER, santrumpa, reiškianti Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius ir lotyniškas žodis „kelias“Daugelis tyrėjų jį laiko vienu svarbiausių mokslinių ir energetikos projektų šiuolaikinėje istorijoje. Jo širdis bus tokamakas, vakuuminė kamera Spurgos formos ir apsuptas galingų magnetų, jo tikslas – laboratorijoje atkurti Saulės ir žvaigždžių viduje vykstančias reakcijas.
Toli gražu ne tik dar vienas prototipas, Tai didžiausias kada nors pastatytas tokamakasJo plazmos tūris bus maždaug penkis kartus didesnis nei bet kurio ankstesnio įrenginio, todėl bus galima pasiekti precedento neturinčias veikimo sąlygas ir pirmą kartą kontroliuojamoje aplinkoje išbandyti... savaime palaikanti deganti plazma.
Praktiškai tai reiškia, kad reikia užtikrinti, jog branduolių sintezės metu susidarančių helio dalelių generuojama šiluma palaikytų plazmos temperatūrą, taip sumažinant energijos kiekį, kurį reikia įpurkšti iš išorės. Jei šis etapas bus pasiektas, bus peržengta daugiau nei pusę amžiaus mokslui siekta riba..
Pasaulinis aljansas, skirtas „Saulei“ Žemėje įžiebti
ITER politinės ir mokslinės ištakos siekia 1985 m., tačiau tikroji jo plėtra per pastaruosius kelis dešimtmečius buvo įtvirtinta. Šiandien oficialiai dalyvauja septynios pagrindinės narės: Europos Sąjunga, Kinija, Indija, Japonija, Korėja, Rusija ir Jungtinės Valstijos.kurios kartu sudaro maždaug pusę planetos gyventojų ir apie 73 % pasaulinio BVP.
Europos atveju, 27 ES valstybės narės Jie teikia didžiąją dalį projekto finansavimo ir koordinavimo.Kartu su jomis aktyviai bendradarbiauja Kinija, Indija, Japonija, Pietų Korėja, Rusija ir Jungtinės Valstijos, prisidėdamos prie svarbių mašinų, pažangiausių technologijų ir aukščiausio lygio mokslinių tyrimų komandų.
Bendradarbiavimo ekosistema apima daugiau nei šiuos pagrindinius partnerius. ITER yra pasirašęs susitarimus su tokiomis šalimis kaip Australija, Kazachstanas, Kanada ir Tailandas. ir palaiko ryšius su beveik 100 universitetų, laboratorijų ir tarptautinių organizacijų. Šveicarija, kuri po 2020 m. tapo neasocijuotąja trečiąja šalimi, planuojama visiškai vėl prisijungti prie programos 2026 m., o Jungtinė Karalystė toliau vykdo esamas sutartis, bet nesudaro naujų susitarimų po išstojimo iš Euratomo.
Šiame mokslinės diplomatijos kontekste Prancūzijos objektas yra susitikimų vieta tūkstančiams inžinierių, fizikų, medžiagų ekspertų, kriogenikos specialistų ir nuotolinės priežiūros technikų. Dėl didelio konsorciumo masto ITER yra viena didžiausių bendradarbiavimo pastangų mokslo istorijoje., palyginamas su tokiais projektais kaip CERN, tačiau turintis daug tiesioginį potencialų poveikį pasaulinei energetikos sistemai.
Be skaičių, didelis bendras tikslas yra parodyti, kad branduolių sintezė, pagrįsta lengvųjų vandenilio branduolių jungimusi, gali būti pagrindas Naujoji energijos civilizacija be didžiulių anglies dioksido išmetimų, turint gausius kuro išteklius Žemėje ir be su tradiciniu dalijimusi susijusios rizikos.
Milžiniškas tokamakas: precedento neturintis inžinerinis iššūkis
Viso projekto centrinė dalis bus ITER tokamakas, toroidinė vakuuminė kamera, apsupta superlaidieji magnetai kuris generuos milžiniško intensyvumo magnetinius laukus, kad plazma būtų suvaržyta ir neliestų fizinių reaktoriaus sienelių.
Norint tai pasiekti, statoma milžiniškų matmenų struktūra. Reaktoriaus vakuuminė kamera sudaryta iš devynių didžiulių plieninių sekcijų.Pagaminta su milimetrų tolerancijomis ir suprojektuota taip, kad būtų surinkta kaip milžiniška metalinė dėlionė, konstrukcija sveria daugiau nei 400 tonų, todėl yra viena didžiausių ir sudėtingiausių kada nors surinktų mokslinių konstrukcijų.
„Westinghouse Electric Company“ dalyvauja Pagrindinių degimo kameros elementų montavimaspagal maždaug 168 mln. dolerių vertės sutartis. Procesas reikalauja itin didelio tikslumo: maža suvirinimo klaida, menkiausias nesutapimas ar jungties defektas gali pakenkti plazmos veikimui ir pareikalauti brangaus remonto.
Siekiant sumažinti riziką, surinkimas naudoja didelio tikslumo robotailazerinės matavimo sistemos ir nuolatiniai valdikliai kurie patikrina kiekvienos dalies padėtį ir tinkamumą. Kiekvienas modulis turi atitikti ne tik geometriškai, bet ir termiškai bei elektromagnetiškai, nes eksploatacijos metu jis bus veikiamas didelių įtempių.
Galutinis tikslas yra sukurti kamerą, kurioje tilptų plazminis ekranas, kurio spinduliuotė būtų maždaug 150 milijonų laipsnių Celsijaus – kelis kartus aukštesnė temperatūra nei Saulės branduolyjeTokiomis sąlygomis vandenilio izotopai – deuteris ir tritis – gali įveikti savo elektrinę stūmą ir susilieti, išskirdami didelį energijos kiekį šilumos pavidalu.
Kaip pabandyti atkartoti Saulės energijos procesą
ITER fizinis pagrindas yra Ta pati reakcija, kuri palaiko žvaigždžių degimą. Užuot skaidę sunkius branduolius, kaip vyksta šiuolaikinėse elektrinėse dalijimosi metu, sintezės metu lengvi branduoliai sujungiami į sunkesnius, proceso metu išskirdami energiją.
ITER atveju planuojama į vakuuminę kamerą įpurkšti deuterį ir tritį, juos kaitinti iki plazmos ir panaudoti itin galingi magnetiniai laukai, skirti sulaikyti tą plazmą be tiesioginio sąlyčio su sienomis. Jei viskas vyks pagal planą, kai kurios sintezės metu susidariusios helio dalelės perduos savo energiją atgal į plazmą ir pačios padės palaikyti temperatūrą.
Pagrindinį techninį tikslą galima apibendrinti vienu skaičiumi: Q=10. Tai reiškia, kad reikia pagaminti apie 500 megavatų branduolių sintezės energijos, o iš išorės tiekiama tik 50 megavatų šildymo energijos.Tai yra, padauginti energijos vartojimo efektyvumą iš dešimties, palyginti su tuo, kas iš pradžių buvo įvesta į sistemą.
Kol kas pasaulio rekordą laiko Europos tokamakas JET, kuris, panaudojant 24 MW šildymo energijos, pasiekė apie 16 MW branduolių sintezės galios. ITER siekia padidinti savo mastą ir pirmą kartą parodyti, kad įmanoma veikti energijos gamybos režimu, kuris yra akivaizdžiai geresnis nei..., esminė būsimos komercinės elektrinės sąlyga.
Kitaip nei pramoninis reaktorius, ITER nėra skirtas gaminti elektros energiją. Jo funkcija yra griežtai eksperimentinė. patvirtinti, kad fizika ir inžinerija leidžia palaikyti stabilią degančios plazmos būseną pakankamai ilgai ir esant palankiam energijos balansui.
Branduolių sintezės pranašumai ir iššūkiai, palyginti su dabartine energija
Branduolių sintezė dešimtmečius buvo pristatoma kaip energija, apie kurią „svajojo“ dėl savo teorinių pranašumų, palyginti su kitais šaltiniaisTarp ITER stipriųjų pusių, kurias siekiama patikrinti, yra CO2 emisijos nebuvimas eksploatacijos metu, kuro prieinamumas ir drastiškas ilgaamžių radioaktyviųjų atliekų kiekio sumažinimas, palyginti su dalijimusi.
Kitaip nei įprastose atominėse elektrinėse, Nėra nekontroliuojamų grandininių reakcijų rizikosKadangi pati plazma natūraliai atvėsta, jei nutrūksta magnetinis sulaikymas arba kuro tiekimas, tai sumažina rimtų incidentų tikimybę ir supaprastina tam tikrus saugos aspektus, taip sumažinant riziką. su tradicine dalijimusi susijusi rizika.
Tačiau Didžiausias iššūkis slypi inžinerijoje, reikalingoje plazmos valdymui esant didžiulėms temperatūroms.Numatoma 150 milijonų laipsnių temperatūra sukuria milžiniškus terminius ir magnetinius įtempius konstrukcijai, todėl reikalingos ekstremalios aušinimo sistemos ir realaus laiko stebėjimas viskam, kas vyksta reaktoriaus viduje.
Norėdamas tai pasiekti, ITER remiasi itin sudėtinga technologine sistema: superlaidžiais magnetais, kurie veikia artimoje absoliučiam nuliui temperatūroje, paskirstyti jutikliai kurie nuolat stebi plazmos elgesį ir sudėtingus valdymo algoritmus, kurie beveik akimirksniu reguliuoja magnetinius laukus, kai aptinka bet kokį nestabilumą.
Šis didelės energijos fizikos, medžiagų mokslo, kriogenikos ir robotikos derinys leidžia Kiekvienas reaktoriaus statybos ir būsimo eksploatavimo žingsnis savaime yra šiuolaikinės inžinerijos etapas.Tai ne tik branduolinis eksperimentas, bet ir išsamus bandymų poligonas technologijoms, kurios iš esmės vis dar bręsta.
Pagrindinės technologijos, kurios bus išbandytos ITER
Projektas neapsiriboja vien plazmos įjungimu ir jos elgsenos matavimu. ITER taip pat padės patvirtinti keletą svarbių technologijų. be kurių vėliau būtų neįmanoma statyti prie tinklo prijungtų komercinių branduolių sintezės jėgainių.
Tarp šių pokyčių išsiskiria šie: dideli superlaidūs magnetaiŠie įrenginiai gali generuoti intensyvius magnetinius laukus sunaudodami pagrįstai daug energijos, taip pat bus išbandytos kriogeninės sistemos, reikalingos juos palaikyti itin žemoje temperatūroje. Taip pat bus išbandytos nuotolinės priežiūros technikos, kurios yra būtinos aplinkoje, kurioje dėl liekamosios spinduliuotės personalas negali dažnai pasiekti įrenginių.
Kitas strateginis elementas yra moduliai, skirti tričio gamybai pačiame reaktoriujeKadangi tritis natūraliai yra retas, bet kuri komercinė jėgainė turės jį gaminti viduje, naudodama vadinamąją „ličio mantiją“, kur branduolių sintezės metu išsiskiriantys neutronai sąveikauja su šiuo metalu ir gamina daugiau kuro.
Kuro ciklo sistema, pažangi diagnostika plazmos stebėjimui realiuoju laiku ir apsauginės konstrukcijos taip pat yra technologijų, kurios bus patvirtintos įrenginyje, katalogo dalis. Tikslas – baigti eksperimentinę fazę su sprendimų rinkiniu, paruoštu arba beveik paruoštu pritaikyti demonstraciniams reaktoriams, o vėliau ir komercinėms elektrinėms..
Tuo pačiu metu saugumas vaidina pagrindinį vaidmenį. 2012 m. Prancūzijos valdžia po išsamaus vertinimo proceso pripažino ITER branduoliniu objektu. Vienas iš aiškių programos tikslų yra parodyti, kad branduolių sintezės reaktorius gali būti eksploatuojamas praktiškai be jokio poveikio aplinkai. ir laikantis procedūrų, kurios garantuoja tiek darbuotojų, tiek aplinkinių bendruomenių apsaugą.
Pirmosios sintezės plazmos laiko juosta
ITER statyba vyksta nuo 2010 m. maždaug 42 hektarų ploto sklypas pietų PrancūzijojePagrindinis pastatas, kuriame yra tokamakas, buvo baigtas statyti 2020 m., o nuo tada prasidėjo maždaug milijono komponentų iš visų šalių partnerių surinkimo etapas.
2024 m. lapkritį ITER taryba patvirtino naujas orientacinis planas, kuris koreguoja tvarkaraštį teikti pirmenybę tvirtesnei mokslinei pradžiai. Pagal šį veiksmų planą, pradinis etapas, vadinamas tyrimų veiklos pradžia, prasidės 2034 m., naudojant vandenilį ir deuterio-deuterio plazmą.
Po pirmojo etapo, vadinamojo visa magnetinė energijaTai yra lauko konfigūracija, būtina sudėtingesniems eksperimentams atlikti. Galiausiai, deuterio ir tričio operacijų, kurios iš tikrųjų leis tirti su energijos gamyba susijusią branduolių sintezę, pradžia numatyta 2039 m.
Šis laiko grafikas gali atrodyti tolimas, tačiau reikia atsižvelgti į projekto mastą ir poreikį patvirtinti kiekvieną žingsnį. Bet koks sutrumpintas kelias tokio dydžio sistemoje ilgainiui gali virsti daug didesnėmis problemomis.Taigi terminai atitinka tiek techninį sudėtingumą, tiek branduolinės saugos reikalavimus.
Tuo tarpu reaktoriaus šerdies ir jos pagalbinių sistemų surinkimo darbai patys savaime yra reikšmingas uždavinys. žinių ir patirties šaltinis kuris jau naudojamas kitose Europos ir nacionalinėse susijungimų programose, įskaitant iniciatyvas Ispanijoje ir įvairiose ES šalyse.
Į ITER sutelktos pastangos atspindi, kiek žmonija savo energetikos ateities priklauso nuo gebėjimo įvaldyti tą pačią reakciją, kuri priverčia šviesti saulęJei Prancūzijos eksperimentas parodys, kad branduolių sintezę galima palaikyti stabiliai, didinant energijos gamybą ir nedarant didelio poveikio aplinkai, tai bus ryžtingas žingsnis link pirmųjų komercinių branduolių sintezės jėgainių, galinčių tiekti gausų, mažai anglies dioksido į aplinką išskiriantį elektros energijos kiekį ir veikiančių ištisas kartas, atsiradimo.
