Onko lämpöydinenergialla tulevaisuutta?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Yli puolen vuosisadan ajan tiedemiehet ovat yrittäneet rakentaa maan päälle konetta, jossa, kuten tähtien suolistossa, tapahtuu lämpöydinreaktio. Hallitun lämpöydinfuusion teknologia lupaa ihmiskunnalle lähes ehtymättömän puhtaan energian lähteen. Neuvostoliiton tiedemiehet olivat tämän tekniikan alkulähteinä - ja nyt Venäjä auttaa rakentamaan maailman suurimman fuusioreaktorin.

Atomin ytimen osia pitää yhdessä valtava voima. On kaksi tapaa vapauttaa se. Ensimmäinen menetelmä on käyttää suurten raskaiden ytimien fissioenergiaa jaksollisen järjestelmän kauimmasta päästä: uraani, plutonium. Kaikissa maapallon ydinvoimalaitoksissa energianlähde on juuri raskaiden ytimien hajoaminen.

Mutta on myös toinen tapa vapauttaa atomin energia: ei jakaa, vaan päinvastoin yhdistää ytimiä. Osa niistä vapauttaa sulautuessaan jopa enemmän energiaa kuin halkeavan uraanin ydin. Mitä kevyempi ydin, sitä enemmän energiaa vapautuu fuusion (kuten sanotaan, fuusion) aikana, joten tehokkain tapa saada ydinfuusion energia on pakottaa kevyimmän alkuaineen - vedyn - ytimet ja sen isotoopit sulautumaan.

Käsitähti: vahvat ammattilaiset

Ydinfuusio löydettiin 1930-luvulla tutkimalla tähtien sisätiloissa tapahtuvia prosesseja. Kävi ilmi, että ydinfuusioreaktioita tapahtuu jokaisen auringon sisällä, ja valo ja lämpö ovat sen tuotteita. Heti kun tämä tuli selväksi, tutkijat ajattelivat, kuinka toistaa mitä tapahtuu Auringon suolistossa maan päällä. Kaikkiin tunnettuihin energialähteisiin verrattuna "käsiauringolla" on useita kiistattomia etuja.

Ensinnäkin tavallinen vety toimii sen polttoaineena, jonka maapallon varannot kestävät useita tuhansia vuosia. Vaikka otetaan huomioon, että reaktio ei vaadi yleisintä isotooppia, deuteriumia, lasillinen vettä riittää toimittamaan sähköä pienelle kylälle viikoksi. Toiseksi, toisin kuin hiilivetyjen palaminen, ydinfuusioreaktio ei tuota myrkyllisiä tuotteita - vain neutraalia heliumia.

Fuusioenergian plussat

Polttoainevarannot lähes rajattomat. Fuusioreaktorissa vedyn isotoopit – deuterium ja tritium – toimivat polttoaineena; voit myös käyttää isotooppia helium-3. Merivedessä on paljon deuteriumia - se voidaan saada tavanomaisella elektrolyysillä, ja sen varannot Maailmanmeressä kestävät noin 300 miljoonaksi vuodeksi ihmiskunnan nykyisellä energiantarpeella.

Luonnossa tritiumia on paljon vähemmän, sitä tuotetaan keinotekoisesti ydinreaktoreissa - mutta lämpöydinreaktioon tarvitaan hyvin vähän. Maapallolla ei ole juuri lainkaan helium-3:a, mutta sitä on paljon kuun maaperässä. Jos meillä joskus on lämpöydinvoimaa, on luultavasti mahdollista lentää kuuhun hakemaan sille polttoainetta.

Ei räjähdyksiä. Lämpöydinreaktion luomiseen ja ylläpitämiseen kuluu paljon energiaa. Heti kun energian syöttö loppuu, reaktio pysähtyy ja satoihin miljooniin asteisiin kuumennettu plasma lakkaa olemasta. Siksi fuusioreaktori on vaikeampi käynnistää kuin sammuttaa.

Matala radioaktiivisuus. Termoydinreaktio tuottaa neutronivuon, joka vapautuu magneettiloukusta ja laskeutuu tyhjökammion seinille, mikä tekee siitä radioaktiivisen. Luomalla erityinen”peitto” (peitto) plasman kehälle, hidastaen neutroneja, on mahdollista suojata reaktorin ympärillä oleva tila täysin. Itse huopa muuttuu väistämättä radioaktiiviseksi ajan myötä, mutta ei pitkäksi aikaa. Antamalla sen levätä 20-30 vuotta, saat taas materiaalia luonnollisella taustasäteilyllä.

Ei polttoainevuotoja. Polttoainevuodon riski on aina olemassa, mutta fuusioreaktori vaatii niin vähän polttoainetta, että täydellinenkään vuoto ei uhkaa ympäristöä. Esimerkiksi ITERin käynnistäminen vaatisi vain noin 3 kg tritiumia ja hieman enemmän deuteriumia. Jopa pahimmassa tapauksessa tämä määrä radioaktiivisia isotooppeja haihtuu nopeasti veteen ja ilmaan eikä aiheuta haittaa kenellekään.

Ei aseita. Lämpöydinreaktori ei tuota aineita, joita voitaisiin käyttää atomiaseiden valmistamiseen. Siksi ei ole vaaraa, että lämpöydinenergian leviäminen johtaisi ydinkilpailuun.

Kuinka "keinotekoinen aurinko" sytytetään yleisesti, kävi selväksi jo viime vuosisadan 50-luvulla. Meren molemmilla puolilla suoritettiin laskelmia, jotka asettivat hallitun ydinfuusioreaktion pääparametrit. Sen pitäisi tapahtua valtavassa, satojen miljoonien asteiden lämpötilassa: sellaisissa olosuhteissa elektronit repeytyvät irti ytimistään. Siksi tätä reaktiota kutsutaan myös lämpöydinfuusioksi. Paljaat ytimet, jotka törmäävät keskenään jyrkästi, ylittävät Coulombin torjunnan ja sulautuvat yhteen.

Ongelmia ja ratkaisuja

Ensimmäisten vuosikymmenten innostus törmäsi tehtävän uskomattoman monimutkaisuuteen. Lämpöydinfuusion käynnistäminen osoittautui suhteellisen helpoksi - jos se tehtiin räjähdyksen muodossa. Tyynenmeren atollit ja Neuvostoliiton testipaikat Semipalatinskissa ja Novaja Zemljassa kokivat lämpöydinreaktion täyden voiman jo sodan jälkeisellä ensimmäisellä vuosikymmenellä.

Mutta tämän voiman käyttäminen tuhoamista lukuun ottamatta on paljon vaikeampaa kuin lämpöydinpanoksen räjäyttäminen. Jotta lämpöydinenergiaa voitaisiin käyttää sähkön tuottamiseen, reaktio on suoritettava hallitusti niin, että energiaa vapautuu pieninä annoksina.

Kuinka tehdä se? Ympäristöä, jossa lämpöydinreaktio tapahtuu, kutsutaan plasmaksi. Se on samanlainen kuin kaasu, mutta toisin kuin normaali kaasu, se koostuu varautuneista hiukkasista. Ja varautuneiden hiukkasten käyttäytymistä voidaan ohjata sähkö- ja magneettikentillä.

Siksi lämpöydinreaktori on yleisimmässä muodossaan johtimiin ja magneetteihin loukkuun jäänyt plasmahyytymä. Ne estävät plasmaa karkaamasta, ja samalla kun he tekevät tämän, atomiytimet sulautuvat plasman sisään, minkä seurauksena energiaa vapautuu. Tämä energia on poistettava reaktorista, käytettävä jäähdytysnesteen lämmittämiseen - ja hankittava sähköä.

Loukut ja vuodot

Plasma osoittautui omituisimmaksi aineeksi, jonka ihmiset maan päällä joutuivat kohtaamaan. Joka kerta kun tiedemiehet löysivät tavan estää yhden tyyppinen plasmavuoto, löydettiin uusi. Koko 1900-luvun jälkipuolisko kului siihen, että opeteltiin pitämään plasma reaktorin sisällä minkä tahansa merkittävän ajan. Tämä ongelma alkoi antaa periksi vasta meidän päivinämme, kun ilmestyi tehokkaita tietokoneita, jotka mahdollistivat plasman käyttäytymisen matemaattisten mallien luomisen.

Vielä ei ole yksimielisyyttä siitä, mikä menetelmä on paras plasman eristämiseen. Tunnetuin malli, tokamak, on donitsin muotoinen tyhjiökammio (kuten matemaatikot sanovat, torus), jonka sisällä ja ulkopuolella on plasmaloukut. Tässä kokoonpanossa on maailman suurin ja kallein lämpöydinlaitos – Etelä-Ranskassa parhaillaan rakenteilla oleva ITER-reaktori.

Tokamakin lisäksi termoydinreaktoreita on monia mahdollisia konfiguraatioita: pallomaiset, kuten Pietarin Globus-M:ssä, omituisen kaarevat stellaraattorit (kuten Wendelstein 7-X Max Planckin ydinfysiikan instituutissa Saksassa), laser. inertiaansa, kuten amerikkalainen NIF. Ne saavat paljon vähemmän mediahuomiota kuin ITER, mutta niillä on myös korkeat odotukset.

Jotkut tutkijat pitävät stellaraattorin suunnittelua pohjimmiltaan onnistuneempana kuin tokamakki: se on halvempaa rakentaa, ja plasman sulkemisaika lupaa antaa paljon enemmän. Energian lisäyksen tarjoaa itse plasmaloukun geometria, jonka avulla päästään eroon "donitsille" ominaisista loisvaikutuksista ja vuodoista. Laserpumpulla varustetulla versiolla on myös etunsa.

Niissä oleva vetypolttoaine lämmitetään laserpulsseilla vaadittuun lämpötilaan ja fuusioreaktio alkaa lähes välittömästi. Plasmaa tällaisissa asennuksissa pitää hitaus, eikä sillä ole aikaa hajota - kaikki tapahtuu niin nopeasti.

Koko maailma

Kaikki maailmassa nykyiset lämpöydinreaktorit ovat kokeellisia koneita. Mitään niistä ei käytetä sähköntuotantoon. Kukaan ei ole vielä onnistunut täyttämään lämpöydinreaktion pääkriteeriä (Lawsonin kriteeri): saada enemmän energiaa kuin mitä reaktion synnyttämiseen käytettiin. Siksi maailman yhteisö on keskittynyt jättimäiseen ITER-projektiin. Jos Lawsonin kriteeri täyttyy ITERissä, tekniikkaa voidaan jalostaa ja yrittää siirtää kaupallisille kiskoille.

Mikään maa maailmassa ei pysty rakentamaan ITERiä yksin. Se tarvitsee pelkästään 100 tuhatta kilometriä suprajohtavia johtoja ja myös kymmeniä suprajohtavia magneetteja ja jättiläismäisen keskussolenoidin plasman pitämiseen, järjestelmän korkean tyhjön luomiseksi renkaaseen, heliumjäähdyttimiä magneeteille, ohjaimia, elektroniikkaa… Hanke rakentaa 35 maata ja kerralla tuhansia tieteellisiä instituutteja ja tehtaita.

Venäjä on yksi tärkeimmistä hankkeeseen osallistuvista maista; Venäjällä suunnitellaan ja rakennetaan 25 tulevan reaktorin teknologista järjestelmää. Nämä ovat suprajohteita, plasmaparametrien mittausjärjestelmiä, automaattisia ohjaimia ja divertterin komponentteja, tokamakin sisäseinän kuuminta osaa.

ITERin käynnistämisen jälkeen venäläiset tutkijat pääsevät käsiksi kaikkiin sen kokeellisiin tietoihin. ITERin kaiku ei kuitenkaan tunneta vain tieteessä: nyt joillekin alueille on ilmestynyt tuotantolaitoksia, joita Venäjällä ei ollut aiemmin. Esimerkiksi ennen projektin alkua maassamme ei ollut suprajohtavien materiaalien teollista tuotantoa, ja vain 15 tonnia vuodessa tuotettiin kaikkialla maailmassa. Nyt vain valtionyhtiön "Rosatom" Chepetskin mekaanisessa tehtaassa on mahdollista tuottaa 60 tonnia vuodessa.

Energian tulevaisuus ja siitä eteenpäin

Ensimmäinen plasma ITERiin on tarkoitus vastaanottaa vuonna 2025. Koko maailma odottaa tätä tapahtumaa. Mutta yksi, jopa tehokkain, kone ei ole kaikki. Kaikkialla maailmassa ja Venäjällä ne jatkavat uusien lämpöydinreaktorien rakentamista, mikä auttaa vihdoin ymmärtämään plasman käyttäytymistä ja löytämään parhaan tavan käyttää sitä.

Jo vuoden 2020 lopussa Kurchatov-instituutti aikoo lanseerata uuden tokamak T-15MD:n, josta tulee osa hybridilaitosta, jossa on ydin- ja lämpöydinelementtejä. Hybridilaitoksessa lämpöydinreaktioalueella muodostuvia neutroneja käytetään raskaiden ytimien - uraanin ja toriumin - fission käynnistämiseen. Tulevaisuudessa tällaisilla hybridikoneilla voidaan tuottaa polttoainetta perinteisiin ydinreaktoreihin - sekä lämpö- että nopeita neutroneja.

Toriumin pelastus

Erityisen houkutteleva on mahdollisuus käyttää lämpöydintä "ydintä" neutronien lähteenä käynnistämään hajoaminen toriumytimissä. Toriumia on planeetalla enemmän kuin uraania, ja sen käyttö ydinpolttoaineena ratkaisee useita nykyaikaisen ydinvoiman ongelmia kerralla.

Siten toriumin hajoamistuotteita ei voida käyttää sotilaallisten radioaktiivisten aineiden valmistukseen. Tällaisen käytön mahdollisuus toimii poliittisena tekijänä, joka estää pieniä maita kehittämästä omaa ydinenergiaansa. Toriumpolttoaine ratkaisee tämän ongelman lopullisesti.

Plasmaloukut voivat olla hyödyllisiä paitsi energiassa, myös muilla rauhanomaisilla aloilla - jopa avaruudessa. Nyt Rosatom ja Kurchatov-instituutti työskentelevät avaruusaluksiin tarkoitetun elektrodittoman plasmarakettimoottorin komponenttien ja materiaalien plasmamuokkausjärjestelmien parissa. Venäjän osallistuminen ITER-projektiin kannustaa teollisuutta, mikä johtaa uusien teollisuudenalojen syntymiseen, jotka ovat jo perustana uudelle Venäjän kehitykselle.