Тэрмаядзерныя рэактары ў свеце. Першы тэрмаядзерны рэактар

Сёння многія краіны прымаюць удзел у тэрмаядзерных даследаваннях. Лідэрамі з'яўляюцца Еўрапейскі саюз, ЗША, Расія і Японія, а праграмы Кітая, Бразіліі, Канады і Карэі імкліва нарошчваюцца. Першапачаткова тэрмаядзерныя рэактары ў ЗША і СССР былі звязаны з распрацоўкай ядзернай зброі і заставаліся засакрэчанымі да канферэнцыі «Атамы для свету», якая адбылася ў Жэневе ў 1958 годзе. Пасля стварэння савецкага токамака даследаванні ядзернага сінтэзу ў 1970 гады сталі «вялікай навукай». Але кошт і складанасць прылад павялічвалася да кропкі, калі міжнароднае супрацоўніцтва стала адзінай магчымасцю прасоўвацца наперад.

Тэрмаядзерныя рэактары ў свеце

Пачынаючы з 1970 гадоў, пачатак камерцыйнага выкарыстання энергіі сінтэзу пастаянна адсоўваюць на 40 гадоў. Аднак у апошнія гады адбылося шмат што, дзякуючы чаму гэты тэрмін можа быць скарочаны.

Пабудавана некалькі токамаков, у тым ліку еўрапейскі JET, брытанскі MAST і эксперыментальны тэрмаядзерны рэактар TFTR у Прынстане, ЗША. Міжнародны праект ITER ў цяперашні час знаходзіцца ў стадыі будаўніцтва ў Кадараше, Францыя. Ён стане самым буйным токамаком, калі запрацуе ў 2020 гадах. У 2030 г. у Кітаі будзе пабудаваны CFETR, які перасягне ITER. Тым часам КНР праводзіць даследаванні на эксперыментальным звышправодны токамаке EAST.

Тэрмаядзерныя рэактары іншага тыпу - стеллаторы - таксама папулярныя ў даследчыкаў. Адзін з найбуйнейшых, LHD, пачаў працу ў японскім Нацыянальным інстытуце тэрмаядзернага сінтэзу ў 1998 годзе. Ён выкарыстоўваецца для пошуку найлепшай магнітнай канфігурацыі ўтрымання плазмы. Нямецкі Інстытут Макса Планка ў перыяд з 1988 па 2002 год праводзіў даследаванні на рэактары Wendelstein 7-AS ў Гархинге, а ў цяперашні час - на Wendelstein 7-X, будаўніцтва якога доўжылася больш за 19 гадоў. Іншы стелларатор TJII эксплуатуецца ў Мадрыдзе, Іспанія. У ЗША Прынстанскага лабараторыя фізікі плазмы (PPPL), дзе быў пабудаваны першы тэрмаядзерны рэактар дадзенага тыпу ў 1951 годзе, у 2008 годзе спыніла будаўніцтва NCSX з-за перарасходу сродкаў і адсутнасці фінансавання.

Акрамя таго, дасягнуты значныя поспехі ў даследаваннях інерцыйных тэрмаядзернага сінтэзу. Будаўніцтва National Ignition Facility (NIF) коштам 7 млрд $ ў Ліверморская нацыянальнай лабараторыі (LLNL), якое фінансуецца Нацыянальнай адміністрацыяй па ядзернай бяспекі, было завершана ў сакавіку 2009 года Французская Laser Mégajoule (LMJ) пачаў працу ў кастрычніку 2014 года. Тэрмаядзерныя рэактары выкарыстоўваюць дастаўленыя лазерамі на працягу некалькіх мільярдных доляй секунды каля 2 млн джоулей светлавой энергіі ў мэту памерам у некалькі міліметраў для запуску рэакцыі ядзернага сінтэзу. Асноўнай задачай NIF і LMJ з'яўляюцца даследаванні па падтрымцы нацыянальных ваенных ядзерных праграм.

ITER

У 1985 г. Савецкі Саюз прапанаваў пабудаваць токамак наступнага пакалення сумесна з Еўропай, Японіяй і ЗША. Праца вялася пад эгідай МАГАТЭ. У перыяд з 1988 па 1990 год былі створаны першыя праекты Міжнароднага тэрмаядзернага эксперыментальнага рэактара ITER, што таксама азначае «шлях» або «вандраванне» на латыні, з мэтай даказаць, што сінтэз можа выпрацоўваць больш энергіі, чым паглынаць. Канада і Казахстан таксама прынялі ўдзел пры пасярэдніцтве Евратома і Расіі адпаведна.

Праз 6 гадоў савет ITER ўхваліў першую комплексны праект рэактара на аснове ўстоянай фізікі і тэхналогіі коштам 6 млрд $. Тады ЗША выйшлі з кансорцыума, што вымусіла удвая скараціць выдаткі і змяніць праект. Вынікам стаў ITER-FEAT коштам 3 млрд дал., Але які дазваляе дасягнуць самападтрымоўваемаму рэакцыі і станоўчага балансу магутнасці.

У 2003 г. ЗША зноў далучыліся да кансорцыуму, а Кітай абвясціў пра сваё жаданне ў ім удзельнічаць. У выніку ў сярэдзіне 2005 году партнёры дамовіліся аб будаўніцтве ITER ў Кадараше на поўдні Францыі. ЕС і Францыя ўносілі палову ад 12,8 млрд еўра, а Японія, Кітай, Паўднёвая Карэя, ЗША і Расея - па 10% кожны. Японія падавала высокатэхналагічныя кампаненты, ўтрымоўвала ўстаноўку IFMIF коштам 1 млрд еўра, прызначаную для выпрабаванні матэрыялаў, і мела права на ўзвядзенне наступнага тэставага рэактара. Агульны кошт ITER ўключае палову выдаткаў на 10-гадовае будаўніцтва і палову - на 20 гадоў эксплуатацыі. Індыя стала сёмым членам ИТЭР у канцы 2005 г.

Эксперыменты павінны пачацца у 2018 г. са выкарыстаннем вадароду, каб пазбегнуць актывацыі магнітаў. Выкарыстанне DT плазмы не чакаецца раней 2026 г.

Мэта ITER - выпрацаваць 500 МВт (хоць бы на працягу 400 с), выкарыстоўваючы менш за 50 МВт ўваходных магутнасці без генерацыі электраэнергіі.

Двухгигаваттная дэманстрацыйная электрастанцыя Demo будзе вырабляць буйнамаштабнае вытворчасць электраэнергіі на пастаяннай аснове. Канцэптуальны дызайн Demo будзе завершаны да 2017 года, а яго будаўніцтва пачнецца ў 2024 года. Пуск адбудзецца ў 2033 годзе.

JET

У 1978 г. ЕС (Еўратам, Швецыя і Швейцарыя) пачалі сумесны еўрапейскі праект JET ў Вялікабрытаніі. JET сёння з'яўляецца найбуйнейшым працуюць токамаком ў свеце. Падобны рэактар JT-60 працуе ў японскім Нацыянальным інстытуце тэрмаядзернага сінтэзу, але толькі JET можа выкарыстоўваць дэйтэрый-тритиевое паліва.

Рэактар быў запушчаны ў 1983 годзе, і стаў першым эксперыментам, у выніку якога ў лістападзе 1991 года быў праведзены кіраваны тэрмаядзерны сінтэз магутнасцю да 16 МВт на працягу адной секунды і 5 МВт стабільнай магутнасці на дэйтэрый-тритиевой плазме. Было праведзена мноства эксперыментаў з мэтай вывучэння розных схем нагрэву і іншых тэхнік.

Наступныя ўдасканаленні JET датычацца павышэння яго магутнасці. Кампактны рэактар MAST распрацоўваецца разам з JET і з'яўляецца часткай праекта ITER.

K-STAR

K-STAR - карэйская звышправодзячых токамак Нацыянальнага інстытута тэрмаядзерных даследаванняў (NFRI) у Тэджоне, які вырабіў сваю першую плазму ў сярэдзіне 2008 года. Гэта пілотны праект ITER, які з'яўляецца вынікам міжнароднага супрацоўніцтва. Токамак радыусам 1,8 м - першы рэактар, які выкарыстоўвае звышправодныя магніты Nb3Sn, такія ж, якія плануецца выкарыстаць у ITER. Падчас першага этапу, які завяршыўся да 2012 года, K-STAR павінен быў даказаць жыццяздольнасць базавых тэхналогій і дасягнуць плазменных імпульсаў працягласцю да 20 с. На другім этапе (2013-2017) праводзіцца яго мадэрнізацыя для вывучэння доўгіх імпульсаў да 300 з у рэжыме H і пераходу да высокапрадукцыйнай AT-рэжыму. Мэтай трэцяй фазы (2018-2023) з'яўляецца дасягненне высокай прадукцыйнасці і эфектыўнасці ў рэжыме працяглых імпульсаў. На 4 этапе (2023-2025) будуць выпрабоўвацца тэхналогіі DEMO. Прылада не здольна працаваць з трыцій і DT паліва не выкарыстоўвае.

K-DEMO

Распрацаваны ў супрацоўніцтве з Прынстанскага лабараторыі фізікі плазмы (PPPL) Міністэрства энергетыкі ЗША і паўднёва-карэйскім інстытутам NFRI, K-DEMO павінен стаць наступным крокам на шляху стварэння камерцыйных рэактараў пасля ITER, і будзе першай электрастанцыяй, здольнай генераваць магутнасць у электрычную сетку, а менавіта за 1 млн кВт на працягу некалькіх тыдняў. Яго дыяметр складзе 6,65 м, і ён будзе мець модуль зоны ўзнаўлення, які ствараецца ў рамках праекта DEMO. Міністэрства адукацыі, навукі і тэхналогій Карэі плануе інвеставаць у яго каля трыльёна карэйскіх прэч (941 млн $).

EAST

Кітайскі эксперыментальны удасканалены звышправодзячых токамак (EAST) у Інстытуце фізікі Кітая ў Хефее стварыў вадародную плазму тэмпературай 50 млн ° C і утрымліваў яе на працягу 102 с.

TFTR

У амерыканскай лабараторыі PPPL эксперыментальны тэрмаядзерны рэактар TFTR працаваў з 1982 па 1997 гады. У снежні 1993 г. TFTR стаў першым магнітным токамаком, на якім праводзіліся шырокія эксперыменты з плазмай з дэйтэрый-трыція. У наступным годзе рэактар вырабіў рэкордныя у той час 10,7 МВт кіраванай магутнасці, а ў 1995 годзе быў дасягнуты рэкорд тэмпературы іянізаванага газу ў 510 млн ° C. Аднак ўстаноўка не дасягнула мэты бясстратнасці энергіі тэрмаядзернага сінтэзу, але з поспехам выканала мэты праектавання апаратных сродкаў, зрабіўшы значны ўклад у развіццё ITER.

LHD

LHD ў японскім Нацыянальным інстытуце тэрмаядзернага сінтэзу ў Токі, прэфектура Гифу, быў самым вялікім стелларатором ў свеце. Запуск тэрмаядзернага рэактара адбыўся ў 1998 г., і ён прадэманстраваў якасці ўтрымання плазмы, параўнальныя з іншымі буйнымі ўстаноўкамі. Была дасягнутая тэмпература іёнаў 13,5 кэВ (каля 160 млн ° C) і энергія 1,44 МДж.

Wendelstein 7-X

Пасля года выпрабаванняў, якія пачаліся ў канцы 2015 года, тэмпература гелія на кароткі час дасягнула за 1 млн ° C. У 2016 г. тэрмаядзерны рэактар з вадароднай плазмай, выкарыстоўваючы 2 МВт магутнасці, дасягнуў тэмпературы 80 млн ° C на працягу чвэрці секунды. W7-X з'яўляецца найбуйнейшым стелларатором ў свеце і плануецца яго бесперапынная праца на працягу 30 хвілін. Кошт рэактара склала 1 млрд €.

NIF

National Ignition Facility (NIF) у Ліверморская нацыянальнай лабараторыі (LLNL) быў завершаны ў сакавіку 2009 года. Выкарыстоўваючы свае 192 лазерных прамянёў, NIF здольны сканцэнтраваць у 60 разоў больш энергіі, чым любая папярэдняя лазерная сістэма.

Халодны ядзерны сінтэз

У сакавіку 1989 года два даследчыка, амерыканец Стэнлі Понс і брытанец Марцін Флайшман, заявілі, што яны запусцілі просты настольны халодны тэрмаядзерны рэактар, які працуе пры пакаёвай тэмпературы. Працэс складаўся ў электролізе цяжкай вады з выкарыстаннем палладиевых электродаў, на якіх ядра дэйтэрыя канцэнтраваліся з высокай шчыльнасцю. Даследнікі сцвярджаюць, што выраблялася цяпло, якое можна было растлумачыць толькі з пункту гледжання ядзерных працэсаў, а таксама меліся пабочныя прадукты сінтэзу, уключаючы гелій, трыцій і нейтроны. Аднак іншым эксперыментатара не ўдалося паўтарыць гэты вопыт. Большая частка навуковай супольнасці не лічыць, што халодныя тэрмаядзерныя рэактары рэальныя.

Нізкаэнергетычных ядзерныя рэакцыі

Ініцыяваныя прэтэнзіямі на «халодны тэрмаядзерны сінтэз», даследаванні працягнуліся ў галіне нізкаэнергетычных ядзерных рэакцый, якія маюць некаторую эмпірычную падтрымку, але не агульнапрынятае навуковае тлумачэнне. Па-відаць, для стварэння і захопу нейтронаў выкарыстоўваюцца слабыя ядзерныя ўзаемадзеяння (а не магутная сіла, як пры дзяленні ядраў або іх сінтэзе). Эксперыменты ўключаюць пранікненне вадароду або дэйтэрыя праз каталітычны пласт і рэакцыю з металам. Даследчыкі паведамляюць аб назіраным вызваленні энергіі. Асноўным практычным прыкладам з'яўляецца ўзаемадзеянне вадароду з парашком нікеля з вылучэннем цяпла, колькасць якога больш, чым можа даць любая хімічная рэакцыя.