روز پس فردا گرما هسته ای
از انرژی گرما هسته ای چه انتظاری می توان داشت و چه چیزی نباید باشد؟
در پایان ماه اوت، رسانه های جهانی پیام شرکت آمریکایی Tri Alpha Energy را حلقه زدند که از "پیشرفت قابل توجهی" در توسعه راکتور گرما هسته ای خود، جایگزینی برای محبوب ترین توکامک های جهان خبر داد. مهندسان کار بر روی این پروژه گفتند که آنها موفق به حفظ پلاسمای گرم شده تا 10 میلیون درجه سانتیگراد به مدت 5 میلی ثانیه شدند - سیستم به سادگی انرژی کافی برای بیشتر نداشت.
Tri Alpha Energy ریشه های روسی قابل توجهی دارد: همانطور که مشخص شد، Rosnano سهام این شرکت را از طریق یکی از زیرمجموعه های خارجی خود دارد. دانشمندان روسی نیز نقش مهمی در این پروژه دارند، بنابراین پیشرفت اخیر شایستگی آنهاست. بنابراین، پیچیده ترین انژکتورها برای نصب در موسسه فیزیک هسته ای سیبری طراحی و تولید می شوند. Budker SB RAS. به گفته آلکسی بکلیمیشف، کاندیدای علوم فیزیک و ریاضی، که در ساخت این انژکتورها نقش دارد، دانشمندان کشورهای دیگر به سختی قادر به انجام چنین کاری هستند. ما با او در مورد تفاوت رآکتور تری آلفا با توکاماک، نحوه استفاده از آنها برای تولید طلا و به طور کلی در مورد احتمالات انرژی گرما هسته ای صحبت کردیم.
- آنها می گویند که نسخه های مختلف راکتورها - توکاماک ها، ستاره ها و غیره - روش های مختلفی برای محدود کردن پلاسما هستند که فیزیکدانان در تلاش هستند تا برای همجوشی گرما هسته ای کنترل شده بر آنها مسلط شوند. پروژه تری آلفا چگونه در این مجموعه برجسته می شود؟
- هم توکامک ها، هم ستاره سازها و هم راه حلی که سازندگان تری آلفا در حال کار هستند اساساً متفاوت نیستند: همه آنها از محصور شدن پلاسمای مغناطیسی استفاده می کنند. پلاسمای موجود در آنها در حالت شبه ایستا حفظ می شود، یعنی برای مدت طولانی با کمک یک میدان مغناطیسی خارجی باقی می ماند.
سیستم های ایمپالس که از فلاش های لیزری فوق العاده کوتاه و فوق العاده قوی استفاده می کنند، تفاوت های قابل توجهی با آنها دارند. همه چیز آنجا در کمترین کسری از ثانیه اتفاق می افتد - در واقع، این "سوختن" نیست، بلکه مجموعه ای از انفجارهای کوچک گرما هسته ای است. علاوه بر این، طیف وسیعی از گزینه های میانی وجود دارد.
- پس تفاوت های اصلی بین طرحی که آنها در تری آلفا روی آن کار می کنند و توکاماک هایی که برای ما آشناتر هستند چیست؟
- پیکربندی میدان مغناطیسی در تری آلفا تقریباً مانند یک توکامک است: اینها خطوط بسته نیرو هستند که یک "دونات" یا یک چنبره را تشکیل می دهند.
بیاد داشته باشیم که پلاسما از یون ها و الکترون ها تشکیل شده است. الکترون ها ذرات زیرک و سریعی هستند و اگر بتوانند از پلاسما "فرار" کنند، به سرعت سرد می شوند. خوشبختانه، الکترون ها باردار هستند و فقط می توانند در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت کنند. بنابراین، رویکرد کلاسیک برای محدود کردن الکترونها بستن خطوط میدان مغناطیسی در یک چنبره است. این روشی است که در توکامک ها و در استلاراتورها و در سیستم هایی با میدان معکوس مانند تری آلفا پیاده سازی می شود.
با این حال، اگر در یک توکامک این میدان توسط سیستم های پیچیده ای از آهنرباها، هسته ها و سیم پیچ های ابررسانا تشکیل شده باشد، در اینجا این دسته حلقوی درست در داخل یک "ابر" پلاسمایی کوچک تشکیل می شود. این راه حل مزیت اصلی Tri Alpha - مزیت ابعاد فشرده را می دهد. اگر یک توکامک قدرتمند، مانند ITER در حال ساخت، یک دسته حلقوی به اندازه یک خانه تشکیل دهد، نصب Tri Alpha در بزرگترین نسخه آن یک چنبره پلاسما با شعاع حدود دو متر ایجاد می کند.
سیستمهای میدان مغناطیسی معکوس فشردهتر، ارزانتر و بالقوه کارآمدتر از توکامکها هستند. این تئوری پیشبینی میکند که برخی از چرخههای سوخت گرما هستهای امیدوارکننده در توکاماکها به دلایلی در اصل غیرقابل تحقق هستند. احتراق پلاسمای دوتریوم-تریتیوم (DT) را می توان در آنها به دست آورد، اما سوخت دوتریوم-دوتریوم (DD) و حتی بیشتر از آن پروتون-بور-11 (pB) را نمی توان در توکامک استفاده کرد.
این نوع سوخت از نظر تولید انرژی، اکولوژی و عوامل دیگر بسیار سودآورتر است. اما آنها به کارایی بسیار بالاتری از محصور شدن پلاسما توسط میدان مغناطیسی نسبت به توکامک ها نیاز دارند. با این حال، در برخی از سیستم های جایگزین، از جمله میدان معکوس، محصور شدن پلاسما می تواند به سطح مطلوب برسد. از این رو امیدهایی که با پروژه هایی مانند تری آلفا مرتبط است.
- انژکتورهایی که شما و همکارانتان در حال توسعه آنها هستید چه نقشی در همه اینها دارند؟
نقش آنها بسیار زیاد است و برای رآکتورهایی از هر نوع، چه ITER یا Tri Alpha tokamak مورد نیاز هستند. ابتدا برای اینکه یک واکنش گرما هسته ای انجام شود، پلاسما باید گرم شود. ثانیاً، مقداری از دست دادن ذرات از آن در هر صورت اجتناب ناپذیر است و کمبود باید دائماً جبران شود. ثالثاً، که مخصوصاً برای سیستم های حلقوی مهم است، جریان الکتریکی را می توان با تزریق پلاسما حفظ کرد. برای همه اینها، انژکتورها مورد نیاز هستند: وظیفه آنها "تزریق" ذرات از پیش آماده و گرم شده به پلاسما است.
انجام این کار آسان نیست، زیرا ما مجبور هستیم پلاسما را با یک میدان مغناطیسی محدود کنیم تا ذرات خارج از آن آزاد نشوند. اما ذرات دیگر را نیز وارد پلاسما نمی کند. بنابراین، ما باید آنها را به شکل اتم های خنثی به داخل پلاسما "پرتاب کنیم" که عملاً به میدان مغناطیسی واکنش نشان نمی دهند و تنها پس از آن اتم ها را به یون تبدیل می کنند. علاوه بر این، آنها باید با سرعت کافی بالا تغذیه شوند تا اتم ها قبل از از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به یون، زمان لازم برای رسیدن به مناطق مرکزی پلاسما را داشته باشند.
راکتورهای بزرگ، مانند ITER tokamak یا سیستم Tri Alpha، نیاز دارند که انژکتورها دائماً کار کنند و در سطوح انرژی بالا باشند. انژکتورهای قدرتمندی مورد نیاز هستند، اغلب از نظر اندازه حتی بزرگتر از خود راکتور هستند. علاوه بر این، انژکتورهای تشخیصی نیز وجود دارد. آنها از جریانی از اتم های سریع استفاده می کنند نه برای "تغذیه" یک واکنش گرما هسته ای، بلکه برای مطالعه پلاسما و هر آنچه در داخل آن اتفاق می افتد.
این یک علم عالی و فناوری عالی در خالص ترین شکل آن است. توسعه انژکتورها یک کار فنی، فنی و علمی بسیار دشوار است. ما این کار را هم برای تاسیسات خود در نووسیبیرسک و هم برای تعدادی از پروژه های بین المللی به مدت 15 تا 20 سال انجام می دهیم. فکر می کنم تیم ما در این زمینه رهبر جهانی است. بنابراین پروژه تری آلفا یکی از مشتریان ما شد. علاوه بر این، مشتری بسیار سودآور است: آنها به انژکتورهای منحصر به فرد نیاز دارند و آماده تامین مالی توسعه فناوری های مورد نیاز برای این کار هستند. به نظر می رسد که ما کار علمی خود را انجام می دهیم، فناوری های پیشرفته را توسعه می دهیم، پرسنل بسیار ماهر را جمع آوری می کنیم و حتی در این زمینه پول خوبی به دست می آوریم.
- اگر در مورد تری آلفا صحبت کنیم، اخیراً رسانه ها مملو از گزارش هایی بودند مبنی بر اینکه نویسندگان این پروژه موفق به انجام یک گام بزرگ و مهم به جلو شدند. واقعاً این دستاورد چقدر قابل توجه است؟
- به طور کلی، این شامل این واقعیت است که تیم تری آلفا به نتایجی دست یافته است که به سرمایه گذاران خود قول داده بودند. کار این پروژه در مرحله سازماندهی می شود و در هر مرحله آنها باید به نتایج خاصی دست یابند، آنها را به سرمایه گذاران نشان دهند، تأیید کنند که همه چیز همانطور که باید در حال توسعه است و تنها پس از آن بودجه چند میلیون دلاری جدید برای مرحله بعدی دریافت کنند.
بر این اساس، آنچه اخیراً دیدهایم، به طور کلی، تبلیغات عمومی برای متقاعد کردن سرمایهگذاران به تخصیص 300 میلیون دلار برای مرحله بعدی کار است. با این حال، دلایل خوبی برای این تبلیغات وجود دارد.
به یاد داشته باشید، ما گفتیم که راکتور تری آلفا یک سیستم میدان مغناطیسی معکوس است. حجم چنبره پلاسمایی که در آن وجود دارد نسبتاً کم است. پلاسما خیلی سریع تعداد معینی از ذرات را از دست می دهد، خنک می شود و تجزیه می شود. و فقط اخیراً ، توسعه دهندگان Tri Alpha برای اولین بار موفق شدند به وجود پایدار "دونات" پلاسما در تمام مدتی که نصب آنها کار می کرد - تا زمانی که انرژی ذخیره شده برای آزمایش تمام شود ، به دست آورند. در این حالت، تمام پارامترهای پلاسما در همان سطح باقی ماندند.
به عبارت دیگر، در محصور کردن پلاسمای داغ، نویسندگان تری آلفا به بیمارستان رفتند. میتوانیم با اطمینان فرض کنیم که در آینده، زمانی که پلاسما تا دماهای جدیتری که برای همجوشی حرارتی هستهای لازم است گرم شود، آنها قادر خواهند بود پلاسما را در این حالت نگه دارند. این یکی از مشکلات ذاتی تمام تاسیسات میدان معکوس بود و برای اولین بار حل شد. به طور کلی، این در واقع یک دستاورد جدی است، دلیلی بر این اصل که رویکرد انتخاب شده در نهایت می تواند کارساز باشد.
همانطور که قبلاً گفتیم، توکاماک ها به دلیل راندمان نسبتاً پایین محصور شدن پلاسما محدود شده اند و قادر به اجرای واکنش های حرارتی هسته ای روی امیدوار کننده ترین انواع سوخت نخواهند بود. Tri Alpha بیشتر به دنبال آن است: از نظر تئوری، آنها قصد دارند به حدود ده برابر محصورسازی پلاسما بهتری دست یابند و قادر به اجرای واکنش های بسیار پیشرفته تر، تا پروتون-بور-11 باشند.
مهمترین ویژگی این واکنش این است که انرژی آن به صورت ذرات باردار و پرتوهای گاما آزاد می شود که بر خلاف تابش نوترونی به راحتی محافظت می شود. از این رو پیشنهاد منحصر به فرد تری آلفا: "همجوشی خالص"، انرژی بدون نوترون و بدون رادیواکتیویته. با این حال، یک مشکل اساسی در اجرای چنین رویکردی وجود دارد. این دمای مورد نیاز است: اگر همجوشی گرما هسته ای "دوتریوم" به طور موثر در دمای پلاسما 100-300 میلیون درجه کار کند، برای پروتون-بور-11 دما 20 برابر بیشتر مورد نیاز است. دماهای بسیار زیاد باعث تابش فعال پلاسما می شود و به سرعت تقریباً تمام انرژی خود را در قالب اشعه ایکس از دست می دهد. چنین پلاسما به خودی خود نمی تواند بسوزد، باید دائماً با انرژی از خارج تغذیه شود، به ویژه با کمک انژکتورها.
به طور کلی آزاد شدن انرژی یک مکالمه کاملا جدا و مهم است. واقعیت این است که در واکنش های گرما هسته ای به میزان بیشتری به شکل نوترون ها و انواع ذرات یونیزه کننده - پروتون ها، کوانتوم های گاما و غیره رخ می دهد. و این انرژی البته هم برای افرادی که اینجا کار می کنند و هم برای تجهیزات خطرناک است...
حتی فیزیکدانان نیز تمایل زیادی به آزمایش پلاسمای دوتریوم-تریتیوم ندارند. حدود 20 سال پیش، چنین آزمایشاتی در ایالات متحده انجام شد، پس از آن توکامک باید برچیده و دفن می شد: رادیواکتیو شد و استفاده بیشتر از آن بسیار خطرناک بود. توکامک JET در انگلستان برای مدت کوتاهی با تریتیوم کار کرد و پس از آن برای مدت طولانی برای تعمیر و نگهداری متوقف شد. برای به دست آوردن بازده انرژی گرما هسته ای بیشتر از هزینه، به تاسیساتی با حفاظت پیچیده و گران قیمت نیاز است.
بنابراین، هنگامی که ITER tokamak، که در حال حاضر در فرانسه ساخته می شود، به یک "برنامه تریتیوم" عمل می کند، به طور کامل به تعمیر و نگهداری خودکار منتقل می شود. در اطراف نصب تنها باقی خواهد ماند ربات هاکه تمام کارهای لازم را انجام خواهد داد. و با این حال، یک "پتو" محافظ ویژه برای ITER در حال توسعه است که کل نصب را پوشش می دهد و تشعشعات و نوترون ها را به دام می اندازد.
- به نظر شما، کدام نوع راکتورها در نهایت "برنده" خواهند شد و در صنعت انرژی حرارتی آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت؟
- من فکر می کنم که راکتور ITER در نهایت تقریباً همانطور که توسعه دهندگان آن در نظر داشتند کار می کند و حتی در زمان مناسب به سطح توان برنامه ریزی شده می رسد. مشکل اینجا در فیزیک نیست، بلکه در اقتصاد است: حتی زمانی که ITER شروع به کار می کند، افراد بسیار کمی به خودی خود به آن نیاز خواهند داشت. به عبارت دیگر، به دست آوردن یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده امکان پذیر خواهد بود - اما این هنوز از نظر استفاده تجاری از انرژی گرما هسته ای بسیار کم خواهد بود. شرکتکنندگان ITER خودشان این را درک میکنند، بنابراین پس از آن یک پروژه DEMO جدید و حتی بزرگتر طراحی شد، که وظیفه آن نشان دادن یک طرح توجیهشده اقتصادی از یک نیروگاه حرارتی هستهای خواهد بود.
چنین نیروگاه هایی که مبتنی بر توکاماک هستند قادر خواهند بود چندین گیگاوات انرژی تولید کنند (مانند نیروگاه های بزرگ هسته ای مدرن و نیروگاه های برق آبی. - RP.). اینها پیچیدهترین و عظیمترین سیستمهای مهندسی در طراحی، ساخت و مدیریت خواهند بود که نسبت به نیروگاههای هستهای پیچیدهتر هستند. هر کشوری نمی تواند چنین مقیاسی را تحمل کند و همه به آن نیاز ندارند.
به طور کلی، ما با ارزان ترین برق، امکانات نسبتاً محدودی خواهیم داشت. بنابراین، به نظر من اگرچه کاملاً ارزش دارد که از ITER انتظار موفقیت داشته باشیم، اما история tokamaks به عنوان منابع انرژی، این ممکن است پایان یابد. مگر اینکه اجرای دیگری از این مفهوم وجود داشته باشد.
- اما پس از آن معنای کار در زمینه همجوشی حرارتی کنترل شده نامشخص است. اگر انرژی گران قیمت و "رادیواکتیو" دریافت می کنیم، چرا باید کنترل پلاسما را یاد بگیریم؟
- در واقع، انرژی از تنها حوزه کاربرد بالقوه برای یک "گرمای هسته ای" کنترل شده فاصله دارد. حتی نوترونهای خطرناکی که از واکنش ساطع میشوند در برخی مناطق بسیار ارزشمند هستند. در واقع، هزینه این نوترون های سریع بسیار بیشتر از هزینه طلا است.
اگر هدف خاصی در راه آنها قرار گیرد، با کمک آنها می توان "تغییر عناصر" را در هدف انجام داد - در مقیاس صنعتی، رویای کیمیاگران را در مورد تبدیل برخی از مواد به مواد دیگر تحقق بخشید. به عبارت امروزی، ما می توانیم برخی از ایزوتوپ های مورد نیاز خود را بدست آوریم یا برخی دیگر را که مضر و خطرناک هستند، نابود کنیم.
چشم انداز ایجاد چنین تاسیساتی برای زباله های رادیواکتیو "پس از سوزاندن" از صنایع رادیواکتیو بسیار نزدیک است. اگر انرژی حرارتی هسته ای هنوز باید نیم قرن صبر کند، به احتمال زیاد "پس سوز" در 10 سال آینده ظاهر می شود. تخمین زده می شود که چنین نصبی از نظر اقتصادی و عملی توجیه اقتصادی داشته باشد که بازده تبدیل انرژی عرضه شده به راکتور گرما هسته ای به نوترون حداقل 10 درصد می رسد. و این نوار در حال حاضر در مقابل توسعه دهندگان بسیار نزدیک است.
در مرحله بعد، سیستمی به نام "مولد سوخت" ممکن است ظاهر شود. برای تبدیل انرژی به نوترون به حدود 50 درصد راندمان نیاز دارد. در اینجا ما میتوانیم ایزوتوپهای مهم را در مقادیر عملاً صنعتی به دست آوریم - برای تولید سوخت هستهای ارزشمند با تبدیل توریم به مخلوط ایزوتوپها با اورانیوم 233.
علاوه بر این، مفهوم راکتورهای هیبریدی هسته ای-گرمای هسته ای به طور فعال ترویج می شود که یکی از حامیان بزرگ آن آکادمیک اوگنی پاولوویچ ولیخوف، رئیس شورای ITER است. قابل درک است که نیروگاه همجوشی نوترون ها را تولید می کند و آن ها یک راکتور هسته ای سریع نوترونی بسیار کارآمد و ایمن را تغذیه می کنند.
- به گفته شما، توسعه دهندگان تری آلفا هر مرحله از کار آینده خود را برنامه ریزی کرده اند. آیا این طرح پایان قابل پیش بینی دارد؟ چه زمانی میتوانیم منتظر «همجوشی خالص» موعود باشیم؟
- مشکل تری آلفا فقط در راکتور و محصور شدن پلاسما نیست. تعداد باورنکردنی از مشکلات علمی و فنی هنوز باید حل شود. ما باید راهی بسیار کارآمد برای تبدیل پرتوهای ایکس منتشر شده در راکتور به برق پیدا کنیم. لازم است راندمان انرژی هر عنصر سیستم را به حداکثر ممکن برساند - به هر حال، این به ویژه در مورد انژکتورها صدق می کند. در حال حاضر، تحقیقات برای دستیابی به راندمان "از سوکت" زیر 85 و حتی 90٪ در حال انجام است.
در مورد برنامه های تری آلفا، باید به یاد داشته باشیم که آنها فقط همین الان توانستند به یک حالت ثابت دست یابند. در گذشته، آزمایش ها چندان موفقیت آمیز نبودند و پارامترهای پلاسما صراحتاً پایین بودند. او خیلی سریع از هم پاشید. تغییرات زیادی در طراحی راه اندازی آزمایشی ایجاد شد و آنها توانستند پتانسیل کامل آن را به کار گیرند. امیدواریم که تری آلفا اکنون برای واحد بعدی C-3 بودجه دریافت کند و به انژکتورهای جدید و قدرتمندتر ما مجهز شود.
اطلاعات