Και η συγχώνευση;

Οι αναφορές στα τέλη του περασμένου έτους σχετικά με την κατασκευή αντιδραστήρα για σύνθεση από Κινέζους ειδικούς ακούγονταν συγκλονιστικές (1). Τα κρατικά μέσα ενημέρωσης της Κίνας ανέφεραν ότι η εγκατάσταση HL-2M, που βρίσκεται σε ένα ερευνητικό κέντρο στο Τσενγκντού, θα λειτουργήσει το 2020. Ο τόνος των δημοσιεύσεων των μέσων ενημέρωσης έδειχνε ότι το ζήτημα της πρόσβασης στην ανεξάντλητη ενέργεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης λύθηκε για πάντα.

Μια πιο προσεκτική ματιά στις λεπτομέρειες βοηθά να μετριαστεί η αισιοδοξία.

Nowy συσκευή τύπου tokamak, με πιο προηγμένο σχεδιασμό από τους γνωστούς μέχρι τώρα, θα πρέπει να παράγει πλάσμα με θερμοκρασίες πάνω από 200 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Αυτό ανακοίνωσε σε δελτίο τύπου ο επικεφαλής του Νοτιοδυτικού Ινστιτούτου Φυσικής της Εθνικής Πυρηνικής Εταιρείας της Κίνας Duan Xiuru. Η συσκευή θα παρέχει τεχνική υποστήριξη στους Κινέζους που εργάζονται στο έργο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER)καθώς και κατασκευή.

Οπότε νομίζω ότι δεν είναι ακόμα μια ενεργειακή επανάσταση, παρόλο που δημιουργήθηκε από τους Κινέζους. αντιδραστήρα KhL-2M μέχρι στιγμής λίγα είναι γνωστά. Δεν γνωρίζουμε ποια είναι η προβλεπόμενη θερμική απόδοση αυτού του αντιδραστήρα ή ποια επίπεδα ενέργειας απαιτούνται για την εκτέλεση μιας αντίδρασης πυρηνικής σύντηξης σε αυτόν. Δεν γνωρίζουμε το πιο σημαντικό πράγμα - είναι ο κινεζικός αντιδραστήρας σύντηξης ένα σχέδιο με θετικό ενεργειακό ισοζύγιο ή είναι απλώς ένας άλλος πειραματικός αντιδραστήρας σύντηξης που επιτρέπει μια αντίδραση σύντηξης, αλλά ταυτόχρονα απαιτεί περισσότερη ενέργεια για "ανάφλεξη" από τον ενέργεια που μπορεί να ληφθεί ως αποτέλεσμα αντιδράσεων.

Διεθνής προσπάθεια

Η Κίνα, μαζί με την Ευρωπαϊκή Ένωση, τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ινδία, την Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα και τη Ρωσία, είναι μέλη του προγράμματος ITER. Αυτό είναι το πιο ακριβό από τα τρέχοντα διεθνή ερευνητικά προγράμματα που χρηματοδοτούνται από τις προαναφερθείσες χώρες, με κόστος περίπου 20 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ. Άνοιξε ως αποτέλεσμα της συνεργασίας μεταξύ των κυβερνήσεων του Μιχαήλ Γκορμπατσόφ και του Ρόναλντ Ρίγκαν κατά την εποχή του Ψυχρού Πολέμου και πολλά χρόνια αργότερα συμπεριλήφθηκε σε μια συνθήκη που υπέγραψαν όλες αυτές οι χώρες το 2006.

2. Στο εργοτάξιο του ITER tokamak

Το έργο ITER στο Cadarache στη νότια Γαλλία (2) αναπτύσσει το μεγαλύτερο tokamak στον κόσμο, δηλαδή έναν θάλαμο πλάσματος που πρέπει να εξημερωθεί χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ηλεκτρομαγνήτες. Αυτή η εφεύρεση αναπτύχθηκε από τη Σοβιετική Ένωση στις δεκαετίες του '50 και του '60. Project Manager, Lavan Koblenz, ανακοίνωσε ότι ο οργανισμός θα πρέπει να λάβει το «πρώτο πλάσμα» μέχρι τον Δεκέμβριο του 2025. Ο ITER θα πρέπει να υποστηρίζει μια θερμοπυρηνική αντίδραση για περίπου 1 χιλιάδες άτομα κάθε φορά. δευτερόλεπτα, αποκτώντας δύναμη 500-1100 MW. Για σύγκριση, το μεγαλύτερο βρετανικό tokamak μέχρι σήμερα, ΠΙΔΑΚΑΣ (κοινός ευρωπαϊκός τόρος), διατηρεί μια αντίδραση για αρκετές δεκάδες δευτερόλεπτα και αποκτά δύναμη μέχρι 16 MW. Η ενέργεια σε αυτόν τον αντιδραστήρα θα απελευθερωθεί με τη μορφή θερμότητας - δεν υποτίθεται ότι θα μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Η παροχή ισχύος σύντηξης στο δίκτυο αποκλείεται, καθώς το έργο προορίζεται μόνο για ερευνητικούς σκοπούς. Μόνο στη βάση του ITER θα κατασκευαστεί η μελλοντική γενιά θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων, φτάνοντας στην ισχύ 3-4 χιλιάδες. MW.

Ο κύριος λόγος για τον οποίο οι κανονικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης δεν υπάρχουν ακόμα (παρά τα εξήντα χρόνια εκτεταμένης και δαπανηρής έρευνας) είναι η δυσκολία ελέγχου και «διαχείρισης» της συμπεριφοράς του πλάσματος. Ωστόσο, τα χρόνια πειραματισμών έχουν αποφέρει πολλές πολύτιμες ανακαλύψεις και σήμερα η ενέργεια σύντηξης φαίνεται πιο κοντά από ποτέ.

Προσθέστε ήλιο-3, ανακατέψτε και ζεστάνετε

Το ITER είναι το κύριο επίκεντρο της παγκόσμιας έρευνας για τη σύντηξη, αλλά πολλά ερευνητικά κέντρα, εταιρείες και στρατιωτικά εργαστήρια εργάζονται επίσης σε άλλα έργα σύντηξης που αποκλίνουν από την κλασική προσέγγιση.

Για παράδειγμα, που πραγματοποιήθηκε τα τελευταία χρόνια στις από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης πειράματα με Helm-3 στο tokamak έδωσε συναρπαστικά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένων δεκαπλάσια αύξηση της ενέργειας ιόν πλάσματος. Επιστήμονες που πραγματοποιούν πειράματα στο C-Mod tokamak στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, μαζί με ειδικούς από το Βέλγιο και το Ηνωμένο Βασίλειο, ανέπτυξαν έναν νέο τύπο θερμοπυρηνικού καυσίμου που περιέχει τρεις τύπους ιόντων. Ομάδα Alcator C-Mod (3) διεξήγαγε μια μελέτη τον Σεπτέμβριο του 2016, αλλά τα δεδομένα από αυτά τα πειράματα αναλύθηκαν μόλις πρόσφατα, αποκαλύπτοντας μια τεράστια αύξηση στην ενέργεια του πλάσματος. Τα αποτελέσματα ήταν τόσο ενθαρρυντικά που οι επιστήμονες που διαχειρίζονταν το μεγαλύτερο λειτουργικό εργαστήριο σύντηξης στον κόσμο, το JET στο Ηνωμένο Βασίλειο, αποφάσισαν να επαναλάβουν τα πειράματα. Η ίδια αύξηση της ενέργειας επιτεύχθηκε. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod σε λειτουργία

Το κλειδί για τη βελτίωση της απόδοσης του πυρηνικού καυσίμου ήταν η προσθήκη ιχνών ποσοτήτων ηλίου-3, ενός σταθερού ισοτόπου ηλίου, με ένα νετρόνιο αντί για δύο. Το πυρηνικό καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε στη μέθοδο Alcator C περιείχε προηγουμένως μόνο δύο τύπους ιόντων, το δευτέριο και το υδρογόνο. Το δευτέριο, ένα σταθερό ισότοπο υδρογόνου με ένα νετρόνιο στον πυρήνα του (σε αντίθεση με το υδρογόνο χωρίς νετρόνια), αποτελεί περίπου το 95% του καυσίμου. Οι επιστήμονες του Κέντρου Ερευνών Πλάσματος και του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (PSFC) χρησιμοποίησαν μια διαδικασία που ονομάζεται Θέρμανση ραδιοσυχνοτήτων. Οι κεραίες δίπλα στο tokamak χρησιμοποιούν μια συγκεκριμένη ραδιοσυχνότητα για να διεγείρουν τα σωματίδια και τα κύματα βαθμονομούνται ώστε να «στοχεύουν» τα ιόντα υδρογόνου. Επειδή το υδρογόνο αποτελεί ένα μικροσκοπικό κλάσμα της συνολικής πυκνότητας του καυσίμου, η συγκέντρωση μόνο ενός μικρού κλάσματος των ιόντων στη θέρμανση επιτρέπει την επίτευξη ακραίων επιπέδων ενέργειας. Περαιτέρω, τα διεγερμένα ιόντα υδρογόνου περνούν στα ιόντα δευτερίου που επικρατούν στο μείγμα και τα σωματίδια που σχηματίζονται με αυτόν τον τρόπο εισέρχονται στο εξωτερικό κέλυφος του αντιδραστήρα, απελευθερώνοντας θερμότητα.

Η αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας αυξάνεται όταν ιόντα ηλίου-3 προστίθενται στο μείγμα σε ποσότητα μικρότερη από 1%. Συγκεντρώνοντας όλη τη ραδιοθέρμανση σε μια μικρή ποσότητα ηλίου-3, οι επιστήμονες αύξησαν την ενέργεια των ιόντων σε μεγαηλεκτρονβολτ (MeV).

First come - first served Ισοδύναμο στα ρωσικά: Eating late guest and bone

Υπήρξαν πολλές εξελίξεις στον κόσμο των εργασιών ελεγχόμενης σύντηξης τα τελευταία χρόνια που αναζωπύρωσαν τις ελπίδες των επιστημόνων και όλων μας να φτάσουμε επιτέλους στο «Άγιο Δισκοπότηρο» της ενέργειας.

Τα καλά σήματα περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, ανακαλύψεις από το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Πρίνστον (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE). Τα ραδιοκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία για να μειώσουν σημαντικά τις λεγόμενες διαταραχές του πλάσματος, οι οποίες μπορεί να είναι κρίσιμες στη διαδικασία «ντύσιμο» των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Η ίδια ερευνητική ομάδα τον Μάρτιο του 2019 ανέφερε ένα πείραμα tokamak λιθίου στο οποίο τα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα δοκιμής ήταν επικαλυμμένα με λίθιο, ένα υλικό πολύ γνωστό από μπαταρίες που χρησιμοποιούνται συνήθως στα ηλεκτρονικά. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι η επένδυση λιθίου στα τοιχώματα του αντιδραστήρα απορροφά τα διάσπαρτα σωματίδια πλάσματος, εμποδίζοντάς τα να ανακληθούν πίσω στο νέφος του πλάσματος και να παρεμποδίσουν τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.

4. Έργο οπτικοποίησης TAE Technologies

Οι μελετητές από μεγάλα έγκριτα επιστημονικά ιδρύματα έχουν γίνει ακόμη και προσεκτικοί αισιόδοξοι στις δηλώσεις τους. Πρόσφατα, υπήρξε επίσης τεράστια αύξηση του ενδιαφέροντος για τις τεχνικές ελεγχόμενης σύντηξης στον ιδιωτικό τομέα. Το 2018, η Lockheed Martin ανακοίνωσε ένα σχέδιο για την ανάπτυξη ενός πρωτοτύπου συμπαγούς αντιδραστήρα σύντηξης (CFR) εντός της επόμενης δεκαετίας. Εάν η τεχνολογία πάνω στην οποία εργάζεται η εταιρεία λειτουργεί, μια συσκευή μεγέθους φορτηγού θα μπορεί να παρέχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να καλύψει τις ανάγκες μιας συσκευής 100 τετραγωνικών ποδιών. κατοίκους της πόλης.

Άλλες εταιρείες και ερευνητικά κέντρα ανταγωνίζονται για να δουν ποιος μπορεί να κατασκευάσει τον πρώτο πραγματικό αντιδραστήρα σύντηξης, συμπεριλαμβανομένων της TAE Technologies και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Ακόμη και ο Τζεφ Μπέζος της Amazon και ο Μπιλ Γκέιτς της Microsoft έχουν εμπλακεί πρόσφατα σε έργα συγχωνεύσεων. Το NBC News μέτρησε πρόσφατα δεκαεπτά μικρές εταιρείες μόνο για σύντηξη στις ΗΠΑ. Startups όπως η General Fusion ή η Commonwealth Fusion Systems επικεντρώνονται σε μικρότερους αντιδραστήρες που βασίζονται σε καινοτόμους υπεραγωγούς.

Η έννοια της «ψυχρής σύντηξης» και οι εναλλακτικές λύσεις σε μεγάλους αντιδραστήρες, όχι μόνο tokamaks, αλλά και τα λεγόμενα. αστρικοί, με ελαφρώς διαφορετικό σχεδιασμό, κατασκευασμένο μεταξύ άλλων στη Γερμανία. Η αναζήτηση μιας διαφορετικής προσέγγισης συνεχίζεται επίσης. Ένα παράδειγμα αυτού είναι μια συσκευή που ονομάζεται Ζ-τσίμπημα, που κατασκευάστηκε από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και περιγράφεται σε ένα από τα τελευταία τεύχη του περιοδικού Physics World. Το Z-pinch λειτουργεί παγιδεύοντας και συμπιέζοντας το πλάσμα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Στο πείραμα, ήταν δυνατό να σταθεροποιηθεί το πλάσμα για 16 μικροδευτερόλεπτα και η αντίδραση σύντηξης συνεχίστηκε για περίπου το ένα τρίτο αυτού του χρόνου. Η επίδειξη υποτίθεται ότι θα δείξει ότι η σύνθεση μικρής κλίμακας είναι δυνατή, αν και πολλοί επιστήμονες εξακολουθούν να έχουν σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με αυτό.

Με τη σειρά της, χάρη στην υποστήριξη της Google και άλλων επενδυτών που εμπλέκονται σε προηγμένες τεχνολογίες, η εταιρεία της Καλιφόρνια TAE Technologies χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό από το τυπικό για πειράματα σύντηξης, μίγμα καυσίμου βορίου, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μικρότερων και φθηνότερων αντιδραστήρων, αρχικά για τους σκοπούς του λεγόμενου κινητήρα πυραύλων σύντηξης. Ένας πρωτότυπος κυλινδρικός αντιδραστήρας σύντηξης (4) με αντίθετες δέσμες (CBFR), που θερμαίνει το αέριο υδρογόνο για να σχηματίσει δύο δακτυλίους πλάσματος. Συνδυάζονται με δέσμες αδρανών σωματιδίων και διατηρούνται σε τέτοια κατάσταση, η οποία θα πρέπει να συμβάλει στην αύξηση της ενέργειας και της αντοχής του πλάσματος.

Μια άλλη startup σύντηξης General Fusion από την καναδική επαρχία της Βρετανικής Κολομβίας απολαμβάνει την υποστήριξη του ίδιου του Τζεφ Μπέζος. Με απλά λόγια, η ιδέα του είναι να εγχύει καυτό πλάσμα σε μια σφαίρα υγρού μετάλλου (ένα μείγμα λιθίου και μολύβδου) μέσα σε μια χαλύβδινη σφαίρα, μετά την οποία το πλάσμα συμπιέζεται από έμβολα, παρόμοια με έναν κινητήρα ντίζελ. Η πίεση που δημιουργείται θα πρέπει να οδηγήσει σε σύντηξη, η οποία θα απελευθερώσει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας για να τροφοδοτήσει τους στροβίλους ενός νέου τύπου σταθμού παραγωγής ενέργειας. Ο Mike Delage, επικεφαλής τεχνολογίας στη General Fusion, λέει ότι η εμπορική πυρηνική σύντηξη θα μπορούσε να κάνει το ντεμπούτο της σε δέκα χρόνια.

5. Απεικόνιση από ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του αμερικανικού ναυτικού για θερμοπυρηνικά.

Πρόσφατα, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ κατέθεσε επίσης δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια «συσκευή σύντηξης πλάσματος». Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μιλά για μαγνητικά πεδία για τη δημιουργία "επιταχυνόμενης δόνησης" (5). Η ιδέα είναι να κατασκευαστούν αντιδραστήρες σύντηξης αρκετά μικροί ώστε να είναι φορητοί. Περιττό να πούμε ότι αυτή η αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας αντιμετωπίστηκε με σκεπτικισμό.