Термоядрени реактори в света. Първи термоядрен реактор

Днес много страни участват в термоядрени изследвания. Лидерите са Европейският съюз, Съединените щати, Русия и Япония, а програмите на Китай, Бразилия, Канада и Корея бързо растат. Първоначално термоядрените реактори в Съединените щати и СССР са свързани с разработването на ядрени оръжия и остават класифицирани до конференцията "Атомите за мир" в Женева през 1958 г. След създаването на съветското изследване на токамак ядрен синтез през 70-те години те станаха "велика наука". Но цената и сложността на устройствата се увеличиха до степен, в която международното сътрудничество беше единствената възможност да се придвижим напред.

Термоядрени реактори в света

От 70-те години началото на търговската употреба на енергия от термоядрен синтез е непрекъснато оттеглено за 40 години. През последните години обаче се случиха много неща, благодарение на които този период може да бъде намален.

Бяха построени няколко токака, включително европейските JET, British MAST и експерименталния термоядрен реактор TFTR в Принстън, САЩ. Международният проект ITER понастоящем се изгражда в Cadarache, Франция. То ще стане най-големият токамак, когато ще работи през 2020 година. През 2030 г. ще бъде изграден CFETR в Китай, който ще надмине ITER. В същото време КНР провежда изследвания върху експерименталния свръхпроводящ токамак ИЗТОК.

Термоядрените реактори на друг тип - звездоносители - също са популярни сред изследователите. Един от най-големите, LHD, започна работа в Японския национален институт термоядрен синтез през 1998 г. Използва се за намиране на най-добрата магнитна конфигурация на плазменото затваряне. Немски Макс Планк Институт за периода 1988-2002, проведено изследване на Wendelstein 7-AS реактор в Гархинг, а сега - в Wendelstein 7-X, чието изграждане е продължило повече от 19 години. Друг TJII stellarator работи в Мадрид, Испания. В САЩ лаборатория в Принстън физика на плазмата (PPPL), където първият термоядрен реактор от този тип е построен през 1951 г., през 2008 г. спря изграждането на NCSX поради превишаване на разходите и липса на финансиране.

Освен това е постигнат значителен напредък в проучванията на инерционния термоядрен синтез. Сграда Национален запалване Facility (NIF) на стойност $ 7,0 милиарда в Националната лаборатория Лорънс Ливърмор (LLNL), финансиран от Националната администрация за ядрена сигурност, е завършен през март 2009 г., френският Laser мегаджаул на (LMJ) започна работа през октомври 2014 година. Слети реактори използват лазери, доставени в рамките на няколко милиардни от секундата приблизително 2 милиона джаула на светлинна енергия в мишена размер от няколко милиметра до започват ядрен синтез. Основната задача на NIF и LMJ е да подкрепя национални военни ядрени програми.

ITER

През 1985 г. Съветският съюз предложи изграждането на токамак от следващо поколение заедно с Европа, Япония и Съединените щати. Работата е извършена под егидата на МААЕ. В периода 1988-1990 е бил създаден първите проекти на Международния експериментален термоядрен реактор ITER за, което също означава "път" или "пътуване" на латински, за да се докаже, че сливане може да произвежда повече енергия, отколкото го поглъща. Канада и Казахстан също взеха участие чрез посредничеството на Евратом и Русия.

След 6 години Съветът на ITER одобри първия комплексен проект на реактора, базиран на установената физика и технология на стойност 6 млрд. Долара. Тогава САЩ се оттеглиха от консорциума, който принуди да намали разходите наполовина и да промени проекта. Резултатът е "Фонд на ITER" на стойност 3 милиарда долара, но ви позволява да постигнете самостоятелна реакция и положителен баланс на властта.

През 2003 г. САЩ отново се присъединиха към консорциума, а Китай обяви желанието си да участва в него. В резултат на това в средата на 2005 г. партньорите се споразумяха за изграждането на ITER в Cadarache в южната част на Франция. ЕС и Франция дадоха половината от 12,8 милиарда евро, а Япония, Китай, Южна Корея, САЩ и Русия - по 10%. Япония предостави високотехнологични компоненти, съдържаща инсталация на IFMIF на стойност 1 млрд. Евро за тестване на материали и има право да построи следващия тестов реактор. Общата стойност на ITER включва половината от разходите за 10-годишно строителство и половината - за 20 години експлоатация. Индия стана седмият член на ITER в края на 2005 г.

Експериментите трябва да започнат през 2018 г. с използване на водород, за да се избегне активирането на магнитите. Използването на плазма D-T не се очаква преди 2026 г.

Целта на ITER е да генерира 500 MW (поне за 400 секунди), като използва по-малко от 50 MW входна мощност, без да произвежда електроенергия.

Демонстрационната електроцентрала Demo на две гигавата ще произведе голям мащаб генериране на енергия непрекъснато. Концептуалният дизайн на Demo ще бъде завършен до 2017 г. и строителството му ще започне през 2024 г. Стартирането ще стане през 2033 г.

JET

През 1978 г. ЕС (Евратом, Швеция и Швейцария) стартира съвместен европейски проект JET във Великобритания. JET днес е най-големият работещ токамак в света. Подобен реактор JT-60 работи в Японския национален институт за термоядрен синтез, но само JET може да използва гориво от деутерий и тритий.

Реакторът беше пуснат през 1983 г. и е първият експеримент, в който контролирания термоядрен синтез до 16 MW се проведе през ноември 1991 г. втори 5 MW и стабилно захранване на деутерий-тритий плазмата. Бяха проведени множество експерименти за изучаване на различни схеми на отопление и други техники.

По-нататъшните подобрения на JET са свързани с увеличаване на неговата мощност. Компактният реактор MAST се разработва съвместно с JET и е част от проекта ITER.

K-STAR

K-STAR е корейският свръхпроводящ токамак на Националния институт по термоядрени изследвания (NFRI) в Daejeon, който е произвел първата си плазма в средата на 2008 г. Това е пилотен проект ITER, което е резултат от международното сътрудничество. Токакак с радиус от 1,8 м е първият реактор, използващ свръхпроводими Nb3Sn магнити, същите, които се планират да бъдат използвани в ITER. По време на първия етап, завършен до 2012 г., K-STAR трябваше да докаже жизнеспособността на основните технологии и да постигне плазмени импулси до 20 секунди. На втория етап (2013-2017 г.) той се модернизира, за да учи дълги импулси до 300 s в режим H и преход към високопроизводителен AT-режим. Целта на третата фаза (2018-2023) е да се постигне висока производителност и ефективност в режим на продължителен импулс. На 4-и етап (2023-2025 г.) ще бъдат тествани технологиите DEMO. Устройството не може да работи с тритий, а D-T не използва гориво.

K-DEMO

Създаден в сътрудничество с Принстън физика на плазмата Laboratory (PPPL) на САЩ Министерството на енергетиката и южнокорейски институт NFRI на на, K-DEMO трябва да бъде следващата стъпка към създаването на търговски реактори след ITER, и ще бъде първата електроцентрала в състояние да генерира енергия към електрическата мрежа, а именно, 1 милион kW в рамките на няколко седмици. Диаметърът му ще бъде 6.65 м и ще има модул за репродуктивна зона, създаден в рамките на проекта DEMO. Министерството на образованието, науката и технологиите на Корея планира да инвестира в него около трилиона корейски печалби (941 млн. Долара).

EAST

Китайският експериментален напреднал свръхпроводящ токамак (EAST) в Института по китайска физика в Хефей създаде водородна плазма с температура 50 милиона ° С и я задържа за 102 секунди.

TFTR

В лабораторията PPPL в САЩ, експерименталният термоядрен реактор TFTR работи от 1982 до 1997 г. През декември 1993 г. TFTR стана първият магнитен токамак, на който бяха направени обширни експерименти с плазма деутерий-тритий. През следващата година реакторът е произвел рекорд по това време с 10,7 MW контролиран капацитет, а през 1995 г. е постигнат запис на температурата йонизиран газ при 510 милиона ° С Инсталацията обаче не постигна целта за равномерна енергия на термоядрения синтез, но успешно изпълни целите на хардуерното проектиране, като съществено допринесе за развитието на ITER.

LHD

LHD в японския Национален институт по термоядрен синтез в Токи, префектура Гифу, е най-големият звездник в света. Пускането в действие на реактора на термоядрения синтез се състоя през 1998 г. и показа качества на плазмено задържане, сравними с други големи инсталации. Температурата на йоните е 13,5 keV (около 160 милиона ° C) и енергията е 1,44 MJ.

Wendelstein 7-X

След една година на тестване, започнала в края на 2015 г., температурата на хелий за кратко време достига 1 милион ° С. През 2016 г. термоядрен реактор с водородна плазма, използващ 2 MW мощност, достига температура от 80 милиона градуса по Целзий за една четвърт от секундата. W7-X е най-големият stellarator в света и неговата непрекъсната работа е планирана за 30 минути. Цената на реактора е 1 млрд. Евро.

NIF

Националният механизъм за запалване (NIF) в Националната лаборатория в Ливърмор (LLNL) приключи през март 2009 г. Използвайки своите 192 лазерни лъча, NIF е в състояние да концентрира 60 пъти повече енергия от която и да е предишна лазерна система.

Студеният ядрен синтез

През март 1989 г., двама изследователи, американски Стенли Понс и Мартин Флайшман британец, са заявили, че са започнали прост десктоп реактор студен термоядрен синтез, работещи при стайна температура. Процесът се състои от електролиза на тежка вода, като се използват паладиеви електроди, върху които деутерийните ядра са концентрирани при висока плътност. Изследователите твърдят, че произвежда топлина, която може да се обясни само по отношение на ядрените процеси, както и има странични продукти на синтез, включително хелий, тритий и неутрони. Обаче други експериментатори не успяха да повторят този експеримент. Повечето от научната общност не вярват, че реакторите за студен синтез са реални.

Нискоенергийни ядрени реакции

Инициирани от претенции за "студен синтез", изследванията продължават и в областта на нискоенергийната ядрени реакции, с някаква емпирична подкрепа, но не и общоприето научно обяснение. Очевидно слабите ядрени взаимодействия (а не мощна сила, както при разцепването на ядрата или синтеза им) се използват за създаване и улавяне на неутрони. Експериментите включват проникване на водород или деутерий през каталитичния слой и реакция с метала. Изследователите съобщават за наблюдаваното освобождаване на енергия. Основният практически пример е взаимодействието на водорода с никелов прах с отделянето на топлина, чието количество е по-голямо от всяка химична реакция, която може да даде.