Chi sta costruendo un reattore termonucleare? Reattore sperimentale a fusione internazionale

Il progetto del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER è iniziato nel 2007. Si trova a Cadarache, nel sud della Francia. Il compito principale di ITER, secondo coloro che hanno ideato e realizzato il progetto, è dimostrare le possibilità di utilizzo commerciale della fusione termonucleare.

ITER è un'iniziativa scientifica internazionale strategica; più di 30 paesi partecipano alla sua attuazione.

“Siamo nel cuore stesso di un futuro reattore a fusione. Pesa tre torri Eiffel e ha una superficie totale di 60 campi da calcio", riferisce il giornalista di euronews Claudio Rocco.

Un reattore a fusione o installazione toroidale per il confinamento magnetico del plasma, altrimenti chiamato tokomak, viene creato per raggiungere le condizioni necessarie affinché avvenga la fusione termonucleare controllata. Il plasma nel tokamak non è trattenuto dalle pareti della camera, ma da una combinazione appositamente creata campo magnetico- campo toroidale esterno e poloidale della corrente che scorre attraverso il cordone plasmatico. Rispetto ad altre installazioni che utilizzano un campo magnetico per confinare il plasma, l'uso della corrente elettrica lo è caratteristica principale tokamak

Quando si effettua la fusione termonucleare controllata, nel tokamak verranno utilizzati deuterio e trizio.
I dettagli nell'intervista direttore generale ITER di Bernard Bigot.

Qual è il vantaggio dell’energia prodotta attraverso la fusione nucleare controllata?

“Prima di tutto nell'uso degli isotopi dell'idrogeno, che, a sua volta, è considerato una fonte quasi inesauribile: l'idrogeno si trova ovunque, compreso nell'Oceano Mondiale. Quindi finché ci sarà acqua sulla Terra, marina e dolce, ci verrà fornito il carburante per il tokamak - stiamo parlando circa milioni di anni. Secondo vantaggio - scorie radioattive avere abbastanza breve periodo tempo di dimezzamento: diverse centinaia di anni, rispetto a quello dei prodotti di scarto della fusione nucleare.

La fusione termonucleare è controllata e, secondo Bernard Bigot, è relativamente facile da interrompere in caso di incidente. Una situazione diversa in un caso simile si presenta con la fusione nucleare.

Riscaldando una sostanza si può ottenere una reazione nucleare. È questa relazione tra il riscaldamento di una sostanza e una reazione nucleare che si riflette nel termine “reazione termonucleare”.

La progettazione dei componenti del tokamak viene effettuata grazie agli sforzi dei paesi partecipanti a ITER e le parti e i componenti tecnologici del tokamak sono prodotti in Giappone, Corea del Sud, Russia, Cina, Stati Uniti e altri paesi. Quando si costruisce un tokamak, viene presa in considerazione la probabilità tipi diversi incidenti

Bernard Bigot: “Tuttavia, una fuga di elementi radioattivi è possibile. Alcuni scomparti non saranno sufficientemente sigillati. Ma il loro numero sarà minimo e per coloro che vivono vicino al reattore non ci saranno grandi pericoli per la salute o la vita”.

Ma nel progetto è prevista la possibilità di un incidente e di una fuga di liquidi, in particolare i locali in cui avviene la fusione termonucleare e i locali adiacenti saranno dotati di speciali pozzi di ventilazione nei quali verranno aspirati elementi radioattivi per impedirne la fuoriuscita rilascio verso l'esterno.

“Non credo che la stima di circa 16 miliardi di euro sembri così gigantesca, soprattutto se si considera il costo dell’energia che verrà prodotta qui. Inoltre, la produzione richiede molto tempo, molto tempo, quindi tutti i costi saranno giustificati anche a medio termine", conclude Bernard Bigot.

Lo ha riferito di recente la NIIEFA russa prova di successo un prototipo in scala reale di un resistore di spegnimento per il sistema di protezione delle bobine superconduttrici, progettate specificatamente per ITER.

E per il 2020 è prevista la messa in esercizio dell’intero complesso ITER a Cadarache, in Francia.

ITER - Reattore termonucleare internazionale (ITER)

Il consumo umano di energia cresce ogni anno, il che sta spingendo il settore energetico verso sviluppo attivo. Pertanto, con l'emergere delle centrali nucleari, la quantità di energia generata in tutto il mondo è aumentata in modo significativo, il che ha permesso di utilizzare in sicurezza l'energia per tutti i bisogni dell'umanità. Ad esempio, il 72,3% dell'elettricità generata in Francia proviene da centrali nucleari, in Ucraina - 52,3%, in Svezia - 40,0%, nel Regno Unito - 20,4%, in Russia - 17,1%. Tuttavia, la tecnologia non si ferma e, per soddisfare l'ulteriore fabbisogno energetico dei paesi futuri, gli scienziati stanno lavorando a una serie di progetti innovativi, uno dei quali è ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Sebbene la redditività di questo impianto sia ancora in discussione, secondo il lavoro di molti ricercatori, la creazione e il successivo sviluppo della tecnologia di fusione termonucleare controllata possono tradursi in una fonte di energia potente e sicura. Diamo un'occhiata ad alcuni lati positivi installazione simile:

• Il combustibile principale di un reattore termonucleare è l'idrogeno, il che significa riserve praticamente inesauribili di combustibile nucleare.
• La produzione di idrogeno può avvenire attraverso il riciclaggio acqua di mare, disponibile nella maggior parte dei paesi. Ne consegue che non può sorgere un monopolio sulle risorse combustibili.
• La probabilità di un'esplosione di emergenza durante il funzionamento di un reattore termonucleare è molto inferiore rispetto a durante il funzionamento di un reattore nucleare. Secondo i ricercatori, anche in caso di incidente, le emissioni di radiazioni non rappresenteranno un pericolo per la popolazione, il che significa che non sarà necessaria l'evacuazione.
• A differenza di reattori nucleari I reattori a fusione producono rifiuti radioattivi che hanno un breve tempo di dimezzamento, il che significa che decade più velocemente. Inoltre, non ci sono prodotti di combustione nei reattori termonucleari.
• Il funzionamento di un reattore a fusione non richiede materiali utilizzati anche per armi nucleari. Ciò elimina la possibilità di nascondere la produzione di armi nucleari trasformando materiali per le esigenze di un reattore nucleare.

Reattore termonucleare - vista interna

Tuttavia, ci sono anche una serie di carenze tecniche che i ricercatori incontrano costantemente.

Ad esempio, l'attuale versione del carburante, presentata sotto forma di una miscela di deuterio e trizio, richiede lo sviluppo di nuove tecnologie. Ad esempio, al termine della prima serie di test presso il reattore termonucleare JET, il più grande fino ad oggi, il reattore è diventato così radioattivo che per completare l'esperimento è stato ulteriormente necessario lo sviluppo di uno speciale sistema di manutenzione robotica. Un altro fattore deludente nel funzionamento di un reattore termonucleare è la sua efficienza: 20%, mentre l'efficienza di una centrale nucleare è del 33-34% e di una centrale termica è del 40%.

Creazione del progetto ITER e lancio del reattore

Il progetto ITER risale al 1985, quando Unione Sovietica ha proposto la creazione congiunta di un tokamak, una camera toroidale con bobine magnetiche in grado di trattenere il plasma mediante magneti, creando così le condizioni necessarie affinché avvenga la reazione di fusione termonucleare. Nel 1992 è stato firmato un accordo quadripartito sullo sviluppo di ITER, al quale hanno aderito UE, USA, Russia e Giappone. Nel 1994 si è unita al progetto la Repubblica del Kazakistan, nel 2001 il Canada, nel 2003 il Corea del Sud e Cina, nel 2005 - India. Nel 2005 è stato determinato il luogo per la costruzione del reattore: il Centro di ricerca sull'energia nucleare di Cadarache, in Francia.

La costruzione del reattore iniziò con la preparazione di una fossa per la fondazione. Quindi i parametri della fossa erano 130 x 90 x 17 metri. L'intero complesso del tokamak peserà 360.000 tonnellate, di cui 23.000 tonnellate saranno il tokamak stesso.

Vari elementi del complesso ITER saranno sviluppati e consegnati al cantiere da tutto il mondo. Così nel 2016 sono stati sviluppati in Russia parte dei conduttori per bobine poloidali, che sono stati poi inviati in Cina, che produrrà le bobine stesse.

Ovviamente, un lavoro di tale portata non è affatto facile da organizzare; diversi paesi non sono riusciti a rispettare i tempi del progetto, per cui il lancio del reattore è stato costantemente rinviato. Quindi, secondo il messaggio di giugno dello scorso anno (2016): “la ricezione del primo plasma è prevista per dicembre 2025”.

Il meccanismo operativo del tokamak ITER

Il termine "tokamak" deriva da un acronimo russo che significa "camera toroidale con bobine magnetiche".

Il cuore di un tokamak è la sua camera a vuoto a forma di toro. All'interno, a temperature e pressioni estreme, l'idrogeno gassoso diventa plasma, un gas caldo e carico elettricamente. Come è noto, la materia stellare è rappresentata dal plasma e le reazioni termonucleari nel nucleo solare avvengono proprio in determinate condizioni temperatura elevata e pressione. Condizioni simili per la formazione, la ritenzione, la compressione e il riscaldamento del plasma vengono create mediante massicce bobine magnetiche che si trovano attorno a un recipiente a vuoto. L'influenza dei magneti limiterà il plasma caldo dalle pareti del recipiente.

Prima che il processo abbia inizio, l'aria e le impurità vengono rimosse dalla camera a vuoto. I sistemi magnetici che aiuteranno a controllare il plasma vengono quindi caricati e viene introdotto il combustibile gassoso. Quando un potente elettricità, il gas viene diviso elettricamente e viene ionizzato (cioè gli elettroni lasciano gli atomi) e forma un plasma.

Quando le particelle del plasma vengono attivate e si scontrano, iniziano anche a riscaldarsi. Le tecniche di riscaldamento assistito aiutano a portare il plasma a temperature di fusione (da 150 a 300 milioni di °C). Le particelle "eccitate" a questo livello possono superare la loro naturale repulsione elettromagnetica in caso di collisione, rilasciando enormi quantità di energia come risultato di tali collisioni.

Il design del tokamak è costituito dai seguenti elementi:

Recipiente a vuoto

("ciambella") è una camera toroidale in acciaio inossidabile. Il suo diametro grande è di 19 m, il suo diametro piccolo è di 6 me la sua altezza è di 11 m. Il volume della camera è di 1.400 m 3 e il suo peso è di oltre 5.000 tonnellate tra le pareti circolerà il liquido refrigerante, che sarà acqua distillata. Per evitare la contaminazione dell'acqua, la parete interna della camera è protetta radiazione radioattiva utilizzando una coperta.

Coperta

(“coperta”) – è composta da 440 frammenti che ricoprono la superficie interna della camera. area totale l'area banchetti è di 700 m2. Ogni frammento è una sorta di cassetta, il cui corpo è in rame e la parete frontale è rimovibile e in berillio. I parametri delle cassette sono 1x1,5 me la massa non supera le 4,6 tonnellate. Tali cassette al berillio rallenteranno i neutroni ad alta energia formati durante la reazione. Durante la moderazione dei neutroni, il calore verrà rilasciato e rimosso dal sistema di raffreddamento. Va notato che la polvere di berillio formata a seguito del funzionamento del reattore può causare una grave malattia chiamata berillio e ha anche un effetto cancerogeno. Per questo motivo nel complesso si stanno sviluppando rigide misure di sicurezza.

Tokamak nella sezione. Giallo - solenoide, arancione - magneti a campo toroidale (TF) e campo poloidale (PF), blu - coperta, azzurro - VV - recipiente a vuoto, viola - divertore

(“posacenere”) di tipo poloidale è un dispositivo il cui compito principale è quello di “pulire” il plasma dallo sporco risultante dal riscaldamento e dall'interazione con esso delle pareti della camera ricoperte di coperta. Quando tali contaminanti entrano nel plasma, iniziano a irradiarsi intensamente, provocando ulteriori perdite di radiazioni. Si trova nella parte inferiore del tokomak e utilizza dei magneti per dirigere gli strati superiori di plasma (che sono i più contaminati) nella camera di raffreddamento. Qui il plasma si raffredda e si trasforma in gas, dopodiché viene pompato fuori dalla camera. La polvere di berillio, dopo essere entrata nella camera, non è praticamente in grado di tornare al plasma. Pertanto, la contaminazione del plasma rimane solo in superficie e non penetra più in profondità.

Criostato

- il componente più grande del tokomak, ovvero un guscio in acciaio inossidabile con un volume di 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) e una massa di 3.850 tonnellate. Altri elementi del sistema saranno collocati all'interno del criostato e servirà esso stesso come barriera tra il tokamak e ambiente esterno. Sulle sue pareti interne saranno applicati schermi termici raffreddati mediante circolazione di azoto alla temperatura di 80 K (-193,15 °C).

Sistema magnetico

– un insieme di elementi che servono a contenere e controllare il plasma all'interno di un recipiente a vuoto. È un insieme di 48 elementi:

• Le bobine di campo toroidale si trovano all'esterno della camera a vuoto e all'interno del criostato. Sono presentate in 18 pezzi, ciascuno dei quali misura 15 x 9 me pesa circa 300 tonnellate. Insieme, queste bobine generano un campo magnetico di 11,8 Tesla attorno al toro di plasma e immagazzinano un'energia di 41 GJ.
• Bobine di campo poloidale – situate sopra le bobine di campo toroidale e all'interno del criostato. Queste bobine sono responsabili della generazione di un campo magnetico che separa la massa del plasma dalle pareti della camera e comprime il plasma per il riscaldamento adiabatico. Il numero di tali bobine è 6. Due delle bobine hanno un diametro di 24 me una massa di 400 tonnellate. Le restanti quattro sono leggermente più piccole.
• Il solenoide centrale è situato nella parte interna della camera toroidale, ovvero nel “foro della ciambella”. Il principio del suo funzionamento è simile a quello di un trasformatore e il compito principale è eccitare la corrente induttiva nel plasma.
• Le bobine di correzione si trovano all'interno del recipiente del vuoto, tra la coperta e la parete della camera. Il loro compito è mantenere la forma del plasma, capace di “rigonfiarsi” localmente e persino di toccare le pareti del vaso. Permette di ridurre il livello di interazione delle pareti della camera con il plasma, e quindi il livello della sua contaminazione, e riduce inoltre l'usura della camera stessa.

Struttura del complesso ITER

Il design del tokamak sopra descritto “in poche parole” è un meccanismo innovativo altamente complesso assemblato grazie agli sforzi di diversi paesi. Tuttavia, per lei lavoro a tutti gli effettiè necessario un intero complesso di edifici situati vicino al tokamak. Tra loro:

• Sistema di Controllo, Accesso ai Dati e Comunicazione – CODAC. Situato in una serie di edifici del complesso ITER.
• Stoccaggio e sistema di alimentazione del carburante: serve per fornire carburante al tokamak.
• Sistema del vuoto - è costituito da oltre quattrocento pompe a vuoto, il cui compito è pompare i prodotti della reazione termonucleare, nonché vari contaminanti dalla camera a vuoto.
• Sistema criogenico – rappresentato da un circuito di azoto ed elio. Il circuito dell'elio normalizzerà la temperatura nel tokamak, il cui lavoro (e quindi la temperatura) non avviene in modo continuo, ma a impulsi. Il circuito dell'azoto raffredderà gli scudi termici del criostato e lo stesso circuito dell'elio. Sarà inoltre presente un sistema di raffreddamento ad acqua, finalizzato ad abbassare la temperatura delle pareti della coperta.
• Alimentazione elettrica. Tokamak richiederà circa 110 MW di energia lavoro permanente. Per raggiungere questo obiettivo verranno installate linee elettriche lunghe un chilometro e collegate alla rete industriale francese. Vale la pena ricordare che l'impianto sperimentale ITER non prevede la produzione di energia, ma opera solo per interessi scientifici.

Finanziamento ITER

Il reattore termonucleare internazionale ITER è un’impresa piuttosto costosa, inizialmente stimata in 12 miliardi di dollari, di cui Russia, Stati Uniti, Corea, Cina e India rappresentano 1/11 della somma, Giappone 2/11 e UE 4. /11 . Tale importo è successivamente aumentato a 15 miliardi di dollari. È interessante notare che il finanziamento avviene attraverso la fornitura delle attrezzature necessarie per il complesso, che viene sviluppato in ciascun paese. Pertanto, la Russia fornisce coperte, dispositivi per il riscaldamento del plasma e magneti superconduttori.

Prospettiva del progetto

IN questo momento Il complesso ITER è in costruzione e vengono prodotti tutti i componenti necessari per il tokamak. Dopo il lancio previsto del tokamak nel 2025, inizieranno una serie di esperimenti, sulla base dei risultati dei quali si noteranno gli aspetti che richiedono miglioramenti. Dopo il successo della messa in servizio di ITER, si prevede di costruire una centrale elettrica basata sulla fusione termonucleare denominata DEMO (DEMOnstration Power Plant). L'obiettivo di DEMo è dimostrare il cosiddetto "attrattiva commerciale" dell'energia da fusione. Se ITER è in grado di generare solo 500 MW di energia, DEMO sarà in grado di generare continuamente un'energia di 2 GW.

Va però tenuto presente che l’impianto sperimentale ITER non produrrà energia e il suo scopo è ottenere benefici puramente scientifici. E come sai, l'uno o l'altro esperimento fisico può non solo essere all’altezza delle aspettative, ma anche portare nuove conoscenze ed esperienze all’umanità.

10:14 - Reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER

Cantiere del reattore a fusione ITER nell'ottobre 2016. Il reattore stesso sarà lì al centro, dove c'è un cerchio con un rubinetto.

Quindi questo è il primo post con una registrazione e breve descrizione ciò di cui abbiamo discusso nella mia rubrica Pioggia d'argento. L'argomento dell'edizione di ieri era l'energia termonucleare e l'impianto scientifico più costoso del mondo: ITER.

Allora cos'è ITER?
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un reattore termonucleare sperimentale internazionale. È stato costruito grazie agli sforzi di decine di paesi nel centro nucleare francese di Cadarache. La sua progettazione iniziò negli anni '80, il progetto fu sviluppato dal 1992 al 2007 e la costruzione iniziò nel 2009. Si prevede di ricevere il primo plasma nel 2025, mentre il completamento definitivo e il raggiungimento dei parametri operativi massimi previsti dal progetto avverranno intorno al 2035. Perché è importante e interessante? Innanzitutto, ITER è la struttura scientifica e sperimentale più costosa e complessa al mondo. Il suo valore è già stimato in oltre 20 miliardi di euro. Il Large Hadron Collider, per fare un confronto, è costato 6 miliardi di euro e ci sono voluti 7 anni per costruirlo. In secondo luogo, ITER è la cosa più importante che si sta facendo ora verso lo sviluppo dell’energia termonucleare, che può potenzialmente risolvere tutti i problemi energetici dell’umanità in futuro. L'obiettivo dell'installazione è dimostrare la possibilità di fusione termonucleare controllata con poteri scala industriale e acquisire esperienza per costruire la prima centrale elettrica a fusione. Quindi ITER stesso non genererà ancora elettricità.

In un reattore termonucleare, a differenza di quello convenzionale reattore nucleare, non viene utilizzata la reazione di fissione dei nuclei di uranio pesante o di plutonio, ma la reazione di sintesi dei nuclei di elio leggeri dagli isotopi di idrogeno: deuterio e trizio. Una reazione di fusione simile avviene nel Sole, quindi l’energia “alternativa” solare ed eolica è, in qualche modo, un utilizzo indiretto dell’energia termonucleare della nostra stella.

Allo stesso tempo, creare una reazione di fusione termonucleare controllata è molto difficile. Hanno imparato a produrre una reazione termonucleare incontrollabile sulla terra, sotto forma di idrogeno bombe termonucleari, il più potente creato dall'uomo. Ma non possono ancora usarlo per scopi pacifici. Ci sono diverse difficoltà qui. Innanzitutto, la reazione di sintesi richiede Calore. È necessario accelerare e far collidere due nuclei leggeri con la stessa carica positiva, che a velocità inferiori semplicemente si respingono. Pertanto, la temperatura del Sole raggiunge i 15 milioni di gradi e nel reattore ITER sarà ancora di più: 150 milioni di gradi.

La materia a questa temperatura esiste solo sotto forma di plasma, il quarto stato di aggregazione sostanze dopo solide, liquide e gassose, dove non ci sono più atomi, ma solo singole particelle cariche: nuclei, protoni ed elettroni. Pertanto, la seconda difficoltà di un impianto termonucleare è confinare questo plasma all'interno del reattore. Nessun materiale può resistere al contatto con questo plasma, quindi dovrà essere trattenuto non da una sostanza, ma da un campo magnetico. Se dai al campo una forma chiusa, al suo interno si troveranno particelle cariche. Tuttavia, è anche teoricamente impossibile creare un campo magnetico sferico chiuso (a causa del teorema del riccio), quindi è stata proposta una forma di campo a forma di toro per contenere il plasma. Un bagel, per dirla semplicemente. È stato inventato e implementato per la prima volta da scienziati sovietici. Pertanto, il nome di tale struttura: Tokamak (camera toroidale con bobine magnetiche) è entrato nel mondo della scienza dalla lingua russa. ITER sarà il tokamak più grande e potente del mondo, anche se ce ne sono già più di 300 sul pianeta.

Bene, c'è un'altra difficoltà: per creare il campo magnetico necessario, sono necessari enormi magneti superconduttori, raffreddati con elio liquido a temperature inferiori a -270 gradi Celsius. Quindi si scopre che un tokamak è un dispositivo in cui in un vuoto completo (poiché, oltre al carburante, al deuterio e al trizio, non sono ammesse impurità di gas all'interno) all'interno di bobine con temperature inferiori allo zero, si verificherà una reazione ad una temperatura di 150 milioni di gradi. Questo è un sandwich termico. Più precisamente un bagel.

La dimensione e la complessità dell'installazione possono essere stimate utilizzando questo diagramma

Ma che dimensioni hanno in realtà gli anelli magnetici da cui verrà assemblata la camera del tokamak mostrata nello schema qui sopra? Foto più emozionanti.

Maggiori dettagli sulla fisica del tokamak e sul design delle dita sono descritti qui.

Sarebbe difficile anche per i più paesi sviluppati. A causa della complessità dell’impianto, è stato necessario combinare le conoscenze e l’esperienza di tutti i paesi coinvolti nella ricerca sulla fusione termonucleare. Il progetto ITER coinvolge l’Unione Europea, gli Stati Uniti, la Russia, il Giappone, la Corea del Sud, la Cina e l’India. Successivamente vi hanno aderito il Kazakistan e recentemente anche l’Iran. Alcune persone investono denaro nel progetto, mentre altre investono nella costruzione delle attrezzature. La Russia, ad esempio, costruisce molti componenti importanti, come indicato nella figura seguente. E potete leggere di più sulla partecipazione della Russia sul sito web del centro di design russo ITER.

Parti del progetto ITER realizzate in Russia. Il loro costo ammonta a diversi miliardi di euro.

Unire gli sforzi è vantaggioso per tutti: investendo la propria parte, i paesi ottengono l'accesso a tutte le informazioni ottenute dall'impianto pilota. L’energia termonucleare può davvero diventare proprietà di tutta l’umanità. Altro possibile motivo il fatto che il progetto viene attuato sotto forma di cooperazione internazionale – condivisione dei rischi. La comparsa di installazioni commerciali è ancora molto lontana (ITER stesso non genererà ancora energia, dopo lo farà il prossimo reattore DEMO), tutti lo capiscono ed è costoso condurre da soli un esperimento così costoso. I paesi, grosso modo, investono in un lontano futuro e mantengono il potenziale scientifico nel campo dell'energia termonucleare, ma allo stesso tempo condividono il rischio che il prodotto non appaia presto e non in una forma in cui possa essere utilizzato.

Anche se ho studiato l'energia nucleare, un reattore termonucleare è un argomento così separato e distante dalle tradizionali centrali nucleari che solo ora mi sono approfondito abbastanza. Ora mi sembra che tecnicamente il problema dell'uso pacifico dell'energia termonucleare controllata sarà risolto. Dipende da quanta domanda avrà nel momento in cui verrà creata e quando esattamente ciò accadrà è difficile da dire.

Centrale elettrica a fusione.

Attualmente, gli scienziati stanno lavorando alla creazione di una centrale termonucleare, il cui vantaggio è fornire all'umanità elettricità per un tempo illimitato. Una centrale termonucleare funziona sulla base della fusione termonucleare, la reazione di sintesi di isotopi pesanti di idrogeno con la formazione di elio e il rilascio di energia. La reazione di fusione termonucleare non produce scorie radioattive gassose o liquide e non produce plutonio, che viene utilizzato per produrre armi nucleari. Se consideriamo anche che il combustibile per le centrali termonucleari sarà l'isotopo pesante dell'idrogeno deuterio, che si ottiene dall'acqua semplice - mezzo litro d'acqua contiene energia di fusione equivalente a quella ottenuta bruciando un barile di benzina - allora i vantaggi di diventano evidenti le centrali elettriche basate su reazioni termonucleari.

Durante una reazione termonucleare, l'energia viene rilasciata quando gli atomi leggeri si combinano e si trasformano in atomi più pesanti. Per raggiungere questo obiettivo è necessario riscaldare il gas a una temperatura di oltre 100 milioni di gradi, molto più alta della temperatura al centro del Sole.

Il gas a questa temperatura si trasforma in plasma. Gli atomi degli isotopi dell'idrogeno si fondono, trasformandosi in atomi di elio e neutroni e rilasciandosi un gran numero di energia. Una centrale elettrica commerciale che funzioni secondo questo principio utilizzerebbe l’energia dei neutroni moderata da uno strato di materiale denso (litio).

Rispetto a una centrale nucleare, un reattore a fusione lascerà molti meno rifiuti radioattivi.

Reattore termonucleare internazionale ITER

I partecipanti al consorzio internazionale per la creazione del primo reattore termonucleare al mondo, ITER, hanno firmato a Bruxelles un accordo che avvia l'attuazione pratica del progetto.

Rappresentanti Unione Europea Stati Uniti, Giappone, Cina, Corea del Sud e Russia intendono iniziare la costruzione del reattore sperimentale nel 2007 e completarla entro otto anni. Se tutto andrà secondo i piani, entro il 2040 potrebbe essere costruita una centrale dimostrativa funzionante secondo il nuovo principio.

Mi piacerebbe credere che l'era delle centrali idroelettriche e nucleari pericolose per l'ambiente finirà presto e verrà il momento per una nuova centrale elettrica, una termonucleare, il cui progetto è già in fase di realizzazione. Ma, nonostante il progetto ITER (International Thermonuclear Reactor) sia quasi pronto; nonostante il fatto che già nei primi reattori termonucleari sperimentali in funzione fosse stata ottenuta una potenza superiore a 10 MW - il livello dei primi centrali elettriche nucleari, la prima centrale termonucleare entrerà in funzione non prima di vent'anni, perché il suo costo è molto alto. Il costo dell'opera è stimato in 10 miliardi di euro: questo è il più costoso progetto internazionale centrali elettriche. La metà dei costi di costruzione del reattore sono coperti dall'Unione Europea. Gli altri partecipanti al consorzio destineranno il 10% del preventivo.

Adesso il piano per la costruzione del reattore, che diventerà il progetto scientifico congiunto più costoso mai realizzato, dovrà essere ratificato dai parlamentari dei Paesi membri del consorzio.

Il reattore sarà costruito nel sud provincia francese Provenza, nelle vicinanze della città di Cadarache, dove si trova il centro francese di ricerche nucleari.

L'umanità si sta gradualmente avvicinando al confine dell'esaurimento irreversibile delle risorse di idrocarburi della Terra. Sono quasi due secoli che estraiamo petrolio, gas e carbone dalle viscere del pianeta ed è già chiaro che le loro riserve si stanno esaurendo a una velocità incredibile. I principali paesi del mondo pensano da tempo alla creazione di una nuova fonte di energia, rispettosa dell'ambiente, sicura dal punto di vista del funzionamento, con enormi riserve di carburante.

Reattore a fusione

Oggi si parla molto dell'uso delle cosiddette forme alternative di energia: fonti rinnovabili sotto forma di fotovoltaico, energia eolica e energia idroelettrica. È ovvio che, a causa delle loro proprietà, queste direzioni possono fungere solo come fonti ausiliarie di approvvigionamento energetico.

Come prospettiva a lungo termine per l'umanità, si basa solo sull'energia reazioni nucleari.

Da un lato sempre più Stati mostrano interesse a costruire reattori nucleari sul proprio territorio. Tuttavia, un problema urgente per l’energia nucleare è il trattamento e lo smaltimento dei rifiuti radioattivi, e ciò influisce sugli indicatori economici e ambientali. A metà del 20 ° secolo, i principali fisici del mondo, alla ricerca di nuovi tipi di energia, si sono rivolti alla fonte della vita sulla Terra: il Sole, nelle profondità del quale, ad una temperatura di circa 20 milioni di gradi, si verificano reazioni La sintesi (fusione) degli elementi leggeri avviene con il rilascio di un'energia colossale.

Gli specialisti nazionali hanno gestito al meglio il compito di sviluppare un impianto per l'implementazione delle reazioni di fusione nucleare in condizioni terrestri. Le conoscenze e l'esperienza acquisite in Russia nel campo della fusione termonucleare controllata (CTF) hanno costituito la base del progetto che rappresenta, senza esagerare, la speranza energetica dell'umanità: il reattore termonucleare sperimentale internazionale (ITER), in fase di realizzazione costruito a Cadarache (Francia).

Storia della fusione termonucleare

La prima ricerca termonucleare iniziò nei paesi che lavoravano ai loro programmi di difesa atomica. Ciò non sorprende, perché all'alba dell'era atomica obiettivo principale l'emergere di reattori al plasma di deuterio era uno studio processi fisici nel plasma caldo, la cui conoscenza era necessaria, tra l'altro, per la creazione di armi termonucleari. Secondo dati declassificati, l’URSS e gli USA iniziarono quasi contemporaneamente negli anni ’50. lavorare su UTS. Ma, allo stesso tempo, ci sono prove storiche che nel 1932 il vecchio rivoluzionario e caro amico leader del proletariato mondiale Nikolai Bukharin, che a quel tempo ricopriva la carica di presidente del comitato del Consiglio economico supremo e monitorava lo sviluppo scienza sovietica, ha proposto di lanciare nel Paese un progetto per studiare le reazioni termonucleari controllate.

La storia del progetto termonucleare sovietico non era priva di effetti Fatto divertente. Il futuro famoso accademico e creatore della bomba all'idrogeno, Andrei Dmitrievich Sakharov, è stato ispirato dall'idea dell'isolamento termico magnetico del plasma ad alta temperatura da una lettera di un soldato esercito sovietico. Nel 1950, il sergente Oleg Lavrentyev, che prestò servizio a Sakhalin, inviò al Comitato Centrale di tutta l'Unione partito Comunista una lettera in cui si proponeva di utilizzare in bomba all'idrogeno deuteruro di litio-6 invece di deuterio e trizio liquefatti, e creare anche un sistema con confinamento elettrostatico del plasma caldo per la fusione termonucleare controllata. La lettera fu esaminata dall’allora giovane scienziato Andrei Sakharov, il quale scrisse nella sua recensione che “ritiene necessario avere una discussione dettagliata del progetto del compagno Lavrentiev”.

Già nell'ottobre 1950 Andrei Sakharov e il suo collega Igor Tamm fecero le prime stime di un reattore termonucleare magnetico (MTR). Il primo impianto toroidale con un forte campo magnetico longitudinale, basato sulle idee di I. Tamm e A. Sakharov, fu costruito nel 1955 a LIPAN. Si chiamava TMP: un toro con un campo magnetico. Le installazioni successive furono già chiamate TOKAMAK, dalla combinazione delle sillabe iniziali nella frase “TORIDAL CHAMBER MAGNETIC COIL”. Nel suo versione classica Un tokamak è una camera toroidale a forma di ciambella posta in un campo magnetico toroidale. Dal 1955 al 1966 Presso l'Istituto Kurchatov sono state costruite 8 installazioni di questo tipo, sulle quali sono stati condotti molti studi diversi. Se prima del 1969, i tokamak venivano costruiti fuori dall'URSS solo in Australia, negli anni successivi furono costruiti in 29 paesi, tra cui Stati Uniti, Giappone, paesi europei, India, Cina, Canada, Libia, Egitto. In totale, ad oggi, nel mondo sono stati costruiti circa 300 tokamak, di cui 31 in URSS e Russia, 30 negli Stati Uniti, 32 in Europa e 27 in Giappone. In effetti, tre paesi – Unione Sovietica, Gran Bretagna e Stati Uniti – erano impegnati in una tacita competizione per vedere chi sarebbe stato il primo a sfruttare il plasma e a iniziare effettivamente a produrre energia “dall’acqua”.

Il vantaggio più importante di un reattore termonucleare è la riduzione del rischio biologico da radiazioni di circa mille volte rispetto a tutti i moderni reattori nucleari.

Un reattore termonucleare non emette CO2 e non produce scorie radioattive “pesanti”. Questo reattore può essere posizionato ovunque, ovunque.

Un passo di mezzo secolo

Nel 1985, l'accademico Evgeniy Velikhov, a nome dell'URSS, propose che scienziati provenienti da Europa, Stati Uniti e Giappone lavorassero insieme per creare un reattore termonucleare, e già nel 1986 a Ginevra fu raggiunto un accordo sulla progettazione dell'impianto, che in seguito ha ricevuto il nome ITER. Nel 1992 i partner firmarono un accordo quadripartito per sviluppare il progetto ingegneristico del reattore. La prima fase di costruzione dovrebbe essere completata entro il 2020, quando si prevede di ricevere il primo plasma. Nel 2011 è iniziata la vera e propria costruzione del sito ITER.

Il design dell'ITER segue il classico tokamak russo, sviluppato negli anni '60. Si prevede che nella prima fase il reattore funzionerà in modalità pulsata con una potenza di reazioni termonucleari di 400-500 MW, nella seconda fase verrà testato il funzionamento continuo del reattore e il sistema di riproduzione del trizio .

Non per niente il reattore ITER è chiamato il futuro energetico dell'umanità. In primo luogo, si tratta del più grande progetto scientifico del mondo, perché quasi tutto il mondo lo sta costruendo sul territorio francese: partecipano UE + Svizzera, Cina, India, Giappone, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti. L'accordo per la costruzione dell'impianto è stato firmato nel 2006. I paesi europei contribuiscono per circa il 50% al finanziamento del progetto, la Russia rappresenta circa il 10% dell'importo totale, che sarà investito sotto forma di attrezzature ad alta tecnologia. Ma il contributo più importante della Russia è la stessa tecnologia tokamak, che ha costituito la base del reattore ITER.

In secondo luogo, questo sarà il primo tentativo su larga scala di utilizzare la reazione termonucleare che avviene nel Sole per generare elettricità. In terzo luogo, questo lavoro scientifico dovrebbe portare risultati molto pratici, ed entro la fine del secolo il mondo si aspetta la comparsa del primo prototipo di centrale termonucleare commerciale.

Gli scienziati presuppongono che il primo plasma del reattore termonucleare sperimentale internazionale sarà prodotto nel dicembre 2025.

Perché letteralmente l'intera comunità scientifica mondiale ha iniziato a costruire un simile reattore? Il fatto è che molte delle tecnologie che si prevede di utilizzare nella costruzione di ITER non appartengono a tutti i paesi contemporaneamente. Uno stato, anche il più altamente sviluppato in termini scientifici e tecnici, non può avere immediatamente un centinaio di tecnologie del più alto livello mondiale in tutti i campi della tecnologia utilizzate in un progetto così high-tech e rivoluzionario come un reattore termonucleare. Ma ITER è costituito da centinaia di tecnologie simili.

La Russia supera il livello globale in molte tecnologie di fusione termonucleare. Ma, ad esempio, anche gli scienziati nucleari giapponesi hanno competenze uniche in questo settore, che sono del tutto applicabili a ITER.

Pertanto, proprio all'inizio del progetto, i paesi partner hanno raggiunto un accordo su chi e cosa avrebbe fornito il sito, e che questa non dovrebbe essere solo una cooperazione in campo ingegneristico, ma un'opportunità per ciascuno dei partner di ricevere nuove tecnologie da altri partecipanti, in modo che in futuro li sviluppi tu stesso.

Andrey Retinger, giornalista internazionale