Günümüzde pek çok ülke termonükleer araştırmalara katılmaktadır. Liderler Avrupa Birliği, ABD, Rusya ve Japonya olurken, Çin, Brezilya, Kanada ve Kore'deki programlar hızla genişliyor. Başlangıçta ABD ve SSCB'deki füzyon reaktörleri nükleer silahların geliştirilmesiyle ilişkilendirildi ve 1958'de Cenevre'de düzenlenen Barış İçin Atomlar konferansına kadar gizli kaldı. Sovyet tokamak'ının yaratılmasının ardından nükleer füzyon araştırması 1970'lerde "büyük bilim" haline geldi. Ancak cihazların maliyeti ve karmaşıklığı o kadar arttı ki, uluslararası işbirliği ilerlemenin tek yolu haline geldi.
Dünyadaki termonükleer reaktörler
1970'lerden bu yana füzyon enerjisinin ticari kullanımı sürekli olarak 40 yıl ertelendi. Ancak son yıllarda bu sürenin kısalmasına neden olabilecek pek çok gelişme yaşandı.
Avrupa JET'i, İngiliz MAST'ı ve ABD'nin Princeton kentindeki TFTR deneysel füzyon reaktörü de dahil olmak üzere birçok tokamak inşa edildi. Uluslararası ITER projesi şu anda Fransa'nın Cadarache kentinde yapım aşamasındadır. 2020 yılında faaliyete geçtiğinde en büyük tokamak olacak. 2030'da Çin, ITER'i geride bırakacak CFETR'yi inşa edecek. Bu arada Çin, deneysel süper iletken tokamak EAST üzerinde araştırmalar yürütüyor.
Başka bir füzyon reaktörü türü olan stellatörler de araştırmacılar arasında popülerdir. En büyüklerinden biri olan LHD, 1998 yılında Japon Ulusal Enstitüsünde çalışmaya başladı. Plazma hapsi için en iyi manyetik konfigürasyonu bulmak için kullanılır. Alman Max Planck Enstitüsü, 1988-2002 yılları arasında Garching'deki Wendelstein 7-AS reaktöründe, şu anda ise inşaatı 19 yıldan fazla süren Wendelstein 7-X reaktöründe araştırmalar yaptı. Başka bir TJII yıldızlaştırıcısı İspanya'nın Madrid kentinde faaliyet gösteriyor. ABD'de bu tipteki ilk füzyon reaktörünü 1951 yılında inşa eden Princeton Laboratuvarı (PPPL), maliyet aşımları ve finansman eksikliği nedeniyle 2008 yılında NCSX'in inşaatını durdurdu.
Ayrıca eylemsiz füzyon araştırmalarında da önemli ilerlemeler kaydedildi. Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi tarafından finanse edilen Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki (LLNL) 7 milyar ABD doları tutarındaki Ulusal Ateşleme Tesisi'nin (NIF) inşaatı Mart 2009'da tamamlandı. Fransız Lazer Mégajoule (LMJ), Ekim 2014'te faaliyete geçti. Füzyon reaktörleri, nükleer füzyon reaksiyonunu tetiklemek için birkaç milimetre büyüklüğündeki bir hedefe saniyenin birkaç milyarda biri kadar bir sürede yaklaşık 2 milyon joule ışık enerjisi ileten lazerler kullanır. NIF ve LMJ'nin birincil misyonu ulusal askeri nükleer programları destekleyen araştırmalardır.
İTER
1985 yılında Sovyetler Birliği, Avrupa, Japonya ve ABD ile ortaklaşa yeni nesil bir tokamak inşa etmeyi önerdi. Çalışma IAEA'nın himayesinde gerçekleştirildi. 1988 ve 1990 yılları arasında, Latince'de "yol" veya "yolculuk" anlamına da gelen Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör ITER'in ilk tasarımları, füzyonun emdiğinden daha fazla enerji üretebileceğini kanıtlamak için yaratıldı. Sırasıyla Euratom ve Rusya'nın aracılık ettiği Kanada ve Kazakistan da katıldı.
Altı yıl sonra ITER yönetim kurulu, yerleşik fizik ve teknolojiye dayanan ve 6 milyar dolara mal olan ilk kapsamlı reaktör tasarımını onayladı. Daha sonra Amerika Birleşik Devletleri konsorsiyumdan çekildi ve bu da onları maliyetleri yarıya indirmeye ve projeyi değiştirmeye zorladı. Sonuç, 3 milyar dolara mal olan ancak kendi kendini idame ettiren yanıt ve pozitif güç dengesi sağlayan ITER-FEAT'tir.
2003 yılında ABD konsorsiyuma yeniden katıldı ve Çin de katılma arzusunu açıkladı. Sonuç olarak, 2005 yılının ortalarında ortaklar, Fransa'nın güneyindeki Cadarache'de ITER'yi inşa etmeye karar verdiler. AB ve Fransa 12,8 milyar Euro'nun yarısına katkıda bulunurken, Japonya, Çin, Güney Kore, ABD ve Rusya'nın her biri %10'ar katkıda bulundu. Japonya yüksek teknolojili bileşenler sağladı, malzemeleri test etmek için tasarlanmış 1 milyar Euro'luk IFMIF tesisini sürdürdü ve bir sonraki test reaktörünü inşa etme hakkına sahipti. ITER'in toplam maliyeti, 10 yıllık inşaat maliyetlerinin yarısını ve 20 yıllık işletme maliyetlerinin yarısını içerir. Hindistan, 2005 yılı sonunda ITER'in yedinci üyesi oldu.
Mıknatısların etkinleştirilmesini önlemek için hidrojen kullanılarak yapılan deneyler 2018'de başlayacak. D-T plazmanın kullanımının 2026'dan önce olması beklenmiyor.
ITER'in hedefi, elektrik üretmeden 50 MW'tan daha az giriş gücü kullanarak 500 MW (en az 400 saniye boyunca) üretmektir.
Demo'nun iki gigawatt'lık gösteri elektrik santrali sürekli olarak büyük ölçekli üretim yapacak. Demo'nun kavramsal tasarımı 2017'de tamamlanacak ve inşaat 2024'te başlayacak. Lansman 2033 yılında gerçekleşecek.
JET
1978'de AB (Euratom, İsveç ve İsviçre) Birleşik Krallık'ta JET ortak Avrupa projesini başlattı. JET bugün dünyada faaliyet gösteren en büyük tokamaktır. Benzer bir JT-60 reaktörü Japonya Ulusal Füzyon Enstitüsü'nde faaliyet gösteriyor, ancak yalnızca JET döteryum-trityum yakıtını kullanabiliyor.
Reaktör 1983 yılında fırlatıldı ve Kasım 1991'de döteryum-trityum plazması üzerinde bir saniyede 16 MW'a kadar güç ve 5 MW sabit güç ile kontrollü termonükleer füzyonla sonuçlanan ilk deney oldu. Çeşitli ısıtma şemalarını ve diğer teknikleri incelemek için birçok deney yapılmıştır.
JET'teki diğer iyileştirmeler, gücünün arttırılmasını içerir. MAST kompakt reaktörü JET ile birlikte geliştirilmekte ve ITER projesinin bir parçasıdır.
K-YILDIZ
K-STAR, Daejeon'daki Ulusal Füzyon Araştırma Enstitüsü'nden (NFRI) gelen ve 2008 ortalarında ilk plazmasını üreten Koreli süper iletken bir tokamaktır. Uluslararası işbirliğinin sonucu olan ITER. 1,8 m yarıçaplı Tokamak, ITER için planlananların aynısı olan Nb3Sn süper iletken mıknatısları kullanan ilk reaktördür. 2012 yılında tamamlanan ilk aşamada, K-STAR'ın temel teknolojilerin uygulanabilirliğini kanıtlaması ve 20 saniyeye kadar süren plazma darbeleri elde etmesi gerekiyordu. İkinci aşamada (2013-2017), H modunda 300 saniyeye kadar uzun darbelerin incelenmesi ve yüksek performanslı AT moduna geçiş için modernize ediliyor. Üçüncü aşamanın (2018-2023) hedefi uzun darbe modunda yüksek üretkenlik ve verimlilik elde etmektir. 4. aşamada (2023-2025) DEMO teknolojileri test edilecektir. Cihaz trityum ile çalışma özelliğine sahip değildir ve D-T yakıtı kullanmamaktadır.
K-DEMO
ABD Enerji Bakanlığı'nın Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı (PPPL) ve Güney Kore'nin NFRI'si ile işbirliği içinde geliştirilen K-DEMO'nun, ITER'den sonra ticari reaktör geliştirmede bir sonraki adım olması amaçlanıyor ve enerji üretebilen ilk enerji santrali olacak. elektrik şebekesi birkaç hafta içinde 1 milyon kW'a ulaşacak. 6,65 m çapında olacak ve DEMO projesi kapsamında oluşturulan üreme bölgesi modülüne sahip olacak. Kore Eğitim, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı buna yaklaşık bir trilyon Kore wonu (941 milyon dolar) yatırım yapmayı planlıyor.
DOĞU
Çin'in Hefei'deki Çin Fizik Enstitüsü'ndeki Deneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak (EAST), 50 milyon °C sıcaklıkta hidrojen plazması oluşturdu ve bunu 102 saniye boyunca korudu.
TFTR
Amerikan PPPL laboratuvarında deneysel füzyon reaktörü TFTR 1982'den 1997'ye kadar işletildi. Aralık 1993'te TFTR, kapsamlı döteryum-trityum plazma deneyleri yürüten ilk manyetik tokamak oldu. Ertesi yıl, reaktör o zamanki rekor olan 10,7 MW'lık kontrol edilebilir güç üretti ve 1995'te 510 milyon °C'lik sıcaklık rekoruna ulaşıldı. Ancak tesis, füzyon enerjisinin başa baş hedefine ulaşamadı ancak donanım tasarım hedeflerini başarıyla karşılayarak ITER'in gelişimine önemli katkı sağladı.
soldan direksiyon
Japonya'nın Gifu Eyaleti, Toki'deki Ulusal Füzyon Enstitüsündeki LHD, dünyanın en büyük yıldız yaratıcısıydı. Füzyon reaktörü 1998 yılında fırlatıldı ve diğer büyük tesislerle karşılaştırılabilir plazma hapsetme özellikleri gösterdi. 13,5 keV (yaklaşık 160 milyon °C) iyon sıcaklığı ve 1,44 MJ enerji elde edildi.
Wendelstein 7-X
2015'in sonlarında başlayan bir yıllık testlerin ardından helyum sıcaklıkları kısa süreliğine 1 milyon °C'ye ulaştı. 2016 yılında 2 MW güç kullanan bir hidrojen plazma füzyon reaktörü çeyrek saniye içinde 80 milyon °C sıcaklığa ulaştı. W7-X dünyanın en büyük yıldızlaştırıcısıdır ve 30 dakika boyunca sürekli çalışması planlanmaktadır. Reaktörün maliyeti 1 milyar Euro oldu.
NIF
Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki (LLNL) Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) Mart 2009'da tamamlandı. NIF, 192 lazer ışınını kullanarak önceki lazer sistemlerine göre 60 kat daha fazla enerji yoğunlaştırabilmektedir.
Soğuk füzyon
Mart 1989'da iki araştırmacı, Amerikalı Stanley Pons ve İngiliz Martin Fleischman, oda sıcaklığında çalışan basit bir masa üstü soğuk füzyon reaktörü başlattıklarını duyurdular. Süreç, döteryum çekirdeklerinin yüksek bir yoğunluğa yoğunlaştığı paladyum elektrotları kullanılarak ağır suyun elektrolizini içeriyordu. Araştırmacılar, bunun yalnızca nükleer süreçlerle açıklanabilecek bir ısı ürettiğini ve helyum, trityum ve nötronlar gibi füzyon yan ürünlerinin bulunduğunu söylüyor. Ancak diğer deneyciler bu deneyi tekrarlayamadılar. Bilim camiasının büyük bir kısmı soğuk füzyon reaktörlerinin gerçek olduğuna inanmıyor.
Düşük enerjili nükleer reaksiyonlar
"Soğuk füzyon" iddialarıyla başlatılan araştırmalar, düşük enerji alanında bazı ampirik desteklerle devam etti, ancak genel kabul görmüş bir bilimsel açıklama yok. Görünüşe göre, nötronları oluşturmak ve yakalamak için zayıf nükleer etkileşimler kullanılıyor (ve bunların füzyonunda olduğu gibi güçlü bir kuvvet değil). Deneyler, katalitik bir katmandan geçen ve bir metal ile reaksiyona giren hidrojen veya döteryumun içerir. Araştırmacılar gözlemlenen bir enerji salınımını rapor ediyor. Ana pratik örnek, hidrojenin nikel tozu ile etkileşimi olup, herhangi bir kimyasal reaksiyonun üretebileceğinden daha fazla miktarda ısı açığa çıkarmasıdır.
Füzyon enerji santrali.
Şu anda bilim adamları, avantajı insanlığa sınırsız bir süre için elektrik sağlamak olan bir termonükleer enerji santralinin oluşturulması üzerinde çalışıyorlar. Bir termonükleer enerji santrali, termonükleer füzyon temelinde çalışır - ağır hidrojen izotoplarının sentezinin helyum oluşumu ve enerji salınımı ile reaksiyonu. Termonükleer füzyon reaksiyonu, gaz veya sıvı radyoaktif atık üretmez ve nükleer silah üretmek için kullanılan plütonyum üretmez. Termonükleer istasyonlar için yakıtın, basit sudan elde edilen ağır hidrojen izotop döteryum olacağını da hesaba katarsak - yarım litre su, bir varil benzin yakılarak elde edilene eşdeğer füzyon enerjisi içerir - o zaman avantajları Termonükleer reaksiyonlara dayalı enerji santralleri belirginleşiyor.
Termonükleer reaksiyon sırasında, hafif atomlar birleşip daha ağır olanlara dönüştüğünde enerji açığa çıkar. Bunu başarmak için gazı 100 milyon derecenin üzerinde bir sıcaklığa, yani Güneş'in merkezindeki sıcaklıktan çok daha yüksek bir sıcaklığa ısıtmak gerekiyor.
Bu sıcaklıkta gaz plazmaya dönüşür. Aynı zamanda hidrojen izotop atomları birleşerek helyum atomlarına ve nötronlara dönüşerek büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Bu prensibe göre çalışan ticari bir enerji santrali, yoğun bir malzeme tabakası (lityum) tarafından yönetilen nötronların enerjisini kullanacaktır.
Nükleer enerji santraliyle karşılaştırıldığında, füzyon reaktörü geride çok daha az radyoaktif atık bırakacaktır.
Uluslararası termonükleer reaktör ITER
Dünyanın ilk termonükleer reaktörü ITER'i oluşturacak uluslararası konsorsiyumun katılımcıları, projenin pratik uygulamasını başlatan bir anlaşmayı Brüksel'de imzaladı.
Avrupa Birliği, ABD, Japonya, Çin, Güney Kore ve Rusya'dan temsilciler deneysel reaktörün inşaatına 2007 yılında başlamayı ve sekiz yıl içinde tamamlamayı planlıyor. Her şey planlandığı gibi giderse, 2040 yılına kadar yeni prensiple çalışan bir gösteri elektrik santrali inşa edilebilir.
Çevreye zararlı hidroelektrik ve nükleer santraller döneminin yakında sona ereceğine ve projesi halihazırda uygulanmakta olan termonükleer bir santral olan yeni bir enerji santralinin zamanının geleceğine inanmak isterim. Ancak ITER (Uluslararası Termonükleer Reaktör) projesi neredeyse hazır olmasına rağmen; Zaten ilk çalışan deneysel termonükleer reaktörlerde 10 MW'ı aşan bir güç elde edilmiş olmasına rağmen - ilk nükleer santrallerin seviyesi, ilk termonükleer enerji santrali maliyeti çok yüksek olduğu için yirmi yıldan daha erken çalışmayacak. İşin maliyetinin 10 milyar avro olduğu tahmin ediliyor - bu, en pahalı uluslararası enerji santrali projesi. Reaktörün inşaat maliyetinin yarısı Avrupa Birliği tarafından karşılanıyor. Diğer konsorsiyum katılımcıları tahminin %10'unu tahsis edecek.
Şimdiye kadarki en pahalı ortak bilimsel proje haline gelecek olan reaktörün inşasına ilişkin planın artık konsorsiyum üyesi ülkelerin parlamenterleri tarafından onaylanması gerekiyor.
Reaktör, Fransa'nın güneyindeki Provence eyaletinde, Fransız nükleer araştırma merkezinin bulunduğu Cadarache kenti yakınlarında inşa edilecek.
Kontrollü termonükleer füzyon, onlarca yıldır değer verdikleri fizikçilerin ve enerji şirketlerinin mavi rüyasıdır. Yapay bir Güneşi kafeslemek harika bir fikir. "Ama sorun şu ki böyle bir kutunun nasıl oluşturulacağını bilmiyoruz."- 1991'de Nobel ödüllü Pierre Gilles de Gennes dedi. Ancak 2018 ortalarında bunun nasıl yapılacağını zaten biliyoruz. Hatta inşa ediyoruz. Dünyanın en iyi beyinleri, modern bilimin en iddialı ve pahalı deneyi olan uluslararası deneysel termonükleer reaktör ITER projesi üzerinde çalışıyor.
Böyle bir reaktörün maliyeti Büyük Hadron Çarpıştırıcısından beş kat daha fazladır. Proje üzerinde dünya çapında yüzlerce bilim insanı çalışıyor. Finansmanı kolaylıkla 19 milyar avroyu aşabilir ve ilk plazma reaktöre ancak Aralık 2025'te bırakılacak. Sürekli gecikmelere, teknolojik zorluklara ve bireysel katılımcı ülkelerden gelen yetersiz fonlara rağmen, dünyanın en büyük termonükleer “sürekli hareket makinesi” inşa ediliyor. Dezavantajlarından çok daha fazla avantajı var. Hangileri? Zamanımızın en iddialı bilimsel inşaat projesinin hikayesine teoriyle başlıyoruz.
Tokamak nedir?
Muazzam sıcaklıkların ve yerçekiminin etkisi altında, Güneşimizin ve diğer yıldızların derinliklerinde termonükleer füzyon meydana gelir. Hidrojen çekirdekleri çarpışır, daha ağır helyum atomları oluşturur ve aynı zamanda nötronlar ve muazzam miktarda enerji açığa çıkar.
Modern bilim, en düşük başlangıç sıcaklığında, en büyük miktarda enerjinin hidrojen - döteryum ve trityum izotopları arasındaki reaksiyonla üretildiği sonucuna varmıştır. Ancak bunun için üç koşul önemlidir: yüksek sıcaklık (yaklaşık 150 milyon santigrat derece), yüksek plazma yoğunluğu ve yüksek plazma tutma süresi.
Gerçek şu ki Güneş'inki kadar muazzam bir yoğunluk yaratamayacağız. Geriye kalan tek şey, gazı ultra yüksek sıcaklıklar kullanarak plazma durumuna ısıtmaktır. Ancak hiçbir malzeme bu kadar sıcak bir plazmayla temasa dayanamaz. Bunu yapmak için, 1950'lerde akademisyen Andrei Sakharov (Oleg Lavrentyev'in önerisi üzerine) plazmayı tutacak manyetik alana sahip toroidal (içi boş halka şeklinde) odaların kullanılmasını önerdi. Daha sonra terim türetildi - tokamak.
Fosil yakıt yakan modern enerji santralleri, mekanik gücü (örneğin türbin dönüşü) elektriğe dönüştürür. Tokamaks, cihazın duvarları tarafından ısı olarak emilen füzyon enerjisini, türbinleri döndürecek buharı ısıtmak ve üretmek için kullanacak.
Dünyadaki ilk tokamak. Sovyet T-1. 1954
Dünyanın her yerinde küçük deneysel tokamaklar inşa edildi. Ve bir kişinin yüksek sıcaklıkta plazma oluşturabileceğini ve onu bir süre stabil bir durumda tutabileceğini başarıyla kanıtladılar. Ancak endüstriyel tasarımlar hâlâ çok uzakta.
T-15'in kurulumu. 1980'ler
Füzyon reaktörlerinin avantajları ve dezavantajları
Tipik nükleer reaktörler onlarca ton radyoaktif yakıtla çalışır (sonunda onlarca ton radyoaktif atığa dönüşür), bir füzyon reaktörü ise yalnızca yüzlerce gram trityum ve döteryum gerektirir. Birincisi reaktörün kendisinde üretilebilir: Sentez sırasında açığa çıkan nötronlar, trityumun ortaya çıktığı lityum safsızlıklarıyla reaktörün duvarlarını etkileyecektir. Lityum rezervleri binlerce yıl yetecek. Ayrıca döteryum sıkıntısı da yaşanmayacak; dünyada yılda onbinlerce ton üretiliyor.
Bir füzyon reaktörü, fosil yakıtların tipik özelliği olan sera gazı emisyonlarını üretmez. Helyum-4 formundaki yan ürün ise zararsız bir inert gazdır.
Ayrıca termonükleer reaktörler güvenlidir. Herhangi bir felakette, termonükleer reaksiyon, çevre veya personel için herhangi bir ciddi sonuç doğurmadan duracaktır çünkü füzyon reaksiyonunu destekleyecek hiçbir şey olmayacaktır: çok fazla sera koşullarına ihtiyaç duymaktadır.
Ancak termonükleer reaktörlerin dezavantajları da vardır. Her şeyden önce bu, kendi kendini idame ettiren bir reaksiyonu başlatmanın sıradan zorluğudur. Derin bir boşluğa ihtiyacı var. Karmaşık manyetik sınırlama sistemleri, devasa süper iletken manyetik bobinler gerektirir.
Ve radyasyonu da unutma. Termonükleer reaktörlerin zararsızlığına dair bazı stereotiplere rağmen, füzyon sırasında üretilen nötronlarla çevrelerinin bombalanması iptal edilemez. Bu bombardıman radyasyona neden olur. Bu nedenle reaktörün bakımının uzaktan yapılması gerekmektedir. İleriye baktığımızda diyelim ki lansman sonrasında robotlar doğrudan ITER tokamak'ın bakımını yapacak.
Ayrıca radyoaktif trityumun vücuda girmesi halinde tehlikeli olabilir. Doğru, bir kaza durumunda uygun şekilde depolanmasına dikkat etmek ve olası tüm dağıtım yolları boyunca güvenlik bariyerleri oluşturmak yeterli olacaktır. Ayrıca trityumun yarı ömrü 12 yıldır.
Teorinin gerekli asgari temeli atıldığında makalenin kahramanına geçebilirsiniz.
Çağımızın en iddialı projesi
1985 yılında, SSCB ve ABD başkanlarının uzun yıllardır ilk kişisel toplantısı Cenevre'de gerçekleşti. Bundan önce Soğuk Savaş zirveye ulaşmıştı: Süper güçler Olimpiyatları boykot etti, nükleer potansiyellerini geliştirdi ve herhangi bir müzakereye girmeyeceklerdi. İki ülkenin tarafsız topraklardaki bu zirvesi bir başka önemli durumla dikkat çekiyor. Bu sırada CPSU Merkez Komitesi Genel Sekreteri Mihail Gorbaçov, barışçıl amaçlarla termonükleer enerjinin geliştirilmesine yönelik ortak bir uluslararası projenin uygulanmasını önerdi.
Fransa'ya deniz yoluyla varıyorlar ve limandan şantiyeye Fransız hükümeti tarafından özel olarak dönüştürülen bir yol üzerinden ulaştırılıyorlar. Ülke, ITER Yolu'nun 104 km'si için 110 milyon euro ve 4 yıllık çalışma harcadı. Yol genişletildi ve güçlendirildi. Gerçek şu ki, 2021 yılına kadar büyük kargo taşıyan 250 konvoy buradan geçecek. En ağır kısımlar 900 tona, en yüksek kısımlar 10 metreye, en uzun kısımlar ise 33 metreye ulaşıyor.
ITER henüz devreye alınmadı. Bununla birlikte, amacı teknolojinin ticari kullanımının çekiciliğini göstermek olan bir DEMO nükleer füzyon enerji santrali projesi halihazırda mevcuttur. Bu kompleksin sürekli olarak (ITER gibi darbeli değil) 2 GW enerji üretmesi gerekecek.
Yeni küresel projenin zamanlaması ITER'in başarısına bağlı, ancak 2012 planına göre DEMO'nun ilk lansmanı 2044'ten daha erken olmayacak.
ITER - Uluslararası Termonükleer Reaktör (ITER)
İnsan enerji tüketimi her yıl artıyor ve bu da enerji sektörünü aktif gelişmeye doğru itiyor. Böylece nükleer santrallerin ortaya çıkmasıyla birlikte dünya genelinde üretilen enerji miktarı önemli ölçüde artmış, bu da enerjinin insanlığın tüm ihtiyaçları için güvenli bir şekilde kullanılmasını mümkün kılmıştır. Örneğin, Fransa'da üretilen elektriğin %72,3'ü nükleer santrallerden, Ukrayna'da %52,3'ü, İsveç'te %40,0'ı, İngiltere'de %20,4'ü, Rusya'da %17,1'i elde edilmektedir. Ancak teknoloji durmuyor ve geleceğin ülkelerinin daha fazla enerji ihtiyacını karşılamak için bilim insanları bir dizi yenilikçi proje üzerinde çalışıyor, bunlardan biri ITER (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör).
Her ne kadar bu kurulumun karlılığı hala sorgulansa da, birçok araştırmacının çalışmalarına göre, kontrollü termonükleer füzyon teknolojisinin yaratılması ve ardından geliştirilmesi, güçlü ve güvenli bir enerji kaynağıyla sonuçlanabilir. Böyle bir kurulumun bazı olumlu yönlerine bakalım:
- Termonükleer reaktörün ana yakıtı hidrojendir, bu da pratikte tükenmez nükleer yakıt rezervleri anlamına gelir.
- Hidrojen, çoğu ülkede mevcut olan deniz suyunun işlenmesiyle üretilebilir. Buradan yakıt kaynakları üzerinde tekelin ortaya çıkamayacağı sonucu çıkmaktadır.
- Bir termonükleer reaktörün çalışması sırasında acil bir patlama olasılığı, bir nükleer reaktörün çalışması sırasında olduğundan çok daha azdır. Araştırmacılara göre kaza durumunda bile radyasyon emisyonları halk için tehlike oluşturmayacak, bu da tahliyeye gerek olmadığı anlamına geliyor.
- Nükleer reaktörlerden farklı olarak füzyon reaktörleri, yarılanma ömrü kısa olan, yani daha hızlı bozunan radyoaktif atık üretir. Ayrıca termonükleer reaktörlerde yanma ürünleri yoktur.
- Füzyon reaktörü nükleer silahlar için de kullanılan malzemelere ihtiyaç duymaz. Bu, nükleer reaktörün ihtiyaçlarına yönelik malzemeleri işleyerek nükleer silah üretiminin örtbas edilmesi olasılığını ortadan kaldırır.
Termonükleer reaktör - iç görünüm
Ancak araştırmacıların sürekli karşılaştığı bir takım teknik eksiklikler de vardır.
Örneğin yakıtın döteryum ve trityum karışımı şeklinde sunulan mevcut versiyonu, yeni teknolojilerin geliştirilmesini gerektiriyor. Örneğin, JET termonükleer reaktöründe bugüne kadarki en büyüğü olan ilk test serisinin sonunda reaktör o kadar radyoaktif hale geldi ki, deneyi tamamlamak için özel bir robotik bakım sisteminin geliştirilmesine ihtiyaç duyuldu. Termonükleer reaktörün çalışmasında hayal kırıklığı yaratan bir diğer faktör ise verimliliğidir - %20, nükleer santralin verimliliği %33-34, termik santralin verimliliği ise %40'tır.
ITER projesinin oluşturulması ve reaktörün başlatılması
ITER projesi, Sovyetler Birliği'nin, mıknatıslar kullanarak plazmayı tutabilen, böylece termonükleer füzyon reaksiyonunun meydana gelmesi için gerekli koşulları yaratan, manyetik bobinlere sahip toroidal bir oda olan tokamak'ın ortaklaşa oluşturulmasını önerdiği 1985 yılına kadar uzanıyor. 1992 yılında, tarafları AB, ABD, Rusya ve Japonya olan ITER'in geliştirilmesine ilişkin dörtlü bir anlaşma imzalandı. Projeye 1994 yılında Kazakistan Cumhuriyeti, 2001 yılında Kanada, 2003 yılında Güney Kore ve Çin, 2005 yılında ise Hindistan katılmıştır. 2005 yılında reaktörün inşa edileceği yer belirlendi - Fransa Cadarache Nükleer Enerji Araştırma Merkezi.
Reaktörün inşaatı temel için bir çukurun hazırlanmasıyla başladı. Yani çukurun parametreleri 130 x 90 x 17 metreydi. Tokamak kompleksinin tamamı 360.000 ton ağırlığında olacak ve bunun 23.000 tonu tokamak'ın kendisi olacak.
ITER kompleksinin çeşitli unsurları geliştirilecek ve dünyanın her yerinden şantiyeye teslim edilecek. Böylece 2016 yılında Rusya'da poloidal bobinler için iletkenlerin bir kısmı geliştirildi ve bunlar daha sonra bobinleri kendileri üretecek olan Çin'e gönderildi.
Açıkçası, bu kadar büyük ölçekli bir çalışmayı organize etmek hiç de kolay değil; birçok ülke proje takvimine uyma konusunda defalarca başarısız oldu ve bunun sonucunda reaktörün lansmanı sürekli ertelendi. Yani geçen yılın (2016) Haziran mesajına göre: “İlk plazmanın alınması Aralık 2025 için planlanıyor.”
ITER tokamak'ın çalışma mekanizması
"Tokamak" terimi, "manyetik bobinli toroidal oda" anlamına gelen Rusça bir kısaltmadan gelir.
Tokamak'ın kalbi torus şeklindeki vakum odasıdır. İçeride, aşırı sıcaklık ve basınç altında hidrojen yakıt gazı, sıcak, elektrik yüklü bir gaz olan plazmaya dönüşür. Bilindiği gibi yıldız maddesi plazma ile temsil edilir ve güneş çekirdeğindeki termonükleer reaksiyonlar tam olarak yüksek sıcaklık ve basınç koşulları altında meydana gelir. Plazmanın oluşumu, tutulması, sıkıştırılması ve ısıtılması için benzer koşullar, bir vakum kabının etrafına yerleştirilen devasa manyetik bobinler aracılığıyla yaratılır. Mıknatısların etkisi sıcak plazmayı kabın duvarlarından sınırlayacaktır.
İşlem başlamadan önce vakum odasından hava ve yabancı maddeler uzaklaştırılır. Plazmayı kontrol etmeye yardımcı olacak manyetik sistemler daha sonra şarj ediliyor ve gazlı yakıt veriliyor. Kabın içinden güçlü bir elektrik akımı geçtiğinde, gaz elektriksel olarak bölünerek iyonize olur (yani elektronlar atomları terk eder) ve bir plazma oluşturur.
Plazma parçacıkları etkinleştirilip çarpıştıkça ısınmaya da başlarlar. Yardımlı ısıtma teknikleri, plazmanın 150 ila 300 milyon °C arasındaki sıcaklıklara getirilmesine yardımcı olur. Bu dereceye kadar "uyarılmış" parçacıklar, çarpışma sırasında doğal elektromanyetik itmelerinin üstesinden gelebilir, bu tür çarpışmalar muazzam miktarda enerji açığa çıkarır.
Tokamak tasarımı aşağıdaki unsurlardan oluşur:
Vakum kabı
(“çörek”) paslanmaz çelikten yapılmış toroidal bir haznedir. Büyük çapı 19 m, küçüğü 6 m, yüksekliği 11 m'dir. Haznenin hacmi 1.400 m3, ağırlığı ise 5.000 tonun üzerindedir. damıtılmış su olacak olan soğutucu duvarlar arasında dolaşacaktır. Suyun kirlenmesini önlemek için odanın iç duvarı bir battaniye kullanılarak radyoaktif radyasyondan korunur.
Battaniye
(“battaniye”) – odanın iç yüzeyini kaplayan 440 parçadan oluşur. Toplam ziyafet alanı 700 m2'dir. Her parça, gövdesi bakırdan, ön duvarı çıkarılabilir ve berilyumdan yapılmış bir tür kasettir. Kasetlerin parametreleri 1x1,5 m'dir ve kütle 4,6 tondan fazla değildir. Bu tür berilyum kasetleri, reaksiyon sırasında oluşan yüksek enerjili nötronları yavaşlatacaktır. Nötron moderasyonu sırasında, soğutma sistemi tarafından ısı açığa çıkacak ve uzaklaştırılacaktır. Reaktörün çalışması sonucu oluşan berilyum tozunun berilyum adı verilen ciddi bir hastalığa neden olabileceği ve aynı zamanda kanserojen etkiye de sahip olduğunu unutmamak gerekir. Bu nedenle komplekste sıkı güvenlik önlemleri geliştiriliyor.
Tokamak bölümünde. Sarı - solenoid, turuncu - toroidal alan (TF) ve poloidal alan (PF) mıknatısları, mavi - battaniye, açık mavi - VV - vakum kabı, mor - saptırıcı
Poloidal tipte ("küllük"), ana görevi battaniyeyle kaplı oda duvarlarının ısınması ve onunla etkileşiminden kaynaklanan kir plazmasını "temizlemek" olan bir cihazdır. Bu tür kirletici maddeler plazmaya girdiğinde yoğun bir şekilde yayılmaya başlar ve ek radyasyon kayıplarına neden olur. Tokomak'ın alt kısmında bulunur ve plazmanın (en kirli olan) üst katmanlarını soğutma odasına yönlendirmek için mıknatıslar kullanır. Burada plazma soğur ve gaza dönüşür, ardından odadan dışarı pompalanır. Berilyum tozu odaya girdikten sonra neredeyse plazmaya geri dönemez. Böylece plazma kirliliği yalnızca yüzeyde kalır ve daha derinlere nüfuz etmez.
Kriyostat
- 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) hacme ve 3.850 ton kütleye sahip paslanmaz çelik bir kabuk olan tokomak'ın en büyük bileşeni, sistemin diğer elemanları kriyostat içinde yer alacak ve kendisi hizmet verecek. tokamak ile dış çevre arasında bir bariyer görevi görür. İç duvarlarında 80 K (-193,15 °C) sıcaklıkta nitrojenin sirkülasyonu ile soğutulan termal ekranlar bulunacaktır.
Manyetik sistem
– plazmayı bir vakum kabı içinde tutmaya ve kontrol etmeye yarayan bir dizi öğe. 48 elementten oluşan bir settir:
- Toroidal alan bobinleri, vakum odasının dışında ve kriyostatın içinde bulunur. Her biri 15 x 9 m boyutlarında ve yaklaşık 300 ton ağırlığında 18 parça halinde sunulan bu bobinler, birlikte plazma torusunun etrafında 11,8 Tesla'lık bir manyetik alan oluşturuyor ve 41 GJ enerji depoluyor.
- Poloidal alan bobinleri - toroidal alan bobinlerinin üstünde ve kriyostatın içinde bulunur. Bu bobinler, plazma kütlesini odanın duvarlarından ayıran ve plazmayı adyabatik ısıtma için sıkıştıran bir manyetik alan oluşturmaktan sorumludur. Bu kangalların sayısı 6'dır. Kangallardan ikisinin çapı 24 m, kütlesi ise 400 tondur. Geriye kalan dördü ise biraz daha küçüktür.
- Merkezi solenoid, toroidal haznenin iç kısmında veya daha doğrusu "halka deliğinde" bulunur. Çalışma prensibi bir transformatöre benzer ve asıl görevi plazmadaki endüktif akımı uyarmaktır.
- Düzeltme bobinleri vakum kabının içinde, battaniye ile oda duvarı arasında bulunur. Görevleri, yerel olarak "şişme" yapabilen ve hatta damarın duvarlarına dokunabilen plazmanın şeklini korumaktır. Oda duvarlarının plazma ile etkileşim seviyesini ve dolayısıyla kirlenme seviyesini azaltmanıza ve ayrıca odanın aşınmasını da azaltmanıza olanak tanır.
ITER kompleksinin yapısı
Yukarıda kısaca açıklanan tokamak tasarımı, birçok ülkenin çabalarıyla bir araya getirilen oldukça karmaşık, yenilikçi bir mekanizmadır. Bununla birlikte, tam anlamıyla çalışması için tokamak yakınında bulunan bütün bir bina kompleksi gereklidir. Aralarında:
- Kontrol, Veri Erişimi ve İletişim Sistemi – CODAC. ITER kompleksinin bazı binalarında yer almaktadır.
- Yakıt depolama ve yakıt sistemi - tokamak'a yakıt dağıtmaya yarar.
- Vakum sistemi - görevi termonükleer reaksiyon ürünlerini ve ayrıca vakum odasından çeşitli kirletici maddeleri dışarı pompalamak olan dört yüzün üzerinde vakum pompasından oluşur.
- Kriyojenik sistem – nitrojen ve helyum devresi ile temsil edilir. Helyum devresi, işi (ve dolayısıyla sıcaklığı) sürekli olarak değil darbeler halinde meydana gelen tokamaktaki sıcaklığı normalleştirecektir. Nitrojen devresi, kriyostatın ısı kalkanlarını ve helyum devresinin kendisini soğutacaktır. Battaniye duvarlarının sıcaklığını düşürmeyi amaçlayan su soğutma sistemi de bulunacaktır.
- Güç kaynağı. Tokamak'ın sürekli çalışması için yaklaşık 110 MW enerjiye ihtiyaç duyulacak. Bunu başarmak için kilometrelerce uzunlukta enerji hatları kurulacak ve Fransız endüstriyel ağına bağlanacak. ITER deney tesisinin enerji üretimi sağlamadığını, yalnızca bilimsel çıkarlar doğrultusunda çalıştığını hatırlamakta fayda var.
ITER finansmanı
Uluslararası termonükleer reaktör ITER, başlangıçta 12 milyar dolar olarak tahmin edilen oldukça pahalı bir girişimdir; bu miktarın 1/11'i Rusya, ABD, Kore, Çin ve Hindistan'dan, 2/11'i Japonya'dan ve 4'ü AB'den kaynaklanmaktadır. /11 . Bu miktar daha sonra 15 milyar dolara çıktı. Finansmanın, her ülkede geliştirilen kompleks için gerekli ekipmanların temini yoluyla gerçekleşmesi dikkat çekiyor. Böylece Rusya battaniye, plazma ısıtma cihazları ve süper iletken mıknatıslar tedarik ediyor.
Proje perspektifi
Şu anda ITER kompleksinin inşaatı ve tokamak için gerekli tüm bileşenlerin üretimi devam ediyor. Tokamak'ın 2025 yılında planlanan lansmanının ardından, sonuçlara göre iyileştirilmesi gereken yönlerin not edileceği bir dizi deney başlayacak. ITER'in başarıyla devreye alınmasının ardından DEMO (DEMOnstration Power Plant) adı verilen termonükleer füzyona dayalı bir enerji santralinin kurulması planlanıyor. DEMo'nun amacı, füzyon gücünün sözde "ticari çekiciliğini" göstermektir. ITER yalnızca 500 MW enerji üretme kapasitesine sahipse, DEMO sürekli 2 GW enerji üretimine izin verecektir.
Ancak ITER deney tesisinin enerji üretmeyeceği, amacının tamamen bilimsel fayda elde etmek olduğu unutulmamalıdır. Ve bildiğiniz gibi şu veya bu fiziksel deney sadece beklentileri karşılamakla kalmıyor, aynı zamanda insanlığa yeni bilgi ve deneyimler de kazandırabiliyor.