Fusionsreaktor. Iter ist ein internationaler thermonuklearer Reaktor (Iter). Erstellung des Iter-Projekts und Inbetriebnahme des Reaktors

Fusionsreaktor

Wird derzeit entwickelt. (80er Jahre) ein Gerät zur Energiegewinnung durch Reaktionen der Lichtsynthese bei. Kerne, die bei sehr hohen Temperaturen (=108 K) auftreten. Basic Die Anforderung, die thermonukleare Reaktionen erfüllen müssen, besteht darin, dass die Energiefreisetzung infolge thermonuklearer Reaktionen die Energiekosten aus externen Quellen mehr als ausgleicht. Quellen zur Aufrechterhaltung der Reaktion.

Es gibt zwei Arten von T. r. Der erste Typ umfasst TR, zur Krim ist von außen notwendig. Quellen nur zur Zündung thermonuklearer Fusionen. Reaktionen. Weitere Reaktionen werden durch die bei der Fusion freigesetzte Energie im Plasma unterstützt. Reaktionen; Beispielsweise wird in einer Deuterium-Tritium-Mischung die Energie der bei Reaktionen gebildeten a-Teilchen verbraucht, um eine hohe Plasmatemperatur aufrechtzuerhalten. Im stationären Betriebsmodus T.r. Die von den a-Teilchen getragene Energie kompensiert die Energie. Verluste aus dem Plasma, hauptsächlich aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Plasmas und der Strahlung. Zu dieser Art von T. r. gilt beispielsweise für .

Zu anderen Arten von T. r. Zu den Reaktoren zählen Reaktoren, bei denen die in Form von a-Teilchen freigesetzte Energie nicht ausreicht, um die Verbrennung von Reaktionen aufrechtzuerhalten, sondern Energie aus externen Quellen benötigt wird. Quellen. Dies geschieht in den Reaktoren, in denen die Energieniveaus hoch sind. Verluste, z.B. Magnetfalle öffnen.

T.r. können auf Basis von Systemen mit Magnet aufgebaut werden. Plasmaeinschluss, wie Tokamak, offener Magnet. Falle usw. oder Systeme mit trägem Plasmaeinschluss, wenn in kurzer Zeit (10-8-10-7 s) Energie in das Plasma eingebracht wird (entweder unter Verwendung von Laserstrahlung oder unter Verwendung von Strahlen relativer Elektronen oder Ionen), ausreichend für das Auftreten und die Aufrechterhaltung von Reaktionen. T.r. mit Magnet Der Plasmaeinschluss kann im quasistationären oder stationären Modus erfolgen. Im Falle eines inerten Plasmaeinschlusses T. r. muss im Kurzpulsmodus betrieben werden.

T.r. gekennzeichnet durch Koeffizient. Leistungsverstärkung (Qualitätsfaktor) Q, gleich dem Verhältnis der im Reaktor gewonnenen Wärmeleistung zu den Stromkosten seiner Produktion. Thermal T.r. besteht aus der bei der Fusion freigesetzten Energie. Reaktionen im Plasma und die im sogenannten Plasma freigesetzte Energie. TR-Decke – eine spezielle Hülle, die das Plasma umgibt und die Energie thermonuklearer Kerne und Neutronen nutzt. Die vielversprechendste Technologie scheint aufgrund der höheren Reaktionsgeschwindigkeit als bei anderen Fusionsreaktionen eine zu sein, die mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch arbeitet.

T.r. Bei Deuterium-Tritium-Brennstoff kann es je nach Zusammensetzung der Decke „rein“ oder hybrid sein. Decke aus „reinem“ T. r. enthält Li; Darin entsteht unter dem Einfluss von Neutronen ein Deuterium-Tritium-Plasma, das im Deuterium-Tritium-Plasma „brennt“ und die Energie der Thermonuklearen erhöht. Reaktionen von 17,6 bis 22,4 MeV. In der Decke eines Hybrid-T. r. Es wird nicht nur Tritium produziert, es gibt auch Zonen, in denen durch Einbringen von 238U 239Pu gewonnen werden kann (siehe KERNREAKTOR). Gleichzeitig wird in der Decke Energie in Höhe von ca. 140 MeV pro Thermonuklear. . Somit ist im Hybrid-T. r. Es ist möglich, ungefähr sechsmal mehr Energie zu gewinnen als in einem „reinen“ Kernreaktor, allerdings sind in diesem Reaktor spaltbare Radioakte vorhanden. in-in schafft eine Umgebung, die der Umgebung ähnelt, in der sich Gift befindet. Spaltreaktoren.

Physikalisches enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1983 .

Fusionsreaktor

Entwickelt in den 1990er Jahren. ein Gerät zur Energiegewinnung durch Fusionsreaktionen leichter Atomkerne, die im Plasma bei sehr hohen Temperaturen (10 8 K) stattfinden. Basic Die Anforderung, die T.R. erfüllen muss, ist die Energiefreisetzung als Ergebnis thermonukleare Reaktionen(TP) hat die Energiekosten aus externen Quellen mehr als ausgeglichen. Quellen zur Aufrechterhaltung der Reaktion.

Es gibt zwei Arten von T. r. Die erste umfasst Reaktoren, die Energie aus externen Quellen erzeugen. Quellen ist nur für die Zündung von TP erforderlich. Weitere Reaktionen werden beispielsweise durch die im Plasma bei TP freigesetzte Energie unterstützt. In einem Deuterium-Tritium-Gemisch wird die Energie der bei Reaktionen gebildeten a-Teilchen verbraucht, um eine hohe Temperatur aufrechtzuerhalten. In einer Mischung aus Deuterium und 3 He wird die Energie aller Reaktionsprodukte, also a-Teilchen und Protonen, für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Plasmatemperatur aufgewendet. Im stationären Betriebsmodus T.r. Energie, die eine Ladung trägt. Reaktionsprodukte, kompensiert Energie. Verluste aus Plasma, die hauptsächlich verursacht werden durch Plasmawärmeleitfähigkeit und Strahlung. Solche Reaktoren werden genannt Reaktoren mit Zündung einer selbsterhaltenden thermonuklearen Reaktion (vgl. Zündkriterium). Ein Beispiel für einen solchen T.r.: Tokamak, Stellarator.

Zu anderen Arten von T. r. Zu den Reaktoren zählen Reaktoren, bei denen die im Plasma in Form von Ladungen freigesetzte Energie nicht ausreicht, um die Verbrennung von Reaktionen aufrechtzuerhalten. Reaktionsprodukte, es wird jedoch Energie aus externen Quellen benötigt. Quellen. Solche Reaktoren werden üblicherweise als Reaktoren bezeichnet, die die Verbrennung thermonuklearer Reaktionen unterstützen. Dies geschieht in den T.-Flüssen, in denen die Energie hoch ist. Verluste, z.B. Offenes Magazin. Falle, Tokamak, arbeitet in einem Modus mit Plasmadichte und Temperatur unterhalb der Zündkurve TP. Diese beiden Arten von Reaktoren umfassen alle möglichen Arten von T. r., die auf der Basis von Systemen mit Magnet gebaut werden können. Plasmaeinschluss (Tokamak, Stellarator, offene Magnetfalle usw.) oder Systeme mit Trägheitshalt Plasma.

Internationaler thermonuklearer Versuchsreaktor ITER: 1 - zentral; 2 - Decke - ; 3 - Plasma; 4 - Vakuumwand; 5 - Pumppipeline; 6- Kryostat; 7- aktive Steuerspulen; 8 - toroidale Magnetfeldspulen; 9 - erste Wand; 10 - Umlenkplatten; 11 - poloidale Magnetfeldspulen.

Ein Reaktor mit trägem Plasmaeinschluss zeichnet sich dadurch aus, dass ihm in kurzer Zeit (10 -8 -10 -7 s) entweder durch Laserstrahlung oder Strahlen relativistischer Elektronen oder Ionen Energie zugeführt wird, die für das Auftreten und die Aufrechterhaltung von ausreicht TP. Ein solcher Reaktor wird im Gegensatz zu einem Reaktor mit Magnet nur im Kurzpulsmodus betrieben. Plasmaeinschluss, der im quasistationären oder sogar stationären Modus betrieben werden kann.

T.r. gekennzeichnet durch Koeffizient. Leistungsgewinn (Qualitätsfaktor) Q, gleich dem Verhältnis der Wärmeleistung des Reaktors zu den Stromkosten seiner Produktion. Die thermische Leistung des Reaktors besteht aus der bei TP im Plasma freigesetzten Leistung, der in das Plasma eingebrachten Leistung zur Aufrechterhaltung der Verbrennungstemperatur TP bzw. der Aufrechterhaltung eines stationären Stroms im Plasma im Falle eines Tokamaks und der im Plasma freigesetzten Leistung Plasma.

Entwicklung von T.r. mit Magnet Die Rückhaltung ist fortschrittlicher als Trägheitsrückhaltesysteme. Schema des Internationalen Thermonuklearen Experiments. In der Abbildung ist der ITER-Tokamak-Reaktor dargestellt, ein Projekt, das seit 1988 von vier Parteien entwickelt wurde – der UdSSR (seit 1992 Russland), den USA, den Euratom-Ländern und Japan. T.r. Es hat . Parameter: großer Plasmaradius 8,1 m; kleiner Plasmaradius im Durchschnitt. Ebene 3 m; Plasmaquerschnittsverlängerung 1,6; Ringmag. auf Achse 5,7 Tesla; Nennplasma 21 MA; thermonukleare Nennleistung mit DT-Brennstoff 1500 MW. Der Reaktor enthält Spuren. Basic Knoten: Mitte. Magnet ICH, elektrisch dessen Bereich den Anstieg des Stroms ausführt, reguliert und zusammen mit Sonderfunktionen aufrechterhält. System wird ergänzt Plasmaheizung; erste Wand 9, die Kanten sind direkt dem Plasma zugewandt und nehmen Wärmeströme in Form von Strahlung und neutralen Teilchen wahr; Decke - Schutz 2, welche Phänomene ein integraler Bestandteil von T. r. auf Deuterium-Tri-Tium (DT)-Brennstoff, da das im Plasma verbrannte Tritium in der Decke reproduziert wird. T.r. Bei DT-Kraftstoff kann es je nach Material der Decke „rein“ oder hybrid sein. Decke aus „reinem“ T. r. enthält Li; darin entsteht unter dem Einfluss thermonuklearer Neutronen Tritium: 6 Li +nT+ 4 He+ 4,8 MeV, und die TP-Energie steigt von 17,6 MeV auf 22,4 MeV. Im Leerzeichen Hybrid-Fusionsreaktor Es wird nicht nur Tritium produziert, es gibt auch Zonen, in denen Abfall 238 U gelagert wird, um 239 Pu zu produzieren. Gleichzeitig wird in der Decke eine Energie von 140 MeV pro thermonuklearem Neutron freigesetzt. T. o., in einem Hybrid T. r. Es ist möglich, pro anfänglichem Fusionsereignis etwa sechsmal mehr Energie zu gewinnen als bei „reiner“ T.R., allerdings ist im ersten Fall spaltbare Radioaktivität vorhanden. Stoffe erzeugen Strahlung. eine Umgebung, die der des Himmels ähnelt, in der es existiert Kernreaktoren Aufteilung.

In T.r. Mit Brennstoff auf einer Mischung von D mit 3 He gibt es keine Decke, da keine Notwendigkeit besteht, Tritium zu reproduzieren: D + 3 He 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV), und die gesamte Energie wird im freigesetzt Form der Gebühr. Reaktionsprodukte. Strahlung Der Schutz soll die Energie von Neutronen und radioaktiven Stoffen absorbieren. Strahlung und Reduzierung der Wärme- und Strahlungsströme zum supraleitenden Magneten. auf ein für den stationären Betrieb akzeptables Niveau zu bringen. Ringmagnetspulen Felder 8 dienen zur Herstellung eines Ringmagneten. Felder und werden mithilfe eines Nb 3 Sn-Supraleiters und einer Kupfermatrix, die bei der Temperatur von flüssigem Helium (4,2 K) arbeitet, supraleitend gemacht. Die Entwicklung der Technologie zur Erzielung von Hochtemperatursupraleitung könnte es ermöglichen, beispielsweise auf die Kühlung von Spulen mit flüssigem Helium zu verzichten und auf eine kostengünstigere Kühlmethode umzusteigen. Flüssigstickstoff. Das Design des Reaktors wird sich nicht wesentlich ändern. Poloidale Feldspulen 11 sind ebenfalls supraleitend und zusammen mit Magnesium. Das Plasmastromfeld erzeugt eine Gleichgewichtskonfiguration des poloidalen Magnetfelds. Felder mit einem oder zwei poloidalen Nulldi v e r t o r 10, dient dazu, dem Plasma Wärme in Form eines Ladungsflusses zu entziehen. Partikel und zum Abpumpen der auf den Divertorplatten neutralisierten Reaktionsprodukte: Helium und Protium. In T.r. Bei D 3 He-Brennstoff können Divertorplatten als eines der Elemente des Systems zur direkten Ladungsenergieumwandlung dienen. Reaktionsprodukte in Strom umwandeln. Kryostat 6 dient dazu, supraleitende Spulen auf die Temperatur von flüssigem Helium oder höhere Temperaturen bei Verwendung fortschrittlicherer Hochtemperatur-Supraleiter zu kühlen. Vakuumkammer 4 und die Pumpmittel 5 sind dazu bestimmt, in der Arbeitskammer des Reaktors ein Hochvakuum zu erzeugen, in dem Plasma erzeugt wird 3, und in allen Hilfsvolumina, einschließlich des Kryostats.

Als erster Schritt zur Erzeugung thermonuklearer Energie wird ein thermonuklearer Reaktor vorgeschlagen, der aufgrund der höheren Reaktionsgeschwindigkeit als andere Fusionsreaktionen mit einem DT-Gemisch arbeitet. Zukünftig wird über die Möglichkeit nachgedacht, ein schwach radioaktives T. r. zu schaffen. auf einer Mischung von D mit 3 He, in der Bas. Energie trägt eine Ladung. Reaktionsprodukte und Neutronen treten nur bei DD- und DT-Reaktionen während des Ausbrennens von Tritium auf, das bei DD-Reaktionen erzeugt wird. Infolgedessen biol. Gefahr T. r. kann im Vergleich zu Kernspaltungsreaktoren offenbar um vier bis fünf Größenordnungen reduziert werden, es besteht kein Bedarf an industriellen radioaktive Verarbeitung Materialien und deren Transport wird die Entsorgung radioaktiver Stoffe qualitativ vereinfacht. Abfall. Die Aussichten für die Schaffung eines umweltfreundlichen TR in der Zukunft sind jedoch gering. auf einer Mischung von D mit 3. Nicht durch das Problem der Rohstoffe erschwert: natürlich. Die Konzentrationen des 3-He-Isotops auf der Erde betragen Teile pro Million des 4-He-Isotops. Daher stellt sich die schwierige Frage der Rohstoffbeschaffung, z.B. indem man es vom Mond liefert.

Das Management von Lockheed Martin gab bekannt, dass es im Februar 2018 ein Patent für einen kompakten Fusionsreaktor erhalten habe. Experten halten dies für unmöglich, obwohl es laut The War Zone „möglich ist, dass der amerikanische Konzern in naher Zukunft eine offizielle Erklärung abgeben wird“.

FlightGlobal-Reporter Stephen Trimble twitterte: „Ein neues Patent eines Skunk Works-Ingenieurs zeigt ein kompaktes Fusionsreaktordesign mit einem Bauplan für die F-16 als mögliche Anwendung.“ In Palmdale wird ein Prototyp eines Reaktors getestet.“

In der Veröffentlichung heißt es: „Die Tatsache, dass Skunk Works in den letzten vier Jahren weiterhin am Patentprozess beteiligt war, scheint auch darauf hinzudeuten, dass sie mit dem Programm tatsächlich Fortschritte gemacht haben, zumindest teilweise.“ Die Autoren des Materials weisen darauf hin, dass die Projektentwickler vor vier Jahren grundlegende Informationen über das grundlegende Design des Reaktors, den Projektzeitplan und die Gesamtziele des Programms veröffentlicht haben, was auf ernsthafte Arbeit hinweist.

Erinnern wir uns daran, dass Lockheed Martin am 4. April 2013 einen vorläufigen Antrag für das Patent „Einkapselung magnetischer Felder zur Plasmaeinschließung“ eingereicht hat. Gleichzeitig ging am 2. April 2014 der offizielle Antrag beim US-Patent- und Markenamt ein.

Lockheed Martin sagte, das Patent sei am 15. Februar 2018 eingegangen. Thomas McGuire, Projektmanager für Compact Fusion, sagte einmal, dass 2014 eine Pilotanlage, 2019 ein Prototyp und 2024 ein funktionierender Prototyp entstehen würden.

Das Unternehmen berichtet auf seiner Website, dass der thermonukleare Reaktor, an dem seine Spezialisten arbeiten, zur Energieversorgung eines Flugzeugträgers, eines Kampfflugzeugs oder einer Kleinstadt genutzt werden kann.

Im Oktober 2014 gab das Unternehmen bekannt, dass vorläufige Forschungsergebnisse auf die Möglichkeit hindeuten, leichte Kernfusionsreaktoren mit einer Leistung von etwa 100 Megawatt und Abmessungen vergleichbar mit einem Lastwagen (der etwa zehnmal kleiner als bestehende Modelle ist) zu bauen. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Anwendung für die Entdeckung des Jahrhunderts – einen strahlungssicheren Reaktor, der alles mit Energie versorgen kann.

Russische Wissenschaftler, die an der Forschung auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion beteiligt sind, nannten die Botschaft von Lockheed Martin ihrerseits eine unwissenschaftliche Aussage, die darauf abzielte, die Aufmerksamkeit der breiten Öffentlichkeit zu erregen. Auf Twitter tauchte jedoch ein Foto eines kompakten thermonuklearen Reaktors auf, der angeblich vom amerikanischen Konzern Lockheed Martin gebaut wurde.

"Das kann nicht sein. Tatsache ist, dass aus physikalischer Sicht sehr gut bekannt ist, was unter einem thermonuklearen Reaktor zu verstehen ist. Wenn es klingt „Helium 3? - Sie müssen sofort verstehen, dass dies eine Täuschung ist. Dies ist ein charakteristisches Merkmal solcher Quasi-Entdeckungen – bei denen es eine Zeile „wie man es macht, wie man es umsetzt“ und zehn Seiten darüber gibt, wie gut es danach sein wird. Das ist ein sehr charakteristisches Zeichen – hier haben wir die kalte Kernfusion erfunden, und dann sagen sie nicht, wie man sie umsetzt, und dann, nur zehn Seiten später, wie großartig sie sein wird“, sagte der stellvertretende Direktor des Labors für Kernreaktionen Pravda.ru. Flerov JINR in Dubna Andrey Papeko.

„Die Hauptfrage ist, wie man eine thermonukleare Reaktion anregt, womit man sie erhitzt, womit man sie hält – auch das ist im Allgemeinen eine Frage, die derzeit noch nicht geklärt ist.“ Und selbst bei Laser-Thermonuklearanlagen kommt es dort nicht zu einer normalen thermonuklearen Reaktion. Und leider ist in absehbarer Zeit keine Lösung in Sicht“, erklärte der Kernphysiker.

„Russland betreibt ziemlich viel Forschung, das ist verständlich, es wurde in der gesamten öffentlichen Presse veröffentlicht, das heißt, es ist notwendig, die Bedingungen zum Erhitzen von Materialien für eine thermonukleare Reaktion zu untersuchen.“ Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um eine Mischung mit Deuterium – es gibt keine Science-Fiction, diese Physik ist allen sehr gut bekannt. Wie man es erhitzt, wie man es hält, wie man Energie entzieht: Wenn man ein sehr heißes Plasma zündet, frisst es die Wände des Reaktors auf und schmilzt sie. In großen Anlagen kann es durch Magnetfelder in der Mitte der Kammer gehalten und fokussiert werden, damit es die Reaktorwände nicht zum Schmelzen bringt. Aber in kleinen Anlagen funktioniert es einfach nicht, es schmilzt und brennt. Das heißt, das sind meiner Meinung nach sehr verfrühte Aussagen“, schloss er.

Der thermonukleare Reaktor funktioniert noch nicht und wird auch nicht bald funktionieren. Aber Wissenschaftler wissen bereits genau, wie es funktioniert.

Theorie

Helium-3, eines der Isotope von Helium, kann als Brennstoff für einen thermonuklearen Reaktor verwendet werden. Auf der Erde kommt es selten vor, auf dem Mond kommt es jedoch sehr häufig vor. Dies ist die Handlung des gleichnamigen Films von Duncan Jones. Wenn Sie diesen Artikel lesen, wird Ihnen der Film bestimmt gefallen.

Bei einer Kernfusionsreaktion verschmelzen zwei kleine Atomkerne zu einem großen. Das ist die gegenteilige Reaktion. Beispielsweise kann man zwei Wasserstoffkerne zusammenschlagen, um Helium herzustellen.

Bei einer solchen Reaktion wird aufgrund des Massenunterschieds eine enorme Energiemenge freigesetzt: Die Masse der Teilchen vor der Reaktion ist größer als die Masse des resultierenden großen Kerns. Diese Masse wird dadurch in Energie umgewandelt.

Damit jedoch die Verschmelzung zweier Kerne stattfinden kann, ist es notwendig, ihre elektrostatische Abstoßungskraft zu überwinden und sie stark gegeneinander zu drücken. Und bei kleinen Abständen, in der Größenordnung der Kerngröße, wirken viel größere Kernkräfte, wodurch sich die Kerne gegenseitig anziehen und sich zu einem großen Kern verbinden.

Daher kann die thermonukleare Fusionsreaktion nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden, sodass die Geschwindigkeit der Kerne so groß ist, dass sie bei ihrer Kollision genügend Energie haben, um einander nahe genug zu kommen, damit Kernkräfte wirken und eine Reaktion stattfinden kann . Daher kommt auch das „Thermo“ im Namen.

Üben

Wo Energie ist, sind Waffen. Während des Kalten Krieges entwickelten die UdSSR und die USA thermonukleare (oder Wasserstoff-)Bomben. Dies ist die zerstörerischste Waffe, die die Menschheit geschaffen hat. Theoretisch kann sie die Erde zerstören.

Die Temperatur ist das Haupthindernis für die praktische Nutzung thermonuklearer Energie. Es gibt keine Materialien, die diese Temperatur halten können, ohne zu schmelzen.

Aber es gibt einen Ausweg: Dank der starken Energie können Sie das Plasma halten. In speziellen Tokamaks kann Plasma durch riesige, starke Magnete in einer Donutform gehalten werden.

Ein Fusionskraftwerk ist sicher, umweltfreundlich und sehr wirtschaftlich. Es kann alle Energieprobleme der Menschheit lösen. Jetzt müssen Sie nur noch lernen, wie man thermonukleare Kraftwerke baut.

Internationaler experimenteller Fusionsreaktor

Der Bau eines Fusionsreaktors ist sehr schwierig und sehr teuer. Um solch eine grandiose Aufgabe zu lösen, haben Wissenschaftler aus mehreren Ländern ihre Anstrengungen gebündelt: Russland, die USA, EU-Länder, Japan, Indien, China, die Republik Korea und Kanada.

Derzeit wird in Frankreich ein experimenteller Tokamak gebaut, der rund 15 Milliarden Dollar kosten wird, den Plänen zufolge bis 2019 fertiggestellt sein soll und an dem bis 2037 Experimente durchgeführt werden sollen. Wenn sie erfolgreich sind, haben wir vielleicht noch Zeit, in der glücklichen Ära der thermonuklearen Energie zu leben.

Konzentrieren Sie sich also stärker und freuen Sie sich auf die Ergebnisse der Experimente. Sie müssen nicht auf ein zweites iPad warten – die Zukunft der Menschheit steht auf dem Spiel.

Wie hat alles angefangen? Die „Energieherausforderung“ entstand durch eine Kombination der folgenden drei Faktoren:

1. Die Menschheit verbraucht heutzutage riesige Mengen an Energie.

Derzeit beträgt der weltweite Energieverbrauch etwa 15,7 Terawatt (TW). Dividiert man diesen Wert durch die Weltbevölkerung, kommt man auf etwa 2400 Watt pro Person, was sich leicht abschätzen und visualisieren lässt. Der Energieverbrauch jedes Erdbewohners (einschließlich Kinder) entspricht dem Rund-um-die-Uhr-Betrieb von 24 100-Watt-Elektrolampen. Allerdings ist der Verbrauch dieser Energie weltweit sehr ungleichmäßig, da er in einigen Ländern sehr hoch und in anderen vernachlässigbar ist. Der Verbrauch (bezogen auf eine Person) beträgt 10,3 kW in den USA (einer der Rekordwerte), 6,3 kW in der Russischen Föderation, 5,1 kW im Vereinigten Königreich usw., ist aber andererseits gleich nur 0,21 kW in Bangladesch (nur 2 % des US-Energieverbrauchs!).

2. Der weltweite Energieverbrauch steigt dramatisch.

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (2006) wird der weltweite Energieverbrauch bis 2030 voraussichtlich um 50 % steigen. Natürlich könnten die entwickelten Länder auch ohne zusätzliche Energie auskommen, aber dieses Wachstum ist notwendig, um die Menschen in den Entwicklungsländern aus der Armut zu befreien, wo 1,5 Milliarden Menschen unter gravierender Energieknappheit leiden.

3. Derzeit stammen 80 % der weltweiten Energie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Kohle und Gas), deren Verwendung:
a) möglicherweise das Risiko katastrophaler Umweltveränderungen birgt;
b) muss unweigerlich eines Tages enden.

Aus dem Gesagten ist klar, dass wir uns jetzt auf das Ende der Ära der Nutzung fossiler Brennstoffe vorbereiten müssen

Derzeit produzieren Kernkraftwerke in großem Maßstab Energie, die bei Spaltungsreaktionen von Atomkernen freigesetzt wird. Der Aufbau und die Entwicklung solcher Stationen sollte auf jede erdenkliche Weise gefördert werden, allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Reserven eines der wichtigsten Materialien für ihren Betrieb (billiges Uran) auch innerhalb der nächsten 50 Jahre vollständig erschöpft sein können . Die Möglichkeiten der Kernspaltungsenergie können (und sollten) durch den Einsatz effizienterer Energiekreisläufe erheblich erweitert werden, sodass sich die erzeugte Energiemenge nahezu verdoppeln kann. Um Energie in diese Richtung zu entwickeln, ist es notwendig, Thoriumreaktoren (die sogenannten Thoriumbrüterreaktoren oder Brutreaktoren) zu schaffen, in denen bei der Reaktion mehr Thorium als das ursprüngliche Uran entsteht, wodurch die Gesamtenergiemenge erzeugt wird für eine gegebene Substanzmenge erhöht sich um das 40-fache. Es scheint auch vielversprechend, Plutoniumbrüter mit schnellen Neutronen zu schaffen, die viel effizienter sind als Uranreaktoren und 60-mal mehr Energie produzieren können. Es kann sein, dass zur Erschließung dieser Gebiete neue, nicht standardmäßige Methoden zur Gewinnung von Uran entwickelt werden müssen (z. B. aus Meerwasser, das am besten zugänglich zu sein scheint).

Fusionskraftwerke

Die Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm (nicht maßstabsgetreu) der Vorrichtung und des Funktionsprinzips eines thermonuklearen Kraftwerks. Im zentralen Teil befindet sich eine toroidale (Donut-förmige) Kammer mit einem Volumen von ~2000 m3, gefüllt mit Tritium-Deuterium (T-D)-Plasma, das auf eine Temperatur über 100 M°C erhitzt wird. Die bei der Fusionsreaktion (1) entstehenden Neutronen verlassen die „Magnetflasche“ und treten in die in der Abbildung dargestellte Hülle mit einer Dicke von etwa 1 m ein.

Im Inneren der Hülle kollidieren Neutronen mit Lithiumatomen, was zu einer Reaktion führt, bei der Tritium entsteht:

Neutron + Lithium → Helium + Tritium

Darüber hinaus kommt es im System zu Konkurrenzreaktionen (ohne Bildung von Tritium) sowie zu vielen Reaktionen unter Freisetzung zusätzlicher Neutronen, die dann ebenfalls zur Bildung von Tritium führen (in diesem Fall kann es zur Freisetzung zusätzlicher Neutronen kommen). deutlich verstärkt, beispielsweise durch die Einführung von Berylliumatomen in die Hülle und Blei). Die allgemeine Schlussfolgerung ist, dass diese Anlage (zumindest theoretisch) eine Kernfusionsreaktion durchlaufen könnte, bei der Tritium entstehen würde. In diesem Fall sollte die Menge an produziertem Tritium nicht nur den Bedarf der Anlage selbst decken, sondern auch noch etwas größer sein, was die Versorgung neuer Anlagen mit Tritium ermöglicht. Dieses Betriebskonzept muss im nachfolgend beschriebenen ITER-Reaktor getestet und umgesetzt werden.

Darüber hinaus müssen Neutronen die Hülle in sogenannten Pilotanlagen (in denen relativ „normale“ Baumaterialien verwendet werden) auf etwa 400 °C erhitzen. Zukünftig ist geplant, verbesserte Anlagen mit einer Schalenheiztemperatur über 1000 °C zu schaffen, was durch den Einsatz modernster hochfester Materialien (z. B. Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe) erreicht werden kann. Die im Mantel erzeugte Wärme wird, wie bei herkömmlichen Anlagen, vom primären Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel (enthält beispielsweise Wasser oder Helium) aufgenommen und an den sekundären Kreislauf übertragen, wo Wasserdampf erzeugt und den Turbinen zugeführt wird.

1985 – Die Sowjetunion schlägt die Tokamak-Anlage der nächsten Generation vor und nutzt dabei die Erfahrung von vier führenden Ländern bei der Entwicklung von Fusionsreaktoren. Die Vereinigten Staaten von Amerika haben gemeinsam mit Japan und der Europäischen Gemeinschaft einen Vorschlag zur Umsetzung des Projekts vorgelegt.

Derzeit wird in Frankreich der unten beschriebene internationale experimentelle thermonukleare Reaktor ITER (International Tokamak Experimental Reactor) gebaut, der der erste Tokamak sein wird, der Plasma „zünden“ kann.

Die fortschrittlichsten bestehenden Tokamak-Anlagen erreichen seit langem Temperaturen von etwa 150 M°C, was nahe den für den Betrieb einer Fusionsstation erforderlichen Werten liegt, doch der ITER-Reaktor sollte das erste Großkraftwerk sein, das auf lange Sicht ausgelegt ist -Befristeter Betrieb. Zukünftig müssen die Betriebsparameter erheblich verbessert werden, was zunächst eine Erhöhung des Drucks im Plasma erfordert, da die Geschwindigkeit der Kernfusion bei einer bestimmten Temperatur proportional zum Quadrat des Drucks ist. Das wissenschaftliche Hauptproblem besteht in diesem Fall darin, dass es bei steigendem Druck im Plasma zu sehr komplexen und gefährlichen Instabilitäten, also instabilen Betriebszuständen, kommt.

Warum brauchen wir das?

Der Hauptvorteil der Kernfusion besteht darin, dass sie nur sehr geringe Mengen an Stoffen benötigt, die in der Natur als Brennstoff sehr häufig vorkommen. Die Kernfusionsreaktion in den beschriebenen Anlagen kann zur Freisetzung enormer Energiemengen führen, die zehn Millionen Mal höher sind als die Standardwärme, die bei herkömmlichen chemischen Reaktionen (z. B. der Verbrennung fossiler Brennstoffe) freigesetzt wird. Zum Vergleich weisen wir darauf hin, dass die benötigte Kohlemenge für den Betrieb eines Wärmekraftwerks mit einer Leistung von 1 Gigawatt (GW) 10.000 Tonnen pro Tag (zehn Eisenbahnwaggons) beträgt und ein Fusionskraftwerk mit der gleichen Leistung nur etwa 10.000 Tonnen Kohle verbraucht 1 Kilogramm der D+T-Mischung pro Tag.

Deuterium ist ein stabiles Wasserstoffisotop; In etwa einem von 3.350 Molekülen gewöhnlichen Wassers ist eines der Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt (ein Erbe des Urknalls). Diese Tatsache macht es einfach, die benötigte Menge Deuterium aus Wasser relativ kostengünstig herzustellen. Es ist schwieriger, Tritium zu gewinnen, das instabil ist (die Halbwertszeit beträgt etwa 12 Jahre, weshalb sein Gehalt in der Natur vernachlässigbar ist). Wie oben gezeigt, tritt Tritium jedoch während des Betriebs direkt im Inneren der thermonuklearen Anlage auf. aufgrund der Reaktion von Neutronen mit Lithium.

Daher besteht der Ausgangsbrennstoff für einen Fusionsreaktor aus Lithium und Wasser. Lithium ist ein häufig vorkommendes Metall, das häufig in Haushaltsgeräten (Handybatterien usw.) verwendet wird. Die oben beschriebene Anlage wird selbst unter Berücksichtigung eines nicht idealen Wirkungsgrades in der Lage sein, 200.000 kWh elektrische Energie zu erzeugen, was der Energie entspricht, die in 70 Tonnen Kohle enthalten ist. Die dafür benötigte Menge Lithium steckt in einer Computerbatterie, die Menge Deuterium in 45 Litern Wasser. Der oben genannte Wert entspricht dem aktuellen Stromverbrauch (berechnet pro Person) in den EU-Ländern über 30 Jahre. Allein die Tatsache, dass eine so unbedeutende Menge Lithium die Erzeugung einer solchen Menge Strom (ohne CO2-Emissionen und ohne die geringste Luftverschmutzung) gewährleisten kann, ist ein ziemlich ernstzunehmendes Argument für die schnellste und stärkste Entwicklung der thermonuklearen Energie (trotz allem). Schwierigkeiten und Probleme) und auch ohne hundertprozentiges Vertrauen in den Erfolg einer solchen Forschung.

Deuterium sollte Millionen von Jahren haltbar sein, und die Reserven an leicht abbaubarem Lithium reichen aus, um den Bedarf für Hunderte von Jahren zu decken. Selbst wenn das Lithium in Gesteinen zur Neige geht, können wir es aus dem Wasser extrahieren, wo es in Konzentrationen vorkommt, die hoch genug sind (100-fache Konzentration von Uran), um seine Gewinnung wirtschaftlich rentabel zu machen.

In der Nähe der Stadt Cadarache in Frankreich wird ein experimenteller thermonuklearer Reaktor (Internationaler thermonuklearer Experimentalreaktor) gebaut. Das Hauptziel des ITER-Projekts ist die Umsetzung einer kontrollierten thermonuklearen Fusionsreaktion im industriellen Maßstab.

Pro Gewichtseinheit thermonuklearen Brennstoffs wird etwa 10 Millionen Mal mehr Energie gewonnen als bei der Verbrennung der gleichen Menge an organischem Brennstoff und etwa hundertmal mehr als bei der Spaltung von Urankernen in den Reaktoren aktuell betriebener Kernkraftwerke. Wenn die Berechnungen von Wissenschaftlern und Designern wahr werden, wird dies der Menschheit eine unerschöpfliche Energiequelle bieten.

Daher haben sich eine Reihe von Ländern (Russland, Indien, China, Korea, Kasachstan, USA, Kanada, Japan, Länder der Europäischen Union) zusammengeschlossen, um den Internationalen Thermonuklearen Forschungsreaktor zu schaffen – einen Prototyp neuer Kraftwerke.

ITER ist eine Anlage, die Bedingungen für die Synthese von Wasserstoff- und Tritiumatomen (einem Isotop von Wasserstoff) schafft, was zur Bildung eines neuen Atoms führt – eines Heliumatoms. Dieser Prozess geht mit einem enormen Energieschub einher: Die Temperatur des Plasmas, in dem die thermonukleare Reaktion stattfindet, beträgt etwa 150 Millionen Grad Celsius (zum Vergleich: Die Temperatur des Sonnenkerns beträgt 40 Millionen Grad). In diesem Fall verbrennen die Isotope, so dass praktisch kein radioaktiver Abfall zurückbleibt.
Das Beteiligungsschema am internationalen Projekt sieht die Lieferung von Reaktorkomponenten und die Finanzierung seines Baus vor. Im Gegenzug erhält jedes der teilnehmenden Länder vollen Zugang zu allen Technologien zur Schaffung eines thermonuklearen Reaktors und zu den Ergebnissen aller experimentellen Arbeiten an diesem Reaktor, die als Grundlage für den Entwurf von thermonuklearen Reaktoren mit serieller Leistung dienen werden.

Der Reaktor, der auf dem Prinzip der Kernfusion basiert, weist keine radioaktive Strahlung auf und ist völlig sicher für die Umwelt. Es kann fast überall auf der Welt gefunden werden und der Brennstoff dafür ist gewöhnliches Wasser. Der Bau von ITER wird voraussichtlich etwa zehn Jahre dauern, danach wird der Reaktor voraussichtlich 20 Jahre lang im Einsatz sein.

In den kommenden Jahren werden die Interessen Russlands im Rat der Internationalen Organisation für den Bau des thermonuklearen Reaktors ITER durch korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften Michail Kovalchuk, Direktor des Russischen Forschungszentrums Kurchatov-Institut, Institut für vertreten Kristallographie der Russischen Akademie der Wissenschaften und wissenschaftlicher Sekretär des Präsidialrats für Wissenschaft, Technologie und Bildung. Kovalchuk wird in diesem Amt vorübergehend den Akademiker Evgeniy Velikhov ersetzen, der für die nächsten zwei Jahre zum Vorsitzenden des ITER International Council gewählt wurde und nicht das Recht hat, diese Position mit den Aufgaben eines offiziellen Vertreters eines teilnehmenden Landes zu kombinieren.

Die Gesamtkosten für den Bau werden auf 5 Milliarden Euro geschätzt, die gleiche Summe wird für den Probebetrieb des Reaktors benötigt. Die Anteile Indiens, Chinas, Koreas, Russlands, der USA und Japans machen jeweils etwa 10 Prozent des Gesamtwerts aus, 45 Prozent stammen aus den Ländern der Europäischen Union. Allerdings haben sich die europäischen Staaten noch nicht darauf geeinigt, wie genau die Kosten zwischen ihnen aufgeteilt werden sollen. Aus diesem Grund wurde der Baubeginn auf April 2010 verschoben. Trotz der jüngsten Verzögerung sagen Wissenschaftler und Beamte, die an ITER beteiligt sind, dass sie das Projekt bis 2018 abschließen können.

Die geschätzte thermonukleare Leistung von ITER beträgt 500 Megawatt. Einzelne Magnetteile erreichen ein Gewicht von 200 bis 450 Tonnen. Zur Kühlung von ITER werden 33.000 Kubikmeter Wasser pro Tag benötigt.

1998 stellten die Vereinigten Staaten die Finanzierung ihrer Beteiligung an dem Projekt ein. Nachdem die Republikaner an die Macht gekommen waren und es in Kalifornien immer wieder zu Stromausfällen kam, kündigte die Bush-Regierung erhöhte Investitionen in Energie an. Die Vereinigten Staaten hatten nicht die Absicht, sich an dem internationalen Projekt zu beteiligen und waren an einem eigenen thermonuklearen Projekt beteiligt. Anfang 2002 sagte John Marburger III, Technologieberater von Präsident Bush, dass die Vereinigten Staaten ihre Meinung geändert hätten und beabsichtigten, zu dem Projekt zurückzukehren.

Von der Teilnehmerzahl her ist das Projekt vergleichbar mit einem anderen großen internationalen Wissenschaftsprojekt – der Internationalen Raumstation. Die Kosten für ITER, die zuvor 8 Milliarden Dollar erreichten, beliefen sich damals auf weniger als 4 Milliarden. Aufgrund des Ausstiegs der USA aus der Beteiligung wurde beschlossen, die Reaktorleistung von 1,5 GW auf 500 MW zu reduzieren. Dementsprechend ist auch der Preis des Projekts gesunken.

Im Juni 2002 fand in der russischen Hauptstadt das Symposium „ITER Days in Moskau“ statt. Es wurden die theoretischen, praktischen und organisatorischen Probleme der Wiederbelebung des Projekts erörtert, dessen Erfolg das Schicksal der Menschheit verändern und ihr eine neue Art von Energie verleihen kann, die in Effizienz und Wirtschaftlichkeit nur mit der Energie der Sonne vergleichbar ist.

Im Juli 2010 genehmigten Vertreter der am internationalen thermonuklearen Reaktorprojekt ITER beteiligten Länder auf einer außerordentlichen Sitzung in Cadarache, Frankreich, dessen Budget und Bauplan. .

Auf der letzten außerordentlichen Sitzung stimmten die Projektteilnehmer dem Starttermin für die ersten Experimente mit Plasma zu – 2019. Vollständige Experimente sind für März 2027 geplant, obwohl die Projektleitung technische Spezialisten gebeten hat, zu versuchen, den Prozess zu optimieren und mit den Experimenten im Jahr 2026 zu beginnen. Die Sitzungsteilnehmer entschieden auch über die Kosten für den Bau des Reaktors, die für den Bau der Anlage geplanten Beträge wurden jedoch nicht bekannt gegeben. Nach Informationen, die der Herausgeber des Portals ScienceNOW aus einer ungenannten Quelle erhalten hat, könnten die Kosten des ITER-Projekts bis zum Beginn der Experimente 16 Milliarden Euro erreichen.

Das Treffen in Cadarache markierte auch den ersten offiziellen Arbeitstag für den neuen Projektleiter, den japanischen Physiker Osamu Motojima. Vor ihm wurde das Projekt seit 2005 vom Japaner Kaname Ikeda geleitet, der seinen Posten sofort nach Genehmigung des Budgets und der Baufristen aufgeben wollte.

Der Fusionsreaktor ITER ist ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Union, der Schweiz, Japan, den USA, Russland, Südkorea, China und Indien. Die Idee, ITER zu schaffen, wird seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts in Betracht gezogen. Aufgrund finanzieller und technischer Schwierigkeiten steigen jedoch die Kosten des Projekts ständig und der Baubeginntermin wird ständig verschoben. Im Jahr 2009 erwarteten Experten, dass die Arbeiten zum Bau des Reaktors im Jahr 2010 beginnen würden. Später wurde dieses Datum verschoben und als Startzeitpunkt des Reaktors zunächst 2018 und dann 2019 genannt.

Thermonukleare Fusionsreaktionen sind Reaktionen der Verschmelzung von Kernen leichter Isotope zu einem schwereren Kern, die mit einer enormen Energiefreisetzung einhergehen. Theoretisch können Fusionsreaktoren viel Energie zu geringen Kosten produzieren, aber derzeit geben Wissenschaftler viel mehr Energie und Geld aus, um die Fusionsreaktion zu starten und aufrechtzuerhalten.

Die Kernfusion ist eine kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeit zur Energieerzeugung. Auf der Sonne findet seit Milliarden von Jahren eine unkontrollierte Kernfusion statt – Helium entsteht aus dem schweren Wasserstoffisotop Deuterium. Dabei wird eine enorme Energiemenge freigesetzt. Allerdings haben die Menschen auf der Erde noch nicht gelernt, solche Reaktionen zu kontrollieren.

Der ITER-Reaktor wird Wasserstoffisotope als Brennstoff verwenden. Bei einer thermonuklearen Reaktion wird Energie frei, wenn sich leichte Atome zu schwereren verbinden. Um dies zu erreichen, muss das Gas auf eine Temperatur von über 100 Millionen Grad erhitzt werden – viel höher als die Temperatur im Zentrum der Sonne. Gas verwandelt sich bei dieser Temperatur in Plasma. Gleichzeitig verschmelzen Atome von Wasserstoffisotopen und verwandeln sich unter Freisetzung einer großen Anzahl von Neutronen in Heliumatome. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Kraftwerk nutzt die Energie von Neutronen, die durch eine Schicht aus dichtem Material (Lithium) abgebremst werden.

Warum hat die Errichtung thermonuklearer Anlagen so lange gedauert?

Warum sind so wichtige und wertvolle Anlagen, über deren Nutzen seit fast einem halben Jahrhundert diskutiert wird, noch nicht entstanden? Es gibt drei Hauptgründe (siehe unten), von denen der erste als extern oder sozial bezeichnet werden kann und die anderen beiden als intern bezeichnet werden können, d. h. durch die Gesetze und Bedingungen der Entwicklung der thermonuklearen Energie selbst bestimmt werden.

1. Lange Zeit glaubte man, dass das Problem der praktischen Nutzung der Kernfusionsenergie keine dringenden Entscheidungen und Maßnahmen erforderte, da in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts die fossilen Brennstoffquellen unerschöpflich schienen, Umweltprobleme und der Klimawandel jedoch schon die Öffentlichkeit nicht betreffen. Im Jahr 1976 versuchte der Beratungsausschuss für Fusionsenergie des US-Energieministeriums, den Zeitrahmen für Forschung und Entwicklung sowie ein Demonstrations-Fusionskraftwerk im Rahmen verschiedener Forschungsfinanzierungsoptionen abzuschätzen. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Höhe der jährlichen Mittel für die Forschung in dieser Richtung völlig unzureichend ist und die Errichtung thermonuklearer Anlagen bei Beibehaltung des bestehenden Mittelniveaus nie erfolgreich sein wird, da die zugewiesenen Mittel nicht übereinstimmen sogar auf das minimale, kritische Niveau.

2. Ein schwerwiegenderes Hindernis für die Entwicklung der Forschung auf diesem Gebiet besteht darin, dass eine thermonukleare Anlage der diskutierten Art nicht im kleinen Maßstab erstellt und demonstriert werden kann. Aus den nachstehenden Erläuterungen wird deutlich, dass die Kernfusion nicht nur einen magnetischen Einschluss des Plasmas, sondern auch eine ausreichende Erwärmung desselben erfordert. Das Verhältnis von aufgewendeter und aufgenommener Energie steigt mindestens proportional zum Quadrat der linearen Abmessungen der Anlage, wodurch die wissenschaftlichen und technischen Fähigkeiten und Vorteile thermonuklearer Anlagen nur an größeren Stationen, wie z wie der erwähnte ITER-Reaktor. Die Gesellschaft war einfach nicht bereit, solch große Projekte zu finanzieren, solange kein ausreichendes Vertrauen in den Erfolg bestand.

3. Die Entwicklung der thermonuklearen Energie war sehr komplex, doch (trotz unzureichender Finanzierung und Schwierigkeiten bei der Auswahl von Zentren für die Errichtung von JET- und ITER-Anlagen) konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte beobachtet werden, obwohl noch keine Betriebsstation errichtet wurde.

Die moderne Welt steht vor einer sehr ernsten Energieherausforderung, die man genauer als „unsichere Energiekrise“ bezeichnen kann. Das Problem hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Reserven an fossilen Brennstoffen in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts erschöpft sein könnten. Darüber hinaus kann die Verbrennung fossiler Brennstoffe dazu führen, dass das in die Atmosphäre freigesetzte Kohlendioxid (das oben erwähnte CCS-Programm) irgendwie abgesondert und „gelagert“ werden muss, um größere Klimaveränderungen auf dem Planeten zu verhindern.

Derzeit wird fast die gesamte von der Menschheit verbrauchte Energie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt, und die Lösung des Problems kann mit der Nutzung von Solarenergie oder Kernenergie (der Schaffung von Reaktoren zur Erzeugung schneller Neutronen usw.) verbunden sein. Das globale Problem, das durch die wachsende Bevölkerung der Entwicklungsländer und deren Notwendigkeit, den Lebensstandard zu verbessern und die Menge der erzeugten Energie zu erhöhen, verursacht wird, kann nicht allein auf der Grundlage dieser Ansätze gelöst werden, obwohl natürlich alle Versuche unternommen werden, alternative Methoden der Energieerzeugung zu entwickeln sollte ermutigt werden.

Streng genommen haben wir eine kleine Auswahl an Verhaltensstrategien und die Entwicklung der thermonuklearen Energie ist äußerst wichtig, auch wenn es keine Erfolgsgarantie gibt. Die Zeitung Financial Times (vom 25. Januar 2004) schrieb dazu:

Hoffen wir, dass es auf dem Weg zur Entwicklung der thermonuklearen Energie keine großen und unerwarteten Überraschungen gibt. In diesem Fall können wir in etwa 30 Jahren erstmals elektrischen Strom daraus in Energienetze einspeisen und in etwas mehr als 10 Jahren wird das erste kommerzielle thermonukleare Kraftwerk seinen Betrieb aufnehmen. Es ist möglich, dass in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts die Kernfusionsenergie beginnt, fossile Brennstoffe zu ersetzen und nach und nach eine immer wichtigere Rolle bei der Energieversorgung der Menschheit auf globaler Ebene zu spielen.

Es gibt keine absolute Garantie dafür, dass die Aufgabe der Erzeugung thermonuklearer Energie (als wirksame und groß angelegte Energiequelle für die gesamte Menschheit) erfolgreich abgeschlossen wird, aber die Erfolgswahrscheinlichkeit in dieser Richtung ist recht hoch. Angesichts des enormen Potenzials thermonuklearer Kraftwerke können alle Kosten für Projekte für deren schnelle (und sogar beschleunigte) Entwicklung als gerechtfertigt angesehen werden, insbesondere da diese Investitionen vor dem Hintergrund des monströsen globalen Energiemarkts (4 Billionen US-Dollar pro Jahr8) sehr bescheiden erscheinen. Die Deckung des Energiebedarfs der Menschheit ist ein sehr ernstes Problem. Da fossile Brennstoffe immer weniger verfügbar sind (und ihre Verwendung unerwünscht wird), ändert sich die Situation, und wir können es uns einfach nicht leisten, auf die Entwicklung der Fusionsenergie zu verzichten.

Auf die Frage „Wann erscheint thermonukleare Energie?“ Lev Artsimovich (ein anerkannter Pionier und Forschungsleiter auf diesem Gebiet) antwortete einmal: „Es wird geschaffen, wenn es für die Menschheit wirklich notwendig wird.“

ITER wird der erste Fusionsreaktor sein, der mehr Energie produziert, als er verbraucht. Wissenschaftler messen diese Eigenschaft mit einem einfachen Koeffizienten, den sie „Q“ nennen. Wenn ITER alle seine wissenschaftlichen Ziele erreicht, wird es zehnmal mehr Energie produzieren, als es verbraucht. Das letzte gebaute Gerät, der Joint European Torus in England, ist ein kleinerer Prototyp eines Fusionsreaktors, der in der Endphase der wissenschaftlichen Forschung einen Q-Wert von fast 1 erreichte. Das bedeutet, dass er genau die gleiche Energiemenge produzierte, wie er verbrauchte . ITER wird darüber hinausgehen, indem es die Energieerzeugung durch Fusion demonstriert und einen Q-Wert von 10 erreicht. Die Idee besteht darin, aus einem Energieverbrauch von etwa 50 MW 500 MW zu erzeugen. Eines der wissenschaftlichen Ziele von ITER ist daher der Nachweis, dass ein Q-Wert von 10 erreicht werden kann.

Ein weiteres wissenschaftliches Ziel besteht darin, dass ITER eine sehr lange „Brennzeit“ haben wird – einen Impuls mit einer längeren Dauer von bis zu einer Stunde. ITER ist ein Forschungsreaktor, der nicht kontinuierlich Energie produzieren kann. Wenn ITER den Betrieb aufnimmt, ist es eine Stunde lang eingeschaltet, danach muss es ausgeschaltet werden. Dies ist wichtig, da die von uns bisher entwickelten typischen Geräte eine Brenndauer von mehreren Sekunden oder sogar Zehntelsekunden erreichen konnten – das ist das Maximum. Der „Joint European Torus“ erreichte seinen Q-Wert von 1 bei einer Brenndauer von etwa zwei Sekunden bei einer Pulslänge von 20 Sekunden. Aber ein Prozess, der nur wenige Sekunden dauert, ist nicht wirklich dauerhaft. Analog zum Starten eines Automotors: Das kurzzeitige Einschalten und anschließende Ausschalten des Motors ist noch kein wirklicher Betrieb des Autos. Erst wenn Sie Ihr Auto eine halbe Stunde lang fahren, erreicht es einen konstanten Betriebsmodus und zeigt, dass ein solches Auto wirklich gefahren werden kann.

Das heißt, aus technischer und wissenschaftlicher Sicht wird ITER einen Q-Wert von 10 und eine längere Brenndauer liefern.

Das Kernfusionsprogramm ist wirklich international und breit angelegt. Die Menschen rechnen bereits mit dem Erfolg von ITER und denken über den nächsten Schritt nach – die Schaffung eines Prototyps eines industriellen thermonuklearen Reaktors namens DEMO. Um es zu bauen, muss ITER funktionieren. Wir müssen unsere wissenschaftlichen Ziele erreichen, denn das bedeutet, dass die von uns vorgeschlagenen Ideen durchaus realisierbar sind. Allerdings stimme ich zu, dass man immer darüber nachdenken sollte, was als nächstes kommt. Darüber hinaus wird sich unser Wissen nach 25 bis 30 Jahren Betrieb von ITER nach und nach vertiefen und erweitern und wir werden in der Lage sein, unseren nächsten Schritt genauer zu skizzieren.

Tatsächlich gibt es keine Debatte darüber, ob ITER ein Tokamak sein sollte. Manche Wissenschaftler stellen die Frage ganz anders: Sollte es ITER geben? Experten in verschiedenen Ländern, die ihre eigenen, nicht so großen thermonuklearen Projekte entwickeln, argumentieren, dass ein so großer Reaktor überhaupt nicht benötigt wird.

Ihre Meinung sollte jedoch kaum als maßgeblich angesehen werden. An der Entstehung von ITER waren Physiker beteiligt, die sich seit mehreren Jahrzehnten mit Ringfallen beschäftigen. Der Entwurf des experimentellen thermonuklearen Reaktors in Karadash basierte auf allen Erkenntnissen, die bei Experimenten mit Dutzenden Vorgänger-Tokamaks gewonnen wurden. Und diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es sich bei dem Reaktor um einen Tokamak handeln muss, und zwar um einen großen.

JET Der derzeit erfolgreichste Tokamak kann als JET angesehen werden, der von der EU in der britischen Stadt Abingdon gebaut wurde. Dies ist der größte bisher gebaute Reaktor vom Tokamak-Typ, der große Radius des Plasmatorus beträgt 2,96 Meter. Die Leistung der thermonuklearen Reaktion hat bereits mehr als 20 Megawatt bei einer Verweilzeit von bis zu 10 Sekunden erreicht. Der Reaktor gibt etwa 40 % der in das Plasma eingebrachten Energie zurück.

Es ist die Physik des Plasmas, die die Energiebilanz bestimmt“, sagte Igor Semenov gegenüber Infox.ru. Der außerordentliche Professor des MIPT beschrieb die Energiebilanz anhand eines einfachen Beispiels: „Wir haben alle schon einmal ein Feuer brennen sehen. Tatsächlich brennt dort aber kein Holz, sondern Gas. Die Energiekette dort ist so: Das Gas brennt, das Holz erhitzt sich, das Holz verdampft, das Gas brennt wieder. Wenn wir also Wasser ins Feuer werfen, entziehen wir dem System schlagartig Energie für den Phasenübergang von flüssigem Wasser in einen Dampfzustand. Der Saldo wird negativ und das Feuer erlischt. Es geht auch anders: Wir können einfach die Feuerbrände nehmen und sie im Weltraum verteilen. Auch das Feuer wird erlöschen. Das Gleiche gilt für den thermonuklearen Reaktor, den wir bauen. Die Abmessungen sind so gewählt, dass für diesen Reaktor eine entsprechende positive Energiebilanz entsteht. Ausreichend, um in Zukunft ein echtes Kernkraftwerk zu bauen und in diesem experimentellen Stadium alle Probleme zu lösen, die derzeit noch ungelöst sind.“

Die Abmessungen des Reaktors wurden einmal geändert. Dies geschah an der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert, als sich die Vereinigten Staaten aus dem Projekt zurückzogen und die verbleibenden Mitglieder erkannten, dass das ITER-Budget (damals wurde es auf 10 Milliarden US-Dollar geschätzt) zu groß war. Um die Installationskosten zu senken, waren Physiker und Ingenieure gefragt. Und das war nur aufgrund der Größe möglich. Die „Neugestaltung“ von ITER wurde vom französischen Physiker Robert Aymar geleitet, der zuvor am französischen Tokamak Tore Supra in Karadash gearbeitet hatte. Der Außenradius des Plasmatorus wurde von 8,2 auf 6,3 Meter reduziert. Die mit der Größenreduzierung verbundenen Risiken wurden jedoch teilweise durch mehrere zusätzliche supraleitende Magnete kompensiert, die die Umsetzung des damals offenen und untersuchten Plasma-Einschlussmodus ermöglichten.

Für eine lange Zeit trudnopisaka hat mich gebeten, einen Beitrag über den im Bau befindlichen thermonuklearen Reaktor zu verfassen. Erfahren Sie interessante Details zur Technologie und erfahren Sie, warum die Umsetzung dieses Projekts so lange dauert. Endlich habe ich das Material gesammelt. Machen wir uns mit den Details des Projekts vertraut.

Wie hat alles angefangen? Die „Energieherausforderung“ entstand durch eine Kombination der folgenden drei Faktoren:

1. Die Menschheit verbraucht heutzutage riesige Mengen an Energie.

2. Der weltweite Energieverbrauch steigt dramatisch.

3. Derzeit stammen 80 % der weltweiten Energie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe(Öl, Kohle und Gas), deren Verwendung:
a) möglicherweise das Risiko katastrophaler Umweltveränderungen birgt;
b) muss unweigerlich eines Tages enden.

Aus dem Gesagten ist klar, dass wir uns jetzt auf das Ende der Ära der Nutzung fossiler Brennstoffe vorbereiten müssen

Fusionskraftwerke

Im Inneren der Hülle kollidieren Neutronen mit Lithiumatomen, was zu einer Reaktion führt, bei der Tritium entsteht:

Neutron + Lithium → Helium + Tritium

Warum brauchen wir das?

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Die Interessen Russlands im Rat der Internationalen Organisation für den Bau des thermonuklearen Reaktors ITER werden in den kommenden Jahren durch das korrespondierende Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften Michail Kowaltschuk – Direktor des Kurtschatow-Instituts, Institut für Kristallographie der Russischen Akademie der Wissenschaften – vertreten Wissenschaftlicher und wissenschaftlicher Sekretär des Präsidialrats für Wissenschaft, Technologie und Bildung. Kovalchuk wird in diesem Amt vorübergehend den Akademiker Evgeniy Velikhov ersetzen, der für die nächsten zwei Jahre zum Vorsitzenden des ITER International Council gewählt wurde und nicht das Recht hat, diese Position mit den Aufgaben eines offiziellen Vertreters eines teilnehmenden Landes zu kombinieren.

Warum hat die Errichtung thermonuklearer Anlagen so lange gedauert?

Ein weiteres wissenschaftliches Ziel besteht darin, dass ITER eine sehr lange „Brennzeit“ haben wird – einen Impuls mit einer längeren Dauer von bis zu einer Stunde. ITER ist ein Forschungsreaktor, der nicht kontinuierlich Energie produzieren kann. Wenn ITER den Betrieb aufnimmt, ist es eine Stunde lang eingeschaltet, danach muss es ausgeschaltet werden. Dies ist wichtig, da die von uns bisher entwickelten Standardgeräte eine Brenndauer von mehreren Sekunden oder sogar Zehntelsekunden erreichen konnten – das ist das Maximum. Der „Joint European Torus“ erreichte seinen Q-Wert von 1 bei einer Brenndauer von etwa zwei Sekunden bei einer Pulslänge von 20 Sekunden. Aber ein Prozess, der nur wenige Sekunden dauert, ist nicht wirklich dauerhaft. Analog zum Starten eines Automotors: Das kurzzeitige Einschalten und anschließende Ausschalten des Motors ist noch kein wirklicher Betrieb des Autos. Erst wenn Sie Ihr Auto eine halbe Stunde lang fahren, erreicht es einen konstanten Betriebsmodus und zeigt, dass ein solches Auto wirklich gefahren werden kann.

Das heißt, aus technischer und wissenschaftlicher Sicht wird ITER einen Q-Wert von 10 und eine längere Brenndauer liefern.

Quelle
http://ehorussia.com
http://oko-planet.su