Kaip Rusija kuria ateitį: paleistas pirmasis pasaulyje hibridinio reaktoriaus prototipas...

Autorius: Mindė Šaltinis: http://ldiena.lt/... 2021-05-27 03:01:00, skaitė 1098, komentavo 6

Kaip Rusija kuria ateitį: paleistas pirmasis pasaulyje hibridinio reaktoriaus prototipas...

2021 metų gegužės 18 dieną žmonija žengė pirmąjį žingsnį prie neišsenkančio ateities energijos šaltinio. Daug kam bus nemalonus tas faktas, kad tai buvo padaryta  Rusijos mokslininkų ir specialistų pastangomis.

ТОКАМАК Т-15МД в национальном исследовательском центре (НИЦ)

Nuotr. TOKAMAK T-15MD Nacionaliniame tyrimų centre  "Kurčatovo institutas"

Oficialiai paleistas modernizuotas termobranduolinis reaktorius TOKAMAK T-15MD. Tai gana didelis įrenginys, tuo pačiu metu jis yra unikalus dėl daugelio fizinių charakteristikų. T-15MD - tai nėra tik dar vienas eilinis TOKAMAK, skirtas termobranduoliniams procesams tirti, kaip, pavyzdžiui, anksčiau paleistas kinietiškas TOKAMAK HL-2M. Rusų reaktorius kur kas įdomesnis tiek moksliniu požiūriu, tiek iš  energetinės pusės.

Китайский ТОКАМАК «HL-2M», запущенный в 2020 году. Наш

Nuotr. Kinų TOKAMAK „HL-2M“ paleistas 2020 metais. Rusų „T-15MD“ yra 2 kartus didesnis, o magnetinis laukas yra 39% galingesnis

Nors pagrindinis „T-15MD“ uždavinys yra atidirbti technologijas ir parametrus įgyvendinant tarptautinį eksperimentinį termobranduolinį reaktorių „ITER“, tačiau be šito, reaktorius padės modernizuoti elektrinius magnetoplazmos variklius, kuriuos planuojama įrengti ateityje daugumoje kosminių laivų, įskaitant ir branduolinį Roskosmoso kosminį buksyrą 

Принцип действия магнитоплазменного двигателя.

Абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД) большой мощности, 100 и более кВт, сегодня активно разрабатываются в России и США. Однако прогрес во многом зависит от понимания физики плазмы и общего прогресса программы термоядерных исследований. В перспективе такие двигатели способны доставить 1000 тонный космический корабль на Марс за 30-60 дней.

nuotr. Plazminio variklio veikimo principas

 Tačiau kas svarbiausia - tai naujos krypties branduolinėje energetikoje atradimas. Modernizuojant TOKAMAK „T-15MD“, buvo numatytos naujos galimybės kaip panaudoti naudingą neutronų energiją, kurie išsilaisvina vykstant termobranduolinėms reakcijoms, kas gali išspręsti termobranduolinės energetikos panaudojimo ekonominio tikslingumo problemą.Reikalas tame, kad, nepaisant kaip atrodė spartaus naujo tipo termobranduolinių įrenginių vystymosi 20 amžiaus 50–60 metais ir bendros progreso atliekant termobranduolinius tyrimus, mums vis dar nepavyko pasiekti save palaikančios termobranduolinės reakcijos su grynosios energijos išgavimu, viršijančiu panaudotą termobranduolinei reakcijai paleisti.Padėtį komplikuoja plazminių procesų fizika, kuri yra dar toli nuo mūsų supratimo. Devintajame dešimtmetyje naujos kartos TOKAMAKai: JET (Europos Sąjunga), JT-60 (Japonija), T-15 (TSRS) ir TFTR (JAV) - pagal visus skaičiavimus, turėjo pasiekti Lousono kriterijų, kas leistu pradėti tyrinėti termobranduolinę plazmą, pačią savaiminę reakciją ir jos valdymo būdus.

Критерий Лоусона позволяет оценить, будет ли термоядерный синтез в заданном реакторе источником энергии. На диаграмме представлены разные поколения ТОКАМАКов и их соотношения к критерию Лоусона.

Nuotr. Lousono kriterijus leidžia įvertinti, ar bus termobranduolinė sintezė užduotame reaktoriuje energijos šaltinis. Diagramoje parodytos skirtingos TOKAMAK kartos ir jų santykis su Lousono kriterijumi.

Tačiau plazma pasirodė esanti kur kas labiau sudėtingesnis materijos agregatinis būvis, ir šis faktas atvedė mokslininkus į eilinę technologinę aklavietę.

Netgi išlaikyti plazmą esant 100 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūroje pasirodė esant tūkstantmečio užduotimi,  jau nekalbant apie jos valdymą. Gavę praktinių rezultatų  iš naujųjų TOKAMAK, mokslininkai priėjo prie išvados, kad realizuoti branduolinę energetiką savarankiškai nėra pajėgi nė viena pasaulio šalis. Ir tik tarptautinis bendradarbiavimas sprendžiant šią problemą suteiks visiems šansą pasiekti teigiamų rezultatų. Būtent  atsižvelgiant į šias aplinkybes, buvo pradėtas ITER projektas, kuriame buvo surinktos pačios pažangiausios plazmos technologijos iš visos žmonijos.

Строительство

Nuotr. „ITER“ statyba, 2017 metai. Šiuo metu reaktorius pastatas baigtas statyti, vyksta paties reaktoriaus surinkimas. Planuojama, kad statybos bus baigtos 2025 m. gruodžio mėn.; planuojamų pajėgumų pasiekimas - 2035 m. Projekte dalyvauja 35 šalys, pats projektas įgyvendinamas Prancūzijoje.

Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad mokslininkai negarantuoja teigiamų šio grandiozinio, sudėtingo ir brangaus mokslinio-techninio projekto pasaulyje rezultatų.

Reaktoriaus paleidimo pasekmė gali būti nenuspėjama. Pavyzdžiui, mes galėsime pasiekti Lousono kriterijų, tačiau negalėsime saugiai valdyti termobranduolinės plazmos; arba apskritai negalėsime pasiekti reikiamų parametrų savarankiškai termobranduolinei reakcijai.

O gal mums pasiseks ir tada žmonija galės įvykdyti visas „ITER“ iškeltas užduotis. Tačiau netgi tokiu atveju yra problemų. Pirminė reaktoriaus siena - pats brangiausias konstrukcijos elementas - per 5 metus pavirsta į sietą, visiškai netekdamas savo darbinės funkcijos. Tai yra aktyvaus neutroninio spinduliavimo, veikiančios visą supančią TOKAMAK erdvę, rezultatas. 

 

Важным экспериментом будет проверка живучести первой стенки

Nuotr. Svarbiu eksperimentu bus pirmosios ITER sienos gyvybingumo išbandymas.

Net nepaisant naujų specialių lydinių, kurie dešimtys kartų atsparesni neutronų gaudymui, sienos tarnavimo laikas yra tik keli metai.

Visiškai atnaujinti reaktoriaus sienas po tokių gana trumpų laiko tarpų - yra visiškai nenaudinga ekonomiškai ir net energetiškai. Tas daro termobranduolinę energetiką komerciškai neįgyvendinama, paliekant ją tik mokslinių tyrimų rėmuose.

Ir yra tik dvi išeitys: arba didinti įrenginio matmenis, išlaikant galią tame pačiame lygyje, o tai leis efektyviau paskirstyti neutronų srautą didesniame plote; arba termobranduolinės energetikos realizavimas su be neutroninio išėjimo.

Tačiau yra ir trečias kelias. Jos pagrindai buvo padėti TOKAMAK „T-15MD“.

 

В

Образованную в термоядерном реакторе плазму можно окружить

Nuotr. „T-15DM“ suprojektuotas „hibridinis režimas“, leidžiantis branduolinėms reakcijoms vykti blankete.

Už pirminės sienelės, kuri susidėvi nuo neutroninio spinduliavimo, statomas blanketas, kuriame yra neaktyvi besidalijanti medžiaga (pavyzdžiui, Uranas-238 arba Toris-232). Neutrono energijos, kurią sukuria termobranduolinė deuterio ir tričio reakcija, pakanka Urano-238 branduoliui suskaldyti, išsiskiriant papildomai energijai, arba transmutuoti torio-232 atomo branduolį į kurą šiuolaikinėms atominėms elektrinėms - Uranas-233.

Деление изотопов Урана-238 полностью зависит от нейтронов, вылетающих из дейтерий-тритиевой плазмы. При этом не происходит цепной реакции,  как в случае деления изотопа Урана-235. Следовательно, нет опасности возникновения ядерных аварий и связанных с ними последствий.

В ториевом цикле образуется уран-233, который прекрасно походит в качестве топлива для АЭС.  Ядро унара-238 может захватить нейтрон и трансмутировать в плутоний-239, который тоже подходит в качестве топлива для АЭС.  Но при энергиях свыше 10 МЭв, вероятность захвата нейтрона равна 1 к 10 миллионам, во всех остальных случаях ядро урана-238 будет делится производятся тепловую энергию.

Термоядерная реакция Дейтерия и Трития высвобождает 17,6 МэВ энергии. Деление одного ядра атома Урана-238, высвобождает в 10-11 раз больше энергии, чем при термоядерном синтезе одного ядра атома Дейтерия и одного ядра атома Трития.

Urano-238 izotopų skilimas visiškai priklauso nuo neutronų, išsiskiriančių iš deuterio-tričio plazmos. Tokiu atveju grandininė reakcija nevyksta, kaip kad urano-235 izotopo dalijimosi atveju. Vadinasi, nėra branduolinių avarijų ir su jomis susijusių pasekmių pavojaus.

Tokiu būdu gaunasi, kad sienelės susidėvėjimas provokuoja naudingą darbą, kurį sudaro arba papildoma energija išėjime (pagal skaičiavimus, 10 kartų viršijanti  vienetinio deuterio ir tričio termobranduolinės reakcijos akto energiją), arba kuro gamyba daugybei atominių elektrinių, kurios taip pat gamins šiluminę ir elektros energiją.

Šiuo atveju bus ekonominiai ir energetiniai termobranduolinės energijos pagrindimai teigiami, net jei reaktoriaus sienos susidėvės per 5 metus. O pačius reaktorius galima bus daryti kompaktiškus, galingus ir komerciškai naudingus.

Pavyzdžiui, ITER reaktorius hibridiniame režime sugeba pagaminti 10 kartų daugiau energijos, nei numatyta jo branduoliniuose parametruose. Šiandien tai yra 500 MW.

Tačiau skaičiavimai rodo, kad branduolinių procesų specifiška yra tokia, kad norint jog blankete prasidėtu reakcija, T-15MD reaktoriui nebūtina pasiekti maksimalios termobranduolinės galios ir kaitinti plazmą iki 100 milijonų laipsnių Celsijaus. Reakcijos prasideda jau esant 50 milijonų laipsnių Celsijaus, tai yra diapazone kuris šiandien yra gana neblogai ištyrinėtas.

 

Макет реактора

Nuotr. T-15MD reaktoriaus maketas Kurčatovo institute.

Teorija, žinoma, bus patikrinta praktiškai, ir jeigu tai patvirtins, tai naudingam termobranduolinio reaktoriaus darbui pati termobranduolinė reakcija nebus tokia jau ir būtina. O tai jau atveria visai kitas energetines perspektyvas visai žmonijai.

Ir tegul tai būna net ne branduoliniai hibridiniai reaktoriai, o branduoliniai-plazminiai. Tokios energetinės technologijos suteiks dar daugiau laiko visiškam termobranduolinės energetikos įsisavinimui, nenustumiant žmonių civilizacijos į energetinės krizės bedugnę.

Hibridinio termobranduolinio reaktoriaus projektą Rusija pradėjo įgyvendinti 2017 metais, kada prezidento administracija pritarė iniciatyvai modernizuoti T-15MD TOKAMAK į hibridinį reaktorių.

Termobranduolinė energetika - tai žinoma šventasis gralis, bet kol kas ji mums nepasiekiama. Be to, net patys ITER projekto mokslininkai negarantuoja sėkmės, nors yra nusiteikę teigiamai. Aštuntajame dešimtmetyje taip pat buvo tikima, kad pirmosios termobranduolinės elektrinės pasirodys devintojo dešimtmečio pabaigoje arba, pesimistiškiausiomis prognozėmis - 2000 metais. O iš tiesų paaiškėjo, kad net esant patiems palankiausiems ITER projekto rezultatams, pirmoji eksperimentinė termobranduolinė stotis atsiras ne anksčiau kaip 2045 metais, o plačią komercinę veikla termobranduolinė energetika pradės pasieks tik 2060–2080 metais.

 

Схема

Nuotr. „ITER“ - tarptautinio eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus projekto schema . Šiandien tai pats sudėtingiausias mokslinis projektas žmonijos istorijoje.

Todėl hibridiniai reaktoriai, kaip tarpinis termobranduolinės energetikos įsisavinimo etapas, turi labai didelę energetinę ir ekonominę reikšmę. Ir Rusija yra šios krypties lyderė.

Kinija  planuoja pastatyti analogišką hibridinio reaktoriaus prototipą 2030 metais.

Energetika - tai mūsų civilizacijos Achilo kulnas. Net sulėtėjęs energijos suvartojimo vienam gyventojui augimas gali sukelti krizes. Ką jau bekalbėti apie tai, kad kada vyksta energijos suvartojimo sumažėjimas, iškart sumažėja pasiekiamų žmogui dalykų kiekis. 2020 metų recesija ir energetinė krizė Japonijoje ir USA 2021 metų pradžioje - tai akivaizdus to įrodymas.

Hibridiniai reaktoriai -  tai tam tikra pastovaus žmonijos energetinio vystymosi garantija, savotiška alternatyva iki pasiekiant sėkmės saugios ir pelningos termobranduolinės energetikos srityje.

Hibridinis TOKAMAK T-15MD standartinis reaktorius vienodai gerai tinka tiek elektrai gaminti, tiek vandeniliui ir deguoniui išgauti, pritaikant aukštos temperatūros elektrolizės metodu, arba tik vandenilio gamybai metano garinės konversijos būdu. metodu.

Atsižvelgiant į tai, kad vandenilis - tai ateities energetinis nešėjas, jo gamyba hibridiniame reaktoriuje jau savaime atrodo viliojančiai. Pirmieji šios krypties tyrimai jau paskelbti.

Работы по гибридным реакторам интересны нашему государству и имеют большую поддержку с перспективой внедрения новой энергетической технологии. Неудивительно, что в церемонии запуска реактора

Muotr. Darbai susiję su hibridiniais reaktoriais domina Rusijos vyriausybę ir turi didelį jos palaikymą  su perspektyva įdiegti naują energetine technologiją. Nenuostabu, kad T-15MD reaktoriaus paleidimo ceremonijoje dalyvavo Rusijos ministras pirmininkas M.V. Mišustinas.

P.S. Šiandien auga skeptikų skaičius, kurie abejoja termobranduolinės sintezės pasiekimu ateityje per ateinančius 100 metų, o kai kurie visiškai netiki šio proceso galimybe antžeminėmis sąlygomis. Negalima jų dėl to kaltinti, nes dar nėra atskleista termobranduolinės energetikos paslaptis, o perspektyvos nėra aiškios ...