Što nakon ITER-a? Koji su sljedeći koraci u fuzijskoj energiji

Što nakon ITER-a

S početkom izgradnje ITER-a ( International Thermonuclear Experimental Reactor) znanstvenici i inženjeri već gledaju unaprijed na tehnologije koje će fuzijsku energiju učiniti korak bliže mreži.

Nuklearna fuzija poduzela je važan korak naprijed prošlog mjeseca s početkom faze montaže eksperimentalnog fuzijskog reaktora ITER u Cadaracheu, u blizini Marseillea. Bio je to skroman početak za važan događaj: prva dovršena komponenta prenesena je u krajnju lokaciju fuzijskog stroja. Tijekom idućih pet godina, sve složeniji dijelovi omogućit će putovanje unutar betonskih zidova koji će obuhvatiti ono što je planirano da bude prvi reaktor za postizanje samoodržive fuzije – ono što je poznato kao “plamena koja gori”. U ovom trenutku, međutim, mnoge komponente još nisu dovršene.

Prva komponenta za ITER-a postavljena je u studenom 2018. godine

Unatoč tome, planiranje, pa čak i inženjerske studije već su započele s nasljednikom ITER-a. Zvat će se DEMO i dok će ITER održati plamenu gorivost, DEMO će biti prva stvarna nuklearna fuzijska elektrana, za koju se očekuje da će opskrbljivati mrežu ​​električnom energijom.

Projekt ITER, u koji je uključeno ukupno 35 zemalja (Europska unija i Švicarska, zajedno s SAD-om, Kinom, Indijom, Japanom, Rusijom i Južnom Korejom), predviđa se da će biti dovršen 25 godina nakon izgradnje reaktora, a izgradnja DEMO-a ne može početi dok se ne završi sa ovim projektom. ITER neće proizvoditi električnu energiju, ali će istražiti kako najbolje upravljati fuzijskim reaktorom koji je dovoljno velik da izdrži veličinu plamena, što je jedan od najvećih prepreka za postizanje ovog cilja.

Stoga se može činiti čudnim što se počelo raditi na inženjeringu za projekat koji je još desetljećima u budućnost. Međutim, to ne izgleda tako čudno ako se fuzija smatra jedinstvenim mega-projektom, a ne nizom manjih projekata (iako je ITER samostalni projekt mega-projekta).

Tada se čini logičnim da se potencijalni budući problemi trebaju rješavati kada postanu očigledni, a ne kada blokiraju napredak. To znači da inženjeri danas rade na projektima koji se mogu završiti tek nakon što se povuku ili nakon što umru. Stoga ne čudi da su mega-projekti iz prošlosti – recimo, izgradnja srednjovjekovnih katedrala – trajala nekoliko života.

Prema trenutnom rasporedu, prema planu fuzije objavljenom od strane Fusion4Europe (F4E) – organizacije koja upravlja doprinosom Europske unije istraživanju nuklearne fuzije i koja je de facto upravitelj ITER-a, reaktor bi trebao započeti svoje prve eksperimente 2025. godine. Radovi na izgradnji DEMO-a mogli bi početi prije 2045. godine, a moglo bi doći do malog preklapanja u radu, ali plan predviđa proizvodnju električne energije iz DEMO-a do 2050. godine. Može se očekivati da će radni tempo od 2045. do 2050. godine biti ubrzan.

DEMO i ITER će biti sasvim različiti strojevi, ali oba pripadaju istoj općoj kategoriji fuzijskog reaktora. Poznate kao tokamaki (ruski akronim za toroidalnu komoru s magnetskim zavojnicama), oni spajaju zagrijanu plazmu – plin sastavljen od nabijenih čestica – formiranih iz različitih tipova vodikovog atoma.

Fuzija je proces kojim sve zvijezde stvaraju energiju, a kao gorivo koriste najobilniji i najjednostavniji tip vodika – jedan proton povezan s jednim elektronom. Međutim, zvijezde imaju ogromnu masu, a kolosalne gravitacijske sile u svojoj unutrašnjosti guše vodik do gustoće mnogo veće od čelika (kubični centimetar u središtu Sunca ima masu od 160 grama, a kubični centimetar čelika ima masu od oko 8g). Zvjezdana fuzija je složen višestupanjski proces u kojem se višestruki protoni moraju sudariti i spojiti zajedno, emitirajući druge čestice, da bi na kraju oblikovali helijsku jezgru od dva protona i dva neutrona. Ali su gustoća i temperatura tako velike da je taj slijed događaja vjerojatan.

U tokamaku se gravitacijsko drobljenje zamjenjuje magnetskim poljima koja istiskuju plazmu i koriste se različite tehnike za zagrijavanje, ubrzavajući čestice koje prevladavaju svoje elektrostatsko odbijanje (samo su jezgre spojene i sve imaju isti pozitivni naboj). Međutim, gustoća plazme je tako niska da je vrsta slijeda sudara čestica koja se javlja u zvijezdama izrazito nevjerojatna. Kako bi se pojednostavio proces tako da se samo dvije čestice moraju sudariti u jednom koraku, tokamaki koristi kao gorivo mješavinu deuterija (vodik s jednim protonom i jednim neutronom u jezgri) i tricija (jedan proton i dva neutrona).

Kao što ruski naziv implicira, tokamaki su toroidalni u obliku prstenaste krafne (ITER je blago iskrivljena krafna: središnja rupa je cilindrična, tako da je presjek D-oblika, a ne kružnog oblika).

Toroidalna reakcijska komora ima tri seta magneta kako bi osigurala ogromna magnetska polja potrebna za zatvaranje vruće plazme. Jedan veliki solenoid koji teče po sredini, kružni magneti koji okružuju vanjski obujam (poznatiji kao poloidalno polje ili PF zavojnice) i D- oblikovani magneti koji se protežu do unutarnje stijenke središnje rupe kao i vanjski zid (poznati kao toroidalno polje ili TF zavojnice). Sve su napravljene od supervodljivog materijala koji treba ohladiti na nekoliko Kelvina iznad apsolutne nule, tako da provode struju bez otpora i ne smanjuju ukupnu potrebu za energijom sustava. Razvoj takvih materijala bio je još jedan čimbenik koji je odgodio uspješnu proizvodnju više energije iz fuzijskog reaktora nego što je bilo potrebno za održavanje reakcije fuzije. Odnosno za napajanje magneta i zagrijavanje plazme.

I DEMO i ITER imat će te bitne komponente – toroidalnu vakuumsku komoru, centralni solenoid i PF i TF zavojnice – kao i sustave grijanja za ubrzavanje čestica plazme, ali to je granica njihove sličnosti. Najočitija razlika bit će veličina. Iako je ITER u određenoj granici najveći tokamak ikada izgrađen, DEMO će biti još veći. Prema Tonyju Donnéu, priroda programa za EUROfusion, europski konzorcij za razvoj fuzijske energije i dio F4E, njegove linearne dimenzije bit će za oko 15 posto veća. Dajući svojoj vakuumskoj komori volumen od 2200m³ u usporedbi s ITER-ovim 800m³.

Prikaz

Istraživanje o dimenzijama DEMO-a predstavlja prvu fazu projektiranja na projektu, a Donné je vodio ove studije na Tehnološkom sveučilištu Eindhoven. Veća veličina će osigurati da DEMO proizvodi dovoljno “viška” energije koja će biti korisna za proizvodnju električne energije.

“ITER namjerava proizvesti oko 10 puta više energije potrebne za održavanje fuzije. Mi nazivamo omjer” isključivanja “i” snage u “Q-faktoru, a u ovom trenutku nijedan fuzijski reaktor nije premašio Q-faktor jedan (Q1). Performanse ITER-a nazivamo Q10, ali zbog neučinkovitosti u proizvodnji električne energije – izmjenom topline i turbina – Q10 nije ni dovoljno blizu da bi bio koristan. Trebamo DEMO koji će proizvoditi Q25, negdje oko 2 do 4GW toplinske snage. Moguće komercijalne fuzijske postaje u punoj veličini morat će proizvesti još veći Q-faktor, možda Q100”. – Ističe Donné.

To zvuči ogromno kada nitko još nije postigao prvi kvartal, ali je potencijalni energetski sadržaj fuzijskog goriva ogroman. Odgovarajuća jednadžba je, naravno, E = mc2, gdje je m, masa pretvorena u energiju, mala razlika između mase jezgre helija i zbroja masa deuterija i jezgre tritija minus pojedinačni emitirani neutron u reakciji, ali c2, konstantni faktor kojim se masa množi, takav je ogroman broj – gotovo 10 podignut na 17. moć – da je ogromna količina energije teoretski dostupna za svaki gram smjese deuterija i tricija.

“Dodatna energija diktira veću veličinu, a to također znači da trebamo gustoću plazmu oko 30 posto. To znači da ima više goriva, a time i više fuzijskih događaja i više energije “. -dodao je Donné.

Donnéovo spominjanje razmjene topline pokazuje još jednu razliku između ITER-a i DEMO-a. Za razliku od reaktora nuklearne fisije, fuzijski reaktori se ne oslanjaju na hlađenje za siguran rad. Međutim, da bi se proizvela električna energija, toplinu proizvedenu fuzijom potrebno je ekstrahirati i koristiti za prokuhavanje vode za pogon turbina. ITER će imati samo eksperimentalne male rashladne sustave kako bi istražio najbolje načine za njihovo upravljanje, ali DEMO će trebati sustav hlađenja koji u cijelosti pokriva unutarnju površinu vakuumske posude. To će formirati krug primarnog rashladnog sredstva elektrane, koji će biti spojen na sustave za proizvodnju pare preko izmjenjivača topline u sekundarnom krugu.

Podstava vakuumske posude poznata je kao pokrivač, a u DEMO-u će imati dvostruku namjenu. Osim što izvlači toplinu, ona će također morati generirati tricij, a dvije će se funkcije vjerojatno kombinirati. Tritium jedva postoji u prirodi, stvara se interakcijama materije s energetskim kozmičkim zrakama. Trenutno ima nekoliko komercijalnih primjena – u izradi svjetlećih oznaka, označavanju kemikalija u istraživanjima za analizu dinamike reakcija, procesima praćenja koji se javljaju u oceanima i izradi nuklearnog oružja, te se proizvodi u malim količinama unutar određenih specijaliziranih tipova reaktora za nuklearnu fisiju. Otrovan je i radioaktivan. Trenutno, jedini fuzijski reaktor koji je čak sposoban koristiti tricij je Joint European Torus (JET) u Culhamu u Oxfordshireu, koji će biti najveći tokamak na svijetu do završetka ITER-a.

Nuklearna fuzija u ITER-u zahtijevat će relativno velike količine tricija, koji će se uvoziti iz postojećih izvora i obraditi u namjenskom postrojenju. Međutim, DEMO će trebati razmjerno veće količine i neće biti praktično koristiti ga trenutnom tehnologijom. Umjesto toga, pokrivač će napraviti tricij u situ izlaganjem litija bombardiranju visokoenergetskih neutrona proizvedenih reakcijom fuzije. Tricij će se zatim ekstrahirati iz litija i pročistiti.

Još jednom, ova će tehnologija biti testirana u ITER-u. Pokrivač u Cadarache reaktoru bit će u osnovi nefunkcionalan, služeći prvenstveno kao oklop za zaštitu čeličnih zidova vakuumske posude. Međutim, moduli će biti smješteni u oklopu koji uključuje četiri perspektivna litij-tritijska uzgojna mehanizma. Najuspješniji od njih koristit će se u modulima koji pokrivaju cijeli DEMO.

Kao što je već spomenuto, JET je važan za testiranje tehnologije koje će se koristiti u ITER-u i DEMO-u, ali nije jedini. Većina uređaja s plazmom diljem svijeta – bez obzira jesu li sposobni za stvarnu fuziju – dio su istraživačkog napora. Samo nekoliko kilometara od ITER-a, još jedan tokamak, trenutno poznat kao WEST, ali ranije nazvan Tore-Supra, već je proveo vrijedna istraživanja o uporabi supervodljivih magneta u fuziji, a od nedavno je testirao važnu komponentu zvanu diverter. U podnožju reakcijske posude to je jedini dio koji dolazi u izravan kontakt s fuzionom plazmom.

U ranim godinama istraživanja tokamaka, cijela obloga, uključujući i prekidač, uglavnom je izrađena od grafitnih ploča koje mogu izdržati visoke temperature. Međutim, ugljik u grafitu reagira s vodikom i dolazi do potencijalne opasnosti koja proizlazi iz nastalih ugljikovodika koji sadrže tricij. izmjenjivač na Tore-Supra zamijenjen je volframovom komponentom. JET sada ima preusmjerivač volframa s unutarnjom površinom pokrivenom berilijem, a ITER će također koristiti berilij i volfram. Očekuje se da će DEMO vjerojatno slijediti taj primjer.

Skretnica je sada u središtu vjerojatno najintenzivnijeg DEMO-usmjerenog inženjerskog istraživanja. “Dok počinjemo stavljati visoko-energetska opterećenja u tokamake poput JET-a, počinjemo vidjeti probleme s kojima se susrećemo kod divertera”. Objasnio je James Harrison, istraživač u Culhamu koji radi na drugom eksperimentalnom tokamaku centra, Mega-Amp Spherical Tokamak (MAST), koji se trenutno nadograđuje za novu fazu istraživanja.

“Postoje dva skupa pitanja za koja znamo da ćemo se suočiti: prva je trošenje na volframovim ‘ciljnim pločama’ gdje čestice u plazmi izravno udaraju i troše svoju znatnu energiju; drugi je način na koji izvlačimo toplinu iz plazme u tom području, što će osigurati veliki udio ukupne topline koju izdvajamo iz vakuumske komore. U prvom slučaju želimo izbjeći često zamjenjivanje razdjelnih ploča. U drugom, želimo toplinu izvući što je moguće učinkovitije kako bismo je prenijeli u sekundarni rashladni krug gdje se može koristiti za proizvodnju električne energije”. Ističe Harrison.

Osim toga, Harrison ističe još jedan od najvažnijih čimbenika u inženjerskom planiranju za DEMO. ITER se pokazao kao izuzetno skup projekt, iako je glavni faktor u prekoračenju troškova porast cijena čelika. ITER tokamak se uglavnom sastoji od visokokvalitetnog nehrđajućeg čelika, a još je više čelika u armaturama betonskih zgrada koje sadrže stroj za fuziju. No, dio logike iza cijelog fuzijskog mega-projekta je osigurati da je fuzijska energija na kraju dostupna svakoj zemlji koja to želi. To znači da se moraju pronaći metode za smanjenje troškova. Jedan faktor djeluje u korist DEMO-a: iako može izgledati paradoksalno, bit će manje složen od ITER-a, koji će imati složene sustave kontrole za generiranje različitih oblika plazme i mnogih senzora i dijagnostičkih uređaja. DEMO će s druge strane biti dizajniran i korišten samo za generiranje najveće moguće količine električne energije. Njegove kontrole i senzori će stoga biti optimizirani da to omoguće.

“Također je neizbježno da ćemo mnogo naučiti od izgradnje ITER-a, a sve to učenje pomoći će nam da utvrdimo načine na koje možemo smanjiti troškove izgradnje stroja nasljednika”, rekao je Donné.

Drugi naizgled paradoksalan čimbenik uštede novca je da DEMO možda nije takav multinacionalni projekt kao ITER. Jedna od osobitosti projekta Cadarache je da svih 35 uključenih zemalja pridonosi ili komponentama ili ekspertizom, a to znači da se proizvodnja odvija na velikom broju objekata, od kojih su svi posebno izgrađeni. Logistika transporta ovih komponenti također nosi vrlo visoku cijenu. Ako je, primjerice, u DEMO uključena samo Europa, mnogi od tih troškova mogli bi biti eliminirani, Štoviše, to bi mogao biti glavni čimbenik u smanjenju troškova daljnjih fuzijskih reaktora.

“Već bismo imali potrebne proizvodne pogone i alate i ne bismo morali svaki put graditi nove”, objasnio je. Štoviše, iako će izgradnja fuzijskog reaktora uvijek biti skupa, vožnja neće biti. Komponente goriva – deuterij i litij – toliko su bogate da su, u usporedbi s troškovima izgradnje, praktički besplatne. ” Objasnio je Donné.

Dizajn DEMO-a još nije popravljen. U ovom trenutku, pretpostavlja se da će imati sličnu geometriju – ako su različiti razmjeri – s ITER-om, jer će oni dobiti najviše istraživanja. Međutim, druge geometrije tokamaka su pod istragom diljem svijeta i nije nezamislivo da se jedan od njih može odabrati. Sferni tokamaki, kao što je MAST u Culhamu, na primjer, imaju neke prednosti vezane za stabilnost plazme i imaju malo drugačiji oblik.

Kulinarske usporedbe ostaju korisne: ako je ITER prsten za krafnu, sferni tokamaki su jezgre jabuke. Očekuje se da će za DEMO biti odabran budući plan za 2020. godinu.