Termotuumareaktori ilmumist on oodatud juba üle poole sajandi. Ootused on nii üle kuumenenud, et on tekkinud väga populaarne vandenõuteooria, nagu oleks see tegelikult juba ammu leiutatud, kuid naftamagnaadid varjavad leiutist masside eest, et mitte kaotada superkasumeid. Nagu iga vandenõuteooria, ei kannata selline teooria kriitikat ja jääb detektiiviproosa teemaks. Kuid selle mõistmine ei eita põhiküsimust: millal me valdame termotuumaenergiat?
SUNNY BOSTER
Termotuumareaktsiooni (või tuumasünteesireaktsiooni), kus kergemad tuumad sulanduvad raskemateks, kirjeldasid füüsikud juba 1910. aastatel. Ja esimest korda täheldas seda inglise teadlane Ernst Rutherford. 1919. aastal surus ta vesiniku ja raske hapniku tootmiseks heeliumi lämmastikuga suurel kiirusel. Viis aastat hiljem viis Rutherford edukalt lõpule ülitugeva vesiniku triitiumi sünteesi deuteeriumi rasketest vesiniku tuumadest. Umbes samal ajal esitas astrofüüsik Arthur Eddington julge hüpoteesi, et tähed põlevad termotuumareaktsioonide käigus nende sügavuses. 1937. aastal suutis Ameerika teadlane Hans Bethe tõestada termotuumareaktsioonide esinemist Päikeses - seetõttu oli Eddingtonil õigus.
Maal "päikesetule" reprodutseerimise idee kuulus Jaapani füüsikule Tokutaro Hagiwarale, kes 1941. aastal pakkus välja võimaluse algatada vesiniku tuumade vahel termotuumareaktsioon, kasutades uraani lõhustumise plahvatuslikku ahelreaktsiooni - see tähendab, et aatomiplahvatus peaks looma tingimused (ülikõrge temperatuur ja rõhk) termotuumasünteesi alustamiseks. Veidi hiljem jõudis sama ideeni ka Ameerika aatomipommi loomisel osalenud Enrico Fermi. 1946. aastal käivitati Los Alamose laboris Edward Telleri eestvedamisel termotuumaenergia kasutamise uurimisprojekt.
Esimese termotuumaseadme plahvatas USA sõjavägi 1. novembril 1952 Vaikse ookeani Enewetoki atollil. Viisime sarnase katse läbi 1953. aastal. Seega on inimkond termotuumasünteesi kasutanud juba üle kuuekümne aasta, kuid seda ainult hävitavatel eesmärkidel. Miks ei saaks te seda ratsionaalsemalt kasutada?
PLASMA MEISTRID
Reklaamvideo:
Energia seisukohalt on termotuuma reaktsiooni optimaalne plasmatemperatuur 100 miljonit kraadi. See on mitu korda kõrgem kui temperatuur Päikese siseruumides. Kuidas olla?
Füüsikud on teinud ettepaneku hoida plasma "magnetlõksus". 1950. aastate alguses arvutasid Andrei Sahharov ja Igor Tamm välja magnetväljade konfiguratsiooni, mis on võimeline plasma kokku suruma õhukeseks hõõgniidiks ja takistama selle kukkumist kambri seintele. Nende pakutud skeemi põhjal loodi arvukalt tokamakke.
Arvatakse, et mõiste "TOKAMAK" tekkis lühendina fraasile "TOroid CAMERA with Magnetic Coils". Peamine disainielement on tõepoolest poolid, mis loovad võimsa magnetvälja. Tokamaki töökamber täidetakse gaasiga. Keerisvälja mõjul lagunemise tagajärjel toimub kambris oleva gaasi tugevam ionisatsioon, mis muudab selle plasmaks. Moodustub piki toroidkambrit liikuv plasmafilament, mida kuumutatakse pikisuunalise elektrivooluga. Magnetväljad hoiavad juhtme tasakaalus ja annavad sellele kuju, mis takistab seinte puudutamist ja nende põletamist.
Praeguseks on tokamakide plasmatemperatuur jõudnud 520 miljoni kraadini. Soojendus on aga reisi algus. Tokamak ei ole elektrijaam - vastupidi, see tarbib energiat ilma midagi vastu andmata. Termotuumajaam tuleks ehitada erinevatel põhimõtetel.
Kõigepealt otsustasid füüsikud kütuse üle. Peareaktoriks on peaaegu ideaalne vesiniku isotoopide - deuteeriumi ja triitiumi (D + T) tuumade sulandumisel põhinev reaktsioon, mille tulemusena moodustuvad heelium-4 tuum ja neutron. Deuteeriumi allikaks on tavaline vesi ja triitium saadakse neutronitega kiiritatud liitiumist.
Seejärel tuleb plasma kuumutada 100 miljoni kraadini ja tugevalt kokku suruda, püsides selles seisundis pikka aega. Inseneridisaini seisukohalt on see uskumatult keeruline ja kallis ülesanne. Just keerukus ja kõrge hind on selle energia suuna arengut pikka aega pidurdanud. Ettevõte ei olnud valmis nii suurt projekti finantseerima enne, kui oli kindel selle edu suhtes.
TEE TULEVIKULE
Nõukogude Liit, kus ehitati ainulaadseid tokamakke, lakkas olemast, kuid termotuumaenergia valdamise idee ei surnud ja juhtivad riigid mõistsid, et probleemi saab lahendada ainult koos.
Ja nüüd ehitatakse täna Prantsusmaa kaguosas Cadarache külas Aix-en-Provence'i linna lähedal esimest eksperimentaalset termotuumareaktorit energeetikaks. Selle suure projekti elluviimisest võtavad osa Venemaa, USA, Euroopa Liit, Jaapan, Hiina, Lõuna-Korea, India ja Kasahstan.
Rangelt võttes ei saa Cadarache'i rajatav rajatis endiselt töötada tuumaelektrijaamana, kuid see võib oma aega lähendada. Pole juhus, et seda nimetati ITERiks - see lühend tähistab rahvusvahelist termotuuma eksperimentaalset reaktorit, kuid sellel on ka sümboolne tähendus: ladina keeles on iter tee, rada. Seega peaks Cadarashi reaktor sillutama teed tuleviku termotuumaenergiale, mis tagab inimkonna püsimajäämise pärast fossiilkütuste ammendumist.
ITERi ülesehitus on järgmine. Selle keskosas on toroidkamber mahuga umbes 2000 m3, täidetud triitium-deuteeriumplasmaga, mida kuumutatakse temperatuuril üle 100 miljoni kraadi. Termotuumasünteesi käigus tekkinud neutronid lahkuvad "magnetpudelist" ja sisenevad "esimese seina" kaudu tekist vabasse ruumi, mille paksus on umbes meeter. Teki sees põrkuvad neutronid liitiumiaatomitega kokku, mille tulemuseks on triitiumi moodustumine, mida ei tooda mitte ainult ITER, vaid ka muud reaktorid, kui need on ehitatud. Sel juhul kuumutatakse "esimest seina" neutronite abil temperatuurini 400 ° C. Vabanev soojus, nagu tavalistes jaamades, võetakse esmase jahutusringi abil jahutusvedelikuga (mis sisaldab näiteks vett või heeliumi) ja viiakse sekundaarsesse kontuuri, kus tekib veeaur,elektrit tootvatele turbiinidele minek.
ITERi install on tõeliselt megamasin. Selle kaal on 19 000 tonni, toroidkambri sisemine raadius on 2 meetrit, välimine on üle 6 meetri. Ehitamine on juba täies hoos, kuid keegi ei saa kindlalt öelda, millal esimene positiivne energiatoodang käitises kätte saab. ITER plaanib siiski toota 200 000 kWh, mis võrdub 70 tonni kivisöe energiaga. Vajalik liitiumikogus sisaldub ühes arvuti miniakus ja deuteeriumi kogus 45 liitris vees. Ja see saab olema täiesti puhas energia.
Sellisel juhul peaks deuteeriumist piisama miljoneid aastaid ja kergesti ekstraheeritava liitiumivarud on sadade aastate vajaduse rahuldamiseks üsna piisavad. Isegi kui kivide liitiumivarud saavad otsa, suudavad füüsikud selle mereveest ammutada.
ITER ehitatakse kindlasti. Ja muidugi on mul hea meel, et meie riik osaleb selles tulevikuprojektis. Ainult Venemaa spetsialistidel on paljude ülijuhtivate magnetite loomisel aastatepikkune kogemus, ilma milleta on võimatu plasmat hõõgniidis hoida: tänu tokamakidele!
Anton Pervushin
