عندما يكون المسار أكثر أهمية من الهدف. كم لا يزال لدينا قبل طاقة نووية حرارية كاملة؟

هذا ما بدا عليه مجمع ITER قيد الإنشاء في فبراير 2020. قد يصبح ITER أول عملية تركيب تجعل من الممكن الحصول على بلازما نووية حرارية "مشتعلة" أو ذاتية الاستدامة. هذا المرفق قيد الإنشاء سوف يضم توكاماك نووي حراري وأنظمة دعمه. الصورة من أرشيف ITER



لم يتجاهل حبري الأخبارأن الصين أطلقت توكاماك جديد ، HL-2M توكاماك. هذا الخبر مثير للاهتمام بشكل خاص لأنه ينعش ذكرى البناء المحزن طويل الأمد لقرننا - المفاعل النووي الحراري ITER المستقبلي ، الذي تبنيه قوى كل أوروبا في جنوب فرنسا ويجب أن يصبح أول جهاز من هذا القبيل يمكن أن ينتج طاقة أكثر مما تستهلكه. ومع ذلك ، نلاحظ بأسف أن كلاً من HL-2M وحتى ITER بعيدان بشكل محبط عن محطة طاقة نووية حرارية كاملة.



لن ندخل في تفاصيل جهاز tokamaks و ITER نفسه - تتم مناقشة هذه الموضوعات بكثرة في جميع أنواع المصادر ، على سبيل المثال ، في أخبار habron المذكورة أعلاه. تحت المقطع ، سنتحدث عن المسار الذي يفتحه ITER أمامنا (المترجم من اللاتينية "iter" يعني "المسار") ، ولماذا تبين أن هذا المسار كان ملتويًا مثل الشكل رقم ثمانية للنجم النجمي.

بداية

يمكن القول أن كل شيء بدأ في عشرينيات القرن الماضي ، عندما اقترح آرثر إدينجتون أن الشمس والنجوم يمكن أن تحترق من خلال تحويل الهيدروجين إلى هيليوم. تم التقاط هذه الفكرة بسرعة من قبل الصحفيين وكتاب الخيال العلمي ، الذين اعتقدوا أن تسخير طاقة الشمس لن يكون صعبًا ، ويمكن أن تصبح المياه العادية المادة الخام لوقود مثل هذا المفاعل.



كما تعلم ، فإن التفاعل النووي الحراري هو فيزيائيًا عكس التفاعل النووي. إذا انقسمت نواة ثقيلة أثناء تفاعل نووي إلى نواة أخف ، فعند تفاعل نووي حراري تندمج النوى الخفيفة في نواة أثقل إلى حد ما. أشهر تفاعل نووي هو انشطار نواة اليورانيوم:







هذا تسلسل نموذجي يحدث في مفاعل نووي في محطة طاقة نووية.

على العكس من ذلك ، تستمر التفاعلات الحرارية النووية في الغالب بمشاركة الهيليوم والهيدروجين ، وتؤدي إلى تكوين نظائر أثقل من نظائر أخف. في نجوم التسلسل الرئيسي ، يكون التفاعل النووي الحراري التالي هو الأكثر شيوعًا: تم وصف







تفاصيل الاندماج النووي الحراري وخيارات التصميم لمفاعل نووي حراري في مقال رائع نشره ميخائيل سفاريشيفسكي على Habré في عام 2013. هناك يمكنك أيضًا قراءة الحكم المتشكك للمؤلف ، والذي ينص على أن الطاقة النووية الحرارية الكاملة هي مسألة مستقبل بعيد. المقال ناري حقا:







في الوقت الحالي ، نلاحظ أن الصعوبات التقنية التي وقفت في طريق إنشاء محطة طاقة نووية حرارية اتضح أنها خطيرة للغاية لدرجة أن فترة تطويرها لا تضاهى مع وتيرة تطوير الطاقة النووية. التسلسل الزمني:

الانشطار النووي

1939 - اكتشاف (L. Meitner و O. Frisch)

1942 - مفاعل نووي Enrico Fermi ("Chicago woodpile") - تفاعل نووي محكوم

1945 - أول تجربة نووية (Trinity) وقصف هيروشيما وناغازاكي - تفاعل نووي غير متحكم به

1956 - أول محطة للطاقة النووية (أوبنينسك)

1986 - الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية

الاندماج النووي

1926 - تم التعبير عن الفرضية (A. Eddington) في مقالة "البنية الداخلية للنجوم"

1934 - قام E.Rutherford بتصنيع الهيليوم من التريتيوم

1952 - تم تنفيذ أول انفجار نووي حراري في الاتحاد السوفياتي (قنبلة هيدروجينية ، تفاعل غير متحكم فيه)

1954 - تم بناء أول توكاماك في الاتحاد السوفيتي

...

2025 - من المتوقع أن يبدأ ITER.



ومع ذلك ، في نشرة الوكالة الدولية للطاقة الذرية لعام 2019 ، تمت مناقشة فكرة إنشاء محطة لتوليد الطاقة الكهربائية بجدية بالغة وحتى على أساس يومي. هناك ثلاثة شروط يجب أن تتحقق في محطة طاقة نووية حرارية كاملة:

1. درجات حرارة عالية جدًا (أكثر من 100 مليون درجة مئوية)
2. كثافة كافية من الجزيئات في البلازما (حيث يحدث التفاعل) - مما يزيد من احتمال حدوث تصادم بين الجسيمات
3. حبس قوي بما فيه الكفاية ، يمنع التسرب المحتمل للبلازما ويضمن تفاعل نووي حراري مستقر.

علاوة على ذلك ، يتبع المستند إخلاء مسؤولية مفاده أن التصميم الأكثر نجاحًا لمفاعل نووي حراري في الوقت الحالي هو على وجه التحديد توكاماك.



إذا لم يكن لديك الوقت الكافي للتعرف على الروابط أعلاه وتنقيح كيفية ظهور التوكاماك وعمله ، فسنبحث بإيجاز في هذه المشكلة.



توكاماك هي كلمة مختصرة تعني "غرفة حلقية ذات ملفات مغناطيسية". تم إنشاء أول توكاماك في عام 1954 في الاتحاد السوفيتي ، ولم يُقترح المصطلح إلا في عام 1957. في الغرب ، ظهر الاهتمام ببناء التوكاماك بعد ذلك بكثير ، في عام 1968 ، بعد أن تعرفت مجموعة من العلماء البريطانيين على مثل هذا الجهاز في معهد كورتشاتوف ، الذين كانوا مقتنعين بكفاءته. لذلك ، فإن التوكاماك هو في الأصل حجرة فراغ حلقية مليئة بمزيج من الديوتيريوم والتريتيوم ، نظائر الهيدروجين الثقيلة. جدران التوكاماك ، بالطبع ، غير قادرة على الاحتفاظ بالبلازما الساخنة بالداخل ، حيث تحدث التفاعلات النووية الحرارية ، لذلك يتم الاحتفاظ بالبلازما في حجرة حلقية باستخدام أقوى المجالات المغناطيسية ، ووجودها يشبه الحبل في الشكل.







إن أهم مؤشر مادي يجعل من الممكن الحكم على ما إذا كان التفاعل الحراري النووي سينتج طاقة أكثر مما يستهلكه المفاعل هو معيار لوسون ، والذي يتلخص في الصيغة التالية:

لكي يصبح الاندماج النووي الحراري مصدرًا للطاقة ، يجب أن يتجاوز ناتج كثافة الجسيمات ووقت احتجازها على مسافة قريبة جدًا من بعضها البعض قيمة معينة.

في الوقت الحاضر ، يعتبر التفاعل النووي الحراري الأكثر ملاءمة من حيث الطاقة هو الاندماج النووي الحراري الذي يشتمل على نظيري الهيدروجين: الديوتيريوم والتريتيوم. عندما تندمج نواة الديوتيريوم مع نواة التريتيوم ، تتشكل نواة الهليوم بالإضافة إلى نيوترون عالي الطاقة. إذا تم استيفاء الشروط اللازمة ، فإن الطاقة المنبعثة في هذه الحالة كافية لمزيد من التفاعلات النووية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم هو الأكثر ملاءمة من الناحية العملية ، حيث يتم التغلب على حاجز كولوم بسهولة أكبر ، ويتم الحفاظ على هذا التفاعل بسهولة في ظل ظروف تم إنشاؤها اصطناعيًا.



وتجدر الإشارة إلى أنه إلى جانب زوج الديوتيريوم والتريتيوم ،ثلاثة أنواع أخرى من التفاعلات النووية الحرارية التي يمكن تطبيقها في الصناعة. ها هم جميعًا:

1. الديوتيريوم + الديوتيريوم (التريتيوم والبروتون 4.0 MeV) ،
2. الديوتيريوم + الديوتيريوم (الهيليوم -3 والنيوترون ، 3.3 ميجا فولت) ،
3. الديوتيريوم + التريتيوم (الهيليوم -4 والنيوترون ، 17.6 ميغا إلكترون فولت) ،
4. الديوتيريوم + الهليوم -3 (الهيليوم -4 والبروتون ، 18.2 ميجا إلكترون فولت).

سنعود إلى رد الفعل الرابع ، الأكثر ملاءمة من وجهة النظر النشطة ، أدناه.



عامل مهم يحد من قاعدة الموارد لهندسة الطاقة النووية الحرارية هو الحاجة إلى استخراج الديوتيريوم وإنتاج التريتيوم. دعنا نتناولها بمزيد من التفصيل.

تكاثر التريتيوم

الديوتيريوم وفير نسبيًا في الطبيعة ويمكن استعادته بكميات كافية من مياه البحر. على الرغم من وجود التريتيوم في الطبيعة ، إلا أنه نادر جدًا بحيث لا يمكن تعدينه بكميات مفيدة. لذلك ، يجب تصنيعها صناعياً. حاليًا ، يُستخرج التريتيوم من مبرد مفاعلات الماء الثقيل ، أو يتم الحصول عليه بقصف أهداف الليثيوم في مفاعلات الماء الخفيف.



من المفترض أن تشغيل محطة طاقة نووية حرارية بقدرة 500 ميغاوات سيتطلب حوالي 50 كيلوغرامًا من وقود التريتيوم سنويًا. هذه القيمة لا تتجاوز فقط بشكل كبير قدرات الصناعة الحديثة ، التي تجعل من الممكن إنتاج حوالي 2-3 كجم من التريتيوم سنويًا ، ولكنها أيضًا لا تأخذ في الاعتبار تكلفة الإنتاج التي ستصل إلى مليارات الدولارات. وفقًا لذلك ، تتطلب هندسة الطاقة النووية الحرارية تطوير طريقة تجعل من الممكن مضاعفة التريتيوم مباشرةً في المحطة. لحسن الحظ ، يمكن أن يصبح التفاعل الحراري النووي نفسه مثل هذه الطريقة.



من خلال إحاطة التوكاماك ببطانية من الليثيوم ، من الممكن (مع إطلاق الحرارة) الحصول على التريتيوم ، عندما تلتقط نوى الليثيوم النيوترونات المتكونة أثناء الاندماج وتتحول تلقائيًا إلى تريتيوم. الحلول التكنولوجية لجمع التريتيوم المتولد بهذه الطريقة قيد التطوير حاليًا.



علاوة على ذلك ، هناك سؤال وثيق الصلة بالموضوع هو: هل الطاقة النووية الحرارية صديقة للبيئة ومفيدة للغاية؟ فيما يلي بعض الاعتراضات التي أثيرت في المقالة المذكورة أعلاه بقلم ميخائيل سفاريشيفسكي:

1. — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
2. Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
3. Q=10, , - , . ( -)
4. لا يوجد الكثير من الوقود النووي الحراري - التريتيوم باهظ الثمن ونادر جدًا. إنتاجه ليس أبسط ولا أرخص من الحصول على البلوتونيوم من نفايات اليورانيوم أو U-233 من الثوريوم.
5. الهليوم 3 - لن يساعد البشرية بأي شكل من الأشكال ، حتى لو كانت هناك جبال على الأرض. سيظل التفاعل الطفيلي D + D يعطي الإشعاع ، ودرجة الحرارة المثلى هي مليار درجة ، وهي أصعب بكثير من D + T التي تقاتل البشرية من أجلها في الوقت الحالي.

وإليكم ما تلاحظه الوكالة الدولية للطاقة الذرية حول الملاءمة البيئية لمحطات الطاقة النووية الحرارية:



تتضمن أبسط عملية اندماج نووي حراري نظيرين للهيدروجين: الديوتيريوم والتريتيوم. التريتيوم مادة مشعة ولكن نصف عمرها قصير (12.32 سنة). يتم استخدامه بكميات صغيرة فقط ، وبالتالي لا يشكل نفس خطر النوى المشعة طويلة العمر. نتيجة لتفاعل الديوتيريوم مع التريتيوم ، تتشكل ذرة الهيليوم (غاز خامل) ونيوترون. يمكن حصاد طاقة هذه المنتجات (الذرة والنيوترون) لتشغيل مفاعل وتوليد الكهرباء ، على التوالي. وبالتالي ، لا تبقى أي نفايات مشعة طويلة العمر من التفاعلات النووية الحرارية. لكن عملية الاندماج تنتج مواد تنشط بالنيوترونات تحيط بالبلازما. بمعنى آخر ، عندما تصطدم النيوترونات (منتج تفاعل الاندماج) بجدران المفاعل ، يصبح المفاعل نفسه ومكوناته مشعة.لذلك ، أثناء بناء محطات الطاقة النووية الحرارية في المستقبل ، سيكون من الضروري تحسين تصميمها بطريقة تقلل من هذا النشاط الإشعاعي النيوتروني وحجم النفايات المشعة المتولدة نتيجة لذلك.



وبالتالي ، لا يمكن اعتبار المفاعل ITER مجرد نوع من أنواع supertokamak بقدر ما هو نموذج أولي للاختبار لمحطة طاقة نووية حرارية ، مما يجعل من الممكن تقييم التحديات التكنولوجية والبيئية التي تواجه الصناعة. من بينها: تربية التريتيوم ، ومراقبة البلازما ، والتشخيص المتقدم ، ومكافحة تآكل الهياكل. بالإضافة إلى ذلك ، يبقى أن نرى إلى أي مدى يكون وعاء المفاعل قادرًا على تحمل التعرض للبلازما الساخنة.



مثل أي تقنية واعدة ، تعمل الطاقة النووية الحرارية بالفعل على توليد "الشركات الناشئة" الخاصة بها. فيما يلي أهمها:

1. TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
   
   
   
   
2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
3. General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
4. توكاماك للطاقة . تهدف الشركة ، التي يقع مقرها في المملكة المتحدة ، إلى إطلاق اندماج تقليدي باستخدام توكاماك ، لكنها تستخدم توكاماك الذي يشبه الكرة بدلاً من كعكة الدونات. تسمى هذه الوحدة ST40 وهي قيد البحث حاليًا. من المفترض أن درجات حرارة تصل إلى 15 مليون درجة مئوية يمكن بلوغها.

على النحو التالي ، في الثلث الأول من القرن الحادي والعشرين ، توصلنا إلى دراسة كل هذه التقنيات الغريبة للاندماج الحراري النووي بشكل أساسي لثلاثة أسباب تعقيد الاستخدام الصناعي لهذه الطاقة:

1. صعوبة تعدين التريتيوم.
2. تعقيد الحصر المستقر للبلازما الممغنطة داخل المفاعل.
3. تعقيد التخلص من النفايات المشعة - بسبب تأثير النيوترونات ، يصبح المفاعل نفسه مشعًا.

Regolithic Golconda

وهنا حان الوقت للانتقال إلى الجزء الأخير من رحلتنا: الانتباه إلى الهيليوم 3 ، الذي يشارك في رابع أهم التفاعلات النووية الحرارية المذكورة أعلاه:



الديوتيريوم + الهيليوم -3 (الهيليوم -4 والبروتون ، 18.2 ميجا فولت)



إنتاجية الطاقة أعلى بشكل ملحوظ 17.6 ميغا إلكترون فولت الناتج عن تفاعل التريتيوم ، وبدلاً من النيوترون لدينا بروتون كمنتج ثانوي ، والذي يحل إلى حد كبير مشكلة التلوث الإشعاعي.



تكمن المشكلة الرئيسية في أن الهليوم -3 (نواته تتكون من بروتونين ونيوترون واحد) نادر للغاية مقارنة بالنظير الرئيسي هيليوم -4 (بروتونان واثنان من النيوترونين): حصة الهليوم 3 على الأرض هي 0.000137٪ (1.37 جزء في المليون) ؛ المصدر الرئيسي لهذا النظير على كوكبنا هو الرياح الشمسية.



لكن في عام 1986 ، قرر خبراء من معهد تقنية الاندماج في جامعة ويسكونسن أن التربة القمرية ، الثرى ، يمكن أن تحتوي على مليون طن من الهليوم -3. يمكن أن يكون استخراج الهليوم 3 على سطح القمر مشروعًا مجديًا تجاريًا ، نظرًا لأن الطاقة المستخرجة منه أعلى بـ 250 مرة من الطاقة المطلوبة لاستخراجها وتسليمها إلى الأرض. قد تكون الاحتياطيات القمرية من الهليوم -3 كافية لتوفير الطاقة النووية الحرارية لعدة قرون.



تتسرب النيوترونات المتكونة أثناء اندماج الديوتيريوم والتريتيوم من المفاعل ، لأنها لا تحتوي على شحنة كهربائية ، وبالتالي لا يمكن احتوائها بواسطة مجال كهرومغناطيسي. على العكس من ذلك ، فإن البروتونات - وهي منتج ثانوي لتفاعل نووي حراري مع الهيليوم -3 - لها شحنة موجبة ، وليس من الصعب التقاطها. علاوة على ذلك ، يمكنك استخدام طاقة البروتونات نفسها ، والتي ستذهب مباشرة إلى توليد الكهرباء. في هذه الحالة ، ليست هناك حاجة للحصول على بخار الماء لتدوير التوربين - بناءً على هذا المبدأ يتم توليد الطاقة في محطات الطاقة النووية الحديثة.



وبالتالي ، فإن استكشاف القمر يكتسب قيمة عملية غير وهمية. قد يصبح تطوير تقنيات الاندماج النووي الحراري ، الذي ربما يعتمد في البداية على اندماج الديوتيريوم والتريتيوم ، مرحلة في الطريق إلى الاكتفاء الذاتي من الطاقة في صناعة تعدين الثرى القمري ، والغرض منها تزويد الأرض بالوقود النووي الحراري.



نحن هنا عميقون جدًا في الخيال العلمي لدرجة أنه حان الوقت لوضع حد لهذا المنشور بعناية وشكر كل من أنهى قراءته ومستعد لمناقشته.



على الرغم من أنني ، كخاتمة ، أقترح النظر في هذامقال قديم من مجلة "شرودنغر كات". ليس فقط لأنه يحتوي على صور رائعة ، ولكنه أيضًا ألقى جسرًا من الموضوع الذي تناولناه هنا إلى موضوع الاستصلاح. في صناعة المستقبل هذه ، على ما يبدو ، لا غنى عن الاندماج أيضًا.



حتى الآن ، لا يزال كل من ITER والمسار الموصوف بأكمله بعيدًا عن الاكتمال. لكني أتمنى أن يتقن الطريق السير.