Het uiterlijk van een thermonucleaire reactor wordt al meer dan een halve eeuw verwacht. De verwachtingen zijn zo hoog dat er een zeer populaire complottheorie is ontstaan, alsof het in feite al lang geleden is uitgevonden, maar de oliemagnaten verbergen de uitvinding voor de massa om geen superwinsten te verliezen. Zoals alle complottheorieën, is een dergelijke theorie niet bestand tegen kritiek en blijft ze een onderwerp voor detective-proza. Als we dit begrijpen, wordt de hoofdvraag echter niet ontkend: wanneer zullen we thermonucleaire energie beheersen?
SUNNY BOSTER
Een thermonucleaire reactie (of kernfusiereactie), waarin lichtere kernen versmelten tot zwaardere, werd in de jaren 1910 door natuurkundigen beschreven. En voor het eerst werd het waargenomen door de Engelse wetenschapper Ernst Rutherford. In 1919 duwde hij helium met stikstof met hoge snelheid om waterstof en zware zuurstof te produceren. Vijf jaar later voltooide Rutherford met succes de synthese van superzwaar waterstoftritium uit zware waterstofkernen van deuterium. Rond dezelfde tijd kwam astrofysicus Arthur Eddington met een gewaagde hypothese dat sterren verbranden als gevolg van thermonucleaire reacties in hun darmen. In 1937 kon de Amerikaanse wetenschapper Hans Bethe het optreden van thermonucleaire reacties in de zon bewijzen - daarom had Eddington gelijk.
Het idee om een 'zonnevuur' op aarde te reproduceren was van de Japanse natuurkundige Tokutaro Hagiwara, die in 1941 de mogelijkheid voorstelde om een thermonucleaire reactie tussen waterstofkernen op gang te brengen met behulp van een explosieve kettingreactie van uraniumsplijting - dat wil zeggen, een atoomexplosie zou voorwaarden moeten scheppen (ultrahoge temperatuur en druk) om thermonucleaire fusie te starten. Even later kwam Enrico Fermi, die deelnam aan de creatie van de Amerikaanse atoombom, tot hetzelfde idee. In 1946 werd onder leiding van Edward Teller een onderzoeksproject naar het gebruik van thermonucleaire energie gelanceerd in het Los Alamos Laboratory.
Het eerste thermonucleaire apparaat werd op 1 november 1952 door het Amerikaanse leger tot ontploffing gebracht op het Enewetok-atol in de Stille Oceaan. In 1953 hebben we een soortgelijk experiment uitgevoerd. De mensheid gebruikt dus al meer dan zestig jaar thermonucleaire fusie, maar alleen voor destructieve doeleinden. Waarom kun je het niet rationeler gebruiken?
PLASMA MEESTERS
Promotie video:
Vanuit het oogpunt van energie is de optimale plasmatemperatuur bij een thermonucleaire reactie 100 miljoen graden. Dit is meerdere keren hoger dan de temperatuur in het binnenste van de zon. Hoe te zijn?
Natuurkundigen hebben voorgesteld het plasma in een 'magnetische val' te houden. In het begin van de jaren vijftig berekenden Andrei Sacharov en Igor Tamm de configuratie van magnetische velden die plasma tot een dunne gloeidraad kunnen comprimeren en voorkomen dat het op de kamerwanden valt. Het was op basis van het plan dat ze voorstelden dat er talloze tokamaks werden gecreëerd.
Aangenomen wordt dat de term "TOKAMAK" is ontstaan als een afkorting voor de uitdrukking "TOroidal CAMERA with Magnetic Coils". Het belangrijkste ontwerpelement zijn inderdaad de spoelen die een krachtig magnetisch veld creëren. De werkkamer van de tokamak is gevuld met gas. Als gevolg van de afbraak onder de werking van het vortexveld treedt een versterkte ionisatie van het gas in de kamer op, waardoor het in plasma verandert. Er wordt een plasmadraad gevormd die langs de ringkernkamer beweegt en wordt verwarmd door een longitudinale elektrische stroom. Magnetische velden houden het snoer in balans en geven het een vorm waardoor het de muren niet raakt en verbrandt.
Tot op heden heeft de plasmatemperatuur bij tokamaks 520 miljoen graden bereikt. Opwarmen is echter het allereerste begin van de reis. Een tokamak is geen energiecentrale, integendeel, hij verbruikt energie zonder er iets voor terug te geven. Een thermonucleaire energiecentrale moet volgens verschillende principes worden gebouwd.
Allereerst hebben de natuurkundigen de brandstof bepaald. Bijna ideaal voor een energiereactor is een reactie op basis van de fusie van kernen van waterstofisotopen - deuterium en tritium (D + T), waardoor een helium-4-kern en een neutron worden gevormd. Gewoon water zal dienen als een bron van deuterium, en tritium zal worden verkregen uit lithium bestraald met neutronen.
Vervolgens moet het plasma worden verwarmd tot 100 miljoen graden en sterk worden samengeperst, waardoor het lange tijd in deze toestand blijft. Vanuit het standpunt van technisch ontwerp is dit een ongelooflijk complexe en dure taak. Het zijn de complexiteit en de hoge kosten die de ontwikkeling van deze energierichting lange tijd hebben tegengehouden. Het bedrijf was pas klaar om zo'n groot project te financieren als er vertrouwen was in het succes ervan.
DE WEG NAAR DE TOEKOMST
De Sovjet-Unie, waar unieke tokamaks werden gebouwd, hield op te bestaan, maar het idee om thermonucleaire energie onder de knie te krijgen stierf niet, en de leidende landen realiseerden zich dat het probleem alleen samen kon worden opgelost.
En nu wordt vandaag de eerste experimentele thermonucleaire reactor voor energietechniek gebouwd in het dorp Cadarache, in het zuidoosten van Frankrijk, nabij de stad Aix-en-Provence. Rusland, de VS, de Europese Unie, Japan, China, Zuid-Korea, India en Kazachstan nemen deel aan de uitvoering van dit geweldige project.
Strikt genomen zal de te bouwen installatie in Cadarache nog steeds niet kunnen functioneren als thermonucleaire energiecentrale, maar het kan zijn tijd dichterbij brengen. Het is geen toeval dat het ITER heette - deze afkorting staat voor International Thermonuclear Experimental Reactor, maar het heeft ook een symbolische betekenis: in het Latijn is iter een weg, een pad. De Cadarash-reactor zou dus de weg moeten banen voor de thermonucleaire energie van de toekomst, die het voortbestaan van de mensheid zal verzekeren na de uitputting van fossiele brandstoffen.
ITER zal als volgt worden gestructureerd. In het centrale deel bevindt zich een ringkernkamer met een volume van ongeveer 2000 m3, gevuld met tritium-deuteriumplasma verwarmd tot temperaturen boven 100 miljoen graden. De neutronen gevormd tijdens de fusiereactie verlaten de "magnetische fles" en gaan door de "eerste wand" de dekenvrije ruimte van ongeveer een meter dik binnen. Binnenin de deken botsen neutronen met lithiumatomen, wat resulteert in een reactie met de vorming van tritium, dat niet alleen voor ITER zal worden geproduceerd, maar ook voor andere reactoren als ze worden gebouwd. In dit geval wordt de "eerste wand" door neutronen verwarmd tot 400 ºC. De vrijkomende warmte wordt, net als bij conventionele stations, door het primaire koelcircuit met een koelmiddel (dat bijvoorbeeld water of helium bevat) opgevangen en overgebracht naar het secundaire circuit, waar waterdamp wordt geproduceerd,naar turbines gaan die elektriciteit opwekken.
De ITER-installatie is echt een megamachine. Het gewicht is 19.000 ton, de binnenradius van de ringkernkamer is 2 meter, de buitenradius is meer dan 6 meter. De bouw is al in volle gang, maar niemand kan met zekerheid zeggen wanneer de eerste positieve energie-output bij de installatie zal worden ontvangen. ITER is echter van plan om 200.000 kWh te produceren, wat overeenkomt met de energie in 70 ton steenkool. De benodigde hoeveelheid lithium zit in één minibatterij voor een computer en de hoeveelheid deuterium zit in 45 liter water. En het zal absoluut schone energie zijn.
In dit geval zou deuterium voldoende moeten zijn voor miljoenen jaren, en de reserves van gemakkelijk te winnen lithium zijn voldoende om in de behoefte ervan gedurende honderden jaren te voorzien. Zelfs als de reserves aan lithium in de rotsen opraken, kunnen natuurkundigen het uit zeewater halen.
ITER zal zeker gebouwd worden. En natuurlijk ben ik blij dat ons land meedoet aan dit project van de toekomst. Alleen Russische specialisten hebben jarenlange ervaring met het maken van grote supergeleidende magneten, zonder welke het onmogelijk is om het plasma in het filament te houden: dankzij tokamaks!
Anton Pervushin
