Día termonuclear después de mañana.
¿Qué podemos esperar de la energía termonuclear y qué no vale la pena?
A fines de agosto, los medios mundiales difundieron el mensaje de la compañía estadounidense Tri Alpha Energy, que anunció un "avance significativo" en el desarrollo de su propio reactor de fusión, una alternativa a los tokamak más populares del mundo. Los ingenieros que trabajaron en el proyecto declararon que lograron mantener el plasma caliente a 10 mln ° C durante 5 ms: simplemente no había suficiente energía para un sistema más grande.
Tri Alpha Energy tiene notables raíces rusas: como se hizo conocido, Rosnano posee acciones en una de sus subsidiarias extranjeras. Los científicos rusos también desempeñan un papel importante en este proyecto, por lo que el avance reciente es su mérito. Así, los inyectores más complejos para la instalación están diseñados y fabricados en el Instituto Siberiano de Física Nuclear. Budker SB RAS. Según Aleksey Beklemishev, Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, que participa en la creación de estos inyectores, esta tarea difícilmente está al alcance de los científicos de otros países. Hablamos con él acerca de cómo el reactor Tri Alpha se diferencia de los tokamaks, cómo se pueden usar para producir oro y sobre las posibilidades de la energía termonuclear en general.
“Se dice que varias variantes de reactores (tokamaks, stellarators, etc.) son diferentes métodos de confinamiento de plasma que los físicos están tratando de dominar para lograr una fusión termonuclear controlada. ¿Qué distingue al proyecto Tri Alpha en esta serie?
- Tanto los tokamaks como los stellarators y la solución que elaboran los creadores de Tri Alpha no son tan diferentes: todos utilizan el confinamiento con plasma magnético. El plasma en ellos se mantiene en un estado casi estacionario, es decir, se mantiene durante mucho tiempo utilizando un campo magnético externo.
Los sistemas de pulsos que utilizan flashes ultracorta y láser superpotentes son significativamente diferentes de ellos. Allí sucede todo en las fracciones más pequeñas de un segundo; de hecho, no se está "quemando", sino en una serie de pequeñas microexplosiones termonucleares. Además, hay una gama de opciones intermedias.
- ¿Cuáles son las principales diferencias entre el esquema en el que trabaja Tri Alpha y los tokamaks más familiares?
- La configuración del campo magnético en Tri Alpha es aproximadamente la misma que en el tokamak: estas son líneas de fuerza cerradas que forman una "dona" o toro.
Recordemos que el plasma consiste en iones y electrones. Los electrones son partículas ágiles y rápidas, y si pueden "escapar" del plasma, se enfriarán rápidamente. Afortunadamente, los electrones están cargados y solo pueden moverse a lo largo de las líneas del campo magnético. Por lo tanto, el enfoque clásico de la retención de electrones es cerrar las líneas del campo magnético en un toro. Por lo tanto, se implementa en tokamaks, en stellarator y en sistemas con campo invertido, como en Tri Alpha.
Sin embargo, si en un tokamak este campo está formado por sistemas complejos de imanes, núcleos y bobinas superconductores, aquí este grupo toroidal se forma justo dentro de una pequeña "nube" de plasma. Esta solución ofrece la principal ventaja de Tri Alpha: la ventaja del tamaño compacto. Si un tokamak poderoso, como el ITER en construcción, forma un coágulo toroidal del tamaño de una casa, la instalación Tri Alpha en su rendimiento más grande crea un toro de plasma con un radio de aproximadamente dos metros.
Los sistemas con un campo magnético invertido son más compactos, más baratos y potencialmente más eficientes que los tokamaks. La teoría predice que algunos ciclos de combustible termonucleares prometedores en los tokamaks no se pueden realizar en principio por varias razones. Se puede lograr la combustión de plasma de deuterio-tritio (DT), pero no se puede usar combustible de deuterio-deuterio (DD), y más aún protón-boro-11 (pB) en tokamak.
Estos combustibles son mucho más rentables en términos de producción de energía, ecología y otros factores. Pero requieren una eficiencia mucho mayor de confinamiento de plasma por el campo magnético que el tokamak disponible. Sin embargo, en algunos sistemas alternativos, incluidos aquellos con campo inverso, el confinamiento por plasma puede alcanzar el nivel deseado. De ahí las esperanzas que se asocian con proyectos como Tri Alpha.
- ¿Cuál es el papel en todos estos inyectores de juegos, cuyo desarrollo está ocupado con colegas?
- Su papel es enorme, y son necesarios para reactores de cualquier tipo, ya sea ITER tokamak o Tri Alpha. Primero, para que la reacción termonuclear se produzca, el plasma debe calentarse. En segundo lugar, algunas pérdidas de partículas a partir de ella son inevitables en cualquier caso, y la deficiencia debe ser constantemente repuesta. En tercer lugar, lo que es especialmente importante para los sistemas toroidales, es posible mantener una corriente eléctrica mediante inyección en el plasma. Todo esto requiere inyectores: su tarea es "inyectar" en el plasma partículas preparadas previamente y calentadas.
No es fácil de hacer, porque tenemos que limitar el plasma a un campo magnético para no dejar salir las partículas. Pero no deja entrar otras partículas en el plasma. Por lo tanto, debemos "lanzarlos" al plasma en forma de átomos neutros, que prácticamente no reaccionan al campo magnético, y solo entonces convierten los átomos en iones. Además, deben suministrarse a una velocidad suficientemente alta para que los átomos tengan tiempo de llegar a las regiones centrales del plasma antes de que pierdan los electrones y se conviertan en iones.
Para reactores grandes, como el ITER tokamak o el sistema Tri Alpha, se requiere un funcionamiento constante de los inyectores y en niveles de alta energía. Los inyectores requieren potentes, a menudo de tamaño, son incluso más grandes que el propio reactor. Además, hay inyectores de diagnóstico. Utilizan una corriente de átomos rápidos para no "alimentar" una reacción termonuclear, sino para estudiar el plasma y todo lo que ocurre dentro de él.
Esta es una gran ciencia y alta tecnología en su forma pura. El desarrollo de inyectores es una tarea técnica, tecnológica y científica muy difícil. Nos ocupamos de ello tanto para nuestras plantas que operan en Novosibirsk como para varios proyectos internacionales durante los últimos 15 - 20 años. Creo que nuestro equipo es el líder mundial en esta área. Por lo tanto, el proyecto Tri Alpha se ha convertido en uno de nuestros clientes. Además, el cliente es muy rentable: requiere inyectores únicos y está listo para financiar el desarrollo de las tecnologías necesarias para esto. Resulta que hacemos nuestro trabajo científico, desarrollamos altas tecnologías, recolectamos personal altamente calificado e incluso ganamos buen dinero con ello.
- Si estamos hablando de Tri Alpha, recientemente los medios de comunicación estaban llenos de informes de que los autores del proyecto lograron dar un gran e importante paso adelante. ¿Qué tan importante es este logro?
- En general, es que el equipo Tri Alpha ha logrado los resultados que prometió a sus inversores. El trabajo de este proyecto se organiza en etapas, y en cada paso tienen que lograr ciertos resultados, demostrarlos a los inversionistas, confirmar que las cosas se están desarrollando de la manera correcta, y solo después de eso obtener nuevos fondos multimillonarios para el siguiente paso.
En consecuencia, lo que hemos visto recientemente es, en general, PR-hype, planteado para convencer a los inversores de la necesidad de asignar 300 millones de dólares a la siguiente etapa de trabajo. Sin embargo, para este bombo hay razones bastante buenas.
Recuerda, dijimos que el reactor Tri Alpha es un sistema con un campo magnético invertido. El volumen del toro de plasma que existe en él es relativamente pequeño. El plasma pierde muy rápidamente un cierto número de partículas, se enfría y se desintegra. Y solo recientemente, los desarrolladores de Tri Alpha lograron por primera vez lograr una existencia estable de una "dona" de plasma todo el tiempo mientras su instalación estaba funcionando, hasta que la energía almacenada para el experimento terminó. Al mismo tiempo, todos los parámetros de plasma se mantuvieron al mismo nivel.
En otras palabras, para mantener el plasma caliente, los autores de Tri Alpha llegaron al hospital. Podemos asumir con confianza que en el futuro, cuando el plasma se calienta a temperaturas aún más severas que se requieren para la fusión, podrán mantener el plasma en este estado. Este fue uno de los problemas inherentes a todas las instalaciones con un campo invertido y se resolvió por primera vez. En general, este es un logro serio, una prueba del principio de que el enfoque elegido puede funcionar en última instancia.
Como hemos dicho, los tokamaks están limitados por la eficiencia de confinamiento de plasma más bien baja, y no podrán implementar reacciones termonucleares en los tipos de combustible más prometedores. En Tri Alpha, amenazaron más: en teoría, planean obtener aproximadamente diez veces mejor la concentración de plasma y podrán realizar reacciones mucho más "avanzadas", hasta protón-boro-11.
La característica más importante de esta reacción es que su energía se libera en forma de partículas cargadas y gamma quanta, que, a diferencia de la radiación de neutrones, son fáciles de detectar. De ahí la propuesta única de Tri Alpha: “termonuclear puro”, energía sin neutrones y sin radioactividad. Sin embargo, existe una dificultad fundamental para implementar dicho enfoque. Esta es la temperatura requerida: si la fusión termonuclear "deuterio" funciona efectivamente a la temperatura del plasma 100 - 300 millones de grados, entonces para proton-boro-11 la temperatura es necesaria una vez en 20 más alta. Las enormes temperaturas hacen que el plasma se irradie activamente, y casi rápidamente pierde toda su energía en forma de rayos X. Dicho plasma no puede quemarse por sí solo, debe ser energizado constantemente desde el exterior, en particular con la ayuda de inyectores.
En general, la liberación de energía es una conversación completamente separada e importante. El hecho es que en las reacciones termonucleares ocurre en mayor grado en forma de neutrones y todo tipo de partículas ionizantes: protones, gamma quanta, etc. Y esta energía, por supuesto, es peligrosa tanto para las personas que trabajan aquí como para el equipo ...
Incluso los físicos son muy reacios a experimentar con plasma de deuterio-tritio. Hace 20 años, tales experimentos se llevaron a cabo en los Estados Unidos, después de lo cual el tokamak tuvo que ser desmantelado y enterrado: se volvió radioactivo y era demasiado peligroso seguir usándolo. Tokamak JET en el Reino Unido trabajó poco tiempo con tritio, después de lo cual se detuvo durante mucho tiempo por mantenimiento. Para obtener realmente una producción termonuclear de energía más que costos, necesitamos instalaciones con una protección compleja y costosa.
Por lo tanto, cuando el tokamak ITER, que actualmente se está construyendo en Francia, cambie a un "programa de tritio" de operación, se transferirá completamente al mantenimiento automatizado. Alrededor de la instalación quedará solo Robotsquien hará todo el trabajo necesario. Y aun así, se está desarrollando una “manta” protectora especial para el ITER, que cubrirá toda la instalación y atrapará la radiación y los neutrones.
- En su opinión, ¿qué tipo de reactores eventualmente “ganarán” y se usarán en la futura ingeniería de energía termonuclear?
- Creo que el reactor ITER eventualmente funcionará aproximadamente de la manera en que los desarrolladores lo concibieron, y en el momento adecuado incluso alcanzará el nivel de potencia planificado. El problema aquí no está en la física, sino en la economía: incluso cuando ITER comienza a trabajar, pocas personas lo necesitarán. En otras palabras, será posible obtener una reacción termonuclear controlada, pero esto todavía dará muy poco en términos del uso comercial de la energía termonuclear. Los participantes de ITER entienden esto por sí mismos, por lo que después de esto, se ha concebido un nuevo y más inmenso proyecto DEMO, cuya tarea será demostrar un esquema económicamente viable de una planta de energía de fusión.
Dichas centrales eléctricas basadas en tokamaks podrán generar varios gigavatios de energía (como las grandes centrales nucleares modernas y las centrales hidroeléctricas. - RP). Estos serán sistemas de ingeniería enormes y complejos en diseño, construcción y administración, órdenes de magnitud más complicadas que las centrales nucleares. No todos los países son capaces de tal escala, y no todos la necesitan.
En general, obtendremos un uso bastante limitado cuando no sea la electricidad más barata. Por lo tanto, me parece que aunque vale la pena esperar el éxito de ITER, historia Tokamak como fuente de energía en esto puede terminar. A menos que haya alguna otra implementación de este concepto.
“Pero entonces el significado del trabajo en el campo de la fusión termonuclear controlada no está claro. ¿Por qué aprender a controlar el plasma si obtenemos energía costosa y "radioactiva"?
- De hecho, la energía está lejos de la única área de uso potencial para el control termonuclear. Incluso los neutrones peligrosos emitidos por la reacción son extremadamente valiosos para algunas áreas. De hecho, el costo de estos neutrones rápidos supera con creces el valor del oro.
Si ponen un objetivo definido en su camino, entonces pueden usarse para "transmutar elementos" en objetivos, para realizar a escala industrial el sueño de los alquimistas sobre la transformación de algunas sustancias en otras. Hablando en un lenguaje moderno, podemos obtener algunos isótopos que necesitamos o destruir otros, dañinos y peligrosos.
Las perspectivas para la creación de una instalación de este tipo para el "poscombustión" de los desechos radiactivos de la producción radiactiva son bastante cercanas. Si todavía tienes que esperar hasta la energía termonuclear, creo que, durante medio siglo, lo más probable es que aparezca el "posquemador" en los años 10. Se estima que una instalación de este tipo se justificará económica y prácticamente cuando la eficiencia de conversión a neutrones de la energía suministrada a un reactor termonuclear alcance al menos el 10%. Y esta barra ya se acerca bastante a los desarrolladores.
Después de esto puede aparecer un sistema que se llama "desarrollador de combustible". Requiere aproximadamente 50% de la eficiencia de conversión de energía en neutrones. Aquí podremos producir isótopos importantes en cantidades prácticamente industriales, para producir un valioso combustible nuclear, convirtiendo el torio en una mezcla de isótopos con uranio-233.
Además, se está promoviendo activamente el concepto de reactores híbridos de fusión nuclear, uno de los principales defensores de los mismos es el jefe del Consejo ITER, el académico Evgeny Pavlovich Velikhov. Se entiende que la instalación termonuclear producirá neutrones, y estos alimentarán un reactor de neutrones rápidos altamente eficiente y seguro.
- Según usted, los desarrolladores de Tri Alpha planificaron cada etapa de su trabajo futuro. ¿Este plan tiene algún tipo de final previsible? ¿Cuándo podemos esperar la prometida "fusión limpia"?
- El problema de Tri Alpha no está solo en el reactor y en el confinamiento de plasma. Se requiere resolver una cantidad increíble de problemas científicos y técnicos. Es necesario encontrar una forma altamente eficiente de convertir los rayos X emitidos en el reactor en electricidad. Es necesario llevar la eficiencia energética de cada elemento del sistema al máximo posible; por cierto, los inyectores son particularmente relevantes. Actualmente, se están realizando investigaciones para lograr la eficiencia "desde el punto de venta" para 85 e incluso 90%.
En cuanto a los planes de Tri Alpha, debes recordar que lograron alcanzar un estado estacionario solo ahora. En el pasado, los experimentos no tuvieron tanto éxito y los parámetros de plasma fueron francamente bajos. Ella se desmoronó demasiado rápido. Se hicieron muchos cambios en el diseño de la configuración experimental, y lograron realizar todo su potencial. Espero que ahora Tri Alpha reciba fondos para la próxima instalación de C-3, y nuestros nuevos inyectores más potentes estarán en ella.
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