Kami telah menulis tentang gagasan dan perkembangan yang tidak terduga dan luar biasa di bidang memperoleh energi dari fisi nuklir. Dan juga tentang apa yang harus dilakukan jika terjadi kesalahan dengan reaktor nuklir. Kebebasan, seperti yang Anda ketahui, lebih baik daripada non-kebebasan, dan sintesis lebih baik daripada kerusakan. Ini persis seperti yang dipikirkan para ilmuwan seratus tahun yang lalu, ketika mereka mengambil langkah pertama untuk menjinakkan fusi termonuklir. Dalam artikel ini, kami akan menjelaskan secara singkat apa itu fusi termonuklir, pada tahap apa perkembangan ilmiah dan kapan perlu menunggu pengenalan metode baru produksi energi. Bagaimanapun, inilah tepatnya mengapa umat manusia membutuhkannya.
Menatap Matahari: sejarah penemuan fusi termonuklir
Dengan perkembangan ilmu pengetahuan, umat manusia mulai bertanya-tanya bagaimana cara kerja Matahari, mengapa tidak padam dan terus mengeluarkan panas dan cahaya. Kembali ke dua puluhan abad terakhir - hampir seratus tahun yang lalu - ilmuwan Inggris Arthur Stanley Eddington mengemukakan gagasan tentang siklus proton-proton, yaitu, serangkaian reaksi termonuklir, di mana hidrogen dalam bintang berubah menjadi helium. Dan reaksi ini disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar, yang dapat dengan mudah dirasakan hanya dengan pergi ke luar pada hari yang cerah.
Beberapa saat kemudian, pada tahun tiga puluhan, para ilmuwan dari Universitas Cambridge di bawah kepemimpinan Mark Olyphant Australia, sebagai hasil dari serangkaian percobaan, menemukan nukleon (nama umum untuk proton dan neutron yang menyusun inti atom) helium-3 dan tritium, yang mengambil bagian dalam reaksi ini, dan rekan Jerman mereka, Hans Bethe, menerima Hadiah Nobel dalam Fisika atas kontribusinya pada teori reaksi nuklir dan, terutama, atas penemuannya tentang sumber energi dalam bintang. Sudah pada tahun 1946, Sir George Padget Thomson dan Moses Blackman mendeskripsikan dan mematenkan ide Z-pinch, yaitu, sistem kurungan plasma menggunakan medan magnet atau "perangkap magnet", yang menjadi dasar untuk eksperimen lebih lanjut untuk menciptakan perangkat pertama untuk fusi termonuklir terkontrol.
Perangkap magnet laboratorium, foto: Sandpiper / Wikimedia Commons
Kekuasaan Tak Terbatas: Keuntungan, Kerugian, dan Hambatan Implementasi
Mari beralih dari sejarah ke teori umum. Fusi termonuklir terkendali adalah proses mendapatkan inti atom yang lebih berat dari yang lebih ringan dengan tujuan (dalam teori) menggunakan energi yang dilepaskan untuk menghasilkan listrik. Intinya, ini adalah kebalikan dari reaksi fisi yang digunakan dalam tenaga nuklir tradisional. Pada dasarnya, deuterium dan tritium digunakan untuk reaksi fusi termonuklir (yang disebut reaksi DT), meskipun varian dengan deuterium dan helium-3 juga dimungkinkan, antara inti deuterium (DD) dan kombinasi isotop lainnya.
Dengan sendirinya, inti atom tidak langsung berinteraksi karena adanya "penghalang Coulomb", yaitu gaya tolakan elektrostatis di antara keduanya. Untuk mengatasinya dan memulai reaksi dalam kondisi terestrial, zat harus dipanaskan hingga suhu yang cukup tinggi, dan dalam hal ini kita berbicara tentang ratusan juta derajat. Dari proses inilah fusi termonuklir mendapatkan namanya. Kombinasi deuterium dan tritium dalam hal ini memerlukan suhu "minimum" untuk memulai reaksi (sama dengan 100 juta derajat), sehingga paling sering digunakan dalam instalasi eksperimental.
Reaksi fusi DT. Sumber: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Juga, dalam proses reaksi, sejumlah besar neutron muncul, tetapi kita akan membahas maknanya sedikit di bawah ini, dan pertama-tama kami akan mencoba menjelaskan mengapa penerapan komersial dari proses ini secara umum menggairahkan pikiran umat manusia selama 70 tahun terakhir. Jadi, keuntungan dari fusi termonuklir terkontrol:
- Ketersediaan komparatif isotop untuk reaksi. Deuterium dapat dengan mudah diperoleh dari air laut, yang cadangannya lebih dari cukup di Bumi. Tritium tidak terjadi di alam, karena memiliki waktu paruh hanya 12,3 tahun, tetapi diperoleh dari lithium-6 dan air berat dari reaktor nuklir, yang tidak siap kita tinggalkan di tahun-tahun mendatang.
- — , , 1 34 , — 44 . 17,6 (), 170 1 .
- - «» , , — , , .
- Juga menguntungkan bahwa pembangkit listrik ini harus berbeda dari pembangkit listrik tenaga nuklir, karena reaktor termonuklir jauh lebih aman. Reaksi fusi membutuhkan pengeluaran energi yang besar dan dalam kondisi terestrial tidak dapat bertahan tanpa batas waktu tanpa pengisian ulang dari luar. Ini berarti bahwa bahkan jika terjadi kecelakaan dan kerusakan pada cangkang, kita tidak akan menghadapi pencairan, pencemaran radioaktif dari segala sesuatu dan segala sesuatu untuk beberapa kilometer di sekitarnya, serta dengan reaksi berantai atau ledakan.
Selain itu, selama fusi termonuklir, zat tidak dilepaskan yang selanjutnya dapat digunakan untuk membuat senjata "kotor".
Tokamak JET, foto: EFDA JET / Wikimedia Commons
Tetapi mengapa, kemudian, prinsip fusi termonuklir terkontrol, yang dikembangkan pada pertengahan abad terakhir, belum diterapkan dalam praktik atau hanya diterapkan sebagai instalasi eksperimental yang belum mulai menghasilkan listrik? Mari kita lihat kerugian dan batasan dari proses ini.
Mari kita kembali ke neutron dulu. Selama reaksi dengan penggunaan DT, fluks neutron terbentuk, yang membombardir dinding penahanan reaktor. Akibatnya, kita berurusan dengan apa yang disebut radiasi "induksi", yang sangat mempersulit pemeliharaan peralatan dan, sangat mungkin, akan mengarah pada kebutuhan untuk penggantian berkala, karena seiring waktu, dari pemboman neutron, bahan menjadi tidak hanya radioaktif, tetapi juga rapuh. Untuk mengatasi masalah ini, diusulkan untuk menggunakan bahan yang tidak sensitif terhadap radiasi, yang akan bertahan lebih lama, tetapi penggunaannya akan meningkatkan biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga fusi termonuklir yang sudah sangat besar. Penggunaan zat aktif lain juga dipertimbangkan untuk mendapatkan reaksi "bebas neutron",tetapi kami telah membahas persyaratan untuk massa jenis dan suhu reaksi di atas.
Bahkan dengan tingkat perkembangan teknologi saat ini, para ilmuwan dan insinyur tidak dapat memastikan bahwa konsumsi energi untuk pemanasan dan membawa zat dalam reaktor ke keadaan plasma, dan kemudian mempertahankannya dalam keadaan ini, meskipun kehilangan panas yang konstan (serta mendinginkan sistem, tetap bekerja elektromagnet dan subsistem lainnya), turun lebih rendah dari jumlah energi yang dilepaskan selama reaksi. Sebagai contoh, tokamak JET Inggris telah mencapai rasio antara energi masuk dan keluar hanya 67%, yaitu 0,67 Q. Q adalah indikator yang menyatakan rasio jumlah energi yang dikeluarkan dan diterima dalam sistem semacam itu, sehingga reaksi fusi dianggap dapat bertahan sendiri. , harus sama dengan minimal 5, dan jauh lebih tinggi untuk menghasilkan daya yang berguna. Saat ini, tidak ada reaktor dengan nilai seperti itu di dunia.
Pertanyaan terakhir, tentu saja, adalah pengembalian dan biaya. Untuk mendapatkan tiruan yang akurat dari reaksi di dalam Matahari, tidak cukup hanya dengan mengambil tritium dan deuterium dan memberikan kecocokan kondisional kepada mereka. Reaktor fusi termonuklir adalah desain yang sangat kompleks, besar dan mahal, yang memiliki tempat untuk sistem pendingin masif, sejumlah besar elektromagnet dari berbagai jenis, dan bahkan pembangkit listriknya sendiri.
Diperkirakan bahwa biaya konstruksi tokamak eksperimental ITER (lihat di bawah), yang belum selesai, dapat melebihi $ 20 miliar. Pada saat yang sama, reaktor sama sekali tidak dirancang untuk menghasilkan listrik, yaitu satu-satunya keuntungan dari pengoperasian ITER adalah pengalaman kerja bersama para ilmuwan dan data eksperimen.
Sihir praktis: jenis utama konstruksi dan tonggak perkembangannya
Secara konvensional, instalasi untuk fusi termonuklir terkontrol dapat dibagi menjadi empat jenis: tokamaks, stellarators, mirror traps, dan pulse system. Dengan menggunakan contoh mereka, kami mengusulkan untuk mempertimbangkan perkembangan gagasan yang di masa depan dapat mengarah pada produksi listrik menggunakan fusi termonuklir, dan cabang "buntu", yang, karena satu dan lain alasan, di tahun-tahun mendatang (atau tidak pernah) tidak akan melampaui kerangka teori dan eksperimen ...
TokamakMerupakan singkatan dari “toroidal chamber with magnetic coils”, dimana chamber merupakan elemen utama dari reaktor, yang berfungsi untuk menampung plasma. Dalam hal ini, kumparan magnet yang dililitkan di sekitar ruang reaktor digunakan untuk membuat medan khusus yang menjaga plasma agar tidak menyentuh dindingnya, yang tidak dapat ditahan oleh bahan isolasi panas modern. Pada saat yang sama, arus juga dialirkan melalui plasma itu sendiri, yang berfungsi untuk memanaskannya dan menciptakan medan magnet poloidal. Dalam kondisi modern, medan ini tidak dapat bertahan lebih dari beberapa detik, dan tanpanya, plasma kehilangan kestabilannya, oleh karena itu, terlalu dini untuk membicarakan penggunaan tokamak untuk produksi listrik yang berkelanjutan.meskipun dimungkinkan untuk mempertahankan arus untuk waktu yang lebih lama dengan menggunakan radiasi gelombang mikro atau menyuntikkan atom deuterium / tritium netral ke dalam plasma.
Tokamak KSTAR, Korea Selatan, foto: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons
Ide Tokamak pertama kali dijelaskan di Uni Soviet pada tahun 50-an abad lalu, dan reaktor serupa pertama dibangun di Institut Kurchatov pada tahun 1954. Untuk waktu yang lama, tokamak tetap merupakan pengembangan Soviet murni, tetapi pada tahun 1970-an, para ilmuwan Inggris mengkonfirmasi rekor hasil pemanasan plasma yang dicapai pada tokamak T-3 Soviet, dan menjadi tertarik pada teknologi di seluruh dunia.
Saat ini tokamak dianggap sebagai perkembangan paling menjanjikan, dan jumlahnya di dunia melebihi jumlah jenis instalasi lainnya. Di antara pencapaian di bidang ini, perlu dicatat TIMUR Cina (Tokamak Superkonduktor Eksperimental Lanjutan, dibangun dengan dukungan Federasi Rusia), yang mencapai suhu plasma 100 juta derajat pada tahun 2018, JET Eropa (Joint European Toru), yang berlokasi di Inggris dan dianggap sebagai tokamak terbesar di dunia, serta ITER yang telah disebutkan di atas, yang akan kita bahas lebih detail.
ITER sirkuit tokamak. Sumber: Laboratorium Nasional Oak Ridge - ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons
Ide untuk membangun sebuah ITER (Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional, reaktor eksperimental termonuklir internasional) telah dibahas kembali pada tahun 1985, pada pertemuan antara Ronald Reagan dan Mikhail Gorbachev, tetapi konstruksi sebenarnya baru dimulai pada tahun 2010. Banyak negara terlibat dalam pengerjaan reaktor tersebut, termasuk Jepang, negara-negara Uni Eropa, Rusia, Amerika Serikat, Korea Selatan, China dan India. Hasil dari proyek bersama ini adalah sebuah bangunan raksasa dengan berat 23.000 ton, yang akan menggantikan JET dari tumpuan tokamak terbesar di planet ini dan secara teoritis akan mampu membawa nilai Q menjadi 30.meskipun pencipta ITER tidak menetapkan sendiri tujuan untuk mencapai pembangkit listrik - tugas tokamak adalah untuk akhirnya membuktikan kemungkinan penggunaan fusi termonuklir di daerah ini dan untuk membuka "jalur" (begitulah singkatan nama reaktor diterjemahkan dari bahasa Latin) untuk DEMO, tokamak pertama dengan keseimbangan "positif", yang tidak akan dimulai hingga pertengahan abad ke-21.
Dalam proyek ITER, Jepang bertanggung jawab atas pengembangan dan produksi salah satu elemen terpenting - kumparan superkonduktor, yang diperlukan untuk membentuk medan magnet di sekitar ruang reaktor. Secara khusus, Toshiba sedang mengembangkan kumparan medan toroidal berukuran 16,5 meter dengan berat sekitar 300 ton. Pada saat yang sama, perlu untuk mengamati toleransi dimensi yang sangat ketat untuk setiap bagian - hanya beberapa milimeter - sehingga teknologi dan metode yang ditemukan selama pengerjaan tokamaks eksperimental Jepang, JT-60 dan JT-60SA, sangat membantu.
Stellarators(dari bahasa Latin stella - "star") mendapatkan namanya karena kesamaan proses di reaktor dengan yang terjadi di dalam bintang. Prototipe pertama dibangun pada tahun 1951 di Amerika Serikat di bawah kepemimpinan penemunya, Lyman Spitzer. Perbedaan utama antara stellarator dan tokamak terletak pada desain perangkap magnet: pada stellarator, hanya kumparan eksternal yang digunakan untuk membatasi plasma di dalam ruangan, yang menciptakan garis gaya berputar di sekitar ruangan. Desain ini secara teoritis memungkinkan penggunaan perangkap magnet dalam mode kontinu. Di stellarators, seperti di tokamaks, campuran deuterium dan tritium hampir selalu digunakan, yang dimasukkan ke dalam bejana vakum ruangan. Desain modern telah meninggalkan ruang berbentuk torus untuk mendukung model simulasi komputer yang kompleks.Tujuannya adalah untuk memaksimalkan efisiensi penahanan plasma.
Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
Terlepas dari kemungkinan paparan terus-menerus ke plasma dan desain bilik yang dimodifikasi, stellarator tidak seluas tokamak. Ini terutama disebabkan oleh kompleksitas desain yang lebih besar dan efisiensinya yang lebih rendah dalam kondisi modern. Wendelstein 7-X, dibangun di Greifswald di Jerman pada 2015, menjadi bintang terbesar di dunia dan semacam "prasasti" untuk perkembangan ini. Menurut kalkulasi para ilmuwan, ia harus memperpanjang waktu paparan elektromagnet ke plasma hingga 30 menit untuk menunjukkan kemungkinan menggunakan stellarator untuk pembangkit listrik jangka panjang. Apalagi, pada tahun 2018, saat percobaan, suhu plasma hanya dinaikkan menjadi 40.000 derajat Celcius, dan waktu operasi diubah menjadi 100 detik. Tes berikutnya dijadwalkan pada 2021.
- Jenis pabrik fusi termonuklir terkontrol ini sebagian besar tetap merupakan pengembangan teoritis. Bahkan Akademisi Andrei Sakharov pada tahun 1960 membuktikan bahwa fusi termonuklir dimungkinkan tanpa menggunakan perangkap magnet, mengusulkan kebalikan dari pendekatan klasik. Dalam hal ini, kita tidak berbicara tentang plasma super-rarefied, yang dipegang oleh medan elektromagnetik untuk waktu yang lama, tetapi tentang versinya yang sangat padat (dan berumur sangat pendek). Diusulkan untuk meledakkan "target" miniatur dengan komposisi DT yang dibekukan dalam sistem berdenyut menggunakan laser yang kuat atau sinar radiasi untuk mencapai semacam analogi ledakan bahan bakar di mesin bensin, hanya pada tingkat reaksi termonuklir. Sistem seperti itu dengan ledakan berkala dapat menghasilkan rantai reaksi termonuklir yang hampir terus menerus yang menghasilkan energi,sementara (dalam teori) tanpa merusak shell reaktor.
NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
Di antara perkembangan yang ada di bidang ini, perlu disebutkan proyek MagLIF dan NIF (National Ignition Facility, atau Kompleks Nasional untuk Reaksi Termonuklir Laser) dari Lawrence Livermore National Laboratory di California. Terlepas dari potensi ide ini yang terus berlanjut, pada tahun 2012 pemerintah AS berencana untuk menghentikan pendanaan untuk program tersebut karena hasil praktis yang minim. Sampai hari ini, percobaan terus berlanjut, tetapi kompleksitas dari "target" itu sendiri dan kebutuhan untuk mengirimkannya secara teratur ke ruang, di mana ledakan, setara dengan satu ton TNT, kemudian terjadi, meninggalkan jenis instalasi ini jauh di belakang tokamaks dan stellarator dalam hal kepraktisan.
Perangkap cermin- Eksperimen pertama menggunakan perangkap magnet "terbuka" dilakukan pada tahun 1955 di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore. Gagasan di balik jebakan adalah menggunakan bukan torus tertutup, tetapi bejana magnet yang memanjang, terbuka di dua ujung yang berlawanan. Dalam hal ini, plasma "baru" harus memanas sampai suhu yang dibutuhkan, mengeluarkan energi dan keluar melalui lubang samping (atau dipantulkan kembali oleh medan magnet, seperti dari cermin - karena itulah namanya). Berkat bentuk dan mekanisme ini, biayanya jauh lebih rendah daripada desain pesaing, jadi untuk sementara jebakan cermin tampak seperti perkembangan yang sangat menjanjikan. Namun seiring waktu, para peneliti menghadapi ketidakstabilan plasma, yang kurang dipahami pada saat dimulainya pengembangan,yang menyebabkan masalah dan ketidakmungkinan mencapai suhu yang dibutuhkan untuk fusi termonuklir. Selanjutnya, desainnya berulang kali diubah, tetapi instalasi MFTF Amerika yang ambisius, misalnya, ditutup bahkan sebelum dimulainya uji coba, karena tokamaks pada akhirnya lebih sederhana, lebih kuat, dan lebih murah.
Dari perkembangan yang menarik dari jenis ini, perlu dicatat GDL Rusia (perangkap dinamis gas) dari Novosibirsk, yang sedang dibuat berdasarkan proyek Soviet tahun 50-an, "sel cermin" Budker "perangkap" terbuka ". Pada 2018, para ilmuwan dari Novosibirsk Institute of Nuclear Physics dari SB RAS berhasil mencapai suhu 10 juta derajat, dan pada 2020 mereka menerima hibah dari Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia untuk pembelian peralatan baru guna melanjutkan eksperimen.
Indahnya hari esok: alih-alih kesimpulan
Di antara para ilmuwan yang menangani masalah fusi termonuklir, ada sebuah lelucon yang mengatakan bahwa "hanya ada 30 tahun tersisa sebelum keberhasilan penelitian dan dimulainya penggunaan komersial reaktor," dan mereka telah menjawab seperti ini selama lebih dari selusin tahun (stabilitas!). Namun demikian, teknologi akan terus berkembang, dan umat manusia akan mencari cara untuk "menjinakkan" fusi termonuklir dan menciptakan miniatur Matahari buatan yang akan menyediakan kebutuhan listrik kita tanpa risiko terulangnya bencana Chernobyl dan tanpa kerusakan permanen pada ekologi planet. Riset ini dapat dipengaruhi secara langsung oleh perkembangan seperti ITER, dan kami senang Jepang dan Toshiba terlibat langsung. Dan apa yang akan terjadi selanjutnya ... kita akan lihat dalam 30 tahun.