Seperti inilah kompleks ITER yang sedang dibangun pada Februari 2020. ITER dapat menjadi instalasi pertama yang memungkinkan untuk mendapatkan plasma termonuklir "terbakar" atau mandiri. Fasilitas yang sedang dibangun ini akan menampung tokamak termonuklir dan sistem pendukungnya. Foto dari arsip ITER
Habré tidak mengabaikan berita tersebutbahwa China telah meluncurkan tokamak baru, HL-2M Tokamak. Berita ini sangat menarik karena menyegarkan ingatan akan konstruksi jangka panjang yang menyedihkan di abad kita - reaktor termonuklir ITER masa depan, yang sedang dibangun oleh kekuatan seluruh Eropa di selatan Prancis dan harus menjadi perangkat pertama yang dapat menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi sendiri. Namun demikian, kami mencatat dengan menyesal bahwa baik HL-2M dan bahkan ITER sangat jauh dari pembangkit listrik termonuklir yang lengkap.
Kami tidak akan membahas secara detail perangkat tokamaks dan ITER itu sendiri - topik-topik ini dianggap melimpah di semua jenis sumber, misalnya, dalam berita habron tersebut. Di bawah pemotongan, kita akan berbicara tentang jalur apa yang dibuka ITER di depan kita (diterjemahkan dari bahasa Latin "iter" berarti "jalur"), dan mengapa jalur ini ternyata berputar seperti bintang delapan.
Mulailah
Dapat dikatakan bahwa semuanya dimulai pada 1920-an, ketika Arthur Eddington menyarankan bahwa matahari dan bintang dapat terbakar melalui konversi hidrogen menjadi helium. Ide ini dengan cepat diambil oleh jurnalis dan penulis fiksi ilmiah, yang percaya bahwa memanfaatkan energi matahari tidak akan sulit, dan air yang paling biasa dapat menjadi bahan baku untuk bahan bakar reaktor semacam itu.
Seperti yang Anda ketahui, reaksi termonuklir secara fisik berlawanan dengan reaksi nuklir. Jika selama reaksi nuklir, inti yang berat terpecah menjadi yang lebih ringan, maka selama reaksi termonuklir, inti ringan bergabung menjadi yang lebih berat. Reaksi nuklir yang paling terkenal adalah fisi inti uranium:
Ini adalah urutan umum yang terjadi di reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir.
Reaksi termonuklir, di sisi lain, berlangsung terutama dengan partisipasi helium dan hidrogen, dan mengarah pada pembentukan isotop yang lebih berat dari isotop yang lebih ringan. Di bintang-bintang dari deret utama, reaksi termonuklir berikut paling khas:
Detail fusi termonuklir dan pilihan desain untuk reaktor termonuklir dijelaskan dalam artikel bagus yang diterbitkan di Habré oleh Mikhail Svarichevsky pada tahun 2013. Di sana Anda juga dapat membaca keputusan skeptis penulis, yang menurutnya energi termonuklir penuh adalah masalah masa depan yang jauh. Artikelnya sangat berapi-api:
Untuk saat ini, kami mencatat bahwa kesulitan teknis yang menghalangi pembuatan pembangkit listrik termonuklir ternyata begitu serius sehingga periodisasi perkembangannya tidak sebanding dengan kecepatan pengembangan energi nuklir. Kronologi:
Fisi nuklir
1939 - penemuan (L. Meitner dan O. Frisch)
1942 - reaktor nuklir Enrico Fermi ("tumpukan kayu Chicago") - reaksi nuklir terkendali
1945 - uji coba nuklir pertama (Trinity) dan pemboman Hiroshima dan Nagasaki - reaksi nuklir tak terkendali
1956 - pembangkit listrik tenaga nuklir pertama (Obninsk)
1986 - kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl
Fusi nuklir
1926 - hipotesis (A. Eddington) diungkapkan dalam artikel "Struktur internal bintang"
1934 - E. Rutherford mensintesis helium dari tritium
1952 - ledakan termonuklir pertama dilakukan di Uni Soviet (bom hidrogen, reaksi tak terkendali)
1954 - tokamak pertama dibangun di Uni Soviet
... ...
2025 - ITER diharapkan akan dimulai.
Meski demikian, dalam Buletin IAEA 2019, ide pembuatan pembangkit listrik fusi dibahas cukup serius bahkan setiap hari. Tiga syarat diberikan yang harus dipenuhi di pembangkit listrik termonuklir yang lengkap:
- Temperatur yang sangat tinggi (lebih dari 100 juta derajat Celcius)
- Kepadatan partikel yang cukup dalam plasma (tempat reaksi berlangsung) - yang meningkatkan kemungkinan tumbukan antar partikel
- Pengurungan yang cukup kuat untuk mencegah kemungkinan kebocoran plasma dan memastikan reaksi termonuklir yang stabil.
Lebih lanjut dalam dokumen tersebut mengikuti sebuah penafian bahwa desain paling sukses dari reaktor termonuklir saat ini adalah tokamak.
Jika Anda belum sempat membiasakan diri dengan tautan di atas dan menyegarkan ingatan Anda tentang bagaimana tokamak terlihat dan bekerja, kami akan membahas secara singkat masalah ini.
Tokamak adalah singkatan kata yang berarti "ruang toroidal dengan kumparan magnet". Tokamak pertama dibangun pada tahun 1954 di Uni Soviet, dan istilah tersebut baru diusulkan pada tahun 1957. Di Barat, minat dalam pembangunan tokamak muncul jauh kemudian, pada tahun 1968, setelah sekelompok ilmuwan Inggris berkenalan dengan perangkat semacam itu di Institut Kurchatov, yang yakin akan efisiensinya. Jadi, tokamak awalnya adalah ruang vakum toroidal yang diisi dengan campuran deuterium dan tritium, isotop hidrogen berat. Dinding tokamak, tentu saja, tidak mampu menahan plasma panas di dalamnya, tempat terjadinya reaksi termonuklir, oleh karena itu plasma ditahan di ruang toroidal dengan menggunakan medan magnet terkuat dan, berada di sana, berbentuk seperti kabel.
Indikator fisika terpenting yang memungkinkan untuk menilai apakah reaksi termonuklir akan menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi reaktor adalah kriteria Lawson , yang bermuara pada formulasi berikut:
Agar fusi termonuklir menjadi sumber energi, produk dari kerapatan partikel dan waktu pengurungannya pada jarak yang sangat dekat satu sama lain harus melebihi nilai tertentu.
Saat ini, reaksi termonuklir yang paling menguntungkan secara energik dianggap sebagai fusi termonuklir yang melibatkan dua isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Ketika inti deuterium dan inti tritium bergabung, inti helium ditambah neutron berenergi sangat tinggi terbentuk. Jika kondisi yang diperlukan terpenuhi, energi yang dilepaskan dalam hal ini cukup untuk reaksi termonuklir selanjutnya. Selain itu, reaksi deuterium-tritium adalah yang paling bijaksana dari sudut pandang praktis, karena selama itu penghalang Coulomb paling mudah diatasi , dan reaksi ini paling mudah dipertahankan dalam kondisi yang dibuat secara artifisial.
Perlu dicatat bahwa, bersama dengan pasangan deuterium-tritium ,tiga varian lagi dari reaksi termonuklir yang berpotensi dapat diterapkan di industri. Ini dia semuanya:
- Deuterium + deuterium (tritium dan proton 4.0 MeV),
- Deuterium + deuterium (helium-3 dan neutron, 3,3 MeV),
- Deuterium + tritium (helium-4 dan neutron, 17,6 MeV),
- Deuterium + helium-3 (helium-4 dan proton, 18,2 MeV).
Kami akan kembali ke reaksi keempat, yang paling disukai dari sudut pandang energik, di bawah ini.
Faktor penting yang membatasi basis sumber daya untuk rekayasa tenaga termonuklir adalah kebutuhan untuk ekstraksi deuterium dan produksi tritium. Mari kita bahas lebih detail.
Reproduksi tritium
Deuterium relatif melimpah di alam dan dapat diperoleh kembali dalam jumlah yang cukup dari air laut. Tritium, meskipun ada di alam, terlalu jarang untuk ditambang dalam jumlah yang berguna. Oleh karena itu, itu harus disintesis secara industri. Saat ini, tritium ditambang dari pendingin reaktor air berat, atau diperoleh dengan membombardir target litium dalam reaktor air ringan.
Diasumsikan bahwa untuk pengoperasian satu pembangkit listrik tenaga termonuklir berkekuatan 500 megawatt akan membutuhkan sekitar 50 kilogram bahan bakar tritium per tahun. Nilai ini tidak hanya jauh melebihi kemampuan industri modern, yang memungkinkan memperoleh sekitar 2-3 kg tritium per tahun, tetapi juga tidak memperhitungkan biaya produksi yang akan mencapai miliaran dolar. Oleh karena itu, rekayasa tenaga termonuklir membutuhkan pengembangan metode yang memungkinkan penggandaan tritium secara langsung di stasiun. Untungnya, reaksi termonuklir itu sendiri berpotensi menjadi metode seperti itu.
Dengan mengelilingi tokamak dengan selimut litium, dimungkinkan (dengan pelepasan panas) untuk memperoleh tritium, ketika inti litium akan menangkap neutron yang terbentuk selama fusi dan secara spontan berubah menjadi tritium. Solusi teknologi untuk pengumpulan tritium yang terbentuk saat ini sedang dikembangkan.
Lebih lanjut, pertanyaan terkait adalah: apakah energi termonuklir begitu ramah lingkungan dan bermanfaat secara energetik? Berikut adalah beberapa keberatan yang diangkat dalam artikel Mikhail Svarichevsky yang disebutkan di atas:
- — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
- Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
- Q=10, , - , . ( -)
- Tidak banyak bahan bakar termonuklir - tritium sangat mahal dan langka. Memperolehnya tidak lebih sederhana dan tidak murah daripada memperoleh plutonium dari limbah uranium atau U-233 dari thorium.
- Helium-3 - tidak akan membantu umat manusia dengan cara apa pun, bahkan jika ada gunung di bumi. Reaksi parasit D + D masih akan memberikan radiasi, dan suhu optimal adalah satu miliar derajat, jauh lebih sulit daripada D + T yang diperangi umat manusia saat ini.
Dan inilah yang dicatat oleh IAEA tentang keramahan lingkungan dari pembangkit listrik termonuklir:
Proses fusi termonuklir paling sederhana melibatkan dua isotop hidrogen: deuterium dan tritium. Tritium bersifat radioaktif, tetapi waktu paruhnya pendek (12,32 tahun). Ini digunakan hanya dalam jumlah kecil dan karena itu tidak menimbulkan bahaya yang sama seperti inti radioaktif berumur panjang. Sebagai hasil dari reaksi deuterium dengan tritium ini, atom helium (gas inert) dan neutron terbentuk. Energi dari produk ini (atom dan neutron) masing-masing dapat dipanen untuk menyalakan reaktor dan menghasilkan listrik. Akibatnya, tidak ada limbah radioaktif berumur panjang yang tersisa dari reaksi termonuklir. Tetapi proses sintesis menghasilkan bahan-bahan yang mengaktifkan neutron yang mengelilingi plasma. Dengan kata lain, ketika neutron (produk reaksi fusi) menghantam dinding reaktor, reaktor itu sendiri dan komponennya menjadi radioaktif.Oleh karena itu, dalam pembangunan pembangkit listrik tenaga termonuklir di masa depan, perlu dilakukan optimasi desain sedemikian rupa sehingga meminimalkan radioaktivitas neutron dan volume limbah radioaktif yang dihasilkan.
Dengan demikian, ITER tidak dapat dianggap sebagai supertokamak sebagai prototipe uji pembangkit listrik termonuklir, yang akan memungkinkan untuk menilai tantangan teknologi dan lingkungan yang dihadapi industri. Diantaranya: perkalian tritium, pemantauan plasma, diagnostik lanjutan, anti-aus struktur. Selain itu, masih harus dilihat berapa lama bejana reaktor mampu menahan paparan plasma panas.
Seperti teknologi yang menjanjikan, energi termonuklir sudah menghasilkan "permulaan" sendiri. Inilah yang terpenting:
- TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
- Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
- General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
- Energi Tokamak . Perusahaan yang berbasis di Inggris ini bertujuan untuk meluncurkan fusi tradisional menggunakan tokamak, tetapi menggunakan tokamak yang lebih menyerupai bola daripada donat. Unit ini disebut ST40 dan saat ini sedang menjalani penelitian. Diasumsikan bahwa suhu hingga 15 juta derajat Celcius dapat dicapai di dalamnya.
Sebagai berikut dari penjelasan di atas, pada sepertiga pertama abad ke-21, kami mempelajari semua teknologi eksotis fusi termonuklir ini terutama karena tiga alasan yang mempersulit penggunaan industri dari energi tersebut:
- Kesulitan menambang tritium.
- Kompleksitas kurungan stabil plasma magnet di dalam reaktor.
- Kompleksitas pembuangan limbah radioaktif - karena efek neutron, reaktor itu sendiri menjadi radioaktif.
Golconda Regolitik
Dan inilah saatnya untuk melanjutkan ke bagian akhir perjalanan kita: perhatikan helium-3, yang berpartisipasi dalam reaksi termonuklir terpenting keempat yang disebutkan di atas:
Deuterium + helium-3 (helium-4 dan proton, 18,2 MeV)
Hasil energinya terasa lebih tinggi 17.6 MeV dihasilkan oleh reaksi tritium, dan sebagai pengganti neutron, kita memiliki proton sebagai produk sampingan, yang sebagian besar memecahkan masalah kontaminasi radioaktif.
Masalah utamanya adalah helium-3 (inti terdiri dari dua proton dan satu neutron) sangat jarang dibandingkan dengan isotop utama helium-4 (dua proton dan dua neutron): bagian helium-3 di Bumi adalah 0,000137% (1,37 ppm); sumber utama isotop ini di planet kita adalah angin matahari.
Tetapi pada tahun 1986, para ahli dari Institute of Fusion Technology di University of Wisconsin menetapkan bahwa tanah bulan, regolith, dapat mengandung satu juta ton helium-3. Ekstraksi helium-3 di Bulan dapat menjadi usaha yang layak secara komersial, karena energi yang diekstraksi darinya 250 kali lebih tinggi daripada energi yang dibutuhkan untuk mengekstraksi dan mengirimkannya ke Bumi. Cadangan helium-3 bulan mungkin cukup untuk menyediakan tenaga termonuklir selama berabad-abad.
Neutron yang terbentuk selama fusi deuterium-tritium lepas dari reaktor, karena tidak memiliki muatan listrik dan, oleh karena itu, tidak dapat dibendung oleh medan elektromagnetik. Sebaliknya, proton - produk sampingan dari reaksi termonuklir dengan helium-3 - memiliki muatan positif, dan tidak sulit untuk menangkapnya. Selain itu, Anda dapat menggunakan energi proton itu sendiri, yang secara langsung akan digunakan untuk menghasilkan listrik. Dalam hal ini, tidak perlu mendapatkan uap air untuk memutar turbin - menurut prinsip inilah energi dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir modern.
Jadi, penjelajahan bulan memperoleh nilai praktis non-ilusi. Perkembangan teknologi fusi termonuklir, mungkin awalnya didasarkan pada fusi deuterium-tritium, dapat menjadi tahap menuju swasembada energi industri pertambangan regolith bulan, yang tujuannya adalah untuk menyediakan bumi dengan bahan bakar termonuklir.
Di sini kita begitu mendalami fiksi ilmiah sehingga inilah saatnya untuk dengan hati-hati mengakhiri posting ini dan berterima kasih kepada semua orang yang telah selesai membacanya dan siap untuk membahasnya.
Meskipun, sebagai epilog, saya mengusulkan untuk melihat iniartikel lama dari majalah "Kucing Schrödinger". Tidak hanya memiliki gambar yang keren, tetapi juga melontarkan jembatan dari topik yang kita bahas di sini ke topik terraforming. Dalam industri masa depan ini, rupanya fusi juga sangat diperlukan.
Sejauh ini, baik ITER maupun seluruh jalur yang dijelaskan masih jauh dari selesai. Tapi saya berharap jalan itu akan dikuasai oleh yang berjalan.