パスが目標よりも重要な場合。本格的な熱核エネルギーの前に、私たちはまだどれくらい持っていますか？

これは、2020年2月に建設中のITER複合施設がどのようになっていたかです。ITERは、「燃焼」または自立した熱核プラズマの取得を可能にする最初の設備になる可能性があります。建設中のこの施設には、熱核トカマックとそのサポートシステムが収容されます。ITERアーカイブからの写真



ハブレはニュースを無視しませんでした 中国が新しいトカマック、HL-2Mトカマックを発売したこと。このニュースは、私たちの世紀の悲しい長期建設の記憶をリフレッシュするため、特に興味深いものです。将来の熱核反応器ITERは、フランス南部のヨーロッパ全土の勢力によって建設されており、それ自体が消費するよりも多くのエネルギーを生成できる最初のデバイスになるはずです。それにもかかわらず、HL-2MとITERの両方が、本格的な熱核発電所から恐ろしく遠く離れていることを残念に思います。



トカマックの装置やITER自体の詳細については触れません。これらのトピックは、前述のハブロンニュースなど、あらゆる種類の情報源で豊富に検討されています。カットの下で、ITERが私たちの前に開くパス（ラテン語の「iter」は「パス」を意味する）と、このパスがステラレーター8のようにねじれていることが判明した理由について説明します。

開始

アーサー・エディントンが、水素をヘリウムに変換することで太陽と星が燃える可能性があると示唆した1920年代にすべてが始まったと言えます。このアイデアは、太陽のエネルギーを利用することは難しくなく、最も普通の水がそのような原子炉の燃料の原料になる可能性があると信じていたジャーナリストやサイエンスフィクションの作家によってすぐに取り上げられました。



ご存知のように、熱核反応は核反応とは物理的に反対です。核反応中に重い核が軽い核に分裂する場合、熱核反応中に軽い核はやや重い核に融合します。最も有名な核反応はウラン核の分裂です。







これは、原子力発電所の原子炉で発生する典型的なシーケンスです。

それどころか、熱核反応は主にヘリウムと水素の関与で進行し、軽いものから重い同位体の形成につながります。メインシーケンスのスターでは、次の熱核反応が最も典型的です。







熱核融合の 詳細と熱核反応器の設計オプションは、2013年にMikhailSvarichevskyによってHabréに公開された 素晴らしい記事に記載されています。そこでは、本格的な熱核エネルギーが遠い未来の問題であるという著者の懐疑的な評決を読むこともできます。記事は本当に燃えるです：







今のところ、熱核発電所の建設を阻んでいた技術的困難が非常に深刻であることが判明したため、その開発の期間化は原子力発電の開発のペースと比較できないことに注意してください。年表：

核分裂

1939年-発見（L.マイトナーとO.フリッシュ）

1942年-原子炉エンリコフェルミ（「シカゴウッドパイル」）-制御された核反応

1945-最初の核実験（トリニティ）と広島と長崎の爆撃-制御されていない核反応

1956-最初の原子力発電所（オブニンスク）

1986-チェルノブイリ原子力発電所での事故

核融合

1926年-仮説（A.エディントン） は「星の内部構造」の記事で表現されました

1934年-E。ラザフォードはトリチウムからヘリウムを合成しました

1952年-最初の熱核爆発はUSSRで行われました（水素爆弾、制御されていない反応）

1954-最初のトカマックはUSSRで建てられました

... ...

2025 -ITERが開始される予定です。



それにもかかわらず、 2019 IAEA Bulletinでは、核融合発電所を作成するというアイデアが非常に真剣に、そして日常的にさえ議論されています。本格的な熱核発電所で満たさなければならない3つの条件が与えられています。

1. 非常に高温（1億度以上）
2. プラズマ内の粒子の十分な密度（反応が発生する場所）-粒子間の衝突の可能性を高めます
3. 十分に強力な閉じ込め、プラズマ漏れの可能性を防ぎ、安定した熱核反応を保証します。

さらに、この文書では、現在の熱核反応器の最も成功した設計は正確にトカマックであるという免責事項が続きます。



上記のリンクに慣れて、トカマックの外観と動作の記憶を更新する時間がまだない場合は、この問題について簡単に説明します。



トカマクは「磁気コイルを備えたトロイダルチャンバー」を意味する略語です。最初のトカマックは1954年にソ連で建設され、この用語は1957年にのみ提案されました。欧米では、トカマックの建設への関心は、その効率性を確信していたクルチャトフ研究所で英国の科学者のグループがそのような装置に精通した後の1968年に起こりました。したがって、トカマックは元々、重水素同位体である重水素とトリチウムの混合物で満たされたトロイダル真空チャンバーです。もちろん、トカマックの壁は、熱核反応が起こる高温のプラズマの内部にとどまることができないため、プラズマは最も強い磁場によってトロイダルチャンバー内に保持され、そこにあると、コードの形に似ています。







熱核反応が反応器が消費するよりも多くのエネルギーを生成するかどうかを判断することを可能にする最も重要な物理的指標は 、ローソン基準であり、これは次の定式化に要約されます。

熱核融合がエネルギー源となるためには、粒子密度とそれらが互いに非常に近い距離に閉じ込められている時間の積が特定の値を超えている必要があります。

現在、最もエネルギー的に好ましい熱核反応は、水素の2つの同位体である重水素と三リチウムが関与する熱核融合である と考えられています。重水素核と三位一体核が融合すると、ヘリウム核と非常に高エネルギーの中性子が形成されます。必要な条件が満たされている場合、この場合に放出されるエネルギーは、さらなる熱核反応に十分です。さらに、重水素-トリチウム反応は、その過程でクーロン障壁が最も簡単に克服され、この反応が人工的に作成された条件下で最も便利に維持されるため、実用的な観点から 最も便利です。



重水素-トリチウムのペア とともに、産業に応用できる可能性のある熱核反応のさらに3つの変種。ここにそれらはすべてあります：

1. 重水素+重水素（トリチウムおよびプロトン4.0 MeV）、
2. 重水素+重水素（ヘリウム-3および中性子、3.3 MeV）、
3. 重水素+トリチウム（ヘリウム-4および中性子、17.6 MeV）、
4. 重水素+ヘリウム-3（ヘリウム-4およびプロトン、18.2MeV）。

以下、エネルギーの観点から最も有利な4番目の反応に戻ります。



熱核パワーエンジニアリングのリソースベースを制限する重要な要因は、重水素抽出とトリチウム生成の必要性です。もっと詳しく見ていきましょう。

トリチウムの複製

重水素は自然界に比較的豊富にあり、海水から十分な量を回収することができます。 Tritiumは自然界に存在しますが、有用な量で採掘するにはまれです。したがって、工業的に合成する必要があります。現在、トリチウムは重水反応器の冷却剤から抽出されるか、軽水反応器でリチウムターゲットに衝撃を与えることによって得られます。



500メガワットの熱核発電所1基の運転には、年間約50キログラムのトリチウム燃料が必要であると想定されています。この値は、年間約2〜3 kgのトリチウムを得ることができる現代産業の能力を大幅に超えるだけでなく、数十億ドルに達する生産コストも考慮に入れていません。したがって、熱核エネルギーは、ステーションで直接トリチウムを増殖させることを可能にする方法の開発を必要とする。幸いなことに、熱核反応自体がそのような方法になる可能性があります。



トカマックをリチウムブランケットで囲むことにより、リチウム核が融合中に形成された中性子を捕捉し、自発的にトリチウムに変化するときに、（熱の放出とともに）トリチウムを得ることが可能です。このようにして生成されたトリチウムを収集するための技術的ソリューションは、現在開発中です。



さらに、適切な質問は次のとおりです。熱核エネルギーは環境に優しく、エネルギー的に有益ですか？ミハイル・スヴァリチェフスキーによる前述の記事で提起された異議のいくつかは、ここで引用されるべきです：

1. — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
2. Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
3. Q=10, , - , . ( -)
4. 熱核燃料はそれほど多くありません-トリチウムは非常に高価で不足しています。その製造は、ウラン廃棄物からプルトニウムを、またはトリウムからU-233を入手するよりも簡単でも安価でもありません。
5. ヘリウム-3-地球上に山があったとしても、人類を助けることは決してありません。寄生反応D + Dは依然として放射を与え、最適温度は10億度であり、現在人類が戦っているD + Tよりもはるかに困難です。

そして、これが、IAEAが核融合発電所の環境への配慮について述べていることです。



最も単純な熱核融合プロセスには、水素の2つの同位体である重水素と三リチウムが含まれます。トリチウムは放射性ですが、その半減期は短いです（12。32年）。少量しか使用されないため、長寿命の放射性核と同じ危険性はありません。この重水素とトリチウムの反応の結果、ヘリウム原子（不活性ガス）と中性子が形成されます。これらの製品（原子と中性子）のエネルギーを収集して、それぞれ原子炉に電力を供給し、発電することができます。その結果、熱核反応による長寿命の放射性廃棄物は残りません。しかし、融合プロセスは、プラズマを取り囲む中性子活性化材料を生成します。言い換えれば、中性子（融合反応生成物）が反応器の壁に当たると、反応器自体とその構成要素が放射性になります。したがって、将来の熱核発電所の建設時には、そのような中性子放射能とその結果として発生する放射性廃棄物の量を最小限に抑えるように設計を最適化する必要があります。



したがって、ITERは、熱核発電所のテストプロトタイプほどスーパートカマックとは見なすことができず、業界が直面している技術的および環境的課題を評価することが可能になります。それらの中には、トリチウム増殖、プラズマ制御、高度な診断、構造物の耐摩耗性があります。さらに、反応器容器が高温プラズマへの暴露にどれだけ耐えることができるかはまだ分からない。



他の有望な技術と同様に、熱核エネルギーはすでに独自の「スタートアップ」を生み出しています。最も重要なものは次のとおりです。

1. TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
   
   
   
   
2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
3. General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
4. トカマックエナジー。英国を拠点とする同社は、トカマックを使用した従来のフュージョンの発売を目指していますが、ドーナツではなく球に似たトカマックを使用しています。このユニットはST40と呼ばれ、現在研究中です。その中で1500万℃までの温度が達成可能であると想定されています。

上記のように、21世紀の最初の3分の1に、主にそのようなエネルギーの産業利用を複雑にする3つの理由から、熱核融合のこれらすべてのエキゾチックな技術の研究に到達しました。

1. トリチウムの採掘の難しさ。
2. 反応器内の磁化されたプラズマの安定した閉じ込めの複雑さ。
3. 放射性廃棄物の処分の複雑さ-中性子の影響により、原子炉自体が放射性になります。

レゴリシックゴルコンダ

そして、これが私たちの遠足の最後の部分に移る時です：上記の最も重要な熱核反応の4番目に関与するヘリウム-3に注意してください：



重水素+ヘリウム-3（ヘリウム-4とプロトン、18.2MeV）



エネルギー収量は著しく高いですトリチウム反応によって生成された17.6MeVであり、中性子の代わりにプロトンが副産物として存在し、放射性汚染の問題を大幅に解決します。



主な問題は、ヘリウム-3（核が2つのプロトンと1つの中性子で構成されている）が主要な同位体であるヘリウム-4（2つのプロトンと2つの中性子）と比較して非常にまれであるということです。地球上のヘリウム-3のシェアは0.000137％です。 （1.37 ppm）;私たちの地球上のこの同位体の主な源は太陽風です。



しかし1986年に、ウィスコンシン大学の核融合技術研究所の専門家は、月の土壌であるレゴリスに100万トンのヘリウム-3が含まれている可能性があると判断しました。月でのヘリウム-3の抽出は、それから抽出されたエネルギーが、それを抽出して地球に届けるのに必要なエネルギーの250倍であるため、商業的に実行可能なベンチャーになる可能性があります。ヘリウム-3の月の蓄えは、何世紀にもわたって熱核力を提供するのに十分かもしれません。



重水素-トリチウム融合中に形成された中性子は、電荷を持たないため、電場に封じ込めることができないため、反応器から逃げ出します。それどころか、ヘリウム-3との熱核反応の副産物であるプロトンは正電荷を持っており、それらを捕捉することは難しくありません。さらに、プロトン自体のエネルギーを使用して、直接発電に使用することができます。この場合、タービンを回転させるために水蒸気を取得する必要はありません。この原則に従って、現代の原子力発電所でエネルギーが生成されます。



したがって、月の探検は非幻想的な実用的価値を獲得します。おそらく最初は重水素-トリチウム融合に基づく熱核融合技術の開発は、地球に熱核燃料を供給することを目的とする月のレゴリス採掘産業のエネルギー自給自足への道の段階になる可能性があります。



私たちはここでサイエンスフィクションに深く入り込んだので、この投稿を注意深く終わらせ、それを読み終えて議論する準備ができているすべての人に感謝する時が来ました。



エピローグとして、私はこれを見ることを提案しますが 雑誌「Schrödinger'sCat」の古い記事。かっこいい写真があるだけでなく、ここで取り上げたトピックからテラフォーミングのトピックへの架け橋にもなりました。将来のこの業界では、明らかに、融合も不可欠です。



これまでのところ、ITERと説明されているパス全体の両方が完全にはほど遠いです。でも、歩く人が道をマスターしてくれることを願っています。