La comparsa di un reattore termonucleare è prevista da più di mezzo secolo. Le aspettative sono così surriscaldate che è sorta una teoria del complotto molto popolare, come se in realtà fosse stata inventata molto tempo fa, ma i magnati del petrolio nascondono l'invenzione alle masse per non perdere superprofitti. Come tutte le teorie del complotto, una tale teoria non resiste alle critiche e rimane un argomento per la prosa investigativa. Tuttavia, comprenderlo non annulla la domanda principale: quando padroneggeremo l'energia termonucleare?
SUNNY BOSTER
Una reazione termonucleare (o reazione di fusione nucleare), in cui i nuclei più leggeri si fondono in quelli più pesanti, è stata descritta dai fisici negli anni '10. E per la prima volta è stato osservato dallo scienziato inglese Ernst Rutherford. Nel 1919 spinge l'elio con l'azoto ad alta velocità per produrre idrogeno e ossigeno pesante. Cinque anni dopo, Rutherford ha completato con successo la sintesi dell'idrogeno trizio superpesante da nuclei pesanti di idrogeno del deuterio. Più o meno nello stesso periodo, l'astrofisico Arthur Eddington avanzò un'audace ipotesi che le stelle brucino a causa del corso delle reazioni termonucleari nelle loro viscere. Nel 1937, lo scienziato americano Hans Bethe fu in grado di dimostrare il verificarsi di reazioni termonucleari nel Sole, quindi Eddington aveva ragione.
L'idea di riprodurre un "fuoco solare" sulla Terra apparteneva al fisico giapponese Tokutaro Hagiwara, che nel 1941 suggerì la possibilità di avviare una reazione termonucleare tra nuclei di idrogeno utilizzando una reazione a catena esplosiva di fissione dell'uranio - cioè un'esplosione atomica dovrebbe creare le condizioni (altissima temperatura e pressione) per avviare la fusione termonucleare. Poco dopo, Enrico Fermi, che ha partecipato alla creazione della bomba atomica americana, ha avuto la stessa idea. Nel 1946, sotto la guida di Edward Teller, fu lanciato un progetto di ricerca sull'uso dell'energia termonucleare presso il Los Alamos Laboratory.
Il primo dispositivo termonucleare fu fatto esplodere dalle forze armate statunitensi il 1 ° novembre 1952 nell'atollo di Enewetok nell'Oceano Pacifico. Abbiamo condotto un esperimento simile nel 1953. Pertanto, l'umanità ha utilizzato la fusione termonucleare per oltre sessant'anni, ma solo per scopi distruttivi. Perché non puoi usarlo in modo più razionale?
MAESTRI DEL PLASMA
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Dal punto di vista energetico, la temperatura ottimale del plasma per una reazione termonucleare è di 100 milioni di gradi. Questa è parecchie volte superiore alla temperatura all'interno del sole. Come essere?
I fisici hanno proposto di mantenere il plasma all'interno di una "trappola magnetica". All'inizio degli anni '50, Andrei Sakharov e Igor Tamm calcolarono la configurazione dei campi magnetici in grado di comprimere il plasma in un sottile filamento e impedirne la caduta sulle pareti della camera. È stato sulla base dello schema proposto che sono stati creati numerosi tokamak.
Si ritiene che il termine "TOKAMAK" abbia avuto origine come abbreviazione della frase "TOroid CAMERA with Magnetic Coils". L'elemento principale del design sono infatti le bobine che creano un potente campo magnetico. La camera di lavoro del tokamak è piena di gas. Come risultato della rottura sotto l'azione del campo vorticoso, si verifica una maggiore ionizzazione del gas nella camera, che lo trasforma in plasma. Si forma un filamento di plasma che si muove lungo la camera toroidale e viene riscaldato da una corrente elettrica longitudinale. I campi magnetici mantengono il cavo in equilibrio e gli conferiscono una forma che gli impedisce di toccare le pareti e bruciarle.
Ad oggi, la temperatura del plasma a tokamaks ha raggiunto i 520 milioni di gradi. Tuttavia, il riscaldamento è l'inizio del viaggio. Un tokamak non è una centrale elettrica, al contrario, consuma energia senza dare nulla in cambio. Una centrale termonucleare dovrebbe essere costruita su principi diversi.
Prima di tutto, i fisici hanno deciso il carburante. Quasi l'ideale per un reattore di potenza è una reazione basata sulla fusione di nuclei di isotopi di idrogeno - deuterio e trizio (D + T), a seguito della quale si formano un nucleo di elio-4 e un neutrone. L'acqua ordinaria servirà come fonte di deuterio e il trizio sarà ottenuto dal litio irradiato con neutroni.
Quindi il plasma deve essere riscaldato a 100 milioni di gradi e fortemente compresso, mantenendosi in questo stato per lungo tempo. Dal punto di vista della progettazione ingegneristica, questo è un compito incredibilmente complesso e costoso. Sono la complessità e il costo elevato che hanno frenato a lungo lo sviluppo di questa direzione dell'energia. L'azienda non era pronta a finanziare un progetto così grande fino a quando non ci fosse stata fiducia nel suo successo.
LA STRADA VERSO IL FUTURO
L'Unione Sovietica, dove furono costruiti tokamak unici, cessò di esistere, ma l'idea di dominare l'energia termonucleare non morì ei paesi leader si resero conto che il problema poteva essere risolto solo insieme.
E ora il primo reattore termonucleare sperimentale per l'ingegneria energetica è in costruzione oggi nel villaggio di Cadarache, nel sud-est della Francia, vicino alla città di Aix-en-Provence. Alla realizzazione di questo grande progetto partecipano Russia, Stati Uniti, Unione Europea, Giappone, Cina, Corea del Sud, India e Kazakistan.
A rigor di termini, l'impianto da costruire a Cadarache non sarà ancora in grado di funzionare come centrale termonucleare, ma potrebbe avvicinarsi. Non a caso si chiamava ITER - questa abbreviazione sta per International Thermonuclear Experimental Reactor, ma ha anche un significato simbolico: in latino iter è una strada, un percorso. Pertanto, il reattore di Cadarash dovrebbe aprire la strada alla potenza termonucleare del futuro, che garantirà la sopravvivenza dell'umanità dopo l'esaurimento dei combustibili fossili.
ITER sarà strutturato come segue. Nella sua parte centrale è presente una camera toroidale del volume di circa 2000 m3, riempita con plasma di trizio-deuterio riscaldato a temperature superiori a 100 milioni di gradi. I neutroni generati durante la reazione di fusione escono dalla "bottiglia magnetica" e attraverso la "prima parete" entrano nello spazio libero della coltre dello spessore di circa un metro. All'interno della coperta, i neutroni entrano in collisione con gli atomi di litio, provocando una reazione con la formazione del trizio, che sarà prodotto non solo per ITER, ma anche per altri reattori se costruiti. In questo caso, la "prima parete" viene riscaldata dai neutroni a 400 ºC. Il calore ceduto, come nelle stazioni convenzionali, viene prelevato dal circuito frigorifero primario con un refrigerante (contenente, ad esempio, acqua o elio) e ceduto al circuito secondario, dove si produce vapore acqueo,andando a turbine che generano elettricità.
L'installazione di ITER è davvero una mega macchina. Il suo peso è di 19.000 tonnellate, il raggio interno della camera toroidale è di 2 metri, il raggio esterno è di oltre 6 metri. La costruzione è già in pieno svolgimento, ma nessuno può dire con certezza quando la prima produzione di energia positiva sarà ricevuta dall'installazione. Tuttavia, ITER prevede di produrre 200.000 kWh, che equivalgono all'energia contenuta in 70 tonnellate di carbone. La quantità richiesta di litio è contenuta in una minibatteria per computer e la quantità di deuterio è contenuta in 45 litri di acqua. E sarà un'energia assolutamente pulita.
In questo caso, il deuterio dovrebbe essere sufficiente per milioni di anni e le riserve di litio facilmente estraibili sono abbastanza sufficienti per soddisfare il bisogno per centinaia di anni. Anche se le riserve di litio nelle rocce si esaurissero, i fisici saranno in grado di estrarlo dall'acqua di mare.
ITER sarà sicuramente costruito. E, naturalmente, sono contento che il nostro Paese prenda parte a questo progetto del futuro. Solo gli specialisti russi hanno molti anni di esperienza nella creazione di grandi magneti superconduttori, senza i quali è impossibile mantenere il plasma nel filamento: grazie ai tokamaks!
Anton Pervushin
