ITER: Skirtumas tarp puslapio versijų

ITER reaktoriaus pjūvio maketas.

ITER yra tarptautinis tokamako (branduolių sąlaja magnetiniu lauku) tyrimų projektas skirtas pademonstruoti, kad turimi moksliniai ir techniniai pajėgumai leidžia sukurti branduolių sąlajos reaktorių. ITER bus eksperimentinė pakopa tarp šiandienos plazmos fizikos tyrimų ir ateities elektrą gaminančių branduolių sąlajos jėgainių. Jis bus statomas remiantis tyrimais, atliktais kituose branduolių sąlajos įrenginiuose (DIII-D, EAST, TFTR, JET, JT-60 ir T-15), ir bus didesnis už bet kurį iš jų.

2006 metų lapkričio 21 dieną septyni dalyviai formaliai sutiko finansuoti projektą. Numatoma, kad projektas tęsis 30 metų – 10 metų statyba ir 20 metų veikimas – ir kainuos maždaug 10 milijardų eurų. Jis bus statomas Cadarache branduolinių tyrimų centre Prancūzijoje. Šiuo metu dar vyksta projektavimo užbaigimo darbai. Tikimasi, kad pirmieji darbai su plazma reaktoriuje prasidės 2016 metais.

ITER yra suprojektuotas generuoti maždaug 500 MW (500 000 000 vatų) sąlajos galią išlaikomą iki 500 sekundžių (palyginimui – JET didžiausia galia 16 MW ir yra išlaikoma mažiau nei sekundę). Ateities termobranduolinės jėgainės turėtų generuoti maždaug 3000 – 4000 MW šiluminės galios. ITER išskiriama šiluminė galia nebus naudojama elektros energijai generuoti.

ITER konsorciumo teigimu, branduolių sąlaja suteikia potencialiai „aplinkai nekenkiantį, plačiai pritaikomą ir praktiškai neišsenkantį“ elektros energijos šaltinį. Šios savybės, konsorciumo manymu, bus reikalingos norint patenkinti didėjantį pasaulinį energijos poreikį ir kartu sumažinti šiltnamio dujų išskyrimą į aplinką, ir tuo yra pateisinama didelė pojekto kaina.

Tikslai

Oficialus ITER tikslas yra „pademonstruoti mokslinę ir techninę branduolių sąlajos energijos panaudojimo taikiems tikslams galimybę“. ITER turi ir keletą specifinių tikslų susijusių su branduolių sąlajos reaktorių vystymu:

• Trumpą laiką iš branduolių sąlajos gauti 10 kartų daugiau šiluminės energijos nei jos sunaudoti reakcijų vykdymui (Q = 10).
• Išgauti pastovios būsenos plazmą su Q > 5.
• Išlaikyti sintezės impulsą iki 8 minučių.
• Įžiebti „degančią“ (save palaikančią) plazmą.
• Išvystyti technologijas ir procesus reikalingus branduolių sintezės jėgainei – įskaitant superlaidžius magnetus ir nutolusią priežiūrą (robotais).
• Patikrinti tričio dauginimo koncepcijas.

Reaktoriaus apžvalga

Taip pat skaitykite: Branduolių sąlaja

Deuterio ir tričio jungimosi reakcija.

Kai deuteris ir tritis jungiasi, iš dviejų branduolių susidaro helio branduolys (alfa dalelė) ir didelės energijos neutronas.

${}_{1}^{2}{\mbox{H}}+{}_{1}^{3}{\mbox{H}}\rightarrow {}_{2}^{4}{\mbox{He}}+{}_{0}^{1}{\mbox{n}}+17.6{\mbox{ MeV}}$

Nors beveik visi stabilūs izotopai lengvesni už geležį gali susijungti su kokiu nors kitu izotopu ir išskirti energiją, deuteris ir tritis yra vieni iš tinkamiausių energijos gamybai, nes jiems masiškai jungtis reikia mažiausių temperatūrų.

Visos jaunos ir vidutinio amžiaus žvaigždės spinduliuoja didžiulius energijos, gautos iš branduolių sąlajos, kiekius. Perskaičiavus masei, deuterio – tričio sąlajos reakcija išskiria apytiksliai tris kartus daugiau energijos nei urano 235 skilimas, ir milijonus kartu daugiau energijos nei tokios cheminės reakcijos kaip anglies degimas. Termobranduolinės jėgainės tikslas yra panaudoti šią energiją elektros gamybai.

Sąlajos aktyvacijos energija yra labai didelė, nes kiekvieno branduolio protonai vienas kitą stipriai atstumia, kadangi jie turi tą patį teigiamą krūvį. Manoma, kad branduoliai turi suartėti iki 1 fm (1 × 10⁻¹⁵ metro) atstumo, kuriame branduoliui atsiranda didėjanti tikimybė tuneliuoti per elektrostatinį barjerą iki taško, kuriame stiprioji sąveika ir elektrostatinė sąveika tampa lygios, leisdamos branduoliams susilieti. ITER reaktoriuje branduolių suartėjimas iki šio atstumo bus pasiekiamas aukštų temperatūrų ir magnetinio izoliavimo dėka. Aukšta temperatūra suteikia branduoliui pakankamos energijos įveikti elektrostatinę stūmą. Optimalus deuterio ir tričio reakcijos greitis yra pasiekiamas temperatūrai esant 100 000 000 K eilės. Iki aukštos temperatūros plazma yra pakaitinama ominiu kaitinimu (per plazmą tekant elektros srovei). Papildomai yra kaitinama naudojant neutralaus pluošto injekcija ir radijo dažnio arba mikrobanginį šildymą.

Esant tokiai aukštai temperatūrai, dalelės turi didelę kinetinę energiją ir tuo pačiu didelį greitį. Jeigu jos nebūtų izoliuotos, dalelės greitai ištrūktų išsinešdamos su savimi energiją ir atvėsindamos plazmą. Efektyviam reaktoriui reikia išlaikyti daleles pakankamai mažame tūryje pakankamai ilgą laiką, kad didelė dalis plazmos sureaguotų. ITER ir daugelyje kitų izoliavimo magnetiniu lauku reaktoriuose plazma yra laikoma magnetinio lauko „inde“. Dalelė turinti krūvį ir judanti magnetiniame lauke negali iš jo ištrūkti – ji ima suktis. Reaktoriaus laukas turi toro (riestainio) formą, todėl dalelės jame yra „uždarytos“.

Taip pat reikalingas ir izoliuojantis paviršius, kuris apsaugotų magnetus ir kitą įrangą nuo aukštos temperatūros ir energingų fotonų bei kitų dalelių, taip pat palaikytų vakuumą reikalingą plazmai. Šis gaubiantis „kiautas“ bus nuolat veikiamas labai energingų dalelių – elektronų, jonų, fotonų, alfa dalelių ir neutronų, bombarduojančių paviršių ir ardančių jo struktūrą. Medžiaga turi būti pritaikyta atsilaikyti tokioje aplinkoje pakankamai ilgą laiką, kad visa jėgainė būtų ekonomiška. Tokių medžiagų bandymai bus atliekami ir pačiame ITER, ir IFMIF (Tarptautinis branduolių sąlajos medžiagų apspinduliavimo įrenginys).

Prasidėjus sąlajai, aukštos energijos neutronai sklis iš reakcijos regionų plazmoje, lengvai kirsdami magnetinio lauko linijas, nes yra elektriškai neutralūs. Kadangi neutronai ir gaus didžiąją dalį energijos, jie bus pagrindinis ITER energijos atidavimo šaltinis. O susidariusios alfa dalelės idealiu atveju išeikvos savo energiją plazmoje, dar ją pašildydamos.

Už vidinės izoliuojančio „kiauto“ sienos bus įdedamas vienas iš keleto bandomųjų dangų modulių. Šie moduliai yra skirti patikimai ir efektyviai sulėtinti ir absorbuoti neutronus, sumažinant jų žalą kitoms struktūroms, bei iš ličio ir atskriejančių neutronų dauginti tritį kurui. Iš greitų neutronų absorbuota energija yra perduodama pirminiam šilumnešiui. Ši šiluminė energija tikroje elektrinėje galėtų būti panaudota sukti elektrą generuojančią turbiną, tačiau ITER reaktoriuje ši energija nėra moksliškai įdomi, todėl nebus naudojama.

Istorija

ITER projektas prasidėjo 1985 metais kaip bendradarbiavimas tarp Europos sąjungos (per EURATOM organizaciją), JAV, tuometinės TSRS ir Japonijos. Koncepcinio ir inžinerinio projektavimo fazės užsibaigė priimtinu, detaliu projektu 2001 metais, palaikytu 650 milijonų JAV dolerių vertės tyrimų ir vystymo, vykdytų „ITER dalyvių“, siekiant patvirtinti jo praktinį tinkamumą. Prie šių dalyvių (Rusijos Federacija pakeitė Tarybų Sąjungą, JAV pasitraukė iš projekto 1999 metais ir sugrįžo 2003) derėdamasi dėl būsimų ITER statymo, veikimo ir sustabdymo prisijungė Kanada (kuri nutraukė savo dalyvavimą 2003 metais), Kinija ir Pietų Korėja. Indija oficialiai tapo ITER dalyve 2005 metų gruodžio 6 dieną.

2005 metų birželio 28 dieną buvo oficialiai paskelbta, kad ITER bus statomas Europos Sąjungoje, pietinėje Prancūzijoje. Derybos, kuriose buvo priimtas šis sprendimas, baigėsi kompromisu tarp ES ir Japonijos, kuriuo Japonijai buvo pažadėta 20 % tiriamojo personalo ir vadovavimas ITER administraciniam organui. Be to, projektui bus pastatytas dar vienas tyrimų įrenginys Japonijoje, o Europos Sąjunga sutiko padengti apie 50 % šios institucijos kainos.

2006 metų lapkričio 21 dieną, tarptautinis konsorciumas pasirašė formalų susitarimą statyti reaktorių.

ITER veiks lygiagrečiai su medžiagų bandymų įrenginiu – „Tarptautiniu branduolių sintezės medžiagų apspinduliavimo įrenginiu“ (IFMIF), kuriame bus vystomos medžiagos tinkamos naudoti ekstremaliose sąlygose, kurios bus ateities termobranduolinėse jėgainėse. Po abiejų šių įrenginių bus statoma demonstracinė jėgainė, DEMO, kuri jau gamins elektros energiją komerciniam naudojimui.

Vieta

Cadarache vieta, Prancūzijoje.

ITER statymo vietos parinkimo procesas truko labai ilgai. Realiausi kandidatai buvo Cadarache branduolinių tyrimų centras, esantis Provence-Alpes-Côte-d’Azur, Prancūzijoje ir Rokkasho, esantis Aomori, Japonijoje. Kanada 2001 metų gegužę pasiūlė vietą Klaringtone, bet pasitraukė 2003 metais. Ispanija 2002 metais balandžio 17 dieną taip pat pasiūlė vietą Vandellos branduolinių tyrimų centre, bet 2003 metų lapkritį ES nusprendė sukoncentruoti visą savo palaikymą Prancūzijos siūlomai vietai. Nuo šio momento liko dvi vietos – kandidatės Prancūzijoje ir Japonijoje.

Susitikime Maskvoje 2005 metų birželio 28 dieną dalyviai susitarė, kad ITER bus statomas Cadarache branduolinių tyrimų centre.

Planuojama ITER komplekso statybas pradėti 2008 metais, o paties tokamako surinkimo pradžia numatoma 2011 metais. Nenumatytos politinės, finansinės ar net socialinės problemos gali žymiai pakoreguoti šias datas.

Dalyviai

Šiuo metu yra septyni ITER programos dalyviai:

1. Kinija
2. Europos Sąjunga
3. Indija
4. Japonija
5. Rusija
6. Pietų Korėja
7. JAV.

Anksčiau ir Kanada buvo pilnateisis narys, bet pasitraukė iš projekto dėl finansavimo stokos.

Finansavimas

Šiuo metu numatoma ITER statybos, priežiūros ir susijusių tyrimų kaina viso jos veikimo metu yra 10 milijardų eurų. 2005 metų birželio mėnesio konferencijoje Maskvoje ITER dalyviai sutarė tokį finansavimo įnašų padalinimą: 50 % narė šeimininkė, Europos Sąjunga ir po 10 % kiekvienas kitas narys. ITER susitikime Jeju, Korėjoje sutarta, kad šeši nariai – nešeimininkai finansuos 6/11 visos kainos – truputį daugiau nei pusę – o ES įneš likusią dalį. Gamybinis įnašas buvo paskirstytas taip: penkios šalys (Kinija, Indija, Korėja, Rusija ir JAV) kiekviena įneš 1/11 (iš viso 5/11), Japonija 2/11, o ES 4/11.

Nors Japonijos finansinis įnašas, kaip ir kitų šalių – nešeimininkių, bus 1/11 visos kainos, ES sutiko jai suteikti specialų statusą, todėl Japonija suteiks 2/11 tiriamojo personalo Cadarache ir jai atiteks 2/11 konstrukcijos kontraktų, o ES personalo ir konstrukcijos komponentų įnašai bus sumažinti nuo 5/11 iki 4/11.

Problematika ir kritika

ITER projektas susiduria su nemažai techniškai sudėtingų problemų. Viena iš jų yra tai, kad 14 MeV energijos neutronai, susidarę sintezės reakcijose, pažeis medžiagas, iš kurių yra pastatytas reaktorius. IFMIF vyksta tyrimai, kuriais siekiama nustatyti kaip (ir ar) įmanoma sukurti pakankamai ilgai išliekančias reaktoriaus sienas, kad komercinė jėgainė būtų ekonomiškai perspektyvi esant intensyviam neutronų bombardavimui. Pažeidimai susidaro dėl aukštos energijos neutronų, išmušančių atomus iš jų įprastų padėčių kristalinėje gardelėje. Susijusi problema ateities komercinėms branduolių sąlajos jėgainėms yra ta, kad bombardavimas neutronais dalį reaktoriaus pavers radioaktyviu. Dėl to komercinio reaktoriaus demontavimas gali būti sunkus ir brangus. Kita problema yra superlaidžių magnetų pažeidimas neutronų pluoštais.

Prancūzijos asociacija, kuriai priklauso apie 700 antibranduolinių grupių, „Sortir du nucléaire“ („Atsisakykime branduolinės energijos“), teigė, kad ITER kelia pavojų, nes mokslininkai dar nežino kaip manipuliuoti aukštos energijos deuterio ir tričio vandenilio izotopais naudojamais sąlajos procese. Tačiau reikėtų pastebėti, kad deuteris yra stabilus vandenilio izotopas, kurio yra ir geriamajame vandenyje (mūsų kūnuose yra iki apie 10 g deuterio), o trumpaamžio (pusamžis ~12 metų) ir radioaktyvaus tričio dujų ITER reaktoriuje bus tik maždaug 0,2 g. Šiam tričiui patekus į aplinką, jis greitai pakiltų į viršutinę atmosferą, nes yra lengvesnis už orą, kur toks mažas jo kiekis nekeltų jokio pavojaus.

Rebecca Harms, Europos parlamento Žaliųjų frakcijos/Europos laisvojo aljanso narė, priklausanti Pramonės, mokslinių tyrimų ir energetikos komitetui, yra pasakiusi, kad „Artimiausius 50 metų branduolinė sąlaja nei išspręs klimato pasikeitimų problemos, nei garantuos mūsų energitinį saugumą.“ Argumentuodama, kad ES energetiniai tyrimai turėtų būti sutelkti kitur, ji pasakė, kad: „Žaliųjų/EFA grupė reikalauja, kad šios lėšos būtų išleistos energetiniams tyrimams, kurie bus svarbūs ateityje. Didžiausias dėmesys turėtų būti nukreiptas į atsinaujinančius energijos šaltinius.“

Nemažai branduolių sąlajos tyrėjų, dirbančių su ne tokamakų sistemomis, kritikuoja ITER, kadangi jam skiriamos didelės lėšos, dalis kurių, jų manymų, gali būti panaudotos prieinamesniems ir/ar finansiškai efektyvesniems sąlajos jėgainių projektams.

Atsakas į kritiką

Projekto šalininkai mano, kad didelė ITER kritikos dalis yra klaidinanti ir netiksli, ypač tvirtinimai apie eksperimentui „būdingą pavojų“. Komercinėse sąlajos jėgainėse susidarys šimtus kartų mažiau radioaktyviųjų atliekų nei branduolių skilimo jėgainėse, jose nesusidarys ilgaamžių radioaktyvių atliekų, taip pat sąlajos reaktoriuose neįmanoma nebevaldoma grandininė reakcija. Tiesioginis plazmos kontaktas su reaktoriaus sienomis ją užterštų, dėl to ji iškart atvėstų ir sąlajos procesas nutrūktų. Be to, kuro kiekio konkrečiu momentu esančio sąlajos reaktoriuje (pusė gramo deuterio/tričio) pakanka reakcijai vykti ilgiausiai valandai, o branduolių skilimo reaktoriuose paprastai būna kelerių metų kuras.

ITER šalininkai pabrėžia, kad vienintelis būdas įtikinamai įrodyti idėjas apie medžiagų atsparumą intensyviam neutronų srautui yra eksperimentiškai medžiagas apšvitinti tuo srautu – o tai ir yra vienas iš pirminių ITER ir IFMIF tikslų, abu įrenginiai bus svarbūs dėl neutronų galios spektrų skirtumų tarp tikros deuterio-tričio degančios plazmos ir plazmos, gautos IFMIF įrenginyje. ITER tikslas yra išsiaiškinti mokslinius ir inžinerinius klausimus susijusius branduolių sąlajos jėgainėmis. Yra praktiškai neįmanoma gauti patenkinamus teorinius rezultatus apie savybes medžiagų, veikiamų intensyviu energingų neutronų srautu, taip pat yra manoma, kad deganti plazma savo savybėmis skirsis nuo šildomų plazmų.

Nuorodos

• ITER puslapis (angl.)
• Sąlajos reaktoriaus veikimo principų paaiškinimas (angl.)

Šis straipsnis įtrauktas į Vertingų straipsnių kategoriją.