fotografski snimak ( video snimka ) rekordnog izlaznog impulsa fuzijske energije na Jetu( 59 megadžula 5 sekundi
Za nuklearnu fuziju smatra se da je „majka” svih energija jer se njenom upotrebom, teoretski, može dobiti neograničeno nove energije bez neželjenih efekata. Fuzija je suprotnost od fisije, umesto cepanja atoma na delove, ona skuplja ( lake )atome, kao što je vodonik i spaja ih (formira teži) , oslobađajući helijum i veliku količinu energije. Međutim, problem je što stvara i veliku količinu toplote, koja je vrelija od središta sunca.
Do sada, ni u jednom od eksperimenata fuzije širom sveta, izlazna energija fuzije nije premašila energiju uloženu da se pokrene fuzija među vrtložnim plinom jezgara u jezgri reaktora. Ali najnoviji rezultati se smatraju kao dovođenje istraživača bliže nego ikada ranije cilju „naučne rentabilnosti“ (ili, tehnički rečeno, postizanja Q-vrednosti jednake 1) kada je izlazna energija barem jednaka ulaznoj energiji.
Međunarodni projekat koji ima za cilj izgradnju eksperimentalnog fuzijskog reaktora komercijalnih razmera, ITER bi trebao početi s radom do 2025. ( do sada vredi 22 milijarde) U ovom međunarodnom zajedničkom ulaganju su Evropa (koja doprinosi skoro polovini troškova njegove izgradnje), Kina, Indija, Japan, Republika Koreja, Ruska Federacija i Sjedinjene Američke Države (doprinose podjednako ostatku). Objekat je u izgradnji u Saint-Paul-lez-Duranceu, južna Francuska, gde se nalazi francusko nuklearno istraživačko postrojenje Cadarache i brzo se bliži završetku.)
Iter
Snaga fuzije nudi perspektivu gotovo neiscrpnog izvora energije za buduće generacije, ali takođe predstavlja do sada nerešene inženjerske izazove.
Osnovni izazov je postići stopu topline koju emituje fuzijska plazma koja premašuje brzinu energije ubrizgane u plazmu. Glavna nada je usredsređena na tokamak reaktore i stelaratore koji magnetski zatvaraju deuterijum-tricijum plazmu.
Tehnologija fuzije
Magnetno zatvaranje
U magnetnoj zatvorenoj fuziji (MCF), stotine kubnih metara DT plazme gustoće manje od miligrama po kubnom metru ograničeno je magnetnim poljem pri pritisku od nekoliko atmosfera i zagrijano do temperature fuzije.
Magnetna polja su idealna za ograničavanje plazme jer električni naboji odvojenih jona i elektrona znače da prate linije magnetnog polja. Cilj je sprečiti čestice da dođu u kontakt sa zidovima reaktora jer će to raspršiti njihovu toplinu i usporiti ih. Najefikasnija magnetna konfiguracija je toroidna, u obliku krofne, u kojoj je magnetsko polje zakrivljeno okolo da formira zatvorenu petlju. Za pravilno ograničenje, ovo toroidno polje mora imati superponiranu komponentu okomitog polja (poloidno polje). Rezultat je magnetno polje sa linijama sila koje prate spiralne (helikalne) staze koje ograničavaju i kontroliraju plazmu.
Postoji nekoliko tipova sistema toroidnog zatvaranja, od kojih su najvažniji tokamaki, stelaratori i uređaji sa obrnutim pinčom (RFP).
U tokamaku, toroidno polje stvara niz zavojnica ravnomerno raspoređenih oko reaktora u obliku torusa, a poloidno polje stvara sistem horizontalnih zavojnica izvan strukture toroidnog magneta. Jaka električna struja se indukuje u plazmi pomoću centralnog solenoida, a ova indukovana struja takođe doprinosi poloidnom polju.
U tokamacima i RFP uređajima, struja koja teče kroz plazmu služi i za njeno zagrevanje do temperature od oko 10 miliona stepeni Celzijusa. Osim toga, potrebni su dodatni sistemi grejanja da bi se postigle temperature potrebne za fuziju. U stelaratorima, ovi sistemi grejanja moraju snabdeti svu potrebnu energiju.
Tokamak ( toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka – magnetna komora u obliku torusa) dizajnirali su 1951. sovjetski fizičari Andrej Saharov i Igor Tamm. Tokamaci rade u okviru ograničenih parametara izvan kojih može doći do iznenadnih gubitaka ograničenja energije (poremećaja), uzrokujući velika termička i mehanička naprezanja na konstrukciji i zidovima. Ipak, smatra se dizajnom koji najviše obećava, a istraživanja se nastavljaju na raznim tokamacima širom sveta.
Istraživanja se provode i na nekoliko tipova stelaratora. Lyman Spitzer je osmislio i započeo rad na prvom fuzijskom uređaju – stelaratoru – u Laboratoriji za fiziku plazme u Princetonu 1951. godine. Zbog poteškoća u ograničavanju plazme, stelaratori su pali u nemilost sve dok tehnike kompjuterskog modeliranja nisu omogućile izračunavanje tačne geometrije. Budući da stelaratori nemaju toroidnu struju plazme, stabilnost plazme je povećana u odnosu na tokamake. Budući da se plamena plazma može lakše kontrolisati i nadgledati, steleratori imaju intrinzičan potencijal za stabilan, kontinuirani rad. Nedostatak je što su, zbog svog složenijeg oblika, stelaratori mnogo složeniji za dizajn i izradu od tokamaka.
RFP uređaji se razlikuju od tokamaka uglavnom po prostornoj distribuciji toroidnog magnetnog polja, koje menja predznak na rubu plazme. RFX mašina u Padovi, Italija, koristi se za proučavanje fizičkih problema koji proizlaze iz spontane reorganizacije magnetnog polja, što je suštinska karakteristika ove konfiguracije.
Inercijalno zatvaranje
U inercijskoj zatvorenoj fuziji, koja je novija linija istraživanja, laserski ili jonski snopovi se fokusiraju vrlo precizno na površinu mete, koja je pelet DT goriva, prečnika nekoliko milimetara. Ovo zagreva vanjski sloj materijala, koji eksplodira prema napolju, stvarajući kompresijski front ili imploziju koja se sabija i zagreva unutrašnje slojeve materijala. Jezgro goriva može biti komprimovano do hiljadu puta veće gustine tečnosti, što rezultuje uslovima u kojima može doći do fuzije. Energija koja se tada oslobađa bi zagrevala okolno gorivo, koje takođe može biti podvrgnuto fuziji što dovodi do lančane reakcije (poznate kao paljenje) jer se reakcija širi napolje kroz gorivo. Vreme potrebno da se ove reakcije dogode ograničeno je inercijom goriva (otuda i naziv), ali je manje od mikrosekunde.
Nedavni rad na Institutu za lasersko inženjerstvo Univerziteta u Osaki u Japanu sugeriše da se paljenje može postići na nižim temperaturama s drugim vrlo intenzivnim laserskim impulsom koji se vodi kroz zlatni konus visok milimetar u komprimovano gorivo, i vremenski se podudara s vršnom kompresijom. Ova tehnika, poznata kao 'brzo paljenje', znači da je kompresija goriva odvojena od stvaranja vrućih tačaka paljenjem, što proces čini praktičnijim.
U Velikoj Britaniji First Light Fusion sa sedištem u blizini Oxforda istražuje inercijsku fuzionu energiju (IFE) s fokusom na tehnologiju pokretača snage koristeći pristup asimetrične implozije. Osim proizvodnje električne energije, kompanija predviđa primenu u preradi materijala i hemijskoj proizvodnji.
US National Ignition Facility (NIF) je veliki uređaj za istraživanje inercijalnog zatvaranja fuzije zasnovan na laseru u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore u Kaliforniji. Fokusira 192 moćna laserska zraka u malu metu za nekoliko milijarditih delova sekunde, isporučujući više od 2 MJ ultraljubičaste energije i 500 TW vršne snage. Potpuno drugačiji koncept, 'Z-pinch' (ili 'zeta pinch'), koristi snažnu električnu struju u plazmi za generiranje X-zraka, koji komprimuje mali DT cilindar goriva.
Magnetizovana meta fuzija
Magnetizovana ciljna fuzija (MTF), takođe nazvana magneto-inercijalna fuzija (MIF), je pulsni pristup fuziji koji kombinuje kompresijsko zagrevanje inercijalnog zatvaranja fuzije s magnetski smanjenim termičkim transportom i magnetski poboljšanim alfa zagrevanjem fuzije magnetskog ograničenja.
Trenutno se eksperimentiše sa nizom MTF sistema, koji obično koriste magnetno polje za ograničavanje plazme sa kompresijskim grejanjem koje obezbeđuje laserska, elektromagnetna ili mehanička implozija košuljice. Kao rezultat ovog kombinovanog pristupa, potrebno je kraće vreme zadržavanja plazme nego za magnetno ograničenje (od 100 ns do 1 ms, u zavisnosti od MIF pristupa), smanjujući zahtev za stabilizaciju plazme tokom dugog perioda. Suprotno tome, kompresija se može postići u vremenskim skalama dužim od onih tipičnih za inercijsku konfinaciju, što omogućava postizanje kompresije putem mehaničkih, magnetskih, kemijskih ili laserskih drajvera relativno male snage.
U toku je nekoliko pristupa za ispitivanje MTF-a, uključujući eksperimente u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos, Nacionalnoj laboratoriji Sandia, Univerzitetu u Rochesteru i privatnim kompanijama General Fusion i Helion Energy.
Izazovi istraživanja i razvoja za MTF uključuju da li se prikladna ciljna plazma može formirati i zagejati do uslova fuzije uz izbegavanje kontaminacije iz košuljice, kao što je slučaj sa magnetnim i inercijskim zatvaranjem. Zbog smanjenih zahteva za vreme konfinovanja i brzinama kompresije, MTF je korišten kao jeftiniji i jednostavniji pristup istraživanju ovih izazova od konvencionalnih projekata fuzije.
Hibridna fuzija
Fuzija se također može kombinovati s fisijom u onome što se naziva hibridna nuklearna fuzija gde je pokrivač koji okružuje jezgro subkritični fisijski reaktor. Reakcija fuzije deluje kao izvor neutrona za okolni pokrivač, gde se ovi neutroni hvataju, što rezultuje reakcijama fisije. Ove reakcije fisije bi takođe proizvele više neutrona, čime bi se pomoglo daljnjim reakcijama fisije u omotaču.
Koncept hibridne fuzije može se uporediti sa sistemom vođenim akceleratorom (ADS), gde je akcelerator izvor neutrona za opšte sklopove, a ne reakcije nuklearne fuzije (pogledajte stranicu Nuklearna energija vođena akceleratorom ). Pokrivač hibridnog fuzijskog sistema stoga može sadržavati isto gorivo kao i ADS – na primer, bogat element torij ili dugovečni teški izotopi prisutni u korištenom nuklearnom gorivu (iz konvencionalnog reaktora) mogu se koristiti kao gorivo.
Pokrivač koji sadrži fisiono gorivo u hibridnom fuzijskom sistemu ne bi zahtevao razvoj novih materijala sposobnih da izdrže konstantno neutronsko bombardiranje, dok bi takvi materijali bili potrebni u pokrivaču 'konvencionalnog' fuzijskog sistema. Daljnja prednost hibridnog sistema je u tome što fuzijski deo ne bi trebao proizvoditi onoliko neutrona koliko bi (nehibridni) fuzijski reaktor trebao da bi proizveo više energije nego što se troši – tako da fuzijski reaktor komercijalnog razmera u hibridu sistem ne mora biti velik kao reaktor samo za fuziju.
Istraživanje fuzije
Dugogodišnja dosetka o fuziji ističe da je, od 1970-ih, komercijalna primena fuzijske snage uvek bila udaljena oko 40 godina. Iako u tome ima istine, napravljena su mnoga otkrića, posebno poslednjih godina, a postoji i niz velikih projekata u razvoju koji bi mogli dovesti istraživanje do tačke u kojoj se fuzijska snaga može komercijalizovati.
Izgrađeno je nekoliko tokamaka, uključujući Joint European Torus (JET) i Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) u Velikoj Britaniji i reaktor za ispitivanje fuzije tokamaka (TFTR) u Princetonu u SAD-u. Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) koji se trenutno gradi u Cadaracheu u Francuskoj biće najveći tokamak kada počne raditi 2020-ih. Kineski testni reaktor za fuzijsko inženjerstvo (CFETR) je tokamak za koji se navodi da je veći od ITER-a i trebao bi biti dovršen 2030. godine. U međuvremenu, pokreće svoj eksperimentalni napredni superprovodljivi tokamak (EAST). U Velikoj Britaniji, Tokamak Energy je pustio u rad i dalje razvija svoj tokamak ST40.
Mnogo istraživanja je takođe sprovedeno na stelaratorima. Veliki od njih, Veliki spiralni uređaj na japanskom Nacionalnom institutu za istraživanje fuzije, počeo je s radom 1998. godine. Koristi se za proučavanje najbolje magnetske konfiguracije za zadržavanje plazme. Na lokaciji Garching Instituta za fiziku plazme Max Planck u Nemačkoj, istraživanja obavljena na Wendelstein 7-AS između 1988. i 2002. napreduju na Wendelstein 7-X, koji je izgrađen tokom 19 godina na lokaciji Max Planck instituta u Greifswaldu. i pokrenut krajem 2015. Drugi stelarator, TJII, radi u Madridu, Španija. U SAD-u, u Princeton Plasma Physics Laboratory, gde su prvi stelaratori izgrađeni 1951. godine, izgradnja NCSX stelleratora je napuštena 2008. zbog prekoračenja troškova i nedostatka sredstava 2.
Takođe je došlo do značajnog pomaka u istraživanju energije inercije fuzije (IFE). Izgradnja Nacionalnog postrojenja za paljenje (NIF) vrednog 7 milijardi dolara u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL), finansiranog od strane Nacionalne administracije za nuklearnu sigurnost, završena je u martu 2009. Laser Mégajoule (LMJ) u francuskoj regiji Bordeaux počeo je s radom u oktobru 2014. Oba su dizajnirana da isporuče, u nekoliko milijarditih delova sekunde, skoro dva miliona džula svetlosne energije do ciljeva veličine nekoliko milimetara. Glavna svrha i NIF-a i LMJ-a je istraživanje koje podržava programe nuklearnog oružja obje zemlje.
ITER
Platforma se prostire na 42 hektara i jedna je od najvećih ravnatih površina koje je napravio čovek na svetu. Postoji 39 zgrada, objekata i izvora napajanja koji će biti potrebni za rad najveće fuzijske mašine. Više od 3000 ljudi doprinosi ITER-ovim građevinskim radovima.
Šest godina kasnije, Veće ITER-a odobrilo je prvi sveobuhvatni dizajn fuzijskog reaktora zasnovanog na dobro utvrđenoj fizici i tehnologiji s cenom od 6 milijardi dolara. Tada su SAD odlučile da se povuku iz projekta, prinudivši smanjenje troškova za 50% i redizajn. Rezultat je bio ITER Fusion Energy Advanced Tokomak (ITER-FEAT) – u početku se očekivalo da će koštati 3 milijarde dolara, ali i dalje postiže ciljeve samoodržive reakcije i neto dobitka energije. Predviđeni energetski dobitak verovatno neće biti dovoljan za elektranu, ali bi trebao pokazati izvodljivost.
2003. godine, SAD su se ponovo pridružile projektu, a Kina je također najavila da će se pridružiti. Nakon diskusije u ćorsokaku, šest partnera pristalo je sredinom 2005. da ITER postavi u Cadarache, u južnoj Francuskoj. Dogovor je uključivao velike ustupke Japanu, koji je Rokkašo naveo kao poželjnu lokaciju. Evropska unija (EU) i Francuska bi doprinele polovinom ukupnih troškova od tada procenjenih 12,8 milijardi eura, dok bi ostali partneri – Japan, Kina, Južna Koreja, SAD i Rusija – uložili po 10 posto. Japan će obezbediti puno visokotehnoloških komponenti, ugostiće postrojenje za testiranje materijala vrednom milijardu eura – Međunarodno postrojenje za zračenje fuzijskih materijala (IFMIF) – i imaće pravo ugostiti naknadni demonstracijski fuzijski reaktor. Indija je krajem 2005. godine postala sedma članica konzorcijuma ITER. U novembru 2006. sedam članica – Kina, Indija, Japan, Rusija, Južna Koreja, SAD i Evropska unija – potpisali su sporazum o implementaciji ITER. Ukupni troškovi ITER-a od 500 MW čine otprilike polovinu za desetogodišnju izgradnju i polovinu za 20 godina rada.
Radovi na pripremi gradilišta u Cadaracheu počeli su u januaru 2007. Prvi beton za zgrade izliven je u decembru 2013. Eksperimenti su trebali početi 2018. godine, kada bi se koristito vodonik kako bi se izbeglo aktiviranje magneta, ali se to sada očekuje 2025. godine. DT plazma se ne očekuje do 2035. ITER je velik jer vreme zadržavanja raste sa kockom veličine mašine. Vakum plovilo će biti prečnika 19 m i visine 11 m, a težiće više od 5000 tona.
5. Fabrika tricijuma - gde će skladištiti i rukovati fuzijsko gorivo ( deuterijum i tricij) 
6. Radio frekvencija - za stvaranje potrebne radio frekvencije za zagrejavanje plazme
Cilj ITER-a je da radi sa toplotnim efektom plazme od 500 MW (najmanje 400 sekundi neprekidno) sa manje od 50 MW ulazne snage griejanja plazme. Na ITER-u se neće proizvoditi električna energija. Pridruženo CEA postrojenje u Cadaracheu je WEST, ranije Tore Supra, koje je dizajnirano da testira prototipne komponente i ubrza njihov razvoj za ITER. Fokusiran je na strukturu divertora za uklanjanje helijuma, testirajući izdržljivost upotrebljenih materijala od volframa.
Očekuje se da će demonstraciona elektrana od 2 GW, poznata kao Demo, demonstrirati veliku proizvodnju električne energije na kontinuiranoj osnovi. Očekivalo se da će idejni projekat Demo biti završen do 2017. godine, pri čemu bi izgradnja počela oko 2024., a prva faza rada počela bi 2033. Od tada je odgođeno, a izgradnja je sada planirana nakon 2040. godine.
JET
Godine 1978. Evropska zajednica (Euratom, zajedno sa Švedskom i Švajcarskom) pokrenula je Joint European Torus (JET) projekat u Velikoj Britaniji . JET je najveći tokamak koji danas posluje u svetu. Sličan tokamak, JT-60, radi na Naka Fusion institutu Japanske agencije za atomsku energiju u Japanu, ali samo JET ima kapacitete za korištenje DT goriva.
Nakon pravnog spora sa Euratomom, u decembru 1999. godine JET-ov međunarodni ugovor je okončan i Uprava za atomsku energiju Ujedinjenog Kraljevstva (UKAEA) preuzela je upravljanje JET-om u ime svojih evropskih partnera. Od tog vremena JET-ov eksperimentalni program koordiniraju strane iz Evropskog sporazuma o razvoju fuzije (EFDA). JET-om upravlja UKAEA centar za istraživanje fuzije Culham, član konzorcijuma EUROfusion.
JET je proizveo svoju prvu plazmu 1983. godine, a postao je prvi eksperiment koji je proizveo kontrolisanu snagu fuzije u novembru 1991. godine, iako sa visokim unosom električne energije. U DT plazmama pomoću uređaja postignuto je do 16 MW fuzijske snage za jednu sekundu i 5 MW održanih, od 24 MW snage ubrizgane u njegov sistem grejanja, a provode se mnogi eksperimenti radi proučavanja različitih shema grejanja i drugih tehnika. JET je bio vrlo uspešan u upravljanju tehnikama daljinskog rukovanja u radioaktivnom okruženju kako bi se modifikovala unutrašnjost uređaja i pokazao je da je održavanje daljinskog rukovanja fuzijskim uređajima realistično.
JET je ključni uređaj u pripremama za ITER. Poslednjih godina značajno je unapređen kako bi testirao fiziku ITER plazme i inženjerske sisteme. Dalja poboljšanja su planirana u JET-u s ciljem da se premaši njegov rekord snage fuzije u budućim DT eksperimentima. Kompaktni uređaj – Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) – razvijen je zajedno sa JET-om u Culhamu, delom da služi projektu ITER, a značajan projekat nadogradnje MAST -a se sada implementira u fazama kako bi se povećala snaga neutralnog snopa sa 5 na 12,5 MW i energija deponovana u plazmi od 2,5 do 30 MJ. MAST Upgrade je fokusiran na dizajniranje izduvnog sistema plazme ili divertora koji bi mogao izdržati intenzivna energetska opterećenja stvorena u fuzionim reaktorima komercijalne veličine. Postigao je prvu plazmu u oktobru 2020.
Vlada Ujedinjenog Kraljevstva je 2019. godine izdvojila 22 miliona funti tokom četiri godine za idejni dizajn sfernog tokamaka za proizvodnju energije (STEP) u Culhamu. Tehnički ciljevi STEP-a su: isporuka predvidive neto električne energije veće od 100 MW; da se energija fuzije koristi izvan proizvodnje električne energije; osigurati samodovoljnost tricijumom; da kvalifikuje materijale i komponente pod odgovarajućim uslovima fuzije neutronskog fluksa; i razviti održiv put do pristupačnih troškova životnog ciklusa. STEP je planiran za završetak 2040. godine
Tokamak Energy
Tokamak Energy u UK je privatna kompanija koja razvija sferni tokamak i nada se da će ga komercijalizovati do 2030. Kompanija je izrasla iz laboratorije Culham, gde se nalazi JET, a njena tehnologija se vrti oko visokotemperaturnih supravodljivih (HTS) magneta, koji omogućavaju uređaji relativno male snage i male veličine, ali visokih performansi i potencijalno široko rasprostranjene komercijalne primene. Njegov prvi tokamak sa isključivo HTS magnetima – ST25 HTS, drugi reaktor Tokamak Energy – pokazao je 29 sati neprekidnog rada plazme tokom Letne naučne izložbe Kraljevskog društva u Londonu 2015. godine, što je svjetski rekord.
Sledeći reaktor je ST40 u Milton Parku u Oksfordširu, koji je postigao prvu plazmu u aprilu 2017. On je proizveo temperature plazme od 15 miliona stepeni Celzijusa 2018. i 2019. nakon puštanja u rad daljnjih magnetnih zavojnica. Izvršni direktor Tokamak Energy David Kingham rekao je: "ST40 je dizajniran da postigne temperaturu od 100 miliona stepeni C i da se uklopi u faktor od deset energetskih neispravnih uslova." Kompanija radi sa Princeton Laboratorijom za fiziku plazme na sfernim tokamacima i sa Centrom za nauku i fuziju plazme na MIT-u na HTS magnetima.U julu 2020. dobila je 10 miliona funti od Ministarstva za poslovnu, energetsku i industrijsku strategiju Ujedinjenog Kraljevstva (BEIS) , kao dio vladinog projekta Napredni modularni reaktor. Sredstva će doprinijeti osnovnom razvoju rada na visokotemperaturnim supravodljivim (HTS) magnetima i tehnologijama izduvnog sistema plazme (divertor). Preusmjerivač mora podneti visoke nivoe toplote i bombardovanja česticama dok uklanja nečistoće i otpad iz sistema. Cilj mu je da do 2030. ima prototip koji će isporučivati električnu energiju u mrežu.
KSTARKSTAR
(Korean Superconducting Tokamak Reactor) u Nacionalnom institutu za istraživanje fuzije (NFRI) u Daejeonu proizveo je svoju prvu plazmu sredinom 2008. godine. To je pilot uređaj za ITER i uključuje mnogo međunarodne saradnje. To će biti satelit ITER-a tokom operativne faze ITER-a od ranih 2020-ih. Tokamak velikog radijusa 1,8 metara je prvi koji koristi Nb3Sn supravodljive magnete, isti materijal koji će se koristiti u projektu ITER. Njegova prva faza razvoja do 2012. godine bila je dokazivanje osnovnih operativnih tehnologija i postizanje plazma impulsa do 20 sekundi. Za drugu fazu razvoja (2013-2017), KSTAR je nadograđen za proučavanje dugih impulsa do 300 sekundi u H modu – cilj 100s je bio 2015. – i krenuo u AT način visokih performansi. Postigao je 70 sekundi u plazma operaciji visokih performansi krajem 2016. svetski rekord. Osim toga, KSTAR istraživači su također uspeli da postignu alternativni napredni način rada plazme sa unutrašnjom transportnom barijerom (ITB). Ovo je strmi gradijent pritiska u jezgri plazme zbog pojačanog zatvaranja plazme u jezgru. NFRI je rekao da je ovo prva ITB operacija postignuta u supravodljivom uređaju pri najnižoj snazi grejanja.
K-DEMO tokamak
U saradnji s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) američkog Ministarstva energetike u New Jerseyu i Južnokorejskim Nacionalnim institutom za istraživanje fuzije (NFRI), K-DEMO bi trebao biti sledeći korak ka komercijalnim reaktorima iz ITER-a, i to bi bila prva elektrana da zapravo doprinese snazi električnoj mreži. Prema PPPL-u, proizveo bi "oko 1 milijardu vati snage nekoliko sedmica za redom", što je mnogo veći učinak od ITER-ovog cilja da proizvodi 500 miliona vati za 500 sekundi do kasnih 2020-ih. Očekuje se da će K-DEMO imati tokamak velikog radijusa prečnika 6,65 m i testni modul za pokrivanje kao deo istraživanja i razvoja DEMO oplemenjivačkog pokrivača. Ministarstvo obrazovanja, nauke i tehnologije planira uložiti oko 1 bilion KRW (941 milion dolara) u projekat. Oko 300 milijardi KRW te potrošnje je već finansirano. Vlada očekuje da će projekat zaposliti skoro 2.400 ljudi u prvoj fazi, koja će trajati tokom 2016. Očekuje se da će K-DEMO imati početnu operativnu fazu od otprilike 2037. do 2050. godine kako bi razvio komponente za drugu fazu, koje bi proizvodile električnu energiju.
ISTOK
U Kini, Eksperimentalni napredni superprovodni tokamak (EAST) na Institutu za fizičke nauke Hefei (HFIPS) Kineske akademije nauka proizveo je vodikovu plazmu na 50 miliona stepeni Celzijusa i držao je 102 sekunde 2017. U novembru 2018. dostigao je 100 miliona stepeni Celzijusa. u trajanju od 10 sekundi, uz ulaz od 10 MW električne energije. U julu 2020. EAST je postigao potpuno neinduktivnu, strujnu, stabilnu plazmu u trajanju od više od 100 sekundi, što se tvrdilo kao proboj sa značajnim implikacijama za budući kineski fuzijski inženjerski testni reaktor (CFETR). U maju 2021. postavila je novi svetski rekord u postizanju temperature plazme od 120 miliona stepeni Celzijusa za 101 sekundu. Eksperiment je takođe ostvario temperaturu plazme od 160 miliona stepeni Celzijusa, u trajanju od 20 sekundi.
TFTR
U SAD-u, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) je radio u Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) od 1982. do 1997. U decembru 1993. TFTR je postao prvi uređaj za magnetnu fuziju koji je izvodio opsežne eksperimente sa plazmom sastavljenom od DT. Sledeće godine TFTR je proizveo 10,7 MW kontrolirane snage fuzije – rekord u to vreme. TFTR je postavio i druge rekorde, uključujući postizanje temperature plazme od 510 miliona stepeni Celzijusa 1995. Međutim, nije postigao svoj cilj energije fuzije (gde potrebna energija veća od količine proizvedene energije fuzije ), ali je postigao sve svoje ciljeve dizajna hardvera, dajući tako značajan doprinos razvoju ITER-a.
ALCATOR
Na Massachusetts Institute of Technology (MIT) od 1970-ih niz malih torusnih reaktora ALCATOR (Alto Campus Torus) sa visokim magnetnim poljem radi na principu postizanja visokog pritiska plazme kao puta do dugog zadržavanja plazme. Za Alcator C-Mod se tvrdi da ima najveće magnetno polje i najveći pritisak plazme od svih fuzijskih reaktora i najveći je univerzitetski fuzijski reaktor na svetu. Delovao je 1993-2016. U septembru 2016. postigao je pritisak plazme od 2,05 atmosfere na temperaturi od 35 miliona stepeni Celzijusa. Plazma je proizvela 300 triliona fuzijskih reakcija u sekundi i imala je središnju jačinu magnetnog polja od 5,7 tesla. Nosio je 1,4 miliona ampera električne struje i grejao se sa preko 4 MW snage. Reakcija se odvijala u zapremini od približno 1 kubnog metra, a plazma je trajala dve sekunde. Nakon postizanja ovog rekordnog učinka za fuzijski reaktor, državno finansiranje je prestalo.Uvećana verzija planirana za izgradnju u Triotsku blizu Moskve u saradnji sa Kurčatovskim institutom je Ignitor, sa torusom prečnika 1,3 m.
Veliki spiralni uređaj – stelarator
Veliki spiralni uređaj (LHD) na japanskom Nacionalnom institutu za nauku o fuziji u Tokiju, u prefekturi Gifu, bio je najveći stelarator na svetu. LHD je proizveo svoju prvu plazmu 1998. godine i pokazao je svojstva zadržavanja plazme uporediva sa drugim velikim fuzionim uređajima. Postigao je temperaturu jona od 13,5 keV (oko 160 miliona stepeni) i pohranjenu energiju plazme od 1,44 miliona džula (MJ).
Wendelstein 7-X stelarator
Nakon godinu dana testiranja, ovo je počelo krajem 2015., a helijumska plazma je nakratko dostigla oko milion stepeni Celzijusa. U 2016. godini prešao je na korištenje vodonika, a koristeći 2 MW postigao je plazmu od 80 miliona stepeni Celzijusa za četvrt sekunde. W7-X je najveći stelarator na svetu i planirano je da radi neprekidno do 30 minuta. Koštao je milijardu evra (1,1 milijardu dolara). Neki dobri dijagrami nalaze se u članku Business Insider Australia o Wendelsteinu 7-X.
Heliac-1 stelarator U Australijskom institutu za istraživanje fuzije plazme na Australijskom nacionalnom univerzitetu, stelarator H-1 je radio nekoliko godina, a 2014. je značajno nadograđen. H-1 je sposoban za pristup širokom rasponu plazma konfiguracija i omogućava istraživanje ideja za poboljšani magnetni dizajn fuzijskih elektrana koje će pratiti ITER.
National Ignition Facility – laser
Najmoćnije postrojenje za lasersku fuziju na svetu, National Ignition Facility (NIF) vredno 4 milijarde dolara u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL), završeno je u martu 2009. godine. Koristeći svoja 192 laserska zraka, NIF je u stanju da isporuči više od 60 puta veću energiju od bilo koji prethodni laserski sistem do cilja . LLNL je u julu 2012. objavio da je u "istorijskom laserskom snimku koji obara rekord, NIF laserski sistem od 192 zraka isporučio je više od 500 TW vršne snage i 1,85 megadžula (MJ) ultraljubičastog laserskog svetla do cilja (prečnika 2 mm)" za nekoliko trilionitih delova sekunde. U septembru 2013. godine po prvi put je količina energije oslobođena reakcijom fuzije (14 kJ) premašila količinu energije koju je apsorbovalo gorivo, ali ne i količinu koju isporučuju džinovski laseri (1,8 MJ). U avgustu 2021. LLNL je rekao da je postigao prinos od 1,3 MJ, mnogo bolji od svog prethodnog najboljeg od 55 kJ u 2018. On je rekao da je ovo "istorijski korak napred za inercijalno ograničenje" stavljajući ga "na prag fuzionog paljenja. "
Raniji laser velike snage u LLNL-u, Nova, izgrađen je 1984. u svrhu postizanja paljenja. Nova je to propustila da uradi i zatvorena je 1999. godine, ali je dala bitne podatke koji su doveli do dizajna NIF-a. Nova je također generisala značajne količine podataka o fizici materije visoke gustoće, koja je korisna kako u fuzionoj energiji tako iu istraživanju nuklearnog oružja.
U vezi sa NIF-om, LLNL razvija Laser Inertial Fusion Engine (LIFE), hibridni fuzioni sistem u kojem bi neutroni nastali laserskom fuzijom pokretali subkritični sloj nuklearne fisije da bi proizveli električnu energiju. Pokrivač bi sadržavao ili osiromašeni uranijum; korišteno nuklearno gorivo; prirodni uranijum ili torij; ili plutonijum-239, manji aktinidi i fisijski proizvodi iz prerađenog korišćenog nuklearnog goriva 4.
Laser Mégajoule
U međuvremenu, Francuska Komisija za atomsku energiju (Commissariat à l'énergie atomique, CEA) je od 2014. godine upravljala laserom slične veličine – Laser Mégajoule (LMJ) – u blizini Bordoa. Njegovih 240 laserskih zraka može generisati 1,8 MJ impulsa za nekoliko MJ impulsa milijarditi deo sekunde, koncentrisan na malu metu deuterijuma i tricijuma. Prototip lasera, Ligne d'Integration Laser (LIL), počeo je sa radom 2003. godine.
SG-II
Kineska nacionalna laboratorija za lasere i fiziku velike snage, povezana s Kineskom akademijom nauka, ima eksperiment sa laserskim inercijskim zatvaranjem u Šangaju – Shenguang-II lasersko postrojenje s osam zraka (SG-II), slično Nacionalnom postrojenju za paljenje u SAD i Laser Mégajoule u Francuskoj. To je jedini čvrsti laser od neodimijum stakla velike snage sa aktivnom sondom u Kini. Godine 2005. dodat je deveti snop, čime se unapređuje kapacitet za istraživanje fuzije. SG-II postrojenje je kineska međunarodna demonstracijska baza laserske tehnologije velike snage.
PETAL i HiPER laseri
Lasersko postrojenje Petawatt Aquitaine Laser (PETAL) je visokoenergetski multi-petawatt laser (3,5 kJ energije sa trajanjem od 0,5 do 5 ps) u izgradnji u blizini Bordeauxa, na istoj lokaciji kao i LIL. PETAL će biti uparen sa LIL-om kako bi se demonstrirala fizika i laserska tehnologija brzog paljenja. Prvi eksperimenti se očekuju 2012. godine.
Istraživačko postrojenje za lasersku energiju velike snage (HiPER) je dizajnirano da nadograđuje istraživanja planirana na projektu PETAL. HiPER će koristiti dugo pulsni laser (trenutno se procenjuje na 200 kJ) u kombinaciji sa kratko pulsnim laserom od 70 kJ. Trogodišnja pripremna faza koja je započela 2008. godine ima direktno finansiranje ili obaveze u naturi u iznosu od oko 70 miliona eura iz nekoliko zemalja. Predviđeno je da faza detaljnog inženjeringa počne 2011. godine, a faza izgradnje u trajanju od šest godina bi mogla početi do 2014. godine.
Z mašina
Z mašina kojom upravlja Sandia National Laboratories je najveći generator rendgenskih zraka na svetu. Kao i kod NIF-a, objekat je izgrađen u okviru državnog Programa upravljanja zalihama, koji ima za cilj održavanje zaliha nuklearnog oružja bez potrebe za testiranjem u punom obimu.
Uslovi za fuziju se postižu propuštanjem snažnog električnog impulsa f (u trajanju manje od 100 nanosekundi) kroz set finih volframovih žica unutar metalnog hohlrauma g. Žice se pretvaraju u plazmu i doživljavaju kompresiju ('Z-štipanje'), prisiljavajući isparene čestice da se sudare jedna s drugom, stvarajući tako intenzivno rendgensko zračenje. Mali cilindar koji sadrži fuzijsko gorivo smešten unutar hohlrauma bi stoga bio komprimiran rendgenskim zracima, omogućavajući fuziju.
2006. Z mašina je postigla temperaturu od preko 2 milijarde stepeni, 6 znatno veći od onoga što je potrebno za fuziju, a u teoriji dovoljno visok da omogući nuklearnu fuziju vodika s težim elementima kao što su litij ili bor.
Ostali projekti fuzije
Postoji znatna količina istraživanja mnogih drugih fuzijskih projekata u različitim fazama razvoja.
Lockheed CFR . Lockheed Martin u svom takozvanom 'skunk work-u' razvija kompaktni fuzijski reaktor(CFR) koji koristi konvencionalnu DT plazmu u evakuisanom kontejneru, ali je ograničava drugačije. Umesto ograničavanja plazme unutar cevnih prstenova, serija supravodljivih zavojnica će generisati novu geometriju magnetnog polja u kojoj se plazma drži unutar širih granica cele reakcione komore. Energija se dobiva radiofrekventnim grejanjem. Superprovodni magneti unutar kalemova će generisati magnetno polje oko spoljne granice komore. Cilj je doći do toga da pritisak plazme bude jednako velik kao pritisak zatvaranja na dovoljno visokoj temperaturi za paljenje i neto energetski prinos. Izmenjivači topline u zidu reaktora prenosili bi energiju na plinsku turbinu. Uznapredovao je do eksperimenta magentiziranog zatvaranja jona, ali mora preći put prije bilo kojeg prototipa,
Italijanska nacionalna agencija za nove tehnologije, energiju i održivi ekonomski razvoj (ENEA) razvija mali tokamak reaktor pod imenom Ignitor . Prema italijansko-ruskom sporazumu potpisanom u maju 2010. godine, reaktor će biti sastavljen u Italiji i instaliran na Institutu za inovacije i fuzijska istraživanja (TRINITI) Instituta Kurčatov u blizini Moskve 7.
Alternativa korištenju moćnih lasera za inercijsku fuziju zatvorenog tipa je 'fuzija teških jona ', gde se čestice visoke energije iz akceleratora fokusiraju pomoću magnetnih polja na cilj fuzije. NDCX -II (Neutralized Drift Compression Experiment II) akcelerator se koristi za eksperimente fuzije teških jona od 2012. u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley. Proširuje se da isporučuje kratke intenzivne impulse jonskih snopa kinetičke energije od 1,2 MeV. Eksperimenti fizike visoke gustoće energije (HEDP) s laboratorijskom plazmom rastući su dio fizike energije inercije fuzije (IFE).
LPP Fusion (Lawrenceville Plasma Physics) je američka kompanija koja razvija aneutronsku fuziju koristeći uređaj za fokusiranje guste plazme (DPF ili fokusna fuzija ) i vodonik-bor gorivo. Vodonik i bor (B-11) kao plazma se spajaju na visokoj temperaturi da formiraju impulsni snop jezgri helijuma bez emitovanja neutrona. (Bor i vodonik se kombinuju da bi proizveli kratki srednji atom ugljika-12 koji se brzo raspada na tri alfa čestice.) Ovaj nabijeni visokoenergetski jonski snop generiše električnu energiju dok prolazi kroz niz zavojnica sličnih transformatoru, sa efikasnošću od 80%. . Ravnoteža energije je nusproizvod rendgenskih zraka koji se hvataju u niz fotoelektričnih receptora. LPP Fusion je postigao energiju elektrona od 400 keV.
Druga linija istraživanja fuzije pomoću lasera također uključuje spajanje vodika i bora-11 za proizvodnju jezgara helijuma, koje nastavljaju lančanu reakciju iz bora. Jedan laser generiše snažno magnetsko ograničenje polja u zavojnici kako bi uhvatio reakciju fuzije u malom području na nanosekundu, dok drugi snažniji laser pokreće proces nuklearne fuzije. Rana ispitivanja fuzije H - 11 B u praškom Asterix laserskom sistemu, koristeći visokoenergetske jodne lasere, generisala su više energije nego što je potrebno za pokretanje procesa fuzije.
HB11 Energy u Australiji razvija ovo i ima za cilj korištenje netermalne laserske tehnologije za spajanje vodika i bora-11. Nanosekundni laserski impuls zapaljuje reakciju fuzije HB, zatim drugi laser i kapacitivni kalem proizvode kilotesla magnetsko polje kako bi povećali prinos reakcije. Ovaj korak je sada u fokusu istraživanja. Prinos se dodatno povećava lančanom reakcijom za stvaranje jezgara helijuma koje su zarobljene u nabijenoj sferi prečnika najmanje dva metra kako bi se proizvela električna energija direktno, bez ikakvog parnog kruga. Alfa čestice od 2,9 MeV predstavljaju do 300 kWh energije po 15 mg H- 11 B goriva. Novi projekat razvija materijale za gorivo sintetizacijom vodikovih borida obogaćenih borom-11 i nanolistova bor nitrida adsorbovanih vodonikom. Oni će biti testirani u laserskim postrojenjima u inostranstvu.
Uređaj Polywell („poliedar“ u kombinaciji sa „potencijalnom bušotinom“) sastoji se od magnetnih namotaja raspoređenih u poliedarskoj konfiguraciji sa šest strana, formirajući kocku. Oblak elektrona je zatvoren u sredini uređaja kako bi mogao ubrzati i ograničiti pozitivne ione koji se spajaju. Ovaj koncept elektrostatičkog zatvaranja razlikuje se od tradicionalnog magnetnog zatvaranja jer polja ne moraju da ograničavaju jone – samo elektrone. EMC2 Fusion Development Corporation istražuje koncept Polywella i gleda na vodonik i bor kao gorivo za aneutronsku fuziju. Ovo je usliedilo nakon nekoliko godina razvoja američke mornarice, koristeći deuterijsko gorivo.
General Fusionje jedan od brojnih privatnih napora za razvoj komercijalne fuzijske elektrane. Kompanijski pristup magnetizirane ciljne fuzije (MTF) stvara kompaktnu toroidnu plazmu u inektoru, koji je sadrži i kompresuje pomoću magnetnog polja pre nego što je ubrizgava u sfernu kompresionu komoru. Komora sadrži tečni olovo-litijumski omotač koji se pumpa da bi se stvorio vrtlog u koji se ubrizgava plazma meta. Sinhronizovani niz klipova koji istovremeno pucaju stvaraju sferni talas kompresije u tečnom metalu, komprimujući plazma metu i zagrevajući je do uslova fuzije. Osnovan u Kanadi 2002. godine, General Fusion je finansiran od strane sindikata privatnih investitora, energetskih kompanija rizičnog kapitala, državnih fondova i kanadskog vladinog fonda za tehnologiju održivog razvoja Kanade (SDTC). Daljnji vladin grant najavljen je u oktobru 2018. iz Fonda za strateške inovacije. Kompanija je pokazala prekretnice uključujući stvaranje magnetizirane sferomak plazme od 200-300 eV i njihovo zadržavanje na preko 500 µs.
Većina trenutnog rada na MTF-u izvedena je iz programa na sovjetskom Kurčatovskom institutu za atomsku energiju, pod vodstvom EP Velikhova, oko 1970. Ovo je inspirisalo projekat LINUS u Laboratoriji za istraživanje mornarice u SAD-u, a kasnije i projekat brzih brodova u Los. Alamos.
General Atomics je upravljao tokamakom DIII-D u San Diegu za Ministarstvo energetike SAD od kasnih 1980-ih. Cilj mu je uspostaviti naučnu osnovu za optimizaciju tokamaka pristupa proizvodnji fuzijske energije.
Hladna fuzija
U martu 1989. iznesene su spektakularne tvrdnje za još jedan pristup, kada su dva istraživača, u SAD-u (Stanley Pons) i UK (Martin Fleischmann), tvrdila da su postigli fuziju u jednostavnom stolnom aparatu koji radi na sobnoj temperaturi. 'N-Fuzija', ili 'hladna fuzija', uključuje elektrolizu teške vode pomoću paladijumskih elektroda na kojima se kaže da se jezgra deuterijuma koncentrišu pri vrlo visokim gustinama. Istraživači su tvrdili da se proizvodi toplina – koja se može objasniti samo u terminima nuklearnih procesa – kao i nusprodukti fuzije, uključujući helijum, tricij i neutrone. Međutim, drugi eksperimentatori to nisu uspeli ponoviti, a većina naučne zajednice to više ne smatra pravim fenomenom.
Niskoenergetske nuklearne reakcije (LENR)
Pokrenuto tvrdnjama o 'hladnoj fuziji', istraživanja na nivou nanotehnologije nastavljaju se na niskoenergetskim nuklearnim reakcijama (LENR) koje očito koriste slabe nuklearne interakcije (umesto jake sile kao u nuklearnoj fisiji ili fuziji) za stvaranje niskoenergetskih neutrona, nakon čega slede procesi hvatanja neutrona koji rezultiraju izotopskom promenom ili transmutacijom, bez emisije jakog promptnog zračenja. LENR eksperimenti uključuju prodiranje vodika ili deuterijuma kroz katalitički sloj i reakciju s metalom. Istraživači izveštavaju da se energija oslobađa, iako na bilo kojoj reproduktivnoj osnovi, vrlo malo više nego što je uneseno. Glavni praktični primer je prah vodonika i nikla koji očito daje više topline nego što se može objasniti na bilo kojoj kemijskoj osnovi.
Japanska vlada sponzorira LENR istraživanje – posebno projekat energije vodonika nano-metala (MHE) – preko svoje organizacije za razvoj nove energije i industrijske tehnologije (NEDO), a Mitsubishi je također aktivan u istraživanju. Tokom 2015-2019 Google je finansirao 30 istraživača na tri projekta i nije našao nikakve dokaze da je LENR moguć, ali su napravili određeni napredak u tehnikama merenja i nauke o materijalima. Bilo je nekih naznaka da dva projekta koja uključuju paladijum zaslužuju dalje proučavanje.
Procena snage fuzije
Korištenje fuzijskih elektrana moglo bi značajno smanjiti uticaje na okoliš povećane svetske potražnje za električnom energijom jer, poput energije nuklearne fisije, ne bi doprinele kiselim kišama ili efektu staklene bašte. Snaga fuzije mogla bi lako zadovoljiti energetske potrebe povezane s kontinuiranim ekonomskim rastom, s obzirom na raspoloživost goriva. Ne bi bilo opasnosti od brze reakcije fuzije jer je to suštinski nemoguće i svaki kvar bi rezultirao brzim zatvaranjem postrojenja.
Međutim, iako fuzija ne stvara dugovečne radioaktivne proizvode i nesagoreli plinovi se mogu tretirati na licu mesta, postojao bi kratkoročni do srednjoročni problem radioaktivnog otpada zbog aktivacije konstrukcijskih materijala. Neki sastavni materijali će postati radioaktivni tokom životnog veka reaktora, zbog bombardovanja neutronima visoke energije, i na kraju će postati radioaktivni otpad. Količina takvog otpada bila bi slična odgovarajućim količinama iz fisijskih reaktora. Međutim, dugotrajna radiotoksičnost fuzijskog otpada bila bi znatno niža od one od aktinida u korištenom fisionom gorivu, a otpadom od aktivacijskih proizvoda postupalo bi se na isti način kao i sa otpadom iz fisijskih reaktora s nekoliko godina rada. 8.
Postoje i druge zabrinutosti, prvenstveno u vezi sa mogućim ispuštanjem tricijuma u životnu sredinu. Radioaktivan je i vrlo ga je teško zadržati jer može da prodre u beton, gumu i neke vrste čelika. Kao izotop vodonika, lako se ugrađuje u vodu, čineći samu vodu slabo radioaktivnom. Sa poluživotom od oko 12,3 godine, prisustvo tricijuma ostaje pretnja zdravlju oko 125 godina nakon što je stvoren, u obliku plina ili u vodi, ako je u visokim razinama. Može se udahnuti, apsorbovati kroz kožu ili progutati. Udahnuti tricijum se širi po mekim tkivima, a voda sa tricijom se brzo meša sa svom vodom u telu. Iako postoji samo mali inventar tricijuma u fuzijskom reaktoru – nekoliko grama – svaki bi mogao ispustiti značajne količine tricijuma tokom rada kroz rutinsko curenje, pod pretpostavkom najboljih sistema zaštite. Nesreća bi mogla osloboditi još više. Ovo je jedan od razloga zašto se dugoročne nade polažu u proces fuzije deuterijuma i deuterijuma, bez tricijuma.
Dok snaga fuzije očito ima mnogo toga za ponuditi kada se tehnologija konačno razvije, problemi povezani s njom također se moraju rešiti ako želimo da postane široko korišteni budući izvor energije.
Danas mnoge zemlje u određenoj meri učestvuju u istraživanjima fuzije, predvođene Evropskom unijom, SAD-om, Rusijom i Japanom, sa snažnim programima koji su također u toku u Kini, Brazilu, Kanadi i Koreji. U početku su istraživanja fuzije u SAD-u i SSSR-u bila povezana s razvojem atomskog oružja, a ostala su poverljiva do konferencije Atoms for Peace u Ženevi 1958. godine. Nakon proboja u sovjetskom tokamaku, istraživanje fuzije postalo je 'velika nauka' 1970-ih. Ali cena i složenost uključenih uređaja porasli su do tačke u kojoj je međunarodna saradnja bila jedini put napred.
Fuzija pokreće Sunce i zvezde dok se atomi vodonika spajaju u helijum, a materija se pretvara u energiju. Vodik, zagrejan na vrlo visoke temperature, prelazi iz plina u plazmu u kojoj su negativno nabijeni elektroni odvojeni od pozitivno nabijenih atomskih jezgara (jona). Normalno, fuzija nije moguća jer jake odbojne elektrostatičke sile između pozitivno nabijenih jezgara sprečavaju ih da se približe dovoljno da se sudare i da dođe do fuzije. Međutim, ako su uslovi takvi da jezgre mogu savladati elektrostatičke sile do te mere da mogu doći u vrlo blizak raspon jedna od druge, tada će privlačna nuklearna sila (koja veže protone i neutrone zajedno u atomskim jezgrama) između jezgri nadmašiti odbojnu (elektrostatičku) silu, omogućavajući jezgrima da se spoje zajedno. Takvi uslovi se mogu javiti kada se temperatura poveća, uzrokujući da se joni kreću brže i na kraju postignu brzine koje su dovoljno velike da se ioni dovoljno približe. Jezgra se tada mogu spojiti, uzrokujući oslobađanje energije.
Na Suncu, ogromne gravitacione sile stvaraju prave uslove za fuziju, ali na Zemlji ih je mnogo teže postići. Fuziono gorivo – različiti izotopi vodonika – moraju se zagrejati do ekstremnih temperatura od reda od 50 miliona stepeni Celzijusa, i moraju se održavati stabilnim pod intenzivnim pritiskom, dakle dovoljno gustim i zatvorenim dovoljno dugo da se omogući jezgrima da se spoje. Cilj programa istraživanja kontrolisane fuzije je postizanje 'zapaljenja', koje se dešava kada se odigra dovoljno reakcija fuzije da proces postane samoodrživ, a zatim se dodaje sveže gorivo kako bi se nastavio. Kada se postigne paljenje, postoji neto energetski prinos – oko četiri puta veći nego kod nuklearne fisije. Prema Massachusetts Institute of Technology (MIT), količina proizvedene energije raste s kvadratom pritiska.
Sa trenutnom tehnologijom, reakcija je najlakše izvodljiva između jezgara dva teška oblika (izotopa) vodonika – deuterijuma (D) i tricijuma (T). Svaki događaj DT fuzije oslobađa 17,6 MeV (2,8 x 10 -12 džula, u poređenju sa 200 MeV za U-235 fisiju i 3-4 MeV za DD fuziju). Na osnovu mase, reakcija DT fuzije oslobađa preko četiri puta više energije od fisije uranijuma. Deuterijum se prirodno nalazi u morskoj vodi (30 grama po kubnom metru), što ga čini veoma bogatim u odnosu na druge energetske resurse. Tricijum se prirodno javlja samo u tragovima (proizveden kosmičkim zracima) i radioaktivan je, sa poluživotom od oko 12 godina. Korisne količine mogu se proizvesti u konvencionalnom nuklearnom reaktoru, ili u sadašnjem kontekstu, uzgojene u fuzijskom sistemu od litijuma. Litijum se nalazi u velikim količinama (30 delova na milion) u Zemljinoj kori i u manjim koncentracijama u moru.
U fuzijskom reaktoru, koncept je da će neutroni nastali iz DT fuzijske reakcije biti apsorbirani u pokrivač koji sadrži litijum koji okružuje jezgro. Litijum se zatim transformiše u tricijum (koji se koristi za gorivo reaktora) i helijum. Pokrivač mora biti dovoljno debeo (oko 1 metar) da uspori neutrone visoke energije (14 MeV). Kinetičku energiju neutrona apsorbira pokrivač, uzrokujući njegovo zagrijavanje. Toplotna energija se prikuplja rashladnom tečnošću (voda, helijum ili Li-Pb eutektik) koja teče kroz pokrivač i, u fuzionoj elektrani, ova energija će se koristiti za proizvodnju električne energije konvencionalnim metodama. Ako se proizvodi nedovoljno tritijuma, mora se koristiti neki dodatni izvor kao što je korištenje fisijskog reaktora za ozračivanje teške vode ili litija neutronima.
Poteškoća je bila razviti uređaj koji može zagrejati DT gorivo na dovoljno visokoj temperaturi i zadržati ga dovoljno dugo tako da se više energije oslobađa kroz reakcije fuzije nego što se koristi za pokretanje reakcije. Dok je DT reakcija glavni fokus pažnje, dugoročne nade su u DD reakciju, ali to zahteva mnogo više temperature.
U svakom slučaju, izazov je primeniti toplinu na ljudske potrebe, prvenstveno proizvodnju električne energije. Gustoća energije reakcija fuzije u gasu je mnogo manja nego kod reakcija fisije u čvrstom gorivu, a kao što je navedeno, prinos toplote po reakciji je 70 puta manji. Stoga će termonuklearna fuzija uvek imati mnogo manju gustoću snage od nuklearne fisije, što znači da svaki fuzijski reaktor mora biti veći i stoga skuplji od fisijskog reaktora iste izlazne snage. Osim toga, nuklearni fisijski reaktori koriste čvrsto gorivo koje je gušće od termonuklearne plazme, tako da je energija koja se oslobađa više koncentrisana. Takođe, energija neutrona iz fuzije je veća nego iz fisije – 14,1 MeV umesto oko 2 MeV, što predstavlja značajne izazove u pogledu konstrukcijskih materijala.
Trenutno se proučavaju dva glavna eksperimentalna pristupa: magnetno ograničenje i inercijalno ograničenje. Prva metoda koristi jaka magnetna polja za zadržavanje vruće plazme. Drugi uključuje kompresiju male kuglice koja sadrži fuzijsko gorivo do ekstremno velike gustine pomoću jakih lasera ili zraka čestica
Magnetno zatvaranje
U magnetnoj zatvorenoj fuziji (MCF), stotine kubnih metara DT plazme gustoće manje od miligrama po kubnom metru ograničeno je magnetnim poljem pri pritisku od nekoliko atmosfera i zagrijano do temperature fuzije.
Magnetna polja su idealna za ograničavanje plazme jer električni naboji odvojenih jona i elektrona znače da prate linije magnetnog polja. Cilj je sprečiti čestice da dođu u kontakt sa zidovima reaktora jer će to raspršiti njihovu toplinu i usporiti ih. Najefikasnija magnetna konfiguracija je toroidna, u obliku krofne, u kojoj je magnetsko polje zakrivljeno okolo da formira zatvorenu petlju. Za pravilno ograničenje, ovo toroidno polje mora imati superponiranu komponentu okomitog polja (poloidno polje). Rezultat je magnetno polje sa linijama sila koje prate spiralne (helikalne) staze koje ograničavaju i kontroliraju plazmu.
Postoji nekoliko tipova sistema toroidnog zatvaranja, od kojih su najvažniji tokamaki, stelaratori i uređaji sa obrnutim pinčom (RFP).
tokamak
U tokamaku, toroidno polje stvara niz zavojnica ravnomerno raspoređenih oko reaktora u obliku torusa, a poloidno polje stvara sistem horizontalnih zavojnica izvan strukture toroidnog magneta. Jaka električna struja se indukuje u plazmi pomoću centralnog solenoida, a ova indukovana struja takođe doprinosi poloidnom polju.
stelator
U stelaratoru, spiralne linije sile proizvode se nizom zavojnica koje i same mogu biti spiralnog oblika. Za razliku od tokamaka, stelaratorima nije potrebna toroidna struja da bi se indukovalau plazmi. RFP uređaji imaju iste toroidne i poloidne komponente kao tokamak, ali struja koja teče kroz plazmu je mnogo jača i smjer toroidnog polja unutar plazme je obrnut.
U tokamacima i RFP uređajima, struja koja teče kroz plazmu služi i za njeno zagrevanje do temperature od oko 10 miliona stepeni Celzijusa. Osim toga, potrebni su dodatni sistemi grejanja da bi se postigle temperature potrebne za fuziju. U stelaratorima, ovi sistemi grejanja moraju snabdeti svu potrebnu energiju.
Tokamak ( toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka – magnetna komora u obliku torusa) dizajnirali su 1951. sovjetski fizičari Andrej Saharov i Igor Tamm. Tokamaci rade u okviru ograničenih parametara izvan kojih može doći do iznenadnih gubitaka ograničenja energije (poremećaja), uzrokujući velika termička i mehanička naprezanja na konstrukciji i zidovima. Ipak, smatra se dizajnom koji najviše obećava, a istraživanja se nastavljaju na raznim tokamacima širom sveta.
unutrašnjost ST 40 tokamak reaktora
Istraživanja se provode i na nekoliko tipova stelaratora. Lyman Spitzer je osmislio i započeo rad na prvom fuzijskom uređaju – stelaratoru – u Laboratoriji za fiziku plazme u Princetonu 1951. godine. Zbog poteškoća u ograničavanju plazme, stelaratori su pali u nemilost sve dok tehnike kompjuterskog modeliranja nisu omogućile izračunavanje tačne geometrije. Budući da stelaratori nemaju toroidnu struju plazme, stabilnost plazme je povećana u odnosu na tokamake. Budući da se plamena plazma može lakše kontrolisati i nadgledati, steleratori imaju intrinzičan potencijal za stabilan, kontinuirani rad. Nedostatak je što su, zbog svog složenijeg oblika, stelaratori mnogo složeniji za dizajn i izradu od tokamaka.
RFP uređaji se razlikuju od tokamaka uglavnom po prostornoj distribuciji toroidnog magnetnog polja, koje menja predznak na rubu plazme. RFX mašina u Padovi, Italija, koristi se za proučavanje fizičkih problema koji proizlaze iz spontane reorganizacije magnetnog polja, što je suštinska karakteristika ove konfiguracije.
Inercijalno zatvaranje
U inercijskoj zatvorenoj fuziji, koja je novija linija istraživanja, laserski ili jonski snopovi se fokusiraju vrlo precizno na površinu mete, koja je pelet DT goriva, prečnika nekoliko milimetara. Ovo zagreva vanjski sloj materijala, koji eksplodira prema napolju, stvarajući kompresijski front ili imploziju koja se sabija i zagreva unutrašnje slojeve materijala. Jezgro goriva može biti komprimovano do hiljadu puta veće gustine tečnosti, što rezultuje uslovima u kojima može doći do fuzije. Energija koja se tada oslobađa bi zagrevala okolno gorivo, koje takođe može biti podvrgnuto fuziji što dovodi do lančane reakcije (poznate kao paljenje) jer se reakcija širi napolje kroz gorivo. Vreme potrebno da se ove reakcije dogode ograničeno je inercijom goriva (otuda i naziv), ali je manje od mikrosekunde.
Nedavni rad na Institutu za lasersko inženjerstvo Univerziteta u Osaki u Japanu sugeriše da se paljenje može postići na nižim temperaturama s drugim vrlo intenzivnim laserskim impulsom koji se vodi kroz zlatni konus visok milimetar u komprimovano gorivo, i vremenski se podudara s vršnom kompresijom. Ova tehnika, poznata kao 'brzo paljenje', znači da je kompresija goriva odvojena od stvaranja vrućih tačaka paljenjem, što proces čini praktičnijim.
U Velikoj Britaniji First Light Fusion sa sedištem u blizini Oxforda istražuje inercijsku fuzionu energiju (IFE) s fokusom na tehnologiju pokretača snage koristeći pristup asimetrične implozije. Osim proizvodnje električne energije, kompanija predviđa primenu u preradi materijala i hemijskoj proizvodnji.
US National Ignition Facility (NIF) je veliki uređaj za istraživanje inercijalnog zatvaranja fuzije zasnovan na laseru u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore u Kaliforniji. Fokusira 192 moćna laserska zraka u malu metu za nekoliko milijarditih delova sekunde, isporučujući više od 2 MJ ultraljubičaste energije i 500 TW vršne snage. Potpuno drugačiji koncept, 'Z-pinch' (ili 'zeta pinch'), koristi snažnu električnu struju u plazmi za generiranje X-zraka, koji komprimuje mali DT cilindar goriva.
Magnetizovana meta fuzija
Magnetizovana ciljna fuzija (MTF), takođe nazvana magneto-inercijalna fuzija (MIF), je pulsni pristup fuziji koji kombinuje kompresijsko zagrevanje inercijalnog zatvaranja fuzije s magnetski smanjenim termičkim transportom i magnetski poboljšanim alfa zagrevanjem fuzije magnetskog ograničenja.
Trenutno se eksperimentiše sa nizom MTF sistema, koji obično koriste magnetno polje za ograničavanje plazme sa kompresijskim grejanjem koje obezbeđuje laserska, elektromagnetna ili mehanička implozija košuljice. Kao rezultat ovog kombinovanog pristupa, potrebno je kraće vreme zadržavanja plazme nego za magnetno ograničenje (od 100 ns do 1 ms, u zavisnosti od MIF pristupa), smanjujući zahtev za stabilizaciju plazme tokom dugog perioda. Suprotno tome, kompresija se može postići u vremenskim skalama dužim od onih tipičnih za inercijsku konfinaciju, što omogućava postizanje kompresije putem mehaničkih, magnetskih, kemijskih ili laserskih drajvera relativno male snage.
U toku je nekoliko pristupa za ispitivanje MTF-a, uključujući eksperimente u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos, Nacionalnoj laboratoriji Sandia, Univerzitetu u Rochesteru i privatnim kompanijama General Fusion i Helion Energy.
Izazovi istraživanja i razvoja za MTF uključuju da li se prikladna ciljna plazma može formirati i zagejati do uslova fuzije uz izbegavanje kontaminacije iz košuljice, kao što je slučaj sa magnetnim i inercijskim zatvaranjem. Zbog smanjenih zahteva za vreme konfinovanja i brzinama kompresije, MTF je korišten kao jeftiniji i jednostavniji pristup istraživanju ovih izazova od konvencionalnih projekata fuzije.
Hibridna fuzija
Fuzija se također može kombinovati s fisijom u onome što se naziva hibridna nuklearna fuzija gde je pokrivač koji okružuje jezgro subkritični fisijski reaktor. Reakcija fuzije deluje kao izvor neutrona za okolni pokrivač, gde se ovi neutroni hvataju, što rezultuje reakcijama fisije. Ove reakcije fisije bi takođe proizvele više neutrona, čime bi se pomoglo daljnjim reakcijama fisije u omotaču.
Koncept hibridne fuzije može se uporediti sa sistemom vođenim akceleratorom (ADS), gde je akcelerator izvor neutrona za opšte sklopove, a ne reakcije nuklearne fuzije (pogledajte stranicu Nuklearna energija vođena akceleratorom ). Pokrivač hibridnog fuzijskog sistema stoga može sadržavati isto gorivo kao i ADS – na primer, bogat element torij ili dugovečni teški izotopi prisutni u korištenom nuklearnom gorivu (iz konvencionalnog reaktora) mogu se koristiti kao gorivo.
Pokrivač koji sadrži fisiono gorivo u hibridnom fuzijskom sistemu ne bi zahtevao razvoj novih materijala sposobnih da izdrže konstantno neutronsko bombardiranje, dok bi takvi materijali bili potrebni u pokrivaču 'konvencionalnog' fuzijskog sistema. Daljnja prednost hibridnog sistema je u tome što fuzijski deo ne bi trebao proizvoditi onoliko neutrona koliko bi (nehibridni) fuzijski reaktor trebao da bi proizveo više energije nego što se troši – tako da fuzijski reaktor komercijalnog razmera u hibridu sistem ne mora biti velik kao reaktor samo za fuziju.
Istraživanje fuzije
Dugogodišnja dosetka o fuziji ističe da je, od 1970-ih, komercijalna primena fuzijske snage uvek bila udaljena oko 40 godina. Iako u tome ima istine, napravljena su mnoga otkrića, posebno poslednjih godina, a postoji i niz velikih projekata u razvoju koji bi mogli dovesti istraživanje do tačke u kojoj se fuzijska snaga može komercijalizovati.
Izgrađeno je nekoliko tokamaka, uključujući Joint European Torus (JET) i Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) u Velikoj Britaniji i reaktor za ispitivanje fuzije tokamaka (TFTR) u Princetonu u SAD-u. Projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) koji se trenutno gradi u Cadaracheu u Francuskoj biće najveći tokamak kada počne raditi 2020-ih. Kineski testni reaktor za fuzijsko inženjerstvo (CFETR) je tokamak za koji se navodi da je veći od ITER-a i trebao bi biti dovršen 2030. godine. U međuvremenu, pokreće svoj eksperimentalni napredni superprovodljivi tokamak (EAST). U Velikoj Britaniji, Tokamak Energy je pustio u rad i dalje razvija svoj tokamak ST40.
Mnogo istraživanja je takođe sprovedeno na stelaratorima. Veliki od njih, Veliki spiralni uređaj na japanskom Nacionalnom institutu za istraživanje fuzije, počeo je s radom 1998. godine. Koristi se za proučavanje najbolje magnetske konfiguracije za zadržavanje plazme. Na lokaciji Garching Instituta za fiziku plazme Max Planck u Nemačkoj, istraživanja obavljena na Wendelstein 7-AS između 1988. i 2002. napreduju na Wendelstein 7-X, koji je izgrađen tokom 19 godina na lokaciji Max Planck instituta u Greifswaldu. i pokrenut krajem 2015. Drugi stelarator, TJII, radi u Madridu, Španija. U SAD-u, u Princeton Plasma Physics Laboratory, gde su prvi stelaratori izgrađeni 1951. godine, izgradnja NCSX stelleratora je napuštena 2008. zbog prekoračenja troškova i nedostatka sredstava 2.
Takođe je došlo do značajnog pomaka u istraživanju energije inercije fuzije (IFE). Izgradnja Nacionalnog postrojenja za paljenje (NIF) vrednog 7 milijardi dolara u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL), finansiranog od strane Nacionalne administracije za nuklearnu sigurnost, završena je u martu 2009. Laser Mégajoule (LMJ) u francuskoj regiji Bordeaux počeo je s radom u oktobru 2014. Oba su dizajnirana da isporuče, u nekoliko milijarditih delova sekunde, skoro dva miliona džula svetlosne energije do ciljeva veličine nekoliko milimetara. Glavna svrha i NIF-a i LMJ-a je istraživanje koje podržava programe nuklearnog oružja obje zemlje.
ITER
Iterovi magneti
Platforma se prostire na 42 hektara i jedna je od najvećih ravnatih površina koje je napravio čovek na svetu. Postoji 39 zgrada, objekata i izvora napajanja koji će biti potrebni za rad najveće fuzijske mašine. Više od 3000 ljudi doprinosi ITER-ovim građevinskim radovima.
Jednom kada fuzijsko gorivo bude u mašini, moćni sistemi grejanja će podići temperaturu na 150 miliona °C kako bi se stvorila supervruća plazma, koja će biti smeštena unutar komore u obliku krofne. Kako bi se izbegao bilo kakav kontakt između vrućeg plina i zidova komore, gigantski magneti će se ohladiti na -269 °C kako bi postali supravodljivi kako bi se oko njih stvorio masivni magnetni kavez. Ispod površine komponenti izloženih visokim temperaturama biće ugrađene cevi sa rashladnom vodom kako bi se uhvatila toplina koja će se na kraju difundirati kroz rashladne tornjeve. ITER će proizvesti značajnu količinu topline u rasponu od 500 MW za oko 7 minuta.ITER će proizvesti 10 puta više topline nego što se koristi za pokretanje fuzijske reakcije.
Platforma se prostire na 42 hektara i jedna je od najvećih ravnatih površina koje je napravio čovek na svetu. Postoji 39 zgrada, objekata i izvora napajanja koji će biti potrebni za rad najveće fuzijske mašine. Više od 3000 ljudi doprinosi ITER-ovim građevinskim radovima.
(Izvor: F4E)
Godine 1985. Sovjetski Savez je predložio izgradnju tokamaka sledeće generacije s Evropom, Japanom i SAD-om. Saradnja je uspostavljena pod pokroviteljstvom Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA). Između 1988. i 1990. izrađeni su početni dizajni za Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor (ITER, što na latinskom također znači 'put' ili 'putovanje') s ciljem da se dokaže da fuzija može proizvesti korisnu energiju. Četiri strane su se 1992. godine dogovorile da dalje sarađuju na aktivnostima inženjerskog projektovanja za ITER. Kanada i Kazahstan su takođe uključeni preko Euratoma i Rusije, respektivno.
Šest godina kasnije, Veće ITER-a odobrilo je prvi sveobuhvatni dizajn fuzijskog reaktora zasnovanog na dobro utvrđenoj fizici i tehnologiji s cenom od 6 milijardi dolara. Tada su SAD odlučile da se povuku iz projekta, prinudivši smanjenje troškova za 50% i redizajn. Rezultat je bio ITER Fusion Energy Advanced Tokomak (ITER-FEAT) – u početku se očekivalo da će koštati 3 milijarde dolara, ali i dalje postiže ciljeve samoodržive reakcije i neto dobitka energije. Predviđeni energetski dobitak verovatno neće biti dovoljan za elektranu, ali bi trebao pokazati izvodljivost.
2003. godine, SAD su se ponovo pridružile projektu, a Kina je također najavila da će se pridružiti. Nakon diskusije u ćorsokaku, šest partnera pristalo je sredinom 2005. da ITER postavi u Cadarache, u južnoj Francuskoj. Dogovor je uključivao velike ustupke Japanu, koji je Rokkašo naveo kao poželjnu lokaciju. Evropska unija (EU) i Francuska bi doprinele polovinom ukupnih troškova od tada procenjenih 12,8 milijardi eura, dok bi ostali partneri – Japan, Kina, Južna Koreja, SAD i Rusija – uložili po 10 posto. Japan će obezbediti puno visokotehnoloških komponenti, ugostiće postrojenje za testiranje materijala vrednom milijardu eura – Međunarodno postrojenje za zračenje fuzijskih materijala (IFMIF) – i imaće pravo ugostiti naknadni demonstracijski fuzijski reaktor. Indija je krajem 2005. godine postala sedma članica konzorcijuma ITER. U novembru 2006. sedam članica – Kina, Indija, Japan, Rusija, Južna Koreja, SAD i Evropska unija – potpisali su sporazum o implementaciji ITER. Ukupni troškovi ITER-a od 500 MW čine otprilike polovinu za desetogodišnju izgradnju i polovinu za 20 godina rada.
Radovi na pripremi gradilišta u Cadaracheu počeli su u januaru 2007. Prvi beton za zgrade izliven je u decembru 2013. Eksperimenti su trebali početi 2018. godine, kada bi se koristito vodonik kako bi se izbeglo aktiviranje magneta, ali se to sada očekuje 2025. godine. DT plazma se ne očekuje do 2035. ITER je velik jer vreme zadržavanja raste sa kockom veličine mašine. Vakum plovilo će biti prečnika 19 m i visine 11 m, a težiće više od 5000 tona.
Gradilište Itera
1. zgrada Tokamaka ( Dom Iter mašine - zgrada od 7 spratova koja se nalazi 13 metara ispod nivoa platforme i 60 metara iznad )
2. Skupštinska sala - radionica u kojoj će se sklapati različite komponente Iter-a
3. Visok napon- Iterje povezan na francusku nacionalnu mrežu. Zahvaljujući Iterovim transformatorima primljenih 400kVbiće pretvoreno u 22 KV i 66 KV za potrebe lokacije i komponente Itera.
4. Kontrolna zgrada- tu će raditi Iter mašina
7. Hladni bazeni i rashladni tornjevi- za rashlađivanje topline iz vakuumske posude Itera i njegovih komponenti i sistema okrenutih prema plazmi
8. Fabrika zavojnica Poloidal Field_ gde će se za Evropu proizvoditi PF zavojnice prečnika između 17 i 25 metara i težine između 200 i 400 t
9. Krioplant- masivni frižider u kome se nalaze kompresori, hladnjaci kriogeni rezeorvari i pomoćni sistemi koji će da proizvode hlčadni azot i hladni tečni helijum
10. Dijagnostička zgrada- gde će se informacije, koje primaju instrumenti koji deluju kao oči i uši unutar mašine, intepretirati i o
analizirati i obrađivati
11. Zgrada za pretvaranje energije magbeta- gde ce AC/DCpretvarači i povezani sistemi pretvoriti industrijski 22 kVAC u visoko naponsku jednosmernu struju koju koriste Iter magneti
(Izvor: F4E)
Cilj ITER-a je da radi sa toplotnim efektom plazme od 500 MW (najmanje 400 sekundi neprekidno) sa manje od 50 MW ulazne snage griejanja plazme. Na ITER-u se neće proizvoditi električna energija. Pridruženo CEA postrojenje u Cadaracheu je WEST, ranije Tore Supra, koje je dizajnirano da testira prototipne komponente i ubrza njihov razvoj za ITER. Fokusiran je na strukturu divertora za uklanjanje helijuma, testirajući izdržljivost upotrebljenih materijala od volframa.
Očekuje se da će demonstraciona elektrana od 2 GW, poznata kao Demo, demonstrirati veliku proizvodnju električne energije na kontinuiranoj osnovi. Očekivalo se da će idejni projekat Demo biti završen do 2017. godine, pri čemu bi izgradnja počela oko 2024., a prva faza rada počela bi 2033. Od tada je odgođeno, a izgradnja je sada planirana nakon 2040. godine.
JET
unutrašnjost Jeta sa novim berilijum -volframovim zidom i superponiranom DT plazmom .
21. decembra 2021 godine Jet je oborio 24.- godišnji rekord proizvodnje energije postignut fuzijom. Ovaj podatak je objavljen na twitu 9. februara 2022 ( UKAEA i EUROfusion)
Godine 1978. Evropska zajednica (Euratom, zajedno sa Švedskom i Švajcarskom) pokrenula je Joint European Torus (JET) projekat u Velikoj Britaniji . JET je najveći tokamak koji danas posluje u svetu. Sličan tokamak, JT-60, radi na Naka Fusion institutu Japanske agencije za atomsku energiju u Japanu, ali samo JET ima kapacitete za korištenje DT goriva.
Nakon pravnog spora sa Euratomom, u decembru 1999. godine JET-ov međunarodni ugovor je okončan i Uprava za atomsku energiju Ujedinjenog Kraljevstva (UKAEA) preuzela je upravljanje JET-om u ime svojih evropskih partnera. Od tog vremena JET-ov eksperimentalni program koordiniraju strane iz Evropskog sporazuma o razvoju fuzije (EFDA). JET-om upravlja UKAEA centar za istraživanje fuzije Culham, član konzorcijuma EUROfusion.
JET je proizveo svoju prvu plazmu 1983. godine, a postao je prvi eksperiment koji je proizveo kontrolisanu snagu fuzije u novembru 1991. godine, iako sa visokim unosom električne energije. U DT plazmama pomoću uređaja postignuto je do 16 MW fuzijske snage za jednu sekundu i 5 MW održanih, od 24 MW snage ubrizgane u njegov sistem grejanja, a provode se mnogi eksperimenti radi proučavanja različitih shema grejanja i drugih tehnika. JET je bio vrlo uspešan u upravljanju tehnikama daljinskog rukovanja u radioaktivnom okruženju kako bi se modifikovala unutrašnjost uređaja i pokazao je da je održavanje daljinskog rukovanja fuzijskim uređajima realistično.
JET je ključni uređaj u pripremama za ITER. Poslednjih godina značajno je unapređen kako bi testirao fiziku ITER plazme i inženjerske sisteme. Dalja poboljšanja su planirana u JET-u s ciljem da se premaši njegov rekord snage fuzije u budućim DT eksperimentima. Kompaktni uređaj – Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) – razvijen je zajedno sa JET-om u Culhamu, delom da služi projektu ITER, a značajan projekat nadogradnje MAST -a se sada implementira u fazama kako bi se povećala snaga neutralnog snopa sa 5 na 12,5 MW i energija deponovana u plazmi od 2,5 do 30 MJ. MAST Upgrade je fokusiran na dizajniranje izduvnog sistema plazme ili divertora koji bi mogao izdržati intenzivna energetska opterećenja stvorena u fuzionim reaktorima komercijalne veličine. Postigao je prvu plazmu u oktobru 2020.
Vlada Ujedinjenog Kraljevstva je 2019. godine izdvojila 22 miliona funti tokom četiri godine za idejni dizajn sfernog tokamaka za proizvodnju energije (STEP) u Culhamu. Tehnički ciljevi STEP-a su: isporuka predvidive neto električne energije veće od 100 MW; da se energija fuzije koristi izvan proizvodnje električne energije; osigurati samodovoljnost tricijumom; da kvalifikuje materijale i komponente pod odgovarajućim uslovima fuzije neutronskog fluksa; i razviti održiv put do pristupačnih troškova životnog ciklusa. STEP je planiran za završetak 2040. godine
Tokamak Energy
Tokamak Energy u UK je privatna kompanija koja razvija sferni tokamak i nada se da će ga komercijalizovati do 2030. Kompanija je izrasla iz laboratorije Culham, gde se nalazi JET, a njena tehnologija se vrti oko visokotemperaturnih supravodljivih (HTS) magneta, koji omogućavaju uređaji relativno male snage i male veličine, ali visokih performansi i potencijalno široko rasprostranjene komercijalne primene. Njegov prvi tokamak sa isključivo HTS magnetima – ST25 HTS, drugi reaktor Tokamak Energy – pokazao je 29 sati neprekidnog rada plazme tokom Letne naučne izložbe Kraljevskog društva u Londonu 2015. godine, što je svjetski rekord.
Sledeći reaktor je ST40 u Milton Parku u Oksfordširu, koji je postigao prvu plazmu u aprilu 2017. On je proizveo temperature plazme od 15 miliona stepeni Celzijusa 2018. i 2019. nakon puštanja u rad daljnjih magnetnih zavojnica. Izvršni direktor Tokamak Energy David Kingham rekao je: "ST40 je dizajniran da postigne temperaturu od 100 miliona stepeni C i da se uklopi u faktor od deset energetskih neispravnih uslova." Kompanija radi sa Princeton Laboratorijom za fiziku plazme na sfernim tokamacima i sa Centrom za nauku i fuziju plazme na MIT-u na HTS magnetima.U julu 2020. dobila je 10 miliona funti od Ministarstva za poslovnu, energetsku i industrijsku strategiju Ujedinjenog Kraljevstva (BEIS) , kao dio vladinog projekta Napredni modularni reaktor. Sredstva će doprinijeti osnovnom razvoju rada na visokotemperaturnim supravodljivim (HTS) magnetima i tehnologijama izduvnog sistema plazme (divertor). Preusmjerivač mora podneti visoke nivoe toplote i bombardovanja česticama dok uklanja nečistoće i otpad iz sistema. Cilj mu je da do 2030. ima prototip koji će isporučivati električnu energiju u mrežu.
KSTARKSTAR
(Korean Superconducting Tokamak Reactor) u Nacionalnom institutu za istraživanje fuzije (NFRI) u Daejeonu proizveo je svoju prvu plazmu sredinom 2008. godine. To je pilot uređaj za ITER i uključuje mnogo međunarodne saradnje. To će biti satelit ITER-a tokom operativne faze ITER-a od ranih 2020-ih. Tokamak velikog radijusa 1,8 metara je prvi koji koristi Nb3Sn supravodljive magnete, isti materijal koji će se koristiti u projektu ITER. Njegova prva faza razvoja do 2012. godine bila je dokazivanje osnovnih operativnih tehnologija i postizanje plazma impulsa do 20 sekundi. Za drugu fazu razvoja (2013-2017), KSTAR je nadograđen za proučavanje dugih impulsa do 300 sekundi u H modu – cilj 100s je bio 2015. – i krenuo u AT način visokih performansi. Postigao je 70 sekundi u plazma operaciji visokih performansi krajem 2016. svetski rekord. Osim toga, KSTAR istraživači su također uspeli da postignu alternativni napredni način rada plazme sa unutrašnjom transportnom barijerom (ITB). Ovo je strmi gradijent pritiska u jezgri plazme zbog pojačanog zatvaranja plazme u jezgru. NFRI je rekao da je ovo prva ITB operacija postignuta u supravodljivom uređaju pri najnižoj snazi grejanja.
KSTAR Faza 3 (2018-2023) je razvoj tehnologija visokih performansi, visoke efikasnosti u AT režimu rada sa dugim impulsima. Faza 4 (2023-2025) će testirati prethodne tehnike vezane za DEMO. Uređaj nema mogućnosti rukovanja tricijumom, tako da neće koristiti DT gorivo. Ovo je strmi gradijent pritiska u jezgri plazme zbog pojačanog zatvaranja plazme u jezgru. NFRI je rekao da je ovo prva ITB operacija postignuta u supravodljivom uređaju pri najnižoj snazi grejanja.
K-DEMO tokamak
U saradnji s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) američkog Ministarstva energetike u New Jerseyu i Južnokorejskim Nacionalnim institutom za istraživanje fuzije (NFRI), K-DEMO bi trebao biti sledeći korak ka komercijalnim reaktorima iz ITER-a, i to bi bila prva elektrana da zapravo doprinese snazi električnoj mreži. Prema PPPL-u, proizveo bi "oko 1 milijardu vati snage nekoliko sedmica za redom", što je mnogo veći učinak od ITER-ovog cilja da proizvodi 500 miliona vati za 500 sekundi do kasnih 2020-ih. Očekuje se da će K-DEMO imati tokamak velikog radijusa prečnika 6,65 m i testni modul za pokrivanje kao deo istraživanja i razvoja DEMO oplemenjivačkog pokrivača. Ministarstvo obrazovanja, nauke i tehnologije planira uložiti oko 1 bilion KRW (941 milion dolara) u projekat. Oko 300 milijardi KRW te potrošnje je već finansirano. Vlada očekuje da će projekat zaposliti skoro 2.400 ljudi u prvoj fazi, koja će trajati tokom 2016. Očekuje se da će K-DEMO imati početnu operativnu fazu od otprilike 2037. do 2050. godine kako bi razvio komponente za drugu fazu, koje bi proizvodile električnu energiju.
ISTOK
U Kini, Eksperimentalni napredni superprovodni tokamak (EAST) na Institutu za fizičke nauke Hefei (HFIPS) Kineske akademije nauka proizveo je vodikovu plazmu na 50 miliona stepeni Celzijusa i držao je 102 sekunde 2017. U novembru 2018. dostigao je 100 miliona stepeni Celzijusa. u trajanju od 10 sekundi, uz ulaz od 10 MW električne energije. U julu 2020. EAST je postigao potpuno neinduktivnu, strujnu, stabilnu plazmu u trajanju od više od 100 sekundi, što se tvrdilo kao proboj sa značajnim implikacijama za budući kineski fuzijski inženjerski testni reaktor (CFETR). U maju 2021. postavila je novi svetski rekord u postizanju temperature plazme od 120 miliona stepeni Celzijusa za 101 sekundu. Eksperiment je takođe ostvario temperaturu plazme od 160 miliona stepeni Celzijusa, u trajanju od 20 sekundi.
TFTR
U SAD-u, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) je radio u Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) od 1982. do 1997. U decembru 1993. TFTR je postao prvi uređaj za magnetnu fuziju koji je izvodio opsežne eksperimente sa plazmom sastavljenom od DT. Sledeće godine TFTR je proizveo 10,7 MW kontrolirane snage fuzije – rekord u to vreme. TFTR je postavio i druge rekorde, uključujući postizanje temperature plazme od 510 miliona stepeni Celzijusa 1995. Međutim, nije postigao svoj cilj energije fuzije (gde potrebna energija veća od količine proizvedene energije fuzije ), ali je postigao sve svoje ciljeve dizajna hardvera, dajući tako značajan doprinos razvoju ITER-a.
ALCATOR
Na Massachusetts Institute of Technology (MIT) od 1970-ih niz malih torusnih reaktora ALCATOR (Alto Campus Torus) sa visokim magnetnim poljem radi na principu postizanja visokog pritiska plazme kao puta do dugog zadržavanja plazme. Za Alcator C-Mod se tvrdi da ima najveće magnetno polje i najveći pritisak plazme od svih fuzijskih reaktora i najveći je univerzitetski fuzijski reaktor na svetu. Delovao je 1993-2016. U septembru 2016. postigao je pritisak plazme od 2,05 atmosfere na temperaturi od 35 miliona stepeni Celzijusa. Plazma je proizvela 300 triliona fuzijskih reakcija u sekundi i imala je središnju jačinu magnetnog polja od 5,7 tesla. Nosio je 1,4 miliona ampera električne struje i grejao se sa preko 4 MW snage. Reakcija se odvijala u zapremini od približno 1 kubnog metra, a plazma je trajala dve sekunde. Nakon postizanja ovog rekordnog učinka za fuzijski reaktor, državno finansiranje je prestalo.Uvećana verzija planirana za izgradnju u Triotsku blizu Moskve u saradnji sa Kurčatovskim institutom je Ignitor, sa torusom prečnika 1,3 m.
Veliki spiralni uređaj – stelarator
Veliki spiralni uređaj (LHD) na japanskom Nacionalnom institutu za nauku o fuziji u Tokiju, u prefekturi Gifu, bio je najveći stelarator na svetu. LHD je proizveo svoju prvu plazmu 1998. godine i pokazao je svojstva zadržavanja plazme uporediva sa drugim velikim fuzionim uređajima. Postigao je temperaturu jona od 13,5 keV (oko 160 miliona stepeni) i pohranjenu energiju plazme od 1,44 miliona džula (MJ).
Wendelstein 7-X stelarator
Nakon godinu dana testiranja, ovo je počelo krajem 2015., a helijumska plazma je nakratko dostigla oko milion stepeni Celzijusa. U 2016. godini prešao je na korištenje vodonika, a koristeći 2 MW postigao je plazmu od 80 miliona stepeni Celzijusa za četvrt sekunde. W7-X je najveći stelarator na svetu i planirano je da radi neprekidno do 30 minuta. Koštao je milijardu evra (1,1 milijardu dolara). Neki dobri dijagrami nalaze se u članku Business Insider Australia o Wendelsteinu 7-X.
Heliac-1 stelarator U Australijskom institutu za istraživanje fuzije plazme na Australijskom nacionalnom univerzitetu, stelarator H-1 je radio nekoliko godina, a 2014. je značajno nadograđen. H-1 je sposoban za pristup širokom rasponu plazma konfiguracija i omogućava istraživanje ideja za poboljšani magnetni dizajn fuzijskih elektrana koje će pratiti ITER.
National Ignition Facility – laser
Najmoćnije postrojenje za lasersku fuziju na svetu, National Ignition Facility (NIF) vredno 4 milijarde dolara u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL), završeno je u martu 2009. godine. Koristeći svoja 192 laserska zraka, NIF je u stanju da isporuči više od 60 puta veću energiju od bilo koji prethodni laserski sistem do cilja . LLNL je u julu 2012. objavio da je u "istorijskom laserskom snimku koji obara rekord, NIF laserski sistem od 192 zraka isporučio je više od 500 TW vršne snage i 1,85 megadžula (MJ) ultraljubičastog laserskog svetla do cilja (prečnika 2 mm)" za nekoliko trilionitih delova sekunde. U septembru 2013. godine po prvi put je količina energije oslobođena reakcijom fuzije (14 kJ) premašila količinu energije koju je apsorbovalo gorivo, ali ne i količinu koju isporučuju džinovski laseri (1,8 MJ). U avgustu 2021. LLNL je rekao da je postigao prinos od 1,3 MJ, mnogo bolji od svog prethodnog najboljeg od 55 kJ u 2018. On je rekao da je ovo "istorijski korak napred za inercijalno ograničenje" stavljajući ga "na prag fuzionog paljenja. "
Raniji laser velike snage u LLNL-u, Nova, izgrađen je 1984. u svrhu postizanja paljenja. Nova je to propustila da uradi i zatvorena je 1999. godine, ali je dala bitne podatke koji su doveli do dizajna NIF-a. Nova je također generisala značajne količine podataka o fizici materije visoke gustoće, koja je korisna kako u fuzionoj energiji tako iu istraživanju nuklearnog oružja.
U vezi sa NIF-om, LLNL razvija Laser Inertial Fusion Engine (LIFE), hibridni fuzioni sistem u kojem bi neutroni nastali laserskom fuzijom pokretali subkritični sloj nuklearne fisije da bi proizveli električnu energiju. Pokrivač bi sadržavao ili osiromašeni uranijum; korišteno nuklearno gorivo; prirodni uranijum ili torij; ili plutonijum-239, manji aktinidi i fisijski proizvodi iz prerađenog korišćenog nuklearnog goriva 4.
Laser Mégajoule
U međuvremenu, Francuska Komisija za atomsku energiju (Commissariat à l'énergie atomique, CEA) je od 2014. godine upravljala laserom slične veličine – Laser Mégajoule (LMJ) – u blizini Bordoa. Njegovih 240 laserskih zraka može generisati 1,8 MJ impulsa za nekoliko MJ impulsa milijarditi deo sekunde, koncentrisan na malu metu deuterijuma i tricijuma. Prototip lasera, Ligne d'Integration Laser (LIL), počeo je sa radom 2003. godine.
SG-II
Kineska nacionalna laboratorija za lasere i fiziku velike snage, povezana s Kineskom akademijom nauka, ima eksperiment sa laserskim inercijskim zatvaranjem u Šangaju – Shenguang-II lasersko postrojenje s osam zraka (SG-II), slično Nacionalnom postrojenju za paljenje u SAD i Laser Mégajoule u Francuskoj. To je jedini čvrsti laser od neodimijum stakla velike snage sa aktivnom sondom u Kini. Godine 2005. dodat je deveti snop, čime se unapređuje kapacitet za istraživanje fuzije. SG-II postrojenje je kineska međunarodna demonstracijska baza laserske tehnologije velike snage.
PETAL i HiPER laseri
Lasersko postrojenje Petawatt Aquitaine Laser (PETAL) je visokoenergetski multi-petawatt laser (3,5 kJ energije sa trajanjem od 0,5 do 5 ps) u izgradnji u blizini Bordeauxa, na istoj lokaciji kao i LIL. PETAL će biti uparen sa LIL-om kako bi se demonstrirala fizika i laserska tehnologija brzog paljenja. Prvi eksperimenti se očekuju 2012. godine.
Istraživačko postrojenje za lasersku energiju velike snage (HiPER) je dizajnirano da nadograđuje istraživanja planirana na projektu PETAL. HiPER će koristiti dugo pulsni laser (trenutno se procenjuje na 200 kJ) u kombinaciji sa kratko pulsnim laserom od 70 kJ. Trogodišnja pripremna faza koja je započela 2008. godine ima direktno finansiranje ili obaveze u naturi u iznosu od oko 70 miliona eura iz nekoliko zemalja. Predviđeno je da faza detaljnog inženjeringa počne 2011. godine, a faza izgradnje u trajanju od šest godina bi mogla početi do 2014. godine.
Z mašina
Z mašina kojom upravlja Sandia National Laboratories je najveći generator rendgenskih zraka na svetu. Kao i kod NIF-a, objekat je izgrađen u okviru državnog Programa upravljanja zalihama, koji ima za cilj održavanje zaliha nuklearnog oružja bez potrebe za testiranjem u punom obimu.
Uslovi za fuziju se postižu propuštanjem snažnog električnog impulsa f (u trajanju manje od 100 nanosekundi) kroz set finih volframovih žica unutar metalnog hohlrauma g. Žice se pretvaraju u plazmu i doživljavaju kompresiju ('Z-štipanje'), prisiljavajući isparene čestice da se sudare jedna s drugom, stvarajući tako intenzivno rendgensko zračenje. Mali cilindar koji sadrži fuzijsko gorivo smešten unutar hohlrauma bi stoga bio komprimiran rendgenskim zracima, omogućavajući fuziju.
2006. Z mašina je postigla temperaturu od preko 2 milijarde stepeni, 6 znatno veći od onoga što je potrebno za fuziju, a u teoriji dovoljno visok da omogući nuklearnu fuziju vodika s težim elementima kao što su litij ili bor.
Ostali projekti fuzije
Postoji znatna količina istraživanja mnogih drugih fuzijskih projekata u različitim fazama razvoja.
Lockheed CFR . Lockheed Martin u svom takozvanom 'skunk work-u' razvija kompaktni fuzijski reaktor(CFR) koji koristi konvencionalnu DT plazmu u evakuisanom kontejneru, ali je ograničava drugačije. Umesto ograničavanja plazme unutar cevnih prstenova, serija supravodljivih zavojnica će generisati novu geometriju magnetnog polja u kojoj se plazma drži unutar širih granica cele reakcione komore. Energija se dobiva radiofrekventnim grejanjem. Superprovodni magneti unutar kalemova će generisati magnetno polje oko spoljne granice komore. Cilj je doći do toga da pritisak plazme bude jednako velik kao pritisak zatvaranja na dovoljno visokoj temperaturi za paljenje i neto energetski prinos. Izmenjivači topline u zidu reaktora prenosili bi energiju na plinsku turbinu. Uznapredovao je do eksperimenta magentiziranog zatvaranja jona, ali mora preći put prije bilo kojeg prototipa,
Italijanska nacionalna agencija za nove tehnologije, energiju i održivi ekonomski razvoj (ENEA) razvija mali tokamak reaktor pod imenom Ignitor . Prema italijansko-ruskom sporazumu potpisanom u maju 2010. godine, reaktor će biti sastavljen u Italiji i instaliran na Institutu za inovacije i fuzijska istraživanja (TRINITI) Instituta Kurčatov u blizini Moskve 7.
Alternativa korištenju moćnih lasera za inercijsku fuziju zatvorenog tipa je 'fuzija teških jona ', gde se čestice visoke energije iz akceleratora fokusiraju pomoću magnetnih polja na cilj fuzije. NDCX -II (Neutralized Drift Compression Experiment II) akcelerator se koristi za eksperimente fuzije teških jona od 2012. u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley. Proširuje se da isporučuje kratke intenzivne impulse jonskih snopa kinetičke energije od 1,2 MeV. Eksperimenti fizike visoke gustoće energije (HEDP) s laboratorijskom plazmom rastući su dio fizike energije inercije fuzije (IFE).
LPP Fusion (Lawrenceville Plasma Physics) je američka kompanija koja razvija aneutronsku fuziju koristeći uređaj za fokusiranje guste plazme (DPF ili fokusna fuzija ) i vodonik-bor gorivo. Vodonik i bor (B-11) kao plazma se spajaju na visokoj temperaturi da formiraju impulsni snop jezgri helijuma bez emitovanja neutrona. (Bor i vodonik se kombinuju da bi proizveli kratki srednji atom ugljika-12 koji se brzo raspada na tri alfa čestice.) Ovaj nabijeni visokoenergetski jonski snop generiše električnu energiju dok prolazi kroz niz zavojnica sličnih transformatoru, sa efikasnošću od 80%. . Ravnoteža energije je nusproizvod rendgenskih zraka koji se hvataju u niz fotoelektričnih receptora. LPP Fusion je postigao energiju elektrona od 400 keV.
Druga linija istraživanja fuzije pomoću lasera također uključuje spajanje vodika i bora-11 za proizvodnju jezgara helijuma, koje nastavljaju lančanu reakciju iz bora. Jedan laser generiše snažno magnetsko ograničenje polja u zavojnici kako bi uhvatio reakciju fuzije u malom području na nanosekundu, dok drugi snažniji laser pokreće proces nuklearne fuzije. Rana ispitivanja fuzije H - 11 B u praškom Asterix laserskom sistemu, koristeći visokoenergetske jodne lasere, generisala su više energije nego što je potrebno za pokretanje procesa fuzije.
HB11 Energy u Australiji razvija ovo i ima za cilj korištenje netermalne laserske tehnologije za spajanje vodika i bora-11. Nanosekundni laserski impuls zapaljuje reakciju fuzije HB, zatim drugi laser i kapacitivni kalem proizvode kilotesla magnetsko polje kako bi povećali prinos reakcije. Ovaj korak je sada u fokusu istraživanja. Prinos se dodatno povećava lančanom reakcijom za stvaranje jezgara helijuma koje su zarobljene u nabijenoj sferi prečnika najmanje dva metra kako bi se proizvela električna energija direktno, bez ikakvog parnog kruga. Alfa čestice od 2,9 MeV predstavljaju do 300 kWh energije po 15 mg H- 11 B goriva. Novi projekat razvija materijale za gorivo sintetizacijom vodikovih borida obogaćenih borom-11 i nanolistova bor nitrida adsorbovanih vodonikom. Oni će biti testirani u laserskim postrojenjima u inostranstvu.
Uređaj Polywell („poliedar“ u kombinaciji sa „potencijalnom bušotinom“) sastoji se od magnetnih namotaja raspoređenih u poliedarskoj konfiguraciji sa šest strana, formirajući kocku. Oblak elektrona je zatvoren u sredini uređaja kako bi mogao ubrzati i ograničiti pozitivne ione koji se spajaju. Ovaj koncept elektrostatičkog zatvaranja razlikuje se od tradicionalnog magnetnog zatvaranja jer polja ne moraju da ograničavaju jone – samo elektrone. EMC2 Fusion Development Corporation istražuje koncept Polywella i gleda na vodonik i bor kao gorivo za aneutronsku fuziju. Ovo je usliedilo nakon nekoliko godina razvoja američke mornarice, koristeći deuterijsko gorivo.
General Fusionje jedan od brojnih privatnih napora za razvoj komercijalne fuzijske elektrane. Kompanijski pristup magnetizirane ciljne fuzije (MTF) stvara kompaktnu toroidnu plazmu u inektoru, koji je sadrži i kompresuje pomoću magnetnog polja pre nego što je ubrizgava u sfernu kompresionu komoru. Komora sadrži tečni olovo-litijumski omotač koji se pumpa da bi se stvorio vrtlog u koji se ubrizgava plazma meta. Sinhronizovani niz klipova koji istovremeno pucaju stvaraju sferni talas kompresije u tečnom metalu, komprimujući plazma metu i zagrevajući je do uslova fuzije. Osnovan u Kanadi 2002. godine, General Fusion je finansiran od strane sindikata privatnih investitora, energetskih kompanija rizičnog kapitala, državnih fondova i kanadskog vladinog fonda za tehnologiju održivog razvoja Kanade (SDTC). Daljnji vladin grant najavljen je u oktobru 2018. iz Fonda za strateške inovacije. Kompanija je pokazala prekretnice uključujući stvaranje magnetizirane sferomak plazme od 200-300 eV i njihovo zadržavanje na preko 500 µs.
Većina trenutnog rada na MTF-u izvedena je iz programa na sovjetskom Kurčatovskom institutu za atomsku energiju, pod vodstvom EP Velikhova, oko 1970. Ovo je inspirisalo projekat LINUS u Laboratoriji za istraživanje mornarice u SAD-u, a kasnije i projekat brzih brodova u Los. Alamos.
General Atomics je upravljao tokamakom DIII-D u San Diegu za Ministarstvo energetike SAD od kasnih 1980-ih. Cilj mu je uspostaviti naučnu osnovu za optimizaciju tokamaka pristupa proizvodnji fuzijske energije.
Hladna fuzija
U martu 1989. iznesene su spektakularne tvrdnje za još jedan pristup, kada su dva istraživača, u SAD-u (Stanley Pons) i UK (Martin Fleischmann), tvrdila da su postigli fuziju u jednostavnom stolnom aparatu koji radi na sobnoj temperaturi. 'N-Fuzija', ili 'hladna fuzija', uključuje elektrolizu teške vode pomoću paladijumskih elektroda na kojima se kaže da se jezgra deuterijuma koncentrišu pri vrlo visokim gustinama. Istraživači su tvrdili da se proizvodi toplina – koja se može objasniti samo u terminima nuklearnih procesa – kao i nusprodukti fuzije, uključujući helijum, tricij i neutrone. Međutim, drugi eksperimentatori to nisu uspeli ponoviti, a većina naučne zajednice to više ne smatra pravim fenomenom.
Niskoenergetske nuklearne reakcije (LENR)
Pokrenuto tvrdnjama o 'hladnoj fuziji', istraživanja na nivou nanotehnologije nastavljaju se na niskoenergetskim nuklearnim reakcijama (LENR) koje očito koriste slabe nuklearne interakcije (umesto jake sile kao u nuklearnoj fisiji ili fuziji) za stvaranje niskoenergetskih neutrona, nakon čega slede procesi hvatanja neutrona koji rezultiraju izotopskom promenom ili transmutacijom, bez emisije jakog promptnog zračenja. LENR eksperimenti uključuju prodiranje vodika ili deuterijuma kroz katalitički sloj i reakciju s metalom. Istraživači izveštavaju da se energija oslobađa, iako na bilo kojoj reproduktivnoj osnovi, vrlo malo više nego što je uneseno. Glavni praktični primer je prah vodonika i nikla koji očito daje više topline nego što se može objasniti na bilo kojoj kemijskoj osnovi.
Japanska vlada sponzorira LENR istraživanje – posebno projekat energije vodonika nano-metala (MHE) – preko svoje organizacije za razvoj nove energije i industrijske tehnologije (NEDO), a Mitsubishi je također aktivan u istraživanju. Tokom 2015-2019 Google je finansirao 30 istraživača na tri projekta i nije našao nikakve dokaze da je LENR moguć, ali su napravili određeni napredak u tehnikama merenja i nauke o materijalima. Bilo je nekih naznaka da dva projekta koja uključuju paladijum zaslužuju dalje proučavanje.
Procena snage fuzije
Korištenje fuzijskih elektrana moglo bi značajno smanjiti uticaje na okoliš povećane svetske potražnje za električnom energijom jer, poput energije nuklearne fisije, ne bi doprinele kiselim kišama ili efektu staklene bašte. Snaga fuzije mogla bi lako zadovoljiti energetske potrebe povezane s kontinuiranim ekonomskim rastom, s obzirom na raspoloživost goriva. Ne bi bilo opasnosti od brze reakcije fuzije jer je to suštinski nemoguće i svaki kvar bi rezultirao brzim zatvaranjem postrojenja.
Međutim, iako fuzija ne stvara dugovečne radioaktivne proizvode i nesagoreli plinovi se mogu tretirati na licu mesta, postojao bi kratkoročni do srednjoročni problem radioaktivnog otpada zbog aktivacije konstrukcijskih materijala. Neki sastavni materijali će postati radioaktivni tokom životnog veka reaktora, zbog bombardovanja neutronima visoke energije, i na kraju će postati radioaktivni otpad. Količina takvog otpada bila bi slična odgovarajućim količinama iz fisijskih reaktora. Međutim, dugotrajna radiotoksičnost fuzijskog otpada bila bi znatno niža od one od aktinida u korištenom fisionom gorivu, a otpadom od aktivacijskih proizvoda postupalo bi se na isti način kao i sa otpadom iz fisijskih reaktora s nekoliko godina rada. 8.
Postoje i druge zabrinutosti, prvenstveno u vezi sa mogućim ispuštanjem tricijuma u životnu sredinu. Radioaktivan je i vrlo ga je teško zadržati jer može da prodre u beton, gumu i neke vrste čelika. Kao izotop vodonika, lako se ugrađuje u vodu, čineći samu vodu slabo radioaktivnom. Sa poluživotom od oko 12,3 godine, prisustvo tricijuma ostaje pretnja zdravlju oko 125 godina nakon što je stvoren, u obliku plina ili u vodi, ako je u visokim razinama. Može se udahnuti, apsorbovati kroz kožu ili progutati. Udahnuti tricijum se širi po mekim tkivima, a voda sa tricijom se brzo meša sa svom vodom u telu. Iako postoji samo mali inventar tricijuma u fuzijskom reaktoru – nekoliko grama – svaki bi mogao ispustiti značajne količine tricijuma tokom rada kroz rutinsko curenje, pod pretpostavkom najboljih sistema zaštite. Nesreća bi mogla osloboditi još više. Ovo je jedan od razloga zašto se dugoročne nade polažu u proces fuzije deuterijuma i deuterijuma, bez tricijuma.
Dok snaga fuzije očito ima mnogo toga za ponuditi kada se tehnologija konačno razvije, problemi povezani s njom također se moraju rešiti ako želimo da postane široko korišteni budući izvor energije.
1 коментар:
Ko uređuje ovaj blog! Neverovatno kolikko tema i izvrsnih postova.
Постави коментар