모레 열핵
열핵 에너지에서 무엇을 기대할 수 있고 무엇을 기대해서는 안 됩니까?
10월 말, 세계 언론은 세계에서 가장 인기 있는 토카막의 대안인 자체 열핵 원자로 개발에서 "중요한 돌파구"를 발표한 미국 회사 Tri Alpha Energy의 메시지를 돌았습니다. 이 프로젝트에 참여하는 엔지니어들은 5ms 동안 XNUMX만 °C로 가열된 플라즈마를 유지할 수 있었다고 말했습니다. 시스템에는 더 많은 에너지가 없었습니다.
Tri Alpha Energy는 눈에 띄는 러시아 뿌리를 가지고 있습니다. 알려지면서 Rosnano는 해외 자회사 중 하나를 통해 회사의 주식을 소유합니다. 러시아 과학자들도 이 프로젝트에서 중요한 역할을 하기 때문에 최근의 돌파구가 그들의 장점이다. 따라서 설치를 위한 가장 복잡한 인젝터는 Siberian Institute of Nuclear Physics에서 설계 및 제조됩니다. Budker SB RAS. 이러한 인젝터 제작에 참여하고 있는 물리 및 수학 과학 후보인 Aleksey Beklemishev에 따르면 다른 국가의 과학자들은 그러한 작업을 거의 수행할 수 없습니다. 우리는 그와 Tri Alpha 원자로가 토카막과 어떻게 다른지, 금을 생산하는 데 어떻게 사용될 수 있는지, 일반적으로 열핵 에너지의 가능성에 대해 이야기했습니다.
알렉세이 베클레미쇼프. 개인 자료실의 사진
— 그들은 다양한 버전의 원자로(토카막, 스텔라레이터 등)가 플라스마를 가두는 다른 방법이라고 말합니다. Tri Alpha 프로젝트는 이 시리즈에서 어떻게 두드러지나요?
- 토카막, 스텔라레이터, 그리고 Tri Alpha의 제작자가 해결하고 있는 솔루션은 근본적으로 다르지 않습니다. 모두 자기 플라즈마 감금을 사용합니다. 그것들의 플라즈마는 준 정지 상태로 유지됩니다. 즉, 외부 자기장의 도움으로 꽤 오랫동안 지속됩니다.
초단파 및 초강력 레이저 플래시를 사용하는 임펄스 시스템은 이들과 크게 다릅니다. 모든 것은 XNUMX초의 가장 작은 부분에서 발생합니다. 사실 이것은 "타는 것"이 아니라 일련의 작은 열핵 미세 폭발입니다. 또한 다양한 중간 옵션이 있습니다.
- 그렇다면 그들이 Tri Alpha에서 작업하고 있는 계획과 우리에게 더 친숙한 토카막 사이의 주요 차이점은 무엇입니까?
- Tri Alpha의 자기장의 구성은 토카막과 거의 동일합니다. 토카막은 "도넛" 또는 토러스를 형성하는 닫힌 힘의 선입니다.
플라즈마는 이온과 전자로 구성되어 있음을 기억합시다. 전자는 민첩하고 빠른 입자이며 플라즈마에서 "탈출"할 수 있으면 빠르게 냉각됩니다. 다행스럽게도 전자는 충전되어 자기장선을 따라서만 이동할 수 있습니다. 따라서 전자를 가두는 고전적인 접근 방식은 자기장 선을 토러스로 닫는 것입니다. 이것은 tokamaks, stellarators, 그리고 Tri Alpha와 같은 반전 필드가 있는 시스템에서 구현되는 방식입니다.
그러나 토카막에서 이 필드가 초전도 자석, 코어 및 권선의 복잡한 시스템에 의해 형성되면 여기에서 이 토로이달 다발이 작은 플라즈마 "구름" 내부에 형성됩니다. 이 솔루션은 Tri Alpha의 주요 이점인 소형 크기의 이점을 제공합니다. 건설 중인 ITER와 같은 강력한 토카막이 집 크기의 환상형 다발을 형성한다면 가장 큰 버전의 Tri Alpha 설치는 약 XNUMXm 반경의 플라즈마 토러스를 생성합니다.
역 자기장 시스템은 토카막보다 더 작고 저렴하며 잠재적으로 더 효율적입니다. 이 이론은 여러 가지 이유로 토카막에서 일부 유망한 열핵 연료 사이클이 원칙적으로 실현 불가능하다고 예측합니다. 중수소-삼중수소(DT) 플라즈마의 연소는 토카막에서 달성될 수 있지만 중수소-중수소(DD) 연료, 특히 양성자-붕소-11(pB)은 토카막에서 사용할 수 없습니다.
이러한 유형의 연료는 에너지 출력, 생태계 및 기타 요인 측면에서 훨씬 더 수익성이 있습니다. 그러나 그들은 토카막에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 자기장에 의한 플라즈마 감금 효율을 필요로 합니다. 그러나 역전장을 포함한 일부 대체 시스템에서는 플라즈마 제한이 원하는 수준에 도달할 수 있습니다. 따라서 Tri Alpha와 같은 프로젝트와 관련된 희망.
— 귀하와 귀하의 동료가 개발 중인 인젝터는 이 모든 것에서 어떤 역할을 합니까?
“그들의 역할은 엄청나며 ITER이든 Tri Alpha 토카막이든 모든 유형의 원자로에 필요합니다. 첫째, 열핵 반응이 일어나기 위해서는 플라즈마가 가열되어야 합니다. 둘째, 입자의 일부 손실은 어떤 경우에도 불가피하며 결함은 지속적으로 보충되어야 합니다. 셋째, 토로이달 시스템에 특히 중요한 점은 플라즈마 주입을 통해 전류를 유지할 수 있다는 것입니다. 이 모든 것을 위해 인젝터가 필요합니다. 그들의 임무는 미리 준비되고 가열된 입자를 플라즈마에 "주입"하는 것입니다.
이것은 입자를 외부로 방출하지 않기 위해 자기장으로 플라즈마를 제한해야 하기 때문에 쉽지 않습니다. 그러나 다른 입자도 플라즈마에 들어가지 않습니다. 따라서 우리는 실제로 자기장에 반응하지 않는 중성 원자의 형태로 플라즈마에 "던져"야하며 원자를 이온으로 전환해야합니다. 또한 원자가 전자를 잃고 이온이 되기 전에 플라즈마의 중앙 영역에 도달할 시간을 가질 수 있도록 충분히 빠른 속도로 공급해야 합니다.
현재 TCV tokamak(스위스)에 설치된 BINP에서 제조한 원자 주입기. 사진: Alexei Beklemishev의 개인 기록 보관소
ITER tokamak 또는 Tri Alpha 시스템과 같은 대형 원자로는 높은 에너지 수준에서 지속적으로 작동하는 인젝터가 필요합니다. 강력한 인젝터가 필요하며 종종 반응기 자체보다 크기가 더 큽니다. 또한 진단 인젝터가 있습니다. 그들은 열핵 반응을 "공급"하는 것이 아니라 플라즈마와 그 내부에서 일어나는 모든 것을 연구하기 위해 빠른 원자의 흐름을 사용합니다.
이것은 가장 순수한 형태의 위대한 과학이자 첨단 기술입니다. 인젝터 개발은 매우 어려운 기술적, 기술적, 과학적 과제입니다. 우리는 15-20년 동안 노보시비르스크에서 운영되는 시설과 여러 국제 프로젝트를 위해 이를 수행해 왔습니다. 우리 팀은 이 분야에서 세계 최고라고 생각합니다. 따라서 Tri Alpha 프로젝트는 우리의 고객 중 하나가 되었습니다. 또한 고객은 매우 수익성이 높습니다. 고유한 인젝터가 필요하며 이에 필요한 기술 개발에 자금을 지원할 준비가 되어 있습니다. 우리는 과학적 작업을 수행하고 첨단 기술을 개발하며 우수한 인력을 모으고 이에 대해 좋은 돈을 벌고 있습니다.
-Tri Alpha에 대해 이야기하면 최근 미디어는 프로젝트 작성자가 거대하고 중요한 진전을 이루었다는 보고서로 가득 차 있습니다. 이 성과는 실제로 얼마나 의미가 있습니까?
- 대체로 Tri Alpha 팀이 투자자들에게 약속한 결과를 달성했다는 사실에 있습니다. 이 프로젝트의 작업은 단계적으로 구성되어 있으며 각 단계에서 특정 결과를 달성하고 투자자에게 시연하고 상황이 정상적으로 발전하고 있는지 확인하고 나서야 다음 단계를 위한 새로운 수백만 달러 자금을 받아야 합니다.
따라서 최근에 우리가 본 것은 일반적으로 다음 작업 단계에 300억 달러를 할당해야 할 필요성을 투자자들에게 확신시키기 위해 제기된 PR 과대 광고입니다. 그러나 이러한 과대 광고에는 타당한 이유가 있습니다.
Tri Alpha 반응기는 역 자기장 시스템이라고 말했습니다. 그 안에 존재하는 플라즈마 토러스의 부피는 상대적으로 작습니다. 플라즈마는 특정 수의 입자를 매우 빠르게 잃고 냉각되고 붕괴됩니다. 그리고 최근에야 Tri Alpha 개발자는 실험을 위해 저장된 에너지가 소진될 때까지 설치가 작동하는 전체 시간 동안 처음으로 플라즈마 "도넛"의 안정적인 존재를 달성했습니다. 이 경우 모든 플라즈마 매개변수는 동일한 수준으로 유지되었습니다.
즉, 고온 플라즈마를 가두어둔 상태에서 Tri Alpha의 저자는 병원에 갔다. 우리는 미래에 플라즈마가 열핵융합에 필요한 더 심각한 온도로 가열될 때 플라즈마를 이 상태로 유지할 수 있을 것이라고 자신있게 가정할 수 있습니다. 이것은 모든 거꾸로 된 현장 설치에 내재된 문제 중 하나였으며 처음으로 해결되었습니다. 전반적으로 이것은 참으로 진지한 성과이며 선택한 접근 방식이 결국에는 작동할 수 있다는 원칙의 증거입니다.
우리가 이미 말했듯이, 토카막은 플라즈마 제한 효율이 다소 낮기 때문에 제한이 있으며 가장 유망한 유형의 연료에서 열핵 반응을 구현할 수 없습니다. Tri Alpha는 더 많은 것을 목표로 하고 있습니다. 이론적으로 그들은 약 11배 더 나은 플라즈마 제한을 달성하고 proton-boron-XNUMX까지 훨씬 더 "고급" 반응을 구현할 수 있도록 계획하고 있습니다.
이 반응의 가장 중요한 특징은 중성자 방사선과 달리 차폐하기 쉬운 하전 입자와 감마선의 형태로 에너지가 방출된다는 것입니다. 따라서 Tri Alpha의 고유한 제품인 "순수 핵융합", 중성자와 방사능이 없는 에너지입니다. 그러나 이러한 접근 방식을 구현하는 데에는 근본적인 어려움이 있습니다. 이것이 필요한 온도입니다. "중수소" 열핵 융합이 100억~300억 도의 플라즈마 온도에서 효과적으로 작동한다면 양성자-붕소-11의 경우 20배 더 높은 온도가 필요합니다. 엄청난 온도로 인해 플라즈마는 능동적으로 방사되며 거의 모든 에너지를 X선 형태로 빠르게 잃습니다. 이러한 플라즈마는 자체적으로 연소할 수 없으며 특히 인젝터의 도움을 받아 외부로부터 지속적으로 에너지를 공급받아야 합니다.
일반적으로 에너지 방출은 완전히 별개의 중요한 대화입니다. 사실은 열핵 반응에서 중성자와 모든 종류의 이온화 입자(양성자, 감마 양자 등)의 형태로 더 많이 발생한다는 것입니다. 물론 이 에너지는 여기서 일하는 사람들과 장비 모두에게 위험합니다...
물리학자조차도 중수소-삼중수소 플라즈마 실험을 매우 꺼려합니다. 약 20년 전 미국에서 그러한 실험이 수행된 후 토카막을 분해하고 매장해야 했습니다. 방사능이 되어 더 이상 사용하기에는 너무 위험했습니다. 영국의 JET 토카막은 짧은 시간 동안 삼중수소로 작업한 후 유지보수를 위해 오랫동안 정지되었습니다. 실제로 비용보다 더 큰 열핵 에너지 수율을 얻으려면 복잡하고 값비싼 보호 시설이 필요합니다.
따라서 현재 프랑스에서 건설 중인 ITER 토카막이 '삼중수소 프로그램' 운영으로 전환되면 자동정비로 전면 전환된다. 설치 주변만 남게 됩니다 로봇누가 필요한 모든 일을 할 것입니다. 그럼에도 불구하고 전체 시설을 덮고 방사선과 중성자를 가두는 ITER용 특수 보호 "담요"가 개발되고 있습니다.
- 미래의 열핵 발전 산업에서 어떤 유형의 원자로가 결국 "승리"하고 사용될 것이라고 생각하십니까?
- ITER 원자로는 결국 개발자가 의도한 대로 거의 작동하고 적시에 계획된 전력 수준에 도달할 것이라고 생각합니다. 여기서 문제는 물리학이 아니라 경제학에 있습니다. ITER가 작동하기 시작하더라도 그 자체로 필요한 사람은 거의 없습니다. 즉, 제어된 열핵 반응을 얻을 수 있지만 열핵 에너지의 상업적 사용 측면에서 여전히 너무 적습니다. ITER 참가자들은 이것을 스스로 이해하고 있으므로 새롭고 훨씬 더 거대한 DEMO 프로젝트가 고안된 후 경제적으로 정당한 열 원자력 발전소 계획을 시연하는 것이 임무입니다.
건설 중인 ITER 토카막. 사진: iter.org
토카막을 기반으로 하는 이러한 발전소는 수 기가와트의 에너지를 생성할 수 있습니다(현대식 대형 원자력 발전소 및 수력 발전소와 같습니다. - RP.). 이들은 설계, 건설 및 관리 면에서 거대하고 가장 복잡한 엔지니어링 시스템이 될 것이며 원자력 발전소보다 훨씬 더 복잡할 것입니다. 모든 국가가 이러한 규모를 처리할 수 있는 것은 아니며 모든 사람이 필요로 하는 것도 아닙니다.
일반적으로 우리는 가장 저렴한 전기가 아닌 사용 가능성이 다소 제한적일 것입니다. 따라서 ITER의 성공을 기대할 만하지만, 역사 tokamaks를 에너지원으로 사용하면 종료될 수 있습니다. 이 개념의 다른 구현이 없는 한.
-하지만 통제 된 열핵융합 분야에서의 작업의 의미는 불분명합니다. 값비싼 "방사성" 에너지를 얻는다면 플라즈마를 제어하는 방법을 배워야 하는 이유는 무엇입니까?
- 사실 에너지는 통제된 "열핵"에 대한 잠재적인 응용 분야와는 거리가 멀다. 반응에 의해 방출되는 위험한 중성자조차도 일부 지역에서는 매우 가치가 있습니다. 사실, 이러한 고속 중성자의 가격은 금 가격을 훨씬 능가합니다.
특정 대상이 도중에 배치되면 도움을 받아 대상에서 "요소 변환"을 수행 할 수 있습니다. 산업 규모에서 일부 물질을 다른 물질로 변환하는 연금술사의 꿈을 실현하십시오. 현대적으로 우리는 필요한 동위 원소 중 일부를 얻거나 유해하고 위험한 다른 동위 원소를 파괴할 수 있습니다.
방사성 산업에서 나오는 방사성 폐기물을 "후연소"하기 위한 시설을 만들 가능성은 매우 높습니다. 열핵 에너지가 아직 기다려야한다면 반세기, "애프터 버너"는 아마도 10 년 후에 나타날 것입니다. 이러한 설치는 공급되는 에너지를 변환하는 효율성이 중성자로의 열핵 원자로는 적어도 10%에 도달합니다. 그리고 이 바는 이미 개발자들 앞에서 아주 가까이 다가오고 있습니다.
다음으로 "연료 발생기"라는 시스템이 나타날 수 있습니다. 에너지를 중성자로 변환하는 효율의 약 50%가 필요합니다. 여기에서 우리는 토륨을 우라늄-233과 동위원소의 혼합물로 변환하여 귀중한 핵연료를 생산하기 위해 중요한 동위원소를 실질적으로 산업적인 양으로 얻을 수 있습니다.
또한 하이브리드 핵-열핵 원자로의 개념이 적극적으로 추진되고 있으며 ITER 위원회 의장인 Evgeny Pavlovich Velikhov 학자가 큰 지지를 하고 있습니다. 핵융합 발전소는 중성자를 생산할 것이며, 이는 매우 효율적이고 안전한 고속 중성자 원자로에 공급될 것입니다.
- 귀하에 따르면 Tri Alpha 개발자는 향후 작업의 모든 단계를 계획했습니다. 이 계획에는 예측 가능한 결말이 있습니까? 약속된 '순수한 융합'은 언제쯤 기대할 수 있을까?
- Tri Alpha의 문제는 원자로와 플라즈마 밀폐에만 있는 것이 아닙니다. 해결해야 할 수많은 과학 및 기술 문제가 여전히 남아 있습니다. 우리는 원자로에서 방출되는 엑스레이를 전기로 바꾸는 매우 효율적인 방법을 찾아야 합니다. 시스템의 각 요소의 에너지 효율을 가능한 최대로 끌어올리는 것이 필요합니다. 그런데 이것은 특히 인젝터에 적용됩니다. 현재 85% 미만, 심지어 90% 미만의 "소켓에서" 효율성을 달성하기 위한 연구가 진행 중입니다.
Tri Alpha의 계획에 대해 우리는 그들이 이제서야 안정 상태에 도달했다는 것을 기억할 필요가 있습니다. 과거에는 실험이 그다지 성공적이지 않았고 플라즈마 매개 변수가 솔직히 낮았습니다. 그녀는 너무 빨리 무너졌습니다. 실험 장치의 디자인에 많은 변화가 있었고, 그 잠재력을 최대한 실현할 수 있었습니다. 바라건대, Tri Alpha는 이제 다음 C-3 장치에 대한 자금을 지원받게 되고 새롭고 더 강력한 인젝터가 장착될 것입니다.
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