누가 열핵 원자로를 건설하고 있습니까? Iter - 국제 열핵 원자로(iter) 핵융합 스테이션

오늘날 많은 국가에서 열핵 연구에 참여하고 있습니다. 유럽연합(EU), 미국, 러시아, 일본이 주도국이고, 중국, 브라질, 캐나다, 한국의 프로그램이 빠르게 확대되고 있다. 처음에는 미국과 소련의 핵융합로가 핵무기 개발과 연관되어 있었고 1958년 제네바에서 열린 Atoms for Peace 회의까지 기밀로 유지되었습니다. 소련의 토카막이 탄생한 후, 핵융합 연구는 1970년대에 '대과학'이 되었습니다. 그러나 장치의 비용과 복잡성이 증가하여 국제 협력이 유일한 방법이 되었습니다.

세계의 열핵 원자로

1970년대 이후 핵융합에너지의 상업적 이용은 계속해서 40년씩 지연되어 왔다. 그러나 최근 몇 년간 이 기간을 단축할 수 있는 일이 많이 발생했습니다.

유럽의 JET, 영국의 MAST 및 미국 프린스턴의 TFTR 실험용 핵융합로를 포함하여 여러 토카막이 건설되었습니다. 현재 프랑스 카다라슈(Cadarache)에서 국제 ITER 프로젝트가 진행 중이다. 2020년에 운영을 시작하면 가장 큰 토카막이 될 것입니다. 2030년 중국은 ITER를 능가하는 CFETR을 건설할 예정이다. 한편, 중국은 실험용 초전도 토카막 EAST에 대한 연구를 진행하고 있다.

또 다른 유형의 핵융합로인 스텔레이터(stellator)도 연구자들 사이에서 인기가 있습니다. 가장 큰 규모 중 하나인 LHD는 1998년 일본 국립 연구소에서 작업을 시작했습니다. 이는 플라즈마 감금을 위한 최상의 자기 구성을 찾는 데 사용됩니다. 독일 막스플랑크 연구소는 1988년부터 2002년까지 Garching의 Wendelstein 7-AS 원자로에서 연구를 수행했으며 현재 Wendelstein 7-X 원자로에서는 건설에 19년 이상이 걸렸습니다. 또 다른 TJII 스텔라레이터가 스페인 마드리드에서 운용되고 있습니다. 미국에서는 1951년 최초의 핵융합로를 건설한 프린스턴 연구소(PPPL)가 비용 초과와 자금 부족으로 2008년 NCSX 건설을 중단했다.

또한 관성 핵융합 연구에서도 상당한 발전이 이루어졌습니다. LLNL(리버모어 국립연구소)에 70억 달러 규모의 NIF(국가 점화 시설) 건설이 미국 핵안보국의 자금 지원으로 완료되었으며 2009년 3월에 완료되었습니다. 프랑스 레이저 메가줄(LMJ)은 2014년 10월 가동을 시작했습니다. 핵융합로는 레이저를 사용하여 수십억분의 1초 내에 약 200만 줄의 빛 에너지를 수 밀리미터 크기의 목표물에 전달하여 핵융합 반응을 촉발합니다. NIF와 LMJ의 주요 임무는 국가 군사 핵 프로그램을 지원하는 연구입니다.

ITER

1985년 소련은 유럽, 일본, 미국과 공동으로 차세대 토카막 건설을 제안했다. 이 작업은 IAEA의 후원으로 수행되었습니다. 1988년에서 1990년 사이에 라틴어로 "경로" 또는 "여행"을 의미하는 국제 열핵융합 실험로 ITER의 첫 번째 설계는 핵융합이 흡수한 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 것을 증명하기 위해 만들어졌습니다. 캐나다와 카자흐스탄도 각각 Euratom과 러시아의 중재로 참가했습니다.

6년 후, ITER 이사회는 확립된 물리학과 기술을 기반으로 한 최초의 종합 원자로 설계를 승인했으며 비용은 60억 달러에 달했습니다. 그러다가 미국이 컨소시엄에서 탈퇴하면서 비용을 절반으로 줄이고 프로젝트를 변경하게 됐다. 그 결과가 30억 달러의 비용이 들지만 자립적 대응과 긍정적인 전력 균형을 달성하는 ITER-FEAT입니다.

2003년에 미국은 컨소시엄에 다시 가입했고, 중국은 참여 의사를 밝혔습니다. 그 결과, 2005년 중반에 파트너들은 프랑스 남부의 Cadarache에 ITER를 건설하기로 합의했습니다. EU와 프랑스는 128억 유로 중 절반을 기여했고, 일본, 중국, 한국, 미국, 러시아는 각각 10%를 기여했습니다. 일본은 첨단 기술 부품을 제공하고, 재료 테스트를 위해 설계된 10억 유로 규모의 IFMIF 시설을 유지했으며, 다음 테스트 원자로를 건설할 권리를 가졌습니다. ITER의 총 비용에는 건설 10년 비용의 절반, 운영 20년 비용의 절반이 포함됩니다. 인도는 2005년 말에 ITER의 7번째 회원국이 되었습니다.

자석 활성화를 피하기 위해 수소를 사용하는 실험은 2018년에 시작될 예정입니다. 2026년 이전에는 D-T 플라즈마의 사용이 예상되지 않습니다.

ITER의 목표는 전기를 생산하지 않고 50MW 미만의 입력 전력을 사용하여 500MW(최소 400초 동안)를 생성하는 것입니다.

데모의 2기가와트 실증 발전소는 지속적으로 대규모 생산을 할 예정이다. 데모의 개념 설계는 2017년까지 완료되며, 2024년 착공에 들어갈 예정이다. 발사는 2033년에 이뤄질 예정이다.

제트기

1978년에 EU(Euratom, 스웨덴, 스위스)는 영국에서 공동 유럽 프로젝트 JET를 시작했습니다. JET는 오늘날 세계에서 가장 큰 규모의 토카막을 운영하고 있습니다. 유사한 JT-60 원자로가 일본 국가핵융합연구소에서 작동하고 있지만 JET만이 중수소-삼중수소 연료를 사용할 수 있습니다.

원자로는 1983년에 발사되었으며, 1991년 11월 중수소-삼중수소 플라즈마에서 1초 동안 최대 16MW의 출력과 5MW의 안정적인 출력으로 제어된 열핵융합을 달성한 최초의 실험이 되었습니다. 다양한 가열 방식과 기타 기술을 연구하기 위해 많은 실험이 수행되었습니다.

JET의 추가 개선에는 출력 증가가 포함됩니다. MAST 소형 원자로는 JET와 함께 개발 중이며 ITER 프로젝트의 일부입니다.

K-스타

K-STAR는 대전 국가핵융합연구소(NFRI)가 2008년 중반에 최초로 플라즈마를 생산한 한국형 초전도 토카막이다. 국제협력의 결과물인 ITER. 1.8m 반경의 Tokamak은 ITER에 계획된 것과 동일한 Nb3Sn 초전도 자석을 사용하는 최초의 원자로입니다. 2012년까지 완료된 첫 번째 단계에서 K-STAR는 기본 기술의 실행 가능성을 입증하고 최대 20초 동안 지속되는 플라즈마 펄스를 달성해야 했습니다. 두 번째 단계(2013~2017)에서는 H 모드에서 최대 300초의 긴 펄스를 연구하고 고성능 AT 모드로 전환하도록 현대화되고 있습니다. 3단계(2018~2023)의 목표는 장펄스 모드에서 높은 생산성과 효율성을 달성하는 것이다. 4단계(2023~2025)에서는 DEMO 기술이 테스트됩니다. 이 장치는 삼중수소를 사용할 수 없으며 D-T 연료를 사용하지 않습니다.

K-데모

미국 에너지부 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL) 및 한국 NFRI와 협력하여 개발된 K-DEMO는 ITER를 넘어 상업용 원자로 개발의 다음 단계가 될 것이며, 몇 주 안에 전력망, 즉 100만 kW를 생산할 수 있습니다. 직경은 6.65m이며 DEMO 프로젝트의 일부로 재생 구역 모듈이 생성됩니다. 한국 교육과학기술부는 여기에 약 1조원(9억4100만달러)을 투자할 계획이다.

동쪽

허페이에 있는 중국 물리학 연구소의 중국 실험용 첨단 초전도 토카막(EAST)은 5천만 °C의 온도에서 수소 플라즈마를 생성하고 102초 동안 유지했습니다.

TFTR

미국 실험실 PPPL에서는 실험용 핵융합로 TFTR이 1982년부터 1997년까지 작동되었습니다. 1993년 12월 TFTR은 광범위한 중수소-삼중수소 플라즈마 실험을 수행한 최초의 자기 토카막이 되었습니다. 다음 해에 원자로는 당시 기록적인 10.7MW의 제어 가능한 전력을 생산했으며, 1995년에는 5억 1천만 °C의 온도 기록에 도달했습니다. 그러나 핵융합에너지 손익분기점 목표는 달성하지 못했지만, 하드웨어 설계 목표를 성공적으로 달성해 ITER 발전에 크게 기여했다.

LHD

기후현 도키에 있는 일본 국가핵융합연구소의 LHD는 세계에서 가장 큰 스텔라레이터였습니다. 핵융합로는 1998년에 발사되었으며 다른 대규모 시설과 비교할 수 있는 플라즈마 봉쇄 특성을 보여주었습니다. 13.5keV(약 1억 6천만 °C)의 이온 온도와 1.44MJ의 에너지가 달성되었습니다.

벤델슈타인 7-X

2015년 말에 시작된 1년간의 테스트 이후 헬륨 온도는 잠시 100만 °C에 도달했습니다. 2016년에는 2MW 전력을 사용하는 수소 플라즈마 융합로가 1/4초 만에 8천만 °C의 온도에 도달했습니다. W7-X는 세계 최대 규모의 스텔라레이터로 30분 동안 지속적으로 작동할 예정이다. 원자로 비용은 10억 유로였습니다.

NIF

리버모어 국립 연구소(LLNL)의 국립 점화 시설(NIF)은 2009년 3월에 완공되었습니다. NIF는 192개의 레이저 빔을 사용하여 이전 레이저 시스템보다 60배 더 많은 에너지를 집중할 수 있습니다.

상온 핵융합

1989년 3월, 미국의 Stanley Pons와 영국의 Martin Fleischman이라는 두 명의 연구자가 실온에서 작동하는 간단한 탁상형 저온 핵융합로를 발사했다고 발표했습니다. 중수소 핵이 고밀도로 농축된 팔라듐 전극을 이용해 중수를 전기분해하는 공정이다. 연구진은 이것이 핵 과정으로만 설명할 수 있는 열을 발생시켰으며 헬륨, 삼중수소, 중성자를 포함한 핵융합 부산물도 있었다고 말했습니다. 그러나 다른 실험자들은 이 실험을 반복할 수 없었습니다. 대부분의 과학계는 상온 핵융합로가 실제로 존재한다고 믿지 않습니다.

저에너지 핵반응

"저온 핵융합"에 대한 주장으로 시작된 연구는 경험적 뒷받침을 바탕으로 저에너지 분야에서 계속 진행되었지만 일반적으로 받아들여지는 과학적 설명은 없습니다. 분명히 약한 핵 상호작용은 중성자를 생성하고 포획하는 데 사용됩니다(융합에서처럼 강력한 힘은 아닙니다). 실험에는 촉매층을 통과하여 금속과 반응하는 수소 또는 중수소가 포함됩니다. 연구원들은 관찰된 에너지 방출을 보고합니다. 주요 실제 사례는 수소와 니켈 분말의 상호 작용으로, 화학 반응이 생성할 수 있는 것보다 더 많은 양의 열을 방출합니다.

CADARACHE(프랑스), 5월 25일 - RIA Novosti, Victoria Ivanova.프랑스 남부는 일반적으로 코트 다쥐르(Cote d'Azur), 라벤더 밭 및 칸 페스티벌의 휴일과 관련이 있지만 과학과는 관련이 없지만 "세기의 건설"이 마르세유 근처에서 몇 년 동안 진행되고 있습니다. 카다라체 연구센터 근처에 실험로(ITER)가 건설되고 있습니다.

RIA Novosti 특파원은 세계 최대 규모의 독특한 설치물 건설이 어떻게 진행되고 있는지, 그리고 어떤 사람들이 연간 70억 킬로와트시 에너지를 생산할 수 있는 "태양의 프로토타입"을 만들고 있는지를 알게 되었습니다.

처음에 국제 열핵실험로 프로젝트는 국제열핵실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor)의 약어인 ITER로 불렸습니다. 그러나 나중에 이름에 대한 더 아름다운 해석이 나타났습니다. 프로젝트 이름은 라틴어 iter("path")의 번역으로 설명되었으며 일부 국가에서는 "reactor"라는 단어를 언급하는 것에서 조심스럽게 벗어나기 시작했습니다. 시민들의 마음속에 위험과 방사선에 대한 연상을 불러일으키기 위해.

전 세계가 새로운 원자로를 건설하고 있습니다. 현재까지 러시아, 인도, 일본, 중국, 한국, 미국과 유럽연합(EU)이 이 프로젝트에 참여하고 있다. 단일 그룹으로 활동하는 유럽인들은 프로젝트의 46%를 담당하며, 다른 참여 국가들은 각각 9%를 담당했습니다.

상호 결제 시스템을 단순화하기 위해 조직 내에서 ITER 계정 단위인 IUA라는 특수 통화가 발명되었습니다. 참가자의 구성 요소 공급에 대한 모든 계약은 이러한 단위에서 수행됩니다. 따라서 건설 결과는 국가별 환율 변동 및 각 특정 국가의 부품 생산 비용에 영향을 받지 않습니다.

금전이 아닌 미래 시설의 구성 요소로 표현되는 이 투자를 위해 참가자는 ITER와 관련된 전체 기술에 대한 완전한 접근권을 얻습니다. 따라서 현재 프랑스에는 "열핵융합로 건설을 위한 국제 학교"가 건설되고 있습니다.

"태양계에서 가장 뜨거운 것"

언론인과 심지어 ITER 직원 자신도 이 프로젝트를 Sun과 자주 비교하기 때문에 열핵융합 시설에 대한 다른 협회를 찾는 것이 매우 어렵습니다. 국제 ITER 조직의 한 부서장인 마리오 메롤라(Mario Merola)는 원자로를 "우리 태양계에서 가장 뜨거운 것"이라고 부르며 그렇게 할 수 있었습니다.

"장치 내부 온도는 섭씨 약 1억 5천만도가 될 것이며 이는 태양 핵의 온도보다 10배 더 높습니다. 설비의 자기장은 지구 자체의 자기장보다 약 20만 배 더 클 것입니다."라고 Mario는 말합니다. 프로젝트에 대해.

ITER는 자기 코일이 있는 토로이달 챔버인 토카막 시스템을 기반으로 합니다. 고온 플라즈마의 자기 가두기 아이디어는 지난 세기 중반 쿠르차토프 연구소에서 세계 최초로 개발되어 기술적으로 구현되었습니다. 다른 구성 요소들 중에서도 프로젝트의 시작점이었던 러시아는 설치의 가장 중요한 부분 중 하나인 "ITER의 심장"인 초전도 자기 시스템을 제조합니다. 특수한 나노 구조를 지닌 수만 개의 필라멘트를 포함하는 다양한 형태의 초전도체로 구성됩니다.

이러한 대규모 시스템을 만들려면 수백 톤의 초전도체가 필요합니다. 7개 참가국 중 6개국이 생산에 참여하고 있습니다. 그 중에는 니오븀-티타늄과 니오븀-주석 합금을 기반으로 한 초전도체를 공급하는 러시아가 있는데, 이는 세계 최고 수준입니다. 러시아에서 이러한 재료의 생산은 Rosatom 기업과 Kurchatov Institute에서 수행됩니다.

© 사진: ITER 기구 제공

© 사진: ITER 기구 제공

일반적인 어려움

그러나 제 시간에 의무를 이행하는 러시아와 중국은 자신도 모르게 제 시간에 작업을 완료하지 못하는 다른 프로젝트 참가자의 인질이되었습니다. ITER 프로젝트의 특이성은 모든 당사자의 긴밀한 상호 작용이므로 한 국가의 지연으로 인해 전체 프로젝트가 "미끄러지기"시작한다는 사실로 이어집니다.

상황을 바로잡기 위해 ITER 조직의 새로운 책임자인 Bernard Bigot는 프로젝트 기간을 변경하기로 결정했습니다. 보다 현실적이 될 것으로 예상되는 새로운 버전의 일정이 11월에 발표될 예정입니다.

동시에 Bigo는 참가자 간의 작업 재분배도 배제하지 않았습니다.

"지연이 전혀 없었다면 기쁘겠습니다. 하지만 우리의 글로벌 프로젝트 실행이 일부 영역에서 어려움을 겪었다는 점을 인정해야 합니다. ITER의 용량을 줄이는 것 외에 다른 해결책은 열려 있습니다. 보이지 않습니다." 업무를 재분배하는 것은 무엇이든 나쁘지만 이 문제는 진지하게 논의되어야 한다”고 조직의 총책임자는 말했다.

Bigot는 ITER 창설 작업이 7개 참여 국가의 수백 개 기업과 조직에서 수행되고 있다고 언급했습니다. 비고는 "그냥 손가락질만 하고 계획을 실행할 수는 없다. 선의와 선의가 있으면 기한을 맞추는 것이 쉬울 것이라고 다들 생각했다. 이제 엄격한 관리 없이는 아무것도 되지 않는다는 것을 깨달았다"고 강조했다.

그에 따르면 ITER 건설의 어려움은 참가국의 문화 차이로 인해 발생하며, 이전에는 전 세계적으로 유사한 프로젝트가 없었기 때문에 처음으로 생산되는 메커니즘과 설치물이 많다는 점이다. 규제 기관의 추가 테스트 및 인증에는 추가 시간이 소요됩니다.

Bigot가 제안한 "엄격한 관리" 조치 중 하나는 국가 기관의 이사와 국장을 포함하는 또 다른 관리 기관을 창설하는 것입니다. 이 기관의 결정은 프로젝트의 모든 참가자를 구속할 것입니다. Bigot는 이것이 상호 작용 과정에 박차를 가할 수 있기를 바랍니다.

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"세기의 건설"

그동안 ITER 영토에서는 대규모 건설 프로젝트가 진행 중이다. 시설의 "심장"인 토카막 자체와 사무실 부지는 1km x 400m 크기의 면적을 차지하게 됩니다.

원자로를 위해 깊이 20m의 구덩이를 파고 바닥에 이 단계에 필요한 부속품과 기타 구성 요소를 거울처럼 매끄러운 아스팔트를 따라 가져옵니다. 먼저 벽 세그먼트를 수평으로 조립하여 금속 구조물을 특수 플레이트와 연결합니다. 그런 다음 4대의 건설 크레인의 도움을 받아 최종적으로 원하는 위치에 배치됩니다.

몇 년이 지나면 사이트를 알아볼 수 없게 됩니다. 플랫폼에 거대한 구멍 대신 볼쇼이 극장 크기 정도의 거상(높이 약 40m)이 그 위로 솟아오를 것입니다.

현장 어딘가에서는 아직 건설이 시작되지 않았습니다. 이로 인해 다른 국가에서는 열핵 원자로 구성 요소의 배송 시간을 정확하게 계산할 수 없으며 어딘가에서는 이미 완료되었습니다. 특히, ITER 본부, 자기 시스템의 폴로이드 코일 권선 건물, 변전소 및 기타 여러 보조 건물이 가동 준비가 되어 있습니다.

"행복은 미지의 것에 대한 끊임없는 지식에 있다"

과학 작업이 모든 곳에서 인기가 없고 존중받지 못하는 시기에 ITER는 다양한 국가의 500명의 과학자, 엔지니어 및 기타 전문 분야의 대표자들을 플랫폼에 모았습니다. 이 전문가들은 Strugatsky 가족과 마찬가지로 진정한 몽상가이자 헌신적인 사람들입니다. "그들은 행복은 미지에 대한 지속적인 지식에 있으며 삶의 의미도 여기에 있다는 작업 가설을 받아들였습니다."

그러나 프로젝트 직원의 생활 조건은 소련 공상 과학 작가 "월요일은 토요일에 시작됩니다"의 이야기 속 주인공이 일했던 NIICHAVO (마법 및 마법 연구소)의 생활 조건과 근본적으로 다릅니다. ITER 영토에는 외국인을 위한 호스텔이 없습니다. 그들은 모두 인근 마을과 마을에서 주택을 임대합니다.

이미 건설된 건물 중 하나의 내부에는 작업 공간 외에도 프로젝트 직원들이 아주 적당한 금액으로 간식이나 푸짐한 점심을 먹을 수 있는 거대한 구내식당이 있습니다. 메뉴에는 일본 국수나 이탈리아 미네스트로네 등 항상 국가 요리가 있습니다.

식당 입구에는 안내판이 있습니다. 여기에는 아파트 공동 임대 제안과 "프랑스어 수업, 고품질 및 저렴한 가격"이 포함되어 있습니다. 흰색 종이가 보입니다. "카다라체 합창단이 참가자를 모집하고 있습니다. ITER 본관으로 오세요." 아직 결성이 완료되지 않은 합창단 외에도 프로젝트 스태프가 자체 오케스트라를 조직했습니다. Cadarache에서 수년 동안 활동해온 러시아인 Evgeniy Veshchev도 색소폰을 연주합니다.

태양으로 가는 길

"우리는 여기서 어떻게 삽니까? 일하고, 리허설하고, 놀죠. 가끔 바다나 산으로 가는데 여기서 멀지 않습니다."라고 Evgeniy는 말합니다. "물론 저는 러시아를 그리워하고 응원합니다. 하지만 이것은 장기 해외 출장은 처음이 아니라 익숙해요.”

Evgeniy는 물리학자이며 프로젝트에 진단 시스템을 통합하는 데 참여하고 있습니다.

"학생 시절부터 저는 ITER 프로젝트, 앞으로 다가올 기회와 전망에 영감을 받았고 그 뒤에 미래가 있다는 느낌이 들었습니다. 그러나 이곳에서 제 길은 다른 많은 사람들처럼 험난했습니다. 졸업 후 저는 돈이 별로 좋지 않은 저는 "과학을 사업으로 그만두고 나만의 무언가를 여는 것도 생각해 보았습니다. 하지만 출장을 갔다가 또 다른 여행을 갔습니다. 그래서 ITER에 대해 처음 알게 된 지 10년 후, 저는 결국 프랑스에 오게 되었습니다. , 프로젝트에서 "라고 물리학자는 말합니다.

러시아 과학자에 따르면 "각 직원은 프로젝트에 참여하게 된 자신만의 이야기를 가지고 있습니다." 지지자들의 "태양으로 가는 길"이 무엇이든, 그들 중 누구와 가장 짧은 대화를 나눈 후에도 그들의 공예품의 팬이 여기에서 작업하고 있다는 것이 분명해졌습니다.

예를 들어 미국인 Mark Henderson은 ITER의 플라즈마 가열 전문가입니다. 그는 Apple의 창립자 중 한 명인 Steve Jobs의 모습으로 짧은 머리에 마른 안경을 쓰고 회의에 왔습니다. 검은색 셔츠, 빛바랜 청바지, 운동화. Henderson과 Jobs의 독특한 친밀감은 외부 유사성에만 국한되지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 둘 다 자신의 발명으로 세상을 바꾸려는 아이디어에서 영감을 얻은 몽상가입니다.

"인류로서 우리는 자원에 점점 더 의존하고 있으며 자원을 소비할 수밖에 없습니다. 우리의 집단 지능은 효모 한 그릇의 집단 지능과 동일합니까? 우리는 다음 세대에 대해 생각해야 합니다. 우리는 다시 꿈을 꾸기 시작해야 합니다." 헨더슨은 확신합니다.

그리고 그들은 가장 놀랍고 환상적인 아이디어를 생각하고, 꿈꾸고, 실현합니다. 그리고 외교 정책 의제에 관한 어떤 문제도 과학자들의 작업을 방해할 수 없습니다. 불일치는 조만간 끝날 것이며 열핵 반응의 결과로 얻은 열은 대륙과 주에 관계없이 모든 사람을 따뜻하게 할 것입니다.

ITER(ITER, 국제열핵융합실험로, "국제실험핵융합로")는 최초의 국제 실험열핵융합로 건설을 목표로 하는 대규모 과학기술 프로젝트입니다.

Cadarache(프랑스 프로방스-알프-코트다쥐르 지역)에서 7개 주요 파트너(유럽 연합, 인도, 중국, 한국, 러시아, 미국, 일본)가 시행합니다. ITER는 제어된 열핵융합을 수행하기 위한 가장 유망한 장치로 간주되는 토카막 장치(첫 글자를 따서 명명: 자기 코일이 있는 토로이드 챔버)를 기반으로 합니다. 최초의 토카막은 1954년 소련에서 제작되었습니다.

이 프로젝트의 목표는 핵융합 에너지가 산업적 규모로 사용될 수 있음을 입증하는 것입니다. ITER는 1억도 이상의 온도에서 중수소 동위원소와의 핵융합 반응을 통해 에너지를 생산해야 한다.

시설에 사용될 연료(중수소와 삼중수소의 혼합물) 1g은 석유 8톤과 동일한 양의 에너지를 제공한다고 가정합니다. ITER의 추정 열핵전력은 500MW이다.

전문가들은 이러한 유형의 원자로가 현재의 원자력 발전소(NPP)보다 훨씬 안전하며 해수는 거의 무제한의 양으로 연료를 공급할 수 있다고 말합니다. 따라서 ITER의 성공적인 구현은 친환경 에너지의 무한한 원천을 제공할 것입니다.

프로젝트 이력

원자로 개념은 그 이름을 딴 원자력 연구소에서 개발되었습니다. I.V.Kurchatova. 1978년 소련은 국제원자력기구(IAEA)에 이 프로젝트를 실행하겠다는 아이디어를 제시했다. 이 프로젝트를 실행하기로 한 합의는 1985년 제네바에서 소련과 미국 간의 협상 중에 이루어졌습니다.

이 프로그램은 나중에 IAEA의 승인을 받았습니다. 1987년에 이 프로젝트는 현재의 이름을 얻었고, 1988년에 관리 기구인 ITER 위원회가 창설되었습니다. 1988-1990년 소련, 미국, 일본, 유럽의 과학자와 엔지니어들이 프로젝트에 대한 개념적 연구를 수행했습니다.

1992년 7월 21일 워싱턴에서 EU, 러시아, 미국, 일본이 ITER 기술 프로젝트 개발에 관한 협정을 체결했으며 이는 2001년에 완료되었습니다. 2002~2005년. 한국, 중국, 인도가 프로젝트에 참여했습니다. 최초의 국제 실험용 핵융합로 건설에 관한 협약이 2006년 11월 21일 파리에서 체결되었습니다.

1년 후인 2007년 11월 7일, ITER 건설 현장에 대한 계약이 체결되었으며 이에 따라 원자로는 프랑스 마르세유 근처 Cadarache 원자력 센터에 위치하게 됩니다. 제어 및 데이터 처리 센터는 나카(일본 이바라키현)에 위치할 예정입니다.

카다라체 건설현장 준비는 2007년 1월 시작됐고, 2013년부터 본격적인 공사가 시작됐다. 이 단지는 180헥타르의 면적에 위치할 것입니다. 높이 60m, 무게 23,000톤에 달하는 원자로는 길이 1km, 폭 400m 부지에 건설될 예정이며, 건설 작업은 2007년 10월 창설된 국제기구 ITER에 의해 조정됩니다.

프로젝트 비용은 150억 유로로 추산되는데, 그 중 EU(Euratom을 통해)가 45.4%를 차지하고, 기타 6개 참가자(러시아 연방 포함)가 각각 9.1%를 기여합니다. 1994년부터 카자흐스탄도 러시아 할당량에 따라 이 프로젝트에 참여해 왔다.

원자로 요소는 선박을 통해 프랑스의 지중해 연안으로 배달되고 그곳에서 특수 캐러밴을 통해 Cadarache 지역으로 운송됩니다. 이를 위해 2013년에는 기존 도로 구간을 대폭 재설치하고 교량을 강화했으며 새로운 교차로와 특히 튼튼한 표면을 갖춘 선로를 건설했습니다. 2014년부터 2019년까지 최소 36대의 초중형 도로 열차가 요새화된 도로를 통과해야 합니다.

ITER용 플라즈마 진단 시스템은 노보시비르스크에서 개발될 예정입니다. 이에 대한 합의는 2014년 1월 27일 국제기구 ITER 모토지마 오사무 국장과 러시아 연방 ITER 국가기관 아나톨리 크라실니코프 대표가 서명했습니다.

새로운 계약의 틀 내에서 진단 단지의 개발은 이름을 딴 물리 기술 연구소를 기반으로 수행되고 있습니다. A.F. Ioffe 러시아 과학 아카데미.

원자로는 2020년에 가동될 것으로 예상되며, 최초의 핵융합 반응은 이르면 2027년에 수행될 예정입니다. 2037년에 프로젝트의 실험적 부분을 완료하고 2040년까지 전기 생산으로 전환할 계획입니다. . 전문가들의 예비 예측에 따르면 산업용 버전의 원자로는 2060년 이전에 준비될 것이며 이러한 유형의 일련의 원자로는 21세기 말까지만 생성될 수 있습니다.

핵융합발전소.

현재 과학자들은 열핵발전소를 건설하기 위해 노력하고 있으며, 그 장점은 인류에게 무제한으로 전기를 공급할 수 있다는 것입니다. 열핵 발전소는 중수소 동위원소 합성과 헬륨 형성 및 에너지 방출의 반응인 열핵융합을 기반으로 작동합니다. 열핵융합 반응에서는 기체 또는 액체 방사성 폐기물이 생성되지 않으며, 핵무기 제조에 사용되는 플루토늄도 생성되지 않습니다. 열핵 발전소의 연료가 단순한 물에서 얻은 중수소 동위원소 중수소라는 점을 고려한다면, 물 반 리터에는 휘발유 배럴을 태워 얻은 것과 동일한 핵융합 에너지가 포함되어 있습니다. 열핵반응에 기초한 발전소가 명백해졌습니다.

열핵 반응 중에 가벼운 원자가 결합하여 더 무거운 원자로 변환될 때 에너지가 방출됩니다. 이를 달성하려면 가스를 태양 중심의 온도보다 훨씬 높은 1억도 이상의 온도로 가열해야 합니다.

이 온도의 가스는 플라즈마로 변합니다. 동시에 수소 동위원소 원자가 합쳐져 ​​헬륨 원자와 중성자로 바뀌고 많은 양의 에너지를 방출합니다. 이 원리로 작동하는 상업용 발전소는 밀도가 높은 물질(리튬) 층에 의해 조절되는 중성자 에너지를 사용합니다.

원자력 발전소에 비해 핵융합로는 방사성 폐기물이 훨씬 적게 남습니다.

국제열핵로 ITER

세계 최초의 열핵 원자로인 ITER를 만들기 위한 국제 컨소시엄 참가자들은 브뤼셀에서 프로젝트의 실질적인 구현을 시작하는 계약에 서명했습니다.

유럽연합, 미국, 일본, 중국, 한국, 러시아 대표들은 2007년에 실험용 원자로 건설을 시작하여 8년 이내에 완료할 계획입니다. 모든 것이 계획대로 진행된다면 2040년까지 새로운 원리에 따라 운영되는 시범 발전소가 건설될 수 있습니다.

환경적으로 위험한 수력발전소와 원자력발전소의 시대가 곧 끝나고 이미 프로젝트가 시행되고 있는 열핵발전소인 새로운 발전소의 시대가 올 것이라고 믿고 싶습니다. 그러나 ITER(국제 열핵 원자로) 프로젝트가 거의 준비되었음에도 불구하고; 이미 최초의 실험용 열핵 원자로에서 10MW를 초과하는 전력을 얻었음에도 불구하고(최초의 원자력 발전소 수준), 최초의 열핵 발전소는 비용이 매우 높기 때문에 20년 이내에 가동을 시작하지 않을 것입니다. . 작업 비용은 100억 유로로 추산되는데, 이는 국제 발전소 프로젝트 중 가장 비용이 많이 드는 프로젝트입니다. 원자로 건설 비용의 절반은 유럽연합이 부담합니다. 다른 컨소시엄 참가자는 추정치의 10%를 할당합니다.

이제 역대 가장 비용이 많이 드는 공동 과학 프로젝트가 될 원자로 건설 계획은 컨소시엄 회원국 국회의원들의 비준을 받아야 합니다.

원자로는 프랑스 남부 프로방스 지방, 프랑스 원자력 연구센터가 위치한 카다라슈 시 인근에 건설될 예정이다.

모든 것이 어떻게 시작 되었습니까? "에너지 문제"는 다음 세 가지 요소의 조합으로 인해 발생했습니다.

1. 인류는 이제 엄청난 양의 에너지를 소비합니다.

현재 전 세계 에너지 소비량은 약 15.7테라와트(TW)이다. 이 값을 세계 인구로 나누면 1인당 약 2400와트를 얻을 수 있으며 이는 쉽게 추정하고 시각화할 수 있습니다. 지구의 모든 주민(어린이 포함)이 소비하는 에너지는 24개의 100와트 전구를 24시간 작동하는 데 해당합니다. 그러나 지구 전체에 걸쳐 이 에너지의 소비는 매우 고르지 않습니다. 왜냐하면 여러 국가에서는 매우 크고 다른 국가에서는 무시할 수 있기 때문입니다. 소비량(1인 기준)은 미국의 10.3kW(기록적인 값 중 하나), 러시아의 6.3kW, 영국의 5.1kW 등이지만, 반면에 이는 동일합니다. 방글라데시는 0.21kW에 불과합니다(미국 에너지 소비량의 2%에 불과합니다!).

2. 세계 에너지 소비는 급격히 증가하고 있습니다.

국제에너지기구(2006)에 따르면 전 세계 에너지 소비는 2030년까지 50% 증가할 것으로 예상된다. 물론 선진국은 추가 에너지 없이도 괜찮을 수 있지만, 이러한 성장은 15억 명이 심각한 전력 부족을 겪고 있는 개발도상국의 사람들을 빈곤에서 벗어나기 위해 필요합니다.

3. 현재 세계 에너지의 80%는 화석연료 연소에서 나옵니다. (석유, 석탄 및 가스), 그 용도는 다음과 같습니다.
a) 잠재적으로 치명적인 환경 변화의 위험을 초래합니다.
b) 언젠가는 반드시 끝나야 합니다.

지금까지 말한 바에 따르면 이제 우리는 화석연료 시대의 종말을 준비해야 함은 분명합니다.

현재 원자력 발전소에서는 원자핵의 핵분열 반응 중에 방출되는 에너지를 대규모로 생산하고 있습니다. 그러한 발전소의 건설과 개발은 가능한 모든 방법으로 장려되어야 하지만, 그 운영에 가장 중요한 재료 중 하나(저렴한 우라늄)의 매장량도 향후 50년 이내에 완전히 소진될 수 있다는 점을 고려해야 합니다. . 핵분열 기반 에너지의 가능성은 보다 효율적인 에너지 사이클을 사용하여 크게 확장될 수 있으며, 이를 통해 생산되는 에너지의 양이 거의 두 배로 증가할 수 있습니다. 이 방향으로 에너지를 개발하려면 토륨 원자로(소위 토륨 증식 원자로 또는 증식 원자로)를 만들어야 합니다. 이 반응에서 원래 우라늄보다 더 많은 토륨이 생성되고 그 결과 총 에너지량이 생성됩니다. 주어진 양의 물질에 대해 40배 증가합니다. 또한 우라늄 원자로보다 훨씬 효율적이고 60배 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 고속 중성자를 사용하여 플루토늄 증식 장치를 만드는 것도 유망해 보입니다. 이러한 지역을 개발하려면 우라늄을 얻기 위한 새로운 비표준 방법(예: 가장 접근하기 쉬운 해수에서)을 개발해야 할 수도 있습니다.

핵융합 발전소

그림은 열핵 발전소의 장치 및 작동 원리에 대한 개략도(축척이 아님)를 보여줍니다. 중앙 부분에는 100M°C 이상의 온도로 가열된 삼중수소-중수소(T-D) 플라즈마로 채워진 부피가 ~2000m3인 환상형(도넛 모양) 챔버가 있습니다. 핵융합 반응(1)에서 생성된 중성자는 '자기병'을 떠나 그림에 보이는 두께 1m 정도의 껍질 속으로 들어간다.

껍질 내부에서 중성자는 리튬 원자와 충돌하여 삼중수소를 생성하는 반응을 일으킵니다.

중성자 + 리튬 → 헬륨 + 삼중수소

또한 시스템에서는 삼중수소가 형성되지 않고 경쟁 반응이 일어날 뿐만 아니라 추가 중성자를 방출하는 많은 반응이 발생하여 삼중수소가 형성됩니다(이 경우 추가 중성자가 방출될 수 있음). 예를 들어 베릴륨 원자를 껍질과 납에 도입함으로써 크게 향상되었습니다. 일반적인 결론은 이 시설이 (적어도 이론적으로는) 삼중수소를 생산하는 핵융합 반응을 겪을 수 있다는 것입니다. 이 경우, 생산되는 삼중수소의 양은 시설 자체의 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 다소 더 커야 하며, 이는 새로운 시설에 삼중수소를 공급하는 것을 가능하게 할 것입니다. 아래에 설명된 ITER 원자로에서 테스트하고 구현해야 하는 것이 바로 이 작동 개념입니다.

또한 중성자는 소위 파일럿 플랜트(상대적으로 "일반적인" 건축 자재가 사용됨)에서 쉘을 약 400°C까지 가열해야 합니다. 앞으로는 최신 고강도 재료(예: 탄화규소 복합재)를 사용하여 쉘 가열 온도가 1000°C 이상인 개선된 설비를 만들 계획입니다. 기존 스테이션에서와 마찬가지로 쉘에서 생성된 열은 냉각수(예: 물 또는 헬륨 포함)가 포함된 1차 냉각 회로에서 흡수되어 2차 회로로 전달되어 수증기가 생성되어 터빈에 공급됩니다.

1985 - 소련은 핵융합로 제작에 있어 주요 4개국의 경험을 활용하여 차세대 토카막 발전소를 제안했습니다. 미국은 일본 및 유럽 공동체와 함께 프로젝트 시행에 대한 제안을 내놓았습니다.

현재 프랑스에서는 플라즈마를 "점화"할 수 있는 최초의 토카막이 될 국제 실험용 열핵 원자로 ITER(국제 토카막 실험 원자로) 건설이 진행 중입니다.

기존의 가장 발전된 토카막 설비는 오랫동안 핵융합 발전소의 작동에 필요한 값에 가까운 약 150M°C의 온도에 도달했지만, ITER 원자로는 오랫동안 설계된 최초의 대규모 발전소가 되어야 합니다. -기간 운영. 앞으로는 작동 매개변수를 크게 개선해야 하며, 이를 위해서는 우선 플라즈마의 압력을 높여야 합니다. 주어진 온도에서 핵융합 속도는 압력의 제곱에 비례하기 때문입니다. 이 경우 주요 과학적 문제는 플라즈마의 압력이 증가하면 매우 복잡하고 위험한 불안정성, 즉 불안정한 작동 모드가 발생한다는 사실과 관련이 있습니다.

이것이 왜 필요한가요?

핵융합의 가장 큰 장점은 자연에서 연료로 매우 흔히 볼 수 있는 아주 적은 양의 물질만 필요하다는 것입니다. 설명된 시설의 핵융합 반응은 기존 화학 반응(예: 화석 연료 연소) 중에 방출되는 표준 열보다 천만 배 더 높은 엄청난 양의 에너지를 방출할 수 있습니다. 비교를 위해 1기가와트(GW) 용량의 화력발전소에 전력을 공급하는 데 필요한 석탄의 양은 하루 10,000톤(철도차량 10량)이며, 같은 전력의 핵융합발전소는 약 1만톤만 소비한다는 점을 지적합니다. 하루에 1kg의 D+T 혼합물.

중수소는 수소의 안정한 동위원소입니다. 일반 물 분자 3,350개 중 약 1개에서 수소 원자 중 하나가 중수소(빅뱅의 유산)로 대체됩니다. 이 사실은 물에서 필요한 양의 중수소를 상당히 저렴하게 생산하는 것을 쉽게 조직화합니다. 불안정한 삼중수소를 얻는 것이 더 어렵습니다(반감기는 약 12년이므로 자연 상태의 함량은 무시할 수 있음). 그러나 위에 표시된 것처럼 삼중수소는 작동 중에 열핵 시설 내부에 직접 나타납니다. 중성자와 리튬의 반응으로 인해.

따라서 핵융합로의 초기 연료는 리튬과 물이다. 리튬은 가전제품(휴대폰 배터리 등)에 널리 사용되는 일반적인 금속이다. 위에서 설명한 설비는 비이상적인 효율성을 고려하더라도 200,000kWh의 전기 에너지를 생산할 수 있으며 이는 석탄 70톤에 포함된 에너지에 해당합니다. 여기에 필요한 리튬의 양은 컴퓨터 배터리 한 개에 들어 있고, 중수소의 양은 물 45리터에 들어있습니다. 위 값은 EU 국가의 30년간 현재 전력 소비량(1인당 계산)에 해당합니다. 그러한 미미한 양의 리튬이 그러한 양의 전력 생산을 보장할 수 있다는 사실(CO2 배출 및 대기 오염이 전혀 없음)은 열핵 에너지의 가장 빠르고 활발한 개발에 대한 상당히 심각한 주장입니다. 어려움과 문제) 그리고 그러한 연구의 성공에 대한 100% 확신이 없더라도.

중수소는 수백만 년 동안 지속되어야 하며, 쉽게 채굴되는 리튬 매장량은 수백 년 동안 수요를 공급하기에 충분합니다. 암석에 포함된 리튬이 고갈되더라도 물에서 추출할 수 있으며, 물에서 추출할 수 있을 만큼 충분히 높은 농도(우라늄 농도의 100배)로 경제적으로 추출이 가능합니다.

실험용 열핵 원자로 (국제 열 핵 실험 원자로)가 프랑스 Cadarache시 근처에 건설되고 있습니다. ITER 프로젝트의 주요 목표는 제어된 열핵융합 반응을 산업 규모로 구현하는 것입니다.

열핵연료의 단위 중량당, 같은 양의 유기연료를 태울 때보다 약 1,000만 배 더 많은 에너지를 얻고, 현재 가동 중인 원자력 발전소의 원자로에서 우라늄 핵을 분해할 때보다 약 100배 더 많은 에너지를 얻습니다. 과학자와 디자이너의 계산이 실현된다면 이는 인류에게 무한한 에너지원을 제공할 것입니다.

따라서 여러 국가(러시아, 인도, 중국, 한국, 카자흐스탄, 미국, 캐나다, 일본, 유럽 연합 국가)가 힘을 합쳐 새로운 발전소의 프로토타입인 국제 열핵 연구용 원자로를 만들었습니다.

ITER는 수소와 삼중수소 원자(수소 동위원소)의 합성 조건을 만들어 새로운 원자인 헬륨 원자를 생성하는 시설입니다. 이 과정에는 엄청난 에너지 폭발이 수반됩니다. 열핵 반응이 일어나는 플라즈마의 온도는 섭씨 약 1억 5천만도입니다(비교하자면 태양 핵의 온도는 4천만도입니다). 이 경우 동위원소가 연소되어 방사성 폐기물이 거의 남지 않습니다.
국제 프로젝트 참여 계획은 원자로 부품 공급 및 건설 자금 조달을 제공합니다. 이에 대한 대가로 각 참여 국가는 열핵 원자로를 만들기 위한 모든 기술과 이 원자로에 대한 모든 실험 작업 결과에 대한 완전한 접근권을 가지며, 이는 직렬 동력 열핵 원자로 설계의 기초가 될 것입니다.

열핵융합 원리에 기초한 원자로는 방사능 방사선이 없으며 환경에 완전히 안전합니다. 세계 거의 모든 곳에 위치할 수 있으며 연료는 일반 물입니다. ITER 건설 기간은 약 10년, 원자로 사용 기간은 20년 정도가 될 것으로 예상된다.

앞으로 몇 년 안에 ITER 열핵 원자로 건설을 위한 국제 기구 협의회에서 러시아의 이익은 러시아 과학 아카데미의 해당 회원인 Mikhail Kovalchuk과 러시아 연구 센터 Kurchatov 연구소의 소장이 대표하게 될 것입니다. 러시아 과학 아카데미의 결정학 및 과학, 기술 및 교육에 관한 대통령 위원회의 과학 비서. Kovalchuk은 향후 2년 동안 ITER 국제 평의회 의장으로 선출되었으며 이 직책을 참가 국가의 공식 대표의 직무와 결합할 권리가 없는 학자 Evgeniy Velikhov를 임시로 교체할 것입니다.

총 건설 비용은 50억 유로로 추산되며, 원자로 시험 운전에도 같은 금액이 필요할 것으로 보인다. 인도, 중국, 한국, 러시아, 미국, 일본의 지분은 각각 총 가치의 약 10%를 차지하고, 45%는 유럽연합 국가에서 나옵니다. 그러나 유럽 국가들은 비용이 정확히 어떻게 분배되는지에 대해 아직 합의하지 않았습니다. 이로 인해 착공은 2010년 4월로 연기됐다. 최근 지연에도 불구하고 ITER 관련 과학자와 관계자들은 2018년까지 프로젝트를 완료할 수 있을 것이라고 말했습니다.

ITER의 추정 열핵전력은 500메가와트이다. 개별 자석 부품의 무게는 200~450톤에 이릅니다. ITER를 냉각하려면 하루 33,000입방미터의 물이 필요합니다.

1998년에 미국은 이 프로젝트에 대한 자금 지원을 중단했습니다. 공화당이 집권하고 캘리포니아에서 정전이 시작된 후 부시 행정부는 에너지에 대한 투자를 늘리겠다고 발표했습니다. 미국은 국제 프로젝트에 참여할 의도가 없었고 자체 열핵 프로젝트에 참여했습니다. 2002년 초, 부시 대통령의 기술 고문인 존 마버거 3세(John Marburger III)는 미국이 마음을 바꾸었고 이 프로젝트에 복귀할 계획이라고 말했습니다.

참가자 수 측면에서 이 프로젝트는 또 다른 주요 국제 과학 프로젝트인 국제 우주 정거장과 비슷합니다. 이전에 80억 달러에 달했던 ITER 비용은 이후 40억 달러 미만으로 떨어졌습니다. 미국이 참가를 철회함에 따라 원자로 출력을 1.5GW에서 500MW로 줄이기로 결정됐다. 이에 따라 프로젝트 가격도 하락했다.

2002년 6월에는 “ITER 모스크바의 날” 심포지엄이 러시아 수도에서 열렸습니다. 이 프로젝트의 성공은 인류의 운명을 바꾸고 효율성과 경제성 측면에서 태양 에너지와 비교할 수 있는 새로운 유형의 에너지를 제공할 수 있는 프로젝트를 부활시키는 이론적, 실제적, 조직적 문제를 논의했습니다.

2010년 7월 프랑스 카다라슈에서 열린 임시회의에서 ITER 국제핵융합로 프로젝트 참가국 대표들이 예산과 건설일정을 승인했다. .

마지막 임시 회의에서 프로젝트 참가자들은 플라즈마를 사용한 첫 번째 실험 시작일인 2019년을 승인했습니다. 전체 실험은 2027년 3월로 계획되어 있지만 프로젝트 관리팀은 기술 전문가에게 프로세스를 최적화하고 2026년에 실험을 시작하도록 요청했습니다. 회의 참가자들은 원자로 건설 비용도 결정했지만 시설 건설에 지출할 계획 금액은 공개하지 않았습니다. 익명의 출처로부터 ScienceNOW 포털 편집자가 받은 정보에 따르면 실험이 시작될 때까지 ITER 프로젝트 비용은 160억 유로에 달할 수 있습니다.

Cadarache에서의 회의는 또한 새로운 프로젝트 디렉터인 일본 물리학자 Osamu Motojima의 첫 공식 근무일이었습니다. 그 전에는 2005년부터 이 프로젝트를 주도했던 일본인 이케다 카나메(Kaname Ikeda)는 예산과 건설 기한이 승인된 후 즉시 자리를 떠나기를 원했습니다.

ITER 핵융합로는 유럽연합, 스위스, 일본, 미국, 러시아, 한국, 중국, 인도의 공동 프로젝트입니다. ITER를 만드는 아이디어는 지난 세기 80년대부터 고려되었지만 재정적, 기술적 어려움으로 인해 프로젝트 비용이 지속적으로 증가하고 착공일이 지속적으로 연기되고 있습니다. 2009년에 전문가들은 원자로 건설 작업이 2010년에 시작될 것으로 예상했습니다. 나중에 이 날짜가 옮겨져 처음에는 2018년, 그 다음에는 2019년을 원자로 발사 시기로 명명했습니다.

열핵융합 반응은 가벼운 동위원소의 핵이 융합되어 더 무거운 핵을 형성하는 반응으로, 엄청난 에너지 방출을 동반합니다. 이론적으로 핵융합로는 저렴한 비용으로 많은 에너지를 생산할 수 있지만 현재 과학자들은 핵융합 반응을 시작하고 유지하기 위해 훨씬 더 많은 에너지와 돈을 소비하고 있습니다.

열핵융합은 에너지를 생산하는 저렴하고 환경 친화적인 방법입니다. 수십억 년 동안 통제되지 않은 열핵융합이 태양에서 일어나고 있습니다. 헬륨은 중수소 동위원소 중수소로부터 형성됩니다. 이는 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 그러나 지구상의 사람들은 그러한 반응을 통제하는 방법을 아직 배우지 못했습니다.

ITER 원자로는 수소 동위원소를 연료로 사용합니다. 열핵반응 중에 가벼운 원자가 더 무거운 원자로 결합될 때 에너지가 방출됩니다. 이를 달성하려면 가스를 태양 중심의 온도보다 훨씬 높은 1억도 이상의 온도로 가열해야 합니다. 이 온도의 가스는 플라즈마로 변합니다. 동시에, 수소 동위원소 원자가 합쳐져 ​​많은 수의 중성자가 방출되면서 헬륨 원자로 변합니다. 이 원리로 작동하는 발전소는 밀도가 높은 물질(리튬) 층에 의해 속도가 느려진 중성자 에너지를 사용합니다.

열핵 시설을 만드는 데 왜 그렇게 오랜 시간이 걸렸습니까?

거의 반세기 동안 그 이점에 대해 논의해 왔던 그렇게 중요하고 가치 있는 시설이 아직까지 만들어지지 않은 이유는 무엇입니까? 세 가지 주요 이유가 있습니다 (아래에서 설명). 그 중 첫 번째는 외부 또는 사회적이라고 할 수 있고 나머지 두 가지는 내부, 즉 열핵 에너지 자체 개발의 법칙과 조건에 의해 결정됩니다.

1. 지난 세기 80년대에는 화석 연료원이 무궁무진해 보였고 환경 문제와 기후 변화가 그랬기 때문에 오랫동안 열핵융합 에너지의 실용화 문제에는 긴급한 결정과 조치가 필요하지 않다고 믿어왔습니다. 대중에게는 관심이 없습니다. 1976년 미국 에너지부의 핵융합에너지 자문위원회는 다양한 연구 자금 지원 옵션에 따라 R&D 및 실증 핵융합 발전소의 기간을 추정하려고 시도했습니다. 동시에, 이 방향의 연구를 위한 연간 자금 규모가 완전히 부족하다는 사실이 밝혀졌으며, 기존 예산 수준이 유지된다면 할당된 자금이 일치하지 않기 때문에 열 핵융합 시설의 건설은 결코 성공할 수 없을 것입니다. 최소한의 임계 수준까지.

2. 이 분야의 연구 개발에 있어 더 심각한 장애물은 논의 중인 유형의 열핵 시설을 소규모로 만들고 시연할 수 없다는 점입니다. 아래 제시된 설명을 통해 열핵융합에는 플라즈마의 자기 가두기뿐만 아니라 플라즈마의 충분한 가열도 필요하다는 것이 분명해집니다. 소비된 에너지와 수용된 에너지의 비율은 적어도 시설의 선형 치수의 제곱에 비례하여 증가하며, 그 결과 열핵 시설의 과학적, 기술적 능력과 장점은 다음과 같은 상당히 큰 스테이션에서만 테스트하고 시연할 수 있습니다. 언급된 ITER 원자로와 같습니다. 사회는 성공에 대한 충분한 확신이 있을 때까지 그러한 대규모 프로젝트에 자금을 조달할 준비가 되어 있지 않았습니다.

3. 열핵 에너지의 개발은 매우 복잡했지만(자금이 부족하고 JET 및 ITER 설치를 위한 센터를 선택하는 데 어려움이 있음에도 불구하고) 운영 스테이션은 아직 만들어지지 않았지만 최근 몇 년간 명확한 진전이 관찰되었습니다.

현대 세계는 더 정확하게는 “불확실한 에너지 위기”라고 부를 수 있는 매우 심각한 에너지 문제에 직면해 있습니다. 문제는 금세기 후반에 화석연료 매장량이 고갈될 수 있다는 사실과 관련이 있다. 더욱이, 화석 연료를 태우면 지구 기후의 주요 변화를 방지하기 위해 대기로 방출되는 이산화탄소를 어떻게든 격리하고 "저장"해야 할 수도 있습니다(위에서 언급한 CCS 프로그램).

현재 인류가 소비하는 에너지의 거의 대부분은 화석연료의 연소로 발생하며, 문제의 해결방안은 태양에너지나 원자력에너지(고속중성자증식로의 생성 등)의 활용과 연관될 수 있다. 개발도상국의 인구 증가와 생활 수준 향상 및 생산되는 에너지 양의 증가로 인한 글로벌 문제는 이러한 접근 방식만으로는 해결될 수 없습니다. 물론 대체 에너지 생산 방법을 개발하려는 시도는 불가능합니다. 장려되어야 한다.

엄밀히 말하면, 우리는 행동 전략의 선택의 여지가 적고, 성공 보장이 부족함에도 불구하고 열핵 에너지의 개발은 매우 중요합니다. Financial Times 신문(2004년 1월 25일자)은 이에 대해 다음과 같이 썼습니다.

열핵에너지 개발 과정에서 크고 예상치 못한 놀라움이 없기를 바랍니다. 이 경우 약 30년 안에 처음으로 에너지 네트워크에 전류를 공급할 수 있게 될 것이며, 불과 10년 안에 최초의 상업용 열핵 발전소가 가동되기 시작할 것입니다. 금세기 후반에는 핵융합 에너지가 화석 연료를 대체하기 시작하고 점차 전 세계적으로 인류에게 에너지를 공급하는 데 점점 더 중요한 역할을 하기 시작할 가능성이 있습니다.

열핵에너지(모든 인류를 위한 효과적이고 대규모 에너지원)를 생성하는 작업이 성공적으로 완료될 것이라는 절대적 보장은 없지만, 이 방향에서 성공할 가능성은 상당히 높습니다. 열핵 발전소의 막대한 잠재력을 고려할 때, 급속한(심지어 가속화된) 개발을 위한 프로젝트에 드는 모든 비용은 정당하다고 간주될 수 있습니다. 특히 이러한 투자는 거대한 글로벌 에너지 시장(연간 4조 달러8)을 배경으로 매우 미미해 보이기 때문입니다. 인류의 에너지 수요를 충족시키는 것은 매우 심각한 문제입니다. 화석 연료의 가용성이 낮아지고(그리고 그 사용이 바람직하지 않게 됨) 상황이 변하고 있으며 우리는 핵융합 에너지를 개발하지 않을 수 없습니다.

“열핵에너지는 언제 나타날 것인가?”라는 질문에 Lev Artsimovich(이 분야 연구의 선구자이자 리더로 인정받음)는 "인류에게 정말로 필요할 때 만들어질 것입니다"라고 응답한 적이 있습니다.

ITER는 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 최초의 핵융합로가 될 것입니다. 과학자들은 "Q"라고 부르는 간단한 계수를 사용하여 이 특성을 측정합니다. ITER가 모든 과학적 목표를 달성하면 소비하는 것보다 10배 더 많은 에너지를 생산하게 됩니다. 마지막으로 제작된 장치인 영국의 Joint European Torus는 과학 연구의 최종 단계에서 거의 1의 Q 값을 달성한 소형 프로토타입 핵융합로입니다. 이는 소비한 에너지와 정확히 동일한 양의 에너지를 생산했음을 의미합니다. . ITER는 핵융합을 통한 에너지 생성을 시연하고 Q 값 10을 달성함으로써 이보다 더 나아갈 것입니다. 아이디어는 약 50MW의 에너지 소비에서 500MW를 생성하는 것입니다. 따라서 ITER의 과학적 목표 중 하나는 Q 값 10을 달성할 수 있음을 증명하는 것입니다.

또 다른 과학적 목표는 ITER가 매우 긴 "연소" 시간(최대 1시간까지 지속되는 펄스)을 갖는 것입니다. ITER는 지속적으로 에너지를 생산할 수 없는 연구용 실험로이다. ITER가 작동하기 시작하면 1시간 동안 켜져 있으며 그 후에는 꺼야 합니다. 지금까지 우리가 만든 일반적인 장치는 몇 초 또는 10분의 1초의 굽기 시간을 가질 수 있었기 때문에 이는 중요합니다. 이것이 최대값입니다. "Joint European Torus"는 20초의 펄스 길이와 약 2초의 연소 시간으로 Q 값 1에 도달했습니다. 그러나 몇 초 동안 지속되는 프로세스는 진정으로 영구적이지 않습니다. 자동차 엔진 시동과 유사하게 엔진을 잠깐 켰다가 끄는 것은 아직 자동차의 실제 작동이 아닙니다. 30분 동안 차를 운전해야만 차는 일정한 작동 모드에 도달하고 그러한 차가 실제로 운전할 수 있음을 입증할 것입니다.

즉, 기술적이고 과학적인 관점에서 볼 때 ITER는 Q 값 10과 증가된 연소 시간을 제공할 것입니다.

열핵융합 프로그램은 진정으로 국제적이고 그 성격이 광범위합니다. 사람들은 이미 ITER의 성공을 기대하고 있으며 다음 단계인 DEMO라고 불리는 산업용 열핵 원자로의 프로토타입 제작에 대해 생각하고 있습니다. 그것을 건설하려면 ITER가 작동해야 합니다. 우리는 과학적 목표를 달성해야 합니다. 왜냐하면 이는 우리가 제시하는 아이디어가 완전히 실현 가능하다는 것을 의미하기 때문입니다. 그러나 나는 항상 다음에 무엇이 올지 생각해야 한다는 데 동의합니다. 또한, ITER가 25~30년 동안 운영되면서 우리의 지식은 점차 깊어지고 확장될 것이며, 다음 단계의 윤곽을 더욱 정확하게 잡을 수 있을 것입니다.

실제로 ITER가 토카막이어야 하는지에 대해서는 논쟁이 없습니다. 일부 과학자들은 매우 다른 질문을 던집니다. ITER가 존재해야 하는가? 대규모가 아닌 자체 열핵 프로젝트를 개발하는 여러 나라의 전문가들은 그러한 대형 원자로가 전혀 필요하지 않다고 주장합니다.

그러나 그들의 의견이 권위 있는 것으로 간주되어서는 안 됩니다. 수십 년 동안 토로이달 트랩을 연구해 온 물리학자들이 ITER 창설에 참여했습니다. Karadash에 있는 실험용 열핵 원자로의 설계는 수십 개의 이전 토카막에 대한 실험에서 얻은 모든 지식을 기반으로 했습니다. 그리고 이러한 결과는 원자로가 토카막이어야 하고 그것도 대형이어야 함을 나타냅니다.

JET 현재 가장 성공적인 토카막은 EU가 영국의 Abingdon 도시에 건설한 JET로 간주될 수 있습니다. 이것은 현재까지 만들어진 가장 큰 토카막형 원자로이며, 플라즈마 토러스의 큰 반경은 2.96미터입니다. 열핵반응의 힘은 이미 20메가와트 이상에 도달했고, 머무름 시간은 최대 10초에 이릅니다. 반응기는 플라즈마에 투입된 에너지의 약 40%를 반환합니다.

에너지 균형을 결정하는 것은 플라즈마의 물리학입니다.”라고 Igor Semenov는 Infox.ru에 말했습니다. MIPT 부교수는 간단한 예를 들어 에너지 균형이 무엇인지 설명했습니다. “우리 모두는 불이 타는 것을 보았습니다. 사실 그곳에서 타는 것은 나무가 아니라 가스입니다. 에너지 체인은 다음과 같습니다. 가스가 연소되고, 목재가 가열되고, 목재가 증발하고, 가스가 다시 연소됩니다. 따라서 불에 물을 던지면 액체 물이 증기 상태로 상전이되는 시스템에서 갑자기 에너지를 가져옵니다. 잔액이 마이너스가 되고 불이 꺼집니다. 또 다른 방법이 있습니다. 단순히 불의 브랜드를 가져와 우주에 퍼뜨리는 것입니다. 불도 꺼질 것이다. 우리가 만들고 있는 열핵 원자로도 마찬가지입니다. 치수는 이 원자로에 대해 적절한 양의 에너지 균형을 생성하도록 선택됩니다. 미래에 실제 원자력 발전소를 건설하기에 충분하며, 현재 해결되지 않은 모든 문제를 이 실험 단계에서 해결합니다.”

반응기의 크기가 한 번 변경되었습니다. 이는 20~21세기 초 미국이 프로젝트에서 탈퇴하고 나머지 회원국들이 ITER 예산(당시 100억 달러로 추산)이 너무 크다는 것을 깨달았을 때 일어났습니다. 설치 비용을 절감하려면 물리학자와 엔지니어가 필요했습니다. 그리고 이것은 크기 때문에만 가능했습니다. ITER의 "재설계"는 이전에 Karadash의 프랑스 Tore Supra 토카막 작업에 참여했던 프랑스 물리학자 Robert Aymar가 주도했습니다. 플라즈마 토러스의 외부 반경이 8.2미터에서 6.3미터로 감소되었습니다. 그러나 크기 감소와 관련된 위험은 여러 개의 추가 초전도 자석에 의해 부분적으로 보상되었으며, 이를 통해 당시 공개되어 연구되었던 플라즈마 감금 모드를 구현하는 것이 가능해졌습니다.