Apakah energi termonuklir memiliki masa depan?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Selama lebih dari setengah abad, para ilmuwan telah mencoba untuk membangun sebuah mesin di Bumi, di mana, seperti di dalam perut bintang, reaksi termonuklir terjadi. Teknologi fusi termonuklir terkendali menjanjikan kepada umat manusia sumber energi bersih yang hampir tidak ada habisnya. Ilmuwan Soviet adalah cikal bakal teknologi ini - dan sekarang Rusia membantu membangun reaktor fusi terbesar di dunia.

Bagian-bagian inti atom disatukan oleh gaya yang sangat besar. Ada dua cara untuk melepaskannya. Metode pertama adalah dengan menggunakan energi fisi inti berat besar dari ujung terjauh tabel periodik: uranium, plutonium. Di semua pembangkit listrik tenaga nuklir di Bumi, sumber energi justru peluruhan inti berat.

Tetapi ada juga cara kedua untuk melepaskan energi atom: tidak membagi, tetapi, sebaliknya, menggabungkan inti. Saat bergabung, beberapa dari mereka melepaskan lebih banyak energi daripada inti uranium fisil. Semakin ringan nukleus, semakin banyak energi yang akan dilepaskan selama fusi (seperti yang mereka katakan, fusi), jadi cara paling efektif untuk mendapatkan energi fusi nuklir adalah dengan memaksa inti dari elemen paling ringan - hidrogen - dan isotopnya untuk bergabung.

Bintang tangan: pro solid

Fusi nuklir ditemukan pada 1930-an dengan mempelajari proses yang terjadi di bagian dalam bintang. Ternyata reaksi fusi nuklir terjadi di dalam setiap matahari, dan cahaya serta panas adalah produknya. Segera setelah ini menjadi jelas, para ilmuwan berpikir tentang bagaimana mengulangi apa yang terjadi di perut Matahari di Bumi. Dibandingkan dengan semua sumber energi yang diketahui, "matahari tangan" memiliki sejumlah keunggulan yang tak terbantahkan.

Pertama, hidrogen biasa berfungsi sebagai bahan bakarnya, yang cadangannya di Bumi akan bertahan selama ribuan tahun. Bahkan dengan mempertimbangkan fakta bahwa reaksi tidak memerlukan isotop yang paling umum, deuterium, segelas air sudah cukup untuk memasok listrik ke kota kecil selama seminggu. Kedua, tidak seperti pembakaran hidrokarbon, reaksi fusi nuklir tidak menghasilkan produk beracun - hanya helium gas netral.

Kelebihan energi fusi

Pasokan bahan bakar hampir tak terbatas. Dalam reaktor fusi, isotop hidrogen - deuterium dan tritium - bekerja sebagai bahan bakar; Anda juga dapat menggunakan isotop helium-3. Ada banyak deuterium dalam air laut - dapat diperoleh dengan elektrolisis konvensional, dan cadangannya di Samudra Dunia akan bertahan selama sekitar 300 juta tahun dengan permintaan energi umat manusia saat ini.

Ada jauh lebih sedikit tritium di alam, itu diproduksi secara artifisial dalam reaktor nuklir - tetapi sangat sedikit yang dibutuhkan untuk reaksi termonuklir. Hampir tidak ada helium-3 di Bumi, tetapi ada banyak di tanah bulan. Jika suatu hari nanti kita memiliki tenaga termonuklir, mungkin saja kita bisa terbang ke bulan untuk bahan bakarnya.

Tidak ada ledakan. Dibutuhkan banyak energi untuk membuat dan mempertahankan reaksi termonuklir. Segera setelah suplai energi berhenti, reaksi berhenti, dan plasma yang dipanaskan hingga ratusan juta derajat tidak ada lagi. Oleh karena itu, reaktor fusi lebih sulit dihidupkan daripada dimatikan.

radioaktivitas rendah. Reaksi termonuklir menghasilkan fluks neutron yang dipancarkan dari perangkap magnet dan disimpan di dinding ruang vakum, menjadikannya radioaktif. Dengan membuat "selimut" (selimut) khusus di sekitar perimeter plasma, memperlambat neutron, adalah mungkin untuk sepenuhnya melindungi ruang di sekitar reaktor. Selimut itu sendiri pasti menjadi radioaktif dari waktu ke waktu, tetapi tidak lama. Membiarkannya beristirahat selama 20-30 tahun, Anda bisa kembali mendapatkan materi dengan radiasi latar belakang alami.

Tidak ada kebocoran bahan bakar. Selalu ada risiko kebocoran bahan bakar, tetapi reaktor fusi membutuhkan bahan bakar yang sangat sedikit sehingga kebocoran total pun tidak mengancam lingkungan. Meluncurkan ITER, misalnya, hanya membutuhkan sekitar 3 kg tritium dan sedikit lebih banyak deuterium. Bahkan dalam skenario terburuk, jumlah isotop radioaktif ini akan dengan cepat menghilang di air dan udara dan tidak membahayakan siapa pun.

Tidak ada senjata. Reaktor termonuklir tidak menghasilkan zat yang dapat digunakan untuk membuat senjata atom. Oleh karena itu, tidak ada bahaya bahwa penyebaran energi termonuklir akan menyebabkan perlombaan nuklir.

Cara menyalakan "matahari buatan", secara umum, sudah menjadi jelas pada tahun lima puluhan abad terakhir. Di kedua sisi lautan, perhitungan dilakukan yang menetapkan parameter utama dari reaksi fusi nuklir terkontrol. Itu harus terjadi pada suhu yang sangat besar ratusan juta derajat: dalam kondisi seperti itu, elektron terlepas dari intinya. Oleh karena itu, reaksi ini disebut juga fusi termonuklir. Inti telanjang, bertabrakan satu sama lain dengan kecepatan sangat tinggi, mengatasi tolakan Coulomb dan bergabung.

Masalah dan solusi

Antusiasme dekade pertama menabrak kompleksitas tugas yang luar biasa. Meluncurkan fusi termonuklir ternyata relatif mudah - jika dilakukan dalam bentuk ledakan. Atol Pasifik dan situs uji Soviet di Semipalatinsk dan Novaya Zemlya mengalami kekuatan penuh reaksi termonuklir sudah dalam dekade pertama pascaperang.

Tetapi menggunakan kekuatan ini, kecuali untuk penghancuran, jauh lebih sulit daripada meledakkan muatan termonuklir. Untuk menggunakan energi termonuklir untuk menghasilkan listrik, reaksi harus dilakukan secara terkendali sehingga energi yang dilepaskan dalam porsi kecil.

Bagaimana cara melakukannya? Lingkungan tempat berlangsungnya reaksi termonuklir disebut plasma. Ini mirip dengan gas, hanya saja tidak seperti gas normal, ia terdiri dari partikel bermuatan. Dan perilaku partikel bermuatan dapat dikontrol menggunakan medan listrik dan magnet.

Oleh karena itu, dalam bentuknya yang paling umum, reaktor termonuklir adalah gumpalan plasma yang terperangkap dalam konduktor dan magnet. Mereka mencegah plasma keluar, dan ketika mereka melakukan ini, inti atom bergabung di dalam plasma, sebagai akibatnya energi dilepaskan. Energi ini harus dikeluarkan dari reaktor, digunakan untuk memanaskan pendingin - dan listrik harus diperoleh.

Perangkap dan kebocoran

Plasma ternyata menjadi zat paling berubah-ubah yang harus dihadapi manusia di Bumi. Setiap kali para ilmuwan menemukan cara untuk memblokir satu jenis kebocoran plasma, yang baru ditemukan. Seluruh paruh kedua abad ke-20 dihabiskan untuk belajar menyimpan plasma di dalam reaktor untuk waktu yang signifikan. Masalah ini mulai menghasilkan hanya di zaman kita, ketika komputer yang kuat muncul yang memungkinkan untuk membuat model matematika dari perilaku plasma.

Masih belum ada konsensus mengenai metode mana yang terbaik untuk kurungan plasma. Model yang paling terkenal, tokamak, adalah ruang vakum berbentuk donat (seperti yang dikatakan ahli matematika, torus) dengan perangkap plasma di dalam dan di luar. Konfigurasi ini akan memiliki instalasi termonuklir terbesar dan termahal di dunia - reaktor ITER yang saat ini sedang dibangun di selatan Prancis.

Selain tokamak, ada banyak kemungkinan konfigurasi reaktor termonuklir: bulat, seperti di St. Petersburg Globus-M, stellarator melengkung yang aneh (seperti Wendelstein 7-X di Institut Fisika Nuklir Max Planck di Jerman), laser perangkap inersia, seperti NIF Amerika. Mereka menerima perhatian media jauh lebih sedikit daripada ITER, tetapi mereka juga memiliki harapan yang tinggi.

Ada ilmuwan yang menganggap desain stellarator pada dasarnya lebih sukses daripada tokamak: lebih murah untuk dibangun, dan waktu kurungan plasma menjanjikan lebih banyak. Keuntungan energi disediakan oleh geometri perangkap plasma itu sendiri, yang memungkinkan seseorang untuk menyingkirkan efek parasit dan kebocoran yang melekat pada "donat". Versi yang dipompa laser juga memiliki kelebihan.

Bahan bakar hidrogen di dalamnya dipanaskan sampai suhu yang dibutuhkan oleh pulsa laser, dan reaksi fusi dimulai hampir seketika. Plasma dalam instalasi semacam itu ditahan oleh inersia dan tidak punya waktu untuk menyebar - semuanya terjadi begitu cepat.

Seluruh dunia

Semua reaktor termonuklir yang ada di dunia saat ini adalah mesin eksperimental. Tak satu pun dari mereka digunakan untuk menghasilkan listrik. Belum ada yang berhasil memenuhi kriteria utama untuk reaksi termonuklir (kriteria Lawson): untuk mendapatkan lebih banyak energi daripada yang dihabiskan untuk menciptakan reaksi. Oleh karena itu, masyarakat dunia telah fokus pada proyek raksasa ITER. Jika kriteria Lawson terpenuhi di ITER, akan memungkinkan untuk menyempurnakan teknologi dan mencoba mentransfernya ke rel komersial.

Tidak ada negara di dunia yang bisa membangun ITER sendirian. Dibutuhkan 100 ribu km kabel superkonduktor saja, dan juga lusinan magnet superkonduktor dan solenoid sentral raksasa untuk menahan plasma, sistem untuk menciptakan vakum tinggi dalam sebuah cincin, pendingin helium untuk magnet, pengontrol, elektronik … Oleh karena itu, proyek sedang membangun 35 negara dan lebih sekaligus ribuan lembaga ilmiah dan pabrik.

Rusia adalah salah satu negara utama yang berpartisipasi dalam proyek tersebut; di Rusia 25 sistem teknologi reaktor masa depan sedang dirancang dan dibangun. Ini adalah superkonduktor, sistem untuk mengukur parameter plasma, pengontrol otomatis dan komponen divertor, bagian terpanas dari dinding bagian dalam tokamak.

Setelah peluncuran ITER, para ilmuwan Rusia akan memiliki akses ke semua data eksperimennya. Namun, gema ITER akan terasa tidak hanya dalam sains: sekarang di beberapa daerah telah muncul fasilitas produksi, yang sebelumnya tidak ada di Rusia. Misalnya, sebelum dimulainya proyek, tidak ada produksi industri bahan superkonduktor di negara kita, dan hanya 15 ton per tahun yang diproduksi di seluruh dunia. Sekarang, hanya di Pabrik Mekanik Chepetsk dari perusahaan negara "Rosatom" dimungkinkan untuk memproduksi 60 ton per tahun.

Masa depan energi dan seterusnya

Plasma pertama di ITER direncanakan akan diterima pada tahun 2025. Seluruh dunia sedang menunggu acara ini. Tapi satu, bahkan yang paling kuat, mesin tidak semuanya. Di seluruh dunia dan di Rusia, mereka terus membangun reaktor termonuklir baru, yang pada akhirnya akan membantu memahami perilaku plasma dan menemukan cara terbaik untuk menggunakannya.

Sudah pada akhir tahun 2020, Kurchatov Institute akan meluncurkan tokamak T-15MD baru, yang akan menjadi bagian dari instalasi hibrida dengan elemen nuklir dan termonuklir. Neutron, yang terbentuk di zona reaksi termonuklir, dalam instalasi hibrida akan digunakan untuk memulai fisi inti berat - uranium dan thorium. Di masa depan, mesin hibrida semacam itu dapat digunakan untuk menghasilkan bahan bakar untuk reaktor nuklir konvensional - baik neutron termal maupun cepat.

Keselamatan Thorium

Yang paling menggoda adalah prospek menggunakan "inti" termonuklir sebagai sumber neutron untuk memulai peluruhan inti thorium. Ada lebih banyak thorium di planet ini daripada uranium, dan penggunaannya sebagai bahan bakar nuklir memecahkan beberapa masalah tenaga nuklir modern sekaligus.

Dengan demikian, produk peluruhan thorium tidak dapat digunakan untuk memproduksi bahan radioaktif militer. Kemungkinan penggunaan tersebut berfungsi sebagai faktor politik yang membuat negara-negara kecil tidak mengembangkan energi nuklir mereka sendiri. Bahan bakar thorium memecahkan masalah ini sekali dan untuk selamanya.

Perangkap plasma dapat berguna tidak hanya dalam energi, tetapi juga dalam industri damai lainnya - bahkan di luar angkasa. Sekarang Rosatom dan Institut Kurchatov sedang mengerjakan komponen untuk mesin roket plasma tanpa elektroda untuk pesawat ruang angkasa dan sistem untuk modifikasi bahan plasma. Partisipasi Rusia dalam proyek ITER memacu industri, yang mengarah pada penciptaan industri baru, yang sudah menjadi dasar bagi perkembangan baru Rusia.