Испытательный реактор China Fusion Engineering ( китайский :中国聚变工程实验堆; пиньинь : Zhōngguó Jùbiàn Gōngchéng Shíyànduī ), или CFETR , является предлагаемым реактором термоядерного синтеза токамак , который использует магнитное поле для удержания плазмы и выработки энергии. [1] По состоянию на 2015 год устройства токамак являются основными кандидатами на строительство жизнеспособного и практичного термоядерного реактора. [1] Эти реакторы могут использоваться для выработки устойчивой энергии , обеспечивая при этом меньшее воздействие на окружающую среду и меньший углеродный след, чем электростанции на основе ископаемого топлива. [2] [3]
CFETR использует и намеревается развивать уже существующие исследования ядерного синтеза в рамках программы Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) с целью устранения пробелов между ИТЭР и термоядерной установкой следующего поколения и преемником класса реакторов ИТЭР — Демонстрационной энергетической установкой (ДЕМО) . [4]
По состоянию на 2019 год в Китае работают три отечественных испытательных реактора термоядерного синтеза. К ним относятся EAST в ASIPP в Хэфэе , HL-2A (M) в Юго-Западном институте физики (SWIP) в Чэнду и J-TEXT, расположенный в Университете науки и технологий Хуачжун в Ухане . [5] Кроме того, по состоянию на 2021 год, в целях более точного моделирования потенциально функционально работоспособного CFETR, HL-2A в SWIP был модернизирован до HL-2M . [5] Строительство HL-2M было завершено в ноябре 2019 года, а устройство было введено в эксплуатацию 4 декабря 2020 года. [3]
Концептуальный проект CFETR, завершенный в 2015 году, во многом основан на проекте этих трех отечественных термоядерных реакторов. [5] Строительство CFETR, скорее всего, начнется в 2020-х годах, а его завершение ожидается к 2030-м годам. [5]
Испытательный реактор China Fusion Engineering (CFETR) будет работать в два этапа. На первом этапе CFETR должен будет продемонстрировать устойчивую работу и самодостаточность трития с коэффициентом воспроизводства трития > 1. [4] Кроме того, на первом этапе CFETR должен будет продемонстрировать генерацию термоядерной энергии до 200 МВт. [4]
Вторая фаза, фаза проверки DEMO , требует, чтобы CFETR генерировал мощность более 1 ГВт. [6] В более общем плане, CFETR также будет служить инструментом исследований и разработок для тестирования различных структурных и функциональных материалов с целью выявления или разработки материала с высокой устойчивостью к нейтронному потоку . [7]
По состоянию на 2019 год проектирование CFETR находилось на этапе инженерного проектирования, который, как ожидалось, будет завершен в период с 2020 по 2021 год. Первый этап, между 2010 и 2015 годами, называется этапом концептуального проектирования. [7] Необходимо было продемонстрировать экономическую целесообразность строительства малогабаритной машины. Более того, этот этап предоставил доказательство концепции для строительства экономически эффективного термоядерного реактора, способного вырабатывать электроэнергию. [7]
Вторая фаза проектирования, фаза инженерного проектирования, началась в 2015 году и была направлена на проектирование крупномасштабной машины с целью достижения выходной мощности 1 ГВт в соответствии с требованиями валидации DEMO. [ 4] С 2017 года исследования перешли к моделированию различных рабочих сценариев, изучению нюансов различных экспериментальных конструкций отдельных компонентов CFETR, таких как полноразмерный вакуумный сосуд и технология воспроизводства трития. [4]
По состоянию на 2019 год открытия, сделанные на концептуальном и инженерном этапах исследований, консолидировались, интегрировались и развивались. [7]
Испытательный реактор China Fusion Engineering планируется в Хэфэе , провинция Аньхой. Некоторые критические вопросы еще предстоит решить, в том числе 19 ключевых системных проблем, таких как контроль вертикальной нестабильности с помощью внутренних катушек, контроль примесей, транспорт альфа-частиц, предотвращение и смягчение сбоев, контроль и предотвращение ELM типа I, технологии для большой тепловой мощности, воспроизводство и обращение с тритием. [8] Более того, хотя свойства материалов, необходимых для строительства CFETR, известны, многие из этих материалов еще предстоит изготовить, и исследования по созданию требуемых материалов все еще продолжаются. [4]
Кроме того, самодостаточность CFETR является одной из самых больших проблем. Дейтерий и тритий являются источниками топлива для CFETR, и хотя дейтерий в природе широко распространен, коммерческие источники трития редки. [9] Хотя тритий можно производить в лабораторных условиях с использованием тяжеловодных реакторов , ускорителей и легководных реакторов , [9] нынешнее количество трития, производимое в мире, недостаточно для работы термоядерных реакторов . [9] Таким образом, ключевыми проблемами являются создание соответствующей концепции топливного цикла для переработки и возобновления трития, а также разработка новых методов производства трития экономичным и рентабельным способом. [9]
Эти проблемы многогранны и сложны, требуя междисциплинарного сотрудничества и исследований. Таким образом, для решения 19 ключевых системных проблем, поставленных CFETR, были сформированы отдельные команды для решения каждой проблемы в отдельности. [8] Эта инициатива возглавляется Комплексным исследовательским центром по технологии термоядерного синтеза (CRAFT) и его командой из 300 ученых, инженеров и исследователей в Китае в попытке решить эти критические проблемы, предлагая практичные, жизнеспособные и экономически эффективные решения. [8]
До внедрения возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия , термоядерный синтез рекламировался как будущее чистой и чистой энергии с нулевым выбросом углерода . [10] Однако внедрение, более широкое применение и использование возобновляемых источников энергии радикально изменили энергетический ландшафт. Например, по прогнозам, возобновляемые источники будут поставлять 74% мировой энергии к 2050 году. [11] Более того, с падением цен на возобновляемые источники энергии экономическая жизнеспособность термоядерной энергии была выдвинута на передний план дискурса будущей экономики энергетики. [10]
_-_renewable_energy.svg/1280px-20201019_Levelized_Cost_of_Energy_(LCOE,_Lazard)_-_renewable_energy.svg.png)
В настоящее время экономисты предполагают, что термоядерная энергия вряд ли будет такой же дешевой, как возобновляемая энергия . [10] Термоядерные заводы, как и заводы деления , будут иметь большие начальные и капитальные затраты , поскольку стоимость материалов, оборудования и инфраструктуры, необходимых для строительства этих термоядерных заводов, вероятно, будет непомерной. Более того, эксплуатация и обслуживание этих узкоспециализированных заводов, вероятно, также будут дорогостоящими. [10] Хотя эксплуатационные и строительные расходы CFETR не очень хорошо известны, прогнозируется, что концепция термоядерного синтеза EU DEMO будет иметь нормированную стоимость энергии (LCOE) в размере 121 долл. США/МВт-ч. [13]
Более того, экономисты предполагают, что термоядерная энергия становится на 16,5 долл. США/МВт·ч дороже на каждый миллиард долларов США увеличения цены на термоядерную технологию. [10] Такая высокая LCOE в значительной степени является результатом высоких капитальных затрат, понесенных при строительстве термоядерных установок. [10]
Напротив, LCOE возобновляемых источников энергии выглядит существенно ниже. Например, LCOE солнечной энергии, по-видимому, составляет $40-$46/МВт·ч, береговой ветровой энергии оценивается в $29-$56/МВт·ч, а морской ветровой энергии составляет приблизительно $92/МВт·ч. [14] Таким образом, эти экономически эффективные варианты кажутся более экономически жизнеспособными. [10]
Однако это не означает, что термоядерная энергия может не иметь полной экономической жизнеспособности. Скорее, термоядерная энергия, скорее всего, будет покрывать энергетические пробелы, которые не могут заполнить возобновляемые источники энергии. [10] Таким образом, термоядерная энергия, скорее всего, будет работать в тандеме с возобновляемыми источниками энергии, а не станет основным источником энергии. [10] Тем не менее, в случаях, когда возобновляемая энергия может быть недоступна, термоядерная энергия может стать доминирующим источником энергии и поставлять базовую нагрузку электросети в этих конкретных географических районах. [10]
По состоянию на 2021 год в международном сообществе были предложены следующие цели безопасности: Защита сообществ и окружающей среды от радиологических опасностей . [15] и обеспечение того, чтобы протоколы безопасности термоядерного реактора были такими же конкурентоспособными и всеобъемлющими, как и протоколы безопасности реактора деления. [15]
Эти две цели определяются с использованием принципа приемлемых рисков и могут быть далее разбиты на подкатегории, такие как, помимо прочего, профессиональное облучение , регулярный выброс радиоактивных материалов , реагирование на аварии и минимизация и радиоактивные отходы . [15]
Ядерная безопасность высоко ценится китайским правительством , хотя на сегодняшний день в Китае не существует всеобъемлющей структуры безопасности ядерного синтеза. [16] По состоянию на 2019 год протоколы безопасности, соблюдаемые в Китае, основаны на технологии реакторов деления; они изложены в Законе Китайской Народной Республики о предотвращении и контроле радиоактивного загрязнения (2003 ), Законе о ядерной безопасности (2017) и Правилах безопасной эксплуатации исследовательских реакторов (HAF202). [17] Хотя они полезны для изложения общих соображений ядерной безопасности, они не являются специфическими для термоядерных реакторов. Кроме того, в отличие от реакторов деления, CFETR не имеет активной зоны реактора . Следовательно, эти законодательные акты необходимо обновить, чтобы учесть конструкцию и механизмы термоядерных реакторов. [16]
Более того, хотя широко признано, что термоядерная энергия будет безопаснее деления из-за механизма плазменного охлаждения устройства типа токамак , которое охлаждает реактор и останавливает реакции при нарушениях в системе, опора только на этот идеал и механизм недостаточна. [17] Скорее, необходимо надлежащим образом определить и идентифицировать параметры возмущения, чтобы предотвратить потенциальный выброс радиоактивных материалов при нарушениях или отказе системы. [15] Следовательно, необходимо тщательно продумать соответствующие меры безопасности. Более того, тритий является ограниченным радиоактивным изотопом . Таким образом, радиоактивная природа трития может оказаться опасной в случаях гипотетического случайного выброса при отказе системы двойного удержания. [16] Таким образом, при таких обстоятельствах районы, окружающие CFETR, должны быть эвакуированы, и пройдет 32–54 года, прежде чем семьи смогут вернуться в свои первоначальные дома. [17] Однако инженеры CFETR проектируют текущий реактор в соответствии с критерием отсутствия эвакуации. [17] Таким образом, технические инженеры должны разработать проект, который защитит от катастрофического отказа термоядерного реактора, требующего эвакуации. [17]
С ноября 2020 года Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) начало работать с различными странами над созданием стандартов безопасности термоядерных реакторов для различных конструкций термоядерных реакторов. [18] Кроме того, они начали изучать соответствующие правила дозирования, а также то, как следует управлять радиоактивными отходами, образующимися в результате термоядерной энергетики, и надлежащим образом утилизировать их. [18]
Ожидается, что повреждения от нейтронного излучения в твердых стенках сосуда будут больше, чем у реакторов деления из-за более высоких энергий нейтронов. [19] Более того, эти повреждения в сочетании с большими объемами гелия и водорода, производимыми внутри сосуда, вероятно, приведут к усталости инфраструктуры, тем самым потенциально повреждая сосуд, а также превращая сосуд в радиоактивный металл и, следовательно, в радиоактивные отходы . [19] Более того, ученые предположили, что многие неструктурные компоненты станут высокорадиоактивными . [20]
Тем не менее, важно признать, что радиоактивность на килограмм отходов будет существенно ниже для термоядерного реактора по сравнению с реактором деления. [19] Хотя природа реакции синтеза дейтерия и трития такова, что она, вероятно, будет производить большие объемы радиоактивных структурных и неструктурных отходов, [19] эту проблему можно обойти с помощью разработки низкоактивационных структурных сплавов, чтобы гарантировать, что эти выброшенные материалы будут классифицироваться как низкоактивные радиоактивные отходы . [20] Однако при имеющихся в настоящее время технологиях более вероятным результатом является разработка промежуточно-активационных структурных сплавов. [20] Это приведет к производству низко- и среднеактивных радиоактивных отходов .
Тем не менее, важно отметить, что радиоактивность таких отходов имеет период полураспада 12,3 года, и поэтому будет сохраняться как радиоактивная в течение приблизительно <100 лет, по сравнению с радиоактивными отходами деления, которые остаются высокорадиоактивными в течение приблизительно 1000 лет. [19] Более того, инженеры, стоящие за CFETR, намерены ограничить выход средне- и низкоактивных радиоактивных отходов путем внедрения систем управления тритиевыми отходами. [21] Это имеет двойной эффект: извлечение трития для повторного использования обратно в машину и снижение радиоактивности отходов, производимых термоядерным реактором. [4]
4 декабря 2020 года HL-2M нагрелся примерно до 150 миллионов градусов по Цельсию, что в десять раз горячее ядра Солнца . [22] Успешное строительство и эксплуатация HL-2M в SWIP, вероятно, послужили толчком к переходу CFETR из нынешней фазы инженерного проектирования в фазу строительства. [19]
Поскольку Китай активно переходит к развитию своего сектора возобновляемой и устойчивой энергетики, строительство CFETR — это не вопрос того, произойдет ли это, а скорее вопрос того, когда. [19] Согласно нынешнему графику термоядерного синтеза, CFETR, скорее всего, начнет свою фазу строительства в начале 2020-х годов, а промышленный прототип, скорее всего, будет завершен к 2035 году, а широкомасштабное коммерческое применение — к 2050 году. [19] Более того, к 2025 году Китай, как ожидается, достигнет мощности в 79 ГВт ядерной энергетики. Для достижения этой цели строительство ядерных объектов уделяется большое внимание в 14-м пятилетнем плане Китая (2021–2025 гг.), поскольку страна движется к углеродной нейтральности . [19]