Proč je třeba zastavit projekt ITER
-
března 2006
-
května 2010, čtyři roky později:
ITER, projekt jaderné fúze, exploduje své náklady
http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218
ITER, reaktor umístěný v Cadarache ve francouzském jihu, který slibuje jadernou fúzi na Zemi pro téměř neomezenou produkci energie (1), vidí své náklady skutečně explodovat, přičemž stavební náklady budou mít alespoň dvojnásobek původních 4,57 miliard (2).
I když Čína, Jižní Korea, Spojené státy, Indie, Japonsko a ruská federace jsou součástí projektu, Evropská unie je hlavním ekonomickým přispěvatelem. V tomto ohledu by měla její podíl na projektu vzrůst z 2,7 miliard na 7,2 miliard během deseti let věnovaných stavbě. Pro Evropskou komisi jsou dvě možnosti, jak s tímto problémem naložit: zvýšit příspěvky členských států nebo zvýšit podíl projektu v rozpočtu EU.
Bez ohledu na aktuální odstoupení Spojených států z financování ITER je tato inflace nákladů především způsobena složitostí projektu a hlubokou změnou jeho současné konceptuální podoby (2001), která se snaží odpovídat dnešní technologické realitě.
Kromě toho, během deseti let stále rostly náklady na suroviny, což přispělo k celkovému zvýšení účtu ITER.
Pro připomenutí: ITER nemá za cíl vyrábět energii komerčně, ale dokázat proveditelnost jaderné fúze na Zemi tím, že během šesti minut vyprodukuje 500 milionů wattů (MW) tepla z 50 MW „vložené energie“.
Po dokončení této etapy by měl v Japonsku vzniknout první jaderný fúzní reaktor DEMO, který by měl do roku 2050 prokázat průmyslovou proveditelnost tohoto konceptu.
V současné ekonomické krizi budou vlády zvažovat, zda se opět vydají k peněžnímu pokladu? To není jisté, a v případě nedostatečného financování mohou vědci být nuceni projekt zmenšit.
Pascal Farcy
1- ITER, mezinárodní experimentální termojaderný reaktor, má za cíl umožnit lidskému druhu přiblížit se k modelu energetické produkce Slunce ve druhé polovině 21. století.
2- V roce 2007 se celkový rozpočet dělil na 4,57 miliard eur na stavbu (10 let), 4,8 miliard eur na provoz (20 let) a 0,53 miliard eur na demontáž (10 až 15 let).
Můj text z roku 2006:
Když jsem se přišel podívat na tzv. „diskuzi“, která se konala v Pertuis dne 16. března, byli tam antijaderní aktivisté. Přišli s bílými maskami a křičeli hesla, zatímco lidé z CEA, vedení Patrickem Legrandem, se usmívali. V brožuře napsal: „Diskuze si už zaujala své místo.“
„Diskuze si už zaujala své místo“
Lidé byli extrémně překvapeni obsahem mého projevu. Legrand nakonec řekl s velkým úsměvem:
- No tak, uklidněte se. Předáme vám mikrofon. Budete moci položit svou otázku a odpovíme vám.
Ale moje otázka zněla:
- Jakým způsobem lidé z tohoto projektu plánují bojovat proti silnému radiativnímu ochlazování způsobenému brzdným zářením vznikajícím při odtržení těžkých jader od stěny?
A najednou už nikdo nebyl. Legrand s otevřenou čelistí dělal gesta popírání. Stejně tak i administrativní vedoucí projektu nebo odborník z oblasti životního prostředí, který nám vysvětloval, že „v tomto společenském projektu“ bude důležité chránit květiny a brouky.
Nakonec jsme našli inženýra sedícího vedle mě, který zahleděně mumlal:
- Hmmm... to je dobrá otázka...
Skutečně, byla to otázka za sto eur, kterou se nesmí položit pod žádným předstíráním. Nejrychlejší atomy vodíku vždycky překonají magnetickou bariéru a při nárazu na stěnu odtrhnou atomy, které se okamžitě úplně ionizují. Ztráty způsobené brzdným zářením (Bremstrahlung) související s interakcí s volnými elektrony se mění podle druhé mocniny elektrického náboje. Plazma se bude kontaminovat a ochlazovat. Fúzní kotel ITER se zastaví...
V Culhamu Angličané dosáhli jedné sekundy fúze. ITER bude mít deset, možná dvacet sekund za 20 až 40 let. Nikdo neplánuje, jak tento problém řešit, kromě toho, že „existuje škálovací faktor“. Radiativní ztráty jsou relativně nižší v větších strojích. Když budeme mít desítky sekund fúze, řekneme: „Musíme postavit super-ITER, dražší a tentokrát to bude fungovat.“
Nelze začít projekt takových rozměrů a tak vysoké náklady, pokud nemáte připravené řešení pro vážné, nevyhnutelné problémy.
Kromě toho, jestliže ITER není jen drahý hračkou nebo „společenským projektem“, jak jsem slyšel a četl v Pertuis.
ITER je především příkladem úplného nedostatku představivosti naší vědy, ekvivalentem v experimentální sféře superstrun v teoretickém oboru. Fúze s řešením Tokamaku se zdržuje půl století. Od nás se vyžaduje dalších 30 až 40 let trpělivosti, zatímco během toho naše fyzika může jednoduše změnit. Jak jsem řekl při odchodu z místnosti:
ITER je parní stroj třetího tisíciletí.
Tore-Supra, francouzský tokamak, který byl zahájen před dvaceti pěti lety (se stejnou písničkou Blablatrona: „Slunce v laboratoři“ atd.) neudržel své sliby. Fúze: nula. Omezené zvýšení teploty. Ale „supravodivý magnet funguje“. A co z toho? 25 let na postavení supravodivého magnetu s 4 tesly: technologie úplně vyspělá ve všech bublinkových komorách urychlovačů částic po celém světě. Ale ve Francii se rychle těšíme na selhání.
Přítomní si pamatovali poslední výměnu s odborníkem, který řekl: „Dobrá otázka.“
-
Máme dnes nástroje k tomu, abychom si mohli dovolit takovou „tancující krásnou“?
-
No, zdá se to být hodně peněz, ale v procentech HDP je to méně...
No jasně.
Před odchodem z místnosti jsem vysvětlil svůj názor. Nejde o fúzi, ale o fúzi, která není „skutečnou fúzí“, což je parní stroj vůči spalovacímu motoru. Srovnání je vhodné. V ITER se snažíme fungovat
kontinuálně, příliš nízkou teplotou, s polutantní reakcí,
která aktivuje okolní struktury, způsobí akumulaci nových radioaktivních odpadů, zatímco budoucnost je:
čistá fúze:
Bor 11, vodík 1, impulzně, s miliardou stupňů.
nebo:
Lithium 7 + vodík 1: 500 milionů stupňů.
Další den, jako by to bylo úmyslné, laboratoř Sandia v Novém Mexiku oznámila výsledky své Z-machine (vyhledejte „z machine“ v Googlu).
Zdroje:
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/2003/nuclear-power/Zneutrons.html
Obsah článku z Futura-science:
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
Z-machine dosáhla teplot přesahujících dvě miliardy stupňů!
(Credit: Randy Montoya)
Obvykle Z-machine funguje následovně: 20 milionů ampér prochází skrz síť vláken wolframu širokých jako vlákno vlasu. V jádře velikosti klubka vlny se vlákna okamžitě rozpustí a vytvoří plazma, které je následně rychle komprimováno silným magnetickým polem, dokud nezaujme tloušťku tuhy tužky. Když jsou ionty a elektrony komprimovány, nemají kam jít („bod stagnace“), a jako meteorit přilétající rychle proti zdi se náhle zastaví a uvolní obrovské množství energie ve formě rentgenového záření. Z-machine byla proto navržena k vytváření teplot několika milionů stupňů, blízkých teplotám slunečních erupcí.
JPP:
„Bod stagnace“ je nesprávný překlad „stagnation point“, což znamená „bod zastavení“. Bod zastavení je bod, kde se rychlost plynu sníží na nulu. Uvažujte například nos kosmické lodi. Bod zastavení je bod na nose, kde je rychlost plynu nulová. Logicky by v tomto uspořádání mělo být řečeno „stagnation line“, protože plazma se konverguje k ose systému. Pokud tento text dekódujeme, zdá se, že plazma v poslední fázi komprese, kdy se rychlost zastaví, má tvar a objem „tuhy tužky“.
Ale vědci si nikdy nevšimli, že nahrazením wolframových vláken za širší válcové ocelové vlákna mohou dosáhnout teplot přesahujících miliardu stupňů: „Na začátku jsme tomu nevěřili. Opakovali jsme manipulaci mnohokrát, abychom byli si jisti, že se jedná o chybu“, vysvětlil hlavní projektant Chris Deeney.
Ale co se ve skutečnosti stalo v laboratoři Sandia? V článku, který vyšel tento měsíc v Physical Review Letters, Malcolm Haines, konzultant pro Sandia, hypotetizuje, že tato překvapivá teplota je způsobena vznikem mnoha nestabilit v „bodu stagnace“, které by mohly vést k přeměně obrovského množství magnetické energie na tepelnou energii za několik nanosekund.
JPP:
Bude třeba najít tento článek, abychom zjistili přesně, co se tam skrývá.
V současnosti probíhají výzkumy, aby bylo možné lépe pochopit tento jev. Podle Malcolma Haines je dosažení takových teplot velmi užitečné: usnadní studium slunečních erupcí
a může také umožnit stavbu kompaktnějších a levnějších jaderných elektráren.
Na vrcholu projektu je Gérald Yonas, kterého jsem potkal v roce 1976 v Sandii (viz můj článek „Děti ďábla“). Podívejte se na toto stvoření. Bylo to už... třicet let zpět. Zdroj: Pour la Science, ledna 1979, strany 52–53 (také najdete článek o obrácení koule, který jsem spolu s matematikem Bernardem Morinem podepsal).
Manipulace Yonase, Sandia 1976. Elektronové svazky na cíl o velikosti slepičího vejce
Starý Gérald tedy není začátečník v oblasti silných proudů. Princip „Z-machine“ je poměrně jednoduchý. Yonas posílá celkem dvacet milionů ampér do souboru vláken, každé o desetinu průměru vlasu. Tyto vlákna jsou uspořádána do válcové struktury:
Uspořádání kovových vláken, do kterých je posílán proud.
Každé se promění v plazma a systém nakonec vytvoří druh „plazmové stěny“, která kolabuje směrem k ose systému.
To připomíná fragmentaci válcové plochy. Fragmentace do řady vodičů pro dosažení rovnoměrnějšího rozložení proudu a zabránění nestabilitám.
Tento proud tedy vytváří magnetické pole, které vznikne silami Laplace J x B působící na prostředí, okamžitě proměněné v plazma. V roce 1976 se takový systém nazýval „pinch machine“. Pinch znamená „stisknout“. Ale pinch stroje byly založeny na výboji ve vzdušné sloupci, který se proměnil v plazma. Kolaps byl pak nestabilní. Plocha vláken Yonase připomíná „dutý válec“, rozdělený na mnoho „vláken“. Když dojde k výboji, všechna tato vlákna se promění ve sloupce plazmatu, které se smísí a nakonec se chovají jako by se stalo s dutým válcem, jímž prochází proud. Rozdíl je v tom, že tato „fragmentace“ nakonec dává pravidelnější proudovou plochu. V každém případě výsledkem je kolaps této plazmové plochy směrem k ose s „inerciální kompresí“.
Na začátku chtěl Yonas tyto systémy použít jako zdroje rentgenového záření. Je zřejmé (pokusím se články podrobněji analyzovat, jakmile bude možné), že hlavním cílem těchto manipulací byla vojenská aplikace. Cílem bylo dosáhnout dostatečně silného zdroje rentgenového záření, aby mohl fúzovat cíl (umístěný, předpokládám, podél centrální osy), tedy simulovat fungování bomby bez použití atomové bomby jako zdroje.
Zdá se, že Yonas mezi cílem (umístěným podél osy) a plazmovou stěnou vzniklou z kolapsu vláken umístil „pěnu“ (foam). Stabilita tohoto kompresního systému byla předem nevyčíslitelná. Víme, že při laserové fúzi je to klíčový problém. Nepodaří se komprimovat symetricky v kouli. Proto je Mégajoule, umístěný v Barp poblíž Bordeaux, druhý druh ITER, další drahý a velmi nebezpečný projekt. Další „hračka“ pro vojáky a polytechniky.
Yonas komprimuje podél osy. A najednou jsou teplotní nárůsty úžasné, neočekávané. Níže jsou výkony systému jako zdroje rentgenového záření.
Na cestě k fúzi?
Vědci z Sandia stále zvyšují výkon svého stroje ve formě rentgenového záření.
Podstatný pokrok byl dosažen použitím souboru vláken uspořádaných podél válcové plochy.
Když je spuštěn výboj, tento systém se promění v plazma ve stavu kolapsu.
Tento systém umožnil zvýšení výstupního výkonu (až 290 TW).
Tady je stroj v provozu. Malé obrázky neumožňují pochopit, co se děje.
Z-machine: začínáme!
To, co vidíte, jsou elektrické výboje, které se šíří ve všech směrech. Yonas je v současnosti Nicolas Tesla naší doby.
Několik rychlých poznámek o tom, co se zdá být principem činnosti této Z-machine. Nejprve ukážeme princip „theta-pinch“.
Proud prochází paralelně s generátory válce (plynu). Magnetické pole vytvořené spolu s silami Laplace, které se snaží stlačit tento válec plazmatu podél osy. Systém je nestabilní. Pokud se někde „stiskne“, hustota proudu roste a síly JxB také.
Princip Z-machine
Vezměte dvě vlákna procházející paralelním proudem. Tendence k sobě přitahování. Totéž platí pro systém „vláken ve kleci“. V původní manipulaci Yonas chtěl dosáhnout kolapsu těchto vláken, které se promění v „plazmovou stěnu“ podél osy systému. Několik rychlých výpočtů s klecí z 100 vláken a celkovým proudem 20 milionů ampér. Počáteční pole by mohlo být 2 tesly. Když se vlákna promění v plazmovou stěnu, můžeme odhadnout hustotu proudu na 3 × 10¹² ampérů za metr čtvereční. Musím to Yonasovi ověřit. Je to jen hrubý a orientační odhad. Získal jsem 60 megabarů jako počáteční, do osy směřující tlak, který by měl tento plazma urychlit na 5 km/s k ose. Jak je to, tento plazma z kovových atomů stoupá v teplotě a předpokládám, že to je řešení navržené Yonasem pro výrobu rentgenového záření.
Přibližným odhadem objemu válce plazmatu před kolapsem a závěrem, že se stlačuje podél osy na objekt o průměru tuhy tužky (2 mm), získáme úžasné faktory komprese. Připomeňme si, že při laserové fúzi se snažíme komprimovat cíl z těžkého vodíku, kapalného, a cílem je snížení poloměru o faktor 10. To by stačilo pro dosažení podmínek Lawsonu na cíli. Stlačení kapaliny způsobí obrovský nárůst teploty. S mými hrubými výpočty (chickzalés, jak by řekli X) získám faktor komprese řádu 40. Pokud by materiál byl směs fúze, mohlo by to sednout.
Všimněme si, že Yonasovy starosti nejsou civilní. Jedná se o vojenský výzkum. Představte si, že místo průchodu proudu wolframem (vysoký bod tání, aby zůstal pevný co nejdéle a zachoval symetrii) použijeme plutonium. Když ho komprimujeme podél osy: bum...
Ale později se zdá, že si vybral sofistikovanější manipulaci. Wolfram, ocel, nejsou směsi pro fúzi. Yonas proto používá tříkomponentní uspořádání.
Z-machine pro fúzi
Jedná se o řezy. V 1 klece z vláken. Uvnitř, podél osy, cíl ze směsi pro fúzi. Mezi nimi „pěna“ s nezveřejněnou složením. Když je vyslán impuls, válec kovových vláken (který se promění v plazma) vytvoří tlakový impuls. Podle mého názoru by to mělo způsobit odraz cyklické rázové vlny, směřující k ose, procházející tímto „pěnou“, která se také promění v plazma touto „rázovou vlnou“. Vlna přenáší část energie. Pohybuje se prostředím, kde je magnetické pole nulové.
Zde tedy možná chybí nestability.
Je mnoho k zamyšlení, abychom pochopili, z čeho by tato slavná „pěna“ mohla být složena.
Teploty dosažené jsou tak vysoké, že radiativní procesy hrají velkou roli. Je třeba hrát s délkou reabsorpce tohoto záření. Yonas říká, že zkoušel argon a teplotní nárůst se neuskutečnil. Pravděpodobně proto, že argon příliš zahřívá. V této manipulaci s inerciálním uzavřením je třeba zvýšit hustotu a rychlost při dopadu na osu systému, kde se nachází cíl, což způsobí co nejdelší zpoždění ohřevu, aby tento ohřev nastal pouze při maximální kompresi, na „stagnation line“.
Nový nápad je, že kolaps v osé symetrii se zdá být stabilní, nebo alespoň mnohem stabilnější než v kouli. Při laserové fúzi je problém, že dopady laserů musí být naprosto synchronizované na „pusheru“, vrstvě obklopující kapalný těžký vodík. To je jako střelba 25 revolverových kulek (nebo více) na kuličku, přičemž očekáváme, že každá bude mít stejnou tlakovou impuls.
Zde Yonas zvládl dosáhnout co největší osé symetrie pomocí svého systému vláken uspořádaných jako klece. Na začátku použil wolfram, aby jeho vlákna „vydržely“ co nejdéle a zaručily osou symetrii. Později přešel na jednoduchá ocelová vlákna. Pravidelnost rázové vlny umožnila úžasný nárůst teploty až na dvě miliardy stupňů!
Pro fúzi není problém množství energie,
ale zaměření
. Názor je diametrálně opačný vůči centrálnímu tématu ITER, kde se hledá
kontinuální fúze v obrovském objemu s všemi technologickými problémy, které to způsobuje.
Jsem pro myšlenku fúze v impulzním režimu s zaměřením energie pomocí rázové vlny. A říkám dokonce, že dosažené teploty mohou umožnit cílit na čisté fúze bez emise neutronů, jako Li-H nebo B-H (500 milionů stupňů nebo miliarda stupňů).
Když řeknete někomu z ITER takové teploty, skočí na strop. Tato stroj nemůže dosáhnout toho.
Ukázalo se, že
tento proces zaměření energie pomocí rázové vlny
umožňuje tavit bronzu ve studené vodě (jev kavitačního rozpadu, objevený v roce 1905), poté vytvářet plazma při 10 000 °C ultrazvukem (sonoluminiscence).
Jsou to
venkovní směry
ve srovnání s těmito extrémně nákladnými směry jako Tokamak (ITER), které přinášejí desítky let technologických problémů (minulých a… budoucích), velmi drahých. Jsem mezi těmi, kdo věří, že existuje způsob, jak dosáhnout fúze relativně jednoduchými prostředky. Nepředpokládám ani to, že Yonas může dosáhnout ještě vyšších teplot než jeho dvě miliardy stupňů (...), protože konečná výkonnost nezávisí na množství energie, ale na účinnosti zaměření (příroda pěny, geometrie).
V době, kdy „fyzika klesá“ ve Francii vidím zde hory témat pro disertační práce a relativně levné experimenty, fascinující numerické simulace. Ale ve Francii všechno bylo vsazeno na Tokamak a není žádná možnost... změnit koně uprostřed přesahu. Lidé nebudou ochotni říct:
- No, strávili jsme půl století času a hodně peněz.
Kdo by to mohl říct? To vysvětluje trvalost této strojové a fúzní směry.
Už 7. dubna 2003 Z-machine Yonase vyprodukovala první autentické neutrony z fúze. Nedávno byl ale překonán jiný práh.
Z-machine umožnila dosažení dvou miliard stupňů
To znamená, že fúze Bore 11 – vodík 1 se stává proveditelnou. Je to čistá fúze bez radioaktivity (!), která nevydává neutrony, neznečišťuje okolní struktury a vydává pouze běžné jádra helia, elektricky nabitá. Nejenže je možné je magneticky uzavřít, ale stlačením tohoto magnetického pole se celý systém promění v MHD generátor. Nakonec bychom mohli získat „dvoudobý fúzní motor“ (o kterém jsem již psal v článku Science et Vie z roku 1976). Tyto dvě miliardy stupňů
žádný tokamak nikdy nedosáhne
.
Závěr je, že projekt ITER by měl být ihned přerušen.
Zdá se, že máme jinou cestu, která může vést k „čisté fúzi“. Tyto práce je třeba podrobně analyzovat. Zatím se zdá, že Z-machine Yonase může umožnit fúzi směsi s výrobou alfa částic, jáder helia. Tyto by tvořily rozšiřující se plazma. Pokud by tento rozšiřující se proces probíhal v magnetickém poli, jako je systém s velkým magnetickým Reynoldsovým číslem (těsná vazba mezi magnetickými siločarami a ionizovaným prostředím), vznikne silný indukovaný proud ve solenoidu. Stroj se pak promění v impulzní MHD generátor. Část této energie by mohla sloužit k nabití kondenzátoru připraveného na další výboj. Tak vzniká koncept „dvoudobého fúzního motoru“.
Vše to je třeba podrobně zvážit, ale zdá se, že to je velmi zajímavé. V každém případě jde o výzkum mnohem levnější a jednodušší než tento opravdový „zázrak“ nazývaný projekt ITER.