Hallittu lämpöydinfuusio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 15. helmikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 21 muokkausta .

Kontrolloitu lämpöydinfuusio ( CTF ) on raskaampien atomiytimien synteesi kevyemmistä ytimistä energian saamiseksi, joka toisin kuin räjähtävä lämpöydinfuusio (käytetään lämpöydinräjähdyslaitteissa ) on hallinnassa. Hallittu lämpöydinfuusio eroaa perinteisestä ydinenergiasta siinä, että viimeksi mainittu käyttää hajoamisreaktiota , jonka aikana raskaista ytimistä saadaan kevyempiä ytimiä. Tärkeimmissä ydinreaktioissa , joita suunnitellaan käytettäväksi hallitun lämpöydinfuusion toteuttamiseen, käytetään deuteriumia ( 2 H) ja tritiumia ( 3 H) ja kauempaa tulevaisuudessa helium-3:a ( 3 He) ja booria . -11 ( 11 B) .

Ongelman historia

Historiallisesti kysymys hallitusta lämpöydinfuusiosta globaalilla tasolla nousi esiin 1900-luvun puolivälissä. Tiedetään, että Igor Kurchatov vuonna 1956 ehdotti eri maiden atomitutkijoiden yhteistyötä tämän tieteellisen ongelman ratkaisemisessa. Tämä tapahtui vierailun aikana brittiläisessä ydinkeskuksessa "Harwell"[1] .

Ensimmäinen[ milloin? Neuvostoliiton hallitun lämpöydinfuusion ongelman muotoili ja ehdotti siihen rakentavaa ratkaisua Neuvostoliiton fyysikko Oleg Lavrentjev [2] [ 3] . Hänen lisäksi merkittävällä panoksella ongelman ratkaisemisessa ovat olleet erinomaiset fyysikot, kuten Andrei Saharov ja Igor Tamm [2] [3] sekä Lev Artsimovitš , joka johti Neuvostoliiton hallittua lämpöydinfuusioohjelmaa vuodesta 1951 [4] . ] .

Prosessin fysiikka

Atomiytimet koostuvat kahden tyyppisistä nukleoneista , protoneista ja neutroneista . Niitä pitää yhdessä niin kutsuttu vahva voima . Tässä tapauksessa kunkin nukleonin sitoutumisenergia muiden kanssa riippuu ytimessä olevien nukleonien kokonaismäärästä, kuten käyrästö osoittaa. Kaaviosta voidaan nähdä, että kevyillä ytimillä nukleonien lukumäärän kasvaessa sitoutumisenergia kasvaa, kun taas raskaiden ytimien se pienenee. Jos kevyisiin ytimiin lisätään nukleoneja tai nukleoneja poistetaan raskaista atomeista, niin tämä ero sitoutumisenergiassa tulee esiin erona reaktion kustannusten ja vapautuvien hiukkasten kineettisen energian välillä. Hiukkasten kineettinen energia (liikeenergia) muuttuu atomien lämpöliikkeeksi hiukkasten törmäyksen jälkeen atomien kanssa. Siten ydinenergia ilmenee lämmön muodossa.

Ytimen koostumuksen muutosta kutsutaan ydintransformaatioksi tai ydinreaktioksi . Ydinreaktiota, jossa ytimessä olevien nukleonien lukumäärä kasvaa, kutsutaan lämpöydinreaktioksi tai ydinfuusioksi. Ydinreaktio, jossa ytimessä olevien nukleonien määrä vähenee – ydinhajoaminen tai ydinfissio .

Ytimen protoneilla on sähkövaraus , mikä tarkoittaa, että ne kokevat Coulombin hylkimisen . Ytimessä tätä hylkimistä kompensoi voimakas voima, joka pitää nukleoneja yhdessä. Mutta vahvan vuorovaikutuksen toimintasäde on paljon pienempi kuin Coulombin repulsion. Siksi, jotta voidaan yhdistää kaksi ydintä yhdeksi, on ensin tarpeen saattaa ne lähemmäksi toisiaan, voittamalla Coulombin hylkiminen. Tällaisia menetelmiä tunnetaan useita. Tähtien sisällä nämä ovat gravitaatiovoimia. Kiihdyttimissä se on kiihdytettyjen ytimien tai alkuainehiukkasten kineettistä energiaa. Termoydinreaktoreissa ja lämpöydinaseissa atomiytimien lämpöliikkeen energia. Nykyään gravitaatiovoimat eivät ole ihmisen hallinnassa. Hiukkaskiihtyvyys on niin energiaintensiivistä, ettei sillä ole mahdollisuutta positiiviseen energiataseeseen. Ja vain lämpömenetelmä näyttää sopivalta kontrolloituun fuusioon, jolla on positiivinen energiatuotto.

Reaktioiden tyypit

Fuusioreaktio on seuraava: lämpöliikkeen seurauksena kaksi tai useampi suhteellisen kevyt atomiydin lähestyy toisiaan niin paljon, että lyhyen kantaman vahva vuorovaikutus , joka ilmenee sellaisilla etäisyyksillä, alkaa voittaa Coulombin hylkäysvoimia . yhtä varautuneita ytimiä, mikä johtaa muiden, raskaampien alkuaineiden ytimien muodostumiseen. Nukleonijärjestelmä menettää osan massastaan, joka on yhtä suuri kuin sitoutumisenergia , ja tunnetun kaavan E=mc² mukaan uuden ytimen muodostuessa vapautuu merkittävä voimakkaan vuorovaikutuksen energia. Atomiytimet, joissa on pieni sähkövaraus, on helpompi tuoda oikealle etäisyydelle, joten raskaat vedyn isotoopit ovat parasta polttoainetta kontrolloituun fuusioreaktioon.

On havaittu, että kahden isotoopin , deuteriumin ja tritiumin, seos vaatii vähemmän energiaa fuusioreaktioon verrattuna reaktion aikana vapautuvaan energiaan. Vaikka deuteriumin ja tritiumin seos (DT) on useimpien fuusiotutkimusten kohteena, se ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen polttoaine. Muut seokset voivat olla helpompia valmistaa; niiden reaktiota voidaan hallita paremmin, tai mikä vielä tärkeämpää, tuottaa vähemmän neutroneja . Erityisen kiinnostavia ovat niin sanotut "neutronittomat" reaktiot, koska tällaisen polttoaineen onnistunut teollinen käyttö merkitsee materiaalien ja reaktorin suunnittelun pitkäaikaista radioaktiivista kontaminaatiota, mikä puolestaan voi vaikuttaa myönteisesti yleiseen mielipiteeseen ja yleiseen reaktorin käyttökustannukset, mikä vähentää merkittävästi käytöstäpoisto- ja loppusijoituskustannuksia. Ongelmana on edelleen, että vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävä fuusioreaktio on paljon vaikeampi ylläpitää, joten DT-reaktiota pidetään vain välttämättömänä ensimmäisenä vaiheena.

Ohjattu lämpöydinfuusio voi käyttää erilaisia lämpöydinreaktioita käytetyn polttoaineen tyypistä riippuen.

Deuterium + Tritium Reaction (DT Fuel)

Alimmassa lämpötilassa toteutettavissa oleva reaktio on deuterium + tritium [5] :

{}_{1}^{2}{\mbox{H}}+{}_{1}^{3}{\mbox{H}}\rightarrow {}_{2}^{4}{\mbox {He}}+{}_{0}^{1}{\mbox{n}}+17,6{\mbox{ MeV}}.

Kaksi ydintä : deuterium ja tritium sulautuvat muodostaen heliumytimen ( alfahiukkasen ) ja korkeaenergisen neutronin .

Tämä reaktio vapauttaa merkittävästi energiaa. Haitat - tritiumin korkea hinta, ei-toivotun neutronisäteilyn tuotanto .

Reaktio deuterium + helium-3

On paljon vaikeampaa toteuttaa reaktio deuterium + helium-3 mahdollisuuksien rajalla

{}_{1}^{2}{\mbox{H}}+{}_{2}^{3}{\mbox{He}}\rightarrow {}_{2}^{4} {\mbox{He}}+{}_{1}^{1}{\mbox{p}}+18,4{\mbox{ MeV}}.

[5]

Sen saavuttamisen edellytykset ovat paljon monimutkaisemmat. Helium-3 on myös harvinainen ja erittäin kallis isotooppi. Ei tällä hetkellä kaupallisesti tuotettua[ määritä ] . Sitä voidaan kuitenkin saada tritiumista, jota saadaan vuorostaan ydinvoimaloissa [6] ; tai louhitaan Kuussa [7] [8] .

Termoydinreaktion suorittamisen monimutkaisuus voidaan luonnehtia kolmoistuotteella nT τ (tiheys kertaa lämpötila kertaa retentioaika). Tämän parametrin mukaan D-3He- reaktio on noin 100 kertaa monimutkaisempi kuin DT.

Deuteriumytimien välinen reaktio (DD, monopropellant)

Deuteriumytimien väliset reaktiot ovat myös mahdollisia , ne ovat hieman vaikeampia kuin helium-3 :n reaktiot :

\mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {p} +\mathrm {T} +4{,}032\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{3}\!\,\mathrm {Hän} +3{,}268\;\mathrm {MeV} .

DD-plasman pääreaktion lisäksi tapahtuu myös seuraavaa:

\mathrm {p} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ {}^{3}\!\,\mathrm {Hän} +\gamma +5{,}4\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {p} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ {}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +\gamma +19{,}814\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {D} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +17{,}589\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {D} +\!^{3}\mathrm {Hän} \ \rightarrow \ \mathrm {p} +{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +18{,}353\; \mathrm {MeV} .

{}^{3}\!\,\mathrm {Hän} +\!^{3}\mathrm {He} \ \rightarrow \ 2\,\mathrm {p} +\,{}^{4}\! \,\mathrm {Hän} +12{,}86\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {T} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ 2\,\mathrm {n} +{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +11{,}332\;\mathrm { MeV}.

Nämä reaktiot etenevät hitaasti rinnakkain deuterium + helium-3 -reaktion kanssa, ja niiden aikana muodostuneet tritium ja helium-3 reagoivat erittäin todennäköisesti välittömästi deuteriumin kanssa .

Muut reaktiot

Myös monet muut reaktiot ovat mahdollisia. Polttoaineen valinta riippuu monista tekijöistä - sen saatavuudesta ja alhaisesta hinnasta, energiantuotannosta, fuusioreaktioon vaadittavien olosuhteiden saavuttamisen helppoudesta (ensisijaisesti lämpötilasta), reaktorin tarvittavista suunnitteluominaisuuksista jne.

"Neutronittomat" reaktiot

Lupaavimpia ovat niin sanotut "neutronittomat" reaktiot, koska lämpöydinfuusion synnyttämä neutronivuo (esimerkiksi deuterium-tritium-reaktiossa) kuljettaa pois merkittävän osan tehosta ja synnyttää indusoitunutta radioaktiivisuutta reaktorin suunnittelussa. Deuterium + helium-3 -reaktio on lupaava muun muassa neutronisaannon puutteen vuoksi (mutta deuterium-deuterium-reaktio tuottaa tritiumia, joka voi olla vuorovaikutuksessa deuteriumin kanssa "neutronittoman" lämpöydinfuusion seurauksena, toistaiseksi ei).

\mathrm {D} +\!^{3}\mathrm {Hän} \ \rightarrow \ \mathrm {p} +{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +18{,}353\; \mathrm {MeV} .

\mathrm {D} +\!^{6}\mathrm {Li} \ \rightarrow \ 2\,{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +22{,}4\;\mathrm { MeV}.

\mathrm {p} +\!^{6}\mathrm {Li} \ \rightarrow {}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +{}^{3}\!\,\mathrm {Hän } +4{,}0\;\mathrm {MeV} .

{}^{3}\!\,\mathrm {Hän} +\!^{6}\mathrm {Li} \ \rightarrow \ \mathrm {p} +2\,{}^{4}\!\, \mathrm {Hän} +16{,}9\;\mathrm {MeV} .

{}^{3}\!\,\mathrm {Hän} +\!^{3}\mathrm {He} \ \rightarrow \ 2\,\mathrm {p} +\,{}^{4}\! \,\mathrm {Hän} +12{,}86\;\mathrm {MeV} .

\mathrm {p} +\!^{7}\mathrm {Li} \ \rightarrow \ 2\,{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +17{,}2\;\mathrm { MeV}.

\mathrm {p} +\!^{1}\!^{1}\mathrm {B} \ \rightarrow \ 3\,{}^{4}\!\,\mathrm {Hän} +8{,} 7\;\mathrm {MeV} .

Kevyen vedyn reaktiot

Tähdissä tapahtuvia protoni-protoni-fuusioreaktioita ei pidetä lupaavana lämpöydinpolttoaineena. Protoni-protoni-reaktiot käyvät läpi heikon vuorovaikutuksen neutrinosäteilyn kanssa ja vaativat tästä syystä tähtitieteellisiä reaktorikokoja havaittavaan energian vapautumiseen.

p + p → ²D + e + + ν e + 0,42 MeV

Ehdot

Hallittu lämpöydinfuusio on mahdollista, kun kaksi ehtoa täyttyy samanaikaisesti:

Ytimen törmäysnopeus vastaa plasman lämpötilaa:

T > 10 8 K (DT-reaktiolle).

Lawson-kriteerin noudattaminen :

n τ > 10 14 cm −3 s (DT-reaktiolle),

missä n on korkean lämpötilan plasman tiheys ja τ on plasman sulkemisaika järjestelmässä.

Näiden kahden kriteerin arvo määrittää pääasiassa tietyn lämpöydinreaktion nopeuden.

Hallittua lämpöydinfuusiota ei ole vielä toteutettu teollisessa mittakaavassa. Hallitun lämpöydinfuusion toteuttamisen vaikein tehtävä on plasman eristäminen reaktorin seinistä [9] .

Kansainvälisen lämpöydinkoereaktorin (ITER) rakentaminen on alkuvaiheessa.

Reaktorin suunnitelmat

Hallitun lämpöydinfuusion toteuttamiseen on olemassa kaksi pääsuunnitelmaa, joiden kehitystyö on parhaillaan käynnissä (2017):

Kvasistaationaariset järjestelmät, joissa plasmaa kuumennetaan ja rajoitetaan magneettikentällä suhteellisen alhaisessa paineessa ja korkeassa lämpötilassa. Tätä varten käytetään reaktoreita tokamakkien , stellaraattorien ( torsatronien ) ja peililoukkujen muodossa , jotka eroavat toisistaan magneettikentän konfiguraation suhteen. Kvasikiinteisiin reaktoreihin kuuluu ITER -reaktori , jolla on tokamak-konfiguraatio.
Impulssijärjestelmät . Tällaisissa järjestelmissä kontrolloitu lämpöydinfuusio toteutetaan kuumentamalla lyhytaikaisesti pieniä deuteriumia ja tritiumia sisältäviä kohteita supertehokkailla lasersäteillä tai korkeaenergisten hiukkasten ( ionien , elektronien ) säteillä. Tällainen säteilytys aiheuttaa sarjan lämpöydinmikroräjähdyksiä [10] [11] .

Ensimmäinen lämpöydinreaktorityyppi on paljon paremmin kehitetty ja tutkittu kuin toinen.

Ydinfysiikassa lämpöydinfuusion tutkimuksessa plasman pitämiseksi tietyssä tilavuudessa käytetään magneettista ansaa - laitetta, joka pitää plasman kosketuksesta lämpöydinreaktorin elementteihin . Magneettiloukkua käytetään ensisijaisesti lämmöneristeenä . Plasman sulkemisen periaate perustuu varautuneiden hiukkasten vuorovaikutukseen magneettikentän kanssa, nimittäin varautuneiden hiukkasten spiraaliseen pyörimiseen magneettikenttäviivoja pitkin. Magnetoitu plasma on kuitenkin erittäin epävakaa. Törmäysten seurauksena varautuneilla hiukkasilla on taipumus poistua magneettikentästä. Siksi tehokkaan magneettisen loukun luomiseksi käytetään voimakkaita sähkömagneetteja , jotka kuluttavat valtavan määrän energiaa, tai käytetään suprajohtimia.

Säteilyturvallisuus

Lämpöydinreaktori on paljon turvallisempi kuin ydinreaktori säteilyn suhteen . Ensinnäkin radioaktiivisten aineiden määrä siinä on suhteellisen pieni. Onnettomuuden seurauksena vapautuva energia on myös pientä, eikä se voi johtaa reaktorin tuhoutumiseen. Samalla reaktorin suunnittelussa on useita luonnollisia esteitä, jotka estävät radioaktiivisten aineiden leviämisen. Esimerkiksi tyhjiökammio ja kryostaatin kuori on suljettava, muuten reaktori ei yksinkertaisesti voi toimia. ITERiä suunniteltaessa kiinnitettiin kuitenkin paljon huomiota säteilyturvallisuuteen sekä normaalikäytössä että mahdollisissa onnettomuuksissa.

Mahdollisen radioaktiivisen saastumisen lähteitä on useita:

vetytritiumin radioaktiivinen isotooppi ;
laitoksen materiaalien aiheuttama radioaktiivisuus neutronisäteilyn seurauksena ;
radioaktiivinen pöly, joka syntyy plasman vaikutuksesta ensimmäiseen seinään;
radioaktiivisia korroosiotuotteita , joita voi muodostua jäähdytysjärjestelmään.

Tritiumin ja pölyn leviämisen estämiseksi, jos ne menevät tyhjiökammion ja kryostaatin ulkopuolelle, tarvitaan erityinen ilmanvaihtojärjestelmä , joka ylläpitää alennettua painetta reaktorirakennuksessa . Siksi rakennuksesta ei tule ilmavuotoja, paitsi ilmanvaihtosuodattimien kautta.

Reaktorin, esimerkiksi ITERin , rakentamisessa käytetään mahdollisuuksien mukaan jo ydinvoimassa testattuja materiaaleja. Tästä johtuen indusoitu radioaktiivisuus on suhteellisen pientä. Erityisesti jopa jäähdytysjärjestelmien vikaantuessa luonnollinen konvektio riittää jäähdyttämään alipainekammion ja muiden rakenneosien.

Arvioiden mukaan radioaktiiviset päästöt eivät edes onnettomuuden sattuessa aiheuta vaaraa yleisölle eivätkä vaadi evakuointia.

Polttoainekierto

Ensimmäisen sukupolven reaktorit toimivat todennäköisesti deuteriumin ja tritiumin seoksella. Reaktion aikana ilmaantuvat neutronit imeytyvät reaktorin suojukseen ja vapautuva lämpö käytetään lämmönvaihtimessa olevan jäähdytysaineen lämmittämiseen , ja tämä energia puolestaan käytetään generaattorin pyörittämiseen .

{}_{3}^{6}\mathrm {Li} \ +\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ _{1}^{3}\mathrm {T} \ + \ _{2}^{4}\mathrm {Hän}

{}_{3}^{7}\mathrm {Li} \ +\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ _{1}^{3}\mathrm {T} \ + \ _{2}^{4}\mathrm {Hän} +\ _{0}^{1}\mathrm {n}

Reaktio 6 Li :n kanssa on eksoterminen , mikä antaa reaktorille vähän energiaa. Reaktio 7 Li :n kanssa on endoterminen - mutta ei kuluta neutroneja [12] . Ainakin noin 7 Li-reaktiota tarvitaan korvaamaan reaktioissa menetetyt neutronit muilla alkuaineilla. Useimmat reaktorimallit käyttävät luonnollisia litium-isotooppien seoksia.

Tällä polttoaineella on useita haittoja:

Reaktio tuottaa merkittävän määrän neutroneja , jotka aktivoivat (radioaktiivisesti infektoivat) reaktorin ja lämmönvaihtimen . Neutronialtistus DT-reaktion aikana on niin korkea, että JET :n, tähän mennessä suurimman tällaista polttoainetta käyttävän reaktorin, ensimmäisen testisarjan jälkeen reaktorista tuli niin radioaktiivinen, että se olirobottijärjestelmän kehittämiseksi etähuoltoa varten [13] [14] .
Tarvitaan toimenpiteitä suojaamiseksi mahdolliselta radioaktiivisen tritiumin lähteeltä.
Vain noin 20 % fuusioenergiasta vapautuu varautuneiden hiukkasten muodossa (loput ovat neutroneja ), mikä rajoittaa mahdollisuutta muuttaa fuusioenergia suoraan sähköksi [15] .
Koska tritiumia ei ole saatavilla luonnossa, DT-reaktion käyttö riippuu käytettävissä olevista litiumvarannoista , jotka ovat paljon pienempiä kuin deuteriumvarastot. Litium-6 :sta tritiumia saadaan neutronisäteilytyksellä kaavion mukaisesti :. ${}\mathrm {{}^{6}Li} +\mathrm {n} \rightarrow \mathrm {{}^{3}H} +\mathrm {{}^{4}Hän}$

Teoriassa on vaihtoehtoisia polttoaineita, joilla ei ole näitä haittoja. Mutta niiden käyttöä haittaa perustavanlaatuinen fyysinen rajoitus. Jotta fuusioreaktiosta saadaan riittävästi energiaa, on välttämätöntä pitää riittävän tiheä plasma fuusiolämpötilassa (10 8 K) tietyn ajan. Tämä synteesin perustavanlaatuinen näkökohta kuvataan plasman tiheyden n ja lämmitetyn plasmasisällön ajan τ tulolla , joka tarvitaan tasapainopisteen saavuttamiseen. Tulo n τ riippuu polttoaineen tyypistä ja on plasman lämpötilan funktio. Kaikista polttoainetyypeistä deuterium-tritium-seos vaatii alimman n τ -arvon , vähintään suuruusluokan, ja alimman reaktiolämpötilan, vähintään 5 kertaa. Näin ollen DT-reaktio on välttämätön ensimmäinen askel, mutta muiden polttoaineiden käyttö on edelleen tärkeä tutkimustavoite.

Fuusioreaktio teollisena sähkönlähteenä

Monet tutkijat pitävät fuusioenergiaa "luonnollisena" energianlähteenä pitkällä aikavälillä. Fuusioreaktorien kaupallisen käytön kannattajat sähköntuotannossa esittävät seuraavat perustelut heidän puolestaan:

Polttoaine ( vety ) lähes ehtymättömät varat .
Polttoainetta voidaan ottaa merivedestä millä tahansa maailman rannikolla, mikä tekee mahdottomaksi yhden tai useamman maan monopolisoida polttoainevaroja. Tämä etu on kuitenkin merkityksellinen vain reaktioissa ilman tritiumia.
Pienin todennäköisyys hätäräjähdysmäiselle reaktiovoiman kasvulle termoydinreaktorissa.
Ei palamistuotteita.
Ei ole tarvetta käyttää materiaaleja, joita voidaan käyttää ydinräjähteiden valmistukseen, mikä eliminoi sabotaasin ja terrorismin mahdollisuuden .
Ydinreaktoreihin verrattuna syntyy radioaktiivista jätettä, jonka puoliintumisaika on lyhyt [ 16] .

Sähkön hinta verrattuna perinteisiin lähteisiin

Kriitikot huomauttavat, että kysymys ydinfuusion kustannustehokkuudesta yleissähkön tuotannossa on edelleen avoin. Sama Ison-Britannian parlamentin Bureau of Science and Technology teettämä tutkimus osoittaa, että fuusioreaktorilla sähköntuotannon kustannukset ovat todennäköisesti tavanomaisten energialähteiden kustannusspektrin kärjessä. Paljon riippuu tulevaisuuden teknologiasta, markkinoiden rakenteesta ja sääntelystä. Sähkön hinta riippuu suoraan käytön tehokkuudesta, toiminnan kestosta ja reaktorin loppusijoituskustannuksista [17] .

Kaupallisen fuusioenergian saatavuus

Huolimatta laajalle levinneestä optimismista (1950-luvun alkututkimuksista lähtien), merkittäviä esteitä ydinfuusioprosessien tämän päivän ymmärryksen, teknisten mahdollisuuksien ja ydinfuusion käytännön käytön välillä ei ole vielä voitettu. Ei ole edes selvää, kuinka kustannustehokasta sähkön tuotanto lämpöydinfuusiota käyttämällä voi olla. Vaikka tutkimus on edistynyt jatkuvasti, tutkijat kohtaavat jatkuvasti uusia haasteita. Haasteena on esimerkiksi kehittää materiaali, joka kestää neutronipommituksen , jonka arvioidaan olevan 100 kertaa voimakkaampi kuin perinteisissä ydinreaktoreissa. Ongelman vakavuutta pahentaa se tosiasia, että neutronien ja ytimien vuorovaikutuspoikkileikkaus lakkaa olemasta riippuvainen lisääntyvän energian omaavien protonien ja neutronien lukumäärästä ja pyrkii atomin ytimen poikkileikkaukseen - ja 14 MeV neutroneilla siellä yksinkertaisesti ei ole olemassa isotooppia, jolla on riittävän pieni vuorovaikutuspoikkileikkaus. Tämä edellyttää erittäin usein DT- ja DD-reaktorirakenteiden vaihtamista ja heikentää sen kannattavuutta siinä määrin, että näiden kahden tyypin nykyaikaisista materiaaleista valmistettujen reaktorisuunnitelmien kustannukset osoittautuvat suuremmiksi kuin niiden tuottaman energian kustannukset. Ratkaisuja on kolmenlaisia :

Puhtaan ydinfuusion hylkääminen ja sen käyttö neutronien lähteenä uraanin tai toriumin fissiossa (kuten Saharov [18] ehdotti ).
DT:n ja DD:n synteesin hylkääminen muiden synteesireaktioiden hyväksi (esimerkiksi D-He).
Rakennemateriaalien kustannusten jyrkkä aleneminen tai prosessien kehittäminen niiden hyödyntämiseksi säteilytyksen jälkeen. Myös materiaalitieteeseen tarvitaan suuria investointeja, mutta näkymät ovat epävarmat.

Sivureaktiot DD (3 %) D-He:n synteesin aikana vaikeuttavat kustannustehokkaiden rakenteiden valmistamista reaktoriin, vaikka ne ovatkin mahdollisia nykyisellä teknologisella tasolla.

On seuraavat tutkimusvaiheet:

Tasapaino- tai kannattavuustila: kun fuusioprosessin aikana vapautuva kokonaisenergia on yhtä suuri kuin reaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen käytetty kokonaisenergia. Tämä suhde on merkitty symbolilla Q.
Palava plasma: Välivaihe, jossa reaktiota tukevat ensisijaisesti alfa-hiukkaset, jotka syntyvät reaktion aikana, ei ulkoinen kuumennus. Q ≈ 5. Toistaiseksi (2012) ei ole saavutettu.
Syttyminen : Vakaa, itseään ylläpitävä reaktio. Pitäisi saavuttaa suurilla Q -arvoilla . Toistaiseksi saavuttamatta.

Tutkimuksen seuraava askel olisi kansainvälinen lämpöydinkoereaktori (ITER). Tässä reaktorissa on tarkoitus tutkia korkean lämpötilan plasman (flaming plasma Q ~ 30) ja rakennemateriaalien käyttäytymistä teollisuusreaktoria varten.

Tutkimuksen viimeinen vaihe on DEMO : prototyyppi teollisuusreaktori , joka saavuttaa syttymisen ja osoittaa uusien materiaalien käytännön soveltuvuuden. Optimistisimmilla ennusteilla DEMO-vaiheen valmistumiselle: 30 vuotta. DEMO:n jälkeen kaupallisten lämpöydinreaktorien (jota kutsutaan perinteisesti TNPP - lämpöydinvoimaliksi) suunnittelu ja rakentaminen voi alkaa. TNPP:n rakentaminen voidaan aloittaa vasta 2045. [19]

Olemassa olevat tokamakit

Yhteensä maailmassa rakennettiin noin 300 tokamakia . Suurimmat niistä on lueteltu alla.

Neuvostoliitto ja Venäjä
- T-2 on ensimmäinen toimiva laite.
- T-4 - suurennettu versio T-3:sta.
- T-7 on ainutlaatuinen asennus, jossa ensimmäistä kertaa maailmassa toteutettiin suhteellisen suuri magneettinen järjestelmä suprajohtavalla solenoidilla [20] , joka perustuu nestemäisellä heliumilla jäähdytettyyn niobium-titaaniseokseen . T-7:n päätehtävä valmistui: valmisteltiin näkymä lämpöydinvoimatekniikan seuraavan sukupolven suprajohtaville solenoideille.
- T-10 ja PLT ovat seuraava askel fuusiotutkimuksen maailmassa, ne ovat lähes samankokoisia, yhtä tehokkaita ja samalla rajauskertoimella. Ja saadut tulokset ovat identtisiä: lämpöydinfuusion haluttu lämpötila on saavutettu molemmissa reaktoreissa, ja Lawson-kriteerin mukainen viive on vain kaksisataa kertaa.
- T-15 on tämän päivän reaktori, jossa on suprajohtava solenoidi [20] , jonka kentänvoimakkuus on 3,6 T.
- Globus-M on Venäjän ensimmäinen pallomainen tokamak, joka luotiin vuonna 1999. [21]
- Globus-M2 [22] on uuden sukupolven pallomainen tokamak, joka julkaistiin vuonna 2018. [23]
Kazakstan
- Kazakhstan Materials Science Tokamak (KMT) on kokeellinen lämpöydinlaitos materiaalien tutkimukseen ja testaamiseen energiakuormitustiloissa lähellä ITERiä ja tulevia lämpöydinreaktoreita. KTM:n rakennustyömaa on Kurchatovin kaupunki [24] [25] .
Libya
- TM-4A
Eurooppa ja Iso-Britannia
- Joint European Torus [26] on maailman suurin toimiva tokamak, jonka on luonut Yhdistyneessä kuningaskunnassa sijaitseva Euratom -organisaatio . Se käyttää yhdistettyä lämmitystä: 20 MW - neutraali injektio, 32 MW - ionisyklotroniresonanssi. Seurauksena on, että Lawson-kriteeri on vain 4–5 kertaa sytytystasoa alempi.
- Tore Supra [27] on suprajohtavilla keloilla varustettu tokamak (1,8 K) [20] , yksi maailman suurimmista. Sijaitsee Cadarachen tutkimuskeskuksessa ( Ranska ).
USA
- Test Fusion Tokamak Reactor (TFTR) [28] on suurin Yhdysvaltain tokamak (Princetonin yliopistossa), jossa on lisälämmitys nopeilla neutraaleilla hiukkasilla. Saavutettiin korkea tulos: Lawson-kriteeri todellisessa lämpöydinlämpötilassa on vain 5,5 kertaa syttymisrajaa alempi. Suljettu vuonna 1997.
- National Spherical Torus Experiment (NSTX) [29] on pallomainen tokamak (spheromak), joka toimii tällä hetkellä Princetonin yliopistossa. Ensimmäinen plasma reaktorissa saatiin vuonna 1999, kaksi vuotta TFTR:n sulkemisen jälkeen.
- Alcator C-Mod [30] on yksi kolmesta USA:n suurimmasta tokamakista (kaksi muuta ovat NSTX ja DIII-D), Alcator C-Modille on ominaista maailman korkein magneettikenttä ja plasmapaine. Toiminut vuodesta 1993.
- DIII-D [31] on yhdysvaltalainen tokamak, jonka General Atomic rakensi ja käyttää San Diegossa .
Japani
- JT-60 [32] on suurin japanilainen tokamak, joka on toiminut Japan Atomic Energy Research Institutessa vuodesta 1985.
- Triam - suprajohtavilla magneeteilla [20]
Kiina
- EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) - Kokeellinen suprajohtava tokamak. Toimii yhteistyössä kansainvälisen ITER -projektin kanssa . Ensimmäiset onnistuneet testit suoritettiin kesällä 2006. Kuuluu Kiinan tiedeakatemian plasmafysiikan instituuttiin. Sijaitsee Hefein kaupungissa Anhuin maakunnassa . Tässä reaktorissa toteutettiin vuonna 2007 maailman ensimmäinen "tuoton" lämpöydinfuusio [33] käytetyn ja vastaanotetun energian suhteen mitattuna. Tällä hetkellä tämä suhde on 1:1,25. Lähitulevaisuudessa tätä suhdetta on tarkoitus nostaa 1:50:een. [34] 14. marraskuuta 2018 kiinalainen tokamak lämmitti plasman 100 miljoonaan celsiusasteeseen, toukokuussa 2021 EAST:ssä oli mahdollista lämmittää plasma 160 miljoonaan °C:seen pitämällä sitä 101 sekuntia, ja alussa 2022 70 miljoonan °C:n lämpötilaan 17 minuutissa [35] .

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Neuvostoliiton fyysikkojen tiedeyhteisö. 1950-1960 luvut. Asiakirjat, muistelmat, tutkimus / Kokoonpannut ja toimittaneet V. P. Vizgin ja A. V. Kessenikh . - Pietari. : kustantamo RKhGA , 2005 . - T. I. - S. 23. - 720 s.
↑ 1 2 Bondarenko B. D. “ O. A. Lavrentjevin rooli hallittua lämpöydinfuusiota koskevan kysymyksen esittämisessä ja tutkimuksen käynnistämisessä Neuvostoliitossa Arkistoitu 12. syyskuuta 2017 Wayback Machinessa ” // UFN 171 , 886 (2001).
↑ 1 2 A. D. Saharovin katsaus, julkaistu osiossa "Venäjän federaation presidentin arkistosta". UFN 171 , 902 (2001), s. 908.
↑ Artsimovich, 1961 , s. 458.
↑ 1 2 Artsimovich, 1961 , s. 6.
↑ Helium-3:n puute: tarjonta, kysyntä ja vaihtoehdot kongressille Arkistoitu 9. marraskuuta 2020 Wayback Machinessa // FAS, 22. joulukuuta 2010 : "Se valmistetaan ydinaseiden huollon sivutuotteena... Tällä hetkellä helium- 3 valmistetaan vain ydinaseissa käytettävän tritiumin valmistuksen ja puhdistuksen sivutuotteena. Helium-3:n tarjonta tulee siksi enimmäkseen, ehkä kokonaan, kahdesta lähteestä: Yhdysvaltojen ja Venäjän hallituksilta. ... Yhdysvaltain aseohjelma tuottaa tällä hetkellä tritiumia säteilyttämällä litiumia kevytvesiydinreaktorissa.", myös osio "Mahdolliset lisälähteet" (sivu 12)
↑ Voisiko kuu ruokkia maata 10 000 vuoden ajan? Kiinan mukaan heliumin louhinta satelliitistamme voi auttaa ratkaisemaan maailman energiakriisin Arkistoitu 29. marraskuuta 2014 Wayback Machinessa 5. elokuuta 2014
↑ Miksi palata kuuhun? Arkistoitu 1. marraskuuta 2014 Wayback Machinessa // NASA, 2008-01-14: "... helium 3:a, maan päällä erittäin harvinainen isotooppi, esiintyy kuun maaperässä aurinkotuulen istuttamana. Jos - erittäin suuri jos - lämpöydinfuusio energiaksi tuotetaan maan päällä, helium 3 olisi erittäin arvokas fuusioreaktoreille, koska se ei tee reaktorista radioaktiivista."
↑ Artsimovich, 1961 , s. viisitoista.
↑ Waite Gibbs Ydinfuusio: pienet pelaajat // Tieteen maailmassa . - 2017. - Nro 1/2. - S. 36-45.
↑ N.V. Zmitrenko Lasertermoydinfuusio : historiaa ja uusia ideoita // Epälineaarisuus modernissa tieteessä / toim. G. G. Malinetsky . - M., LKI, 2013. - s. 84-95
↑ Yhdysvaltain varhaisissa lämpöydinammuksissa käytettiin myös luonnollista litiumdeuteridia, joka sisältää pääasiassa litiumisotooppia, jonka massaluku on 7. Se toimii myös tritiumin lähteenä, mutta tätä varten reaktioon osallistuvien neutronien energian on oltava 10 MeV ja korkeampi.
↑ Etäkäsittely | EFDA (linkki ei saatavilla) . Haettu 14. marraskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 10. tammikuuta 2014. (määrätön)
↑ http://www.iop.org/Jet/fulltext/JETP98074.pdf 1999
↑ Neutronittoman syklin lämpöydinvoimalaitokset (esim. D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV), joissa on MHD-generaattori korkean lämpötilan plasmalla;
↑ E. P. Velikhov , S. V. Putvinsky . Termoydinreaktori . Fornit (22. lokakuuta 1999). — Raportti, päivätty 22.10.1999, tehty World Federation of Scientists -järjestön energiakeskuksen puitteissa. Käyttöpäivä: 16. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 12. tammikuuta 2011. (määrätön)
↑ Postnote : Nuclear Fusion Arkistoitu 29. marraskuuta 2008 Wayback Machinessa 2003
↑ Luku 9 ::: Saharov A.D. - Muistelmat T.1 ::: Saharov Andrey Dmitrievich ::: Muistoja Gulagista :: Tietokanta :: Tekijät ja tekstit . Haettu 22. marraskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 20. elokuuta 2021. (määrätön)
↑ http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6332/ Arkistoitu kopio 23. toukokuuta 2013 Wayback Machinessa Anna lämpöydin vuosisadan puoliväliin!
↑ 1 2 3 4 Luentomuistiinpanot | Suprajohtavat magneetit | Ydinvoimatiede ja -tekniikka | MIT Open Course Ware . Haettu 14. marraskuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 10. kesäkuuta 2015. (määrätön)
↑ Pallomainen tokamak Globus-M . Haettu 6. elokuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 16. heinäkuuta 2014. (määrätön)
↑ VB Minaev, VK Gusev, NV Saharov, VI Varfolomeev, NN Bakharev. Pallomainen tokamak Globus-M2: suunnittelu, integrointi, rakentaminen // Nuclear Fusion. - 09-05-2017. - T. 57 , no. 6 . - S. 066047 . - ISSN 1741-4326 0029-5515, 1741-4326 . - doi : 10.1088/1741-4326/aa69e0 .
↑ Olga Zakutnyaja . UNU:n "Globus-M2" julkaisu. Lehdistötiedote , FTI :n lehdistötiedote A.F. Ioff (7. kesäkuuta 2018). Arkistoitu alkuperäisestä 19. syyskuuta 2018. Haettu 19.9.2018.
↑ Tokamak KTM (pääsemätön linkki) . Haettu 6. heinäkuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 16. lokakuuta 2013. (määrätön)
↑ Tokamak KTM - ktm.nnc.kz . Haettu 6. heinäkuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 16. tammikuuta 2014. (määrätön)
↑ EFDA | Euroopan fuusiokehityssopimus (linkki ei saatavilla) . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 23. heinäkuuta 2009. (määrätön)
↑ Tore Supra . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 7. heinäkuuta 2008. (määrätön)
↑ Tokamak Fusion Test Reactor (downlink) . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 26. huhtikuuta 2011. (määrätön)
↑ Princetonin plasmafysiikan laboratorion yleiskatsaus (linkki ei ole käytettävissä) . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 16. syyskuuta 2008. (määrätön)
↑ MIT Plasma Science & Fusion Center: tutkimus>alcator> (linkki ei saatavilla) . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 9. heinäkuuta 2015. (määrätön)
↑ Etusivu - Fusion-verkkosivusto . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 17. toukokuuta 2008. (määrätön)
↑ Fusion Plasma Research (linkki ei saatavilla) . Haettu 11. elokuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 27. syyskuuta 2007. (määrätön)
↑ The Artificial Sun-中安在线-english (downlink) . Haettu 24. maaliskuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 24. toukokuuta 2011. (määrätön)
↑ Thermonuclear tuli nollasta - Sanomalehti. Ru . Käyttöpäivä: 3. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 1. heinäkuuta 2012. (määrätön)
↑ I. Vedmedenko. Kiinalainen fuusioreaktori teki uuden korkean lämpötilan jatkuvan plasmaennätyksen

Kirjallisuus

E.P. Velikhov; S.V. Mirnov. Controlled Fusion siirtyy Home Stretchiin ( PDF ) (linkki ei ole käytettävissä) . Troitskin innovaatio- ja lämpöydintutkimusinstituutti. Venäjän tutkimuskeskus "Kurchatov-instituutti". . ac.ru. — Suosittu ilmaus ongelmasta. Haettu 8. elokuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 4. tammikuuta 2007. (määrätön)
Artsimovich L. A. Hallitut lämpöydinreaktiot. - M .: Fizmatlit, 1961. - 467 s.
Lukyanov S. Yu. "Kuuma plasma ja kontrolloitu ydinfuusio" "Nauka", Moskova 1975
Hegler M., Christiansen M. Johdatus kontrolloituun lämpöydinfuusion. - M. , Mir , 1980. - 230 s.

Linkit

Yhdysvalloissa järjestetään suurenmoinen lämpöydinfuusiokoe - Artikkeli NIF:stä // h-tech-news.ru, 31.3.2009 /webarchive/
C. Llewellyn-Smith. Matkalla lämpöydinenergiaan — 17. toukokuuta 2009 FIANissa pidetyn luennon materiaalit // elementy.ru
Semenov I. Tulevaisuuden energia: hallittu lämpöydinfuusio. Mikä on ITER-fuusioreaktori ja miksi sen luominen on niin tärkeää? — populaaritieteellinen luento pidetty vuonna 2008 osoitteessa FIAN // elementy.ru
Eurooppalaiset ja amerikkalaiset tutkijat ovat kehittäneet yhdessä uudentyyppisen lämpöydinpolttoaineen, joka on energiatehokkuuden suhteen luokkaa parempi kuin kaikki olemassa olevat analogit // Popular Mechanics , 29. elokuuta 2017

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen

Ydinteknologiat

Tekniikka

materiaaleja

Ydinpolttoaine
- Käytetty
- Raakamateriaalit
Ydinpolttoainekierto
Torium
Uranus
- Uraanin rikastus
- köyhdytetty uraani
Plutonium
Deuterium
Tritium
Helium-3
Litium-6

Ydinvoima
_

Pääaiheet	Ydinreaktori Ydinvoimala radioaktiivinen jäte Hallittu lämpöydinfuusio ydinvoimala ydinrakettimoottori Radioisotooppitermosähköinen generaattori
Reaktoreiden sukupolvia	yksi 2 3 3++ neljä
Reaktorityypit	Kehon mukaan Tankkiydinreaktori Kanavan ydinreaktori Homogeeninen Asetuksen mukaan Vesi - Ylikriittinen vesijäähdytetty Vesi-vesi Kiehuva suolaliuoksissa Raskas vesi - Raskas vesi Grafiitti - Grafiitti-kaasu Magnox rakeistetulla polttoaineella erittäin korkea lämpötila Grafiittivesi (painevesi / kiehuva) sulailla suoloilla Vaikuttavan aineen itsesäätely Nopea neutronireaktori nestemäisellä metallijäähdytysnesteellä lyijyn kanssa Juoksevalla aallolla kaasujäähdytteinen SSTAR Integraali inertiaalinen synteesi

isotooppilääketiede

lääketieteellinen kuvantaminen	Positroniemissiotomografia Yksifotoniemissiotietokonetomografia (SPECT) gamma kamera
Terapia	Kasvainten radiobiologia Tomoterapia Protoniterapia Brakyterapia Neutronien sieppaushoito

Ydinase

Toimintaperiaatteet	Ydinräjähdys Ydinräjähdyksen vahingolliset tekijät Design lämpöydinaseet
Tarina	Ydinaseiden luominen USA Neuvostoliitto Saksa Iso-Britannia Ranska Kiina Israel Intia Pakistan Pohjois-Korea Argentiina Brasilia Irak Iran Espanja Italia Ruotsi Etelä-Afrikka Etelä-Korea Japani ydinkilpailu ydinkeskus
Ydinaseet ja yhteiskunta	Ydinsota ydinkoe Lista laivaus Leviäminen Rauhanomaisia ydinräjähdyksiä Neuvostoliitto

Ydinvoimareaktorit
Luettelo maailman ydinvoimaloista
Ydinreaktorit Venäjällä
Säteilyonnettomuudet

Energiaa

tuotteiden ja toimialojen mukaan

Sähköteollisuus :
sähkö

Perinteinen

Lämpövoimalaitokset _	Lauhdutusvoimalaitos (CPP) Lämpövoimalaitos (CHP)
vesivoima	Vesivoimalaitos (HPP) Vesivarastovoimalaitos (PSPP)
Atomi	Ydinvoimala (NPP) Kelluva ydinvoimala (FNPP)

Vaihtoehtoinen

Maalämpö	Geotermiset voimalaitokset (GeoTPP)
vesivoima	Pienet vesivoimalaitokset (SHPP) Vuorovesivoimalaitokset (TPP) aaltovoimaloita Osmoottiset voimalaitokset
Tuulivoima	Tuulivoimalat (WPP)
Aurinkoinen	Aurinkovoimalat (SPP)
Vety	Vetyvoimalaitokset Polttokennoasennukset _
Bioenergia	Biovoimalaitokset (BioTES)
Malaya	Dieselvoimalaitokset Kaasumäntävoimalaitokset Pienet kaasuturbiinit Bensiinivoimalaitokset

Sähköverkko

Lämmönsyöttö :
lämpöenergia

keskitetty

Sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokset (CHP)
Kattilarakennukset
Ydinvoimalat (NPP)
Lämmönjakelun ydinvoimalat (NPP)
Geotermiset voimalaitokset (GeoTPP)
Biovoimalaitokset (BioTES)

hajautettu

Lämmitysverkko

Polttoaineteollisuus
: polttoaine _

Fossiili	Ruskohiili Hiili Antrasiitti öljyliuske Turve
kasvis	Polttopuut puujätteet Biomassa
keinotekoinen	Puuhiili Pelletit Koksi ( kivihiili , turve , puolikoksi ) kivihiilibriketit Hiilijätteet

Ydin

Uranus
MOX polttoaine
Snup-polttoainetta

Lupaavaa
energiaa :

Energiaa	Termoydinenergia avaruusenergiaa
Polttoaine	Plutonium Torium Deuterium Tritium Helium-3 Bor-11

Portaali: Energia

Lämpöydinfuusion kokeelliset laitokset

Plasmamagneettinen
eristys

tokamaks

Kansainvälinen	SYYTTÄJÄ -60SA ITER DEMO
Amerikka	D TFTR NSTX Alcator C- Pegasus_ ET STOR-
Aasia	Itään HT- ADITYA SST- -60 KSTAR
Euroopassa	JET Tore Supra TFR_ ASDEX-päivitys TEKSTORI FTU T-15 TCV MAST START_ KOMPASSI -

Stellaraattoreita

H
Wendelstein 7-X
laite
NCSX
HSX
TJ-
Hurrikaani-3M

RFP

MST
RFX
TPE-
EXTRAP T2R

muu

LDX
SSPX
MFTF
MCX_
Polywell
plasmafokus

Inertiaohjattu lämpöydinfuusio
_

Laser

Amerikka	NIF OMEGA_ Nova Nike_ Shiva_ Argus_ Kyklooppi_ Janus_ pitkä polku
Aasia	XII
Euroopassa	HiPER IV LMJ LULI2000 ISKRA Vulcan UFL-2M

muu

Kansainvälinen fuusiomateriaalien