Die Fusionsreaktion läuft wie folgt ab: Zwei oder mehr Atomkerne werden aufgenommen und unter Aufbringung einer bestimmten Kraft nähern sie sich so weit an, dass die bei solchen Abständen wirkenden Kräfte die Coulomb-Abstoßungskräfte zwischen gleich geladenen Kernen überwiegen wodurch ein neuer Zellkern entsteht. Es hat eine etwas geringere Masse als die Summe der Massen der ursprünglichen Kerne, und die Differenz wird zur Energie, die während der Reaktion freigesetzt wird. Die freigesetzte Energiemenge wird durch die bekannte Formel E=mc² beschrieben. Leichtere Atomkerne lassen sich leichter auf die richtige Distanz bringen, daher ist Wasserstoff – das am häufigsten vorkommende Element im Universum – der beste Brennstoff für eine Fusionsreaktion.

Es wurde festgestellt, dass eine Mischung aus zwei Wasserstoffisotopen, Deuterium und Tritium, im Vergleich zu der während der Reaktion freigesetzten Energie die geringste Energiemenge für die Fusionsreaktion benötigt. Obwohl ein Gemisch aus Deuterium und Tritium (D-T) Gegenstand der meisten Fusionsforschungen ist, ist es keineswegs der einzige potenzielle Brennstoff. Andere Mischungen können einfacher herzustellen sein; ihre Reaktion kann besser kontrolliert werden oder, was noch wichtiger ist, weniger Neutronen produzieren. Von besonderem Interesse sind die sogenannten "neutronenlosen" Reaktionen, da die erfolgreiche industrielle Nutzung solcher Brennstoffe das Ausbleiben einer langfristigen radioaktiven Kontamination der Materialien und des Reaktordesigns bedeuten wird, was wiederum die öffentliche Meinung positiv beeinflussen könnte und die Gesamtkosten für den Betrieb des Reaktors, wodurch die Kosten für seine Stilllegung erheblich gesenkt werden. Das Problem bleibt, dass die Fusionsreaktion mit alternativen Brennstoffen viel schwieriger aufrechtzuerhalten ist, sodass die D-T-Reaktion nur als notwendiger erster Schritt angesehen wird.

Schema der Deuterium-Tritium-Reaktion

Kontrollierte thermonukleare Fusion kann abhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs verschiedene Arten von thermonuklearen Reaktionen verwenden.

Deuterium + Tritium-Reaktion (D-T-Brennstoff)

Die am einfachsten umzusetzende Reaktion ist Deuterium + Tritium:

2 H + 3 H = 4 He + n bei einer Energieabgabe von 17,6 MeV (MeV)

Eine solche Reaktion ist aus Sicht moderner Technologien am einfachsten zu implementieren, ergibt eine erhebliche Energieausbeute und Brennstoffkomponenten sind billig. Ihr Nachteil ist die Freisetzung unerwünschter Neutronenstrahlung.

Zwei Kerne: Deuterium und Tritium verschmelzen zu einem Heliumkern (Alphateilchen) und einem hochenergetischen Neutron.

²H + ³He = 4 He + . bei einer Energieabgabe von 18,4 MeV

Die Bedingungen dafür sind viel komplizierter. Helium-3 ist auch ein seltenes und extrem teures Isotop. Es wird derzeit nicht im industriellen Maßstab hergestellt. Es kann jedoch aus Tritium gewonnen werden, das wiederum in Kernkraftwerken gewonnen wird.

Die Komplexität der Durchführung einer thermonuklearen Reaktion kann durch das dreifache Produkt von nTt (Dichte mal Temperatur mal Einschlusszeit) charakterisiert werden. Nach diesem Parameter ist die D-3He-Reaktion etwa 100-mal schwieriger als D-T.

Reaktion zwischen Deuteriumkernen (D-D, Monotreibstoff)

Auch Reaktionen zwischen Deuteriumkernen sind möglich, sie sind etwas schwieriger als Reaktionen mit Helium-3:

Als Ergebnis treten neben der Hauptreaktion im DD-Plasma auch folgende auf:

Diese Reaktionen laufen langsam parallel zur Deuterium + Helium-3-Reaktion ab, und das dabei gebildete Tritium und Helium-3 reagieren sehr wahrscheinlich sofort mit Deuterium.

Andere Arten von Reaktionen

Mehrere andere Arten von Reaktionen sind ebenfalls möglich. Die Wahl des Brennstoffs hängt von vielen Faktoren ab - seiner Verfügbarkeit und niedrigen Kosten, der Energieausbeute, der Leichtigkeit, die für die Fusionsreaktion erforderlichen Bedingungen zu erreichen (hauptsächlich Temperatur), den erforderlichen Konstruktionsmerkmalen des Reaktors und so weiter.

"Neutronenlose" Reaktionen

Die vielversprechendsten sogenannten. „neutronenlose“ Reaktionen, da der durch thermonukleare Fusion erzeugte Neutronenfluss (z. B. bei der Deuterium-Tritium-Reaktion) einen erheblichen Teil der Leistung abführt und im Reaktordesign induzierte Radioaktivität erzeugt. Die Deuterium-Helium-3-Reaktion ist vielversprechend, auch wegen der fehlenden Neutronenausbeute.

Bedingungen

Kernreaktion von Lithium-6 mit Deuterium 6 Li(d,α)α

CTS ist bei gleichzeitiger Erfüllung von zwei Kriterien möglich:

• Plasmatemperatur:

style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/101/ea2cc6cfd93c3d519e815764da74047a.png" border="0">

• Einhaltung des Lawson-Kriteriums:

style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (für D-T-Reaktion)

wobei die Hochtemperatur-Plasmadichte und die Plasmaeinschlusszeit im System ist.

Vom Wert dieser beiden Kriterien hängt die Geschwindigkeit einer bestimmten thermonuklearen Reaktion hauptsächlich ab.

Die kontrollierte thermonukleare Fusion ist derzeit noch nicht im industriellen Maßstab durchgeführt worden. Der Bau des internationalen Forschungsreaktors ITER befindet sich in der Anfangsphase.

Thermonukleare Energie und Helium-3

Die Helium-3-Reserven auf der Erde reichen von 500 kg bis 1 Tonne, aber auf dem Mond sind es erhebliche Mengen: bis zu 10 Millionen Tonnen (nach minimalen Schätzungen - 500.000 Tonnen). Derzeit wird eine kontrollierte thermonukleare Reaktion durch die Fusion von Deuterium ²H und Tritium ³H unter Freisetzung von Helium-4 4 He und einem "schnellen" Neutron n durchgeführt:

Allerdings fällt in diesem Fall der Großteil (mehr als 80%) der freigesetzten kinetischen Energie genau auf das Neutron. Durch Kollisionen von Bruchstücken mit anderen Atomen wird diese Energie in thermische Energie umgewandelt. Außerdem erzeugen schnelle Neutronen eine beträchtliche Menge an radioaktivem Abfall. Im Gegensatz dazu entstehen bei der Synthese von Deuterium und Helium-3 ³He keine (fast) radioaktiven Produkte:

Wobei p ein Proton ist

Dies ermöglicht die Verwendung einfacherer und effizienterer Systeme zur Umwandlung der kinetischen Fusionsreaktion, wie beispielsweise eines magnetohydrodynamischen Generators.

Reaktorkonstruktionen

Es werden zwei prinzipielle Schemata für die Implementierung einer kontrollierten thermonuklearen Fusion betrachtet.

Studien zum ersten Typ thermonuklearer Reaktoren sind viel weiter entwickelt als die zum zweiten. In der Kernphysik wird beim Studium der thermonuklearen Fusion eine Magnetfalle verwendet, um Plasma in einem bestimmten Volumen zu halten. Die Magnetfalle soll verhindern, dass das Plasma mit den Elementen eines thermonuklearen Reaktors in Kontakt kommt, d. h. hauptsächlich als Wärmeisolator verwendet. Das Confinement-Prinzip beruht auf der Wechselwirkung geladener Teilchen mit einem Magnetfeld, nämlich auf der Rotation geladener Teilchen um magnetische Feldlinien. Leider ist das magnetisierte Plasma sehr instabil und neigt dazu, das Magnetfeld zu verlassen. Um eine effektive Magnetfalle zu schaffen, werden daher die stärksten Elektromagnete verwendet, die eine enorme Menge an Energie verbrauchen.

Es ist möglich, die Größe eines thermonuklearen Reaktors zu reduzieren, wenn darin drei Methoden zur Erzeugung einer thermonuklearen Reaktion gleichzeitig verwendet werden.

A. Trägheitssynthese. Bestrahlen Sie winzige Kapseln aus Deuterium-Tritium-Brennstoff mit einem 500-Billionen-Watt:5-Laser. 10^14W. Dieser riesige, sehr kurzzeitige Laserpuls von 10^-8 s lässt die Treibstoffkapseln explodieren, was für den Bruchteil einer Sekunde zur Geburt eines Ministerns führt. Aber eine thermonukleare Reaktion kann darauf nicht erreicht werden.

B. Z-Maschine gleichzeitig mit Tokamak verwenden.

Die Z-Maschine funktioniert anders als ein Laser. Durch ein Netz aus dünnsten Drähten, das die Brennstoffkapsel umgibt, gelangt eine Ladung mit einer Leistung von einer halben Billion Watt 5,10^11 Watt.

Dann passiert das Gleiche wie beim Laser: Als Ergebnis des Z-Aufpralls entsteht ein Stern. Bei Tests auf der Z-Maschine konnte die Fusionsreaktion bereits gestartet werden. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Bedecken Sie die Kapseln mit Silber und verbinden Sie sie mit einem Faden aus Silber oder Graphit. Der Zündvorgang sieht so aus: Schießen Sie einen Faden (befestigt an einer Gruppe von Silberkugeln, die eine Mischung aus Deuterium und Tritium enthalten) in eine Vakuumkammer. Bilden Sie während eines Durchbruchs (Entladung) einen Blitzkanal durch sie, legen Sie Strom durch das Plasma an. Kapseln und Plasma gleichzeitig mit Laserstrahlung bestrahlen. Und schalten Sie gleichzeitig oder früher den Tokamak ein. Verwenden Sie drei Plasmaheizprozesse gleichzeitig. Das heißt, setzen Sie die Z-Maschine und die Laserheizung zusammen in den Tokamak. Es kann möglich sein, einen Schwingkreis aus Tokamak-Spulen zu erstellen und Resonanz zu organisieren. Dann würde es in einem sparsamen Oszillationsmodus arbeiten.

Kraftstoffkreislauf

Die Reaktoren der ersten Generation werden höchstwahrscheinlich mit einer Mischung aus Deuterium und Tritium betrieben. Die während der Reaktion entstehenden Neutronen werden vom Reaktorschild absorbiert und die freigesetzte Wärme wird zum Erhitzen des Kühlmittels im Wärmetauscher verwendet, und diese Energie wird wiederum zum Drehen des Generators verwendet.

. .

Die Reaktion mit Li6 ist exotherm und liefert wenig Energie für den Reaktor. Die Reaktion mit Li7 ist endotherm – verbraucht aber keine Neutronen. Zumindest einige Li7-Reaktionen werden benötigt, um Neutronen, die bei Reaktionen verloren gehen, durch andere Elemente zu ersetzen. Die meisten Reaktordesigns verwenden natürliche Mischungen von Lithiumisotopen.

Dieser Kraftstoff hat eine Reihe von Nachteilen:

Die Reaktion erzeugt eine erhebliche Menge an Neutronen, die den Reaktor und den Wärmetauscher aktivieren (radioaktiv infizieren). Außerdem sind Maßnahmen zum Schutz vor einer möglichen Quelle radioaktiven Tritiums erforderlich.

Nur etwa 20 % der Fusionsenergie liegen in Form geladener Teilchen vor (der Rest sind Neutronen), was die Möglichkeit der direkten Umwandlung von Fusionsenergie in Elektrizität einschränkt. Die Nutzung der D-T-Reaktion hängt von den verfügbaren Lithiumreserven ab, die viel kleiner sind als die Deuteriumreserven. Die Neutronenbelastung während der D-T-Reaktion ist so signifikant, dass nach der ersten Testreihe am JET, dem bisher größten Reaktor, der diesen Brennstoff verwendet, der Reaktor so radioaktiv wurde, dass ein Roboter-Fernwartungssystem hinzugefügt werden musste, um den diesjährigen Testzyklus abzuschließen .

Theoretisch gibt es alternative Kraftstoffarten, die diese Nachteile nicht aufweisen. Ihr Einsatz wird jedoch durch eine grundlegende physikalische Einschränkung behindert. Um genügend Energie aus der Fusionsreaktion zu gewinnen, ist es notwendig, ein ausreichend dichtes Plasma für eine gewisse Zeit auf der Fusionstemperatur (10 8 K) zu halten. Dieser grundlegende Aspekt der Synthese wird durch das Produkt aus der Plasmadichte n und der Zeit τ des erhitzten Plasmainhalts beschrieben, die benötigt wird, um den Gleichgewichtspunkt zu erreichen. Das Produkt nτ hängt von der Brennstoffart ab und ist eine Funktion der Plasmatemperatur. Von allen Brennstoffarten erfordert das Deuterium-Tritium-Gemisch den niedrigsten Wert von nτ um mindestens eine Größenordnung und die niedrigste Reaktionstemperatur um mindestens das Fünffache. Daher ist die D-T-Reaktion ein notwendiger erster Schritt, aber die Verwendung anderer Brennstoffe bleibt ein wichtiges Forschungsziel.

Fusionsreaktion als industrielle Energiequelle

Fusionsenergie wird von vielen Forschern langfristig als „natürliche“ Energiequelle angesehen. Befürworter der kommerziellen Nutzung von Fusionsreaktoren zur Stromerzeugung führen folgende Argumente zu ihren Gunsten an:

• Nahezu unerschöpfliche Brennstoffreserven (Wasserstoff)
• Kraftstoff kann an jeder Küste der Welt aus Meerwasser gewonnen werden, was es einem oder einer Gruppe von Ländern unmöglich macht, Kraftstoff zu monopolisieren
• Die Unmöglichkeit einer unkontrollierten Fusionsreaktion
• Keine Verbrennungsprodukte
• Es müssen keine Materialien verwendet werden, die zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden können, wodurch Fälle von Sabotage und Terrorismus ausgeschlossen werden
• Im Vergleich zu Kernreaktoren entstehen vernachlässigbare Mengen an radioaktivem Abfall mit kurzer Halbwertszeit.
• Ein mit Deuterium gefüllter Fingerhut liefert schätzungsweise das Äquivalent von 20 Tonnen Kohle. Ein mittelgroßer See kann jedes Land hunderte von Jahren mit Energie versorgen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bestehende Forschungsreaktoren darauf ausgelegt sind, eine direkte Deuterium-Tritium (DT)-Reaktion zu erreichen, deren Brennstoffkreislauf die Verwendung von Lithium zur Herstellung von Tritium erfordert, während Behauptungen über unerschöpfliche Energie auf die Verwendung eines Deuterium-Deuteriums verweisen (DD)-Reaktion in der zweiten Reaktorgeneration.
• Genau wie die Kernspaltungsreaktion erzeugt die Fusionsreaktion keine atmosphärischen Emissionen von Kohlendioxid, das einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leistet. Dies ist ein erheblicher Vorteil, da beispielsweise die USA durch die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung 29 kg CO 2 (eines der Hauptgase, das als Verursacher der Erderwärmung angesehen werden kann) pro US-Einwohner produzieren pro Tag.

Die Stromkosten im Vergleich zu herkömmlichen Quellen

Kritiker weisen darauf hin, dass die Frage nach der wirtschaftlichen Machbarkeit der Nutzung der Kernfusion zur Stromerzeugung offen bleibt. Dieselbe Studie, die vom Büro für Wissenschafts- und Technologierechte des britischen Parlaments in Auftrag gegeben wurde, weist darauf hin, dass die Kosten für die Stromerzeugung mit einem Fusionsreaktor wahrscheinlich an der Spitze des Kostenspektrums für konventionelle Energiequellen liegen werden. Viel wird von der zukünftigen Technologie, Struktur und Regulierung des Marktes abhängen. Die Stromkosten hängen direkt von der Nutzungseffizienz, der Betriebsdauer und den Kosten für die Stilllegung des Reaktors ab. Kritiker der kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie bestreiten, dass Kohlenwasserstoffbrennstoffe sowohl direkt als auch indirekt stark von der Regierung subventioniert werden, wie z. B. der Einsatz der Streitkräfte, um ihre ununterbrochene Versorgung sicherzustellen, wobei der Krieg im Irak oft als kontroverses Beispiel angeführt wird diese Art der Subventionierung. Die Bilanzierung solcher indirekter Subventionen ist sehr komplex und macht einen genauen Kostenvergleich nahezu unmöglich.

Es stellt sich auch die Frage nach den Forschungskosten. Die Länder der Europäischen Gemeinschaft geben jährlich etwa 200 Millionen Euro für Forschung aus, und es wird vorausgesagt, dass es noch einige Jahrzehnte dauern wird, bis die industrielle Nutzung der Kernfusion möglich wird. Befürworter alternativer Energiequellen halten es für angemessener, diese Mittel für die Einführung erneuerbarer Energiequellen einzusetzen.

Verfügbarkeit kommerzieller Fusionsenergie

Leider sind trotz des weit verbreiteten Optimismus (der seit den 1950er Jahren, als die ersten Forschungen begannen, weit verbreitet war) erhebliche Hindernisse zwischen dem heutigen Verständnis der Kernfusionsprozesse, den technologischen Möglichkeiten und der praktischen Nutzung der Kernfusion noch nicht überwunden worden, es ist unklar, wie viele es noch können wirtschaftlich rentable Stromerzeugung durch thermonukleare Fusion sein. Obwohl der Fortschritt in der Forschung konstant ist, werden Forscher ständig mit neuen Herausforderungen konfrontiert. Die Herausforderung besteht beispielsweise darin, ein Material zu entwickeln, das einem Neutronenbeschuss standhält, der schätzungsweise 100-mal intensiver ist als herkömmliche Kernreaktoren.

Es gibt folgende Forschungsphasen:

1.Gleichgewichts- oder „Pass“-Modus(Break-Even): Wenn die Gesamtenergie, die während des Fusionsprozesses freigesetzt wird, gleich der Gesamtenergie ist, die zum Starten und Aufrechterhalten der Reaktion aufgewendet wird. Dieses Verhältnis ist mit dem Symbol Q gekennzeichnet. Das Reaktionsgleichgewicht wurde 1997 bei JET (Joint European Torus) in Großbritannien demonstriert. (Nachdem Wissenschaftler 52 MW Strom für ihre Heizung ausgegeben hatten, erhielten sie am Ausgang eine um 0,2 MW höhere Leistung als verbraucht.)

2.Flammendes Plasma(Brennendes Plasma): Eine Zwischenstufe, in der die Reaktion hauptsächlich durch Alpha-Partikel unterstützt wird, die während der Reaktion erzeugt werden, und nicht durch externe Erwärmung. Q ≈ 5. Immer noch nicht erreicht.

3. Zündung(Zündung): Eine stabile Reaktion, die sich selbst erhält. Sollte bei hohen Q-Werten erreicht werden, noch nicht erreicht.

Der nächste Schritt in der Forschung sollte ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), International Thermonuclear Experimental Reactor, sein. An diesem Reaktor soll das Verhalten von Hochtemperaturplasma (flammendes Plasma mit Q ~ 30) und Strukturmaterialien für einen Industriereaktor untersucht werden. Die letzte Phase der Forschung wird DEMO sein: ein Prototyp eines Industriereaktors, der die Zündung erreichen und die praktische Eignung neuer Materialien demonstrieren wird. Die optimistischsten Prognosen für den Abschluss der DEMO-Phase: 30 Jahre. Unter Berücksichtigung der ungefähren Zeit für den Bau und die Inbetriebnahme eines Industriereaktors trennen uns ~40 Jahre von der industriellen Nutzung thermonuklearer Energie.

Vorhandene Tokamaks

Insgesamt wurden weltweit etwa 300 Tokamaks gebaut. Die größten von ihnen sind unten aufgeführt.

• UdSSR und Russland
  • T-3 ist der erste Funktionsapparat.
  • T-4 - eine vergrößerte Version des T-3
  • T-7 ist eine einzigartige Anlage, in der zum ersten Mal weltweit ein relativ großes Magnetsystem mit einem supraleitenden Solenoid auf der Basis von Zinnniobat, gekühlt mit flüssigem Helium, implementiert wurde. Die Hauptaufgabe des T-7 war erledigt: Die Perspektive für die nächste Generation supraleitender Solenoide der thermonuklearen Energietechnik wurde vorbereitet.
  • T-10 und PLT sind der nächste Schritt in der Welt der Fusionsforschung, sie haben fast die gleiche Größe, die gleiche Leistung und den gleichen Einschlussfaktor. Und die erzielten Ergebnisse sind identisch: An beiden Reaktoren wurde die begehrte Temperatur der thermonuklearen Fusion erreicht, und die Verzögerung nach dem Lawson-Kriterium beträgt nur das Zweihundertfache.
  • T-15 ist der heutige Reaktor mit einem supraleitenden Solenoid, der ein Feld von 3,6 T liefert.
• Libyen
  • TM-4A
• Europa und Großbritannien
  • JET (Englisch) (Joint Europeus Tor) ist der größte Tokamak der Welt, der von der Euratom-Organisation in Großbritannien geschaffen wurde. Es verwendet eine kombinierte Heizung: 20 MW - neutrale Injektion, 32 MW - Ionen-Zyklotron-Resonanz. Dadurch ist das Lawson-Kriterium nur 4-5 mal niedriger als das Zündniveau.
  • Tore Supra (fr.) (eng.) ist ein Tokamak mit supraleitenden Spulen, einer der größten der Welt. Befindet sich im Forschungszentrum von Cadarache (Frankreich).
• Vereinigte Staaten von Amerika
  • TFTR (englisch) (Test Fusion Tokamak Reactor) - der größte US-Tokamak (an der Princeton University) mit zusätzlicher Erwärmung durch schnelle neutrale Teilchen. Es wurde ein hohes Ergebnis erzielt: Das Lawson-Kriterium bei einer echten thermonuklearen Temperatur ist nur 5,5-mal niedriger als die Zündschwelle. 1997 geschlossen
  • NSTX (englisch) (National Spherical Torus Experiment) ist ein kugelförmiger Tokamak (Sferomak), der derzeit an der Princeton University betrieben wird. Das erste Plasma im Reaktor wurde 1999 erhalten, zwei Jahre nach der Schließung von TFTR.

Nach modernen astrophysikalischen Konzepten ist die Hauptenergiequelle für die Sonne und andere Sterne die thermonukleare Fusion, die in ihren Tiefen stattfindet. Unter irdischen Bedingungen wird es während der Explosion einer Wasserstoffbombe durchgeführt. Die thermonukleare Fusion wird von einer kolossalen Energiefreisetzung pro Masseeinheit der reagierenden Substanzen begleitet (etwa 10 Millionen Mal größer als bei chemischen Reaktionen). Daher ist es von großem Interesse, diesen Prozess zu beherrschen und auf seiner Basis eine günstige und umweltfreundliche Energiequelle zu schaffen. Trotz der Tatsache, dass große wissenschaftliche und technische Teams in vielen entwickelten Ländern an der Erforschung der kontrollierten thermonuklearen Fusion (CTF) beteiligt sind, müssen noch viele komplexe Probleme gelöst werden, bevor die industrielle Produktion thermonuklearer Energie Realität wird.

Moderne Kernkraftwerke nach dem Kernspaltungsverfahren decken den weltweiten Strombedarf nur teilweise. Ihr Brennstoff sind die natürlichen radioaktiven Elemente Uran und Thorium, deren Vorkommen und Vorkommen in der Natur sehr begrenzt sind; daher gibt es für viele Länder ein Importproblem. Der Hauptbestandteil von thermonuklearem Brennstoff ist das Wasserstoffisotop Deuterium, das im Meerwasser vorkommt. Seine Reserven sind öffentlich zugänglich und sehr groß (der Weltozean bedeckt ~ 71 % der Erdoberfläche, und Deuterium macht etwa 0,016 % der Gesamtzahl der Wasserstoffatome aus, aus denen Wasser besteht). Zusätzlich zur Verfügbarkeit von Brennstoff haben thermonukleare Energiequellen die folgenden wichtigen Vorteile gegenüber Kernkraftwerken: 1) Der UTS-Reaktor enthält viel weniger radioaktives Material als ein Kernspaltungsreaktor, und daher sind die Folgen einer zufälligen Freisetzung radioaktiver Produkte geringer gefährlich; 2) thermonukleare Reaktionen erzeugen weniger langlebigen radioaktiven Abfall; 3) TCB ermöglicht die direkte Stromerzeugung.

Physikalische Grundlagen der Kernfusion

Die erfolgreiche Durchführung der Fusionsreaktion hängt von den Eigenschaften der verwendeten Atomkerne und der Möglichkeit ab, ein dichtes Hochtemperaturplasma zu erhalten, das zur Initiierung der Reaktion notwendig ist.

Nukleare Kräfte und Reaktionen.

Die Energiefreisetzung während der Kernfusion ist auf extrem intensive Anziehungskräfte zurückzuführen, die im Inneren des Kerns wirken; Diese Kräfte halten die Protonen und Neutronen zusammen, aus denen der Kern besteht. Sie sind in Abständen von ~10–13 cm sehr intensiv und werden mit zunehmender Entfernung extrem schnell schwächer. Zusätzlich zu diesen Kräften erzeugen positiv geladene Protonen elektrostatische Abstoßungskräfte. Der Wirkungsradius elektrostatischer Kräfte ist viel größer als der von Kernkräften, sodass sie zu dominieren beginnen, wenn die Kerne weiter voneinander entfernt sind.

Wie G. Gamov gezeigt hat, ist die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion zwischen zwei sich nähernden leichten Kernen proportional zu , wo e – Basis natürlicher Logarithmen, Z 1 und Z 2 sind die Anzahl der Protonen in wechselwirkenden Kernen, W ist die Energie ihrer relativen Annäherung, und K ist ein konstanter Multiplikator. Die zur Durchführung einer Reaktion erforderliche Energie hängt von der Anzahl der Protonen in jedem Kern ab. Beträgt sie mehr als drei, dann ist diese Energie zu hoch und die Reaktion praktisch unmöglich. Also mit zunehmender Z 1 und Z 2 die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion sinkt.

Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Kerne wechselwirken, wird durch einen in Scheunen (1 b = 10–24 cm 2 ) gemessenen „Reaktionsquerschnitt“ charakterisiert. Der Reaktionsquerschnitt ist der Bereich des wirksamen Querschnitts des Kerns, in den ein anderer Kern „gelangen“ muss, damit seine Wechselwirkung stattfinden kann. Der Wirkungsquerschnitt für die Reaktion von Deuterium mit Tritium erreicht seinen Maximalwert (~5 b), wenn die wechselwirkenden Teilchen eine relative Annäherungsenergie von etwa 200 keV haben. Bei einer Energie von 20 keV wird der Wirkungsquerschnitt kleiner als 0,1 b.

Von einer Million beschleunigter Teilchen, die auf das Ziel treffen, tritt nicht mehr als eines in eine nukleare Wechselwirkung ein. Der Rest gibt seine Energie an die Elektronen der Zielatome ab und verlangsamt sich auf Geschwindigkeiten, bei denen die Reaktion unmöglich wird. Folglich ist die Methode des Beschusses eines festen Ziels mit beschleunigten Kernen (wie es beim Cockcroft-Walton-Experiment der Fall war) für CTS ungeeignet, da die gewonnene Energie in diesem Fall viel geringer ist als die verbrauchte Energie.

Thermonukleare Brennstoffe.

Reaktionen mit p, die bei Kernfusionsprozessen in der Sonne und anderen homogenen Sternen die Hauptrolle spielen, sind unter terrestrischen Bedingungen praktisch nicht von Interesse, da sie einen zu kleinen Wirkungsquerschnitt haben. Für die Durchführung der thermonuklearen Fusion auf der Erde ist Deuterium ein besser geeigneter Brennstofftyp, wie oben erwähnt.

Die wahrscheinlichste Reaktion wird jedoch in einem gleichwertigen Gemisch aus Deuterium und Tritium (DT-Gemisch) realisiert. Leider ist Tritium radioaktiv und kommt aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit (T 1/2 ~ 12,3 Jahre) praktisch nie in der Natur vor. Es wird künstlich in Spaltreaktoren gewonnen, aber auch als Nebenprodukt bei Reaktionen mit Deuterium. Das Fehlen von Tritium in der Natur ist jedoch kein Hindernis für die Verwendung von DT-Fusionsreaktionen, da Tritium kann durch Bestrahlung des 6 Li-Isotops mit Neutronen hergestellt werden, die während der Fusion entstehen: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Wenn die thermonukleare Kammer von einer Schicht aus 6 Li (natürliches Lithium enthält 7 %) umgeben ist, kann eine vollständige Reproduktion des Verbrauchsmaterials Tritium durchgeführt werden. Und obwohl in der Praxis einige der Neutronen unvermeidlich verloren gehen, kann ihr Verlust leicht wieder aufgefüllt werden, indem ein Element wie Beryllium in die Hülle eingeführt wird, dessen Kern, wenn ein schnelles Neutron darauf trifft, zwei emittiert.

Das Funktionsprinzip eines thermonuklearen Reaktors.

Die Fusionsreaktion leichter Kerne, deren Zweck es ist, nützliche Energie zu erhalten, wird als kontrollierte thermonukleare Fusion bezeichnet. Es wird bei Temperaturen in der Größenordnung von Hunderten von Millionen Kelvin durchgeführt. Dieses Verfahren wurde bisher nur in Laboren implementiert.

Zeit- und Temperaturbedingungen.

Die Gewinnung nützlicher thermonuklearer Energie ist nur möglich, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss das zur Synthese vorgesehene Gemisch auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die kinetische Energie der Kerne eine hohe Wahrscheinlichkeit für deren Verschmelzung beim Zusammenstoß gewährleistet. Zweitens muss das Reaktionsgemisch sehr gut thermisch isoliert sein (d. h. die hohe Temperatur muss lange genug aufrechterhalten werden, damit die erforderliche Anzahl von Reaktionen stattfinden kann und die dadurch freigesetzte Energie die zum Erhitzen des Brennstoffs aufgewendete Energie übersteigt).

In quantitativer Form wird diese Bedingung wie folgt ausgedrückt. Um ein thermonukleares Gemisch zu erhitzen, muss einem Kubikzentimeter seines Volumens Energie zugeführt werden P 1 = knt, wo k- numerischer Koeffizient, n- die Dichte der Mischung (die Anzahl der Kerne in 1 cm 3), T- erforderliche Temperatur. Um die Reaktion aufrechtzuerhalten, muss die dem thermonuklearen Gemisch verliehene Energie für eine Zeit t erhalten bleiben. Damit ein Reaktor energetisch rentabel ist, muss in dieser Zeit mehr thermonukleare Energie in ihm freigesetzt werden als zum Heizen aufgewendet wurde. Die freigesetzte Energie (ebenfalls pro 1 cm 3) wird wie folgt ausgedrückt:

wo f(T) ist ein von der Temperatur der Mischung und ihrer Zusammensetzung abhängiger Koeffizient, R ist die Energie, die in einem elementaren Akt der Synthese freigesetzt wird. Dann die Bedingung der Energierentabilität P 2 > P 1 nimmt das Formular an

Die letzte Ungleichung, bekannt als Lawson-Kriterium, ist ein quantitativer Ausdruck der Anforderungen an die Perfektion der Wärmedämmung. Die rechte Seite – „Lawsonsche Zahl“ – hängt nur von der Temperatur und Zusammensetzung der Mischung ab, und je größer sie ist, desto strenger sind die Anforderungen an die Wärmedämmung, d.h. desto schwieriger ist es, einen Reaktor zu erstellen. Im Bereich akzeptabler Temperaturen beträgt die Lawson-Zahl für reines Deuterium 10 16 s/cm 3 und für eine gleichteilige DT-Mischung 2 x 10 14 s/cm 3 . Daher ist das DT-Gemisch der bevorzugte Fusionsbrennstoff.

Gemäß dem Lawson-Kriterium, das den energetisch günstigen Wert des Produktes aus Dichte und Einschlusszeit bestimmt, sollte in einem thermonuklearen Reaktor ein möglichst großer verwendet werden. n oder t. Daher divergierten Studien zu CTS in zwei unterschiedliche Richtungen: In der ersten versuchten die Forscher, ein relativ verdünntes Plasma mit Hilfe eines Magnetfelds ausreichend lange zu halten; im zweiten mit Hilfe von Lasern für kurze Zeit ein Plasma mit sehr hoher Dichte zu erzeugen. Dem ersten Ansatz wurde viel mehr Arbeit gewidmet als dem zweiten.

Magnetischer Einschluss von Plasma.

Während der Fusionsreaktion muss die Dichte des heißen Reaktionspartners auf einem Niveau bleiben, das bei einem Druck, dem die Plasmakammer standhalten kann, eine ausreichend hohe Ausbeute an nutzbarer Energie pro Volumeneinheit liefert. Beispielsweise wird für eine Mischung aus Deuterium - Tritium bei einer Temperatur von 10 8 K die Ausbeute durch den Ausdruck bestimmt

Wenn akzeptieren P gleich 100 W/cm 3 (was ungefähr der von Brennelementen in Kernspaltungsreaktoren freigesetzten Energie entspricht), dann die Dichte n sollte ca. 10 15 Kerne / cm 3 und dem entsprechenden Druck NT- etwa 3 MPa. Die Haltezeit sollte dabei nach dem Lawson-Kriterium mindestens 0,1 s betragen. Für Deuterium-Deuterium-Plasma bei einer Temperatur von 10 9 K

In diesem Fall wann P\u003d 100 W / cm 3, n» 3 x 10 15 Kerne/cm 3 und einem Druck von ca. 100 MPa beträgt die erforderliche Haltezeit mehr als 1 s. Beachten Sie, dass diese Dichten nur 0,0001 atmosphärischer Luft entsprechen, sodass die Reaktorkammer auf ein Hochvakuum evakuiert werden muss.

Die obigen Abschätzungen von Retentionszeit, Temperatur und Dichte sind typische Mindestparameter, die für den Betrieb eines Fusionsreaktors erforderlich sind, und lassen sich im Fall einer Deuterium-Tritium-Mischung leichter erreichen. Bei thermonuklearen Reaktionen, die während der Explosion einer Wasserstoffbombe und im Inneren von Sternen auftreten, ist zu beachten, dass sie aufgrund völlig unterschiedlicher Bedingungen im ersten Fall sehr schnell und im zweiten extrem langsam ablaufen im Vergleich zu den Prozessen in einem thermonuklearen Reaktor.

Plasma.

Wenn ein Gas stark erhitzt wird, verlieren seine Atome teilweise oder vollständig Elektronen, was zur Bildung von positiv geladenen Teilchen, den sogenannten Ionen, und freien Elektronen führt. Bei Temperaturen über einer Million Grad ist ein aus leichten Elementen bestehendes Gas vollständig ionisiert, d.h. Jedes Atom verliert alle seine Elektronen. Ein Gas in ionisiertem Zustand wird als Plasma bezeichnet (der Begriff wurde von I. Langmuir eingeführt). Die Eigenschaften eines Plasmas unterscheiden sich deutlich von denen eines neutralen Gases. Da im Plasma freie Elektronen vorhanden sind, leitet das Plasma den elektrischen Strom sehr gut und seine Leitfähigkeit ist proportional zu T 3/2. Plasma kann erhitzt werden, indem ein elektrischer Strom durch es geleitet wird. Die Leitfähigkeit eines Wasserstoffplasmas bei 10 8 K entspricht der von Kupfer bei Raumtemperatur. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Plasmas ist sehr hoch.

Um das Plasma beispielsweise auf einer Temperatur von 10 8 K zu halten, muss es zuverlässig thermisch isoliert werden. Im Prinzip kann das Plasma von den Wänden der Kammer isoliert werden, indem es in ein starkes Magnetfeld gebracht wird. Dafür sorgen die Kräfte, die bei der Wechselwirkung von Strömen mit einem Magnetfeld im Plasma entstehen.

Unter der Wirkung eines Magnetfeldes bewegen sich Ionen und Elektronen in Spiralen entlang seiner Kraftlinien. Der Übergang von einer Kraftlinie zur anderen ist möglich, wenn Teilchen kollidieren und wenn ein elektrisches Querfeld angelegt wird. In Abwesenheit elektrischer Felder diffundiert hochtemperaturverdünntes Plasma, in dem es selten zu Kollisionen kommt, nur langsam über magnetische Feldlinien. Wenn die Kraftlinien des Magnetfelds geschlossen sind und ihnen die Form einer Schleife geben, bewegen sich die Plasmateilchen entlang dieser Linien und werden im Bereich der Schleife festgehalten. Neben einer solchen geschlossenen magnetischen Konfiguration zum Einschließen des Plasmas wurden auch offene Systeme (mit Feldlinien, die aus den Enden der Kammer nach außen treten) vorgeschlagen, bei denen Partikel aufgrund magnetischer „Pfropfen“, die einengen, in der Kammer verbleiben die Bewegung von Teilchen. Magnetische Spiegel werden an den Enden der Kammer erzeugt, wo durch eine allmähliche Erhöhung der Feldstärke ein sich verengender Strahl von Feldlinien gebildet wird.

In der Praxis erwies sich der magnetische Einschluss eines Plasmas mit ausreichend hoher Dichte als alles andere als einfach: In ihm treten häufig magnetohydrodynamische und kinetische Instabilitäten auf.

Magnetohydrodynamische Instabilitäten sind mit Biegungen und Brüchen in magnetischen Feldlinien verbunden. In diesem Fall kann das Plasma beginnen, sich in Bündeln durch das Magnetfeld zu bewegen, die Sicherheitszone in wenigen Millionstel Sekunden zu verlassen und Wärme an die Kammerwände abzugeben. Solche Instabilitäten können unterdrückt werden, indem dem Magnetfeld eine bestimmte Konfiguration gegeben wird.

Kinetische Instabilitäten sind sehr vielfältig und wurden weniger detailliert untersucht. Darunter sind solche, die geordnete Abläufe stören, etwa das Fließen eines konstanten elektrischen Stroms oder einen Teilchenstrom durch ein Plasma. Andere kinetische Instabilitäten verursachen eine höhere Plasma-Querdiffusionsrate in einem Magnetfeld als die von der Kollisionstheorie für ein ruhiges Plasma vorhergesagte.

Systeme mit einer geschlossenen magnetischen Konfiguration.

Wenn ein starkes elektrisches Feld an ein ionisiertes leitendes Gas angelegt wird, erscheint darin ein Entladungsstrom, gleichzeitig mit dem es umgebenden Magnetfeld erscheint. Die Wechselwirkung des Magnetfelds mit dem Strom führt zum Auftreten von Druckkräften, die auf die geladenen Teilchen des Gases wirken. Wenn der Strom entlang der Achse des leitenden Plasmafadens fließt, dann drücken die resultierenden radialen Kräfte wie Gummibänder den Faden zusammen und bewegen die Plasmagrenze von den Wänden der ihn enthaltenden Kammer weg. Dieses Phänomen, das 1934 von W. Bennett theoretisch vorhergesagt und 1951 von A. Ware erstmals experimentell demonstriert wurde, wird Pinch-Effekt genannt. Die Pinch-Methode wird beim Plasmaeinschluss angewendet; seine bemerkenswerte Eigenschaft ist, dass das Gas durch den elektrischen Strom selbst auf hohe Temperaturen erhitzt wird (ohmsche Erwärmung). Die grundlegende Einfachheit der Methode führte zu ihrer Verwendung bei den allerersten Versuchen, ein heißes Plasma einzudämmen, und die Untersuchung eines einfachen Pinch-Effekts, obwohl er später durch fortschrittlichere Methoden ersetzt wurde, ermöglichte ein besseres Verständnis des Probleme, mit denen Experimentatoren heute konfrontiert sind.

Neben der Plasmadiffusion in radialer Richtung gibt es noch eine Längsdrift und deren Austritt durch die Enden der Plasmasäule. Verluste durch die Enden können eliminiert werden, wenn die Kammer mit Plasma wie ein Donut (Torus) geformt ist. In diesem Fall wird eine ringförmige Quetschung erhalten.

Für den oben beschriebenen einfachen Pinch sind die ihm innewohnenden magnetohydrodynamischen Instabilitäten ein ernsthaftes Problem. Tritt in der Nähe der Plasmasäule eine kleine Krümmung auf, erhöht sich die Dichte der magnetischen Feldlinien auf der Innenseite der Krümmung (Abb. 1). Die magnetischen Kraftlinien, die sich wie Stränge verhalten, die einer Kompression widerstehen, werden schnell beginnen, sich zu "wölben", so dass die Krümmung zunimmt, bis die gesamte Struktur des Plasmafadens zerstört ist. Dadurch kommt das Plasma mit den Wänden der Kammer in Kontakt und kühlt ab. Um dieses fatale Phänomen auszuschließen, wird vor dem Durchgang des Hauptachsenstroms in der Kammer ein Längsmagnetfeld erzeugt, das zusammen mit dem später angelegten Kreisfeld die beginnende Biegung der Plasmasäule „begradigt“ (Abb. 2 ). Das Prinzip der Stabilisierung einer Plasmasäule durch ein axiales Feld ist die Grundlage für zwei vielversprechende Projekte thermonuklearer Reaktoren - einen Tokamak und eine Prise mit umgekehrtem Magnetfeld.

Offene magnetische Konfigurationen.

Trägheitshalt.

Theoretische Berechnungen zeigen, dass Kernfusion ohne Magnetfallen möglich ist. Dazu wird ein speziell präpariertes Target (eine Deuteriumkugel mit einem Radius von etwa 1 mm) schnell auf eine so hohe Dichte komprimiert, dass die thermonukleare Reaktion Zeit zum Abschluss hat, bevor das Brennstofftarget verdampft. Die Kompression und Erwärmung auf thermonukleare Temperaturen kann durch superstarke Laserpulse erfolgen, die den Brennstoffball gleichmäßig und gleichzeitig von allen Seiten bestrahlen (Abb. 4). Durch die sofortige Verdampfung seiner Oberflächenschichten erreichen die ausgestoßenen Partikel sehr hohe Geschwindigkeiten, und die Kugel steht unter der Wirkung großer Druckkräfte. Sie ähneln den Reaktionskräften, die eine Rakete antreiben, mit dem einzigen Unterschied, dass diese Kräfte hier nach innen gerichtet sind, auf das Zentrum des Ziels. Dieses Verfahren kann Drücke in der Größenordnung von 10 11 MPa und Dichten erzeugen, die 10.000-mal höher sind als die Dichte von Wasser. Bei dieser Dichte wird fast die gesamte thermonukleare Energie in Form einer kleinen Explosion in ~10–12 s freigesetzt. Auftretende Mikroexplosionen, von denen jede 1–2 kg TNT entspricht, werden den Reaktor nicht beschädigen, und die Implementierung einer Folge solcher Mikroexplosionen in kurzen Intervallen würde es ermöglichen, eine nahezu kontinuierliche Produktion nützlicher Energie zu realisieren. Für die Trägheitseindämmung ist die Anordnung eines Brennstoffziels sehr wichtig. Ein Target in Form von konzentrischen Kugeln aus schweren und leichten Materialien wird es ermöglichen, die effizienteste Verdampfung von Partikeln und folglich die größte Kompression zu erreichen.

Berechnungen zeigen, dass bei einer Laserstrahlungsenergie in der Größenordnung von einem Megajoule (10 6 J) und einem Laserwirkungsgrad von mindestens 10 % die erzeugte thermonukleare Energie die zum Pumpen des Lasers aufgewendete Energie übersteigen muss. Thermonukleare Laseranlagen sind in Forschungslabors in Russland, den USA, Westeuropa und Japan verfügbar. Derzeit wird die Möglichkeit untersucht, anstelle eines Laserstrahls einen Schwerionenstrahl oder eine Kombination eines solchen Strahls mit einem Lichtstrahl zu verwenden. Dank moderner Technologie hat diese Methode zur Einleitung einer Reaktion einen Vorteil gegenüber dem Laser, da Sie mehr nützliche Energie erhalten. Der Nachteil ist die Schwierigkeit, den Strahl auf das Ziel zu fokussieren.

INSTALLATIONEN MIT MAGNETISCHER HALTUNG

Magnetische Plasmaeinschlussverfahren werden in Russland, den USA, Japan und einer Reihe europäischer Länder untersucht. Das Hauptaugenmerk gilt toroidalen Geräten wie dem Tokamak und dem Pinch mit umgekehrtem Magnetfeld, die als Ergebnis der Entwicklung einfacherer Pinches mit einem stabilisierenden Längsmagnetfeld entstanden sind.

Zum Einschluss von Plasma mit einem toroidalen Magnetfeld Bj Es ist notwendig, Bedingungen zu schaffen, unter denen das Plasma nicht zu den Wänden des Torus verschoben wird. Dies wird durch „Verdrillen“ der magnetischen Feldlinien (sog. „Rotationstransformation“) erreicht. Dieses Verdrehen erfolgt auf zwei Arten. Bei der ersten Methode wird ein Strom durch das Plasma geleitet, der zur Ausbildung des bereits betrachteten stabilen Pinches führt. Magnetfeldstrom B qJ- B q zusammen mit B j erzeugt ein Gesamtfeld mit der nötigen Drehung. Wenn ein B j B q , erhalten wir eine Konfiguration, die als Tokamak bekannt ist (eine Abkürzung des Ausdrucks „TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS“). Der Tokamak (Abb. 5) wurde unter der Leitung von L.A. Artsimovich am nach V.I. benannten Institut für Atomenergie entwickelt. I. W. Kurtschatow in Moskau. Beim B j ~ B q Die Pinch-Konfiguration mit umgekehrtem Magnetfeld wird erhalten.

Bei der zweiten Methode werden spezielle spiralförmige Wicklungen um die ringförmige Plasmakammer verwendet, um das Gleichgewicht des eingeschlossenen Plasmas sicherzustellen. Die Ströme in diesen Wicklungen erzeugen ein komplexes Magnetfeld, das zu einer Verdrillung der Kraftlinien des Gesamtfeldes innerhalb des Torus führt. Eine solche Installation namens Stellarator wurde an der Princeton University (USA) von L. Spitzer und seinen Mitarbeitern entwickelt.

Tokamak.

Ein wichtiger Parameter, von dem der Einschluss eines toroidalen Plasmas abhängt, ist der „Stabilitätsspielraum“. q, gleicht rB j / R.B. q, wo r und R sind die kleinen bzw. großen Radien des toroidalen Plasmas. Bei einem kleinen q es kann sich eine spiralförmige Instabilität entwickeln, die der Instabilität der Biegung einer geraden Quetschung entspricht. Wissenschaftler in Moskau haben experimentell gezeigt, wann q> 1 (also B j B q) die Möglichkeit einer helikalen Instabilität ist stark reduziert. Dadurch ist es möglich, die durch den Strom freigesetzte Wärme effektiv zum Aufheizen des Plasmas zu nutzen. Als Ergebnis langjähriger Forschung haben sich die Eigenschaften von Tokamaks deutlich verbessert, insbesondere durch Erhöhung der Feldhomogenität und effiziente Reinigung der Vakuumkammer.

Die in Russland erzielten ermutigenden Ergebnisse regten die Schaffung von Tokamaks in vielen Labors auf der ganzen Welt an, und ihre Konfiguration wurde Gegenstand intensiver Forschung.

Die ohmsche Erwärmung des Plasmas im Tokamak reicht nicht aus, um die thermonukleare Fusionsreaktion durchzuführen. Dies liegt daran, dass beim Erhitzen des Plasmas sein elektrischer Widerstand stark abnimmt und dadurch die Wärmefreisetzung beim Stromdurchgang stark abnimmt. Es ist unmöglich, den Strom im Tokamak über eine bestimmte Grenze hinaus zu erhöhen, da die Plasmasäule an Stabilität verlieren und auf die Kammerwände übertragen werden kann. Daher werden verschiedene zusätzliche Verfahren verwendet, um das Plasma zu erhitzen. Die effektivsten davon sind die Injektion von Strahlen hochenergetischer neutraler Atome und Mikrowellenbestrahlung. Im ersten Fall werden auf Energien von 50–200 keV beschleunigte Ionen neutralisiert (um ihre „Rückstrahlung“ durch das Magnetfeld beim Einbringen in die Kammer zu vermeiden) und in das Plasma injiziert. Hier werden sie wieder ionisiert und geben bei Kollisionen ihre Energie an das Plasma ab. Im zweiten Fall wird Mikrowellenstrahlung verwendet, deren Frequenz gleich der Ionenzyklotronfrequenz (der Rotationsfrequenz von Ionen in einem Magnetfeld) ist. Bei dieser Frequenz verhält sich das dichte Plasma wie ein absolut schwarzer Körper, d.h. absorbiert die einfallende Energie vollständig. Auf dem JET-Tokamak der Länder der Europäischen Union wurde durch Injektion neutraler Teilchen ein Plasma mit einer Ionentemperatur von 280 Millionen Kelvin und einer Einschlusszeit von 0,85 s erhalten. Mit Deuterium-Tritium-Plasma wurde eine thermonukleare Leistung von bis zu 2 MW erzielt. Die Dauer der Reaktion wird durch das Auftreten von Verunreinigungen durch das Sputtern der Kammerwände begrenzt: Verunreinigungen dringen in das Plasma ein und erhöhen durch Ionisierung die Energieverluste durch Strahlung erheblich. Derzeit konzentriert sich die Arbeit am JET-Programm auf die Erforschung der Möglichkeit der Kontrolle von Verunreinigungen und ihrer Entfernung, der sogenannten. "magnetischer Umsteller".

Große Tokamaks wurden auch in den USA hergestellt - TFTR, in Russland - T15 und in Japan - JT60. Die Forschung an diesen und anderen Anlagen legte den Grundstein für den nächsten Arbeitsschritt auf dem Gebiet der kontrollierten thermonuklearen Fusion: 2010 soll ein Großreaktor für technische Tests in Betrieb genommen werden. Es wird davon ausgegangen, dass dies eine gemeinsame Arbeit der Vereinigten Staaten, Russlands, der Länder der Europäischen Union und Japans sein wird. siehe auch TOKAMAK.

Reversed Field Pinch (FOP).

Die POP-Konfiguration unterscheidet sich vom Tokamak dadurch, dass sie vorhanden ist B q~ B j , aber die Richtung des toroidalen Feldes außerhalb des Plasmas ist seiner Richtung innerhalb der Plasmasäule entgegengesetzt. J.Taylor zeigte, dass sich ein solches System in einem Zustand mit minimaler Energie befindet und trotz q

Der Vorteil der POF-Konfiguration besteht darin, dass das Verhältnis der volumetrischen Energiedichten des Plasmas und des Magnetfelds (Wert b) darin größer ist als im Tokamak. Es ist grundsätzlich wichtig, dass b so groß wie möglich ist, da dies das toroidale Feld und folglich die Kosten der es erzeugenden Spulen und der gesamten tragenden Struktur reduziert. Die schwache Seite von POP ist, dass die Wärmedämmung dieser Systeme schlechter ist als die von Tokamaks und das Problem der Aufrechterhaltung eines umgekehrten Felds nicht gelöst wurde.

Stellarator.

In einem Stellarator wird ein geschlossenes toroidförmiges Magnetfeld von einem Feld überlagert, das durch eine spezielle spiralförmige Wicklung erzeugt wird, die um das Kameragehäuse gewickelt ist. Das Gesamtmagnetfeld verhindert, dass das Plasma vom Zentrum wegdriftet, und unterdrückt bestimmte Arten von magnetohydrodynamischen Instabilitäten. Das Plasma selbst kann mit jeder der in einem Tokamak verwendeten Methoden erzeugt und erhitzt werden.

Der Hauptvorteil des Stellarators besteht darin, dass die darin verwendete Einschlussmethode nicht mit dem Vorhandensein von Strom im Plasma zusammenhängt (wie in Tokamaks oder in Geräten, die auf dem Pinch-Effekt basieren), und der Stellarator daher in einem stationären Modus arbeiten kann . Außerdem kann die Schraubenwicklung eine "Divertor"-Wirkung haben, d.h. das Plasma von Verunreinigungen reinigen und Reaktionsprodukte entfernen.

Der Plasmaeinschluss in Stellaratoren wird umfassend in Einrichtungen in der Europäischen Union, Russland, Japan und den Vereinigten Staaten untersucht. Am Stellarator „Wendelstein VII“ in Deutschland gelang es, ein nicht stromdurchflossenes Plasma mit einer Temperatur von mehr als 5x10 6 Kelvin aufrechtzuerhalten und durch Einschießen eines hochenergetischen Atomstrahls zu erhitzen.

Jüngste theoretische und experimentelle Studien haben gezeigt, dass in den meisten der beschriebenen Installationen und insbesondere in geschlossenen toroidalen Systemen die Plasmaeinschlusszeit verlängert werden kann, indem man seine radialen Abmessungen vergrößert und das magnetische Feld einschließt. Beispielsweise wird für einen Tokamak berechnet, dass das Lawson-Kriterium bei einer Magnetfeldstärke von ~ 50 ± 100 kG und einem kleinen Radius der Toruskammer von ca. 2 m. Dies sind die Installationsparameter für 1000 MW Strom.

Bei der Erstellung solch großer Anlagen mit magnetischem Plasmaeinschluss ergeben sich völlig neue technologische Probleme. Um mit wassergekühlten Kupferspulen ein Magnetfeld in der Größenordnung von 50 kG in einem Volumen von mehreren Kubikmetern zu erzeugen, wird eine Stromquelle mit einer Leistung von mehreren hundert Megawatt benötigt. Daher ist es offensichtlich, dass die Wicklungen der Spulen aus supraleitenden Materialien bestehen müssen, wie Legierungen von Niob mit Titan oder mit Zinn. Der Widerstand dieser Materialien gegenüber elektrischem Strom im supraleitenden Zustand ist Null, und daher wird die minimale Menge an Elektrizität für die Aufrechterhaltung des Magnetfelds aufgewendet.

Reaktortechnik.

Perspektiven für die thermonukleare Forschung.

Experimente an Anlagen vom Typ Tokamak haben gezeigt, dass dieses System als mögliche Basis für den UTS-Reaktor sehr vielversprechend ist. Die bisher besten Ergebnisse wurden auf Tokamaks erzielt, und es besteht die Hoffnung, dass bei entsprechender Vergrößerung der Anlagen eine industriell kontrollierte Fusion auf ihnen durchgeführt werden kann. Allerdings ist der Tokamak nicht wirtschaftlich genug. Um diesen Mangel zu beseitigen, ist es erforderlich, dass er nicht wie bisher gepulst, sondern kontinuierlich arbeitet. Die physikalischen Aspekte dieses Problems sind jedoch noch wenig verstanden. Es ist auch notwendig, technische Mittel zu entwickeln, die die Parameter des Plasmas verbessern und seine Instabilitäten beseitigen würden. In Anbetracht all dessen sollte man andere mögliche, wenn auch weniger entwickelte Optionen für einen thermonuklearen Reaktor nicht vergessen, beispielsweise einen Stellarator oder einen Pinch mit umgekehrtem Feld. Der Stand der Forschung auf diesem Gebiet hat das Stadium erreicht, in dem es konzeptionelle Reaktorentwürfe für die meisten Hochtemperaturplasma-Magneteinschlusssysteme und für einige Trägheitseinschlusssysteme gibt. Ein Beispiel für die industrielle Entwicklung eines Tokamaks ist das Projekt Aries (USA).

Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory haben die Idee des langlebigsten Kernfusionsgeräts vorgeschlagen, das mehr als 60 Jahre lang betrieben werden kann. Im Moment ist dies eine entmutigende Aufgabe: Wissenschaftler kämpfen darum, einen Fusionsreaktor für einige Minuten zum Laufen zu bringen – und dann für Jahre. Trotz der Komplexität ist der Bau eines Fusionsreaktors eine der vielversprechendsten Aufgaben der Wissenschaft, die großen Nutzen bringen kann. Wir sagen Ihnen, was Sie über Kernfusion wissen müssen.

1. Was ist Kernfusion?

Haben Sie keine Angst vor diesem umständlichen Satz, eigentlich ist alles ganz einfach. Thermonukleare Fusion ist eine Art Kernreaktion.

Bei einer Kernreaktion wechselwirkt der Kern eines Atoms entweder mit einem Elementarteilchen oder mit dem Kern eines anderen Atoms, wodurch sich Zusammensetzung und Struktur des Kerns ändern. Ein schwerer Atomkern kann in zwei oder drei leichtere zerfallen – das ist eine Spaltungsreaktion. Es gibt auch eine Fusionsreaktion: Dabei verschmelzen zwei leichte Atomkerne zu einem schweren.

Im Gegensatz zur Kernspaltung, die sowohl spontan als auch forciert ablaufen kann, ist die Kernfusion ohne Zufuhr von externer Energie nicht möglich. Wie Sie wissen, ziehen sich Gegensätze an, aber Atomkerne sind positiv geladen – sie stoßen sich also ab. Diese Situation wird als Coulomb-Barriere bezeichnet. Um die Abstoßung zu überwinden, ist es notwendig, diese Partikel mit verrückten Geschwindigkeiten zu zerstreuen. Dies kann bei sehr hohen Temperaturen in der Größenordnung von mehreren Millionen Kelvin erfolgen. Es sind diese Reaktionen, die als thermonuklear bezeichnet werden.

2. Warum brauchen wir Kernfusion?

Bei nuklearen und thermonuklearen Reaktionen wird eine riesige Menge an Energie freigesetzt, die für verschiedene Zwecke verwendet werden kann - Sie können die mächtigste Waffe herstellen oder Kernenergie in Strom umwandeln und die ganze Welt damit versorgen. In Kernkraftwerken wird seit langem nukleare Zerfallsenergie genutzt. Aber thermonukleare Energie sieht vielversprechender aus. Bei einer thermonuklearen Reaktion wird für jedes Nukleon (die sogenannten konstituierenden Kerne, Protonen und Neutronen) viel mehr Energie freigesetzt als bei einer Kernreaktion. Wann zum Beispiel Die Spaltung eines Urankerns pro Nukleon macht 0,9 MeV (Megaelektronenvolt) aus, und wannBei der Synthese eines Heliumkerns wird aus Wasserstoffkernen eine Energie von 6 MeV freigesetzt. Daher lernen Wissenschaftler, thermonukleare Reaktionen durchzuführen.

Die Fusionsforschung und der Bau von Reaktoren ermöglichen den Ausbau der Hightech-Produktion, was in anderen Bereichen der Wissenschaft und Hightech nützlich ist.

3. Was sind thermonukleare Reaktionen?

Thermonukleare Reaktionen werden in selbsterhaltende, unkontrollierte (in Wasserstoffbomben verwendete) und kontrollierte (für friedliche Zwecke geeignete) Reaktionen unterteilt.

Im Inneren von Sternen finden selbsterhaltende Reaktionen statt. Allerdings gibt es auf der Erde keine Bedingungen für solche Reaktionen.

Seit langem betreiben Menschen unkontrollierte oder explosive thermonukleare Fusionen. 1952 zündeten die Amerikaner während der Operation Evie Mike den weltweit ersten thermonuklearen Sprengsatz, der als Waffe keinen praktischen Wert hatte. Und im Oktober 1961 wurde die von sowjetischen Wissenschaftlern unter der Leitung von Igor Kurchatov entwickelte erste thermonukleare (Wasserstoff-) Bombe der Welt (Tsar Bomba, Kuz'kina Mother) getestet. Es war der stärkste Sprengsatz in der Geschichte der Menschheit: Die Gesamtenergie der Explosion lag laut verschiedenen Quellen zwischen 57 und 58,6 Megatonnen TNT. Um eine Wasserstoffbombe zu zünden, muss bei einer konventionellen Atomexplosion zunächst eine hohe Temperatur erreicht werden – erst dann beginnen die Atomkerne zu reagieren.

Die Wucht der Explosion bei einer unkontrollierten Kernreaktion ist sehr hoch, zudem ist der Anteil der radioaktiven Kontamination hoch. Um thermonukleare Energie für friedliche Zwecke zu nutzen, ist es daher notwendig zu lernen, wie man damit umgeht.

4. Was wird für eine kontrollierte thermonukleare Reaktion benötigt?

Halt das Plasma!

Unverständlich? Lassen Sie uns jetzt erklären.

Erstens Atomkerne. Die Kernenergie verwendet Isotope - Atome, die sich in der Anzahl der Neutronen und dementsprechend in der Atommasse voneinander unterscheiden. Das Wasserstoffisotop Deuterium (D) wird aus Wasser extrahiert. Superschwerer Wasserstoff oder Tritium (T) ist ein radioaktives Wasserstoffisotop, das ein Nebenprodukt von Zerfallsreaktionen ist, die in herkömmlichen Kernreaktoren durchgeführt werden. Auch bei thermonuklearen Reaktionen wird ein leichtes Wasserstoffisotop, Protium, verwendet: Dies ist das einzige stabile Element, das keine Neutronen im Kern hat. Helium-3 ist auf der Erde in vernachlässigbaren Mengen enthalten, aber im Mondboden (Regolith) sehr reichlich vorhanden: In den 80er Jahren entwickelte die NASA einen Plan für hypothetische Anlagen zur Verarbeitung von Regolith und zur Isotopenextraktion. Andererseits ist ein weiteres Isotop, Bor-11, auf unserem Planeten weit verbreitet. 80 % des Bors auf der Erde ist ein für Nuklearwissenschaftler notwendiges Isotop.

Zweitens ist die Temperatur sehr hoch. Die an einer thermonuklearen Reaktion beteiligte Substanz sollte ein fast vollständig ionisiertes Plasma sein - es ist ein Gas, in dem freie Elektronen und Ionen unterschiedlicher Ladung getrennt schweben. Um aus einem Stoff ein Plasma zu machen, ist eine Temperatur von 10 7 -10 8 K erforderlich - das sind Hunderte von Millionen Grad Celsius! Solche ultrahohen Temperaturen können durch die Erzeugung von elektrischen Hochleistungsentladungen im Plasma erreicht werden.

Es ist jedoch unmöglich, die notwendigen chemischen Elemente einfach zu erhitzen. Jeder Reaktor wird bei diesen Temperaturen sofort verdampfen. Hier ist eine ganz andere Herangehensweise gefragt. Bisher ist es möglich, das Plasma mit Hilfe von starken Elektromagneten in einem begrenzten Bereich zu halten. Doch die durch eine thermonukleare Reaktion gewonnene Energie konnte noch nicht vollständig genutzt werden: Auch unter dem Einfluss eines Magnetfeldes breitet sich das Plasma im Weltraum aus.

5. Welche Reaktionen sind am vielversprechendsten?

Die wichtigsten Kernreaktionen, die für die kontrollierte thermonukleare Fusion geplant sind, werden Deuterium (2H) und Tritium (3H) und in fernerer Zukunft Helium-3 (3He) und Bor-11 (11B) verwenden.

Hier sind die interessantesten Reaktionen.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - Deuterium-Tritium-Reaktion.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50 %

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50 % ist der sogenannte Deuterium-Monotreibstoff.

Die Reaktionen 1 und 2 sind mit radioaktiver Kontamination durch Neutronen behaftet. Daher sind "neutronenlose" Reaktionen am vielversprechendsten.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - Deuterium reagiert mit Helium-3. Das Problem ist, dass Helium-3 extrem selten ist. Die neutronenfreie Ausbeute macht diese Reaktion jedoch vielversprechend.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - Bor-11 reagiert mit Protium, was zu Alpha-Partikeln führt, die von Aluminiumfolie absorbiert werden können.

6. Wo kann man eine solche Reaktion durchführen?

Der natürliche Fusionsreaktor ist der Star. Darin wird das Plasma unter dem Einfluss der Schwerkraft gehalten und die Strahlung absorbiert – der Kern kühlt also nicht ab.

Auf der Erde können thermonukleare Reaktionen nur in speziellen Anlagen durchgeführt werden.

Impulssysteme. In solchen Systemen werden Deuterium und Tritium mit Ultrahochleistungs-Laserstrahlen oder Elektronen-/Ionenstrahlen bestrahlt. Eine solche Bestrahlung verursacht eine Folge von thermonuklearen Mikroexplosionen. Der großtechnische Einsatz solcher Systeme ist jedoch unrentabel: Für die Beschleunigung von Atomen wird viel mehr Energie aufgewendet, als bei der Fusion gewonnen wird, da nicht alle beschleunigten Atome eine Reaktion eingehen. Daher bauen viele Länder quasi-stationäre Systeme.

Quasistationäre Systeme. In solchen Reaktoren wird das Plasma durch ein Magnetfeld auf niedrigem Druck und hoher Temperatur gehalten. Es gibt drei Arten von Reaktoren, die auf unterschiedlichen Magnetfeldkonfigurationen basieren. Dies sind Tokamaks, Stellaratoren (Torsatrons) und Spiegelfallen.

tokamak steht für „Toroidkammer mit Magnetspulen“. Dies ist eine Kamera in Form eines "Donuts" (Torus), auf den Spulen gewickelt sind. Das Hauptmerkmal des Tokamaks ist die Verwendung von elektrischem Wechselstrom, der durch das Plasma fließt, es erhitzt und, indem es ein Magnetfeld um sich herum erzeugt, es hält.

BEIM Stellarator (Torsatron) Das Magnetfeld wird vollständig von Magnetspulen eingeschlossen und kann im Gegensatz zu einem Tokamak kontinuierlich betrieben werden.

W Spiegel (offene) Fallen Es wird das Reflexionsprinzip verwendet. Die Kammer ist auf beiden Seiten durch magnetische "Pfropfen" verschlossen, die das Plasma reflektieren und im Reaktor halten.

Lange kämpften Spiegelfallen und Tokamaks um die Vorherrschaft. Anfangs erschien das Konzept einer Falle einfacher und damit billiger. In den frühen 60er Jahren wurden offene Fallen stark finanziert, aber die Instabilität des Plasmas und erfolglose Versuche, es mit einem Magnetfeld einzudämmen, zwangen diese Installationen zu Komplikationen - scheinbar einfache Konstruktionen wurden zu höllischen Maschinen, und es funktionierte nicht, eine zu erreichen stabiles Ergebnis. Daher traten Tokamaks in den 1980er Jahren in den Vordergrund. 1984 wurde der europäische JET-Tokamak gestartet, dessen Kosten nur 180 Millionen Dollar betrugen und dessen Parameter die Durchführung einer thermonuklearen Reaktion ermöglichten. In der UdSSR und in Frankreich wurden supraleitende Tokamaks entwickelt, die fast keine Energie für den Betrieb des Magnetsystems aufwendeten.

7. Wer lernt jetzt, thermonukleare Reaktionen durchzuführen?

Viele Länder bauen ihre eigenen Fusionsreaktoren. Versuchsreaktoren gibt es in Kasachstan, China, den USA und Japan. Das Kurtschatow-Institut arbeitet am IGNITOR-Reaktor. Deutschland startete den Stellarator-Fusionsreaktor Wendelstein 7-X.

Das bekannteste internationale Projekt ist der Tokamak ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) am Forschungszentrum Cadarache (Frankreich). Der Bau sollte 2016 abgeschlossen sein, aber die Höhe der notwendigen finanziellen Unterstützung ist gewachsen, und der Zeitpunkt der Experimente hat sich auf 2025 verschoben. An den Aktivitäten von ITER beteiligen sich die Europäische Union, die USA, China, Indien, Japan, Südkorea und Russland. Den Hauptanteil an der Finanzierung übernimmt die EU (45 %), die restlichen Teilnehmer liefern Hightech-Ausrüstung. Russland produziert insbesondere supraleitende Materialien und Kabel, Radioröhren für die Plasmaheizung (Gyrotrons) und Sicherungen für supraleitende Spulen sowie Komponenten für den komplexesten Teil des Reaktors - die erste Wand, die elektromagnetischen Kräften, Neutronenstrahlung und widerstehen muss Plasmastrahlung.

8. Warum verwenden wir immer noch keine thermonuklearen Reaktoren?

Moderne Tokamak-Anlagen sind keine thermonuklearen Reaktoren, sondern Forschungsanlagen, in denen die Existenz und Erhaltung von Plasma nur zeitweise möglich ist. Tatsache ist, dass die Wissenschaftler noch lange nicht gelernt haben, wie man das Plasma im Reaktor hält.

Eine der größten Errungenschaften auf dem Gebiet der Kernfusion ist derzeit der Erfolg deutscher Wissenschaftler, denen es gelungen ist, Wasserstoffgas auf 80 Millionen Grad Celsius zu erhitzen und eine Viertelsekunde lang eine Wolke aus Wasserstoffplasma aufrechtzuerhalten. Und in China wurde Wasserstoffplasma auf 49,999 Millionen Grad erhitzt und 102 Sekunden lang gehalten. Russischen Wissenschaftlern des (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) gelang es, das Plasma stabil auf zehn Millionen Grad Celsius zu erhitzen. Die Amerikaner haben jedoch kürzlich eine Methode vorgeschlagen, um Plasma für 60 Jahre einzuschließen – und das stimmt optimistisch.

Darüber hinaus gibt es Kontroversen über die Rentabilität der Fusion in der Industrie. Es ist nicht bekannt, ob die Vorteile der Stromerzeugung die Kosten der Fusion ausgleichen werden. Es wird vorgeschlagen, mit Reaktionen zu experimentieren (z. B. die traditionelle Deuterium-Tritium- oder Monotreibstoffreaktion zugunsten anderer Reaktionen aufzugeben), Strukturmaterialien - oder sogar die Idee der industriellen thermonuklearen Fusion aufzugeben und sie nur für einzelne Reaktionen bei der Spaltung zu verwenden Reaktionen. Wissenschaftler experimentieren jedoch weiter.

9. Sind Fusionsreaktoren sicher?

Verhältnismäßig. Tritium, das in thermonuklearen Reaktionen verwendet wird, ist radioaktiv. Außerdem bestrahlen durch Fusion freigesetzte Neuronen die Reaktorstruktur. Die Elemente des Reaktors selbst sind aufgrund der Plasmaeinwirkung mit radioaktivem Staub bedeckt.

Allerdings ist ein Fusionsreaktor strahlungstechnisch viel sicherer als ein Kernreaktor. Im Reaktor befinden sich relativ wenige radioaktive Stoffe. Darüber hinaus geht die Konstruktion des Reaktors selbst davon aus, dass keine "Löcher" vorhanden sind, durch die Strahlung austreten kann. Die Vakuumkammer des Reaktors muss abgedichtet werden, sonst kann der Reaktor einfach nicht funktionieren. Beim Bau von thermonuklearen Reaktoren werden kerntechnisch getestete Materialien verwendet und in den Räumen wird ein Unterdruck aufrechterhalten.

Wann erscheinen Fusionskraftwerke?

Wissenschaftler sagen meistens so etwas wie „in 20 Jahren werden wir alle grundlegenden Probleme lösen“. Nuklearingenieure sprechen von der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts. Politiker sprechen von einem Meer aus sauberer Energie für einen Cent, ohne sich um Datteln zu kümmern.

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Zukunft. Wissenschaftler suchten vor 60-70 Jahren nach Wegen, um billiger Energie zu bekommen. Das Verfahren ist seit langem bekannt, aber es ist bis heute unmöglich, die Energie einer solchen Kraft zu kontrollieren. Wir sprechen von thermonuklearer Fusion. Die kontrollierte thermonukleare Fusion ist die Synthese von schwereren Atomkernen aus leichteren, um riesige Energie zu gewinnen, die im Gegensatz zur explosiven thermonuklearen Fusion (die in Wasserstoffbomben verwendet wird) vollständig kontrolliert ist.

Die kontrollierte thermonukleare Fusion unterscheidet sich von der traditionellen Fusion dadurch, dass letztere eine Zerfallsreaktion verwendet, bei der leichtere Kerne aus schweren Kernen gewonnen werden können. Ein thermonuklearer Reaktor ist in Bezug auf Strahlung viel sicherer als ein Kernreaktor (Kernreaktor). Erstens ist die Menge an radioaktiven Stoffen darin relativ gering, was es fast umweltfreundlich macht.

Auch die Energie, die bei einem Unfall freigesetzt werden kann, ist relativ gering und kann nicht zur Zerstörung des Reaktors führen. Gleichzeitig gibt es bei der Konstruktion des Reaktors mehrere natürliche Hindernisse, die die Ausbreitung radioaktiver Stoffe verhindern. Zum Beispiel müssen die Vakuumkammer und die Hülle des Cthiostaten vollständig abgedichtet sein, sonst kann der Reaktor einfach nicht funktionieren. Bei der Konstruktion wurde jedoch großer Wert auf die Strahlensicherheit sowohl im Normalbetrieb als auch bei möglichen Unfällen gelegt.

Thermonukleare Fusion, die Reaktion von Wasserstoffisotopen, im Gegensatz zu einer Atomreaktion ist eine thermonukleare Reaktion eine Fusionsreaktion, schließlich wird Helium gebildet, und Helium wird unter Freisetzung kolossaler Wärmeenergie gebildet. Thermonukleare Fusion kann nur in einem speziellen Gerät namens Tokamak (einer toroidalen Kammer mit Magnetspulen) erreicht werden, das sowjetische Gegenstück ist das Synchrophasotron. Experimente auf dem Gebiet der thermonuklearen Energie wurden in der Sowjetunion bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts durchgeführt, aber das Problem ist noch nicht vollständig gelöst.

Die enorme thermische Energie ist unkontrollierbar und wird nur in thermonuklearen Waffen verwendet. Das Projekt des weltweit ersten thermonuklearen Reaktors läuft bereits seit 10 Jahren, der Bau begann in Frankreich, und Wissenschaftlern zufolge wird die Welt 2026 die erste kontrollierte thermonukleare Fusion erleben. Wenn es gelingt, die Fusion durchzuführen, werden höchstwahrscheinlich die Preise für elektrische Energie stark sinken, denn für die thermonukleare Fusion wird nur Wasser benötigt ...

Nehmen wir zum Vergleich an, wenn 1 Glas Wasser einer thermonuklearen Fusion unterzogen wird, ist es möglich, eine kleine Stadt 1 Tag lang mit Strom zu versorgen! Das ist die Kraft des Wassers! (genauer Wasserstoff). Aber neben der thermonuklearen Fusion gibt es noch einige andere Arten von alternativen Möglichkeiten zur Stromerzeugung, aber Sie können dies in diesem Bericht herausfinden, danke für Ihre Aufmerksamkeit - A. Kasyan.

Diskutieren Sie den Artikel KONTROLLIERTE Fusion

thermonukleare Fusion, die Reaktion der Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren Kernen, die bei extrem hohen Temperaturen stattfindet und von der Freisetzung riesiger Energiemengen begleitet wird. Die Kernfusion ist die Umkehrreaktion der Atomspaltung: Bei letzterer wird durch die Spaltung schwerer Kerne in leichtere Energie freigesetzt. siehe auch KERNSPALTUNG; ATOMKRAFT.

Nach modernen astrophysikalischen Konzepten ist die Hauptenergiequelle für die Sonne und andere Sterne die thermonukleare Fusion, die in ihren Tiefen stattfindet. Unter irdischen Bedingungen wird es während der Explosion einer Wasserstoffbombe durchgeführt. Die thermonukleare Fusion wird von einer kolossalen Energiefreisetzung pro Masseeinheit der reagierenden Substanzen begleitet (etwa 10 Millionen Mal größer als bei chemischen Reaktionen). Daher ist es von großem Interesse, diesen Prozess zu beherrschen und auf seiner Basis eine günstige und umweltfreundliche Energiequelle zu schaffen. Trotz der Tatsache, dass große wissenschaftliche und technische Teams in vielen entwickelten Ländern an der Erforschung der kontrollierten thermonuklearen Fusion (CTF) beteiligt sind, müssen noch viele komplexe Probleme gelöst werden, bevor die industrielle Produktion thermonuklearer Energie Realität wird.

Moderne Kernkraftwerke nach dem Kernspaltungsverfahren decken den weltweiten Strombedarf nur teilweise. Ihr Brennstoff sind die natürlichen radioaktiven Elemente Uran und Thorium, deren Vorkommen und Vorkommen in der Natur sehr begrenzt sind; daher gibt es für viele Länder ein Importproblem. Der Hauptbestandteil von thermonuklearem Brennstoff ist das Wasserstoffisotop Deuterium, das im Meerwasser vorkommt. Seine Reserven sind öffentlich zugänglich und sehr groß (die Ozeane bedecken ~ 71 % der Erdoberfläche, und Deuterium macht etwa 0,016 % der Gesamtzahl der Wasserstoffatome aus, aus denen Wasser besteht). Zusätzlich zur Verfügbarkeit von Brennstoff haben thermonukleare Energiequellen die folgenden wichtigen Vorteile gegenüber Kernkraftwerken: 1) Der UTS-Reaktor enthält viel weniger radioaktives Material als ein Kernspaltungsreaktor, und daher sind die Folgen einer zufälligen Freisetzung radioaktiver Produkte geringer gefährlich; 2) thermonukleare Reaktionen erzeugen weniger langlebigen radioaktiven Abfall; 3) TCB ermöglicht die direkte Stromerzeugung.

Artsimovich LA Kontrollierte thermonukleare Reaktionen. M., 1963
Thermische und Kernkraftwerke(Buch 1, Abschnitt 6; Buch 3, Abschnitt 8). M., 1989

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