بر اساس مفاهیم اخترفیزیک مدرن، منبع اصلی انرژی خورشید و سایر ستارگان، همجوشی گرما هسته ای است که در اعماق آنها رخ می دهد. در شرایط زمینی، در هنگام انفجار یک بمب هیدروژنی انجام می شود. همجوشی گرما هسته ای با آزاد شدن انرژی عظیم در واحد جرم مواد واکنش دهنده همراه است (حدود 10 میلیون برابر بیشتر از واکنش های شیمیایی). بنابراین، تسلط بر این فرآیند و استفاده از آن برای ایجاد یک منبع انرژی ارزان و سازگار با محیط زیست بسیار جالب است. با این حال، علیرغم این واقعیت که تیم های علمی و فنی بزرگ در بسیاری از کشورهای توسعه یافته در حال تحقیق در مورد همجوشی گرما هسته ای کنترل شده (CTF) هستند، هنوز بسیاری از مشکلات پیچیده قبل از تحقق تولید صنعتی انرژی حرارتی هسته ای باید حل شوند.

نیروگاه های هسته ای مدرن که از فرآیند شکافت استفاده می کنند فقط تا حدی نیازهای برق جهان را برآورده می کنند. سوخت آنها عناصر رادیواکتیو طبیعی اورانیوم و توریم است که فراوانی و ذخایر آنها در طبیعت بسیار محدود است. بنابراین بسیاری از کشورها با مشکل واردات آنها مواجه هستند. جزء اصلی سوخت گرما هسته ای ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم است که در آب دریا یافت می شود. ذخایر آن در دسترس عموم و بسیار زیاد است (اقیانوس های جهان 71 درصد از سطح زمین را پوشش می دهند و دوتریوم حدود 0.016 درصد از کل تعداد اتم های هیدروژن تشکیل دهنده آب را تشکیل می دهد). علاوه بر در دسترس بودن سوخت، منابع انرژی حرارتی دارای مزایای مهم زیر نسبت به نیروگاه های هسته ای هستند: 1) راکتور UTS حاوی مواد رادیواکتیو بسیار کمتری نسبت به راکتور شکافت هسته ای است و بنابراین عواقب انتشار تصادفی محصولات رادیواکتیو کمتر است. خطرناک؛ 2) واکنش های حرارتی ضایعات رادیواکتیو با عمر طولانی کمتری تولید می کنند. 3) TCB اجازه دریافت مستقیم برق را می دهد.

مبانی فیزیکی همجوشی هسته ای

اجرای موفقیت آمیز یک واکنش همجوشی به خواص هسته های اتمی مورد استفاده و توانایی بدست آوردن پلاسمای متراکم با دمای بالا بستگی دارد که برای شروع واکنش ضروری است.

نیروهای هسته ای و واکنش ها

آزاد شدن انرژی در طول همجوشی هسته ای به دلیل نیروهای جذاب بسیار شدیدی است که در داخل هسته عمل می کنند. این نیروها پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده هسته را در کنار هم نگه می دارند. آنها در فواصل ~10-13 سانتی متری بسیار شدید هستند و با افزایش فاصله بسیار سریع ضعیف می شوند. علاوه بر این نیروها، پروتون های دارای بار مثبت، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی ایجاد می کنند. دامنه نیروهای الکترواستاتیکی بسیار بیشتر از نیروهای هسته ای است، بنابراین زمانی که هسته ها از یکدیگر جدا می شوند، شروع به تسلط می کنند.

همانطور که G. Gamow نشان داد، احتمال واکنش بین دو هسته نوری که به آن نزدیک می شوند متناسب است با، که در آن ه – پایه لگاریتم های طبیعی، ز 1 و ز 2- تعداد پروتون ها در هسته های برهم کنش دبلیوانرژی رویکرد نسبی آنها است و ک- ضریب ثابت انرژی مورد نیاز برای انجام یک واکنش به تعداد پروتون های هر هسته بستگی دارد. اگر بیش از سه باشد، این انرژی بسیار زیاد است و واکنش عملا غیرممکن است. بنابراین، با افزایش ز 1 و ز 2 احتمال واکنش کاهش می یابد.

احتمال برهمکنش دو هسته با "مقطع واکنش" مشخص می شود که در انبارها اندازه گیری می شود (1 b = 10-24 cm2). سطح مقطع واکنش، سطح مقطع موثر یک هسته است که هسته دیگری باید در آن بیفتد تا برهمکنش آنها رخ دهد. سطح مقطع برای واکنش دوتریوم با تریتیوم زمانی به حداکثر مقدار خود (~5b) می رسد که ذرات برهم کنش انرژی نزدیک به 200 کو ولت داشته باشند. در انرژی 20 کو، سطح مقطع کمتر از 0.1 b می شود.

از یک میلیون ذره شتاب دار که به هدف برخورد می کند، بیش از یک ذره وارد برهمکنش هسته ای نمی شود. بقیه انرژی خود را روی الکترون‌های اتم‌های هدف تلف می‌کنند و به سرعتی کاهش می‌دهند که در آن واکنش غیرممکن می‌شود. در نتیجه، روش بمباران یک هدف جامد با هسته‌های شتاب‌دار (همانطور که در آزمایش کوکرافت-والتون انجام شد) برای همجوشی کنترل‌شده نامناسب است، زیرا انرژی به‌دست‌آمده در این مورد بسیار کمتر از انرژی مصرف‌شده است.

سوخت های همجوشی

واکنش های مربوط به پکه نقش عمده‌ای در فرآیندهای همجوشی هسته‌ای روی خورشید و سایر ستارگان همگن دارند، در شرایط زمینی مورد توجه عملی نیستند زیرا سطح مقطع بسیار کوچکی دارند. همانطور که در بالا ذکر شد، برای همجوشی حرارتی روی زمین، نوع سوخت مناسب‌تر، دوتریوم است.

اما محتمل ترین واکنش در مخلوط مساوی از دوتریوم و تریتیوم (مخلوط DT) رخ می دهد. متأسفانه تریتیوم رادیواکتیو است و به دلیل نیمه عمر کوتاه آن (T 1/2 ~ 12.3 سال)، عملاً در طبیعت یافت نمی شود. به طور مصنوعی در راکتورهای شکافت و همچنین به عنوان یک محصول جانبی در واکنش با دوتریوم تولید می شود. با این حال، عدم وجود تریتیوم در طبیعت مانعی برای استفاده از واکنش همجوشی DT نیست، زیرا تریتیوم را می توان با تابش ایزوتوپ 6 Li با نوترون های تولید شده در طول سنتز تولید کرد: n+ 6 Li ® 4 He + تی.

اگر محفظه گرما هسته ای را با یک لایه 6 لی (لیتیوم طبیعی حاوی 7٪) احاطه کنید، می توانید تریتیوم مصرفی را به طور کامل بازتولید کنید. و اگرچه در عمل برخی از نوترون‌ها ناگزیر از بین می‌روند، اما از دست دادن آن‌ها به راحتی می‌توان با وارد کردن عنصری مانند بریلیوم به پوسته جبران کرد، هسته‌ای که وقتی یک نوترون سریع به آن برخورد می‌کند، دو ساطع می‌کند.

اصل عملکرد یک راکتور حرارتی

واکنش همجوشی هسته های سبک که هدف آن بدست آوردن انرژی مفید است، همجوشی حرارتی کنترل شده نامیده می شود. در دمای صدها میلیون کلوین انجام می شود. این فرآیند تاکنون فقط در آزمایشگاه ها اجرا شده است.

شرایط زمان و دما.

دستیابی به انرژی مفید گرما هسته ای تنها در صورت تحقق دو شرط امکان پذیر است. ابتدا، مخلوط در نظر گرفته شده برای سنتز باید تا دمایی گرم شود که در آن انرژی جنبشی هسته ها احتمال زیادی برای همجوشی آنها در هنگام برخورد فراهم کند. ثانیاً، مخلوط واکنش دهنده باید به خوبی از نظر حرارتی عایق باشد (یعنی دمای بالا باید به اندازه کافی حفظ شود تا تعداد واکنش های لازم رخ دهد و انرژی آزاد شده در نتیجه از انرژی صرف شده برای گرم کردن سوخت بیشتر شود).

در شکل کمی، این شرایط به صورت زیر بیان می شود. برای گرم کردن یک مخلوط گرما هسته ای باید به یک سانتی متر مکعب از حجم آن انرژی داد پ 1 = knT، جایی که ک– ضریب عددی n- چگالی مخلوط (تعداد هسته در هر 1 سانتی متر مکعب)، تی- دمای مورد نیاز برای حفظ واکنش، انرژی وارد شده به مخلوط گرما هسته ای باید برای مدت زمان t حفظ شود. برای اینکه یک راکتور از نظر انرژی سودآور باشد، لازم است که در این مدت انرژی گرما هسته‌ای بیشتر از مقداری که صرف گرمایش شده است در آن آزاد شود. انرژی آزاد شده (همچنین در هر 1 سانتی متر مکعب) به صورت زیر بیان می شود:

جایی که f(تی) – ضریب بسته به دمای مخلوط و ترکیب آن، آر- انرژی آزاد شده در یک عمل اولیه سنتز. سپس شرط سودآوری انرژی پ 2 > پ 1 شکل خواهد گرفت

آخرین نابرابری که به عنوان معیار لاوسون شناخته می شود، بیان کمی از الزامات عایق حرارتی کامل است. سمت راست - "شماره لاوسون" - فقط به دما و ترکیب مخلوط بستگی دارد و هرچه بالاتر باشد ، الزامات عایق حرارتی سخت تر است ، یعنی. ایجاد یک راکتور دشوارتر است. در منطقه دماهای قابل قبول، عدد لاوسون برای دوتریوم خالص 10 16 s/cm 3 و برای مخلوط DT با اجزای مساوی - 2×10 s/cm 3 است. بنابراین، مخلوط DT سوخت همجوشی ترجیحی است.

مطابق با معیار لاوسون، که مقدار انرژی مطلوب حاصلضرب چگالی و زمان محصور شدن را تعیین می‌کند، یک راکتور گرما هسته‌ای باید تا حد امکان از بزرگی استفاده کند. nیا تی. بنابراین، تحقیقات در مورد همجوشی کنترل‌شده در دو جهت متفاوت بوده است: در جهت اول، محققان سعی کردند پلاسمای نسبتا کمیاب را با استفاده از یک میدان مغناطیسی برای مدت زمان کافی طولانی داشته باشند. در مرحله دوم، استفاده از لیزر برای ایجاد پلاسمایی با چگالی بسیار بالا برای مدت کوتاهی. کار بسیار بیشتری به رویکرد اول نسبت به رویکرد دوم اختصاص یافته است.

محصور شدن پلاسمای مغناطیسی

در طول واکنش سنتز، چگالی معرف داغ باید در سطحی باقی بماند که بازدهی کافی انرژی مفید در واحد حجم را با فشاری که محفظه پلاسما بتواند تحمل کند، فراهم کند. به عنوان مثال، برای مخلوط دوتریوم - تریتیوم در دمای 10 8 K، بازده با بیان تعیین می شود.

اگر قبول کنیم پبرابر با 100 W/cm 3 (که تقریباً مربوط به انرژی آزاد شده توسط عناصر سوخت در راکتورهای شکافت هسته ای است)، سپس چگالی nباید تقریبا 10 15 هسته / سانتی متر 3 و فشار مربوطه nT- تقریباً 3 مگاپاسکال در این حالت با توجه به معیار لاوسون زمان ماند باید حداقل 0.1 ثانیه باشد. برای پلاسمای دوتریوم-دوتریوم در دمای 109 کلوین

در این مورد، زمانی که پ= 100 وات بر سانتی متر 3، n» 3Х10 15 هسته بر سانتی متر مکعب و فشار تقریباً 100 مگاپاسکال، زمان ماند مورد نیاز بیش از 1 ثانیه خواهد بود. توجه داشته باشید که این چگالی ها تنها 0001/0 چگالی هوای اتمسفر است، بنابراین محفظه راکتور باید در خلاء بالا تخلیه شود.

تخمین‌های بالا از زمان، دما و چگالی، حداقل پارامترهای معمولی مورد نیاز برای کار یک راکتور همجوشی هستند و در مورد مخلوط دوتریوم-تریتیوم راحت‌تر به دست می‌آیند. در مورد واکنش های گرما هسته ای که در هنگام انفجار یک بمب هیدروژنی و در روده ستارگان رخ می دهد، باید در نظر داشت که به دلیل شرایط کاملاً متفاوت، در حالت اول بسیار سریع و در مورد دوم - بسیار کند مقایسه می شوند. برای فرآیندهای یک راکتور حرارتی

پلاسما.

هنگامی که گاز به شدت گرم می شود، اتم های آن بخشی یا تمام الکترون های خود را از دست می دهند و در نتیجه ذرات با بار مثبت به نام یون ها و الکترون های آزاد تشکیل می شوند. در دماهای بالاتر از یک میلیون درجه، گازی متشکل از عناصر سبک کاملاً یونیزه می شود، یعنی. هر اتم تمام الکترون های خود را از دست می دهد. گاز در حالت یونیزه پلاسما نامیده می شود (این اصطلاح توسط I. Langmuir معرفی شد). خواص پلاسما به طور قابل توجهی با خواص گاز خنثی متفاوت است. از آنجایی که پلاسما حاوی الکترون های آزاد است، پلاسما الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند و رسانایی آن متناسب است تی 3/2. پلاسما را می توان با عبور جریان الکتریکی از آن گرم کرد. رسانایی پلاسمای هیدروژن در 10 8 K با مس در دمای اتاق یکسان است. رسانایی حرارتی پلاسما نیز بسیار بالاست.

برای نگهداری پلاسما، به عنوان مثال، در دمای 10 8 K، باید به طور قابل اعتمادی عایق حرارتی باشد. در اصل، پلاسما را می توان با قرار دادن آن در یک میدان مغناطیسی قوی از دیواره های محفظه جدا کرد. این توسط نیروهایی که هنگام تعامل جریان ها با میدان مغناطیسی پلاسما ایجاد می شوند، تضمین می شود.

تحت تأثیر میدان مغناطیسی، یون ها و الکترون ها به صورت مارپیچی در امتداد خطوط میدان آن حرکت می کنند. انتقال از یک خط میدان به خط دیگر در هنگام برخورد ذرات و زمانی که یک میدان الکتریکی عرضی اعمال می شود امکان پذیر است. در غیاب میدان های الکتریکی، پلاسمای کمیاب با دمای بالا، که در آن برخورد نادر است، تنها به آرامی در خطوط میدان مغناطیسی پخش می شود. اگر خطوط میدان مغناطیسی بسته باشند، به آنها شکل یک حلقه می دهد، ذرات پلاسما در امتداد این خطوط حرکت می کنند و در ناحیه حلقه نگه داشته می شوند. علاوه بر چنین پیکربندی مغناطیسی بسته برای محصور کردن پلاسما، سیستم‌های باز (با خطوط میدانی که از انتهای محفظه به سمت بیرون امتداد می‌یابند) پیشنهاد شده‌اند که در آن ذرات به دلیل "شاخه‌های" مغناطیسی که حرکت ذرات را محدود می‌کنند در داخل محفظه باقی می‌مانند. شاخه های مغناطیسی در انتهای محفظه ایجاد می شوند، جایی که در نتیجه افزایش تدریجی قدرت میدان، یک پرتو باریک از خطوط میدان تشکیل می شود.

در عمل ثابت شده است که محصور شدن مغناطیسی پلاسما با چگالی کافی زیاد آسان نیست: ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی و جنبشی اغلب در آن ایجاد می شود.

ناپایداری های مغناطیسی هیدرودینامیکی با خمیدگی و پیچ خوردگی خطوط میدان مغناطیسی همراه است. در این حالت، پلاسما می تواند شروع به حرکت در سراسر میدان مغناطیسی به شکل توده ها کند، در چند میلیونیم ثانیه از ناحیه محصور خارج شده و گرما را به دیواره های محفظه می دهد. چنین ناپایداری ها را می توان با دادن پیکربندی خاصی به میدان مغناطیسی سرکوب کرد.

ناپایداری های جنبشی بسیار متنوع هستند و با جزئیات کمتری مورد مطالعه قرار گرفته اند. در میان آنها مواردی وجود دارند که فرآیندهای منظم را مختل می کنند، مانند، برای مثال، جریان یک جریان الکتریکی مستقیم یا جریانی از ذرات از طریق پلاسما. سایر ناپایداری های جنبشی باعث افزایش سرعت انتشار عرضی پلاسما در میدان مغناطیسی نسبت به پیش بینی تئوری برخورد برای پلاسمای آرام می شود.

سیستم هایی با پیکربندی مغناطیسی بسته

اگر یک میدان الکتریکی قوی روی یک گاز رسانای یونیزه اعمال شود، یک جریان تخلیه در آن ظاهر می شود، در همان زمان یک میدان مغناطیسی اطراف آن ظاهر می شود. برهمکنش میدان مغناطیسی با جریان منجر به ظهور نیروهای فشاری وارد بر ذرات گاز باردار می شود. اگر جریان در امتداد محور طناب پلاسمای رسانا جریان یابد، نیروهای شعاعی حاصل، مانند نوارهای لاستیکی، طناب را فشرده می‌کنند و مرز پلاسما را از دیواره‌های محفظه حاوی آن دور می‌کنند. این پدیده که به طور نظری توسط W. Bennett در سال 1934 پیش بینی شد و اولین بار توسط A. Ware در سال 1951 به صورت تجربی نشان داده شد، اثر pinch نامیده می شود. روش پینچ برای حاوی پلاسما استفاده می شود. ویژگی قابل توجه آن این است که گاز توسط خود جریان الکتریکی (گرمایش اهمی) تا دمای بالا گرم می شود. سادگی اساسی این روش منجر به استفاده از آن در اولین تلاش ها برای حاوی پلاسمای داغ شد و مطالعه اثر ساده پینچ، با وجود این واقعیت که بعداً با روش های پیشرفته تر جایگزین شد، درک بهتر مشکلات را ممکن ساخت. که امروزه آزمایشگران هنوز با آن روبرو هستند.

علاوه بر انتشار پلاسما در جهت شعاعی، رانش طولی و خروج آن از انتهای طناب پلاسما نیز مشاهده می شود. ضایعات از طریق انتها را می توان با دادن شکل دونات (توروس) به محفظه پلاسما از بین برد. در این حالت یک گیره حلقوی به دست می آید.

برای پینچ ساده ای که در بالا توضیح داده شد، یک مشکل جدی، ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی ذاتی آن است. اگر یک خم کوچک در رشته پلاسما رخ دهد، چگالی خطوط میدان مغناطیسی در داخل خم افزایش می یابد (شکل 1). خطوط میدان مغناطیسی، که مانند دسته‌هایی در برابر فشرده‌سازی عمل می‌کنند، به سرعت شروع به "برآمدگی" می‌کنند، به طوری که تا زمانی که کل ساختار طناب پلاسما از بین برود، خمش افزایش می‌یابد. در نتیجه پلاسما با دیواره های محفظه تماس پیدا کرده و خنک می شود. برای از بین بردن این پدیده مخرب، قبل از عبور جریان محوری اصلی، یک میدان مغناطیسی طولی در محفظه ایجاد می شود که همراه با یک میدان دایره ای اعمال شده بعدی، خم اولیه ستون پلاسما را "صاف" می کند (شکل 2). اصل تثبیت یک ستون پلاسما توسط یک میدان محوری مبنایی برای دو پروژه امیدوارکننده راکتورهای گرما هسته ای است - یک توکامک و یک خرج کردن با میدان مغناطیسی معکوس.

تنظیمات مغناطیسی را باز کنید.

حفظ اینرسی.

محاسبات نظری نشان می دهد که همجوشی حرارتی بدون استفاده از تله های مغناطیسی امکان پذیر است. برای انجام این کار، یک هدف ویژه آماده شده (یک توپ از دوتریوم با شعاع حدود 1 میلی متر) به سرعت به چنان چگالی بالایی فشرده می شود که واکنش گرما هسته ای قبل از تبخیر هدف سوخت، زمان کامل شدن را دارد. فشرده سازی و گرمایش تا دمای گرما هسته ای را می توان با پالس های لیزر فوق العاده قدرتمند انجام داد و به طور یکنواخت و همزمان توپ سوخت را از همه طرف تابش می کند (شکل 4). با تبخیر آنی لایه‌های سطحی آن، ذرات فراری سرعت بسیار بالایی پیدا می‌کنند و توپ در معرض نیروهای فشاری زیادی قرار می‌گیرد. آنها شبیه نیروهای واکنشی هستند که یک موشک را به حرکت در می آورند، با تنها تفاوت این که در اینجا این نیروها به سمت داخل، به سمت مرکز هدف هدایت می شوند. این روش می تواند فشارهایی در حد 1011 مگاپاسکال و چگالی هایی 10000 برابر بیشتر از چگالی آب ایجاد کند. در چنین چگالی، تقریباً تمام انرژی گرما هسته ای به شکل یک انفجار کوچک در یک زمان ~ 10-12 ثانیه آزاد می شود. انفجارهای ریز رخ می دهد که هر کدام معادل 1-2 کیلوگرم TNT است، آسیبی به رآکتور وارد نمی کند و اجرای یک توالی از این ریزانفجارها در فواصل زمانی کوتاه، امکان تحقق تقریباً پیوسته را فراهم می کند. تولید انرژی مفید برای محصور شدن اینرسی، طراحی هدف سوخت بسیار مهم است. هدفی به شکل کره های متحدالمرکز ساخته شده از مواد سنگین و سبک، کارآمدترین تبخیر ذرات و در نتیجه بیشترین فشرده سازی را ممکن می سازد.

محاسبات نشان می دهد که با انرژی تابش لیزر از مرتبه مگاژول (10 6 J) و بازده لیزر حداقل 10٪، انرژی گرما هسته ای تولید شده باید از انرژی صرف شده برای پمپاژ لیزر بیشتر باشد. تاسیسات لیزر حرارتی در آزمایشگاه های تحقیقاتی در روسیه، ایالات متحده آمریکا، اروپای غربی و ژاپن موجود است. امکان استفاده از پرتو یون سنگین به جای پرتو لیزر یا ترکیب چنین پرتوی با پرتو نور در حال حاضر در حال بررسی است. به لطف فناوری مدرن، این روش شروع واکنش نسبت به روش لیزری مزیت دارد، زیرا به فرد اجازه می دهد انرژی مفید بیشتری به دست آورد. نقطه ضعف آن دشواری تمرکز پرتو بر روی هدف است.

واحدهای دارای نگهدارنده مغناطیسی

روش های مغناطیسی محصور شدن پلاسما در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن و تعدادی از کشورهای اروپایی در حال مطالعه است. توجه اصلی به تاسیسات از نوع حلقوی، مانند توکامک و پینچ با میدان مغناطیسی معکوس، که در نتیجه توسعه پینچ‌های ساده‌تر با میدان مغناطیسی طولی تثبیت‌کننده ظاهر شد، معطوف شده است.

برای محصور کردن پلاسما با استفاده از میدان مغناطیسی حلقوی B jلازم است شرایطی ایجاد شود که تحت آن پلاسما به سمت دیواره های چنبره حرکت نکند. این با "پیچاندن" خطوط میدان مغناطیسی (به اصطلاح "تبدیل چرخشی") به دست می آید. این چرخش به دو صورت انجام می شود. در روش اول، جریانی از پلاسما عبور می‌کند، که منجر به پیکربندی پینچ پایداری می‌شود که قبلاً بحث شد. میدان مغناطیسی جریان ب q Ј – ب q همراه با ب j یک فیلد خلاصه با curl مورد نیاز ایجاد می کند. اگر ب j ب q، پیکربندی حاصل به عنوان یک توکامک (مخفف عبارت "محفظه TORIDAL WITH COILs مغناطیسی") شناخته می شود. توکامک (شکل 5) تحت رهبری L.A. Artsimovich در موسسه انرژی اتمی به نام توسعه یافت. I.V. Kurchatov در مسکو. در ب j ~ ب q ما یک پیکربندی پینچ با میدان مغناطیسی معکوس بدست می آوریم.

در روش دوم، از سیم‌پیچ‌های مارپیچ مخصوص اطراف یک محفظه پلاسمای حلقوی برای اطمینان از تعادل پلاسمای محدود استفاده می‌شود. جریان های موجود در این سیم پیچ ها یک میدان مغناطیسی پیچیده ایجاد می کند که منجر به پیچش خطوط نیروی میدان کل در داخل چنبره می شود. چنین نصبی به نام ستاره ساز در دانشگاه پرینستون (ایالات متحده آمریکا) توسط ال. اسپیتزر و همکارانش ساخته شد.

توکامک.

یک پارامتر مهم که محصور شدن پلاسمای حلقوی به آن بستگی دارد "حاشیه پایداری" است. q، برابر rB j/ R.B. q، کجا rو آربه ترتیب شعاع های کوچک و بزرگ پلاسمای حلقوی هستند. در پایین qممکن است ناپایداری حلزونی ایجاد شود - آنالوگ بی ثباتی خمشی یک خمیدگی مستقیم. دانشمندان در مسکو به طور تجربی نشان داده اند که چه زمانی q> 1 (یعنی ب j ب q) احتمال وقوع ناپایداری پیچ بسیار کاهش می یابد. این امکان استفاده موثر از گرمای تولید شده توسط جریان را برای گرم کردن پلاسما فراهم می کند. در نتیجه سال ها تحقیق، ویژگی های توکامک ها به طور قابل توجهی بهبود یافته است، به ویژه به دلیل افزایش یکنواختی میدان و تمیز کردن موثر محفظه خلاء.

نتایج دلگرم‌کننده به‌دست‌آمده در روسیه باعث ایجاد توکاماک در بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان شد و پیکربندی آنها موضوع تحقیقات فشرده شد.

گرمایش اهمی پلاسما در یک توکامک برای انجام یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای کافی نیست. این به این دلیل است که وقتی پلاسما گرم می شود، مقاومت الکتریکی آن به شدت کاهش می یابد و در نتیجه تولید گرما در هنگام عبور جریان به شدت کاهش می یابد. افزایش جریان در یک توکامک بیش از حد معین غیرممکن است، زیرا طناب پلاسما ممکن است ثبات خود را از دست بدهد و به دیواره های محفظه پرتاب شود. بنابراین از روش های اضافی مختلفی برای گرم کردن پلاسما استفاده می شود. موثرترین آنها تزریق پرتوهای اتم خنثی با انرژی بالا و تابش امواج مایکروویو است. در حالت اول، یون‌های شتاب‌گرفته به انرژی‌های 50 تا 200 کو خنثی می‌شوند (برای جلوگیری از "بازتاب" شدن توسط میدان مغناطیسی هنگام وارد شدن به محفظه) و به پلاسما تزریق می‌شوند. در اینجا دوباره یونیزه می شوند و در فرآیند برخورد انرژی خود را به پلاسما می دهند. در حالت دوم از تشعشعات مایکروویو استفاده می شود که فرکانس آن برابر با فرکانس سیکلوترون یونی (فرکانس چرخش یون ها در میدان مغناطیسی) است. در این فرکانس، پلاسمای متراکم مانند یک جسم کاملا سیاه رفتار می کند، یعنی. انرژی فرود را به طور کامل جذب می کند. در JET tokamak اتحادیه اروپا، پلاسمایی با دمای یون 280 میلیون کلوین و زمان محبوس شدن 0.85 ثانیه با تزریق ذرات خنثی به دست آمد. توان حرارتی با رسیدن به 2 مگاوات با استفاده از پلاسمای دوتریوم-تریتیوم به دست آمد. مدت زمان حفظ واکنش با ظاهر ناخالصی های ناشی از کندوپاش دیواره های محفظه محدود می شود: ناخالصی ها به داخل پلاسما نفوذ می کنند و در صورت یونیزه شدن، تلفات انرژی در اثر تشعشع را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. در حال حاضر، کار تحت برنامه JET بر روی تحقیق در مورد امکان کنترل ناخالصی ها و حذف آنها به اصطلاح متمرکز است. "دیوارتر مغناطیسی".

توکامک های بزرگ نیز در ایالات متحده - TFTR ، در روسیه - T15 و در ژاپن - JT60 ایجاد شدند. تحقیقات انجام شده در این تاسیسات و سایر تاسیسات، پایه و اساس مرحله بعدی کار در زمینه همجوشی حرارتی کنترل شده را ایجاد کرد: یک راکتور بزرگ برای آزمایش فنی قرار است در سال 2010 راه اندازی شود. انتظار می رود که این یک تلاش مشترک بین ایالات متحده، روسیه، اتحادیه اروپا و ژاپن باشد. همچنین ببینیدتوکامک.

پینچ میدان معکوس (FRP).

پیکربندی POP با tokamak در آن تفاوت دارد ب q~ ب j، اما در این حالت جهت میدان حلقوی در خارج از پلاسما برخلاف جهت آن در داخل ستون پلاسما است. جی تیلور نشان داد که چنین سیستمی در حالتی با حداقل انرژی قرار دارد و با وجود q

مزیت پیکربندی POP این است که در آن نسبت چگالی انرژی حجمی پلاسما و میدان مغناطیسی (مقدار b) بیشتر از توکامک است. اساساً مهم است که b تا حد امکان بزرگ باشد، زیرا این امر میدان حلقوی را کاهش می دهد و بنابراین هزینه سیم پیچ هایی که آن را ایجاد می کنند و کل ساختار پشتیبانی را کاهش می دهد. نقطه ضعف POP این است که عایق حرارتی این سیستم ها بدتر از توکامک است و مشکل حفظ میدان معکوس حل نشده است.

ستاره دار.

در یک ستاره‌ساز، یک میدان مغناطیسی حلقوی بسته توسط میدانی که توسط پیچ پیچی خاصی در اطراف بدنه دوربین ایجاد می‌شود، قرار می‌گیرد. میدان مغناطیسی کل از دور شدن پلاسما از مرکز جلوگیری می کند و انواع خاصی از ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی را سرکوب می کند. خود پلاسما را می توان با هر روشی که در یک توکامک استفاده می شود ایجاد و گرم کرد.

مزیت اصلی ستاره ساز این است که روش محصورسازی به کار رفته در آن با وجود جریان در پلاسما همراه نیست (مانند توکامک ها یا در تاسیسات مبتنی بر اثر پینچ)، و بنابراین ستاره ساز می تواند در حالت ساکن کار کند. علاوه بر این، سیم پیچ پیچ می تواند اثر "دیورتور" داشته باشد، به عنوان مثال. پلاسما را از ناخالصی ها تمیز کرده و محصولات واکنش را حذف می کند.

محصور شدن پلاسما در ستاره سازها به طور گسترده در تاسیسات اتحادیه اروپا، روسیه، ژاپن و ایالات متحده آمریکا مورد مطالعه قرار گرفته است. در ستاره‌ساز Wendelstein VII در آلمان، می‌توان پلاسمای غیر حامل جریان را با دمای بیش از ۵×۱۰۶ کلوین حفظ کرد و آن را با تزریق یک پرتو اتمی با انرژی بالا گرم کرد.

مطالعات تئوری و تجربی اخیر نشان داده است که در اکثر تاسیسات توصیف شده و به ویژه در سیستم های حلقوی بسته می توان زمان محصور شدن پلاسما را با افزایش ابعاد شعاعی و میدان مغناطیسی محدود کننده افزایش داد. به عنوان مثال، برای یک توکامک محاسبه می شود که معیار لاوسون (و حتی با مقداری حاشیه) در شدت میدان مغناطیسی ~50 x 100 کیلوگرم و شعاع کوچکی از محفظه حلقوی تقریباً برآورده می شود. 2 متر این پارامترهای نصب برای 1000 مگاوات برق است.

هنگام ایجاد چنین تاسیسات بزرگ با محصور شدن پلاسمای مغناطیسی، مشکلات تکنولوژیکی کاملاً جدید ایجاد می شود. برای ایجاد میدان مغناطیسی حدود 50 کیلو گرم در حجم چند متر مکعب با استفاده از کویل های مسی آب خنک، به منبع برق با ظرفیت چند صد مگاوات نیاز است. بنابراین بدیهی است که سیم پیچ های سیم پیچ باید از مواد ابررسانا مانند آلیاژهای نیوبیم با تیتانیوم یا قلع ساخته شوند. مقاومت این مواد در برابر جریان الکتریکی در حالت ابررسانا صفر است و بنابراین حداقل مقدار الکتریسیته برای حفظ میدان مغناطیسی مصرف خواهد شد.

تکنولوژی راکتور

چشم انداز تحقیقات گرما هسته ای

آزمایش‌های انجام‌شده بر روی تاسیسات نوع توکامک نشان داده‌اند که این سیستم به عنوان پایه‌ای ممکن برای یک راکتور CTS بسیار امیدوارکننده است. بهترین نتایج تا به امروز با توکامک ها به دست آمده است و این امید وجود دارد که با افزایش متناظر در مقیاس تأسیسات، امکان پیاده سازی CTS صنعتی بر روی آنها وجود داشته باشد. با این حال، توکامک به اندازه کافی مقرون به صرفه نیست. برای از بین بردن این اشکال، لازم است که نه در حالت پالسی، همانطور که اکنون است، بلکه در حالت پیوسته عمل کند. اما جنبه های فیزیکی این مشکل هنوز به اندازه کافی بررسی نشده است. همچنین توسعه ابزارهای فنی برای بهبود پارامترهای پلاسما و از بین بردن ناپایداری آن ضروری است. با توجه به همه اینها، ما نباید گزینه های احتمالی دیگر، اگرچه کمتر توسعه یافته، را برای یک راکتور گرما هسته ای، به عنوان مثال، یک ستاره یا یک پینچ معکوس میدانی فراموش کنیم. وضعیت تحقیق در این زمینه به مرحله ای رسیده است که طرح های راکتور مفهومی برای اکثر سیستم های محصور مغناطیسی برای پلاسماهای با دمای بالا و برای برخی از سیستم های محصور کننده اینرسی وجود دارد. نمونه ای از توسعه صنعتی یک توکامک پروژه Aries (ایالات متحده آمریکا) است.

واکنش گرما هسته ای- این واکنش ادغام هسته های سبک به هسته های سنگین تر است.

برای اجرای آن، لازم است که نوکلئون ها یا هسته های سبک اصلی به فواصل مساوی یا کمتر از شعاع حوزه عمل نیروهای جاذبه هسته ای (یعنی تا فواصل 15-10 متر) نزدیک شوند. این رویکرد متقابل هسته ها توسط نیروهای دافعه کولن که بین هسته های دارای بار مثبت عمل می کنند، جلوگیری می شود. برای اینکه یک واکنش همجوشی رخ دهد، لازم است ماده ای با چگالی بالا تا دماهای فوق العاده بالا (در حد صدها میلیون کلوین) گرم شود تا انرژی جنبشی حرکت حرارتی هسته ها برای غلبه بر کولن کافی باشد. نیروهای دافعه در چنین دماهایی، ماده به شکل پلاسما وجود دارد. از آنجایی که همجوشی فقط در دماهای بسیار بالا می تواند رخ دهد، واکنش های همجوشی هسته ای را واکنش های گرما هسته ای (از یونانی) می نامند. حرارتی"گرما، گرما").

واکنش های گرما هسته ای انرژی بسیار زیادی آزاد می کنند. به عنوان مثال، در واکنش سنتز دوتریوم با تشکیل هلیوم

\(~^2_1D + \ ^2_1D \به \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

3.2 مگا ولت انرژی آزاد می شود. در واکنش سنتز دوتریوم با تشکیل تریتیوم

\(~^2_1D + \ ^2_1D \به \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

4.0 مگا ولت انرژی آزاد می شود و در واکنش

\(~^2_1D + \ ^3_1T \به \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

17.6 مگا ولت انرژی آزاد می شود.

برنج. 1. طرح واکنش دوتریوم-تریتیوم

در حال حاضر، یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده با سنتز دوتریوم \(~^2H\) و تریتیوم \(~^3H\) انجام می شود. ذخایر دوتریوم باید میلیون ها سال دوام بیاورد و ذخایر لیتیوم که به راحتی استخراج می شود (برای تولید تریتیوم) برای تامین نیازهای صدها سال کافی است.

با این حال، در طول این واکنش، اکثریت (بیش از 80٪) انرژی جنبشی آزاد شده از نوترون می آید. در اثر برخورد قطعات با اتم های دیگر، این انرژی به انرژی گرمایی تبدیل می شود. علاوه بر این، نوترون های سریع مقدار قابل توجهی زباله های رادیواکتیو ایجاد می کنند.

بنابراین، امیدوارکننده ترین واکنش های "بدون نوترون" هستند، به عنوان مثال، دوتریوم + هلیوم-3.

\(~D + \ ^3He \به \ ^4He + p\)

این واکنش خروجی نوترونی ندارد، که بخش قابل توجهی از توان را حذف می کند و رادیواکتیویته القایی در طراحی راکتور ایجاد می کند. علاوه بر این، ذخایر هلیم-3 در زمین از 500 کیلوگرم تا 1 تن متغیر است، اما در ماه در مقادیر قابل توجهی یافت می شود: تا 10 میلیون تن (طبق برآورد حداقل - 500 هزار تن). در عین حال، با استفاده از راکتورهای شکافت هسته ای موجود، می توان آن را به راحتی از لیتیوم-6 که در طبیعت گسترده است، روی زمین تولید کرد.

سلاح های گرما هسته ای

بر روی زمین، اولین واکنش حرارتی هسته ای در طی انفجار یک بمب هیدروژنی در 12 اوت 1953 در سایت آزمایش Semipalatinsk انجام شد. "پدر او" آکادمیک آندری دمیتریویچ ساخاروف بود که به دلیل توسعه سلاح های هسته ای سه بار عنوان قهرمان کار سوسیالیستی را دریافت کرد. دمای بالای مورد نیاز برای شروع یک واکنش گرما هسته ای در یک بمب هیدروژنی در نتیجه انفجار بمب اتمی موجود در ترکیب آن به دست آمد که نقش یک چاشنی را بازی می کرد. واکنش‌های گرما هسته‌ای که در حین انفجار بمب هیدروژنی رخ می‌دهند غیرقابل کنترل هستند.

برنج. 2. بمب هیدروژنی

همچنین ببینید

واکنش های حرارتی کنترل شده

اگر در شرایط زمینی امکان انجام واکنش های گرما هسته ای به راحتی وجود داشت، بشریت یک منبع انرژی عملا پایان ناپذیر دریافت می کرد، زیرا ذخایر هیدروژن روی زمین بسیار زیاد است. با این حال، مشکلات فنی بزرگی بر سر راه اجرای واکنش‌های گرما هسته‌ای کنترل‌شده از نظر انرژی مطلوب قرار دارد. اول از همه، ایجاد دماهایی در حد 10 8 K ضروری است. چنین دماهای فوق‌العاده‌ای را می‌توان با ایجاد تخلیه‌های الکتریکی با توان بالا در پلاسما به دست آورد.

توکامک

این روش در تاسیسات نوع "توکامک" (TO-riodal CAMBER با سیم پیچ های مغناطیسی) که برای اولین بار در موسسه انرژی اتمی به نام آن ایجاد شد، استفاده می شود. I. V. Kurchatova. در چنین تاسیساتی، پلاسما در یک محفظه حلقوی ایجاد می شود که سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورماتور پالس قدرتمند است. سیم پیچ اولیه آن به یک بانک خازن با ظرفیت بسیار زیاد متصل است. محفظه با دوتریوم پر شده است. هنگامی که یک باتری خازن از طریق سیم پیچ اولیه در یک محفظه حلقوی تخلیه می شود، یک میدان الکتریکی گردابی برانگیخته می شود که باعث یونیزه شدن دوتریوم و ظهور یک پالس قوی جریان الکتریکی در آن می شود که منجر به گرم شدن شدید گاز و گاز می شود. تشکیل پلاسمای با دمای بالا که در آن یک واکنش گرما هسته ای می تواند رخ دهد.

برنج. 3. نمودار شماتیک عملکرد راکتور

مشکل اصلی نگهداری پلاسما در داخل محفظه به مدت 0.1-1 ثانیه بدون تماس آن با دیواره های محفظه است، زیرا هیچ ماده ای وجود ندارد که بتواند چنین دماهای بالایی را تحمل کند. این مشکل را می توان با کمک یک میدان مغناطیسی حلقوی که دوربین در آن قرار دارد تا حدی برطرف کرد. تحت تأثیر نیروهای مغناطیسی، پلاسما به یک بند ناف پیچ خورده و، همانطور که بود، بدون تماس با دیواره های محفظه، روی خطوط القای میدان مغناطیسی "آویزان" می شود.

آغاز دوران مدرن در مطالعه احتمالات همجوشی گرما هسته ای را باید سال 1969 در نظر گرفت، زمانی که دمای 3 M درجه سانتیگراد در پلاسما با حجم حدود 1 متر مکعب در تاسیسات روسی Tokamak T3 بدست آمد. پس از این، دانشمندان در سراسر جهان طرح توکامک را به عنوان امیدوارکننده‌ترین طرح برای محصور کردن پلاسمای مغناطیسی تشخیص دادند. در عرض چند سال، تصمیم جسورانه ای برای ایجاد یک تاسیسات JET (Joint European Torus) با حجم پلاسما به میزان قابل توجهی بزرگتر (100 متر مکعب) گرفته شد. چرخه عملکرد دستگاه تقریباً 1 دقیقه است، زیرا کویل های حلقوی آن از مس ساخته شده و به سرعت گرم می شوند. این تاسیسات در سال 1983 شروع به کار کرد و همچنان بزرگترین توکامک جهان است که گرمایش پلاسما را تا دمای 150 M°C فراهم می کند.

برنج. 4. طراحی راکتور JET

در سال 2006، نمایندگان روسیه، کره جنوبی، چین، ژاپن، هند، اتحادیه اروپا و ایالات متحده توافق نامه ای را در پاریس برای شروع کار بر روی ساخت اولین رآکتور آزمایشی بین المللی توکامک (ITER) امضا کردند. سیم پیچ های مغناطیسی راکتور ITER مبتنی بر مواد ابررسانا خواهند بود (که در اصل تا زمانی که جریان در پلاسما حفظ می شود، امکان کار مداوم را می دهد)، بنابراین طراحان امیدوارند که چرخه کاری تضمین شده حداقل 10 دقیقه را ارائه دهند.

برنج. 5. طراحی راکتور ITER.

این راکتور در نزدیکی شهر کاداراش واقع در 60 کیلومتری مارسی در جنوب فرانسه ساخته خواهد شد. کار برای آماده سازی محل ساخت و ساز بهار آینده آغاز خواهد شد. ساخت خود راکتور قرار است در سال 2009 آغاز شود.

ساخت و ساز ده سال طول خواهد کشید، انتظار می رود کار بر روی راکتور به مدت بیست سال انجام شود. هزینه کل این پروژه حدود 10 میلیارد دلار است. 40 درصد از هزینه ها توسط اتحادیه اروپا تقبل خواهد شد و 60 درصد به طور مساوی توسط سایر شرکت کنندگان پروژه تقسیم خواهد شد.

همچنین ببینید

1. راکتور همجوشی تجربی بین المللی
2. نصب جدید برای راه اندازی همجوشی گرما هسته ای: 2010/01/25

همجوشی لیزری (LSF)

راه دیگر برای رسیدن به این هدف، همجوشی حرارتی هسته ای لیزری است. ماهیت این روش به شرح زیر است. مخلوط منجمد دوتریوم و تریتیوم که به شکل گلوله‌هایی با قطر کمتر از 1 میلی‌متر تهیه می‌شود، به طور یکنواخت از همه طرف با تابش لیزر قدرتمند تابش می‌شود. این منجر به گرم شدن و تبخیر ماده از سطح توپ ها می شود. در این حالت، فشار داخل توپ ها به مقادیری در حدود 10 15 Pa افزایش می یابد. تحت تأثیر چنین فشاری، افزایش چگالی و گرم شدن قوی ماده در قسمت مرکزی توپ ها رخ می دهد و یک واکنش گرما هسته ای آغاز می شود.

بر خلاف محصور شدن پلاسمای مغناطیسی، در محاصره لیزری، زمان محبوس شدن (یعنی طول عمر یک پلاسما با چگالی و دمای بالا، که مدت واکنش های گرما هسته ای را تعیین می کند) 10-10 - 10-11 ثانیه است، بنابراین LTS فقط می تواند باشد. در حالت پالس انجام می شود. پیشنهاد استفاده از لیزر برای همجوشی گرما هسته ای برای اولین بار در موسسه فیزیک ارائه شد. P. N. Lebedev از آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی در سال 1961 توسط N. G. Basov و O. N. Krokhin.

در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا، ساخت قدرتمندترین مجموعه لیزری جهان به پایان رسید (مه 2009). این مرکز احتراق ملی ایالات متحده (NIF) نام داشت. ساخت و ساز 12 سال به طول انجامید. 3.5 میلیارد دلار برای مجتمع لیزر هزینه شد.

برنج. 7. نمودار شماتیک ULS

NIF مبتنی بر 192 لیزر قدرتمند است که به طور همزمان به سمت یک هدف کروی میلی متری هدایت می شود (حدود 150 میکروگرم سوخت گرما هسته ای - مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم؛ در آینده، تریتیوم رادیواکتیو را می توان با ایزوتوپ سبک هلیوم-3 جایگزین کرد. ). در نتیجه دمای هدف به 100 میلیون درجه می رسد در حالی که فشار داخل توپ 100 میلیارد بار بیشتر از فشار جو زمین خواهد بود.

همچنین ببینید

1. همجوشی گرما هسته ای کنترل شده: TOKAMAK در مقابل همجوشی لیزری 05/16/2009

مزایای سنتز

طرفداران استفاده از راکتورهای همجوشی برای تولید برق به دلایل زیر به نفع خود استناد می کنند:

• ذخایر عملاً پایان ناپذیر سوخت (هیدروژن). به عنوان مثال، مقدار زغال سنگ مورد نیاز برای راه اندازی یک نیروگاه حرارتی با ظرفیت 1 گیگاوات 10000 تن در روز (ده واگن راه آهن) است و یک نیروگاه حرارتی با همین قدرت تنها حدود 1 کیلوگرم از مخلوط را در روز مصرف می کند. D + تی . یک دریاچه با اندازه متوسط ​​می تواند انرژی هر کشوری را برای صدها سال تامین کند. این امر باعث می شود که یک یا گروهی از کشورها نتوانند سوخت را در انحصار خود درآورند.
• عدم وجود محصولات احتراق؛
• نیازی به استفاده از موادی نیست که بتوان از آنها برای تولید تسلیحات هسته ای استفاده کرد و در نتیجه موارد خرابکاری و تروریسم را از بین برد.
• در مقایسه با راکتورهای هسته ای، مقدار کمی زباله رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه تولید می شود.
• واکنش همجوشی انتشار دی اکسید کربن اتمسفر را تولید نمی کند، که عامل اصلی گرمایش جهانی است.

چرا ایجاد تاسیسات هسته ای اینقدر طولانی شد؟

1. برای مدت طولانی اعتقاد بر این بود که مشکل استفاده عملی از انرژی همجوشی حرارتی نیازی به تصمیمات و اقدامات فوری ندارد، زیرا در دهه 80 قرن گذشته، منابع سوخت فسیلی پایان ناپذیر به نظر می رسید و مشکلات زیست محیطی و تغییرات آب و هوایی. به افکار عمومی مربوط نمی شد. بر اساس برآوردهای سازمان زمین شناسی ایالات متحده (2009)، رشد تولید جهانی نفت بیش از 20 سال آینده ادامه نخواهد داشت (سایر کارشناسان پیش بینی می کنند که تولید در 5 تا 10 سال آینده به اوج خواهد رسید). نفت تولیدی با نرخی در حدود 3 درصد در سال کاهش خواهد یافت. چشم انداز تولید گاز طبیعی خیلی بهتر به نظر نمی رسد. معمولاً گفته می شود تا 200 سال دیگر زغال سنگ کافی خواهیم داشت، اما این پیش بینی مبتنی بر حفظ سطح تولید و مصرف موجود است. این در حالی است که مصرف زغال سنگ در حال حاضر 4.5 درصد در سال افزایش می یابد که بلافاصله دوره 200 ساله ذکر شده را به تنها 50 سال کاهش می دهد! از آنچه گفته شد مشخص است که اکنون باید برای پایان آماده شویم عصر استفاده از سوخت های فسیلی. 2. یک تاسیسات گرما هسته ای را نمی توان در اندازه های کوچک ایجاد و نشان داد. قابلیت ها و مزایای علمی و فنی تاسیسات گرما هسته ای را می توان فقط در ایستگاه های نسبتاً بزرگ مانند راکتور ITER مورد آزمایش قرار داد و نشان داد. تا زمانی که اعتماد کافی به موفقیت وجود نداشت، جامعه به سادگی آماده تامین مالی چنین پروژه های بزرگی نبود.

همجوشی حرارتی کنترل شده یک فرآیند فیزیکی جالب است که (هنوز در تئوری) می تواند جهان را از وابستگی انرژی به منابع سوخت فسیلی نجات دهد. این فرآیند مبتنی بر سنتز هسته‌های اتمی از هسته‌های سبک‌تر به هسته‌های سنگین‌تر با آزاد شدن انرژی است. بر خلاف استفاده دیگر از اتم - آزاد شدن انرژی از آن در راکتورهای هسته ای در حین تجزیه - همجوشی روی کاغذ عملاً هیچ محصول جانبی رادیواکتیو باقی نمی گذارد.

راکتورهای همجوشی فرآیند هسته‌ای درون خورشید را تقلید می‌کنند، اتم‌های سبک‌تر را به هم می‌کوبند و آن‌ها را به اتم‌های سنگین‌تر تبدیل می‌کنند و در طول مسیر مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند. در خورشید، این فرآیند توسط گرانش هدایت می شود. بر روی زمین، مهندسان در تلاش هستند تا با استفاده از دماهای بسیار بالا -در حد 150 میلیون درجه- شرایط را برای همجوشی هسته ای بازسازی کنند، اما آنها در نگهداری پلاسمای مورد نیاز برای همجوشی اتم ها با مشکل مواجه هستند.

یکی از راه حل های ساخته شده توسط ITER، که قبلا به عنوان راکتور آزمایشی حرارتی هسته ای بین المللی شناخته می شد، ارائه می شود که از سال 2010 در کاراداش، فرانسه در دست ساخت بوده است. اولین آزمایش ها که در ابتدا برای سال 2018 برنامه ریزی شده بود، به سال 2025 موکول شده است.

همین چند روز پیش گزارش دادیم که اولین

به خوبی شناخته شده است که وقتی هسته های اتمی سنگین در طی واکنش های هسته ای شکافت می شوند، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. با این حال، می توان ثابت کرد که همجوشی هسته های سبک مقدار بیشتری انرژی آزاد می کند. چنین واکنش هایی را گرما هسته ای می نامیدند.

ماهیت واکنش های گرما هسته ای

واکنش های گرما هسته ای واکنش هایی از همجوشی هسته های سبک هستند که در دماهای بالا رخ می دهند و مقادیر زیادی انرژی آزاد می کنند. سنتز هلیوم از هیدروژن در دمای 108 درجه سانتیگراد انجام می شود. از سنتز یک گرم هلیوم 4.2*1011 ژول آزاد می شود. این انرژی معادل انرژی آزاد شده در طی شکافت کامل 4 گرم اورانیوم یا هنگام سوزاندن 10 تن سوخت دیزل است. واکنش های گرما هسته ای را می توان در ستارگان یافت، جایی که دما و فشار ماده شرایط مناسبی را برای ادغام ایجاد می کند.

واکنش گرما هسته ای همجوشی هلیوم شامل ایزوتوپ های هیدروژن است: تریتیوم و دوتریوم:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

هنگامی که دوتریوم و تریتیوم در هسته هلیوم ترکیب می شوند، یک نوترون و انرژی E = 17.6 MeV آزاد می شود.

شرایط واکنش های گرما هسته ای

برای وقوع واکنش های حرارتی، شرایط خاصی لازم است. لازم است هسته های این ایزوتوپ ها به هم نزدیک شوند. هسته‌های اتم‌ها دارای بار مثبت هستند و بنابراین، هنگامی که به هم می‌رسند، نیروهای کولن عمل می‌کنند و این بارها را از هم جدا می‌کنند.

بر این اساس، برای همجوشی هسته ای باید بر نیروهای دافعه غلبه کرد. این تنها در صورتی امکان پذیر است که خود هسته ها انرژی بسیار بالایی داشته باشند، در درجه اول انرژی جنبشی حرکت، یعنی زمانی که سرعت آنها به اندازه کافی بالا باشد.

هسته های ایزوتوپی فقط در دماهای بسیار بالا می توانند چنین سرعتی داشته باشند. باید به ذرات سرعت کافی داد تا بتوانند در فاصله ≈ 10^-14 متر به یکدیگر نزدیک شوند در چنین فاصله ای نیروهای جاذبه هسته ای شروع به عمل می کنند.

چنین دمایی تنها با انفجار یک بمب اتمی به دست می آید. یعنی برای ایجاد یک واکنش گرما هسته ای ابتدا باید یک واکنش هسته ای ایجاد شود و سپس دما برای نزدیک شدن هسته های ایزوتوپ های هیدروژن و انجام یک واکنش گرما هسته ای کافی خواهد بود. این فرآیند در بمب هیدروژنی، قدرتمندترین بمب اختراع شده توسط انسان، اجرا شد.

واکنش های حرارتی کنترل شده

با این حال، امروزه یک واکنش حرارتی کنترل نشده دیگر مطرح نیست. برای تبدیل انرژی حاصله به انرژی الکتریکی لازم است یک واکنش حرارتی کنترل شده را تسلط داشت. اما یک مشکل وجود دارد. با رسیدن به دمای کافی برای انجام واکنش همجوشی هسته های سبک، ماده نه تنها جامد، مایع یا گاز نیست، بلکه پلاسما می شود.

یعنی هر رآکتوری در چنین دماهایی فوراً تبخیر می شود. این نیاز به یک رویکرد کاملا متفاوت دارد. امروزه با استفاده از آهنرباهای الکتریکی فوق العاده قدرتمند می توان پلاسما را در یک منطقه محدود نگه داشت. اما هنوز امکان استفاده کامل از انرژی به دست آمده در نتیجه یک واکنش گرما هسته ای وجود ندارد.

ما گفتیم که خورشید را در یک جعبه قرار می دهیم. ایده عالی است. اما مشکل این است که ما نمی‌دانیم چگونه این جعبه را بسازیم.» - پیر ژیل دی ژن، برنده جایزه نوبل فیزیک 1991.

در حالی که تعداد کمی از عناصر سنگین برای واکنش های هسته ای روی زمین و به طور کلی در فضا لازم است، عناصر سبک زیادی برای واکنش های گرما هسته ای هم در زمین و هم در فضا وجود دارد. بنابراین، ایده استفاده از انرژی حرارتی هسته‌ای به نفع بشریت تقریباً بلافاصله با درک فرآیندهای زیربنایی آن به وجود آمد - این نویدبخش احتمالات واقعاً بی حد و حصر بود، زیرا ذخایر سوخت هسته‌ای روی زمین باید برای ده‌ها هزار نفر کافی باشد. سال های آینده

قبلاً در سال 1951، دو جهت اصلی برای توسعه راکتورهای گرما هسته‌ای ظاهر شد: آندری ساخاروف و ایگور تام یک معماری توکاماک را توسعه دادند که در آن اتاق کار یک چنبره بود، در حالی که لیمن اسپیتزر معماری با طراحی پیچیده‌تر در شکلی را پیشنهاد کرد که بیشتر یادآور یک نوار موبیوس معکوس نه یک بار، بلکه چندین بار.

سادگی طراحی اساسی توکامک با افزایش ویژگی های آهنرباهای معمولی و ابررسانا و همچنین با افزایش تدریجی اندازه راکتور، امکان توسعه این جهت را برای مدت طولانی فراهم کرد. اما با افزایش پارامترهای پلاسما، به تدریج مشکلات مربوط به رفتار ناپایدار آن ظاهر شد که این روند را کند کرد.

پیچیدگی طراحی ستاره به طور کامل به این واقعیت منجر شد که پس از اولین آزمایشات در دهه 50، توسعه این جهت برای مدت طولانی متوقف شد. اخیراً با ظهور سیستم‌های طراحی مدرن به کمک رایانه، زندگی جدیدی دریافت کرد که امکان طراحی ستاره‌ساز Wendelstein 7-X با پارامترها و دقت طراحی لازم برای عملکرد آن را فراهم کرد.

فیزیک فرآیند و مشکلات اجرای آن

اتم‌های آهن دارای حداکثر انرژی اتصال در هر نوکلئون هستند - یعنی اندازه‌ای از انرژی که باید برای تقسیم یک اتم به نوترون‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده آن، تقسیم بر تعداد کل آنها صرف شود. همه اتم های با جرم کمتر و بیشتر دارای این شاخص زیر آهن هستند:

در این حالت، در واکنش‌های گرما هسته‌ای از همجوشی اتم‌های سبک تا آهن، انرژی آزاد می‌شود و جرم اتم حاصل از مجموع جرم‌های اتم‌های اولیه به مقداری کمتر می‌شود که با انرژی آزاد شده همبستگی دارد. طبق فرمول E = mc² (به اصطلاح نقص جرمی). به همین ترتیب، انرژی در طی واکنش های شکافت هسته ای اتم های سنگین تر از آهن آزاد می شود.

در طی واکنش های همجوشی اتمی، انرژی عظیمی آزاد می شود، اما برای استخراج این انرژی، ابتدا باید تلاش خاصی برای غلبه بر نیروهای دافعه بین هسته های اتمی که دارای بار مثبت هستند (غلبه بر سد کولن) انجام دهیم. پس از اینکه توانستیم یک جفت اتم را به فاصله مورد نیاز کنار هم بیاوریم، برهمکنش هسته ای قوی وارد عمل می شود که نوترون ها و پروتون ها را به هم متصل می کند. برای هر نوع سوخت، سد کولن برای شروع یک واکنش متفاوت است، همانطور که دمای بهینه واکنش متفاوت است:

در این حالت، اولین واکنش های گرما هسته ای اتم ها مدت ها قبل از رسیدن میانگین دمای ماده به این مانع شروع می شود، زیرا انرژی جنبشی اتم ها تابع توزیع ماکسول است:

اما واکنش در دمای نسبتاً پایین (در حد چند میلیون درجه سانتیگراد) بسیار کند پیش می رود. بنابراین فرض کنید در مرکز دما به 14 میلیون درجه سانتیگراد می رسد، اما قدرت ویژه واکنش گرما هسته ای در چنین شرایطی تنها 276.5 W/m³ است و خورشید چندین میلیارد سال طول می کشد تا سوخت خود را به طور کامل مصرف کند. چنین شرایطی برای یک راکتور ترموهسته ای غیرقابل قبول است، زیرا در چنین سطح کم انرژی رهاسازی، ناگزیر بیشتر از آنچه در ازای واکنش دریافت می کنیم، صرف گرمایش و فشرده سازی سوخت گرما هسته ای خواهیم کرد.

با افزایش دمای سوخت، نسبت فزاینده ای از اتم ها شروع به داشتن انرژی از سد کولن می کنند و بازده واکنش افزایش می یابد و به اوج خود می رسد. با افزایش بیشتر دما، سرعت واکنش دوباره شروع به کاهش می‌کند، زیرا انرژی جنبشی اتم‌ها خیلی زیاد می‌شود و آنها از یکدیگر "بیش از حد" عبور می‌کنند و نمی‌توانند با برهمکنش هسته‌ای قوی کنار هم نگه داشته شوند.

بنابراین، راه حل چگونگی به دست آوردن انرژی از یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده به سرعت به دست آمد، اما اجرای این کار برای نیم قرن به طول انجامید و هنوز کامل نشده است. دلیل این امر در شرایط واقعاً جنون آمیز نهفته است که در آن معلوم شد سوخت گرما هسته ای لازم است - برای بازده مثبت از واکنش، دمای آن باید چند ده میلیون درجه سانتیگراد باشد.

هیچ دیواری از نظر فیزیکی نمی‌توانست چنین دمایی را تحمل کند، اما این مشکل تقریباً بلافاصله به حل آن منجر شد: از آنجا که ماده‌ای که تا چنین دماهایی گرم می‌شود یک پلاسمای داغ (گاز کاملا یونیزه) است که بار مثبت دارد، محلول روی سطح است - ما فقط مجبور بودیم چنین پلاسمای گرم شده را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم، که سوخت گرما هسته ای را در فاصله ایمن از دیوارها نگه می دارد.

پیشرفت در جهت اجرای آن

تحقیق در مورد این موضوع به طور همزمان در چندین جهت است:

1. با استفاده از آهنرباهای ابررسانا، دانشمندان در تلاشند تا انرژی صرف شده برای احتراق و حفظ واکنش را کاهش دهند.
2. با کمک نسل‌های جدید ابررساناها، القای میدان مغناطیسی در داخل راکتور افزایش می‌یابد که باعث می‌شود پلاسما با چگالی و دماهای بالاتر حفظ شود که باعث افزایش قدرت ویژه راکتورها در واحد حجم می‌شود.
3. تحقیقات پلاسمای داغ و پیشرفت‌ها در فناوری محاسبات امکان کنترل بهتر جریان‌های پلاسما را فراهم می‌کند و در نتیجه راکتورهای همجوشی را به محدودیت‌های بازده نظری نزدیک‌تر می‌کنند.
4. پیشرفت در قسمت قبلی همچنین به ما امکان می دهد پلاسما را در حالت پایدار برای مدت طولانی تری نگه داریم، که باعث افزایش راندمان راکتور می شود زیرا نیازی به گرم کردن مجدد پلاسما نداریم.

با وجود تمام مشکلات و مشکلاتی که در راه یک واکنش حرارتی کنترل شده وجود داشت، این داستان در حال حاضر به پایان خود نزدیک می شود. در صنعت انرژی، مرسوم است که از شاخص EROEI - بازگشت انرژی به سرمایه گذاری انرژی (نسبت انرژی صرف شده در تولید سوخت به مقدار انرژی که در نهایت از آن به دست می آوریم) برای محاسبه بازده سوخت استفاده شود. و در حالی که EROEI زغال سنگ همچنان به رشد خود ادامه می دهد، این شاخص برای نفت و گاز در اواسط قرن گذشته به اوج خود رسید و اکنون به طور پیوسته در حال کاهش است، زیرا ذخایر جدید این سوخت ها در مکان های غیرقابل دسترس و همیشه قرار دارند. اعماق بیشتر:

در عین حال، ما همچنین نمی توانیم تولید زغال سنگ را افزایش دهیم، زیرا دریافت انرژی از آن فرآیند بسیار کثیفی است و به معنای واقعی کلمه در حال حاضر جان مردم را از بیماری های مختلف ریوی می گیرد. به هر شکلی، ما اکنون در آستانه پایان عصر سوخت های فسیلی ایستاده ایم - و این دسیسه محیط بانان نیست، بلکه محاسبات اقتصادی پیش پا افتاده هنگام نگاه کردن به آینده است. در همان زمان، EROI راکتورهای آزمایشی حرارتی هسته ای، که در اواسط قرن گذشته نیز ظاهر شد، به طور پیوسته رشد کرد و در سال 2007 به سد روانی یک رسید - یعنی امسال برای اولین بار بشریت توانست انرژی بیشتری به دست آورد. از طریق یک واکنش گرما هسته ای نسبت به اجرای آن صرف شده است. و علیرغم این واقعیت که اجرای راکتور، آزمایشات با آن و تولید اولین نیروگاه حرارتی هسته ای نمایشی DEMO بر اساس تجربه به دست آمده در طول اجرای ITER هنوز زمان زیادی را می طلبد. دیگر شکی نیست که آینده ما در چنین رآکتورهایی نهفته است.

نقد تحقیق

انتقاد اصلی از تحقیقات راکتورهای همجوشی این است که تحقیقات بسیار کند پیش می رود. و این درست است - از اولین آزمایش‌ها تا تولید یک واکنش گرما هسته‌ای، 66 سال طول کشید. اما اصل مشکل در اینجا این است که بودجه برای چنین تحقیقاتی هرگز به سطح مورد نیاز نرسیده است - در اینجا نمونه ای از برآوردهای اداره تحقیق و توسعه انرژی ایالات متحده از سطح بودجه پروژه راکتور همجوشی و زمان تکمیل آن آورده شده است:

همانطور که از این نمودار مشاهده می شود، تعجب آور است که نه تنها ما هنوز راکتورهای گرما هسته ای تجاری که الکتریسیته تولید می کنند نداریم، بلکه در حال حاضر توانسته ایم به هر خروجی انرژی مثبت از راکتورهای تجربی دست یابیم.