Fuusioreaktio on seuraava: otetaan kaksi tai useampia atomiytimiä ja ne lähestyvät tietyllä voimalla niin paljon, että sellaisilla etäisyyksillä vaikuttavat voimat ylittävät Coulombin hylkimisvoimat yhtä varautuneiden ytimien välillä. josta muodostuu uusi ydin. Sen massa on hieman pienempi kuin alkuperäisten ytimien massojen summa, ja erosta tulee reaktion aikana vapautuva energia. Vapautuvan energian määrää kuvaa hyvin tunnettu kaava E=mc². Kevyempiä atomiytimiä on helpompi tuoda oikealle etäisyydelle, joten vety - maailmankaikkeuden runsain alkuaine - on paras polttoaine fuusioreaktioon.

On todettu, että vedyn kahden isotoopin, deuteriumin ja tritiumin, seos vaatii fuusioreaktioon vähiten energiaa verrattuna reaktion aikana vapautuvaan energiaan. Vaikka deuteriumin ja tritiumin seos (D-T) on useimpien fuusiotutkimusten kohteena, se ei kuitenkaan suinkaan ole ainoa mahdollinen polttoaine. Muut seokset voivat olla helpompia valmistaa; niiden reaktiota voidaan hallita paremmin, tai mikä vielä tärkeämpää, tuottaa vähemmän neutroneja. Erityisen kiinnostavia ovat niin kutsutut "neutronittomat" reaktiot, koska tällaisen polttoaineen menestyksekäs teollinen käyttö merkitsee sitä, että materiaalit ja reaktorin rakenne eivät sisällä pitkäaikaista radioaktiivista kontaminaatiota, mikä puolestaan ​​voi vaikuttaa myönteisesti yleiseen mielipiteeseen. ja reaktorin käytön kokonaiskustannukset, mikä vähentää merkittävästi sen käytöstä poistamisen kustannuksia. Ongelmana on edelleen, että vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävä fuusioreaktio on paljon vaikeampi ylläpitää, joten D-T-reaktiota pidetään vain välttämättömänä ensimmäisenä vaiheena.

Deuterium-tritium-reaktion kaavio

Ohjattu lämpöydinfuusio voi käyttää erilaisia ​​lämpöydinreaktioita käytetyn polttoaineen tyypistä riippuen.

Deuterium + tritium -reaktio (D-T-polttoaine)

Helposti toteutettavissa oleva reaktio on deuterium + tritium:

2 H + 3 H = 4 He + n 17,6 MeV:n (MeV) teholla

Tällainen reaktio on helpoimmin toteutettavissa nykyaikaisten teknologioiden näkökulmasta, se antaa merkittävän energiasaannon ja polttoainekomponentit ovat halpoja. Sen haittapuoli on ei-toivotun neutronisäteilyn vapautuminen.

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

²H + ³He = 4 He + . 18,4 MeV:n energiateholla

Sen saavuttamisen edellytykset ovat paljon monimutkaisemmat. Helium-3 on myös harvinainen ja erittäin kallis isotooppi. Tällä hetkellä sitä ei valmisteta teollisessa mittakaavassa. Sitä voidaan kuitenkin saada tritiumista, jota saadaan vuorostaan ​​ydinvoimaloissa.

Termoydinreaktion suorittamisen monimutkaisuus voidaan luonnehtia nTt:n kolminkertaisella tulolla (tiheys kertaa lämpötila kertaa sulkemisaika). Tämän parametrin mukaan D-3He-reaktio on noin 100 kertaa vaikeampi kuin D-T.

Deuteriumytimien välinen reaktio (D-D, yksiajoaine)

Myös deuteriumytimien väliset reaktiot ovat mahdollisia, ne ovat hieman vaikeampia kuin helium-3:n reaktiot:

Tämän seurauksena DD-plasman pääreaktion lisäksi tapahtuu myös seuraavaa:

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

Muuntyyppiset reaktiot

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

"Neutronittomat" reaktiot

Lupaavimmat ns. "neutronittomat" reaktiot, koska lämpöydinfuusion synnyttämä neutronivuo (esimerkiksi deuterium-tritium-reaktiossa) kuljettaa pois merkittävän osan tehosta ja synnyttää indusoitua radioaktiivisuutta reaktorin suunnittelussa. Deuterium-helium-3-reaktio on lupaava myös neutronisaannon puutteen vuoksi.

ehdot

Litium-6:n ydinreaktio deuterium 6:n kanssa Li(d,α)α

CTS on mahdollista, kun kaksi kriteeriä täyttyy samanaikaisesti:

• Plasman lämpötila:

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

• Lawson-kriteerin noudattaminen:

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

missä on korkean lämpötilan plasman tiheys ja plasman sulkemisaika järjestelmässä.

Näiden kahden kriteerin arvosta riippuu pääasiassa tietyn lämpöydinreaktion nopeus.

Tällä hetkellä hallittua lämpöydinfuusiota ei ole vielä toteutettu teollisessa mittakaavassa. Kansainvälisen ITER-tutkimusreaktorin rakentaminen on alkuvaiheessa.

Lämpöydinenergia ja helium-3

Helium-3-varannot maapallolla vaihtelevat 500 kg:sta 1 tonniin, mutta Kuussa niitä on merkittäviä määriä: jopa 10 miljoonaa tonnia (minimiarvioiden mukaan - 500 tuhatta tonnia). Tällä hetkellä hallittu lämpöydinreaktio suoritetaan fuusioimalla deuterium ²H ja tritium ³H vapauttamalla helium-4 4 He ja "nopea" neutroni n:

Kuitenkin tässä tapauksessa suurin osa (yli 80 %) vapautuneesta liike-energiasta putoaa juuri neutronille. Fragmenttien törmäysten seurauksena muiden atomien kanssa tämä energia muuttuu lämpöenergiaksi. Lisäksi nopeat neutronit synnyttävät huomattavan määrän radioaktiivista jätettä. Sitä vastoin deuteriumin ja helium-3:n synteesi ³He ei tuota (lähes) radioaktiivisia tuotteita:

Missä p on protoni

Tämä mahdollistaa yksinkertaisempien ja tehokkaampien järjestelmien, kuten magnetohydrodynaamisen generaattorin, käytön kineettisen fuusioreaktion muuntamiseksi.

Reaktorin suunnittelu

Ohjatun lämpöydinfuusion toteuttamiseksi tarkastellaan kahta pääsuunnitelmaa.

Ensimmäisen tyyppisten lämpöydinreaktorien tutkimukset ovat paljon kehittyneempiä kuin toisen tyypin. Ydinfysiikassa lämpöydinfuusion tutkimuksessa magneettiloukkua käytetään plasman pitämiseen tietyssä tilavuudessa. Magneettiloukku on suunniteltu estämään plasma kosketuksesta lämpöydinreaktorin elementteihin, ts. käytetään ensisijaisesti lämmöneristeenä. Rajoitusperiaate perustuu varautuneiden hiukkasten vuorovaikutukseen magneettikentän kanssa, nimittäin varautuneiden hiukkasten pyörimiseen magneettikenttälinjojen ympäri. Valitettavasti magnetoitu plasma on erittäin epävakaa ja pyrkii poistumaan magneettikentästä. Siksi tehokkaan magneettiloukun luomiseksi käytetään tehokkaimpia sähkömagneetteja, jotka kuluttavat valtavan määrän energiaa.

Termoydinreaktorin kokoa on mahdollista pienentää, jos siinä käytetään samanaikaisesti kolmea menetelmää lämpöydinreaktion aikaansaamiseksi.

A. Inertiaalinen synteesi. Säteilytä pieniä deuterium-tritiumpolttoainekapseleita 500 biljoonaa wattia:5 laserilla. 10^14W. Tämä jättimäinen, erittäin lyhytaikainen 10^-8 s laserpulssi saa polttoainekapselit räjähtämään, mikä johtaa minitähdin syntymiseen sekunnin murto-osalla. Mutta lämpöydinreaktiota sillä ei saada aikaan.

B. Käytä Z-konetta samanaikaisesti Tokamakin kanssa.

Z-Machine toimii eri tavalla kuin laser. Se kulkee polttoainekapselia ympäröivän ohuimpien lankojen verkon läpi, lataus, jonka teho on puoli biljoonaa wattia 5,10 ^ 11 wattia.

Sitten tapahtuu sama kuin laserilla: Z-iskun seurauksena saadaan tähti. Z-Machinella tehtyjen testien aikana fuusioreaktio oli jo mahdollista käynnistää. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Peitä kapselit hopealla ja yhdistä hopea- tai grafiittilangalla. Sytytysprosessi näyttää tältä: Ammu lanka (kiinnitettynä joukkoon hopeapalloja, jotka sisältävät deuteriumin ja tritiumin seosta) tyhjiökammioon. Muodosta häiriön (purkauksen) aikana salamakanava niiden läpi, syötä virta plasman läpi. Säteilytä kapseleita ja plasmaa samanaikaisesti lasersäteilyllä. Ja samaan aikaan tai aikaisemmin käynnistä tokamak. Käytä kolmea plasmalämmitysprosessia samanaikaisesti. Eli laita Z-kone ja laserlämmitys yhteen Tokamakin sisään. Voi olla mahdollista luoda värähtelevä piiri Tokamak-käämeistä ja järjestää resonanssi. Silloin se toimisi taloudellisessa värähtelevässä tilassa.

Polttoainekierto

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

. .

Reaktio Li6:n kanssa on eksoterminen, joka tuottaa vain vähän energiaa reaktorille. Reaktio Li7:n kanssa on endoterminen - mutta ei kuluta neutroneja. Ainakin joitain Li7-reaktioita tarvitaan korvaamaan reaktioissa kadonneita neutroneja muilla alkuaineilla. Useimmat reaktorimallit käyttävät luonnollisia litium-isotooppien seoksia.

Tällä polttoaineella on useita haittoja:

Reaktiossa syntyy huomattava määrä neutroneja, jotka aktivoivat (radioaktiivisesti infektoivat) reaktorin ja lämmönvaihtimen. Tarvitaan myös suojatoimenpiteitä mahdolliselta radioaktiivisen tritiumin lähteeltä.

Vain noin 20 % fuusioenergiasta on varautuneiden hiukkasten muodossa (loput ovat neutroneja), mikä rajoittaa mahdollisuutta muuttaa fuusioenergia suoraan sähköksi. D-T-reaktion käyttö riippuu käytettävissä olevista litiumvarannoista, jotka ovat paljon pienempiä kuin deuteriumvarastot. Neutronialtistus D-T-reaktion aikana on niin merkittävä, että tähän mennessä suurimmassa tätä polttoainetta käyttävässä reaktorissa JET:ssä suoritettujen ensimmäisten testien jälkeen reaktori muuttui niin radioaktiiviseksi, että vuoden testisyklin suorittamiseksi piti lisätä robotti-etähuoltojärjestelmä. .

Teoriassa on olemassa vaihtoehtoisia polttoainetyyppejä, joilla ei ole näitä haittoja. Mutta niiden käyttöä haittaa perustavanlaatuinen fyysinen rajoitus. Jotta fuusioreaktiosta saadaan riittävästi energiaa, on välttämätöntä pitää riittävän tiheä plasma fuusiolämpötilassa (10 8 K) tietyn ajan. Tätä synteesin perustavaa laatua olevaa näkökohtaa kuvaa plasman tiheyden, n, ja kuumennetun plasmasisällön ajan τ tulo, joka tarvitaan tasapainopisteen saavuttamiseen. Tulo, nτ, riippuu polttoaineen tyypistä ja on plasman lämpötilan funktio. Kaikista polttoainetyypeistä deuterium-tritium-seos vaatii alimman nτ-arvon vähintään suuruusluokan ja alimman reaktiolämpötilan vähintään 5 kertaa. Näin ollen D-T-reaktio on välttämätön ensimmäinen askel, mutta muiden polttoaineiden käyttö on edelleen tärkeä tutkimustavoite.

Fuusioreaktio teollisena voimanlähteenä

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

• Melkein ehtymättömät polttoainevarat (vety)
• Polttoainetta voidaan ottaa merivedestä millä tahansa maailman rannikolla, mikä tekee mahdottomaksi yhden tai ryhmän maiden monopolisoida polttoainetta
• Hallitsemattoman fuusioreaktion mahdottomuus
• Ei palamistuotteita
• Ei ole tarvetta käyttää materiaaleja, joita voidaan käyttää ydinaseiden valmistukseen, mikä eliminoi sabotaasi- ja terrorismitapaukset
• Ydinreaktoreihin verrattuna syntyy mitätön määrä radioaktiivista jätettä, jonka puoliintumisaika on lyhyt.
• Deuteriumilla täytetyn sormustimen arvioidaan tuottavan 20 tonnia hiiltä. Keskikokoinen järvi pystyy tarjoamaan energiaa mille tahansa maalle sadoiksi vuosiksi. On kuitenkin huomattava, että olemassa olevat tutkimusreaktorit on suunniteltu saamaan aikaan suora deuterium-tritium (DT) -reaktio, jonka polttoainekierto edellyttää litiumin käyttöä tritiumin tuottamiseen, kun taas väitteet ehtymättömästä energiasta viittaavat deuterium-deuteriumin käyttöön. (DD) reaktio toisen sukupolven reaktoreissa.
• Aivan kuten fissioreaktio, fuusioreaktio ei tuota hiilidioksidipäästöjä ilmakehään, mikä on merkittävä ilmaston lämpenemisen tekijä. Tämä on merkittävä etu, sillä fossiilisten polttoaineiden käyttö sähköntuotannossa johtaa siihen, että esimerkiksi USA tuottaa 29 kg CO 2:ta (yksi tärkeimmistä kaasuista, jota voidaan pitää ilmaston lämpenemisen aiheuttajana) Yhdysvaltain asukasta kohden. päivässä.

Sähkön hinta verrattuna perinteisiin lähteisiin

Kriitikot huomauttavat, että kysymys ydinfuusion käytön taloudellisesta kannattavuudesta sähkön tuottamiseen on edelleen avoin. Sama Ison-Britannian parlamentin tiede- ja teknologiaoikeusviraston tilaama tutkimus osoittaa, että fuusioreaktorilla sähköntuotannon kustannukset ovat todennäköisesti tavanomaisten energialähteiden kustannusspektrin kärjessä. Paljon riippuu tulevaisuuden teknologiasta, markkinoiden rakenteesta ja sääntelystä. Sähkön hinta riippuu suoraan käytön tehokkuudesta, toiminnan kestosta ja reaktorin käytöstäpoistokustannuksista. Fuusioenergian kaupallisen käytön kriitikot kiistävät sen, että hallitus tukee voimakkaasti hiilivetypolttoaineita sekä suoraan että epäsuorasti, kuten asevoimien käyttö varmistaakseen niiden jatkuvan toimituksen. Irakin sota mainitaan usein kiistanalaisena esimerkkinä tämä tukimenetelmä. Tällaisten välillisten tukien kirjanpito on erittäin monimutkaista ja tekee tarkan kustannusten vertailun lähes mahdotonta.

Kysymys on myös tutkimuksen kustannuksista. Euroopan yhteisön maat käyttävät tutkimukseen vuosittain noin 200 miljoonaa euroa, ja ennustetaan kestävän vielä useita vuosikymmeniä ennen kuin ydinfuusion teollinen käyttö tulee mahdolliseksi. Vaihtoehtoisten energialähteiden kannattajat uskovat, että nämä varat olisi tarkoituksenmukaisempaa suunnata uusiutuvien energialähteiden käyttöönottoon.

Kaupallisen fuusioenergian saatavuus

Valitettavasti laajalle levinneestä optimismista (yleistä 1950-luvulta, jolloin ensimmäinen tutkimus alkoi) huolimatta merkittäviä esteitä ydinfuusioprosessien nykyisen ymmärryksen, teknisten mahdollisuuksien ja ydinfuusion käytännön käytön välillä ei ole valitettavasti vielä voitettu, on epäselvää, kuinka paljon voidaan olla taloudellisesti kannattavaa sähköntuotantoa lämpöydinfuusiota käyttämällä. Vaikka tutkimus edistyy jatkuvasti, tutkijat kohtaavat jatkuvasti uusia haasteita. Haasteena on esimerkiksi kehittää materiaali, joka kestää neutronipommituksen, jonka arvioidaan olevan 100 kertaa voimakkaampi kuin perinteiset ydinreaktorit.

Tutkimuksessa on seuraavat vaiheet:

1.Tasapaino tai "hyväksytty" tila(Break-even): kun fuusioprosessin aikana vapautuva kokonaisenergia on yhtä suuri kuin reaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen käytetty kokonaisenergia. Tämä suhde on merkitty symbolilla Q. Reaktiotasapaino osoitettiin JET:ssä (Joint European Torus) Isossa-Britanniassa vuonna 1997. (Kuluttuaan 52 MW sähköä sen lämmittämiseen, tutkijat saivat teholla 0,2 MW kulutettua enemmän.)

2.Hehkuvaa plasmaa(Burning Plasma): Välivaihe, jossa reaktiota tukevat pääasiassa alfa-hiukkaset, joita syntyy reaktion aikana, ei ulkoinen kuumennus. Q ≈ 5. Ei vieläkään saavutettu.

3. Sytytys(Sytytys): Stabiili reaktio, joka ylläpitää itsensä. Pitäisi saavuttaa korkeilla Q-arvoilla Ei vielä saavutettu.

Tutkimuksen seuraava vaihe olisi ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), kansainvälinen lämpöydinkoereaktori. Tässä reaktorissa on tarkoitus tutkia korkean lämpötilan plasman (flaming plasma Q ~ 30) ja rakennemateriaalien käyttäytymistä teollisuusreaktoria varten. Tutkimuksen viimeinen vaihe on DEMO: prototyyppi teollisuusreaktori, joka saavuttaa syttymisen ja osoittaa uusien materiaalien käytännön soveltuvuuden. Optimistisimmilla ennusteilla DEMO-vaiheen valmistumiselle: 30 vuotta. Ottaen huomioon teollisuusreaktorin arvioitu rakentamis- ja käyttöönottoaika, eroamme lämpöydinenergian teollisesta käytöstä ~40 vuotta.

Olemassa olevat tokamakit

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

• Neuvostoliitto ja Venäjä
  • T-3 on ensimmäinen toimiva laite.
  • T-4 - suurennettu versio T-3:sta
  • T-7 on ainutlaatuinen asennus, jossa ensimmäistä kertaa maailmassa toteutettiin suhteellisen suuri magneettijärjestelmä, jossa on nestemäisellä heliumilla jäähdytetty tinaniobaattipohjainen suprajohtava solenoidi. T-7:n päätehtävä valmistui: valmisteltiin näkymä lämpöydinenergian seuraavan sukupolven suprajohtaville solenoideille.
  • T-10 ja PLT ovat seuraava askel maailman fuusiotutkimuksessa, ne ovat lähes samankokoisia, yhtä tehokkaita ja samalla rajauskertoimella. Ja saadut tulokset ovat identtisiä: lämpöydinfuusion haluttu lämpötila on saavutettu molemmissa reaktoreissa, ja Lawson-kriteerin mukainen viive on vain kaksisataa kertaa.
  • T-15 on tämän päivän reaktori, jossa on suprajohtava solenoidi, jonka kenttä on 3,6 T.
• Libya
  • TM-4A
• Eurooppa ja Iso-Britannia
  • JET (englanniksi) (Joint Europeus Tor) on maailman suurin tokamak, jonka on luonut Iso-Britanniassa sijaitseva Euratom-organisaatio. Se käyttää yhdistettyä lämmitystä: 20 MW - neutraali injektio, 32 MW - ionisyklotroniresonanssi. Seurauksena on, että Lawson-kriteeri on vain 4-5 kertaa alhaisempi kuin sytytystaso.
  • Tore Supra (fr.) (eng.) on suprajohtavilla keloilla varustettu tokamak, yksi maailman suurimmista. Sijaitsee Cadarachen (Ranska) tutkimuskeskuksessa.
• USA
  • TFTR (englanniksi) (Test Fusion Tokamak Reactor) - Yhdysvaltain suurin tokamak (Princetonin yliopistossa), jossa on lisälämmitys nopeilla neutraaleilla hiukkasilla. Saavutettiin korkea tulos: Lawson-kriteeri todellisessa lämpöydinlämpötilassa on vain 5,5 kertaa syttymisrajaa alempi. Suljettu vuonna 1997
  • NSTX (englanniksi) (National Spherical Torus Experiment) on pallomainen tokamak (sferomak), joka toimii tällä hetkellä Princetonin yliopistossa. Ensimmäinen plasma reaktorissa saatiin vuonna 1999, kaksi vuotta TFTR:n sulkemisen jälkeen.

Nykyaikaisten astrofysikaalisten käsitysten mukaan Auringon ja muiden tähtien pääasiallinen energianlähde on niiden syvyyksissä tapahtuva lämpöydinfuusio. Maanpäällisissä olosuhteissa se suoritetaan vetypommin räjähdyksen aikana. Termoydinfuusion mukana on valtava energian vapautuminen reagoivien aineiden massayksikköä kohden (noin 10 miljoonaa kertaa suurempi kuin kemiallisissa reaktioissa). Siksi on erittäin mielenkiintoista hallita tämä prosessi ja luoda sen perusteella halpa ja ympäristöystävällinen energialähde. Huolimatta siitä, että suuret tieteelliset ja tekniset ryhmät monissa kehittyneissä maissa tutkivat ohjattua lämpöydinfuusiota (CTF), on kuitenkin vielä monia monimutkaisia ​​ongelmia ratkaistava, ennen kuin lämpöydinenergian teollinen tuotanto toteutuu.

Nykyaikaiset fissioprosessia käyttävät ydinvoimalaitokset tyydyttävät vain osittain maailman sähköntarpeen. Niiden polttoaineena ovat luonnolliset radioaktiiviset alkuaineet uraani ja torium, joiden esiintyvyys ja varat luonnossa ovat hyvin rajalliset; siksi monille maille on ongelma niiden tuonnissa. Termoydinpolttoaineen pääkomponentti on vety-isotooppi deuterium, jota löytyy merivedestä. Sen varannot ovat julkisesti saatavilla ja erittäin suuret (maailmanvaltameret kattavat ~ 71 % maapallon pinta-alasta, ja deuteriumin osuus on noin 0,016 % veden muodostavien vetyatomien kokonaismäärästä). Polttoaineen saatavuuden lisäksi lämpöydinenergialähteillä on seuraavat tärkeät edut ydinvoimaloihin verrattuna: 1) UTS-reaktori sisältää paljon vähemmän radioaktiivisia aineita kuin ydinfissioreaktori, ja siksi radioaktiivisten tuotteiden vahingossa vapautumisen seuraukset ovat pienemmät. vaarallinen; 2) lämpöydinreaktiot tuottavat vähemmän pitkäikäistä radioaktiivista jätettä; 3) TCB mahdollistaa suoran sähköntuotannon.

YDINFUUSION FYSIKAALISET PERUSTEET

Fuusioreaktion onnistunut toteuttaminen riippuu käytettyjen atomiytimien ominaisuuksista ja mahdollisuudesta saada tiheää korkean lämpötilan plasmaa, joka on välttämätöntä reaktion käynnistämiseksi.

Ydinvoimat ja reaktiot.

Energian vapautuminen ydinfuusion aikana johtuu ytimen sisällä toimivista erittäin voimakkaista vetovoimista; nämä voimat pitävät yhdessä protonit ja neutronit, jotka muodostavat ytimen. Ne ovat erittäin voimakkaita ~10–13 cm:n etäisyyksillä ja heikkenevät erittäin nopeasti etäisyyden kasvaessa. Näiden voimien lisäksi positiivisesti varautuneet protonit luovat sähköstaattisia hylkimisvoimia. Sähköstaattisten voimien vaikutussäde on paljon suurempi kuin ydinvoimien, joten ne alkavat hallita, kun ytimet ovat kauempana toisistaan.

Kuten G. Gamov osoitti, kahden lähestyvän kevyen ytimen välisen reaktion todennäköisyys on verrannollinen , missä e – luonnollisten logaritmien kanta, Z 1 ja Z 2 ovat protonien lukumäärä vuorovaikutuksessa olevissa ytimissä, W on heidän suhteellisen lähestymistavan energiaa, ja K on vakiokerroin. Reaktion suorittamiseen tarvittava energia riippuu kunkin ytimen protonien määrästä. Jos se on enemmän kuin kolme, tämä energia on liian korkea ja reaktio on käytännössä mahdotonta. Näin ollen lisääntyessä Z 1 ja Z 2 reaktion todennäköisyys pienenee.

Kahden ytimen vuorovaikutuksen todennäköisyydelle on tyypillistä "reaktion poikkileikkaus", joka mitataan navetoissa (1 b = 10–24 cm 2). Reaktion poikkileikkaus on ytimen tehollisen poikkileikkauksen alue, johon toisen ytimen on "päästävä", jotta niiden vuorovaikutus tapahtuisi. Deuteriumin ja tritiumin reaktion poikkileikkaus saavuttaa maksimiarvonsa (~5 b), kun vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten suhteellinen lähestymisenergia on noin 200 keV. 20 keV:n energialla poikkileikkaus on pienempi kuin 0,1 b.

Miljoonasta kiihdytetystä hiukkasesta, joka osuu kohteeseen, vain yksi pääsee ydinvuorovaikutukseen. Loput haihduttavat energiansa kohdeatomien elektroneihin ja hidastuvat nopeuteen, jolla reaktio muuttuu mahdottomaksi. Näin ollen menetelmä pommittaa kiinteää kohdetta kiihdytetyillä ytimillä (kuten Cockcroft-Waltonin kokeessa) ei sovellu CTS:lle, koska tässä tapauksessa saatu energia on paljon vähemmän kuin käytetty energia.

Lämpöydinpolttoaineet.

Mukana olevat reaktiot p, joilla on päärooli ydinfuusion prosesseissa Auringossa ja muissa homogeenisissa tähdissä, ei ole käytännössä kiinnostavaa maanpäällisissä olosuhteissa, koska niillä on liian pieni poikkileikkaus. Termoydinfuusion toteuttamiseen maan päällä sopivampi polttoainetyyppi, kuten edellä mainittiin, on deuterium.

Mutta todennäköisin reaktio toteutuu deuteriumin ja tritiumin tasakomponenttisessa seoksessa (DT-seos). Valitettavasti tritium on radioaktiivista ja lyhyen puoliintumisajan (T 1/2 ~ 12,3 vuotta) vuoksi sitä ei käytännössä koskaan löydy luonnosta. Sitä saadaan keinotekoisesti fissioreaktoreissa ja myös sivutuotteena reaktioissa deuteriumin kanssa. Tritiumin puuttuminen luonnosta ei kuitenkaan ole este DT-fuusioreaktioiden käytölle, koska tritiumia voidaan tuottaa säteilyttämällä 6 Li-isotooppia fuusion aikana syntyvillä neutroneilla: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Jos lämpöydinkammiota ympäröi 6 Li:n kerros (luonnollinen litium sisältää 7%), on mahdollista suorittaa kuluvan tritiumin täydellinen jäljentäminen. Ja vaikka käytännössä osa neutroneista väistämättä katoaa, niiden menetys voidaan helposti korvata lisäämällä kuoreen sellainen alkuaine kuin beryllium, jonka ydin, kun yksi nopea neutroni osuu siihen, lähettää kaksi.

Termoydinreaktorin toimintaperiaate.

Kevyiden ytimien fuusioreaktiota, jonka tarkoituksena on saada hyödyllistä energiaa, kutsutaan kontrolloiduksi lämpöydinfuusioksi. Se suoritetaan satojen miljoonien kelvinien luokkaa olevissa lämpötiloissa. Tämä prosessi on toistaiseksi toteutettu vain laboratorioissa.

Aika- ja lämpötilaolosuhteet.

Hyödyllisen lämpöydinenergian saaminen on mahdollista vain, jos kaksi ehtoa täyttyvät. Ensinnäkin synteesiin tarkoitettu seos on lämmitettävä lämpötilaan, jossa ytimien kineettinen energia varmistaa suuren todennäköisyyden niiden yhteensulautumiseen törmäyksessä. Toiseksi, reagoivan seoksen tulee olla erittäin hyvin lämpöeristetty (eli korkea lämpötila on säilytettävä riittävän pitkään, jotta tarvittava määrä reaktioita tapahtuu ja siitä vapautuva energia ylittää polttoaineen lämmittämiseen käytetyn energian).

Määrällisesti tämä ehto ilmaistaan ​​seuraavasti. Ydinseoksen lämmittämiseksi sen tilavuudesta on syötettävä energiaa yksi kuutiosenttimetri P 1 = knt, missä k- numeerinen kerroin, n- seoksen tiheys (ytimien lukumäärä 1 cm 3:ssä), T- vaadittava lämpötila. Reaktion ylläpitämiseksi lämpöydinseokseen annettua energiaa on säilytettävä ajan t. Jotta reaktori olisi energeettisesti kannattava, on välttämätöntä, että siinä vapautuu tänä aikana enemmän lämpöydinenergiaa kuin mitä lämmitykseen kului. Vapautunut energia (myös per 1 cm 3) ilmaistaan ​​seuraavasti:

missä f(T) on seoksen lämpötilasta ja sen koostumuksesta riippuva kerroin, R on energia, joka vapautuu yhdessä synteesin alkuvaiheessa. Sitten energian kannattavuuden ehto P 2 > P 1 ottaa lomakkeen

Viimeinen epäyhtälö, joka tunnetaan nimellä Lawson-kriteeri, on kvantitatiivinen ilmaus lämmöneristyksen täydellisyyden vaatimuksista. Oikea puoli - "Lawsonin numero" - riippuu vain seoksen lämpötilasta ja koostumuksesta, ja mitä suurempi se on, sitä tiukemmat ovat lämmöneristysvaatimukset, ts. sitä vaikeampaa on reaktorin luominen. Hyväksyttävien lämpötilojen alueella puhtaan deuteriumin Lawson-luku on 10 16 s/cm 3 ja tasakomponenttisella DT-seoksella 2×10 14 s/cm 3 . Siten DT-seos on edullinen fuusiopolttoaine.

Lawsonin kriteerin mukaisesti, joka määrittää tiheyden ja sulkuajan tuotteen energeettisesti edullisen arvon, lämpöydinreaktorissa tulisi käyttää mahdollisimman suurta. n tai t. Siksi CTS-tutkimukset hajaantuivat kahteen eri suuntaan: ensimmäisessä tutkijat yrittivät pitää suhteellisen harvinaista plasmaa magneettikentän avulla riittävän pitkään; toisessa, laserien avulla lyhyen aikaa luoda plasma, jolla on erittäin korkea tiheys. Ensimmäiseen lähestymistapaan on omistettu paljon enemmän työtä kuin toiseen.

Plasman magneettinen sulkeminen.

Fuusioreaktion aikana kuuman lähtöaineen tiheyden tulee pysyä tasolla, joka antaisi riittävän korkean hyötyenergian saannon tilavuusyksikköä kohti paineessa, jonka plasmakammio kestää. Esimerkiksi deuterium-tritiumin seokselle lämpötilassa 10 8 K saanto määräytyy lausekkeella

Jos hyväksyt P yhtä suuri kuin 100 W / cm 3 (joka vastaa suunnilleen ydinfissioreaktorien polttoaine-elementtien vapauttamaa energiaa), sitten tiheys n pitäisi olla n. 10 15 ydintä / cm 3 ja vastaava paine nt- noin 3 MPa. Retentioajan tulee tässä tapauksessa Lawsonin kriteerin mukaan olla vähintään 0,1 s. Deuterium-deuterium-plasmalle lämpötilassa 10 9 K

Tässä tapauksessa milloin P\u003d 100 W / cm 3, n» 3×10 15 ydintä/cm 3 ja paine noin 100 MPa, vaadittava pitoaika on yli 1 s. Huomaa, että nämä tiheydet ovat vain 0,0001 ilmakehän ilmaa, joten reaktorikammio on tyhjennettävä korkeaan tyhjiöön.

Yllä olevat arviot retentioajasta, lämpötilasta ja tiheydestä ovat tyypillisiä minimiparametreja, joita vaaditaan fuusioreaktorin toiminnalle, ja ne saavutetaan helpommin deuterium-tritium-seoksen tapauksessa. Mitä tulee lämpöydinreaktioihin, jotka tapahtuvat vetypommin räjähdyksen aikana ja tähtien sisätiloissa, on pidettävä mielessä, että täysin erilaisista olosuhteista johtuen ensimmäisessä tapauksessa ne etenevät hyvin nopeasti ja toisessa - erittäin hitaasti verrattuna prosesseihin lämpöydinreaktorissa.

Plasma.

Kun kaasua kuumennetaan voimakkaasti, sen atomit menettävät osittain tai kokonaan elektroneja, mikä johtaa positiivisesti varautuneiden hiukkasten muodostumiseen, joita kutsutaan ioneiksi ja vapaiksi elektroneiksi. Yli miljoonan asteen lämpötiloissa kevyistä alkuaineista koostuva kaasu ionisoituu täysin, ts. jokainen atomi menettää kaikki elektroninsa. Ionisoituneessa tilassa olevaa kaasua kutsutaan plasmaksi (termin esitteli I. Langmuir). Plasman ominaisuudet eroavat merkittävästi neutraalin kaasun ominaisuuksista. Koska plasmassa on vapaita elektroneja, plasma johtaa erittäin hyvin sähkövirtaa ja sen johtavuus on verrannollinen T 3/2. Plasmaa voidaan lämmittää ohjaamalla sen läpi sähkövirta. Vetyplasman johtavuus 10 8 K:ssa on sama kuin kuparin huoneenlämpötilassa. Plasman lämmönjohtavuus on myös erittäin korkea.

Jotta plasma pysyisi esimerkiksi 10 8 K lämpötilassa, se on lämpöeristettävä luotettavasti. Periaatteessa plasma voidaan eristää kammion seinistä asettamalla se vahvaan magneettikenttään. Tämä saadaan aikaan voimilla, jotka syntyvät virtojen vuorovaikutuksessa plasman magneettikentän kanssa.

Magneettikentän vaikutuksesta ionit ja elektronit liikkuvat spiraaleina sen voimalinjoja pitkin. Siirtyminen voimalinjasta toiseen on mahdollista, kun hiukkaset törmäävät ja kun poikittaista sähkökenttää käytetään. Sähkökenttien puuttuessa korkean lämpötilan harvinainen plasma, jossa törmäyksiä tapahtuu harvoin, diffundoituu vain hitaasti magneettikenttälinjojen yli. Jos magneettikentän voimalinjat ovat suljettuja, jolloin ne ovat silmukan muotoisia, plasmahiukkaset liikkuvat näitä linjoja pitkin pysyen silmukan alueella. Tällaisen suljetun magneettisen plasman rajoittamiseen tarkoitetun konfiguraation lisäksi ehdotettiin myös avoimia järjestelmiä (joissa kenttäviivat tulevat ulos kammion päistä ulos), joissa hiukkaset jäävät kammion sisälle magneettisten "tulppien" vuoksi, jotka rajoittavat. hiukkasten liikettä. Magneettiset peilit luodaan kammion päihin, joissa kenttävoimakkuuden asteittaisen lisääntymisen seurauksena muodostuu kaventuva kenttäviivojen säde.

Käytännössä riittävän tiheän plasman magneettinen rajoitus osoittautui kaukana yksinkertaisesta: siinä esiintyy usein magnetohydrodynaamisia ja kineettisiä epävakauksia.

Magnetohydrodynaamiset epävakaudet liittyvät magneettikenttälinjojen taipumiin ja katkeamiseen. Tällöin plasma voi alkaa liikkua magneettikentän poikki kimppujen muodossa, poistua suojavyöhykkeestä muutamassa sekunnin miljoonasosassa ja luovuttaa lämpöä kammion seinille. Tällaiset epävakaudet voidaan vaimentaa antamalla magneettikentälle tietty konfiguraatio.

Kineettiset epävakaudet ovat hyvin erilaisia ​​ja niitä on tutkittu vähemmän yksityiskohtaisesti. Niiden joukossa on sellaisia, jotka häiritsevät säännöllisiä prosesseja, kuten jatkuvan sähkövirran tai hiukkasvirran virtausta plasman läpi. Muut kineettiset epävakaudet aiheuttavat suuremman plasman poikittaisdiffuusionopeuden magneettikentässä kuin mitä törmäysteoria ennustaa hiljaiselle plasmalle.

Järjestelmät, joissa on suljettu magneettinen konfiguraatio.

Jos ionisoituun johtavaan kaasuun kohdistetaan voimakas sähkökenttä, syntyy siihen purkausvirta, jonka kanssa samanaikaisesti ilmaantuu sitä ympäröivä magneettikenttä. Magneettikentän vuorovaikutus virran kanssa johtaa puristusvoimien esiintymiseen, jotka vaikuttavat kaasun varautuneisiin hiukkasiin. Jos virta kulkee johtavan plasmafilamentin akselia pitkin, syntyvät säteittäiset voimat, kuten kuminauhat, puristavat filamenttia siirtäen plasmarajaa poispäin sitä sisältävän kammion seinistä. Tätä ilmiötä, jonka W. Bennett ennusti teoreettisesti vuonna 1934 ja osoitti kokeellisesti A. Ware ensimmäisen kerran vuonna 1951, kutsutaan puristusvaikutukseksi. Puristusmenetelmää sovelletaan plasman sulkemiseen; sen merkittävä ominaisuus on, että kaasu kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin itse sähkövirralla (ohminen lämmitys). Menetelmän perustavanlaatuinen yksinkertaisuus johti sen käyttöön ensimmäisissä yrityksissä saada kuuma plasma, ja yksinkertaisen puristusvaikutuksen tutkiminen, vaikka se myöhemmin korvattiin kehittyneemmillä menetelmillä, mahdollisti sen paremman ymmärtämisen. ongelmia, joita kokeilijat kohtaavat nykyään.

Plasman diffuusion lisäksi radiaalisuunnassa tapahtuu myös pitkittäistä ajautumista ja sen ulostuloa plasmapylvään päiden kautta. Päiden läpi menevät häviöt voidaan eliminoida, jos plasmakammio on muotoiltu donitsiksi (torukseksi). Tässä tapauksessa saadaan toroidinen puristus.

Yllä kuvatulle yksinkertaiselle puristukselle sille ominaiset magnetohydrodynaamiset epävakaudet ovat vakava ongelma. Jos plasmapylvään lähellä tapahtuu pieni mutka, magneettikenttälinjojen tiheys mutkan sisäpuolella kasvaa (kuva 1). Magneettiset voimalinjat, jotka käyttäytyvät kuin puristusta vastustavia säikeitä, alkavat nopeasti "pullistua", jolloin taivutus kasvaa, kunnes plasmafilamentin koko rakenne tuhoutuu. Tämän seurauksena plasma joutuu kosketuksiin kammion seinien kanssa ja jäähtyy. Tämän tuhoisan ilmiön poissulkemiseksi kammioon muodostuu ennen pääaksiaalivirran kulkua pitkittäinen magneettikenttä, joka yhdessä myöhemmin kohdistetun ympyräkentän kanssa "suoraa" plasmapylvään alkavaa taipumista (kuva 2). ). Plasmakolonnin stabiloinnin periaate aksiaalisella kentällä on perusta kahdelle lupaavalle lämpöydinreaktoriprojektille - tokamak ja puristus käänteisellä magneettikentällä.

Avaa magneettiset konfiguraatiot.

inertiaalinen pito.

Teoreettiset laskelmat osoittavat, että lämpöydinfuusio on mahdollista ilman magneettiloukkujen käyttöä. Tätä varten erityisesti valmistettu kohde (deuteriumpallo, jonka säde on noin 1 mm) puristetaan nopeasti niin suuriin tiheyksiin, että lämpöydinreaktio ehtii päättyä ennen kuin polttoainekohde haihtuu. Puristus ja kuumennus lämpöydinlämpötiloihin voidaan suorittaa supertehokkailla laserpulsseilla, jotka säteilyttävät tasaisesti ja samanaikaisesti polttoainepalloa joka puolelta (kuva 4). Kun sen pintakerrokset haihtuvat hetkessä, irtautuvat hiukkaset saavuttavat erittäin suuria nopeuksia ja pallo on suurten puristusvoimien vaikutuksen alaisena. Ne ovat samanlaisia ​​kuin rakettia ajavat reaktiiviset voimat, sillä ainoa ero on, että tässä nämä voimat on suunnattu sisäänpäin, kohti kohteen keskustaa. Tällä menetelmällä voidaan luoda luokkaa 10 11 MPa olevia paineita ja 10 000 kertaa suurempia tiheyksiä kuin veden tiheys. Tällä tiheydellä lähes kaikki lämpöydinenergia vapautuu pienen räjähdyksen muodossa ~10–12 sekunnissa. Tapahtuvat mikroräjähdykset, joista jokainen vastaa 1–2 kg TNT:tä, eivät aiheuta vahinkoa reaktorille, ja tällaisten mikroräjähdysten sarjan toteuttaminen lyhyin väliajoin mahdollistaisi lähes jatkuvan hyödyllisen energian tuotannon. Inertiaeristyksen kannalta polttoainekohteen järjestely on erittäin tärkeä. Raskaista ja kevyistä materiaaleista valmistettujen samankeskisten pallojen muodossa oleva kohde mahdollistaa hiukkasten tehokkaimman haihdutuksen ja siten suurimman puristuksen.

Laskelmat osoittavat, että megajoulen (10 6 J) suuruisella lasersäteilyenergialla ja vähintään 10 %:n laserhyötysuhteella tuotetun lämpöydinenergian tulee ylittää laserin pumppaamiseen kulutetun energian. Lämpöydinlaserlaitteita on saatavilla tutkimuslaboratorioissa Venäjällä, Yhdysvalloissa, Länsi-Euroopassa ja Japanissa. Parhaillaan tutkitaan mahdollisuutta käyttää lasersäteen sijasta raskasta ionisädettä tai tällaisen säteen yhdistelmää valonsäteen kanssa. Nykyaikaisen tekniikan ansiosta tällä reaktion aloitusmenetelmällä on etu laseriin verrattuna, koska sen avulla voit saada enemmän hyödyllistä energiaa. Haittapuolena on vaikeus kohdistaa säde kohteeseen.

MAGNEETTISET ASENNUKSET

Magneettisen plasman sulkemismenetelmiä tutkitaan Venäjällä, Yhdysvalloissa, Japanissa ja useissa Euroopan maissa. Päähuomio kiinnitetään toroidityyppisiin laitteisiin, kuten tokamak ja puristus käänteisellä magneettikentällä, jotka ilmenivät yksinkertaisempien, stabiloivalla pitkittäismagneettikentällä varustettujen puristusten kehittämisen seurauksena.

Plasman rajoittamiseen toroidisella magneettikentällä B j on tarpeen luoda olosuhteet, joissa plasma ei siirtyisi toruksen seinille. Tämä saavutetaan "kiertämällä" magneettikenttäviivoja (ns. "kiertomuunnos"). Tämä kierto tapahtuu kahdella tavalla. Ensimmäisessä menetelmässä virta johdetaan plasman läpi, mikä johtaa jo katsotun vakaan puristuksen konfiguraatioon. Magneettikentän virta B q J - B q yhdessä B j luo kokonaiskentän tarvittavalla kierteellä. Jos B j B q , saamme konfiguraation, joka tunnetaan nimellä tokamak (lyhenne ilmaisusta "TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS"). Tokamak (kuva 5) kehitettiin L.A. Artsimovichin johdolla V.I.:n mukaan nimetyssä atomienergiainstituutissa. I. V. Kurchatov Moskovassa. klo B j ~ B q saadaan puristuskonfiguraatio käänteisellä magneettikentällä.

Toisessa menetelmässä käytetään erityisiä kierukkakäämiä toroidisen plasmakammion ympärillä varmistamaan suljetun plasman tasapaino. Näiden käämien virrat muodostavat monimutkaisen magneettikentän, joka johtaa kokonaiskentän voimalinjojen kiertymiseen toruksen sisällä. L. Spitzer ja hänen työtoverinsa kehittivät sellaisen installaation, jota kutsutaan stellaraattoriksi Princetonin yliopistossa (USA).

Tokamak.

Tärkeä parametri, josta toroidisen plasman rajoittuminen riippuu, on "stabiilisuusmarginaali". q, yhtä kuin rB j / R.B. q , missä r ja R ovat toroidaalisen plasman pieni ja suuri säde. Pienellä q voi kehittyä kierteinen epävakaus, joka on analoginen suoran puristuksen taivutuksen epävakauden kanssa. Moskovan tutkijat osoittivat kokeellisesti, että milloin q> 1 (ts. B j B q) kierteisen epävakauden mahdollisuus vähenee huomattavasti. Tämä mahdollistaa virran vapauttaman lämmön tehokkaan käytön plasman lämmittämiseen. Monivuotisen tutkimuksen tuloksena tokamakkien ominaisuudet ovat parantuneet merkittävästi erityisesti kentän tasaisuutta lisäämällä ja tyhjiökammion tehokkaalla puhdistuksella.

Venäjällä saadut rohkaisevat tulokset vauhdittivat tokamakkien luomista monissa laboratorioissa ympäri maailmaa, ja niiden konfiguraatiosta tuli intensiivisen tutkimuksen aihe.

Tokamakin plasman ohminen kuumennus ei riitä termoydinfuusioreaktion suorittamiseen. Tämä johtuu siitä, että kun plasmaa kuumennetaan, sen sähkövastus pienenee suuresti, ja tämän seurauksena lämmön vapautuminen virran kulun aikana vähenee jyrkästi. Tokamakin virtaa ei voida lisätä tietyn rajan yläpuolelle, koska plasmakolonni voi menettää vakauden ja siirtyä kammion seiniin. Siksi plasman lämmittämiseen käytetään erilaisia ​​lisämenetelmiä. Tehokkaimpia niistä ovat korkeaenergisten neutraalien atomien säteiden ruiskuttaminen ja mikroaaltouunisäteily. Ensimmäisessä tapauksessa 50–200 keV:n energioihin kiihdytetyt ionit neutraloidaan (jotta vältetään niiden "heijastuminen" takaisin magneettikentässä, kun ne viedään kammioon) ja ruiskutetaan plasmaan. Täällä ne taas ionisoituvat ja törmäysprosessissa ne luovuttavat energiansa plasmalle. Toisessa tapauksessa käytetään mikroaaltosäteilyä, jonka taajuus on yhtä suuri kuin ionisyklotronitaajuus (ionien pyörimistaajuus magneettikentässä). Tällä taajuudella tiheä plasma käyttäytyy kuin täysin musta kappale, ts. imee täysin tulevan energian. Euroopan unionin maiden JET-tokamakilla saatiin neutraaleja hiukkasia injektoimalla plasma, jonka ionilämpötila oli 280 miljoonaa Kelviniä ja sulkuaika 0,85 s. Deuterium-tritiumplasmalla saatiin 2 MW:n lämpöydinteho. Reaktion kestoa rajoittaa kammion seinämien sputteroinnista johtuvien epäpuhtauksien ilmaantuminen: epäpuhtaudet tunkeutuvat plasmaan ja ionisoituessaan lisäävät merkittävästi säteilyn aiheuttamia energiahäviöitä. Tällä hetkellä JET-ohjelman työ keskittyy tutkimukseen mahdollisuudesta hallita epäpuhtauksia ja niiden poistoa, ns. "magneettinen vaihdin".

Suuria tokamakkeja luotiin myös Yhdysvalloissa - TFTR, Venäjällä - T15 ja Japanissa - JT60. Näissä ja muissa laitoksissa tehty tutkimus loi pohjan ohjatun lämpöydinfuusion alan seuraavalle työvaiheelle: vuonna 2010 on tarkoitus käynnistää suuri reaktori teknisiä kokeita varten. Tämän oletetaan olevan Yhdysvaltojen, Venäjän, Euroopan unionin maiden ja Japanin yhteinen työ. Katso myös TOKAMAK.

Käänteinen kentän puristus (FOP).

POP-kokoonpano eroaa tokamakista siinä, että sillä on B q~ B j , mutta toroidikentän suunta plasman ulkopuolella on päinvastainen kuin sen suunta plasmapylvään sisällä. J. Taylor osoitti, että tällainen järjestelmä on tilassa, jossa on minimaalinen energia ja siitä huolimatta q

POP-konfiguraation etuna on, että plasman tilavuusenergiatiheyksien ja siinä olevan magneettikentän (arvo b) suhde on suurempi kuin tokamakin. On olennaisen tärkeää, että b on mahdollisimman suuri, koska tämä pienentää toroidikenttää ja siten alentaa sen luovien kelojen ja koko tukirakenteen kustannuksia. POP:n heikkous on se, että näiden järjestelmien lämmöneristys on huonompi kuin tokamakien, eikä käänteisen kentän ylläpitoongelmaa ole ratkaistu.

Stellaraattori.

Stellaraattorissa suljettu toroidinen magneettikenttä on päällekkäin kentällä, joka on luotu erityisen kierteisen käämin avulla, joka on kierretty kameran rungon ympärille. Kokonaismagneettikenttä estää plasmaa ajautumasta pois keskustasta ja vaimentaa tietyntyyppisiä magnetohydrodynaamisia epävakauksia. Itse plasma voidaan luoda ja lämmittää millä tahansa tokamakissa käytetyllä menetelmällä.

Stellaraattorin tärkein etu on, että siinä käytetty rajoitusmenetelmä ei liity virran läsnäoloon plasmassa (kuten tokamakeissa tai puristusvaikutukseen perustuvissa laitteissa), ja siksi stellaraattori voi toimia paikallaan olevassa tilassa. . Lisäksi kierteisellä käämityksellä voi olla "divertor" vaikutus, ts. puhdistaa plasma epäpuhtauksista ja poista reaktiotuotteet.

Plasman sulkemista stellaraattoreihin tutkitaan kattavasti Euroopan unionin, Venäjän, Japanin ja Yhdysvaltojen laitoksissa. Saksassa sijaitsevassa Wendelstein VII -stellaraattorissa pystyttiin ylläpitämään ei-virtaa kuljettavaa plasmaa, jonka lämpötila oli yli 5 x 10 6 kelviniä, lämmittämällä sitä ruiskuttamalla korkean energian atomisäde.

Viimeaikaiset teoreettiset ja kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että useimmissa kuvatuissa asennuksissa ja erityisesti suljetuissa toroidisissa järjestelmissä plasman sulkeutumisaikaa voidaan pidentää lisäämällä sen radiaalisia mittoja ja rajoittamalla magneettikenttää. Esimerkiksi tokamakille on laskettu, että Lawson-kriteeri täyttyy (ja jopa tietyllä marginaalilla) ~50 ± 100 kG:n magneettikentän voimakkuudella ja pienellä toroidaalisen kammion säteellä n. 2 m. Nämä ovat asennusparametrit 1000 MW sähkölle.

Kun luodaan niin suuria asennuksia, joissa on magneettinen plasmarajoitus, syntyy täysin uusia teknologisia ongelmia. 50 kg:n suuruisen magneettikentän luomiseksi useiden kuutiometrien tilavuudessa käyttämällä vesijäähdytteisiä kuparikäämejä tarvitaan sähkölähde, jonka kapasiteetti on useita satoja megawatteja. Siksi on selvää, että kelojen käämien tulee olla suprajohtavia materiaaleja, kuten niobiumin ja titaanin tai tinan seoksia. Näiden materiaalien sähkövirran vastus suprajohtavassa tilassa on nolla, ja siksi magneettikentän ylläpitämiseen kuluu mahdollisimman vähän sähköä.

reaktoritekniikkaa.

Lämpöydintutkimuksen näkymät.

Tokamak-tyyppisillä asennuksilla tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että tämä järjestelmä on erittäin lupaava mahdollinen pohja UTS-reaktorille. Tokamakeilla on tähän mennessä saatu parhaat tulokset, ja on toivoa, että asennusten laajuuden kasvaessa ne pystyvät toteuttamaan teollisesti ohjatun fuusion. Tokamak ei kuitenkaan ole tarpeeksi taloudellinen. Tämän puutteen poistamiseksi on välttämätöntä, että se ei toimi pulssitilassa, kuten nyt, vaan jatkuvassa tilassa. Tämän ongelman fyysisiä puolia ymmärretään kuitenkin edelleen huonosti. On myös tarpeen kehittää teknisiä keinoja, jotka parantaisivat plasman parametreja ja eliminoivat sen epävakautta. Kaiken tämän huomioon ottaen ei pidä unohtaa muita mahdollisia, vaikkakin vähemmän kehittyneitä vaihtoehtoja termoydinreaktorille, esimerkiksi stellaraattoria tai käänteisen kentän puristusta. Tämän alan tutkimuksen taso on saavuttanut vaiheen, jossa on olemassa käsitteellisiä reaktorisuunnitelmia useimmille korkean lämpötilan plasmamagneettisille eristysjärjestelmille ja joillekin inertiaeristysjärjestelmille. Esimerkki tokamakin teollisesta kehittämisestä on Aries-projekti (USA).

Princetonin plasmafysiikan laboratorion tutkijat ovat ehdottaneet ideaa kestävimmästä ydinfuusiolaitteesta, joka voi toimia yli 60 vuotta. Tällä hetkellä tämä on pelottava tehtävä: tutkijat kamppailevat saadakseen fuusioreaktorin toimimaan muutaman minuutin - ja sitten vuosia. Monimutkaisuudesta huolimatta fuusioreaktorin rakentaminen on yksi tieteen lupaavimmista tehtävistä, joka voi tuoda suurta hyötyä. Kerromme sinulle, mitä sinun tulee tietää lämpöydinfuusiosta.

1. Mikä on lämpöydinfuusio?

Älä pelkää tätä hankalaa lausetta, itse asiassa kaikki on melko yksinkertaista. Termoydinfuusio on eräänlainen ydinreaktio.

Ydinreaktion aikana atomin ydin on vuorovaikutuksessa joko alkuainehiukkasen tai toisen atomin ytimen kanssa, minkä seurauksena ytimen koostumus ja rakenne muuttuvat. Raskas atomiydin voi hajota kahdeksi tai kolmeksi kevyemmäksi - tämä on fissioreaktio. On myös fuusioreaktio: tämä tapahtuu, kun kaksi kevyttä atomiydintä sulautuvat yhdeksi raskaaksi ytimeksi.

Toisin kuin ydinfissio, joka voi tapahtua sekä spontaanisti että väkisin, ydinfuusio on mahdotonta ilman ulkopuolista energiaa. Kuten tiedät, vastakohdat vetävät puoleensa, mutta atomiytimet ovat positiivisesti varautuneita - joten ne hylkivät toisiaan. Tätä tilannetta kutsutaan Coulombin esteeksi. Voittaakseen vastenmielisyyden nämä hiukkaset on hajotettava hulluihin nopeuksiin. Tämä voidaan tehdä erittäin korkeissa lämpötiloissa, useiden miljoonien kelvinien luokkaa. Juuri näitä reaktioita kutsutaan lämpöydinaseiksi.

2. Miksi tarvitsemme lämpöydinfuusiota?

Ydin- ja lämpöydinreaktioiden aikana vapautuu valtava määrä energiaa, jota voidaan käyttää eri tarkoituksiin - voit luoda tehokkaimman aseen tai muuntaa ydinenergian sähköksi ja toimittaa sen koko maailmalle. Ydinhajoamisenergiaa on käytetty ydinvoimalaitoksissa pitkään. Mutta lämpöydinenergia näyttää lupaavammalta. Lämpöydinreaktiossa jokaista nukleonia (ns. ytimiä, protoneja ja neutroneja) kohti vapautuu paljon enemmän energiaa kuin ydinreaktiossa. Esimerkiksi milloin uraanin ytimen fissio nukleonia kohti on 0,9 MeV (megaelektronivoltti), ja kunHeliumytimen synteesissä vetyytimistä vapautuu energiaa, joka vastaa 6 MeV. Siksi tutkijat oppivat suorittamaan lämpöydinreaktioita.

Fuusiotutkimus ja reaktorien rakentaminen mahdollistavat korkean teknologian tuotannon laajentamisen, mikä on hyödyllistä muilla tieteen ja korkean teknologian aloilla.

3. Mitä ovat lämpöydinreaktiot?

Termoydinreaktiot jaetaan itseään ylläpitäviin, kontrolloimattomiin (käytetään vetypommissa) ja kontrolloituihin (soveltuvat rauhanomaisiin tarkoituksiin).

Itseään ylläpitäviä reaktioita tapahtuu tähtien sisätiloissa. Maapallolla ei kuitenkaan ole olosuhteita tällaisten reaktioiden tapahtumiselle.

Ihmiset ovat harjoittaneet hallitsematonta tai räjähtävää lämpöydinfuusiota jo pitkään. Vuonna 1952 amerikkalaiset räjäyttivät operaation Evie Mike aikana maailman ensimmäisen lämpöydinräjähteen, jolla ei ollut käytännön arvoa aseena. Ja lokakuussa 1961 testattiin maailman ensimmäistä lämpöydinpommia (vety) (Tsaari Bomba, Kuz'kina Mother), jonka Neuvostoliiton tutkijat kehittivät Igor Kurchatovin johdolla. Se oli ihmiskunnan historian tehokkain räjähdyslaite: räjähdyksen kokonaisenergia vaihteli eri lähteiden mukaan 57-58,6 megatonnia TNT:tä. Vetypommin räjäyttämiseksi on ensin saavutettava korkea lämpötila tavanomaisen ydinräjähdyksen aikana - vasta sitten atomiytimet alkavat reagoida.

Räjähdyksen voima hallitsemattomassa ydinreaktiossa on erittäin suuri, lisäksi radioaktiivisen saastumisen osuus on suuri. Siksi lämpöydinenergian käyttäminen rauhanomaisiin tarkoituksiin on välttämätöntä oppia hallitsemaan sitä.

4. Mitä tarvitaan kontrolloituun lämpöydinreaktioon?

Pidä plasma!

Epäselvä? Nyt selitetään.

Ensinnäkin atomiytimet. Ydinenergia käyttää isotooppeja - atomeja, jotka eroavat toisistaan ​​neutronien lukumäärän ja vastaavasti atomimassan suhteen. Vedyn isotooppi deuterium (D) uutetaan vedestä. Superraskas vety tai tritium (T) on vedyn radioaktiivinen isotooppi, joka on tavanomaisissa ydinreaktoreissa suoritettavien hajoamisreaktioiden sivutuote. Myös lämpöydinreaktioissa käytetään vedyn kevyttä isotooppia, protiumia: tämä on ainoa vakaa alkuaine, jonka ytimessä ei ole neutroneja. Helium-3:a on maapallolla mitättömiä määriä, mutta sitä on erittäin runsaasti kuun maaperässä (regoliitti): 80-luvulla NASA kehitti suunnitelman hypoteettisille laitteistoille regolitin ja isotooppien louhinnan käsittelemiseksi. Toisaalta toinen isotooppi, boori-11, on laajalle levinnyt planeetallamme. 80 % maapallon boorista on isotooppi, joka on välttämätön ydintutkijoille.

Toiseksi lämpötila on erittäin korkea. Termoydinreaktioon osallistuvan aineen tulisi olla lähes täysin ionisoitua plasmaa - se on kaasu, jossa vapaat elektronit ja eri varauksilla olevat ionit kelluvat erikseen. Aineen muuttamiseksi plasmaksi vaaditaan 10 7 -10 8 K lämpötila - nämä ovat satoja miljoonia Celsius-asteita! Tällaisia ​​erittäin korkeita lämpötiloja voidaan saavuttaa luomalla plasmaan suuritehoisia sähköpurkauksia.

On kuitenkin mahdotonta yksinkertaisesti lämmittää tarvittavia kemiallisia elementtejä. Mikä tahansa reaktori höyrystyy välittömästi näissä lämpötiloissa. Tässä tarvitaan täysin erilaista lähestymistapaa. Tähän mennessä plasmaa on mahdollista pitää rajoitetulla alueella raskaiden sähkömagneettien avulla. Mutta lämpöydinreaktion tuloksena saatua energiaa ei ole vielä pystytty täysin hyödyntämään: jopa magneettikentän vaikutuksesta plasma leviää avaruudessa.

5. Mitkä reaktiot ovat lupaavimpia?

Tärkeimmät ydinreaktiot, joita suunnitellaan käytettäväksi ohjattuun lämpöydinfuusioon, käyttävät deuteriumia (2H) ja tritiumia (3H) ja kauempaa tulevaisuudessa helium-3:a (3He) ja boori-11:tä (11B).

Tässä mielenkiintoisimmat reaktiot.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - deuterium-tritium-reaktio.

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 % on ns. deuteriummonopropellenti.

Reaktiot 1 ja 2 ovat täynnä neutroniradioaktiivista kontaminaatiota. Siksi "neutronittomat" reaktiot ovat lupaavimpia.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuterium reagoi helium-3:n kanssa. Ongelmana on, että helium-3 on erittäin harvinainen. Neutroniton saanto tekee tästä reaktiosta kuitenkin lupaavan.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - boori-11 reagoi protiumin kanssa, jolloin muodostuu alfahiukkasia, jotka voivat imeytyä alumiinifolioon.

6. Missä tällainen reaktio suoritetaan?

Luonnollinen fuusioreaktori on tähti. Siinä plasma pidetään painovoiman vaikutuksen alaisena ja säteily absorboituu - näin ollen ydin ei jäähdy.

Maapallolla lämpöydinreaktiot voidaan suorittaa vain erityisissä tiloissa.

impulssijärjestelmät. Tällaisissa järjestelmissä deuterium ja tritium säteilytetään erittäin suuritehoisilla lasersäteillä tai elektroni/ionisäteillä. Tällainen säteily aiheuttaa sarjan lämpöydinmikroräjähdyksiä. Tällaisten järjestelmien käyttö teollisessa mittakaavassa on kuitenkin kannattamatonta: atomien kiihdyttämiseen kuluu paljon enemmän energiaa kuin fuusion tuloksena saadaan, koska kaikki kiihdytetyt atomit eivät pääse reaktioon. Siksi monet maat rakentavat lähes kiinteitä järjestelmiä.

Kvasinkiinteät järjestelmät. Tällaisissa reaktoreissa magneettikenttä pitää plasmaa matalassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa. On olemassa kolmen tyyppisiä reaktoreita, jotka perustuvat erilaisiin magneettikenttäkonfiguraatioihin. Näitä ovat tokamakit, stellaraattorit (torsatronit) ja peililoukut.

tokamak tarkoittaa "toroidaalista kammiota magneettikeloilla". Tämä on "donitsin" (toruksen) muodossa oleva kamera, johon kelat on kierretty. Tokamakin pääominaisuus on vaihtosähkövirran käyttö, joka virtaa plasman läpi, lämmittää sen ja luo magneettikentän ympärilleen ja pitää sen.

AT stellaraattori (torsatron) magneettikenttä on kokonaan magneettikelojen sisällä ja toisin kuin tokamak, sitä voidaan käyttää jatkuvasti.

W peili (avoin) ansoja heijastusperiaatetta käytetään. Kammio on suljettu molemmilta puolilta magneettisilla "tulpilla", jotka heijastavat plasmaa ja pitävät sen reaktorissa.

Peililoukut ja tokamakit taistelivat pitkään ylivallasta. Aluksi ansan käsite vaikutti yksinkertaisemmalta ja siksi halvemmalta. 60-luvun alussa avoimia ansoja rahoitettiin voimakkaasti, mutta plasman epävakaus ja epäonnistuneet yritykset sulkea se magneettikentällä pakottivat nämä asennukset monimutkaisemaan näitä asennuksia - näennäisen yksinkertaisista rakenteista tuli helvetin koneita, eikä se toiminut saavuttaa vakaa tulos. Siksi tokamakit tulivat etualalle 1980-luvulla. Vuonna 1984 lanseerattiin eurooppalainen JET tokamak, jonka hinta oli vain 180 miljoonaa dollaria ja jonka parametrit mahdollistivat lämpöydinreaktion. Neuvostoliitossa ja Ranskassa suunniteltiin suprajohtavia tokamakkeja, jotka eivät käyttäneet juuri lainkaan energiaa magneettijärjestelmän toimintaan.

7. Kuka nyt oppii suorittamaan lämpöydinreaktioita?

Monet maat rakentavat omia fuusioreaktorejaan. Koereaktoreita on Kazakstanissa, Kiinassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa. Kurchatov-instituutti työskentelee IGNITOR-reaktorin parissa. Saksa käynnisti Wendelstein 7-X -stellaraattorifuusioreaktorin.

Tunnetuin kansainvälinen hanke on ITER-tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) Cadarache Research Centerissä (Ranska). Sen rakentamisen piti valmistua vuonna 2016, mutta tarvittavan taloudellisen tuen määrä on kasvanut ja kokeilujen ajoitus on siirtynyt vuoteen 2025. ITERin toimintaan osallistuvat Euroopan unioni, Yhdysvallat, Kiina, Intia, Japani, Etelä-Korea ja Venäjä. Pääosa rahoituksesta on EU:lla (45 %), loput osallistujat toimittavat korkean teknologian laitteita. Venäjä tuottaa erityisesti suprajohtavia materiaaleja ja kaapeleita, radioputkia plasmalämmitykseen (gyrotronit) ja sulakkeita suprajohtaviin keloihin sekä komponentteja reaktorin monimutkaisimpaan osaan - ensimmäiseen seinään, jonka on kestettävä sähkömagneettisia voimia, neutronisäteilyä ja plasmasäteily.

8. Miksi emme edelleenkään käytä lämpöydinreaktoreita?

Nykyaikaiset tokamak-laitokset eivät ole lämpöydinreaktoreita, vaan tutkimuslaitoksia, joissa plasman olemassaolo ja säilyminen on mahdollista vain hetken. Tosiasia on, että tutkijat eivät ole vielä oppineet pitämään plasmaa reaktorissa pitkään.

Tällä hetkellä yksi suurimmista saavutuksista ydinfuusion alalla on saksalaisten tutkijoiden menestys, jotka onnistuivat lämmittämään vetykaasua 80 miljoonaan celsiusasteeseen ja ylläpitämään vetyplasmapilveä neljänneksen sekunnin ajan. Ja Kiinassa vetyplasma kuumennettiin 49,999 miljoonaan asteeseen ja pidettiin 102 sekuntia. Venäläiset tutkijat (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) onnistuivat saavuttamaan plasman vakaan lämmityksen kymmeneen miljoonaan celsiusasteeseen. Amerikkalaiset ovat kuitenkin hiljattain ehdottaneet menetelmää plasman sulkemiseksi 60 vuodeksi - ja tämä herättää optimismia.

Lisäksi fuusion kannattavuudesta teollisuudessa on kiistaa. Ei tiedetä, korvaavatko sähköntuotannon hyödyt fuusiokustannukset. On ehdotettu kokeilla reaktioita (esimerkiksi hylätä perinteinen deuterium-tritium tai yksiajoainereaktio muiden reaktioiden hyväksi), rakennemateriaaleja - tai jopa hylätä ajatus teollisesta lämpöydinfuusiosta käyttämällä sitä vain yksittäisiin fissioreaktioihin reaktiot. Tutkijat jatkavat kuitenkin edelleen kokeiluja.

9. Ovatko fuusioreaktorit turvallisia?

Suhteellisesti. Tritium, jota käytetään lämpöydinreaktioissa, on radioaktiivista. Lisäksi fuusion seurauksena vapautuneet neuronit säteilyttävät reaktorin rakennetta. Itse reaktorin elementit peittyvät radioaktiivisella pölyllä plasmalle altistumisen vuoksi.

Fuusioreaktori on kuitenkin paljon turvallisempi kuin ydinreaktori säteilyn suhteen. Reaktorissa on suhteellisen vähän radioaktiivisia aineita. Lisäksi itse reaktorin suunnittelu olettaa, ettei "reikiä" ole, joiden läpi säteily voi vuotaa. Reaktorin tyhjiökammio on suljettava, muuten reaktori ei yksinkertaisesti voi toimia. Termoydinreaktorien rakentamisessa käytetään ydinvoimalla testattuja materiaaleja ja huoneissa pidetään alennettua painetta.

Milloin fuusiovoimalat ilmestyvät?

Tiedemiehet sanovat useimmiten jotain, kuten "20 vuoden kuluttua ratkaisemme kaikki peruskysymykset". Ydininsinöörit puhuvat 2000-luvun toisesta puoliskosta. Poliitikot puhuvat puhtaan energian merestä penniinkään välittämättä treffeistä.

Kuinka tiedemiehet etsivät pimeää ainetta maan suolistosta

Satoja miljoonia vuosia sitten maan pinnan alla olevissa mineraaleissa saattoi säilyttää jälkiä salaperäisestä aineesta. Jäljelle jää vain päästä niihin. Yli kaksi tusinaa maanalaista laboratoriota hajallaan ympäri maailmaa etsivät kiireisesti pimeää ainetta.

Kuinka siperialaiset tiedemiehet auttoivat miestä lentämään tähtiin

12. huhtikuuta 1961 Juri Gagarin teki ensimmäisen lennon avaruuteen - lentäjän hyväntuulinen hymy ja hänen iloinen "Let's go!" siitä tuli Neuvostoliiton kosmonautikan voitto. Jotta tämä lento tapahtuisi, tiedemiehet ympäri maata ryöstivät aivojaan, kuinka tehdä sellainen raketti, joka kestäisi kaikki tutkimattoman avaruuden vaarat - täällä Tiedeakatemian Siperian osaston tutkijoiden ideat voisivat en ole tehnyt ilman.

Tulevaisuus. Tiedemiehet 60-70 vuotta sitten etsivät tapoja saada halvempaa energiaa. Menetelmä on ollut tiedossa pitkään, mutta sellaisen tehon energiaa on mahdotonta hallita vielä nykyäänkään. Puhumme lämpöydinfuusiosta. Hallittu lämpöydinfuusio on raskaampien atomiytimien synteesi kevyemmistä ytimistä valtavan energian saamiseksi, joka, toisin kuin räjähtävä lämpöydinfuusio (käytetään vetypommissa), on täysin hallinnassa.

Hallittu lämpöydinfuusio eroaa perinteisestä fuusiosta siinä, että jälkimmäisessä käytetään hajoamisreaktiota, jonka aikana raskaista ytimistä voidaan saada kevyempiä ytimiä. Lämpöydinreaktori on paljon turvallisempi kuin ydinreaktori (ydinreaktori) säteilyn suhteen. Ensinnäkin siinä olevien radioaktiivisten aineiden määrä on suhteellisen pieni, mikä tekee siitä lähes ympäristöystävällisen.

Myös jonkinlaisen onnettomuuden seurauksena vapautuva energia on suhteellisen pientä, eikä se voi johtaa reaktorin tuhoutumiseen. Samalla reaktorin suunnittelussa on useita luonnollisia esteitä, jotka estävät radioaktiivisten aineiden leviämisen. Esimerkiksi tyhjiökammio ja ctiostaatin vaippa on suljettava kokonaan, muuten reaktori ei yksinkertaisesti voi toimia. Suunnittelussa kiinnitettiin kuitenkin suurta huomiota säteilyturvallisuuteen sekä normaalikäytössä että mahdollisissa onnettomuuksissa.

Termoydinfuusio, vedyn isotooppien reaktio, toisin kuin atomireaktio, lämpöydinreaktio on fuusioreaktio, lopulta muodostuu heliumia ja heliumia muodostuu valtavan lämpöenergian vapautuessa. Termoydinfuusio voidaan saada vain erityisessä laitteessa, jota kutsutaan tokamakiksi (toroidinen kammio magneettikeloilla), Neuvostoliiton vastine on synkrofasotroni. Kokeita lämpöydinenergian alalla aloitettiin Neuvostoliitossa jo viime vuosisadan 30-luvulla, mutta kysymystä ei ole vielä täysin ratkaistu.

Valtava lämpöenergia on hallitsematon, ja sitä käytetään vain lämpöydinaseissa. Maailman ensimmäisen lämpöydinreaktorin projekti on käynnistetty jo 10 vuotta, rakentaminen aloitettiin Ranskassa, ja tutkijoiden mukaan maailma näkee ensimmäisen hallitun lämpöydinfuusion vuonna 2026. Jos fuusio on mahdollista toteuttaa, niin todennäköisesti sähköenergian hinnat laskevat jyrkästi, koska lämpöydinfuusioon tarvitaan vain vettä ...

Vertailun vuoksi sanotaan, että jos 1 lasillinen vettä altistetaan lämpöydinfuusiolle, on mahdollista toimittaa sähköä pieneen kaupunkiin 1 päiväksi! Se on veden voima! (tarkemmin sanottuna vety). Mutta lämpöydinfuusion lisäksi on olemassa useita muita vaihtoehtoisia tapoja tuottaa sähköä, mutta voit selvittää tästä tässä katsauksessa, kiitos huomiosta - A. Kasyan.

Keskustele artikkelista CONTROLLED Fusion

lämpöydinfuusio, kevyiden atomiytimien fuusioreaktio raskaammiksi ytimiksi, joka tapahtuu superkorkeissa lämpötiloissa ja johon liittyy valtavien energiamäärien vapautuminen. Ydinfuusio on atomifission käänteinen reaktio: viimeksi mainitussa energiaa vapautuu raskaiden ytimien halkeamisen vuoksi kevyemmiksi. Katso myös Ydinfissio; YDINVOIMA.

Nykyaikaisten astrofysikaalisten käsitysten mukaan Auringon ja muiden tähtien pääasiallinen energianlähde on niiden syvyyksissä tapahtuva lämpöydinfuusio. Maanpäällisissä olosuhteissa se suoritetaan vetypommin räjähdyksen aikana. Termoydinfuusion mukana on valtava energian vapautuminen reagoivien aineiden massayksikköä kohden (noin 10 miljoonaa kertaa suurempi kuin kemiallisissa reaktioissa). Siksi on erittäin mielenkiintoista hallita tämä prosessi ja luoda sen perusteella halpa ja ympäristöystävällinen energialähde. Huolimatta siitä, että suuret tieteelliset ja tekniset ryhmät monissa kehittyneissä maissa tutkivat ohjattua lämpöydinfuusiota (CTF), on kuitenkin vielä monia monimutkaisia ​​ongelmia ratkaistava, ennen kuin lämpöydinenergian teollinen tuotanto toteutuu.

Nykyaikaiset fissioprosessia käyttävät ydinvoimalaitokset tyydyttävät vain osittain maailman sähköntarpeen. Niiden polttoaineena ovat luonnolliset radioaktiiviset alkuaineet uraani ja torium, joiden esiintyvyys ja varat luonnossa ovat hyvin rajalliset; siksi monille maille on ongelma niiden tuonnissa. Termoydinpolttoaineen pääkomponentti on vety-isotooppi deuterium, jota löytyy merivedestä. Sen varannot ovat julkisesti saatavilla ja erittäin suuret (valtameret kattavat ~ 71 % maapallon pinta-alasta, ja deuteriumin osuus on noin 0,016 % vedestä muodostuvien vetyatomien kokonaismäärästä). Polttoaineen saatavuuden lisäksi lämpöydinenergialähteillä on seuraavat tärkeät edut ydinvoimaloihin verrattuna: 1) UTS-reaktori sisältää paljon vähemmän radioaktiivisia aineita kuin ydinfissioreaktori, ja siksi radioaktiivisten tuotteiden vahingossa vapautumisen seuraukset ovat pienemmät. vaarallinen; 2) lämpöydinreaktiot tuottavat vähemmän pitkäikäistä radioaktiivista jätettä; 3) TCB mahdollistaa suoran sähköntuotannon.

Artsimovich L.A. Hallitut lämpöydinreaktiot. M., 1963
Lämpö- ja ydinvoimalat(kirja 1, osa 6; kirja 3, osa 8). M., 1989

Etsi "NUCLEAR FUSION" -kohdasta