Menurut konsep astrofisika modern, sumber energi utama Matahari dan bintang-bintang lainnya adalah fusi termonuklir yang terjadi di kedalamannya. Dalam kondisi terestrial, hal itu dilakukan selama ledakan bom hidrogen. Fusi termonuklir disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar per satuan massa zat yang bereaksi (sekitar 10 juta kali lebih besar daripada reaksi kimia). Oleh karena itu, sangat menarik untuk menguasai proses ini dan menggunakannya untuk menciptakan sumber energi yang murah dan ramah lingkungan. Namun, terlepas dari kenyataan bahwa tim ilmiah dan teknis yang besar di banyak negara maju terlibat dalam penelitian fusi termonuklir terkendali (CTF), banyak masalah kompleks yang masih perlu diselesaikan sebelum produksi industri energi termonuklir menjadi kenyataan.

Pembangkit listrik tenaga nuklir modern yang menggunakan proses fisi hanya memenuhi sebagian kebutuhan listrik dunia. Bahan bakarnya adalah unsur radioaktif alami uranium dan thorium, yang kelimpahan dan cadangannya di alam sangat terbatas; oleh karena itu, banyak negara menghadapi masalah dalam mengimpornya. Komponen utama bahan bakar termonuklir adalah isotop hidrogen deuterium, yang ditemukan di air laut. Cadangannya tersedia untuk umum dan sangat besar (lautan di dunia mencakup ~71% luas permukaan bumi, dan deuterium menyumbang sekitar 0,016% dari jumlah total atom hidrogen yang menyusun air). Selain ketersediaan bahan bakar, sumber energi termonuklir memiliki keunggulan penting berikut dibandingkan pembangkit listrik tenaga nuklir: 1) reaktor UTS mengandung bahan radioaktif yang jauh lebih sedikit dibandingkan reaktor fisi nuklir, dan oleh karena itu konsekuensi dari pelepasan produk radioaktif yang tidak disengaja lebih sedikit. berbahaya; 2) reaksi termonuklir menghasilkan limbah radioaktif yang berumur lebih pendek; 3) TCB memungkinkan penerimaan listrik secara langsung.

DASAR FISIK Fusi NUKLIR

Keberhasilan pelaksanaan reaksi fusi bergantung pada sifat inti atom yang digunakan dan kemampuan untuk memperoleh plasma padat bersuhu tinggi, yang diperlukan untuk memulai reaksi.

Gaya dan reaksi nuklir.

Pelepasan energi selama fusi nuklir disebabkan oleh gaya tarik menarik yang sangat kuat yang bekerja di dalam inti; Gaya-gaya ini menyatukan proton dan neutron yang membentuk inti. Mereka sangat kuat pada jarak ~10–13 cm dan melemah dengan sangat cepat seiring bertambahnya jarak. Selain gaya-gaya ini, proton bermuatan positif menciptakan gaya tolak elektrostatik. Kisaran gaya elektrostatik jauh lebih besar daripada gaya nuklir, sehingga gaya tersebut mulai mendominasi ketika inti-intinya saling menjauh.

Seperti yang ditunjukkan oleh G. Gamow, peluang terjadinya reaksi antara dua inti cahaya yang mendekat sebanding dengan , di mana e – basis logaritma natural, Z 1 Dan Z 2 – jumlah proton dalam inti yang berinteraksi, W adalah energi dari pendekatan relatif mereka, dan K– pengali konstan. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan suatu reaksi bergantung pada jumlah proton dalam setiap inti. Jika lebih dari tiga, maka energi ini terlalu besar dan reaksinya praktis tidak mungkin terjadi. Jadi, dengan meningkatnya Z 1 dan Z 2 kemungkinan terjadinya reaksi berkurang.

Probabilitas dua inti akan berinteraksi ditandai dengan “penampang reaksi”, diukur dalam lumbung (1 b = 10 –24 cm 2). Penampang reaksi adalah luas penampang efektif suatu inti di mana inti lain harus “jatuh” agar interaksinya dapat terjadi. Penampang melintang reaksi deuterium dengan tritium mencapai nilai maksimumnya (~5 b) ketika partikel yang berinteraksi memiliki energi pendekatan relatif sekitar 200 keV. Pada energi 20 keV, penampang menjadi kurang dari 0,1 b.

Dari satu juta partikel yang dipercepat yang mencapai target, tidak lebih dari satu yang terlibat dalam interaksi nuklir. Sisanya membuang energinya pada elektron atom target dan melambat hingga kecepatan yang membuat reaksi menjadi tidak mungkin terjadi. Akibatnya, metode membombardir target padat dengan inti yang dipercepat (seperti yang terjadi dalam eksperimen Cockroft-Walton) tidak cocok untuk fusi terkontrol, karena energi yang diperoleh dalam kasus ini jauh lebih kecil daripada energi yang dikeluarkan.

Bahan bakar fusi.

Reaksi yang melibatkan P, yang memainkan peran utama dalam proses fusi nuklir di Matahari dan bintang homogen lainnya, tidak menjadi perhatian praktis dalam kondisi terestrial karena penampangnya terlalu kecil. Untuk fusi termonuklir di bumi, jenis bahan bakar yang lebih cocok seperti disebutkan di atas adalah deuterium.

Namun reaksi yang paling mungkin terjadi pada campuran deuterium dan tritium (campuran DT) yang setara. Sayangnya, tritium bersifat radioaktif dan, karena waktu paruhnya yang pendek (T 1/2 ~ 12,3 tahun), praktis tidak ditemukan di alam. Ini diproduksi secara artifisial dalam reaktor fisi, dan juga sebagai produk sampingan dalam reaksi dengan deuterium. Namun, ketiadaan tritium di alam tidak menjadi kendala dalam penggunaan reaksi fusi DT tritium dapat diproduksi dengan menyinari isotop 6 Li dengan neutron yang dihasilkan selama sintesis: N+ 6 Li ® 4 Dia + T.

Jika Anda mengelilingi ruang termonuklir dengan lapisan 6 Li (litium alami mengandung 7%), maka Anda dapat mereproduksi tritium yang dapat dikonsumsi sepenuhnya. Dan meskipun dalam praktiknya beberapa neutron pasti hilang, kehilangannya dapat dengan mudah dikompensasi dengan memasukkan unsur seperti berilium ke dalam cangkangnya, yang intinya, ketika satu neutron cepat mengenainya, akan memancarkan dua neutron.

Prinsip pengoperasian reaktor termonuklir.

Reaksi fusi inti ringan, yang tujuannya adalah untuk memperoleh energi yang berguna, disebut fusi termonuklir terkontrol. Itu dilakukan pada suhu ratusan juta Kelvin. Proses ini sejauh ini hanya diterapkan di laboratorium.

Kondisi waktu dan suhu.

Memperoleh energi termonuklir yang berguna hanya mungkin jika dua kondisi terpenuhi. Pertama, campuran yang dimaksudkan untuk sintesis harus dipanaskan sampai suhu di mana energi kinetik inti memberikan kemungkinan besar terjadinya fusi pada tumbukan. Kedua, campuran yang bereaksi harus diisolasi secara termal dengan baik (yaitu, suhu tinggi harus dipertahankan cukup lama agar jumlah reaksi yang diperlukan dapat terjadi dan energi yang dilepaskan melebihi energi yang dikeluarkan untuk memanaskan bahan bakar).

Dalam bentuk kuantitatif, kondisi ini dinyatakan sebagai berikut. Untuk memanaskan campuran termonuklir, satu sentimeter kubik volumenya harus diberi energi P 1 = knT, Di mana k– koefisien numerik, N– kepadatan campuran (jumlah biji per 1 cm3), T– suhu yang dibutuhkan. Untuk mempertahankan reaksi, energi yang diberikan pada campuran termonuklir harus dipertahankan selama jangka waktu t. Agar suatu reaktor dapat menguntungkan secara energi, selama waktu ini lebih banyak energi termonuklir yang dilepaskan di dalamnya daripada yang dihabiskan untuk pemanasan. Energi yang dilepaskan (juga per 1 cm3) dinyatakan sebagai berikut:

Di mana F(T) – koefisien tergantung pada suhu campuran dan komposisinya, R– energi yang dilepaskan dalam satu tindakan sintesis dasar. Lalu kondisi profitabilitas energi P 2 > P 1 akan mengambil formulir

Ketimpangan terakhir, yang dikenal sebagai kriteria Lawson, merupakan ekspresi kuantitatif dari persyaratan isolasi termal yang sempurna. Sisi kanan - "bilangan Lawson" - hanya bergantung pada suhu dan komposisi campuran, dan semakin tinggi, semakin ketat persyaratan untuk isolasi termal, yaitu. semakin sulit membuat reaktor. Di wilayah suhu yang dapat diterima, bilangan Lawson untuk deuterium murni adalah 10 16 s/cm 3 , dan untuk campuran DT dengan komponen yang sama – 2×10 14 s/cm 3 . Dengan demikian, campuran DT adalah bahan bakar fusi pilihan.

Sesuai dengan kriteria Lawson, yang menentukan nilai energi yang menguntungkan dari hasil kali massa jenis dan waktu pengurungan, reaktor termonuklir harus menggunakan energi sebesar mungkin. N atau T. Oleh karena itu, penelitian tentang fusi terkontrol telah menyimpang ke dua arah yang berbeda: yang pertama, para peneliti mencoba mengandung plasma yang relatif dijernihkan menggunakan medan magnet untuk waktu yang cukup lama; yang kedua, menggunakan laser untuk membuat plasma dengan kepadatan sangat tinggi dalam waktu singkat. Lebih banyak penelitian telah dicurahkan pada pendekatan pertama dibandingkan pendekatan kedua.

Pengurungan plasma magnetik.

Selama reaksi fusi, densitas reagen panas harus tetap pada tingkat yang akan memberikan hasil energi berguna per satuan volume yang cukup tinggi pada tekanan yang dapat ditahan oleh ruang plasma. Misalnya, untuk campuran deuterium – tritium pada suhu 10 8 K, hasil ditentukan oleh persamaan

Jika kita menerima P sama dengan 100 W/cm 3 (yang kira-kira sama dengan energi yang dilepaskan oleh elemen bahan bakar dalam reaktor fisi nuklir), maka densitasnya N seharusnya kira-kira. 10 15 inti/cm 3, dan tekanan yang sesuai tidak– sekitar 3 MPa. Dalam hal ini, menurut kriteria Lawson, waktu retensi harus minimal 0,1 detik. Untuk plasma deuterium-deuterium pada suhu 10 9 K

Dalam hal ini, kapan P= 100 W/cm 3, N» 3Х10 15 inti/cm 3 dan tekanan sekitar 100 MPa, waktu retensi yang diperlukan akan lebih dari 1 detik. Perhatikan bahwa kepadatan ini hanya 0,0001 dari kepadatan udara atmosfer, sehingga ruang reaktor harus dievakuasi ke ruang hampa yang tinggi.

Perkiraan waktu kurungan, suhu dan kepadatan di atas merupakan parameter minimum tipikal yang diperlukan untuk pengoperasian reaktor fusi, dan lebih mudah dicapai dalam kasus campuran deuterium-tritium. Mengenai reaksi termonuklir yang terjadi selama ledakan bom hidrogen dan di dalam perut bintang, harus diingat bahwa, karena kondisi yang sangat berbeda, dalam kasus pertama berlangsung sangat cepat, dan dalam kasus kedua - sangat lambat dibandingkan untuk proses dalam reaktor termonuklir.

Plasma.

Ketika gas dipanaskan dengan kuat, atom-atomnya kehilangan sebagian atau seluruh elektronnya, mengakibatkan pembentukan partikel bermuatan positif yang disebut ion dan elektron bebas. Pada suhu di atas satu juta derajat, gas yang terdiri dari unsur-unsur ringan terionisasi sempurna, yaitu. setiap atomnya kehilangan semua elektronnya. Gas yang terionisasi disebut plasma (istilah ini diperkenalkan oleh I. Langmuir). Sifat plasma berbeda secara signifikan dengan sifat gas netral. Karena plasma mengandung elektron bebas, plasma menghantarkan listrik dengan sangat baik, dan konduktivitasnya sebanding T 3/2. Plasma dapat dipanaskan dengan mengalirkan arus listrik melaluinya. Konduktivitas plasma hidrogen pada 10 8 K sama dengan konduktivitas tembaga pada suhu kamar. Konduktivitas termal plasma juga sangat tinggi.

Untuk menjaga plasma, misalnya, pada suhu 10 8 K, plasma harus diisolasi secara termal. Pada prinsipnya plasma dapat diisolasi dari dinding ruang dengan menempatkannya pada medan magnet yang kuat. Hal ini dipastikan oleh gaya-gaya yang timbul ketika arus berinteraksi dengan medan magnet dalam plasma.

Di bawah pengaruh medan magnet, ion dan elektron bergerak secara spiral sepanjang garis medannya. Transisi dari satu garis medan ke garis medan lainnya dimungkinkan selama tumbukan partikel dan ketika medan listrik transversal diterapkan. Dengan tidak adanya medan listrik, plasma yang dijernihkan bersuhu tinggi, yang jarang terjadi tumbukan, hanya akan berdifusi perlahan melintasi garis medan magnet. Jika garis-garis medan magnet ditutup, sehingga berbentuk lingkaran, maka partikel plasma akan bergerak sepanjang garis tersebut, tertahan di area lingkaran tersebut. Selain konfigurasi magnetik tertutup untuk pengurungan plasma, sistem terbuka (dengan garis medan memanjang keluar dari ujung ruangan) telah diusulkan, di mana partikel tetap berada di dalam ruangan karena “sumbat” magnetik yang membatasi pergerakan partikel. Sumbat magnet dibuat di ujung ruangan, di mana, sebagai akibat dari peningkatan kekuatan medan secara bertahap, berkas garis medan yang menyempit terbentuk.

Dalam praktiknya, pengurungan magnetis pada plasma dengan kepadatan yang cukup tinggi terbukti jauh dari mudah: ketidakstabilan magnetohidrodinamik dan kinetik sering muncul di dalamnya.

Ketidakstabilan magnetohidrodinamik berhubungan dengan lengkungan dan kekusutan garis medan magnet. Dalam hal ini, plasma dapat mulai bergerak melintasi medan magnet dalam bentuk gumpalan, dalam sepersejuta detik akan meninggalkan zona pengurungan dan melepaskan panas ke dinding ruangan. Ketidakstabilan tersebut dapat ditekan dengan memberikan konfigurasi tertentu pada medan magnet.

Ketidakstabilan kinetik sangat beragam dan kurang dipelajari secara rinci. Diantaranya ada yang mengganggu proses yang teratur, seperti misalnya aliran arus listrik searah atau aliran partikel melalui plasma. Ketidakstabilan kinetik lainnya menyebabkan laju difusi transversal plasma dalam medan magnet lebih tinggi daripada yang diperkirakan oleh teori tumbukan untuk plasma tenang.

Sistem dengan konfigurasi magnetik tertutup.

Jika medan listrik yang kuat diterapkan pada gas penghantar terionisasi, arus pelepasan akan muncul di dalamnya, dan pada saat yang sama medan magnet di sekitarnya akan muncul. Interaksi medan magnet dengan arus akan menimbulkan munculnya gaya tekan yang bekerja pada partikel gas bermuatan. Jika arus mengalir sepanjang sumbu kabel plasma penghantar, maka gaya radial yang dihasilkan, seperti karet gelang, akan menekan kabel tersebut, sehingga mendorong batas plasma menjauhi dinding ruang yang menampungnya. Fenomena ini, yang secara teoritis diprediksi oleh W. Bennett pada tahun 1934 dan pertama kali ditunjukkan secara eksperimental oleh A. Ware pada tahun 1951, disebut efek pinch. Metode pinch digunakan untuk menampung plasma; Keistimewaannya yang luar biasa adalah gas dipanaskan hingga suhu tinggi oleh arus listrik itu sendiri (pemanasan ohmik). Kesederhanaan mendasar dari metode ini menyebabkan penggunaannya dalam upaya pertama untuk mengandung plasma panas, dan studi tentang efek cubitan sederhana, meskipun kemudian digantikan oleh metode yang lebih maju, memungkinkan untuk lebih memahami masalahnya. yang masih dihadapi para peneliti saat ini.

Selain difusi plasma dalam arah radial, penyimpangan memanjang dan keluarnya melalui ujung tali plasma juga diamati. Kerugian melalui ujung-ujungnya dapat dihilangkan dengan memberikan ruang plasma bentuk donat (torus). Dalam hal ini, diperoleh cubitan toroidal.

Untuk keadaan darurat sederhana yang dijelaskan di atas, masalah seriusnya adalah ketidakstabilan magnetohidrodinamik yang melekat. Jika terjadi tikungan kecil pada filamen plasma, maka kerapatan garis medan magnet di bagian dalam tikungan meningkat (Gbr. 1). Garis-garis medan magnet, yang berperilaku seperti kumpulan yang menahan kompresi, akan mulai “menonjol” dengan cepat, sehingga tikungan akan meningkat hingga seluruh struktur kabel plasma hancur. Akibatnya plasma akan bersentuhan dengan dinding ruangan dan menjadi dingin. Untuk menghilangkan fenomena destruktif ini, sebelum arus aksial utama lewat, medan magnet longitudinal dibuat di dalam ruangan, yang, bersama dengan medan melingkar yang diterapkan kemudian, “meluruskan” lengkungan kolom plasma yang baru jadi (Gbr. 2). Prinsip stabilisasi kolom plasma dengan medan aksial adalah dasar dari dua proyek reaktor termonuklir yang menjanjikan - tokamak dan pinch dengan medan magnet terbalik.

Konfigurasi magnetik terbuka.

Retensi inersia.

Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa fusi termonuklir dimungkinkan tanpa menggunakan perangkap magnet. Untuk melakukan hal ini, target yang disiapkan secara khusus (bola deuterium dengan radius sekitar 1 mm) dengan cepat dikompresi hingga kepadatan tinggi sehingga reaksi termonuklir memiliki waktu untuk selesai sebelum target bahan bakar menguap. Kompresi dan pemanasan hingga suhu termonuklir dapat dilakukan dengan pulsa laser ultra-kuat, yang secara seragam dan simultan menyinari bola bahan bakar dari semua sisi (Gbr. 4). Dengan penguapan sesaat pada lapisan permukaannya, partikel yang keluar memperoleh kecepatan yang sangat tinggi, dan bola terkena gaya tekan yang besar. Gaya tersebut serupa dengan gaya reaktif yang menggerakkan roket, dengan satu-satunya perbedaan adalah gaya ini diarahkan ke dalam, menuju pusat sasaran. Metode ini dapat menghasilkan tekanan sebesar 10 11 MPa dan kepadatan 10.000 kali lebih besar dari kepadatan air. Pada kepadatan seperti itu, hampir seluruh energi termonuklir akan dilepaskan dalam bentuk ledakan kecil dalam waktu ~10–12 detik. Ledakan mikro yang terjadi, yang masing-masing setara dengan 1-2 kg TNT, tidak akan menyebabkan kerusakan pada reaktor, dan pelaksanaan rangkaian ledakan mikro tersebut dalam interval pendek akan memungkinkan terjadinya ledakan mikro yang hampir terus menerus. produksi energi yang berguna. Untuk pengurungan inersia, desain target bahan bakar sangatlah penting. Target dalam bentuk bola konsentris yang terbuat dari bahan berat dan ringan akan memungkinkan penguapan partikel paling efisien dan, akibatnya, kompresi terbesar.

Perhitungan menunjukkan bahwa dengan energi radiasi laser orde megajoule (10 6 J) dan efisiensi laser minimal 10%, energi termonuklir yang dihasilkan harus melebihi energi yang dihabiskan untuk memompa laser. Instalasi laser termonuklir tersedia di laboratorium penelitian di Rusia, Amerika Serikat, Eropa Barat dan Jepang. Kemungkinan menggunakan sinar ion berat sebagai pengganti sinar laser atau menggabungkan sinar tersebut dengan sinar cahaya saat ini sedang dipelajari. Berkat teknologi modern, metode memulai reaksi ini memiliki keunggulan dibandingkan metode laser, karena memungkinkan seseorang memperoleh energi yang lebih berguna. Kerugiannya adalah sulitnya memfokuskan sinar pada sasaran.

UNIT DENGAN PENAHAN MAGNET

Metode pengurungan plasma secara magnetik sedang dipelajari di Rusia, Amerika Serikat, Jepang dan sejumlah negara Eropa. Perhatian utama diberikan pada instalasi tipe toroidal, seperti tokamak dan cubitan dengan medan magnet terbalik, yang muncul sebagai hasil pengembangan cubitan sederhana dengan medan magnet longitudinal yang menstabilkan.

Untuk pengurungan plasma menggunakan medan magnet toroidal Bj perlu untuk menciptakan kondisi di mana plasma tidak bergeser ke arah dinding torus. Hal ini dicapai dengan “memutar” garis-garis medan magnet (yang disebut “transformasi rotasi”). Pemutaran ini dilakukan dengan dua cara. Pada metode pertama, arus dialirkan melalui plasma, menghasilkan konfigurasi jepitan stabil yang telah dibahas. Medan magnet arus B q dan – B q bersama dengan B j membuat bidang ringkasan dengan ikal yang diperlukan. Jika B J B q, konfigurasi yang dihasilkan dikenal sebagai tokamak (singkatan dari ungkapan “RUANG TORIDAL DENGAN KOIL MAGNET”). Tokamak (Gbr. 5) dikembangkan di bawah kepemimpinan L.A. Artsimovich di Institut Energi Atom. IV Kurchatov di Moskow. Pada B J ~ B q kita memperoleh konfigurasi pinch dengan medan magnet terbalik.

Pada metode kedua, belitan heliks khusus di sekitar ruang plasma toroidal digunakan untuk memastikan keseimbangan plasma terbatas. Arus dalam belitan ini menciptakan medan magnet yang kompleks, menyebabkan terpelintirnya garis-garis gaya medan total di dalam torus. Instalasi semacam itu, yang disebut stellarator, dikembangkan di Universitas Princeton (AS) oleh L. Spitzer dan rekan-rekannya.

Tokamak.

Parameter penting yang menjadi dasar pengurungan plasma toroidal adalah “margin stabilitas” Q, setara rB J/ RB q, dimana R Dan R adalah jari-jari kecil dan besar plasma toroidal. Rendah Q Ketidakstabilan heliks dapat berkembang - analog dengan ketidakstabilan lentur pada cubitan lurus. Para ilmuwan di Moskow secara eksperimental telah menunjukkan kapan Q> 1 (yaitu B J B q) kemungkinan terjadinya ketidakstabilan sekrup sangat berkurang. Hal ini memungkinkan penggunaan panas yang dihasilkan oleh arus secara efektif untuk memanaskan plasma. Sebagai hasil penelitian bertahun-tahun, karakteristik tokamak telah meningkat secara signifikan, khususnya karena peningkatan keseragaman lapangan dan pembersihan ruang vakum yang efektif.

Hasil menggembirakan yang diperoleh di Rusia mendorong terciptanya tokamaks di banyak laboratorium di seluruh dunia, dan konfigurasinya menjadi subjek penelitian intensif.

Pemanasan ohmik plasma dalam tokamak tidak cukup untuk melakukan reaksi fusi termonuklir. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika plasma dipanaskan, hambatan listriknya sangat berkurang, dan akibatnya, pembangkitan panas selama aliran arus menurun tajam. Tidak mungkin untuk meningkatkan arus dalam tokamak di atas batas tertentu, karena kabel plasma dapat kehilangan stabilitas dan terlempar ke dinding ruangan. Oleh karena itu, berbagai metode tambahan digunakan untuk memanaskan plasma. Yang paling efektif adalah injeksi berkas atom netral berenergi tinggi dan iradiasi gelombang mikro. Dalam kasus pertama, ion-ion yang dipercepat hingga energi 50–200 keV dinetralkan (untuk menghindari “dipantulkan” kembali oleh medan magnet ketika dimasukkan ke dalam ruangan) dan disuntikkan ke dalam plasma. Di sini mereka terionisasi kembali dan dalam proses tumbukan menyerahkan energinya ke plasma. Dalam kasus kedua, radiasi gelombang mikro digunakan, yang frekuensinya sama dengan frekuensi ion siklotron (frekuensi rotasi ion dalam medan magnet). Pada frekuensi ini, plasma padat berperilaku seperti benda yang benar-benar hitam, yaitu. sepenuhnya menyerap energi insiden. Di tokamak JET Uni Eropa, plasma dengan suhu ion 280 juta Kelvin dan waktu pengurungan 0,85 detik diperoleh dengan injeksi partikel netral. Tenaga termonuklir yang mencapai 2 MW diperoleh dengan menggunakan plasma deuterium-tritium. Durasi mempertahankan reaksi dibatasi oleh munculnya pengotor akibat sputtering pada dinding ruang: pengotor menembus ke dalam plasma dan, ketika terionisasi, secara signifikan meningkatkan kehilangan energi akibat radiasi. Saat ini, pekerjaan di bawah program JET difokuskan pada penelitian tentang kemungkinan mengendalikan kotoran dan menghilangkannya. "pengalih magnet".

Tokamak besar juga dibuat di AS - TFTR, di Rusia - T15 dan di Jepang - JT60. Penelitian yang dilakukan di fasilitas ini dan fasilitas lainnya meletakkan dasar untuk tahap pekerjaan lebih lanjut di bidang fusi termonuklir terkendali: reaktor besar untuk pengujian teknis dijadwalkan akan diluncurkan pada tahun 2010. Hal ini diharapkan menjadi upaya bersama antara Amerika Serikat, Rusia, Uni Eropa, dan Jepang. Lihat juga TOKAMAK.

Penjepit bidang terbalik (FRP).

Konfigurasi POP berbeda dari tokamak dalam hal itu B q~ B j , tetapi dalam hal ini arah medan toroidal di luar plasma berlawanan dengan arahnya di dalam kolom plasma. J. Taylor menunjukkan bahwa sistem seperti itu berada dalam keadaan dengan energi minimal dan meskipun Q

Keuntungan konfigurasi POP adalah rasio densitas energi volumetrik plasma dan medan magnet (nilai b) lebih besar dibandingkan pada tokamak. Pada dasarnya penting untuk membuat b sebesar mungkin, karena hal ini akan mengurangi medan toroidal, dan oleh karena itu mengurangi biaya kumparan yang membuatnya dan seluruh struktur pendukung. Kelemahan POP adalah isolasi termal sistem ini lebih buruk dibandingkan tokamaks, dan masalah mempertahankan medan terbalik belum terpecahkan.

bintang.

Dalam stellarator, medan magnet toroidal tertutup ditumpangkan oleh medan yang diciptakan oleh lilitan sekrup khusus di sekitar badan kamera. Medan magnet total mencegah plasma menjauh dari pusat dan menekan jenis ketidakstabilan magnetohidrodinamik tertentu. Plasma itu sendiri dapat dibuat dan dipanaskan dengan salah satu metode yang digunakan dalam tokamak.

Keuntungan utama dari stellarator adalah bahwa metode pengurungan yang digunakan di dalamnya tidak terkait dengan adanya arus dalam plasma (seperti pada tokamaks atau instalasi berdasarkan efek pinch), dan oleh karena itu stellarator dapat beroperasi dalam mode stasioner. Selain itu, belitan sekrup dapat mempunyai efek “pengalih”, mis. memurnikan plasma dari kotoran dan menghilangkan produk reaksi.

Pengurungan plasma di stellarator telah dipelajari secara ekstensif di fasilitas di Uni Eropa, Rusia, Jepang, dan Amerika Serikat. Di stelarator Wendelstein VII di Jerman, dimungkinkan untuk mempertahankan plasma tidak membawa arus dengan suhu lebih dari 5×10 6 kelvin, memanaskannya dengan menyuntikkan sinar atom berenergi tinggi.

Studi teoretis dan eksperimental terbaru menunjukkan bahwa di sebagian besar instalasi yang dijelaskan, dan khususnya dalam sistem toroidal tertutup, waktu pengurungan plasma dapat ditingkatkan dengan meningkatkan dimensi radial dan medan magnet pembatas. Misalnya, untuk tokamak dihitung bahwa kriteria Lawson akan dipenuhi (dan bahkan dengan margin tertentu) pada kekuatan medan magnet ~50 x 100 kG dan radius kecil ruang toroidal kira-kira. 2 m Ini adalah parameter instalasi listrik 1000 MW.

Saat membuat instalasi besar dengan kurungan plasma magnetik, masalah teknologi yang benar-benar baru muncul. Untuk menciptakan medan magnet orde 50 kG dalam volume beberapa meter kubik dengan menggunakan kumparan tembaga berpendingin air, diperlukan sumber listrik berkapasitas beberapa ratus megawatt. Oleh karena itu, jelas bahwa gulungan kumparan harus terbuat dari bahan superkonduktor seperti paduan niobium dengan titanium atau timah. Ketahanan bahan-bahan ini terhadap arus listrik dalam keadaan superkonduktor adalah nol, dan oleh karena itu, jumlah listrik minimum akan dikonsumsi untuk mempertahankan medan magnet.

Teknologi reaktor.

Prospek penelitian termonuklir.

Eksperimen yang dilakukan pada instalasi tipe tokamak menunjukkan bahwa sistem ini sangat menjanjikan sebagai basis untuk reaktor CTS. Hasil terbaik hingga saat ini telah diperoleh dengan tokamaks, dan ada harapan bahwa dengan peningkatan skala instalasi yang sesuai, CTS industri dapat diterapkan pada tokamak tersebut. Namun tokamak kurang ekonomis. Untuk menghilangkan kelemahan ini, ia perlu beroperasi bukan dalam mode berdenyut, seperti sekarang, tetapi dalam mode berkelanjutan. Namun aspek fisik dari masalah ini belum cukup dipelajari. Penting juga untuk mengembangkan sarana teknis yang akan meningkatkan parameter plasma dan menghilangkan ketidakstabilannya. Mengingat semua ini, kita tidak boleh melupakan kemungkinan lain, meskipun kurang berkembang, varian reaktor termonuklir, misalnya stellarator atau field-reversed pinch. Keadaan penelitian di bidang ini telah mencapai tahap di mana terdapat desain reaktor konseptual untuk sebagian besar sistem pengurung magnetik untuk plasma suhu tinggi dan untuk beberapa sistem pengurung inersia. Contoh pengembangan industri tokamak adalah proyek Aries (USA).

Reaksi termonuklir- Ini adalah reaksi fusi inti ringan menjadi inti yang lebih berat.

Untuk melaksanakannya, nukleon asli atau inti cahaya perlu didekatkan pada jarak yang sama dengan atau kurang dari jari-jari lingkup aksi gaya tarik-menarik nuklir (yaitu, pada jarak 10 -15 m). Inti yang saling mendekat ini dicegah oleh gaya tolak Coulomb yang bekerja antara inti bermuatan positif. Agar reaksi fusi dapat terjadi, suatu zat dengan kepadatan tinggi perlu dipanaskan hingga suhu sangat tinggi (sekitar ratusan juta Kelvin) sehingga energi kinetik gerak termal inti cukup untuk mengatasi Coulomb. kekuatan tolak-menolak. Pada suhu seperti itu, materi ada dalam bentuk plasma. Karena fusi hanya dapat terjadi pada suhu yang sangat tinggi, reaksi fusi nuklir disebut reaksi termonuklir (dari bahasa Yunani. termo"kehangatan, panas").

Reaksi termonuklir melepaskan energi yang sangat besar. Misalnya pada reaksi sintesis deuterium dengan pembentukan helium

\(~^2_1D + \ ^2_1D \ke \ ^3_2Dia + \ ^1_0n\)

3,2 MeV energi dilepaskan. Dalam reaksi sintesis deuterium dengan pembentukan tritium

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

4,0 MeV energi dilepaskan, dan dalam reaksi

\(~^2_1D + \ ^3_1T \ke \ ^4_2Dia + \ ^1_0n\)

17,6 MeV energi dilepaskan.

Beras. 1. Skema reaksi deuterium-tritium

Saat ini, reaksi termonuklir terkendali dilakukan melalui sintesis deuterium \(~^2H\) dan tritium \(~^3H\). Cadangan deuterium dapat bertahan selama jutaan tahun, dan cadangan litium yang mudah ditambang (untuk menghasilkan tritium) cukup untuk memenuhi kebutuhan selama ratusan tahun.

Namun, selama reaksi ini, sebagian besar (lebih dari 80%) energi kinetik yang dilepaskan berasal dari neutron. Akibat tumbukan fragmen dengan atom lain, energi ini diubah menjadi energi panas. Selain itu, neutron cepat menghasilkan limbah radioaktif dalam jumlah besar.

Oleh karena itu, yang paling menjanjikan adalah reaksi “bebas neutron”, misalnya deuterium + helium-3.

\(~D + \ ^3He \ke \ ^4He + p\)

Reaksi ini tidak menghasilkan keluaran neutron, sehingga menghilangkan sebagian besar daya dan menghasilkan radioaktivitas terinduksi dalam desain reaktor. Selain itu, cadangan helium-3 di Bumi berkisar antara 500 kg hingga 1 ton, tetapi di Bulan ditemukan dalam jumlah yang signifikan: hingga 10 juta ton (menurut perkiraan minimum - 500 ribu ton). Pada saat yang sama, ia dapat dengan mudah diproduksi di Bumi dari litium-6, yang tersebar luas di alam, menggunakan reaktor fisi nuklir yang ada.

Senjata termonuklir

Di Bumi, reaksi termonuklir pertama dilakukan saat ledakan bom hidrogen pada 12 Agustus 1953 di lokasi uji coba Semipalatinsk. “Ayahnya” adalah akademisi Andrei Dmitrievich Sakharov, yang dianugerahi gelar Pahlawan Buruh Sosialis tiga kali karena pengembangan senjata termonuklir. Temperatur tinggi yang diperlukan untuk dimulainya reaksi termonuklir dalam bom hidrogen diperoleh dari ledakan bom atom yang termasuk di dalamnya, yang berperan sebagai detonator. Reaksi termonuklir yang terjadi selama ledakan bom hidrogen tidak dapat dikendalikan.

Beras. 2. Bom hidrogen

Lihat juga

Reaksi termonuklir yang terkendali

Jika reaksi termonuklir yang mudah dikendalikan dapat dilakukan dalam kondisi terestrial, umat manusia akan menerima sumber energi yang praktis tidak ada habisnya, karena cadangan hidrogen di Bumi sangat besar. Namun, kesulitan teknis yang besar menghalangi penerapan reaksi termonuklir terkendali yang menguntungkan secara energi. Pertama-tama, perlu untuk menciptakan suhu sekitar 10 8 K. Suhu ultra-tinggi tersebut dapat diperoleh dengan menciptakan pelepasan listrik berkekuatan tinggi di dalam plasma.

Tokamak

Metode ini digunakan dalam instalasi tipe “Tokamak” (TO-riodal CHAMBER dengan Magnetic Coils), yang pertama kali dibuat di Institut Energi Atom. I.V.Kurchatova. Dalam instalasi seperti itu, plasma dibuat di ruang toroidal, yang merupakan belitan sekunder dari transformator pulsa yang kuat. Gulungan primernya dihubungkan ke kumpulan kapasitor berkapasitas sangat besar. Ruangan itu diisi dengan deuterium. Ketika baterai kapasitor dilepaskan melalui belitan primer di ruang toroidal, medan listrik pusaran tereksitasi, menyebabkan ionisasi deuterium dan munculnya pulsa arus listrik yang kuat di dalamnya, yang menyebabkan pemanasan yang kuat pada gas dan gas. pembentukan plasma suhu tinggi di mana reaksi termonuklir dapat terjadi.

Beras. 3. Diagram skema pengoperasian reaktor

Kesulitan utama adalah menjaga plasma di dalam ruangan selama 0,1-1 detik tanpa menyentuh dinding ruangan, karena tidak ada bahan yang dapat menahan suhu setinggi itu. Kesulitan ini sebagian dapat diatasi dengan bantuan medan magnet toroidal tempat kamera berada. Di bawah pengaruh gaya magnet, plasma dipelintir menjadi tali dan, seolah-olah, “menggantung” pada garis induksi medan magnet, tanpa menyentuh dinding ruangan.

Awal era modern dalam mempelajari kemungkinan fusi termonuklir harus dipertimbangkan pada tahun 1969, ketika suhu 3 M°C dicapai dalam plasma dengan volume sekitar 1 m 3 di instalasi Tokamak T3 Rusia. Setelah itu, para ilmuwan di seluruh dunia mengakui desain tokamak sebagai yang paling menjanjikan untuk pengurungan plasma magnetik. Dalam beberapa tahun, keputusan berani dibuat untuk membuat instalasi JET (Joint European Torus) dengan volume plasma yang jauh lebih besar (100 m 3). Siklus pengoperasian unit ini kira-kira 1 menit, karena kumparan toroidalnya terbuat dari tembaga dan cepat panas. Instalasi ini mulai beroperasi pada tahun 1983 dan tetap menjadi tokamak terbesar di dunia, menyediakan pemanasan plasma hingga suhu 150 M°C.

Beras. 4. Desain reaktor JET

Pada tahun 2006, perwakilan Rusia, Korea Selatan, Cina, Jepang, India, Uni Eropa dan Amerika Serikat menandatangani perjanjian di Paris untuk mulai mengerjakan pembangunan Reaktor Eksperimental Tokamak Internasional (ITER) yang pertama. Kumparan magnet reaktor ITER akan didasarkan pada bahan superkonduktor (yang, pada prinsipnya, memungkinkan pengoperasian terus menerus selama arus tetap terjaga dalam plasma), sehingga perancang berharap dapat memberikan jaminan siklus kerja setidaknya 10 menit.

Beras. 5. Desain reaktor ITER.

Reaktor akan dibangun di dekat kota Cadarache, terletak 60 kilometer dari Marseille di selatan Perancis. Pekerjaan mempersiapkan lokasi konstruksi akan dimulai musim semi mendatang. Pembangunan reaktornya sendiri rencananya akan dimulai pada tahun 2009.

Pembangunannya akan berlangsung sepuluh tahun, pengerjaan reaktor diperkirakan akan memakan waktu dua puluh tahun. Total biaya proyek ini sekitar $10 miliar. Empat puluh persen biaya akan ditanggung oleh Uni Eropa, enam puluh persen akan ditanggung bersama oleh peserta proyek lainnya.

Lihat juga

1. Reaktor Fusi Eksperimental Internasional
2. Instalasi baru untuk meluncurkan fusi termonuklir: 25/01/2010

Fusi laser (LSF)

Cara lain untuk mencapai tujuan ini adalah fusi termonuklir laser. Inti dari metode ini adalah sebagai berikut. Campuran beku deuterium dan tritium, dibuat dalam bentuk bola dengan diameter kurang dari 1 mm, disinari secara merata dari semua sisi dengan radiasi laser yang kuat. Hal ini menyebabkan pemanasan dan penguapan zat dari permukaan bola. Dalam hal ini, tekanan di dalam bola meningkat hingga nilai sekitar 10 15 Pa. Di bawah pengaruh tekanan seperti itu, terjadi peningkatan kepadatan dan pemanasan yang kuat pada zat di bagian tengah bola dan reaksi termonuklir dimulai.

Berbeda dengan pengurungan plasma magnetik, dalam pengurungan laser, waktu pengurungan (yaitu, masa pakai plasma dengan kepadatan dan suhu tinggi, yang menentukan durasi reaksi termonuklir) adalah 10–10 - 10–11 detik, sehingga LTS hanya dapat dilakukan dalam mode berdenyut. Proposal penggunaan laser untuk fusi termonuklir pertama kali dibuat di Institut Fisika. P. N. Lebedev dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet pada tahun 1961 oleh N. G. Basov dan O. N. Krokhin.

Di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di California, pembangunan kompleks laser paling kuat di dunia telah selesai (Mei 2009). Itu disebut Fasilitas Pengapian Nasional AS (NIF). Konstruksi berlangsung 12 tahun. $3,5 miliar dihabiskan untuk kompleks laser.

Beras. 7. Diagram skema ULS

NIF didasarkan pada 192 laser kuat, yang secara bersamaan akan diarahkan ke target bola milimeter (sekitar 150 mikrogram bahan bakar termonuklir - campuran deuterium dan tritium; di masa depan, tritium radioaktif dapat diganti dengan isotop ringan helium-3 ). Akibatnya suhu target akan mencapai 100 juta derajat, sedangkan tekanan di dalam bola akan 100 miliar kali lebih tinggi dari tekanan atmosfer bumi.

Lihat juga

1. Fusi termonuklir terkendali: TOKAMAKI versus fusi laser 16/05/2009

Keuntungan sintesis

Para pendukung penggunaan reaktor fusi untuk menghasilkan listrik mengutip argumen berikut yang mendukung mereka:

• cadangan bahan bakar (hidrogen) yang praktis tidak ada habisnya. Misalnya, jumlah batubara yang dibutuhkan untuk mengoperasikan pembangkit listrik termal berkapasitas 1 GW adalah 10.000 ton per hari (sepuluh gerbong kereta api), dan pembangkit termonuklir dengan kapasitas yang sama hanya akan mengkonsumsi sekitar 1 kilogram campuran per hari. D + T . Sebuah danau berukuran sedang dapat menyediakan energi bagi negara mana pun selama ratusan tahun. Hal ini membuat satu atau sekelompok negara tidak mungkin memonopoli bahan bakar;
• tidak adanya produk pembakaran;
• tidak perlu menggunakan bahan-bahan yang dapat digunakan untuk memproduksi senjata nuklir, sehingga menghilangkan kasus sabotase dan terorisme;
• dibandingkan dengan reaktor nuklir, dihasilkan sejumlah kecil limbah radioaktif dengan waktu paruh yang pendek;
• reaksi fusi tidak menghasilkan emisi karbon dioksida di atmosfer, yang merupakan penyumbang utama pemanasan global.

Mengapa pembuatan instalasi termonuklir memakan waktu lama?

1. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa masalah penggunaan praktis energi fusi termonuklir tidak memerlukan keputusan dan tindakan segera, karena pada tahun 80-an abad yang lalu, sumber bahan bakar fosil tampaknya tidak ada habisnya, dan masalah lingkungan serta perubahan iklim tidak menjadi perhatian publik. Berdasarkan perkiraan Survei Geologi AS (2009), pertumbuhan produksi minyak global akan terus berlanjut tidak lebih dari 20 tahun ke depan (para ahli lain memperkirakan puncak produksi akan tercapai dalam 5-10 tahun), setelah itu volumenya akan meningkat. produksi minyak akan mulai menurun dengan laju sekitar 3% per tahun. Prospek produksi gas alam tidak terlihat lebih baik. Biasanya dikatakan bahwa kita akan memiliki cukup batubara untuk 200 tahun ke depan, namun perkiraan ini didasarkan pada pemeliharaan tingkat produksi dan konsumsi saat ini. Sementara itu, konsumsi batu bara kini meningkat sebesar 4,5% per tahun, yang langsung mengurangi jangka waktu 200 tahun tersebut menjadi hanya 50 tahun! Dari apa yang telah dikatakan, jelas bahwa kita sekarang harus bersiap menghadapi akhir era penggunaan bahan bakar fosil. 2. Instalasi termonuklir tidak dapat dibuat dan didemonstrasikan dalam ukuran kecil. Kemampuan ilmiah dan teknis serta keunggulan instalasi termonuklir hanya dapat diuji dan didemonstrasikan di stasiun yang cukup besar, seperti reaktor ITER yang disebutkan. Masyarakat belum siap untuk membiayai proyek-proyek besar seperti itu sampai ada keyakinan yang cukup akan keberhasilannya.

Fusi termonuklir terkendali merupakan proses fisik menarik yang (masih dalam teori) dapat menyelamatkan dunia dari ketergantungan energi pada sumber bahan bakar fosil. Prosesnya didasarkan pada sintesis inti atom dari yang lebih ringan ke yang lebih berat dengan pelepasan energi. Tidak seperti penggunaan atom lainnya – melepaskan energi darinya dalam reaktor nuklir saat atom tersebut meluruh – fusi di atas kertas hampir tidak meninggalkan produk sampingan radioaktif.

Reaktor fusi meniru proses nuklir di dalam matahari, menghancurkan atom-atom yang lebih ringan menjadi satu dan mengubahnya menjadi lebih berat, sehingga melepaskan sejumlah besar energi di sepanjang proses tersebut. Di Matahari, proses ini didorong oleh gravitasi. Di Bumi, para insinyur mencoba menciptakan kembali kondisi untuk fusi nuklir dengan menggunakan suhu yang sangat tinggi – sekitar 150 juta derajat – tetapi mereka mengalami kesulitan dalam menampung plasma yang diperlukan untuk meleburkan atom.

Salah satu solusi yang dibangun diwakili oleh ITER, yang sebelumnya dikenal sebagai Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional, yang telah dibangun sejak 2010 di Caradaches, Perancis. Eksperimen pertama, yang semula direncanakan pada tahun 2018, telah ditunda hingga tahun 2025.

Beberapa hari yang lalu kami melaporkan hal itu yang pertama

Diketahui bahwa ketika inti atom berat membelah selama reaksi nuklir, sejumlah besar energi dilepaskan. Namun, dimungkinkan untuk menetapkan bahwa fusi inti cahaya melepaskan energi yang lebih besar. Reaksi seperti ini disebut termonuklir.

Sifat reaksi termonuklir

Reaksi termonuklir merupakan reaksi fusi inti ringan yang terjadi pada suhu tinggi dan melepaskan energi dalam jumlah besar. Sintesis helium dari hidrogen terjadi pada t = 108 ˚C. Sintesis satu gram helium melepaskan 4,2*1011 J. Energi ini setara dengan energi yang dilepaskan selama fisi sempurna 4 gram uranium atau saat membakar 10 ton bahan bakar diesel. Reaksi termonuklir dapat ditemukan di bintang, di mana suhu dan tekanan materi menciptakan kondisi yang cocok untuk penggabungan.

Reaksi termonuklir fusi helium melibatkan isotop hidrogen: tritium dan deuterium:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

Ketika deuterium dan tritium melebur menjadi inti helium, sebuah neutron dan energi E = 17,6 MeV dilepaskan.

Kondisi untuk reaksi termonuklir

Agar reaksi termonuklir dapat terjadi, diperlukan kondisi tertentu. Inti dari isotop-isotop ini perlu didekatkan. Inti atom mempunyai muatan positif, dan oleh karena itu, ketika mereka berkumpul, gaya Coulomb bekerja, mendorong muatan-muatan ini menjauh.

Oleh karena itu, agar fusi nuklir dapat terjadi, gaya tolak menolak harus diatasi. Hal ini hanya mungkin terjadi jika inti atom itu sendiri mempunyai energi yang sangat tinggi, terutama energi kinetik gerak, yaitu ketika kecepatannya cukup tinggi.

Inti isotop dapat mencapai kecepatan tersebut hanya pada suhu yang sangat tinggi. Partikel-partikel tersebut perlu diberikan kecepatan yang cukup sehingga mereka dapat saling mendekat pada jarak ≈ 10^-14 m Pada jarak tersebut, gaya tarik menarik nuklir mulai bekerja.

Suhu seperti itu hanya dapat dicapai melalui ledakan bom atom. Artinya, untuk menghasilkan reaksi termonuklir, pertama-tama perlu dilakukan reaksi nuklir, kemudian suhunya cukup untuk mendekatkan inti isotop hidrogen dan melakukan reaksi termonuklir. Proses ini diterapkan pada bom hidrogen, bom paling kuat yang ditemukan manusia.

Reaksi termonuklir yang terkendali

Namun, saat ini reaksi termonuklir yang tidak terkendali tidak lagi relevan. Reaksi termonuklir yang terkendali perlu dikuasai untuk mengubah energi yang dihasilkan menjadi energi listrik. Tapi ada masalah. Setelah mencapai suhu yang cukup untuk terjadinya reaksi fusi inti ringan, zat tersebut tidak lagi hanya berbentuk padat, cair atau gas, tetapi juga itu menjadi plasma.

Artinya, reaktor apa pun akan langsung menguap pada suhu tersebut. Hal ini memerlukan pendekatan yang sangat berbeda. Saat ini dimungkinkan untuk menampung plasma di area terbatas dengan menggunakan magnet listrik yang sangat kuat. Namun energi yang diperoleh dari reaksi termonuklir belum dapat dimanfaatkan sepenuhnya.

“Kami bilang kami akan memasukkan Matahari ke dalam kotak. Idenya bagus. Namun masalahnya adalah kita tidak tahu cara membuat kotak ini” - Pierre Gilles de Gennes, pemenang Hadiah Nobel bidang fisika tahun 1991.

Meskipun terdapat cukup banyak unsur berat yang diperlukan untuk reaksi nuklir di Bumi dan di luar angkasa secara umum, terdapat banyak unsur ringan untuk reaksi termonuklir baik di Bumi maupun di luar angkasa. Oleh karena itu, gagasan untuk menggunakan energi termonuklir untuk kepentingan umat manusia segera muncul dengan pemahaman tentang proses yang mendasarinya - ini menjanjikan kemungkinan yang benar-benar tidak terbatas, karena cadangan bahan bakar termonuklir di Bumi seharusnya cukup untuk puluhan ribu tahun. tahun yang akan datang.

Sudah pada tahun 1951, dua arah utama untuk pengembangan reaktor termonuklir muncul: Andrei Sakharov dan Igor Tamm mengembangkan arsitektur tokamak di mana ruang kerjanya adalah torus, sementara Lyman Spitzer mengusulkan arsitektur dengan desain yang lebih rumit dalam bentuk yang paling mengingatkan pada reaktor termonuklir. strip Mobius terbalik tidak hanya sekali, tetapi beberapa kali.

Kesederhanaan desain dasar tokamak memungkinkan pengembangan arah ini dalam waktu yang lama dengan meningkatkan karakteristik magnet konvensional dan superkonduktor, serta secara bertahap meningkatkan ukuran reaktor. Namun dengan peningkatan parameter plasma, masalah dengan perilaku tidak stabilnya secara bertahap mulai muncul, yang memperlambat proses tersebut.

Kompleksitas desain bintang sepenuhnya mengarah pada fakta bahwa setelah percobaan pertama di tahun 50-an, perkembangan arah ini terhenti untuk waktu yang lama. Ia menerima kehidupan baru baru-baru ini dengan munculnya sistem desain berbantuan komputer modern, yang memungkinkan untuk merancang stellator Wendelstein 7-X dengan parameter dan akurasi desain yang diperlukan untuk pengoperasiannya.

Fisika proses dan permasalahan dalam pelaksanaannya

Atom besi memiliki energi ikat maksimum per nukleon - yaitu, ukuran energi yang harus dikeluarkan untuk memecah atom menjadi neutron dan proton penyusunnya, dibagi dengan jumlah totalnya. Semua atom dengan massa lebih rendah dan lebih tinggi memiliki indikator ini di bawah besi:

Dalam hal ini, dalam reaksi termonuklir peleburan atom ringan hingga besi, energi dilepaskan, dan massa atom yang dihasilkan menjadi sedikit lebih kecil dari jumlah massa atom awal dengan jumlah yang berkorelasi dengan energi yang dilepaskan. menurut rumus E = mc² (disebut cacat massa). Dengan cara yang sama, energi dilepaskan selama reaksi fisi nuklir atom yang lebih berat daripada besi.

Selama reaksi fusi atom, energi yang sangat besar dilepaskan, tetapi untuk mengekstraksi energi ini, pertama-tama kita perlu melakukan upaya tertentu untuk mengatasi gaya tolak menolak antara inti atom yang bermuatan positif (mengatasi penghalang Coulomb). Setelah kita berhasil mendekatkan sepasang atom ke jarak yang diperlukan, interaksi nuklir kuat mulai berlaku, yang mengikat neutron dan proton. Untuk setiap jenis bahan bakar, penghalang Coulomb untuk permulaan reaksi berbeda-beda, seperti halnya suhu reaksi optimal yang berbeda:

Dalam hal ini, reaksi termonuklir pertama atom mulai dicatat jauh sebelum suhu rata-rata suatu zat mencapai penghalang ini karena fakta bahwa energi kinetik atom tunduk pada distribusi Maxwell:

Namun reaksi pada suhu yang relatif rendah (sekitar beberapa juta °C) berlangsung sangat lambat. Jadi katakanlah di pusatnya suhunya mencapai 14 juta °C, namun kekuatan spesifik reaksi termonuklir dalam kondisi seperti itu hanya 276,5 W/m³, dan Matahari membutuhkan beberapa miliar tahun untuk menghabiskan bahan bakarnya sepenuhnya. Kondisi seperti itu tidak dapat diterima untuk reaktor termonuklir, karena dengan tingkat pelepasan energi yang rendah, kita pasti akan menghabiskan lebih banyak uang untuk memanaskan dan mengompresi bahan bakar termonuklir daripada yang kita terima dari reaksi sebagai imbalannya.

Ketika suhu bahan bakar meningkat, semakin banyak atom yang mulai memiliki energi melebihi penghalang Coulomb dan efisiensi reaksi meningkat, mencapai puncaknya. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, laju reaksi mulai turun lagi karena fakta bahwa energi kinetik atom menjadi terlalu tinggi dan mereka “melampaui” satu sama lain, tidak mampu ditahan oleh interaksi nuklir kuat.

Dengan demikian, penyelesaian cara memperoleh energi dari reaksi termonuklir terkendali diperoleh cukup cepat, namun pelaksanaan tugas ini memakan waktu setengah abad dan belum selesai. Alasannya terletak pada kondisi yang benar-benar gila yang mengharuskan penempatan bahan bakar termonuklir - agar hasil reaksi positif, suhunya harus beberapa puluh juta °C.

Tidak ada dinding yang secara fisik dapat menahan suhu seperti itu, namun masalah ini segera mengarah pada penyelesaiannya: karena zat yang dipanaskan hingga suhu tersebut adalah plasma panas (gas terionisasi penuh) yang bermuatan positif, larutan ternyata ada di permukaan - kita hanya perlu menempatkan plasma yang dipanaskan di medan magnet yang kuat, yang akan menjaga jarak aman bahan bakar termonuklir dari dinding.

Kemajuan menuju implementasinya

Penelitian tentang topik ini dilakukan ke beberapa arah sekaligus:

1. Dengan menggunakan magnet superkonduktor, para ilmuwan mencoba mengurangi energi yang dihabiskan untuk menyalakan dan mempertahankan reaksi;
2. dengan bantuan superkonduktor generasi baru, induksi medan magnet di dalam reaktor meningkat, yang memungkinkan untuk mempertahankan plasma dengan kepadatan dan suhu yang lebih tinggi, yang meningkatkan daya spesifik reaktor per satuan volume;
3. penelitian plasma panas dan kemajuan teknologi komputasi memungkinkan pengendalian aliran plasma yang lebih baik, sehingga membawa reaktor fusi mendekati batas efisiensi teoretisnya;
4. Kemajuan di bidang sebelumnya juga memungkinkan kita untuk menjaga plasma dalam keadaan stabil lebih lama, yang meningkatkan efisiensi reaktor karena kita tidak perlu terlalu sering memanaskan plasma.

Terlepas dari semua kesulitan dan permasalahan yang menghadang menuju reaksi termonuklir terkendali, cerita ini sudah mendekati akhir. Dalam industri energi, merupakan kebiasaan untuk menggunakan indikator EROEI - pengembalian energi atas investasi energi (rasio energi yang dikeluarkan dalam produksi bahan bakar dengan jumlah energi yang kita peroleh darinya) untuk menghitung efisiensi bahan bakar. Dan meskipun EROEI batubara terus meningkat, indikator minyak dan gas ini mencapai puncaknya pada pertengahan abad yang lalu dan kini terus menurun karena fakta bahwa simpanan baru bahan bakar ini berlokasi di tempat-tempat yang semakin sulit diakses dan di mana-mana. kedalaman yang lebih besar:

Pada saat yang sama, kita juga tidak dapat meningkatkan produksi batu bara karena memperoleh energi dari batu bara adalah proses yang sangat kotor dan saat ini benar-benar merenggut nyawa banyak orang karena berbagai penyakit paru-paru. Dengan satu atau lain cara, kita sekarang berada di ambang berakhirnya era bahan bakar fosil - dan ini bukanlah intrik para pemerhati lingkungan, tetapi perhitungan ekonomi yang dangkal ketika melihat ke masa depan. Pada saat yang sama, EROI reaktor termonuklir eksperimental, yang juga muncul pada pertengahan abad terakhir, terus meningkat dan pada tahun 2007 mencapai batas psikologis satu - yaitu, tahun ini untuk pertama kalinya umat manusia berhasil memperoleh lebih banyak energi. melalui reaksi termonuklir daripada yang dihabiskan untuk implementasinya. Terlepas dari kenyataan bahwa implementasi reaktor, percobaan dengannya dan produksi demonstrasi pertama pembangkit listrik termonuklir DEMO berdasarkan pengalaman yang diperoleh selama implementasi ITER masih akan memakan banyak waktu. Tidak ada keraguan lagi bahwa masa depan kita terletak pada reaktor seperti itu.

Kritik terhadap penelitian

Kritik utama terhadap penelitian reaktor fusi adalah bahwa penelitian berjalan sangat lambat. Dan memang benar - dari percobaan pertama hingga produksi reaksi termonuklir impas, kita membutuhkan waktu selama 66 tahun. Namun inti permasalahannya di sini adalah bahwa pendanaan untuk penelitian semacam itu tidak pernah mencapai tingkat yang diperlukan - berikut adalah contoh perkiraan Badan Penelitian dan Pengembangan Energi AS mengenai tingkat pendanaan untuk proyek reaktor fusi dan waktu penyelesaiannya:

Seperti yang dapat dilihat dari grafik ini, mengejutkan bukan saja kita masih belum memiliki reaktor termonuklir komersial yang menghasilkan listrik, namun kita telah mampu mencapai keluaran energi positif dari reaktor eksperimental saat ini.