Artikel ini membahas alasan mengapa fusi termonuklir terkontrol belum menemukan aplikasi industri.

Ketika ledakan dahsyat mengguncang Bumi pada 1950-an bom termonuklir, sepertinya sebelum digunakan secara damai energi fusi nuklir hanya ada sedikit yang tersisa: satu atau dua dekade. Ada alasan untuk optimisme seperti itu: dari saat bom atom digunakan hingga pembuatan reaktor yang menghasilkan listrik, hanya 10 tahun telah berlalu.

Tapi tugas mengekang fusi termonuklir ternyata luar biasa sulitnya. Puluhan tahun berlalu satu demi satu, dan akses ke cadangan energi tak terbatas tidak dapat diperoleh. Selama waktu ini, umat manusia, membakar sumber daya fosil, mencemari atmosfer dengan emisi dan memanaskannya dengan gas rumah kaca. Bencana di Chernobyl dan Fukushima-1 telah mendiskreditkan tenaga nuklir.

Apa yang mencegah penguasaan proses fusi termonuklir yang begitu menjanjikan dan aman, yang dapat selamanya menghilangkan masalah penyediaan energi bagi umat manusia?

Awalnya, jelas bahwa agar reaksi dapat berlangsung, perlu untuk mendekatkan inti hidrogen sehingga gaya nuklir dapat membentuk inti elemen baru - helium, dengan pelepasan sejumlah besar energi. Tapi inti hidrogen ditolak satu sama lain oleh gaya listrik. Penilaian suhu dan tekanan di mana reaksi termonuklir terkendali dimulai telah menunjukkan bahwa tidak ada bahan yang dapat menahan suhu seperti itu.

Untuk alasan yang sama, deuterium murni, sebuah isotop hidrogen, juga ditolak. Setelah menghabiskan miliaran dolar dan waktu puluhan tahun, para ilmuwan akhirnya mampu menyalakan api termonuklir untuk waktu yang sangat singkat. Masih belajar bagaimana menahan plasma fusi cukup lama. Itu perlu untuk beralih dari simulasi komputer ke pembangunan reaktor nyata.

Pada tahap ini, menjadi jelas bahwa upaya dan dana dari masing-masing negara tidak akan cukup untuk membangun dan mengoperasikan pabrik percontohan dan percontohan. Dalam kerangka kerja sama internasional, diputuskan untuk mengimplementasikan proyek reaktor termonuklir eksperimental senilai lebih dari 14 miliar dolar.

Tetapi pada tahun 1996, Amerika Serikat menghentikan partisipasinya dan, karenanya, mendanai proyek tersebut. Untuk beberapa waktu, pelaksanaannya dibiayai oleh Kanada, Jepang dan Eropa, tetapi pembangunan reaktor tidak pernah membuahkan hasil.

Proyek kedua, juga internasional, sedang dilaksanakan di Prancis. Retensi plasma jangka panjang terjadi karena bentuk khusus medan magnet - dalam bentuk botol. Dasar dari metode ini diletakkan oleh fisikawan Soviet. Pertama Instalasi "Tokamak" harus memberikan output lebih banyak energi daripada yang dihabiskan untuk penyalaan dan retensi plasma.

Pada 2012, pemasangan reaktor seharusnya sudah selesai, tetapi belum ada informasi tentang keberhasilan operasi. Mungkin pergolakan ekonomi beberapa tahun terakhir telah membuat penyesuaian sendiri terhadap rencana para ilmuwan.

Kesulitan dalam mencapai fusi terkontrol memunculkan banyak spekulasi dan laporan palsu tentang apa yang disebut reaksi fusi termonuklir "dingin" dari inti. Terlepas dari kenyataan bahwa belum ada kemungkinan fisik atau hukum yang ditemukan, banyak peneliti mengklaim keberadaannya. Lagi pula, taruhannya terlalu tinggi: dari Hadiah Nobel untuk ilmuwan hingga dominasi geopolitik negara yang telah menguasai teknologi semacam itu dan memperoleh akses ke kelimpahan energi.

Tetapi setiap pesan seperti itu ternyata dilebih-lebihkan atau benar-benar salah. Ilmuwan yang serius menganggap adanya reaksi semacam itu dengan skeptis.

Kemungkinan nyata untuk menguasai sintesis dan awal operasi industri reaktor termonuklir didorong kembali ke pertengahan abad ke-21. Pada saat ini, dimungkinkan untuk memilih bahan yang diperlukan dan mengerjakan operasinya yang aman. Karena reaktor tersebut akan beroperasi dengan plasma densitas sangat rendah, keamanan pembangkit listrik fusi akan jauh lebih tinggi daripada pembangkit listrik tenaga nuklir.

Setiap pelanggaran di zona reaksi akan segera "memadamkan" nyala termonuklir. Tetapi langkah-langkah keamanan tidak boleh diabaikan: daya unit reaktor akan sangat besar sehingga kecelakaan, bahkan di sirkuit ekstraksi panas, dapat menyebabkan korban dan pencemaran lingkungan. Masalahnya tetap kecil: menunggu 30-40 tahun dan melihat era kelimpahan energi. Jika kita hidup, tentu saja.

3. Masalah fusi termonuklir terkendali

Para peneliti di semua negara maju menaruh harapan mereka untuk mengatasi krisis energi yang akan datang dengan reaksi termonuklir yang terkendali. Reaksi semacam itu - sintesis helium dari deuterium dan tritium - telah berlangsung di Matahari selama jutaan tahun, dan di bawah kondisi terestrial selama lima puluh tahun sekarang mereka telah mencoba untuk melakukannya di fasilitas laser raksasa dan sangat mahal, tokamaks. (perangkat untuk melakukan reaksi fusi termonuklir dalam plasma panas) dan stellarator ( perangkap magnet tertutup untuk menampung plasma suhu tinggi). Namun, ada cara lain untuk memecahkan masalah yang sulit ini, dan alih-alih tokamak besar, mungkin akan mungkin untuk menggunakan penabrak yang agak kompak dan murah - akselerator pada balok yang bertabrakan - untuk implementasi fusi termonuklir.

Tokamak membutuhkan sejumlah kecil lithium dan deuterium untuk beroperasi. Misalnya, sebuah reaktor dengan daya listrik 1 GW membakar sekitar 100 kg deuterium dan 300 kg litium per tahun. Jika kita berasumsi bahwa semua pembangkit listrik termonuklir akan menghasilkan 10 triliun. kW / jam listrik per tahun, yaitu, sebanyak yang dihasilkan oleh semua pembangkit listrik di Bumi saat ini, maka cadangan deuterium dan lithium dunia akan cukup untuk memasok energi bagi umat manusia selama jutaan tahun.

Selain fusi deuterium dan litium, fusi matahari murni dimungkinkan bila dua atom deuterium digabungkan. Jika reaksi ini dikuasai, masalah energi akan segera terpecahkan dan selamanya.

Dalam salah satu varian yang dikenal dari fusi termonuklir terkontrol (CTF), reaksi termonuklir tidak dapat memasuki mode peningkatan daya yang tidak terkendali, oleh karena itu, reaktor semacam itu secara intrinsik tidak aman.

Dari sudut pandang fisik, masalahnya dirumuskan secara sederhana. Agar reaksi fusi nuklir mandiri dapat terjadi, perlu dan cukup untuk memenuhi dua kondisi.

1. Energi inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus minimal 10 keV. Untuk memulai fusi nuklir, inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus jatuh ke dalam medan gaya nuklir, yang jari-jarinya adalah 10-12-10-13 s.cm. Namun, inti atom memiliki muatan listrik positif, dan muatan serupa saling tolak. Pada batas aksi gaya nuklir, energi tolakan Coulomb adalah sekitar 10 keV. Untuk mengatasi penghalang ini, inti dalam tumbukan harus memiliki energi kinetik setidaknya tidak kurang dari nilai ini.

2. Produk dari konsentrasi inti yang bereaksi dan waktu retensi selama mereka mempertahankan energi yang ditunjukkan harus setidaknya 1014 s.cm-3. Kondisi ini - yang disebut kriteria Lawson - menentukan batas profitabilitas energi reaksi. Agar energi yang dilepaskan dalam reaksi fusi setidaknya menutupi biaya energi untuk memulai reaksi, inti atom harus mengalami banyak tumbukan. Dalam setiap tumbukan di mana reaksi fusi terjadi antara deuterium (D) dan tritium (T), energi 17,6 MeV dilepaskan, yaitu sekitar 3,10-12 J. Jika, misalnya, energi 10 MJ dihabiskan untuk penyalaan, maka reaksi akan impas jika setidaknya 3,1018 pasangan D-T ambil bagian di dalamnya. Dan untuk ini, plasma energi tinggi yang agak padat harus disimpan dalam reaktor untuk waktu yang lama. Kondisi ini dinyatakan dengan kriteria Lawson.

Jika kedua persyaratan dapat dipenuhi secara bersamaan, masalah fusi termonuklir terkontrol akan terpecahkan.

Namun, dalam pelaksanaan teknis masalah fisik ini menghadapi kesulitan yang sangat besar. Bagaimanapun, energi 10 keV adalah suhu 100 juta derajat. Suatu zat pada suhu seperti itu dapat disimpan bahkan untuk sepersekian detik hanya dalam ruang hampa, dengan mengisolasinya dari dinding instalasi.

Tetapi ada metode lain untuk memecahkan masalah ini - fusi dingin. Apa itu fusi dingin - ini adalah analog dari reaksi termonuklir "panas" yang terjadi pada suhu kamar.

Di alam, setidaknya ada dua cara untuk mengubah materi dalam satu dimensi kontinum. Anda dapat merebus air dengan api, mis. termal, atau dalam oven microwave, mis. frekuensi. Hasilnya sama - air mendidih, satu-satunya perbedaan adalah metode frekuensi lebih cepat. Ia juga menggunakan pencapaian suhu ultra-tinggi untuk membelah inti atom. Metode termal memberikan reaksi nuklir yang tidak terkendali. Energi fusi dingin adalah energi keadaan transisi. Salah satu syarat utama untuk desain reaktor untuk melakukan reaksi fusi dingin adalah kondisi bentuk kristal piramidalnya. Kondisi penting lainnya adalah adanya medan magnet dan torsi yang berputar. Perpotongan medan terjadi pada titik kesetimbangan tidak stabil dari inti hidrogen.

Ilmuwan Ruzi Taleiarkhan dari Laboratorium Nasional Oak Ridge, Richard Leikhi dari Universitas Politeknik. Renssilira dan Akademisi Robert Nigmatulin - merekam reaksi termonuklir dingin di laboratorium.

Kelompok tersebut menggunakan gelas kimia aseton cair ukuran dua sampai tiga gelas. Gelombang suara yang intens melewati cairan, menghasilkan efek yang dikenal dalam fisika sebagai kavitasi akustik, yang konsekuensinya adalah sonoluminescence. Selama kavitasi, gelembung-gelembung kecil muncul dalam cairan, yang berdiameter dua milimeter dan meledak. Ledakan disertai dengan kilatan cahaya dan pelepasan energi yaitu suhu di dalam gelembung pada saat ledakan mencapai 10 juta derajat Kelvin, dan energi yang dilepaskan, menurut para peneliti, cukup untuk melakukan fusi termonuklir.

"Secara teknis" inti dari reaksi terletak pada kenyataan bahwa sebagai hasil dari kombinasi dua atom deuterium, yang ketiga terbentuk - isotop hidrogen, yang dikenal sebagai tritium, dan neutron, yang dicirikan oleh sejumlah besar energi .

Arus dalam keadaan superkonduktor adalah nol, dan oleh karena itu, jumlah listrik minimum akan dihabiskan untuk mempertahankan medan magnet. 8. Sistem super cepat. Fusi termonuklir terkendali dengan kurungan inersia Kesulitan yang terkait dengan kurungan magnetik plasma, pada prinsipnya, dapat dilewati jika bahan bakar nuklir dibakar dalam waktu yang sangat singkat, ketika...

Untuk tahun 2004. Perundingan berikutnya mengenai proyek ini akan diadakan pada Mei 2004 di Wina. Reaktor tersebut akan dibangun pada tahun 2006 dan dijadwalkan akan diluncurkan pada tahun 2014. Cara kerja Fusion* adalah cara yang murah dan ramah lingkungan untuk menghasilkan energi. Selama miliaran tahun, fusi termonuklir yang tidak terkendali telah terjadi di Matahari - helium terbentuk dari isotop berat hidrogen deuterium. Di mana...

Reaktor termonuklir eksperimental dipimpin oleh E.P. Velikhov. Amerika Serikat, setelah menghabiskan 15 miliar dolar, menarik diri dari proyek ini, 15 miliar sisanya telah dihabiskan oleh organisasi ilmiah internasional. 2. Masalah teknis, lingkungan dan medis. Selama pengoperasian instalasi fusi termonuklir terkendali (UTF). sinar neutron dan radiasi gamma terjadi, serta ...

Energi dan kualitas apa yang dibutuhkan agar energi yang dilepaskan cukup untuk menutupi biaya memulai proses pelepasan energi. Kami akan membahas pertanyaan ini di bawah ini sehubungan dengan masalah fusi termonuklir. Tentang kualitas energi laser Dalam kasus yang paling sederhana, batasan pada konversi energi berkualitas rendah menjadi energi berkualitas tinggi terlihat jelas. Berikut beberapa contoh dari...

Sivkova Olga Dmitrievna

Karya ini menempati posisi ke-3 di NOU regional

Unduh:

Pratinjau:

Institusi pendidikan kota

Sekolah menengah 175

Distrik Leninsky di Nizhny Novgorod

Masalah fusi termonuklir

Diselesaikan oleh: Sivkova Olga Dmitrievna

Siswa 11 kelas "A", nomor sekolah 175

Penasihat ilmiah:

Kirzhaeva D.G.

Nizhny Novgorod

tahun 2013.

Pendahuluan 3

2. Fusi termonuklir terkendali 8

3. Keuntungan fusi termonuklir 10

4. Masalah fusi termonuklir 12

4.1 Masalah lingkungan 15

4.2 Masalah medis 16

5. Instalasi termonuklir 18

6. Prospek untuk menguasai fusi termonuklir 23

Kesimpulan 26

Sastra 27

pengantar

Menurut berbagai perkiraan, sumber utama listrik di planet ini akan berakhir dalam 50-100 tahun. Umat ​​manusia akan menghabiskan cadangan minyak dalam 40 tahun, gas - maksimum 80, dan uranium - dalam 80-100 tahun. Cadangan batu bara dapat bertahan selama 400 tahun, tetapi penggunaan bahan bakar fosil ini, dan sebagai bahan bakar utama, menempatkan planet ini di luar ambang bencana ekologis. Jika polusi atmosfer tanpa ampun seperti itu tidak dihentikan hari ini, tidak akan ada pertanyaan tentang abad apa pun. Ini berarti bahwa kita membutuhkan sumber energi alternatif di masa mendatang.

Dan ada sumber seperti itu. Ini adalah energi termonuklir, yang menggunakan deuterium non-radioaktif dan tritium radioaktif, tetapi dalam volume ribuan kali lebih kecil daripada energi nuklir. Dan sumber ini praktis tidak ada habisnya, didasarkan pada tumbukan inti hidrogen, dan hidrogen adalah zat yang paling umum di alam semesta.

Salah satu tugas terpenting yang dihadapi umat manusia di bidang ini adalahmasalah fusi termonuklir terkendali.

Peradaban manusia tidak bisa eksis, apalagi berkembang, tanpa energi. Semua orang sangat menyadari bahwa sumber energi yang dikembangkan, sayangnya, akan segera habis. Menurut Dewan Energi Dunia, cadangan bahan bakar hidrokarbon yang dieksplorasi di Bumi tetap selama 30 tahun.

Saat ini, sumber energi utama adalah minyak, gas, dan batu bara.

Menurut para ahli, cadangan mineral tersebut sudah mulai habis. Hampir tidak ada yang dieksplorasi, cocok untuk pengembangan ladang minyak yang tersisa, dan cucu kita mungkin sudah menghadapi masalah kekurangan energi yang sangat serius.

Pembangkit listrik tenaga nuklir, yang paling baik dipasok dengan bahan bakar, tentu saja dapat memasok listrik bagi umat manusia selama lebih dari seratus tahun.

Objek studi: Masalah fusi termonuklir terkendali.

Subjek studi:Fusi termonuklir.

Tujuan studi:Memecahkan masalah kontrol fusi termonuklir;

Tujuan penelitian:

• Untuk mempelajari jenis-jenis reaksi termonuklir.
• Pertimbangkan semua opsi yang memungkinkan untuk mengirimkan energi yang dilepaskan selama reaksi termonuklir kepada seseorang.
• Mengemukakan teori tentang konversi energi menjadi listrik.

Fakta awal:

Energi nuklir dilepaskan selama peluruhan atau fusi inti atom. Setiap energi - fisik, kimia, atau nuklir dimanifestasikan oleh kemampuannya untuk melakukan pekerjaan, memancarkan panas atau radiasi. Energi dalam sistem apa pun selalu kekal, tetapi dapat ditransfer ke sistem lain atau diubah bentuknya.

Pencapaian kondisi fusi termonuklir terkendali terhalang oleh beberapa masalah utama:

• Pertama, gas harus dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi.
• Kedua, perlu untuk mengontrol jumlah inti yang bereaksi untuk waktu yang cukup lama.
• Ketiga, jumlah energi yang dilepaskan harus lebih besar daripada yang dihabiskan untuk pemanasan dan membatasi densitas gas.
• Masalah selanjutnya adalah akumulasi energi ini dan mengubahnya menjadi listrik.

1. Reaksi termonuklir di Matahari

Apa sumber energi matahari? Apa sifat dari proses di mana sejumlah besar energi dihasilkan? Berapa lama matahari akan terus bersinar?

Upaya pertama untuk menjawab pertanyaan ini dilakukan oleh para astronom pada pertengahan abad ke-19, setelah fisikawan merumuskan hukum kekekalan energi.

Robert Mayer menyarankan bahwa Matahari bersinar karena pemboman konstan permukaan oleh meteorit dan partikel meteor. Hipotesis ini ditolak, karena perhitungan sederhana menunjukkan bahwa untuk mempertahankan luminositas Matahari pada tingkat saat ini, diperlukan 2∙10 15 kg materi meteorik. Selama setahun itu akan menjadi 6∙10 22 kg, dan selama keberadaan Matahari, selama 5 miliar tahun - 3∙10 32 kg Massa matahari M = 2∙10 30 kg, oleh karena itu, dalam lima miliar tahun, materi 150 kali massa Matahari seharusnya jatuh ke Matahari.

Hipotesis kedua juga dikemukakan oleh Helmholtz dan Kelvin pada pertengahan abad ke-19. Mereka menyarankan bahwa Matahari memancar dengan kontraksi 60–70 meter per tahun. Alasan kompresi adalah gaya tarik timbal balik dari partikel Matahari, itulah sebabnya hipotesis ini disebut kontraktual . Jika kita membuat perhitungan sesuai dengan hipotesis ini, maka usia Matahari tidak akan lebih dari 20 juta tahun, yang bertentangan dengan data modern yang diperoleh dari analisis peluruhan radioaktif unsur-unsur dalam sampel geologis tanah bumi dan bulan. .

Hipotesis ketiga tentang kemungkinan sumber energi matahari dikemukakan oleh James Jeans pada awal abad ke-20. Dia menyarankan bahwa kedalaman Matahari mengandung unsur radioaktif berat yang meluruh secara spontan, sementara energi dipancarkan. Misalnya, transformasi uranium menjadi thorium dan kemudian menjadi timbal disertai dengan pelepasan energi. Analisis selanjutnya dari hipotesis ini juga menunjukkan kegagalannya; sebuah bintang yang hanya terdiri dari uranium tidak akan melepaskan energi yang cukup untuk memberikan luminositas Matahari yang teramati. Selain itu, ada bintang yang berkali-kali lebih bercahaya dari bintang kita. Tidak mungkin bintang-bintang itu juga mengandung lebih banyak bahan radioaktif.

Hipotesis yang paling mungkin ternyata adalah hipotesis sintesis unsur-unsur sebagai akibat dari reaksi nuklir di bagian dalam bintang.

Pada tahun 1935, Hans Bethe berhipotesis bahwa reaksi termonuklir mengubah hidrogen menjadi helium bisa menjadi sumber energi matahari. Untuk inilah Bethe menerima Hadiah Nobel pada tahun 1967.

Komposisi kimia Matahari hampir sama dengan kebanyakan bintang lainnya. Sekitar 75% adalah hidrogen, 25% adalah helium, dan kurang dari 1% adalah semua unsur kimia lainnya (terutama karbon, oksigen, nitrogen, dll.). Segera setelah kelahiran Semesta, tidak ada elemen "berat" sama sekali. Semuanya, yaitu unsur-unsur yang lebih berat dari helium, dan bahkan banyak partikel alfa, terbentuk selama "pembakaran" hidrogen di bintang-bintang selama fusi termonuklir. Umur karakteristik bintang seperti Matahari adalah sepuluh miliar tahun.

Sumber energi utama adalahsiklus proton-proton – reaksi sangat lambat (waktu karakteristik 7.9∙10 9 tahun), karena interaksi yang lemah. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa dari empat proton diperoleh inti helium. Dalam hal ini, sepasang positron dan sepasang neutrino dilepaskan, serta energi 26,7 MeV. Jumlah neutrino yang dipancarkan Matahari per detik hanya ditentukan oleh luminositas Matahari. Karena ketika 26,7 MeV dilepaskan, 2 neutrino lahir, maka laju emisi neutrino: 1,8∙10 38 neutrino/s. Tes langsung dari teori ini adalah pengamatan neutrino matahari. Neutrino energi tinggi (boron) dicatat dalam eksperimen klorin-argon (eksperimen Davis) dan secara konsisten menunjukkan kekurangan neutrino dibandingkan dengan nilai teoretis untuk model surya standar. Neutrino berenergi rendah yang muncul langsung dalam reaksi pp dicatat dalam eksperimen galium-germanium (GALLEX di Gran Sasso (Italia-Jerman) dan SAGE di Baksan (Rusia-AS)); mereka juga "hilang".

Menurut beberapa asumsi, jika neutrino memiliki massa diam selain nol, osilasi (transformasi) dari berbagai jenis neutrino dimungkinkan (efek Mikheev-Smirnov-Wolfenstein) (ada tiga jenis neutrino: elektron, muon dan tauon neutrino) . Karena neutrino lain memiliki penampang interaksi yang jauh lebih kecil dengan materi daripada elektron, defisit yang diamati dapat dijelaskan tanpa mengubah model standar Matahari, yang dibangun berdasarkan seluruh rangkaian data astronomi.

Setiap detik, Matahari mendaur ulang sekitar 600 juta ton hidrogen. Stok bahan bakar nuklir akan bertahan lima miliar tahun lagi, setelah itu secara bertahap akan berubah menjadi katai putih.

Bagian tengah Matahari akan menyusut, memanas, dan panas yang ditransfer ke kulit terluarnya akan menyebabkan ekspansinya ke ukuran yang mengerikan dibandingkan dengan yang modern: Matahari akan mengembang sangat besar sehingga akan menyerap Merkurius, Venus dan akan menghabiskan " bahan bakar" seratus kali lebih cepat, daripada saat ini. Ini akan meningkatkan ukuran Matahari; bintang kita akan menjadi raksasa merah, yang ukurannya sebanding dengan jarak dari Bumi ke Matahari!

Tentu saja, kami akan diberitahu tentang peristiwa seperti itu sebelumnya, karena transisi ke tahap baru akan memakan waktu sekitar 100-200 juta tahun. Ketika suhu bagian tengah Matahari mencapai 100.000.000 K, helium juga akan mulai terbakar, berubah menjadi unsur-unsur berat, dan Matahari akan memasuki tahap siklus kontraksi dan ekspansi yang kompleks. Pada tahap terakhir, bintang kita akan kehilangan kulit terluarnya, inti pusat akan memiliki kepadatan dan ukuran yang sangat besar, seperti Bumi. Beberapa miliar tahun lagi akan berlalu, dan Matahari akan mendingin, berubah menjadi katai putih.

2. Fusi termonuklir terkendali.

Fusi termonuklir terkendali (CTF) adalah sintesis inti atom yang lebih berat dari yang lebih ringan untuk mendapatkan energi, yang, tidak seperti fusi termonuklir eksplosif (digunakan dalam senjata termonuklir), dikendalikan. Fusi termonuklir terkendali berbeda dari energi nuklir tradisional karena yang terakhir menggunakan reaksi fisi, di mana inti yang lebih ringan diperoleh dari inti yang berat. Deuterium ( 2 H) dan tritium (3 H), dan di masa depan yang lebih jauh, helium-3 ( 3 He) dan boron-11 (11 B).

Fusi termonuklir terkendali dapat menggunakan berbagai jenis reaksi termonuklir tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

Deuterium diklasifikasikan sebagai bahan bakar termonuklir. 2 D 1 , tritium 3 T 1 dan 6 Li 3 . Bahan bakar nuklir utama jenis ini adalah deuterium. 6 Li 3 berfungsi sebagai bahan baku untuk memperoleh bahan bakar termonuklir sekunder - tritium.

Tritium 3 T 1 - hidrogen superberat 3 N 1 – diperoleh dengan iradiasi Li alami ( 7,52% 6 Li 3 ) neutron dan partikel alfa ( 4α 2 - inti atom helium 4 Bukan 2 ). Deuterium digunakan sebagai bahan bakar termonuklir yang dicampur dengan tritium dan 6 Li 3 (dalam bentuk LiD dan LiТ ). Selama pelaksanaan reaksi fusi nuklir dalam bahan bakar, reaksi fusi inti helium terjadi (pada suhu puluhan hingga ratusan juta derajat). Neutron yang dipancarkan diserap oleh inti 6 Li 3 , sementara jumlah tambahan tritium terbentuk sesuai dengan reaksi: 6 Li 3 + 1 p 0 \u003d 3 T 1 + 4 He 2 ( dalam reaksi penjumlahan nomor massa 6+1=3+4 dan jumlah muatan 3+0=1+2 harus sama di kedua sisi persamaan). Dua inti deuterium (hidrogen berat) memberikan sebagai hasil dari reaksi fusi satu inti tritium (hidrogen superberat) dan sebuah proton (inti atom hidrogen normal): 2 D 1 + 2 D 1 \u003d 3 T 1 + 1 R 1; Reaksi juga bisa sebaliknya, dengan pembentukan inti isotop helium 3 He 2 dan neutron 1 p 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 p 0 . Tritium bereaksi dengan deuterium, neutron muncul kembali, mampu berinteraksi dengan 6 Li 3: 2 D 1 + 3 T 1 \u003d 4 He 2 + 1 p 0 dll. Nilai kalor bahan bakar termonuklir adalah 5-6 kali lebih tinggi dari bahan fisil. Cadangan deuterium di hidrosfer sekitar 10 13 t . Namun, saat ini, hanya reaksi tak terkendali (ledakan) yang praktis dilakukan, dan metode sedang dicari secara luas untuk melakukan reaksi termonuklir terkendali, yang, pada prinsipnya, memungkinkan untuk menyediakan energi bagi umat manusia untuk jangka waktu yang hampir tak terbatas. waktu.

3. Keuntungan fusi termonuklir

Keuntungan apa yang dimiliki fusi termonuklir dibandingkan dengan reaksi fisi nuklir, yang memungkinkan kita untuk mengharapkan pengembangan energi termonuklir dalam skala besar? Perbedaan utama dan mendasar terletak pada tidak adanya limbah radioaktif berumur panjang, yang khas untuk reaktor fisi nuklir. Dan meskipun dinding pertama diaktifkan oleh neutron selama pengoperasian reaktor termonuklir, pilihan bahan struktural aktivasi rendah yang sesuai membuka kemungkinan mendasar untuk membuat reaktor termonuklir di mana aktivitas dinding pertama yang diinduksi akan berkurang menjadi sepenuhnya tingkat aman tiga puluh tahun setelah penghentian reaktor. Ini berarti bahwa reaktor yang kedaluwarsa hanya perlu dikosongkan selama 30 tahun, setelah itu bahan-bahan tersebut dapat didaur ulang dan digunakan dalam reaktor fusi baru. Keadaan ini pada dasarnya berbeda dengan reaktor fisi yang menghasilkan limbah radioaktif yang memerlukan pengolahan dan penyimpanan selama puluhan ribu tahun. Selain radioaktivitas yang rendah, energi termonuklir memiliki cadangan bahan bakar dan bahan lain yang sangat besar dan hampir tidak pernah habis, cukup untuk menghasilkan energi selama ratusan, bahkan ribuan tahun.

Keuntungan inilah yang mendorong negara-negara nuklir utama untuk memulai penelitian skala besar tentang fusi termonuklir terkendali pada pertengahan 1950-an. Pada saat itu, tes bom hidrogen pertama yang berhasil telah dilakukan di Uni Soviet dan Amerika Serikat, yang mengkonfirmasi kemungkinan mendasar untuk menggunakan energi fusi nuklir dalam kondisi terestrial. Sejak awal, menjadi jelas bahwa fusi termonuklir terkendali tidak memiliki aplikasi militer. Pada tahun 1956, penelitian tersebut dideklasifikasi dan sejak itu telah dilakukan dalam kerangka kerja sama internasional yang luas. Bom hidrogen dibuat hanya dalam beberapa tahun, dan pada saat itu tampaknya tujuannya sudah dekat, dan bahwa fasilitas eksperimental besar pertama, yang dibangun pada akhir tahun 50-an, akan menerima plasma termonuklir. Namun, butuh lebih dari 40 tahun penelitian untuk menciptakan kondisi di mana pelepasan daya termonuklir sebanding dengan daya pemanasan campuran yang bereaksi. Pada tahun 1997, instalasi termonuklir terbesar, European TOKAMAK (JET), menerima 16 MW tenaga termonuklir dan mendekati ambang batas ini.

Apa alasan penundaan seperti itu? Ternyata untuk mencapai tujuan, fisikawan dan insinyur harus memecahkan banyak masalah yang tidak mereka ketahui di awal perjalanan. Selama 40 tahun ini, sebuah ilmu diciptakan - fisika plasma, yang memungkinkan untuk memahami dan menggambarkan proses fisik kompleks yang terjadi dalam campuran yang bereaksi. Insinyur harus memecahkan masalah yang sama sulitnya, termasuk bagaimana menciptakan ruang hampa dalam dalam volume besar, memilih dan menguji bahan struktural yang sesuai, mengembangkan magnet superkonduktor besar, laser yang kuat dan sumber sinar-X, mengembangkan sistem tenaga berdenyut yang mampu menciptakan sinar partikel yang kuat, untuk mengembangkan metode pemanasan frekuensi tinggi campuran dan banyak lagi.

4. Masalah fusi termonuklir terkendali

Para peneliti di semua negara maju menaruh harapan mereka untuk mengatasi krisis energi yang akan datang dengan reaksi termonuklir yang terkendali. Reaksi semacam itu - sintesis helium dari deuterium dan tritium - telah berlangsung di Matahari selama jutaan tahun, dan di bawah kondisi terestrial selama lima puluh tahun sekarang mereka telah mencoba untuk melakukannya di fasilitas laser raksasa dan sangat mahal, tokamaks. (perangkat untuk melakukan reaksi fusi termonuklir dalam plasma panas) dan stellarator ( perangkap magnet tertutup untuk menampung plasma suhu tinggi). Namun, ada cara lain untuk memecahkan masalah yang sulit ini, dan alih-alih tokamak besar, mungkin akan mungkin untuk menggunakan penabrak yang agak kompak dan murah - akselerator pada balok yang bertabrakan - untuk implementasi fusi termonuklir.

Tokamak membutuhkan sejumlah kecil lithium dan deuterium untuk beroperasi. Misalnya, sebuah reaktor dengan daya listrik 1 GW membakar sekitar 100 kg deuterium dan 300 kg litium per tahun. Jika kita berasumsi bahwa semua pembangkit listrik termonuklir akan menghasilkan 10 triliun. kW / jam listrik per tahun, yaitu, sebanyak yang dihasilkan oleh semua pembangkit listrik di Bumi saat ini, maka cadangan deuterium dan lithium dunia akan cukup untuk memasok energi bagi umat manusia selama jutaan tahun.

Selain fusi deuterium dan litium, fusi matahari murni dimungkinkan bila dua atom deuterium digabungkan. Jika reaksi ini dikuasai, masalah energi akan segera terpecahkan dan selamanya.

Dalam salah satu varian yang dikenal dari fusi termonuklir terkontrol (CTF), reaksi termonuklir tidak dapat memasuki mode peningkatan daya yang tidak terkendali, oleh karena itu, reaktor semacam itu secara intrinsik tidak aman.

Dari sudut pandang fisik, masalahnya dirumuskan secara sederhana. Agar reaksi fusi nuklir mandiri dapat terjadi, perlu dan cukup untuk memenuhi dua kondisi.

1. Energi inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus minimal 10 keV. Untuk memulai fusi nuklir, inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus jatuh ke dalam medan gaya nuklir, yang jari-jarinya adalah 10-12-10-13 s.cm. Namun, inti atom memiliki muatan listrik positif, dan muatan serupa saling tolak. Pada batas aksi gaya nuklir, energi tolakan Coulomb adalah sekitar 10 keV. Untuk mengatasi penghalang ini, inti dalam tumbukan harus memiliki energi kinetik setidaknya tidak kurang dari nilai ini.
2. Produk dari konsentrasi inti yang bereaksi dan waktu retensi selama mereka mempertahankan energi yang ditunjukkan harus setidaknya 1014 s.cm-3. Kondisi ini - yang disebut kriteria Lawson - menentukan batas profitabilitas energi reaksi. Agar energi yang dilepaskan dalam reaksi fusi setidaknya menutupi biaya energi untuk memulai reaksi, inti atom harus mengalami banyak tumbukan. Dalam setiap tumbukan di mana reaksi fusi terjadi antara deuterium (D) dan tritium (T), energi 17,6 MeV dilepaskan, yaitu sekitar 3,10-12 J. Jika, misalnya, energi 10 MJ dihabiskan untuk penyalaan, maka reaksi akan impas jika setidaknya 3,1018 pasangan D-T ambil bagian di dalamnya. Dan untuk ini, plasma energi tinggi yang agak padat harus disimpan dalam reaktor untuk waktu yang lama. Kondisi ini dinyatakan dengan kriteria Lawson.

Jika kedua persyaratan dapat dipenuhi secara bersamaan, masalah fusi termonuklir terkontrol akan terpecahkan.

Namun, dalam pelaksanaan teknis masalah fisik ini menghadapi kesulitan yang sangat besar. Bagaimanapun, energi 10 keV adalah suhu 100 juta derajat. Suatu zat pada suhu seperti itu dapat disimpan bahkan untuk sepersekian detik hanya dalam ruang hampa, dengan mengisolasinya dari dinding instalasi.

Tetapi ada metode lain untuk memecahkan masalah ini - fusi dingin. Apa itu fusi dingin - ini adalah analog dari reaksi termonuklir "panas" yang terjadi pada suhu kamar.

Di alam, setidaknya ada dua cara untuk mengubah materi dalam satu dimensi kontinum. Anda dapat merebus air dengan api, mis. termal, atau dalam oven microwave, mis. frekuensi. Hasilnya sama - air mendidih, satu-satunya perbedaan adalah metode frekuensi lebih cepat. Ia juga menggunakan pencapaian suhu ultra-tinggi untuk membelah inti atom. Metode termal memberikan reaksi nuklir yang tidak terkendali. Energi fusi dingin adalah energi keadaan transisi. Salah satu syarat utama untuk desain reaktor untuk melakukan reaksi fusi dingin adalah kondisi bentuk kristal piramidalnya. Kondisi penting lainnya adalah adanya medan magnet dan torsi yang berputar. Perpotongan medan terjadi pada titik kesetimbangan tidak stabil dari inti hidrogen.

Ilmuwan Ruzi Taleiarkhan dari Laboratorium Nasional Oak Ridge, Richard Leikhi dari Universitas Politeknik. Renssilira dan Akademisi Robert Nigmatulin - merekam reaksi termonuklir dingin di laboratorium.

Kelompok tersebut menggunakan gelas kimia aseton cair ukuran dua sampai tiga gelas. Gelombang suara yang intens melewati cairan, menghasilkan efek yang dikenal dalam fisika sebagai kavitasi akustik, yang konsekuensinya adalah sonoluminescence. Selama kavitasi, gelembung-gelembung kecil muncul dalam cairan, yang berdiameter dua milimeter dan meledak. Ledakan disertai dengan kilatan cahaya dan pelepasan energi yaitu suhu di dalam gelembung pada saat ledakan mencapai 10 juta derajat Kelvin, dan energi yang dilepaskan, menurut para peneliti, cukup untuk melakukan fusi termonuklir.

"Secara teknis" inti dari reaksi terletak pada kenyataan bahwa sebagai hasil dari kombinasi dua atom deuterium, yang ketiga terbentuk - isotop hidrogen, yang dikenal sebagai tritium, dan neutron, yang dicirikan oleh sejumlah besar energi .

4.1 Masalah ekonomi

Saat membuat TCB, diasumsikan bahwa itu akan menjadi instalasi besar yang dilengkapi dengan komputer yang kuat. Ini akan menjadi kota kecil yang utuh. Namun jika terjadi kecelakaan atau kerusakan peralatan, pengoperasian stasiun akan terganggu.

Ini tidak disediakan, misalnya, dalam desain PLTN modern. Diyakini bahwa yang utama adalah membangunnya, dan apa yang terjadi selanjutnya tidak penting.

Tetapi jika 1 stasiun mati, banyak kota akan dibiarkan tanpa listrik. Ini dapat dilihat pada contoh pembangkit listrik tenaga nuklir di Armenia. Pembuangan limbah radioaktif menjadi sangat mahal. Atas permintaan pembangkit listrik tenaga nuklir hijau ditutup. Penduduk dibiarkan tanpa listrik, peralatan pembangkit listrik aus, dan uang yang dialokasikan oleh organisasi internasional untuk restorasi terbuang sia-sia.

Masalah ekonomi yang serius adalah dekontaminasi industri yang ditinggalkan di mana uranium diproses. Misalnya, "kota Aktau memiliki" Chernobyl "kecilnya sendiri. Terletak di wilayah pabrik kimia-hidrometalurgi (KhGMZ). Radiasi latar sinar gamma di toko pemrosesan uranium (HMC) di beberapa tempat mencapai 11.000 mikro-roentgen per jam, tingkat latar belakang rata-rata adalah 200 mikro-roentgen ( Latar belakang alami yang biasa adalah dari 10 hingga 25 mikro-roentgen per jam. Setelah penutupan pabrik, dekontaminasi sama sekali tidak dilakukan di sini. bagian dari peralatan, sekitar lima belas ribu ton, memiliki radioaktivitas yang tidak dapat dilepas.Pada saat yang sama, barang-barang berbahaya tersebut disimpan di tempat terbuka, tidak dijaga dengan baik dan terus-menerus dibawa pergi dari wilayah KhGMZ.

Oleh karena itu, karena tidak ada produksi abadi, sehubungan dengan munculnya teknologi baru, TCB dapat ditutup dan kemudian objek, logam dari perusahaan akan memasuki pasar dan penduduk setempat akan menderita.

Air akan digunakan dalam sistem pendingin TCB. Namun menurut para pemerhati lingkungan, jika kita mengambil statistik pembangkit listrik tenaga nuklir, air dari waduk ini tidak layak untuk diminum.

Menurut para ahli, reservoir ini penuh dengan logam berat (khususnya, thorium-232), dan di beberapa tempat tingkat radiasi gamma mencapai 50 - 60 mikroroentgen per jam.

Artinya, sekarang, selama pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir, tidak disediakan dana yang akan mengembalikan daerah itu ke keadaan semula. Dan setelah penutupan perusahaan, tidak ada yang tahu bagaimana mengubur akumulasi limbah dan membersihkan bekas perusahaan.

4.2 Masalah medis

Efek berbahaya dari CTS termasuk produksi mutan virus dan bakteri yang menghasilkan zat berbahaya. Hal ini terutama berlaku untuk virus dan bakteri dalam tubuh manusia. Munculnya tumor ganas dan kanker kemungkinan besar akan menjadi penyakit umum di antara penduduk desa yang tinggal di dekat TCB. Penduduk selalu lebih menderita karena mereka tidak memiliki sarana perlindungan. Dosimeter mahal dan obat-obatan tidak tersedia. Limbah dari TCF akan dibuang ke sungai, dibuang ke udara atau dipompa ke lapisan bawah tanah, yang sekarang terjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir.

Selain kerusakan yang terjadi segera setelah terpapar dosis tinggi, radiasi pengion menyebabkan efek jangka panjang. Pada dasarnya karsinogenesis dan kelainan genetik itu dapat terjadi pada dosis dan jenis paparan apapun (tunggal, kronis, lokal).

Menurut laporan dari dokter yang mencatat penyakit pekerja PLTN, pertama ada penyakit kardiovaskular (serangan jantung), kemudian kanker. Otot jantung menjadi lebih tipis di bawah pengaruh radiasi, menjadi lembek, kurang tahan lama. Ada penyakit yang cukup sulit dipahami. Misalnya, gagal hati. Tetapi mengapa ini terjadi, tidak ada satu pun dokter yang masih belum mengetahuinya. Jika zat radioaktif masuk ke saluran pernapasan selama kecelakaan, dokter memotong jaringan paru-paru dan trakea yang rusak dan orang cacat berjalan dengan perangkat portabel untuk bernapas

5. Instalasi termonuklir

Para ilmuwan di negara kita dan sebagian besar negara maju di dunia telah berurusan dengan masalah penggunaan reaksi termonuklir untuk tujuan energi selama bertahun-tahun. Instalasi termonuklir yang unik telah dibuat - perangkat teknis paling kompleks yang dirancang untuk mempelajari kemungkinan memperoleh energi kolosal, yang sejauh ini dilepaskan hanya selama ledakan bom hidrogen. Para ilmuwan ingin belajar bagaimana mengontrol jalannya reaksi termonuklir - reaksi menggabungkan inti hidrogen berat (deuterium dan tritium) dengan pembentukan inti helium pada suhu tinggi - untuk menggunakan energi yang dilepaskan selama ini untuk tujuan damai, untuk manfaat orang.

Ada sangat sedikit deuterium dalam satu liter air keran. Tetapi jika deuterium ini dikumpulkan dan digunakan sebagai bahan bakar dalam instalasi termonuklir, maka Anda bisa mendapatkan energi sebanyak dari membakar hampir 300 kilogram minyak. Dan untuk menyediakan energi yang sekarang diperoleh dengan membakar bahan bakar konvensional yang ditambang dalam setahun, perlu mengekstrak deuterium dari air yang terkandung dalam kubus dengan sisi hanya 160 meter. Sungai Volga sendiri membawa sekitar 60.000 meter kubik air ke Laut Kaspia setiap tahun.

Untuk reaksi termonuklir terjadi, beberapa kondisi harus dipenuhi. Dengan demikian, suhu di zona di mana inti hidrogen berat bergabung harus sekitar 100 juta derajat. Pada suhu yang begitu besar, kita tidak lagi berbicara tentang gas, tetapi tentang plasma. Plasma adalah keadaan materi ketika, pada suhu gas tinggi, atom netral kehilangan elektronnya dan berubah menjadi ion positif. Dengan kata lain, plasma adalah campuran ion positif dan elektron yang bergerak bebas. Kondisi kedua adalah kebutuhan untuk mempertahankan kepadatan plasma di zona reaksi setidaknya 100.000 miliar partikel per sentimeter kubik. Dan, akhirnya, hal utama dan paling sulit adalah menjaga jalannya reaksi termonuklir setidaknya selama satu detik.

Ruang kerja instalasi termonuklir berbentuk toroidal, mirip dengan bagel berongga besar. Itu diisi dengan campuran deuterium dan tritium. Di dalam ruangan itu sendiri, koil plasma dibuat - konduktor yang dilalui arus listrik sekitar 20 juta ampere.
Arus listrik melakukan tiga fungsi penting. Pertama, itu menciptakan plasma. Kedua, memanaskannya hingga seratus juta derajat. Dan, akhirnya, arus menciptakan medan magnet di sekitarnya, yaitu, mengelilingi plasma dengan garis-garis gaya magnet. Pada prinsipnya, garis gaya di sekitar plasma harus menahannya dan mencegah plasma menyentuh dinding ruangan.Namun, menjaga agar plasma tetap tersuspensi tidak sesederhana itu. Gaya listrik merusak konduktor plasma, yang tidak memiliki kekuatan konduktor logam. Itu membungkuk, menabrak dinding ruangan dan memberinya energi panas. Untuk mencegah hal ini, lebih banyak kumparan diletakkan di atas ruang toroidal, yang menciptakan medan magnet memanjang di dalam ruang, yang mendorong konduktor plasma menjauh dari dinding. Hanya ini tidak cukup, karena konduktor plasma pembawa arus cenderung meregang, untuk meningkatkan diameternya. Medan magnet, yang dibuat secara otomatis, tanpa kekuatan eksternal asing, juga dipanggil untuk menjaga konduktor plasma agar tidak mengembang. Konduktor plasma ditempatkan bersama dengan ruang toroidal ke dalam ruang lain yang lebih besar yang terbuat dari bahan non-magnetik, biasanya tembaga. Segera setelah konduktor plasma berusaha menyimpang dari posisi kesetimbangan, dalam selubung tembaga, menurut hukum induksi elektromagnetik, arus induksi muncul, yang berlawanan dengan arus dalam plasma. Akibatnya, kekuatan yang berlawanan muncul, yang mengusir plasma dari dinding ruangan.
Untuk menjaga plasma dari kontak dengan dinding ruangan oleh medan magnet diusulkan pada tahun 1949 oleh A.D. Sakharov, dan tak lama kemudian J. Spitzer Amerika.

Dalam fisika, merupakan kebiasaan untuk memberi nama pada setiap jenis baru pengaturan eksperimental. Struktur dengan sistem belitan seperti itu disebut tokamak - kependekan dari "ruang toroidal dan kumparan magnet".

Pada 1970-an, fasilitas termonuklir yang disebut "Tokamak-10" dibangun di Uni Soviet. Ini dikembangkan di Institut Energi Atom. I.V. Kurchatov. Pada instalasi ini, suhu konduktor plasma adalah 10 juta derajat, kepadatan plasma tidak lebih rendah dari 100 ribu miliar partikel per sentimeter kubik, dan waktu retensi plasma mendekati 0,5 detik. Instalasi terbesar di negara kita saat ini, Tokamak-15, juga dibangun di Institut Kurchatov Pusat Penelitian Moskow.

Semua instalasi termonuklir yang dibuat sejauh ini hanya mengkonsumsi energi untuk pemanasan plasma dan penciptaan medan magnet. Sebaliknya, pembangkit termonuklir masa depan harus melepaskan begitu banyak energi sehingga sebagian kecilnya dapat digunakan untuk mempertahankan reaksi termonuklir, yaitu, untuk memanaskan plasma, menciptakan medan magnet, dan memberi daya pada banyak perangkat dan perangkat tambahan, dan memberikan bagian utama untuk konsumsi dalam jaringan listrik.

Pada tahun 1997, di Inggris, pada tokamak JET, input dan energi yang diterima bertepatan. Meskipun ini, tentu saja, tidak cukup untuk proses mandiri: hingga 80 persen energi yang diterima hilang. Agar reaktor bekerja, perlu untuk menghasilkan energi lima kali lebih banyak daripada yang dihabiskan untuk memanaskan plasma dan menciptakan medan magnet.
Pada tahun 1986, negara-negara Uni Eropa, bersama dengan Uni Soviet, Amerika Serikat dan Jepang, memutuskan untuk bersama-sama mengembangkan dan membangun pada tahun 2010 sebuah tokamak yang cukup besar yang mampu menghasilkan energi tidak hanya untuk mempertahankan fusi termonuklir dalam plasma, tetapi juga untuk memperoleh manfaat tenaga listrik. Reaktor ini diberi nama ITER, kependekan dari International Thermonuclear Experimental Reactor. Pada tahun 1998, mereka berhasil menyelesaikan perhitungan desain, tetapi karena kegagalan Amerika, perubahan harus dilakukan pada desain reaktor untuk mengurangi biayanya.

Anda dapat membiarkan partikel bergerak secara alami, dan memberi kamera bentuk yang mengikuti jalurnya. Kamera kemudian memiliki penampilan yang agak aneh. Ini mengulangi bentuk filamen plasma yang muncul di medan magnet kumparan eksternal dengan konfigurasi yang kompleks. Medan magnet dibuat oleh kumparan eksternal dengan konfigurasi yang jauh lebih kompleks daripada di tokamak. Perangkat semacam ini disebut stellarators. Torsatron "Badai-3M" telah dibangun di negara kita. Stellarator eksperimental ini dirancang untuk menampung plasma yang dipanaskan hingga sepuluh juta derajat.

Saat ini, tokamak memiliki pesaing serius lainnya yang menggunakan fusi termonuklir inersia. Dalam hal ini, beberapa miligram campuran deuterium-tritium dimasukkan ke dalam kapsul dengan diameter 1-2 mm. Radiasi berdenyut dari beberapa puluh laser kuat difokuskan pada kapsul. Akibatnya, kapsul langsung menguap. Hal ini diperlukan untuk menempatkan 2 MJ energi ke dalam radiasi dalam 5-10 nanodetik. Kemudian tekanan ringan akan memampatkan campuran sedemikian rupa sehingga reaksi fusi termonuklir dapat berlangsung. Energi yang dilepaskan selama ledakan, setara dengan kekuatan ledakan seratus kilogram TNT, akan diubah menjadi bentuk yang lebih nyaman untuk digunakan - misalnya, menjadi bentuk listrik. Namun, konstruksi stellarators dan fasilitas fusi inersia juga menghadapi kesulitan teknis yang serius. Mungkin, penggunaan praktis energi termonuklir bukanlah pertanyaan dalam waktu dekat.

6. Prospek untuk menguasai fusi termonuklir

Sebagai tugas penting bagi industri nuklir, dalam jangka panjang, adalah memasuki pengembangan teknologi fusi termonuklir terkendali sebagai basis energi masa depan. Saat ini, keputusan strategis sedang dibuat di seluruh dunia untuk mengembangkan dan menguasai sumber energi baru. Kebutuhan untuk mengembangkan sumber-sumber tersebut dikaitkan dengan perkiraan kekurangan produksi energi dan sumber daya bahan bakar yang terbatas. Salah satu sumber energi inovatif yang paling menjanjikan adalah fusi termonuklir terkendali (CTF). Energi fusi dilepaskan selama fusi inti isotop hidrogen berat. Bahan bakar untuk reaktor termonuklir adalah air dan litium, yang cadangannya praktis tidak terbatas. Dalam kondisi terestrial, implementasi CTS adalah tugas ilmiah dan teknologi yang kompleks yang terkait dengan memperoleh suhu zat lebih dari 100 juta derajat dan isolasi termal daerah sintesis dari dinding reaktor.

Fusi termonuklir adalah proyek jangka panjang, penciptaan fasilitas komersial diharapkan pada tahun 2040-2050. Skenario yang paling mungkin untuk menguasai energi termonuklir melibatkan implementasi tiga tahap:
- menguasai mode pembakaran jangka panjang dari reaksi termonuklir;
- demonstrasi pembangkit listrik;
- Penciptaan stasiun termonuklir industri.

Dalam kerangka proyek internasional ITER (Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional), proyek ini seharusnya menunjukkan kelayakan teknis untuk membatasi plasma dan menghasilkan energi.Tujuan program utama dari proyek ITER adalah untuk menunjukkan kelayakan ilmiah dan teknis untuk memperoleh energi melalui reaksi fusi (fusi) isotop hidrogen - deuterium dan tritium. Daya fusi desain reaktor ITER akan menjadi sekitar 500 MW pada suhu plasma 100 juta derajat.
Pada bulan November 2006, semua peserta dalam proyek ITER - Uni Eropa, Rusia, Jepang, Amerika Serikat, Cina, Korea dan India menandatangani Perjanjian tentang pembentukan Organisasi Energi Fusion Internasional ITER untuk implementasi bersama proyek ITER. Tahap pembangunan reaktor dimulai pada tahun 2007.

Partisipasi Rusia dalam proyek ITER terdiri dari pengembangan, pembuatan dan pasokan ke lokasi konstruksi reaktor (Cadarache, Prancis) peralatan teknologi utama dan memberikan kontribusi moneter, yang secara umum sekitar 10% dari total biaya konstruksi reaktor. . Amerika Serikat, Cina, India, Korea, dan Jepang memiliki porsi kontribusi yang sama.
Peta jalan untuk menguasai energi fusi termonuklir terkendali

2000 (tingkat saat ini):
Tantangan yang Harus Dipecahkan: Mencapai Pemerataan Biaya dan Pembangkit Energi
Tokamak generasi terbaru memungkinkan untuk mendekati implementasi pembakaran termonuklir terkontrol dengan pelepasan energi yang besar.
Kekuatan reaksi fusi termonuklir telah mencapai tingkat 17 MW (fasilitas JET, UE), yang sebanding dengan kekuatan yang dimasukkan ke dalam plasma.
2020:

Tugas yang harus diselesaikan dalam proyek ITER: reaksi jangka panjang, pengembangan, dan integrasi teknologi termonuklir.

Tujuan dari proyek ITER adalah untuk mencapai pengapian terkontrol dari reaksi termonuklir dan pembakaran jangka panjangnya pada kelebihan sepuluh kali lipat daya termonuklir di atas kekuatan untuk memulai reaksi fusi Q³10.

2030:
Tugas yang harus diselesaikan: pembangunan stasiun demonstrasi DEMO (OTE)
Pilihan bahan dan teknologi yang optimal untuk OFC, desain, konstruksi, dan pengujian awal pembangkit listrik termonuklir eksperimental diselesaikan dalam kerangka proyek DEMO, dan desain konseptual PFC telah diselesaikan.
2050
Tugas yang harus diselesaikan: desain dan konstruksi PTE, penyelesaian pengujian teknologi pembangkit tenaga listrik di DEMO.
Penciptaan stasiun industri energi dengan margin keamanan yang tinggi dan indikator ekonomi yang dapat diterima dari biaya energi.
Umat ​​manusia akan menerima di tangannya sumber energi yang tidak habis-habisnya, dapat diterima secara ekologis dan ekonomis.Desain reaktor fusi didasarkan pada sistem dengan kurungan plasma magnetik tipe "Tokamak", pertama kali dikembangkan dan diimplementasikan di Uni Soviet. Pada tahun 1968, suhu plasma 10 juta derajat tercapai di tokamak T-3. Sejak saat itu, instalasi Tokamak telah menjadi arah utama dalam penelitian tentang fusi termonuklir di semua negara.

Saat ini, tokamaks T-10 dan T-15 (RRC "Kurchatov Institute"), T-11M (FSUE SRC RF TRINITI, Troitsk, wilayah Moskow), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Physico -Technical Institute dinamai A.F. Ioffe, St. Petersburg, RAS) dan stellarator L-2 (Institute of General Physics, Moskow, RAS).

Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

Fusi termonuklir adalah cara yang paling rasional, tidak berbahaya secara ekologis dan murah untuk mendapatkan energi, dalam hal jumlah panas yang diterima, tidak ada bandingannya dengan sumber alami yang digunakan manusia saat ini. Tidak diragukan lagi, proses penguasaan fusi termonuklir akan memecahkan banyak masalah umat manusia, baik di masa sekarang maupun di masa depan.

Di masa depan, fusi termonuklir akan memungkinkan untuk mengatasi "krisis umat manusia" lainnya, yaitu kelebihan populasi Bumi. Bukan rahasia lagi bahwa perkembangan peradaban terestrial menyediakan pertumbuhan populasi planet yang konstan dan stabil, sehingga pertanyaan tentang pengembangan "wilayah baru", dengan kata lain, kolonisasi planet-planet tetangga tata surya untuk menciptakan permanen pemukiman, adalah masalah dalam waktu dekat.

literatur

1. A.P. Baskakov. Rekayasa panas / - M.: Energoatomizdat, 1991
2. V.I. KRUTOV Rekayasa panas / - M.: Mashinostroenie, 1986
3. K.V. Tikhomirov. Rekayasa panas, suplai dan ventilasi panas dan gas - M .: Stroyizdat, 1991
4. V.P. Preobrazhensky. Pengukuran dan perangkat termal - M.: Energi, 1978
5. Jeffrey P. Freidberg. Fisika Plasma dan Energi Fusi/ - Cambridge University Press, 2007.
6. http://www.college.ru./astronomy- Astronomy
7. http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Fusi termonuklir di Matahari - versi baru Vladimir Vlasov

Pratinjau:

Untuk menggunakan pratinjau presentasi, buat akun Google (akun) dan masuk: https://accounts.google.com

Teks slide:

FUSION TERMONUKLIR

KONSEP Ini adalah sejenis reaksi nuklir, di mana inti atom ringan bergabung menjadi inti yang lebih berat karena energi kinetik dari gerakan termalnya.

DAPATKAN ENERGI

PERSAMAAN REAKSI DENGAN PEMBENTUKAN HE

REAKSI TERMONUKLIR DI MATAHARI

Fusi TERKENDALI

RUANG TOROIDAL DENGAN GULUNGAN MAGNETIK (TOKAMAK)

KEBUTUHAN MENGEMBANGKAN FUSION TERMONUKLIR

Bidang fisika plasma berkembang dari keinginan untuk membotolkan bintang. Selama beberapa dekade terakhir, bidang ini telah berkembang ke arah yang tak terhitung jumlahnya, dari astrofisika hingga cuaca luar angkasa hingga nanoteknologi.

Karena pemahaman umum kita tentang plasma telah berkembang, demikian juga kemampuan kita untuk mempertahankan kondisi fusi selama lebih dari satu detik. Awal tahun ini, reaktor fusi superkonduktor baru di China mampu menahan plasma pada 50 juta derajat Celcius untuk rekor 102 detik. Wendelstein X-7 Stellarator, yang ditayangkan pertama kali di Jerman pada musim gugur yang lalu, diperkirakan akan memecahkan rekor itu dan menahan plasma hingga 30 menit setiap kali.

Pembaruan NSTX-U baru-baru ini terlihat sederhana dibandingkan dengan monster-monster ini: eksperimen sekarang dapat menahan plasma selama lima detik, bukan satu. Tapi ini juga merupakan tonggak penting.

"Membuat plasma fusi yang hanya hidup selama lima detik mungkin tidak tampak seperti proses yang sangat lama, tetapi dalam fisika plasma, lima detik dapat dibandingkan dengan fisika dalam keadaan stabil," kata Myers, mengacu pada kondisi di mana plasma stabil. Tujuan utamanya adalah untuk mencapai keadaan stabil dari "plasma pembakaran" yang dapat melakukan fusi sendiri dengan sedikit masukan energi dari luar. Belum ada eksperimen yang mencapai ini.

NSTX-U akan memungkinkan para peneliti Princeton untuk mengisi beberapa kesenjangan antara apa yang diketahui dari fisika plasma sekarang dan apa yang akan dibutuhkan untuk membuat pabrik percontohan yang mampu mencapai pembakaran keadaan tunak dan menghasilkan listrik bersih.

Di satu sisi, untuk menemukan bahan penahanan terbaik, kita perlu lebih memahami apa yang terjadi antara plasma fusi dan dinding reaktor. Princeton sedang menjajaki kemungkinan mengganti dinding reaktornya (terbuat dari grafit karbon) dengan "dinding" lithium cair untuk mengurangi korosi jangka panjang.

Selain itu, para ilmuwan percaya bahwa jika fusi membantu dalam memerangi pemanasan global, mereka harus bergegas. NSTX-U akan membantu fisikawan memutuskan apakah akan terus mengembangkan desain tokamak sferis. Sebagian besar reaktor tipe tokamak tidak berbentuk seperti apel dan lebih mirip donat, bagel, atau torus. Bentuk torus sferis yang tidak biasa memungkinkan penggunaan medan magnet kumparannya secara lebih efisien.

“Dalam jangka panjang, kami ingin mencari cara untuk mengoptimalkan konfigurasi salah satu mesin ini,” kata Martin Greenwald, associate director Center for Plasma and Fusion Sciences di . “Untuk melakukan itu, Anda perlu mengetahui bagaimana kinerja mesin bergantung pada sesuatu yang dapat Anda kendalikan, seperti bentuk.”

Myers benci menilai seberapa jauh kita dari kekuatan fusi yang mungkin secara komersial, dan dia bisa dipahami. Bagaimanapun, optimisme yang tak terhindarkan selama beberapa dekade telah merusak reputasi bidang ini dan memperkuat gagasan bahwa sintesis adalah mimpi pipa. Dengan semua implikasi keuangan.

Merupakan pukulan besar bagi program fusi MIT bahwa FBI memberikan dukungan untuk tokamak Alcator C-Mid, yang menghasilkan salah satu medan magnet paling kuat dan menunjukkan plasma fusi pada tekanan tertinggi. Sebagian besar penelitian NSTX-U yang tertunda akan bergantung pada dukungan federal yang berkelanjutan, yang menurut Myers akan datang "dalam setahun."

Setiap orang harus berhati-hati dalam membelanjakan dana penelitian mereka, dan beberapa program fusi telah menelan jumlah yang luar biasa. Ambil contoh, ITER, reaktor fusi superkonduktor besar yang saat ini sedang dibangun di Prancis. Ketika kerjasama internasional dimulai pada tahun 2005, itu diumumkan sebagai proyek 10 tahun senilai $5 miliar. Setelah beberapa tahun gagal, label harga naik menjadi $40 miliar. Menurut perkiraan paling optimis, fasilitas tersebut akan selesai pada tahun 2030.

Dan di mana ITER cenderung membengkak seperti tumor sampai kehabisan sumber daya dan membunuh inangnya, program fusi MIT menunjukkan bagaimana hal itu dapat dilakukan dengan anggaran yang jauh lebih kecil. Musim panas lalu, tim mahasiswa pascasarjana MIT meluncurkan rencana untuk ARC, reaktor fusi berbiaya rendah yang akan menggunakan bahan superkonduktor suhu tinggi baru untuk menghasilkan jumlah daya yang sama seperti ITER, hanya dengan perangkat yang jauh lebih kecil.

"Tantangan untuk fusi adalah menemukan jalur teknis yang membuatnya layak secara ekonomi, yang merupakan sesuatu yang kami rencanakan untuk segera dilakukan," kata Greenwald, mencatat bahwa konsep ARC saat ini sedang dikejar oleh Inisiatif Energi MIT. "Kami percaya bahwa jika fusi akan membuat perbedaan pada pemanasan global, kami harus bergerak lebih cepat."

"Fusion menjanjikan untuk menjadi sumber energi utama - ini sebenarnya adalah tujuan akhir kami," kata Robert Rosner, fisikawan plasma di University of Chicago dan salah satu pendiri Institut Kebijakan Energi di sana. “Pada saat yang sama, ada pertanyaan penting: berapa banyak yang ingin kita belanjakan saat ini. Jika kita memotong pendanaan ke titik di mana generasi berikutnya dari anak-anak pintar tidak ingin melakukannya sama sekali, kita mungkin akan keluar darinya sama sekali."

Kuliah nomor 2.

Cara untuk memecahkan masalah fusi termonuklir

Arah utama penelitian dalam fusi nuklir adalah: a) sistem dengan kurungan magnet;

b) kuasi-stasioner (terbuka dan tertutup); impuls; c) sistem dengan kurungan inersia (laser, dengan berbagai balok, dengan cangkang berkontraksi).

Sampai saat ini, dua pendekatan yang sebagian besar independen untuk memecahkan masalah fusi termonuklir terkontrol telah terbentuk. Yang pertama didasarkan pada kemungkinan mengurung dan mengisolasi plasma suhu tinggi dengan kepadatan relatif rendah oleh medan magnet konfigurasi khusus untuk waktu yang relatif lama (1-10 detik).

Cara lainnya adalah impuls. Dalam pendekatan pulsa, perlu untuk dengan cepat memanaskan dan memampatkan bagian-bagian kecil materi ke suhu dan kepadatan seperti itu di mana reaksi termonuklir akan memiliki waktu untuk berjalan secara efisien selama keberadaan plasma yang tidak berisi atau, seperti yang mereka katakan, plasma terbatas secara inersia. Perkiraan menunjukkan bahwa untuk memampatkan suatu zat hingga kepadatan 100–1000 g/cm 3 dan panaskan hingga suhu 5-10 keV, perlu untuk membuat tekanan pada permukaan target bola 10 9 atm, yaitu, kita membutuhkan sumber yang memungkinkan energi disuplai ke permukaan target dengan kerapatan daya 10 15 W/cm2.

Batas magnet plasma.

Biarkan suhu plasma Tdan konsentrasi partikel yang berinteraksi n 1 dan n2 . Jika kecepatan ion tertentu relatif terhadap yang kedua adalah v 1.2 , maka probabilitas bahwa ion tertentu akan bereaksi dalam 1 detik dengan salah satu ion jenis kedua diberikan oleh ekspresi v 1.2 n 2 . di sini adalah penampang efektif dari reaksi fusi, nilai yang berkembang pesat dengan kecepatan. Jika semua n 1 ion jenis pertama memiliki kecepatan yang sama v 1,2 , maka jumlah reaksi yang terjadi dalam 1 cm 3 plasma selama 1 detik, akan ditentukan oleh persamaan: N 1.2 \u003d n 1 n 2 v 1.2 . Pada suhu tertentu, produk harus dirata-ratakan di atas distribusi Maxwellian. Menunjukkan melalui energi yang dilepaskan selama setiap tindakan reaksi, kami memperoleh ekspresi untuk kekuatan spesifik dalam bentuk W = n 1 n 2<  v>Ketergantungan (v) untuk reaksi yang sedang dipertimbangkan, kuantitas<  v> dapat dihitung, dan bersama-sama dengan itu, kekuatan spesifik dapat ditemukan W pada setiap suhu dan kepadatan plasma.
Perkiraan numerik menunjukkan bahwa nilai W meningkat pesat dengan suhu, pada suhu "pembakaran" beberapa ratus juta derajat dan pada kepadatan plasma ~ 10 15cm -3 ini sekitar 10 5 kW / m3 . Peningkatan suhu dan kepadatan menyebabkan rezim yang lebih intensif energi, di mana kesulitan teknis dalam pelaksanaan proyek harus semakin meningkat. Rezim yang lebih "lunak" mengarah, pada daya total reaktor termonuklir yang tidak terlalu rendah, ke dimensi sistem yang sangat besar. Dengan demikian, nilai yang diambil mewakili kompromi teknis yang masuk akal antara persyaratan yang saling bertentangan. Perhatikan juga bahwa perkiraan yang digunakan mengacu pada plasma deuterium; untuk campuran deuterium dan tritium dengan komponen yang sama, suhu "kerja" yang optimal lebih rendah.
Kemudian muncul pertanyaan alami berikut: bagaimana kondisi ini dapat dibuat di zona reaksi? Lebih tepatnya: bagaimana memanaskan plasma ke suhu yang sangat tinggi yang diperlukan dan bagaimana menjaga partikel yang dipanaskan agar tidak terbang terpisah untuk waktu yang cukup untuk terjadinya reaksi nuklir? Kesulitan utama tampaknya berhubungan dengan bagian kedua dari pertanyaan. Energi yang harus diberikan ke volume tertentu plasma dengan kepadatan yang diketahui untuk memanaskannya hingga 10 8 K, adalah nilai yang sangat sederhana; itu sama dengan energi yang harus dikeluarkan untuk memanaskan volume air yang sama hanya dengan 1 K. Sebaliknya, fluks partikel (dan panas) dari zona reaksi ke perifer akan sangat besar. Hal ini diperlukan untuk secara efektif menjaga partikel di zona reaksi.
Ide utama yang menentukan cara untuk memecahkan masalah sintesis terkontrol adalah dengan menggunakan prinsip isolasi termal magnetik. Di Uni Soviet, ide ini telah diungkapkan sejak 1950 oleh A. D. Sakharov dan I. E. Tamm.
Koefisien difusi, dan dengan itu koefisien konduktivitas termal, berkurang banyak urutan besarnya jika partikel bergerak dalam arah tegak lurus terhadap medan magnet yang kuat. Oleh karena itu, jika zona reaksi dipisahkan dari dinding oleh medan magnet yang kuat, maka kita dapat mengharapkan pengurangan fluks panas secara radikal. Nilai medan pembatas dapat dicari dari persamaan tekanan magnet dan kinetik gas: H 2 /8 =nk(T e +T i ).
Untuk plasma dengan parameter yang dipilih (n~10 15 cm -3 , T~10 8 K), bidang yang dibutuhkan untuk holding harus 25-30 kilooersteds. Nilai-nilai besar ini tidak berarti di luar kemungkinan teknis.
Kita selalu berbicara tentang perpindahan panas dalam plasma melintasi medan magnet, tetapi kita tidak boleh lupa bahwa aliran panas di sepanjang garis medan magnet tetap tidak termagnetisasi; perlu untuk menghalangi keluarnya partikel ke arah ini juga. Tiga kemungkinan terbuka di sini. Yang pertama terdiri dari menempatkan plasma dalam perangkap magnet, yaitu, dalam medan magnet dengan konfigurasi seperti itu, di mana ia diperkuat di daerah di mana garis-garis gaya meninggalkan zona reaksi, di daerah perpotongannya dengan dinding; Kemungkinan kedua adalah menghilangkan ujung terbuka dari garis gaya dengan melipatnya menjadi sebuah cincin. Terakhir, cara ketiga adalah dengan menggunakan plasma dengan kerapatan yang relatif tinggi dan memanaskannya dengan sangat cepat sehingga selama waktu yang diperlukan untuk bergerak sepanjang garis gaya, sebagian besar partikel memiliki waktu untuk mengalami tumbukan nuklir.
Skema pertama isolasi termal sepenuhnya membenarkan dirinya sendiri ketika membatasi plasma yang sangat langka sehingga dapat dianggap sebagai kumpulan partikel individu. Masa hidup partikel yang panjang di sabuk radiasi bumi yang berasal dari alam dan buatan merupakan contoh yang baik dari apa yang telah dikatakan. Namun, dalam percobaan laboratorium yang dilakukan dengan plasma yang lebih padat, yaitu, dalam kondisi di mana interaksi kolektif dapat terwujud, kesulitan serius terungkap. Masa hidup plasma ternyata jauh lebih kecil daripada yang dapat diharapkan sebagai akibat tumbukan partikel plasma satu sama lain atau dengan molekul gas sisa dan selanjutnya lolos ke kerucut yang hilang. Faktanya, masa hidup plasma dalam beberapa model perangkap terbuka adalah sekitar 100 mikrodetik (pada kepadatan plasma sekitar 10 mikrodetik).-9cm -3 ), sedangkan masa pakai akibat hilangnya kerucut seharusnya diukur dalam menit.
Hasil ini menjadi lebih jelas secara kualitatif jika kita memperhitungkan bahwa plasma, seperti diamagnet apa pun, harus didorong keluar dari wilayah medan yang lebih kuat. Dari sudut pandang ini, mekanisme kerja cermin magnetik yang menahan plasma di dalam perangkap cukup dapat dipahami. Tetapi dalam jebakan jenis yang dipertimbangkan ada juga daerah di mana medan berkurang dengan jarak dari sumbu sepanjang jari-jari; di sini kita dapat mengharapkan perkembangan ketidakstabilan - munculnya plasma "lidah" ​​atau "alur" bergerak melintasi bidang dan mentransfer plasma ke nilai bidang yang lebih rendah. Memang, eksperimen langsung telah menunjukkan adanya ketidakstabilan tipe seruling dalam perangkap ini, yang membatasi masa pakai plasma.
Menutup garis gaya, kami secara alami sampai pada pemasangan tipe solenoida cincin. Sekarang medan magnet di mana-mana berorientasi sejajar dengan dinding, dan partikel harus bergerak melintasi garis gaya untuk meninggalkan sistem. Tapi medan magnet di dalam torus sedikit tidak homogen, jatuh ke arah dinding luar torus, yang menyebabkan partikel melayang. Hanyut dalam medan magnet yang tidak homogen terjadi sepanjang normal ke arah medan utama dan ke arah gradiennya dan tergantung pada muatan partikel. Jika ion-ion hanyut menuju dinding atas torus, maka elektron akan mengendap ke bawah. Muatan yang terpisah akan menciptakan medan listrik, dan plasma, yang terbentuk dalam satu atau lain cara di dalam torus, akan mulai hanyut secara keseluruhan dalam medan listrik dan magnet yang bersilangan. Sangat mudah untuk memverifikasi bahwa hasil akhirnya adalah perpindahan plasma ke dinding luar torus.
Ada berbagai cara untuk mengkompensasi penyimpangan plasma ini. Dimungkinkan untuk melewatkan arus cincin longitudinal melalui plasma, dimungkinkan untuk memperumit belitan solenoida dengan cara khusus, atau, dengan memutar torus, untuk memberikan sistem magnetik bentuk angka delapan. Topologi medan magnet dalam kasus ini berubah secara radikal.
Medan magnet paling sederhana - magnet permanen, arus searah sirkuit datar, memimpin, seperti yang Anda tahu, berdasarkan persamaan divB = 0, ke pola biasa dari garis gaya tertutup atau garis yang menuju tak terhingga. Namun, ada kemungkinan ketiga, bahkan yang paling umum: garis-garis gaya dapat tetap berada di wilayah ruang yang terbatas tanpa tertutup dan tanpa menuju tak terhingga.

Dalam contoh di atas, sebagai akibat dari deformasi sistem magnet toroidal, garis gaya tertutup - cincin - diubah menjadi garis gaya tak berujung, terus menerus membungkus sumbu toroidal annular dan membentuk apa yang disebut permukaan magnetik. Garis-garis gaya yang lewat pada jarak yang berbeda dari sumbu torus menghasilkan (dalam kasus paling sederhana) satu set permukaan magnet koaksial bersarang. Akibatnya, setiap titik dari bagian torus ternyata terhubung ke titik lain dari bagian tersebut (berjarak sama dari sumbu) oleh garis gaya yang dimiliki oleh satu atau lain permukaan magnet. Ini berarti bahwa redistribusi muatan pada penampang dapat dilakukan tidak melintasi medan magnet, tetapi sepanjang garis gaya. Oleh karena itu, akumulasi muatan yang berlawanan dan, akibatnya, penyimpangan di bidang yang bersilangan ternyata dikecualikan.
Varian sistem toroidal dengan arus longitudinal mulai dikembangkan di Uni Soviet (instalasi tipe "Tokamak"), dua arah lain mulai dieksplorasi di AS (instalasi tipe "Stellarator").

Di tokamaks, medan magnet longitudinal dihasilkan oleh kumparan yang dapat ditenagai oleh generator dengan daya berdenyut hingga 75 MW. Kondisi vakum: tekanan awal gas sisa sekitar 10-8 mmHg Seni. Ruang Tokamak diletakkan di atas inti besi dan koil plasma yang dihasilkan berfungsi sebagai gulungan sekunder transformator pulsa. Pemanasan plasma terjadi karena panas Joule, medan longitudinal yang kuat berfungsi sebagai kerangka penstabil. Parameter plasma yang diperoleh di tokamaks, meskipun menggembirakan, masih sangat berbeda dari yang dapat diharapkan dalam kasus plasma magnet sempurna. Secara khusus, masa hidup yang relatif singkat menunjukkan adanya jenis ketidakstabilan non-likuidasi dan, akibatnya, peningkatan laju difusi.
Studi tentang fasilitas tipe bintang sejauh ini menghasilkan hasil yang lebih sederhana. Terlepas dari durasi percobaan dan parameter rekayasa sistem yang sangat baik, dalam hal ini juga, tidak mungkin untuk mengatasi ketidakstabilan plasma. Fluks difusi ke dinding berkali-kali lebih tinggi daripada yang klasik.

Ada pilihan lain untuk memecahkan masalah fusi termonuklir dengan kurungan magnet - berdenyut. Di sini, fungsi isolasi termal dan pemanasan plasma ditugaskan ke pulsa arus jangka pendek, yang dilewatkan melalui deuterium yang dijernihkan. Karena interaksi arus dengan medan magnetnya sendiri, kolom plasma harus dikompresi ke arah sumbu pelepasan. Plasma ternyata dipisahkan dari dinding bejana oleh medan magnetnya sendiri dan harus dipanaskan karena kerja gaya kompresi dan karena panas Joule. Pada tahap awal penelitian, diasumsikan bahwa proses kompresi adalah quasi-stationary, bahwa pada setiap saat tekanan magnet yang menekan plasma seimbang dengan tekanan gas. Suhu zat harus meningkat sebanding dengan kuadrat arus, dan perkiraan numerik menunjukkan bahwa dengan arus sekitar 1 juta ampere, tekanan awal 0,1 mm Hg. Seni. dan diameter kapal 200 mm, suhu kolom plasma harus melebihi 10 7 K. Benar, suhu akan naik untuk waktu yang sangat singkat (sekitar 1 mikrodetik), tetapi tabrakan yang sangat sering akan terjadi dalam kolom plasma yang sangat padat, dan seseorang dapat mengandalkan deteksi radiasi neutron dari reaksi nuklir yang sedang berlangsung.
Pada kenyataannya, gambaran kompresi quasi-stasioner ternyata sangat keliru. Pada tahap awal proses, setelah pemecahan kolom gas oleh tegangan tinggi yang diterapkan, arus yang meningkat dengan cepat terkonsentrasi di lapisan permukaan tipis (efek kulit). Daerah bagian dalam kolom hampir tidak terionisasi dan tidak dipanaskan, tekanan gas dapat diabaikan, dan kontraksi kerak plasma ke sumbu sistem dapat dipertimbangkan hanya dengan memperhitungkan gaya inersia. Selama seluruh kompresi tidak ada keseimbangan antara gas dan tekanan magnet. Tali ditarik ke sumbu sebelum arus (dan dengan itu tekanan magnetik) mencapai maksimum, tetapi tidak tetap dalam keadaan terkompresi, dan di bawah aksi gaya inersia yang sama mulai berkembang lagi. Selain itu, filamen tidak stabil (di luar filamen, medan berubah sebagai 1/r) dan, sebagai akibat dari perkembangan deformasi makroskopik (penyempitan, tikungan), ia menyentuh dinding ruang, mendinginkan dan mencemari plasma.
Sungguh luar biasa bahwa radiasi neutron plasma selama pelepasan berdenyut di deuterium tetap diamati. Fenomena menarik ini ditemukan oleh sekelompok fisikawan Soviet pada awal tahun 1952. Radiasi neutron tidak muncul sebagai akibat dari pemanasan seluruh volume plasma, tetapi ternyata merupakan hasil tumbukan sekelompok kecil deuteron cepat, yang telah muncul sebagai akibat dari proses akselerator yang kompleks dalam kolom yang tidak stabil, dengan sebagian besar plasma yang relatif dingin.
Dengan meningkatkan intensitas energi sistem, dimungkinkan untuk memanaskan kolom plasma ke suhu termonuklir yang diperlukan pada saat kompresi pertama kolom di dekat sumbu dan sebelum terjadinya ketidakstabilan. Namun, untuk mencapai kondisi yang diperlukan untuk memperoleh reaksi termonuklir dengan hasil energi positif, dalam percobaan yang diusulkan, perlu untuk memusatkan energi yang sangat besar dalam pelepasan berdenyut - tentang: 10 4 Mj. Teknologi modern memungkinkan pembangunan instalasi impuls untuk ratusan megajoule. Ada kapasitor dengan induktansi yang sangat rendah, pengumpan induktansi rendah telah dikembangkan, dan perangkat switching yang sangat canggih telah dikembangkan. Dengan demikian, jalan untuk kemajuan lebih lanjut ke arah ini terbuka, tetapi prosesnya mengambil karakter ledakan yang kuat, setara dengan kekuatan ledakan beberapa ton TNT, yang sama sekali tidak seperti reaksi termonuklir yang dikendalikan dengan lancar.
Saat ini, pekerjaan dengan perangkap magnet tipe terbuka praktis berhenti dari sudut pandang pemecahan masalah fusi termonuklir. Seperti yang ditunjukkan oleh perhitungan terperinci, jika hilangnya partikel dari perangkap hanya beberapa kali lebih tinggi dari tingkat teoretis yang sesuai dengan konduktivitas termal termagnetisasi penuh, maka implementasi reaktor termonuklir dengan hasil energi positif menjadi tidak mungkin.
Perkembangan proses impulsif, tampaknya, telah mencapai batas alami, jika kita mengingat reaktor sebagai tujuan akhir. Tetapi eksperimen lebih lanjut dapat mengarah pada konstruksi sumber neutron berdenyut dengan kekuatan yang sangat besar. Sebuah keberangkatan aneh dari studi ini adalah pembangunan sistem yang dirancang untuk mempercepat tandan plasma.

Sistem magnetik tertutup saat ini adalah yang paling menjanjikan.

Sintesis termonuklir laser.

Gagasan menggunakan radiasi laser daya tinggi untuk memanaskan plasma padat ke suhu termonuklir pertama kali diusulkan oleh N.G. Basov dan O.N. Krokhin di awal 1960-an. Hingga saat ini, area penelitian termonuklir independen telah dibentuk - fusi termonuklir laser (LTF).

Mari kita membahas secara singkat prinsip-prinsip fisik dasar yang mendasari konsep mencapai tingkat kompresi zat yang tinggi dan memperoleh perolehan energi yang tinggi dengan bantuan ledakan mikro laser. Pertimbangan akan dibangun pada contoh yang disebut mode kompresi langsung. Dalam mode ini, mikrosfer yang diisi dengan bahan bakar termonuklir "seragam" disinari dari semua sisi oleh laser multisaluran. Sebagai hasil dari interaksi radiasi pemanasan dengan permukaan target, plasma panas dengan suhu beberapa kiloelektronvolt (yang disebut korona plasma) terbentuk, yang meluas ke arah sinar laser dengan kecepatan karakteristik 10 7 -10 8 cm/s.

Tanpa dapat membahas lebih detail tentang proses penyerapan dalam korona plasma, kami mencatat bahwa dalam percobaan model modern pada energi radiasi laser 10–100 kJ untuk target yang sebanding dengan ukuran target untuk perolehan tinggi, adalah mungkin untuk mencapai tinggi (90%) koefisien penyerapan radiasi pemanas.

Radiasi cahaya tidak dapat menembus ke dalam lapisan padat target (kepadatan padat adalah 10 23 cm -3 ). Karena konduktivitas termal, energi yang diserap dalam plasma dengan kerapatan elektron kurang dari n kr , ditransfer ke lapisan yang lebih padat, di mana ablasi zat target terjadi. Lapisan target yang tidak menguap yang tersisa berakselerasi menuju pusat di bawah aksi tekanan termal dan reaktif, mengompresi dan memanaskan bahan bakar yang terkandung di dalamnya. Akibatnya, energi radiasi laser diubah pada tahap yang dipertimbangkan menjadi energi kinetik dari materi yang terbang menuju pusat dan menjadi energi korona yang mengembang. Jelas bahwa energi yang berguna terkonsentrasi dalam gerakan menuju pusat. Efisiensi kontribusi energi cahaya ke target dicirikan oleh rasio energi yang ditentukan dengan energi radiasi total - yang disebut efisiensi hidrodinamik (COP). Mencapai efisiensi hidrodinamika yang cukup tinggi (10-20%) adalah salah satu masalah penting LTS.

Proses apa yang dapat menghambat pencapaian rasio kompresi yang tinggi? Salah satunya adalah pada kerapatan radiasi termonuklir q > 10 14 W/cm2 sebagian kecil dari energi yang diserap diubah bukan menjadi gelombang klasik konduksi panas elektron, tetapi menjadi aliran elektron cepat, yang energinya jauh lebih tinggi daripada suhu korona plasma (yang disebut elektron epitermal). Ini dapat terjadi baik karena penyerapan resonansi dan karena efek parametrik dalam korona plasma. Dalam hal ini, panjang lintasan elektron epitermal dapat menjadi sebanding dengan dimensi target, yang akan mengarah pada pemanasan awal bahan bakar kompresibel dan ketidakmungkinan memperoleh kompresi yang membatasi. Kuanta sinar-X energi tinggi (radiasi sinar-X keras), yang menyertai elektron epitermal, juga memiliki daya tembus yang besar.

Tren penelitian eksperimental dalam beberapa tahun terakhir adalah transisi ke penggunaan radiasi laser panjang gelombang pendek (< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 W/cm2 ). Kemungkinan praktis untuk beralih ke pemanasan plasma dengan radiasi panjang gelombang pendek adalah karena fakta bahwa koefisien konversi radiasi dari laser neodymium solid-state (kandidat utama untuk driver LTS) dengan panjang gelombang aku = 1,06 m pada radiasi harmonik kedua, ketiga dan keempat dengan bantuan kristal nonlinier mencapai 70-80%. Saat ini, hampir semua sistem laser kaca neodymium besar dilengkapi dengan sistem perkalian frekuensi.

Alasan fisik untuk keuntungan penggunaan radiasi panjang gelombang pendek untuk pemanasan dan kompresi mikrosfer adalah bahwa ketika panjang gelombang berkurang, penyerapan dalam korona plasma meningkat dan tekanan ablasi dan koefisien transfer hidrodinamik meningkat. Fraksi elektron epitermal yang dihasilkan dalam korona plasma berkurang beberapa kali lipat, yang sangat menguntungkan untuk rezim kompresi langsung dan tidak langsung. Untuk kompresi tidak langsung, penting juga bahwa ketika panjang gelombang berkurang, konversi energi yang diserap oleh plasma menjadi radiasi sinar-X lunak meningkat.

Sekarang mari kita membahas mode kompresi tidak langsung. Analisis fisik menunjukkan bahwa penerapan mode kompresi ke kepadatan bahan bakar tinggi optimal untuk target cangkang sederhana dan kompleks dengan rasio aspek R / DR beberapa puluh. Di sini R adalah jari-jari cangkang, DR adalah ketebalannya. Namun, kompresi yang kuat dapat dibatasi oleh pengembangan ketidakstabilan hidrodinamik, yang memanifestasikan dirinya dalam penyimpangan gerakan cangkang pada tahap percepatan dan perlambatannya di pusat dari simetri bola dan bergantung pada penyimpangan bentuk awal target dari distribusi sinar laser insiden yang bulat sempurna dan tidak homogen di atas permukaannya. Perkembangan ketidakstabilan saat cangkang bergerak menuju pusat pertama mengarah pada penyimpangan gerakan dari simetri bola, kemudian turbulensi aliran, dan akhirnya pencampuran lapisan target dan bahan bakar deuterium-tritium. Akibatnya, suatu formasi dapat muncul dalam keadaan akhir, bentuknya sangat berbeda dari inti bola, dan kerapatan dan suhu rata-rata jauh lebih rendah daripada nilai yang sesuai dengan kompresi satu dimensi. Dalam hal ini, struktur awal target (misalnya, satu set lapisan tertentu) dapat dihancurkan sepenuhnya.

Sifat fisik dari jenis ketidakstabilan ini setara dengan ketidakstabilan lapisan merkuri yang terletak di permukaan air dalam medan gravitasi. Dalam hal ini, seperti diketahui, ada pencampuran sempurna antara air raksa dan air, yaitu, dalam keadaan akhir, raksa akan berada di bagian bawah. Situasi serupa dapat terjadi ketika target dengan struktur kompleks bergerak cepat menuju pusat zat, atau dalam kasus umum dengan adanya gradien densitas dan tekanan.

Persyaratan untuk kualitas target cukup ketat. Dengan demikian, ketidakhomogenan ketebalan dinding mikrosfer tidak boleh melebihi 1%, keseragaman distribusi penyerapan energi di atas permukaan target tidak boleh melebihi 0,5%.

Usulan untuk menggunakan skema kompresi tidak langsung hanya terkait dengan kemungkinan pemecahan masalah stabilitas target kompresi. Radiasi laser diluncurkan ke dalam rongga, dengan fokus pada permukaan bagian dalam kulit terluar, yang terdiri dari zat dengan nomor atom tinggi, seperti emas. Seperti yang telah dicatat, hingga 80% dari energi yang diserap diubah menjadi radiasi sinar-X lunak, yang memanaskan dan memampatkan kulit bagian dalam. Keuntungan dari skema semacam itu termasuk kemungkinan mencapai keseragaman yang lebih tinggi dari distribusi energi yang diserap di atas permukaan target, penyederhanaan skema laser dan kondisi pemfokusan, dll. Namun, ada juga kerugian yang terkait dengan hilangnya energi untuk konversi menjadi sinar-X dan kompleksitas memasukkan radiasi ke dalam rongga.

Saat ini, basis elemen sedang dikembangkan secara intensif dan proyek sedang dibuat untuk instalasi laser tingkat megajoule. Di Laboratorium Livermore, pembuatan instalasi pada kaca neodymium dengan energi E = 1,8 MJ telah dimulai. Biaya proyek adalah $ 2 miliar.Pembuatan instalasi tingkat yang sama direncanakan di Prancis. Direncanakan untuk mencapai perolehan energi Q ~ 100 di fasilitas ini. Harus dikatakan bahwa peluncuran fasilitas skala ini tidak hanya akan membawa kemungkinan untuk membuat reaktor termonuklir berdasarkan fusi laser, tetapi juga akan memberikan peneliti dengan objek fisik yang unik - ledakan mikro dengan pelepasan energi 10 7 -10 9 J, sumber kuat neutron, neutrino, sinar-x, dan radiasi-g. Ini tidak hanya akan sangat penting secara fisik umum (kemampuan untuk mempelajari zat dalam keadaan ekstrim, fisika pembakaran, persamaan keadaan, efek laser, dll.), tetapi juga akan memungkinkan untuk memecahkan masalah khusus , termasuk militer, alam.

Untuk reaktor berdasarkan fusi laser, bagaimanapun, perlu untuk membuat laser tingkat megajoule yang beroperasi pada tingkat pengulangan beberapa hertz. Sejumlah laboratorium sedang menyelidiki kemungkinan menciptakan sistem seperti itu berdasarkan kristal baru. Peluncuran reaktor eksperimental di bawah program Amerika direncanakan untuk tahun 2025.