თერმობირთვული დანადგარების შექმნის პრობლემები. გამოყენებითი და ძირითადი კვლევის საერთაშორისო ჟურნალი

შემუშავებულია ახალი ტექნიკა, რათა ეფექტურად შეანელოს გაქცეული ელექტრონები რეაქტორში „მძიმე“ იონების, როგორიცაა ნეონი ან არგონის შეყვანით.

ფუნქციონალური შერწყმის რეაქტორი ჯერ კიდევ ოცნებაა, მაგრამ ის საბოლოოდ შეიძლება ახდეს მრავალი კვლევისა და ექსპერიმენტის წყალობით სუფთა ენერგიის შეუზღუდავი მიწოდების განბლოკვის მიზნით. პრობლემები, რომლებსაც მეცნიერები აწყდებიან ბირთვული შერწყმის მიღებისას, უდავოდ სერიოზული და მართლაც რთულია, მაგრამ ყველაფერი დასაძლევადია. და როგორც ჩანს, ერთ-ერთი მთავარი პრობლემა მოგვარებულია.

ბირთვული შერწყმა არ არის კაცობრიობის მიერ გამოგონილი პროცესი, მაგრამ თავდაპირველად ბუნებაში არსებული პროცესი კვებავს ჩვენს მზეს. ჩვენი სახლის ვარსკვლავის სიღრმეში წყალბადის ატომები ერთად დგანან ჰელიუმის წარმოქმნით, რაც ამ პროცესს იწყებს. შერწყმა ათავისუფლებს უზარმაზარ რაოდენობას ენერგიას, მაგრამ მოითხოვს უზარმაზარ ხარჯებს უკიდურესად მაღალი წნევისა და ტემპერატურის შესაქმნელად, რაც ძნელია დედამიწაზე კონტროლირებადი გზით რეპროდუცირება.

გასულ წელს, MIT-ის მკვლევარებმა დაგვაახლოვა შერწყმასთან პლაზმის დაყენებით ზუსტად სწორ წნევაზე, ახლა ჩალმერსის უნივერსიტეტის ორმა მკვლევარმა აღმოაჩინეს თავსატეხის კიდევ ერთი ნაწილი.

ერთ-ერთი პრობლემა, რომელსაც ინჟინრები წააწყდნენ, არის გაქცეული ელექტრონები. ამ უკიდურესად მაღალი ენერგიის ელექტრონებს შეუძლიათ მოულოდნელად და მოულოდნელად აჩქარდნენ ძალიან მაღალ სიჩქარეებამდე, რამაც შეიძლება გაანადგუროს რეაქტორის კედელი გაფრთხილების გარეშე.

დოქტორანტებმა ლინნეა ჰეშლოუმ და ოლე ამბეროზმა შეიმუშავეს ახალი ტექნიკა, რათა ეფექტურად შეანელონ ეს გაქცეული ელექტრონები რეაქტორში "მძიმე" იონების შეყვანით, როგორიცაა ნეონი ან არგონი. შედეგად, ელექტრონები, რომლებიც ეჯახებიან ამ იონების ბირთვებში მაღალ მუხტს, შენელდება და ბევრად უფრო კონტროლირებადი ხდება.

„როდესაც ჩვენ შეგვიძლია ეფექტურად შევანელოთ გაქცეული ელექტრონები, ჩვენ ერთი ნაბიჯით მივუახლოვდებით ფუნქციურ შერწყმის რეაქტორს“, - ამბობს ლინეა ჰეშლოვი.

მკვლევარებმა შექმნეს მოდელი, რომელსაც შეუძლია ეფექტურად იწინასწარმეტყველოს ელექტრონის ენერგია და ქცევა. მათემატიკური პლაზმური მოდელირების გამოყენებით, ფიზიკოსებს შეუძლიათ ეფექტურად აკონტროლონ ელექტრონების გაქცევის სიჩქარე შერწყმის პროცესის შეწყვეტის გარეშე.

„ბევრს სჯერა, რომ ეს იმუშავებს, მაგრამ მარსზე წასვლა უფრო ადვილია, ვიდრე შერწყმა“, - ამბობს ლინეა ჰეშლოვი: „შეიძლება ითქვას, რომ ჩვენ ვცდილობთ ვარსკვლავების შეგროვებას აქ, დედამიწაზე და ამას შეიძლება გარკვეული დრო დასჭირდეს. გვჭირდება წარმოუდგენლად მაღალი ტემპერატურა, უფრო ცხელი ვიდრე მზის ცენტრი, რათა წარმატებით შერწყმა აქ, დედამიწაზე. ასე რომ, იმედი მაქვს, რომ ეს ყველაფერი დროის საკითხია."

newatlas.com-ზე დაყრდნობით, თარგმანი

2016 წლის 9 ივლისი

ზოგიერთი ოპტიმისტის თქმით, ინოვაციური პროექტები თანამედროვე სუპერგამტარების გამოყენებით მალე საშუალებას მისცემს კონტროლირებად თერმობირთვულ შერწყმას. თუმცა ექსპერტები ვარაუდობენ, რომ პრაქტიკულ გამოყენებას რამდენიმე ათეული წელი დასჭირდება.

რატომ არის ასე რთული?

შერწყმის ენერგია მომავლის ენერგიის პოტენციურ წყაროდ ითვლება. ეს არის ატომის სუფთა ენერგია. მაგრამ რა არის ეს და რატომ არის ასე რთული მიღწევა? დასაწყისისთვის, ჩვენ უნდა გვესმოდეს განსხვავება კლასიკურ ბირთვულ დაშლასა და თერმობირთვულ შერწყმას შორის.

ატომის დაყოფა მდგომარეობს იმაში, რომ რადიოაქტიური იზოტოპები - ურანი ან პლუტონიუმი - იყოფა და გარდაიქმნება სხვა უაღრესად რადიოაქტიურ იზოტოპებად, რომლებიც შემდეგ უნდა დაიმარხონ ან გადამუშავდეს.

შერწყმის რეაქცია შედგება იმაში, რომ წყალბადის ორი იზოტოპი - დეიტერიუმი და ტრიტიუმი - ერწყმის ერთ მთლიანობას, წარმოქმნის არატოქსიკურ ჰელიუმს და ერთ ნეიტრონს, რადიოაქტიური ნარჩენების წარმოქმნის გარეშე.

კონტროლის პრობლემა

რეაქციები, რომლებიც ხდება მზეზე ან წყალბადის ბომბში არის თერმობირთვული შერწყმა და ინჟინრების წინაშე დგას რთული ამოცანა - როგორ გააკონტროლონ ეს პროცესი ელექტროსადგურში?

ეს არის ის, რაზეც მეცნიერები მუშაობენ 1960-იანი წლებიდან. ჩრდილოეთ გერმანიის ქალაქ გრაიფსვალდში ფუნქციონირება დაიწყო კიდევ ერთმა ექსპერიმენტულმა შერწყმა რეაქტორმა, სახელად Wendelstein 7-X. ის ჯერ არ არის შექმნილი რეაქციის შესაქმნელად - ეს მხოლოდ სპეციალური დიზაინია, რომელიც ტესტირებას განიცდის (ვარსკვლავური ტოკამაკის ნაცვლად).

მაღალი ენერგიის პლაზმა

ყველა თერმობირთვულ ინსტალაციას აქვს საერთო მახასიათებელი - რგოლის ფორმა. იგი ეფუძნება მძლავრი ელექტრომაგნიტების გამოყენების იდეას ტორუსის ფორმის ძლიერი ელექტრომაგნიტური ველის - გაბერილი ველოსიპედის მილის შესაქმნელად.

ეს ელექტრომაგნიტური ველი ისეთი მკვრივი უნდა იყოს, რომ მიკროტალღურ ღუმელში მილიონ გრადუს ცელსიუსამდე გაცხელებისას, რგოლის ცენტრში პლაზმა უნდა გამოჩნდეს. შემდეგ მას ანთებენ, რათა დაიწყოს თერმობირთვული შერწყმა.

შესაძლებლობების დემონსტრირება

ამჟამად ევროპაში ორი ასეთი ექსპერიმენტი მიმდინარეობს. ერთ-ერთი მათგანია Wendelstein 7-X, რომელმაც ახლახან შექმნა თავისი პირველი ჰელიუმის პლაზმა. მეორე არის ITER, უზარმაზარი ექსპერიმენტული შერწყმის ობიექტი საფრანგეთის სამხრეთში, რომელიც ჯერ კიდევ მშენებარეა და მზად იქნება 2023 წელს გამოსაყენებლად.

რეალური ბირთვული რეაქციები, სავარაუდოდ, მოხდება ITER-ზე, თუმცა მხოლოდ მოკლე დროში და რა თქმა უნდა არა უმეტეს 60 წუთისა. ეს რეაქტორი არის მხოლოდ ერთი მრავალი ნაბიჯიდან ბირთვული შერწყმის რეალობად ქცევის გზაზე.

შერწყმის რეაქტორი: უფრო პატარა და მძლავრი

ცოტა ხნის წინ, რამდენიმე დიზაინერმა გამოაცხადა ახალი რეაქტორის დიზაინი. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის სტუდენტების ჯგუფის, ისევე როგორც იარაღის კომპანია Lockheed Martin-ის წარმომადგენლების თქმით, შერწყმა შეიძლება განხორციელდეს ობიექტებში, რომლებიც ბევრად უფრო მძლავრი და მცირეა, ვიდრე ITER და ისინი მზად არიან ამის გაკეთება ათში. წლები.

ახალი დიზაინის იდეაა ელექტრომაგნიტებში თანამედროვე მაღალტემპერატურული ზეგამტარების გამოყენება, რომლებიც ავლენენ თავის თვისებებს თხევადი აზოტით გაცივებისას და არა ჩვეულებრივი, რომლებიც საჭიროებენ თხევად ჰელიუმს. ახალი, უფრო მოქნილი ტექნოლოგია შესაძლებელს გახდის რეაქტორის დიზაინის მთლიანად შეცვლას.

კლაუს ჰეში, რომელიც პასუხისმგებელია ბირთვული შერწყმის ტექნოლოგიაზე სამხრეთ-დასავლეთ გერმანიაში, კარლსრუეს ტექნოლოგიის ინსტიტუტში, სკეპტიკურად არის განწყობილი. იგი მხარს უჭერს ახალი მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარების გამოყენებას რეაქტორების ახალი დიზაინისთვის. მაგრამ, მისი თქმით, კომპიუტერზე რაიმეს შემუშავება, ფიზიკის კანონების გათვალისწინებით, საკმარისი არ არის. აუცილებელია გავითვალისწინოთ ის გამოწვევები, რომლებიც წარმოიქმნება იდეის პრაქტიკაში განხორციელებისას.

Სამეცნიერო ფანტასტიკა

ჰეშის თქმით, MIT-ის სტუდენტური მოდელი აჩვენებს მხოლოდ პროექტის შესაძლებლობას. მაგრამ სინამდვილეში ეს ბევრი სამეცნიერო ფანტასტიკაა. პროექტი ვარაუდობს, რომ თერმობირთვული შერწყმის სერიოზული ტექნიკური პრობლემები მოგვარებულია. მაგრამ თანამედროვე მეცნიერებას წარმოდგენა არ აქვს, როგორ გადაჭრას ისინი.

ერთ-ერთი ასეთი პრობლემაა დასაკეცი ხვეულების იდეა. ელექტრომაგნიტების დემონტაჟი შესაძლებელია რგოლში მოხვედრის მიზნით, რომელიც ინახავს პლაზმას MIT დიზაინის მოდელში.

ეს ძალიან სასარგებლო იქნება, რადგან შეძლებთ შიდა სისტემის ობიექტებზე წვდომას და მათ შეცვლას. მაგრამ სინამდვილეში, სუპერგამტარები მზადდება კერამიკული მასალისგან. ასობით მათგანი უნდა იყოს გადახლართული დახვეწილი გზით, რათა შეიქმნას სწორი მაგნიტური ველი. და აქ არის უფრო ფუნდამენტური სირთულეები: მათ შორის კავშირები არ არის ისეთი მარტივი, როგორც სპილენძის კაბელების კავშირები. არავის უფიქრია ცნებები, რომლებიც დაეხმარება ამ პრობლემების გადაჭრას.

ძალიან ცხელი

მაღალი ტემპერატურა ასევე პრობლემაა. შერწყმის პლაზმის ბირთვში ტემპერატურა დაახლოებით 150 მილიონ გრადუს ცელსიუსს მიაღწევს. ეს ექსტრემალური სიცხე რჩება ადგილზე - იონიზებული გაზის ზუსტად ცენტრში. მაგრამ მის ირგვლივ ჯერ კიდევ ძალიან ცხელა - 500-დან 700 გრადუსამდე რეაქტორის ზონაში, რომელიც წარმოადგენს ლითონის მილის შიდა ფენას, რომელშიც "გამრავლდება" ბირთვული შერწყმისთვის აუცილებელი ტრიტიუმი.

შერწყმის რეაქტორს კიდევ უფრო დიდი პრობლემა აქვს - ე.წ. ეს არის სისტემის ნაწილი, რომელიც იღებს გამოყენებულ საწვავს შერწყმის პროცესიდან, ძირითადად ჰელიუმს. პირველ ლითონის კომპონენტებს, რომლებშიც შედის ცხელი გაზი, ეწოდება "დივერტორი". მას შეუძლია გაცხელდეს 2000°C-მდე.

გადამყვანის პრობლემა

იმისათვის, რომ ინსტალაციამ გაუძლოს ასეთ ტემპერატურას, ინჟინრები ცდილობენ გამოიყენონ ლითონის ვოლფრამი, რომელიც გამოიყენება ძველმოდურ ინკანდესენტურ ნათურებში. ვოლფრამის დნობის წერტილი დაახლოებით 3000 გრადუსია. მაგრამ არსებობს სხვა შეზღუდვებიც.

ITER-ში ეს შეიძლება გაკეთდეს, რადგან მასში გათბობა მუდმივად არ ხდება. ვარაუდობენ, რომ რეაქტორი იმუშავებს დროის მხოლოდ 1-3%. მაგრამ ეს არ არის ვარიანტი ელექტროსადგურისთვის, რომელიც უნდა იმუშაოს 24/7. და, თუ ვინმე აცხადებს, რომ შეუძლია ააშენოს პატარა რეაქტორი იგივე სიმძლავრით, როგორც ITER, თამამად შეიძლება ითქვას, რომ მას არ აქვს გამოსავალი დივერტორის პრობლემის გადასაჭრელად.

ელექტროსადგური რამდენიმე ათწლეულში

მიუხედავად ამისა, მეცნიერები ოპტიმისტურად არიან განწყობილნი თერმობირთვული რეაქტორების განვითარებასთან დაკავშირებით, თუმცა ეს არ იქნება ისეთი სწრაფი, როგორც ზოგიერთი ენთუზიასტი ვარაუდობს.

ITER-მა უნდა აჩვენოს, რომ კონტროლირებადი შერწყმა შეიძლება რეალურად წარმოქმნას უფრო მეტი ენერგია, ვიდრე დაიხარჯება პლაზმის გაცხელებაზე. შემდეგი ნაბიჯი არის სრულიად ახალი ჰიბრიდული სადემონსტრაციო ელექტროსადგურის აშენება, რომელიც რეალურად გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას.

მის დიზაინზე ინჟინრები უკვე მუშაობენ. მათ მოუწევთ ისწავლონ ITER-ისგან, რომლის გაშვება იგეგმება 2023 წელს. დიზაინის, დაგეგმვისა და მშენებლობისთვის საჭირო დროის გათვალისწინებით, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ პირველი შერწყმის ელექტროსადგური 21-ე საუკუნის შუა ხანებამდე გაცილებით ადრე ამოქმედდეს.

Cold Fusion Rossi

2014 წელს, E-Cat-ის რეაქტორის დამოუკიდებელმა ტესტირებამ დაასკვნა, რომ მოწყობილობამ გამომავალი სიმძლავრე საშუალოდ 2800 ვატია 32 დღის განმავლობაში 900 ვატიანი მოხმარებით. ეს იმაზე მეტია, ვიდრე ნებისმიერ ქიმიურ რეაქციას შეუძლია იზოლირება. შედეგი საუბრობს ან თერმობირთვული შერწყმის მიღწევაზე, ან აშკარა თაღლითობაზე. მოხსენებამ იმედი გაუცრუა სკეპტიკოსებს, რომლებიც ეჭვობენ, იყო თუ არა ტესტი მართლაც დამოუკიდებელი და ვარაუდობენ ტესტის შედეგების შესაძლო გაყალბებას. სხვები დაკავებული იყვნენ „საიდუმლო ინგრედიენტების“ გარკვევით, რომლებიც როსის შერწყმას ტექნოლოგიის გამეორების საშუალებას აძლევს.

როსი თაღლითია?

ანდრეა შთამბეჭდავია. ის აქვეყნებს გამოცხადებებს მსოფლიოს უნიკალურ ინგლისურ ენაზე მისი ვებსაიტის კომენტარების განყოფილებაში, რომელსაც პრეტენზიულად უწოდებენ ბირთვული ფიზიკის ჟურნალს. მაგრამ მისი წინა წარუმატებელი მცდელობები მოიცავდა იტალიურ პროექტს ნარჩენების საწვავამდე და თერმოელექტრული გენერატორი. Petroldragon, ნარჩენების ენერგიაზე გადაყვანის პროექტი ნაწილობრივ ჩაიშალა, რადგან ნარჩენების უკანონო დაყრას აკონტროლებს იტალიელი ორგანიზებული დანაშაული, რომელმაც მას სისხლის სამართლის ბრალი წაუყენა ნარჩენების მართვის წესების დარღვევისთვის. მან ასევე შექმნა თერმოელექტრული მოწყობილობა აშშ-ს არმიის ინჟინერთა კორპუსისთვის, მაგრამ ტესტირების დროს გაჯეტმა გამოუშვა დეკლარირებული სიმძლავრის მხოლოდ ნაწილი.

ბევრი არ ენდობა როსის და New Energy Times-ის მთავარმა რედაქტორმა მას უხეშად უწოდა კრიმინალი, რომელსაც უკან დგას წარუმატებელი ენერგეტიკული პროექტები.

დამოუკიდებელი შემოწმება

როსიმ გააფორმა კონტრაქტი ამერიკულ კომპანია Industrial Heat-თან 1-მგვტ სიმძლავრის ცივი შერწყმის ქარხნის საიდუმლო გამოცდის ჩასატარებლად. მოწყობილობა იყო გადაზიდვის კონტეინერი, რომელიც შეფუთულია ათობით E-Cats-ით. ექსპერიმენტი უნდა გაკონტროლებულიყო მესამე მხარის მიერ, რომელსაც შეეძლო დაედასტურებინა, რომ სითბოს წარმოქმნა ნამდვილად ხდებოდა. როსი აცხადებს, რომ გასული წლის დიდი ნაწილი გაატარა კონტეინერში და აკონტროლებდა სამუშაოებს დღეში 16 საათზე მეტი ხნის განმავლობაში, რათა დაემტკიცებინა E-Cat-ის კომერციული სიცოცხლისუნარიანობა.

გამოცდა მარტში დასრულდა. როსის მომხრეები მოუთმენლად ელოდნენ დამკვირვებლების ანგარიშს, მათი გმირის გამართლების იმედით. მაგრამ საბოლოოდ მათ უჩივლეს.

სასამართლო პროცესი

ფლორიდის სასამართლოში წარდგენისას, როსი აცხადებს, რომ ტესტი წარმატებული იყო და დამოუკიდებელმა არბიტრმა დაადასტურა, რომ E-Cat რეაქტორი ექვსჯერ მეტ ენერგიას გამოიმუშავებს, ვიდრე მოიხმარს. მან ასევე განაცხადა, რომ Industrial Heat დათანხმდა გადაეხადა მას $100 მილიონი - $11.5 მილიონი წინასწარ 24-საათიანი საცდელი პერიოდის შემდეგ (როგორც ჩანს, ლიცენზირების უფლებებისთვის, რათა კომპანიამ შეძლოს ტექნოლოგიების გაყიდვა აშშ-ში) და კიდევ 89 მილიონი დოლარი გაფართოებული საცდელი წარმატებით დასრულების შემდეგ. 350 დღის განმავლობაში. როსიმ IH დაადანაშაულა "თაღლითური სქემის" გატარებაში მისი ინტელექტუალური საკუთრების მოპარვის მიზნით. მან ასევე დაადანაშაულა კომპანია E-Cat-ის რეაქტორების მითვისებაში, ინოვაციური ტექნოლოგიებისა და პროდუქტების, ფუნქციონალურობისა და დიზაინის უკანონო კოპირებაში და მისი ინტელექტუალური საკუთრების პატენტის ბოროტად გამოყენებაში.

ოქროს მაღარო

სხვაგან, როსი ამტკიცებს, რომ ერთ-ერთ დემონსტრაციაზე, IH-მა მიიღო $50-60 მილიონი ინვესტორებისგან და კიდევ 200 მილიონი დოლარი ჩინეთიდან, მას შემდეგ, რაც განმეორებითი თამაში მონაწილეობდა ჩინეთის მაღალჩინოსნებთან. თუ ეს მართალია, მაშინ ას მილიონ დოლარზე მეტია სასწორზე. Industrial Heat-მა უარყო ეს პრეტენზიები, როგორც უსაფუძვლო და აპირებს თავის აქტიურ დაცვას. რაც მთავარია, ის ამტკიცებს, რომ „სამ წელზე მეტი ხნის განმავლობაში მუშაობდა იმ შედეგების დასადასტურებლად, რომლებსაც როსიმ სავარაუდოდ მიაღწია თავისი E-Cat ტექნოლოგიით, ეს ყველაფერი უშედეგოდ“.

IH არ სჯერა E-Cat-ის და New Energy Times ვერ ხედავს ამაში ეჭვის შეტანის საფუძველს. 2011 წლის ივნისში, გამოცემის წარმომადგენელი ეწვია იტალიას, გაესაუბრა როსის და გადაიღო მისი E-Cat-ის დემონსტრირება. ერთი დღის შემდეგ მან გამოაცხადა თავისი სერიოზული შეშფოთება თერმული ენერგიის გაზომვის მეთოდის შესახებ. 6 დღის შემდეგ ჟურნალისტმა ვიდეო YouTube-ზე გამოაქვეყნა. მას მთელი მსოფლიოდან ექსპერტებმა გაუგზავნეს ანალიზები, რომლებიც ივლისში გამოქვეყნდა. გაირკვა, რომ ეს იყო თაღლითობა.

ექსპერიმენტული დადასტურება

მიუხედავად ამისა, რიგმა მკვლევარმა - ალექსანდრე პარხომოვმა რუსეთის ხალხთა მეგობრობის უნივერსიტეტიდან და მარტინ ფლეიშმანის მემორიალის პროექტიდან (MFPM) - მოახერხა რუსეთის ცივი შერწყმის გამეორება. MFPM-ის ანგარიშს ეწოდა "ნახშირბადის ეპოქის დასასრული ახლოს არის". ასეთი აღტაცების მიზეზი გამა გამოსხივების აფეთქების აღმოჩენა გახდა, რაც სხვაგვარად არ შეიძლება აიხსნას გარდა თერმობირთვული რეაქციით. მკვლევარების აზრით, როსის აქვს ზუსტად ის, რაზეც საუბრობს.

ცივი შერწყმის ეფექტური ღია რეცეპტი შეიძლება გამოიწვიოს ენერგიის ოქროს ციებ-ცხელება. ალტერნატიული მეთოდები შეიძლება მოიძებნოს როსის პატენტების გვერდის ავლით და მრავალმილიარდ დოლარიანი ენერგეტიკული ბიზნესიდან.

ასე რომ, ალბათ, როსის ამჯობინებს თავიდან აიცილოს ეს დადასტურება.

3. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემები

ყველა განვითარებული ქვეყნის მკვლევარები თავიანთ იმედებს ამყარებენ მომავალი ენერგეტიკული კრიზისის კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციით. ასეთი რეაქცია - ჰელიუმის სინთეზი დეიტერიუმიდან და ტრიტიუმიდან - მზეზე მილიონობით წელია მიმდინარეობს და ხმელეთის პირობებში უკვე ორმოცდაათი წელია ცდილობენ მის განხორციელებას გიგანტურ და ძალიან ძვირადღირებულ ლაზერულ ობიექტებში, ტოკამაკებში. (მოწყობილობა ცხელ პლაზმაში თერმობირთვული შერწყმის რეაქციის ჩასატარებლად) და ვარსკვლავები (დახურული მაგნიტური ხაფანგი მაღალი ტემპერატურის პლაზმის შემცველი). თუმცა, ამ რთული პრობლემის გადასაჭრელად სხვა გზებიც არსებობს და უზარმაზარი ტოკამაკების ნაცვლად, თერმობირთვული შერწყმის განსახორციელებლად, ალბათ, შესაძლებელი იქნება საკმაოდ კომპაქტური და იაფფასიანი კოლაიდერის - შეჯახების სხივებზე ამაჩქარებლის გამოყენება.

ტოკამაკის მუშაობისთვის საჭიროა ლითიუმის და დეიტერიუმის ძალიან მცირე რაოდენობა. მაგალითად, რეაქტორი, რომლის ელექტრული სიმძლავრეა 1 გვტ, წვავს დაახლოებით 100 კგ დეიტერიუმს და 300 კგ ლითიუმს წელიწადში. თუ დავუშვებთ, რომ ყველა თერმობირთვული ელექტროსადგური გამოიმუშავებს 10 ტრილიონს. კვტ/სთ ელექტროენერგია წელიწადში, ანუ იმდენს, რამდენსაც დღეს აწარმოებს დედამიწის ყველა ელექტროსადგური, მაშინ დეიტერიუმის და ლითიუმის მსოფლიო მარაგი საკმარისი იქნება კაცობრიობის ენერგიით მრავალი მილიონი წლის განმავლობაში.

გარდა დეიტერიუმის და ლითიუმის შერწყმისა, წმინდა მზის შერწყმა შესაძლებელია, როდესაც ორი დეიტერიუმის ატომები გაერთიანებულია. თუ ეს რეაქცია აითვისა, ენერგეტიკული პრობლემები დაუყოვნებლივ და სამუდამოდ მოგვარდება.

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (CTF) რომელიმე ცნობილ ვარიანტში თერმობირთვული რეაქციები არ შეიძლება შევიდეს სიმძლავრის უკონტროლო ზრდის რეჟიმში, შესაბამისად, ასეთი რეაქტორები არ არის არსებითად უსაფრთხო.

ფიზიკური თვალსაზრისით, პრობლემა ფორმულირებულია მარტივად. იმისათვის, რომ მოხდეს თვითშენარჩუნებული ბირთვული შერწყმის რეაქცია, აუცილებელია და საკმარისია ორი პირობის დაკმაყოფილება.

1. რეაქციაში მონაწილე ბირთვების ენერგია უნდა იყოს არანაკლებ 10 კევ. ბირთვული შერწყმის დასაწყებად, რეაქციაში მონაწილე ბირთვები უნდა მოხვდეს ბირთვული ძალების ველში, რომლის რადიუსია 10-12-10-13 ს.სმ. თუმცა, ატომის ბირთვებს აქვთ დადებითი ელექტრული მუხტი და მსგავსი მუხტები იგერიებენ ერთმანეთს. ბირთვული ძალების მოქმედების საზღვარზე კულონის მოგერიების ენერგია არის დაახლოებით 10 კევ. ამ ბარიერის დასაძლევად, შეჯახების დროს ბირთვებს უნდა ჰქონდეთ კინეტიკური ენერგია არანაკლებ ამ მნიშვნელობისა.

2. რეაქციაში მყოფი ბირთვების კონცენტრაციისა და შეკავების დროის პროდუქტი, რომლის განმავლობაშიც ისინი ინარჩუნებენ მითითებულ ენერგიას, უნდა იყოს არანაკლებ 1014 ს.სმ-3. ეს პირობა - ეგრეთ წოდებული ლოუსონის კრიტერიუმი - განსაზღვრავს რეაქციის ენერგეტიკული მომგებიანობის ზღვარს. იმისათვის, რომ შერწყმის რეაქციაში გამოთავისუფლებულმა ენერგიამ მინიმუმ დაფაროს რეაქციის დაწყების ენერგეტიკული ხარჯები, ატომის ბირთვებმა უნდა განიცადონ მრავალი შეჯახება. ყოველი შეჯახებისას, რომელშიც ხდება შერწყმის რეაქცია დეიტერიუმსა (D) და ტრიტიუმს (T) შორის, გამოიყოფა 17,6 მევ ენერგია, ანუ დაახლოებით 3,10-12 ჯ. თუ, მაგალითად, 10 მეგაჯ ენერგია იხარჯება აალებაზე, მაშინ რეაქცია დაირღვევა მაშინაც კი, თუ მასში მონაწილეობას მიიღებს მინიმუმ 3.1018 D-T წყვილი. და ამისთვის საკმაოდ მკვრივი მაღალი ენერგიის პლაზმა რეაქტორში დიდხანს უნდა ინახებოდეს. ეს მდგომარეობა გამოიხატება ლოუსონის კრიტერიუმით.

თუ ორივე მოთხოვნა ერთდროულად დაკმაყოფილდება, კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემა მოგვარდება.

თუმცა, ამ ფიზიკური პრობლემის ტექნიკური განხორციელება უზარმაზარ სირთულეებს აწყდება. ყოველივე ამის შემდეგ, 10 კევ ენერგია არის 100 მილიონი გრადუსი ტემპერატურა. ასეთ ტემპერატურაზე ნივთიერების შენახვა შესაძლებელია წამის ფრაქციითაც კი მხოლოდ ვაკუუმში, ინსტალაციის კედლებიდან იზოლირებით.

მაგრამ ამ პრობლემის მოგვარების კიდევ ერთი მეთოდი არსებობს - ცივი შერწყმა. რა არის ცივი შერწყმა - ეს არის ოთახის ტემპერატურაზე მიმდინარე "ცხელი" თერმობირთვული რეაქციის ანალოგი.

ბუნებაში, კონტინიუმის ერთ განზომილებაში მატერიის შეცვლის მინიმუმ ორი გზა არსებობს. შეგიძლიათ ცეცხლზე წყალი ადუღოთ, ე.ი. თერმულად, ან მიკროტალღურ ღუმელში, ე.ი. სიხშირე. შედეგი იგივეა - წყალი დუღს, განსხვავება მხოლოდ ისაა, რომ სიხშირის მეთოდი უფრო სწრაფია. ის ასევე იყენებს ულტრა მაღალი ტემპერატურის მიღწევას ატომის ბირთვის გასაყოფად. თერმული მეთოდი იძლევა უკონტროლო ბირთვულ რეაქციას. ცივი შერწყმის ენერგია არის გარდამავალი მდგომარეობის ენერგია. ცივი შერწყმის რეაქციის განსახორციელებლად რეაქტორის დიზაინის ერთ-ერთი მთავარი პირობაა მისი პირამიდულ-კრისტალური ფორმის მდგომარეობა. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი პირობაა მბრუნავი მაგნიტური და ტორსიული ველების არსებობა. ველების გადაკვეთა ხდება წყალბადის ბირთვის არასტაბილური წონასწორობის წერტილში.

მეცნიერები რუზი ტალეიარხანი ოუკ რიჯის ეროვნული ლაბორატორიიდან, რიჩარდ ლეიხი პოლიტექნიკური უნივერსიტეტიდან. რენსილირამ და აკადემიკოსმა რობერტ ნიგმატულინმა - ლაბორატორიაში ჩაწერეს ცივი თერმობირთვული რეაქცია.

ჯგუფმა გამოიყენა თხევადი აცეტონის ჭიქის ზომა ორიდან სამი ჭიქით. ბგერითი ტალღები ინტენსიურად გადადიოდა სითხის მეშვეობით, აწარმოებდა ეფექტს, რომელიც ფიზიკაში ცნობილია როგორც აკუსტიკური კავიტაცია, რომლის შედეგია სონოლუმინესცენცია. კავიტაციის დროს სითხეში გაჩნდა პატარა ბუშტები, რომლებიც დიამეტრის ორ მილიმეტრამდე გაიზარდა და აფეთქდა. აფეთქებებს თან ახლდა სინათლის ციმციმები და ენერგიის გამოყოფა ე.ი. აფეთქების დროს ბუშტების შიგნით ტემპერატურამ 10 მილიონ გრადუს კელვინს აღწევდა და გამოთავისუფლებული ენერგია, ექსპერიმენტატორების აზრით, საკმარისია თერმობირთვული შერწყმის განსახორციელებლად.

რეაქციის "ტექნიკურად" არსი მდგომარეობს იმაში, რომ დეიტერიუმის ორი ატომის შერწყმის შედეგად წარმოიქმნება მესამე - წყალბადის იზოტოპი, რომელიც ცნობილია როგორც ტრიტიუმი, და ნეიტრონი, რომელიც ხასიათდება ენერგიის უზარმაზარი რაოდენობით. .

დენი ზეგამტარ მდგომარეობაში ნულის ტოლია და, შესაბამისად, ელექტროენერგიის მინიმალური რაოდენობა დაიხარჯება მაგნიტური ველის შენარჩუნებაზე. 8. სუპერსწრაფი სისტემები. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა ინერციული შეზღუდვით პლაზმის მაგნიტურ შეზღუდვასთან დაკავშირებული სირთულეები, პრინციპში, შეიძლება იყოს გვერდის ავლით, თუ ბირთვული საწვავი დაიწვება უკიდურესად მოკლე დროში, როდესაც ...

2004 წლისთვის. შემდეგი მოლაპარაკებები ამ პროექტზე გაიმართება 2004 წლის მაისში ვენაში. რეაქტორი აშენდება 2006 წელს და დაგეგმილია მისი გაშვება 2014 წელს. როგორ მუშაობს Fusion* არის იაფი და ეკოლოგიურად სუფთა გზა ენერგიის წარმოებისთვის. მილიარდობით წლის განმავლობაში მზეზე მიმდინარეობს უკონტროლო თერმობირთვული შერწყმა - ჰელიუმი წარმოიქმნება წყალბადის დეიტერიუმის მძიმე იზოტოპიდან. სადაც...

ექსპერიმენტულ თერმობირთვულ რეაქტორს ხელმძღვანელობს E.P. ველიხოვი. ამერიკის შეერთებული შტატები, რომელმაც 15 მილიარდი დოლარი დახარჯა, გამოვიდა ამ პროექტიდან, დანარჩენი 15 მილიარდი უკვე დახარჯულია საერთაშორისო სამეცნიერო ორგანიზაციების მიერ. 2. ტექნიკური, ეკოლოგიური და სამედიცინო პრობლემები. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (UTF) დანადგარების ექსპლუატაციის დროს. ხდება ნეიტრონული სხივები და გამა გამოსხივება, ასევე...

ენერგია და რა ხარისხი იქნება საჭირო იმისათვის, რომ გამოთავისუფლებული ენერგია საკმარისი იყოს ენერგიის გამოყოფის პროცესის დაწყების ხარჯების დასაფარად. ამ კითხვას ქვემოთ განვიხილავთ თერმობირთვული შერწყმის პრობლემებთან დაკავშირებით. ლაზერების ენერგიის ხარისხზე უმარტივეს შემთხვევებში აშკარაა დაბალი ხარისხის ენერგიის მაღალხარისხიან ენერგიად გადაქცევის შეზღუდვები. აქ არის რამოდენიმე მაგალითი...

1. შესავალი

3. თერმობირთვული შერწყმის მართვის პრობლემები

3.1 ეკონომიკური პრობლემები

3.2 სამედიცინო პრობლემები

4. დასკვნა

5. ლიტერატურა

1. შესავალი

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემა ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა კაცობრიობის წინაშე.

ადამიანური ცივილიზაცია არ შეიძლება იარსებებდეს, რომ აღარაფერი ვთქვათ განვითარება, ენერგიის გარეშე. ყველამ კარგად იცის, რომ ენერგიის განვითარებული წყაროები, სამწუხაროდ, შესაძლოა მალე ამოიწუროს. მსოფლიო ენერგეტიკის საბჭოს მონაცემებით, ნახშირწყალბადების საწვავის შესწავლილი მარაგი დედამიწაზე რჩება 30 წლის განმავლობაში.

დღეს ენერგიის ძირითადი წყაროა ნავთობი, გაზი და ქვანახშირი.

ექსპერტების აზრით, ამ წიაღისეულის მარაგი იწურება. შესწავლილი, ათვისებისთვის შესაფერისი ნავთობის საბადოები თითქმის არ დარჩა და უკვე ჩვენს შვილიშვილებს შეიძლება ენერგიების ნაკლებობის ძალიან სერიოზული პრობლემა შეექმნათ.

ყველაზე საწვავით მომარაგებულ ატომურ ელექტროსადგურებს, რა თქმა უნდა, შეეძლოთ კაცობრიობას ელექტროენერგიით ასზე მეტი წლის განმავლობაში მიეწოდებინათ.

კვლევის ობიექტი: კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემები.

კვლევის საგანი: თერმობირთვული შერწყმა.

კვლევის მიზანი: თერმობირთვული შერწყმის მართვის პრობლემის გადაჭრა;

კვლევის მიზნები:

· თერმობირთვული რეაქციების ტიპების შესწავლა.

· განვიხილოთ ყველა შესაძლო ვარიანტი თერმობირთვული რეაქციის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის ადამიანამდე მიტანისთვის.

· წამოაყენონ თეორია ენერგიის ელექტროენერგიად გადაქცევის შესახებ.

საწყისი ფაქტი:

ბირთვული ენერგია გამოიყოფა ატომის ბირთვების დაშლის ან შერწყმის დროს. ნებისმიერი ენერგია - ფიზიკური, ქიმიური ან ბირთვული გამოიხატება სამუშაოს შესრულების, სითბოს ან გამოსხივების უნარით. ნებისმიერ სისტემაში ენერგია ყოველთვის ინახება, მაგრამ ის შეიძლება გადავიდეს სხვა სისტემაში ან შეიცვალოს ფორმა.

მიღწევაკონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პირობებს ხელს უშლის რამდენიმე ძირითადი პრობლემა:

· პირველ რიგში, თქვენ უნდა გაათბოთ გაზი ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე.

· მეორეც, აუცილებელია რეაქტიული ბირთვების რაოდენობის კონტროლი საკმარისად დიდი ხნის განმავლობაში.

· მესამე, გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა უნდა იყოს იმაზე მეტი, ვიდრე დაიხარჯა გათბობისთვის და გაზის სიმკვრივის შეზღუდვისთვის.

შემდეგი პრობლემა არის ამ ენერგიის დაგროვება და ელექტროენერგიად გადაქცევა

2. თერმობირთვული რეაქციები მზეზე

რა არის მზის ენერგიის წყარო? რა არის იმ პროცესების ბუნება, რომლის დროსაც წარმოიქმნება უზარმაზარი ენერგია? რამდენ ხანს გააგრძელებს მზე ნათებას?

ამ კითხვებზე პასუხის გაცემის პირველი მცდელობები ასტრონომებმა მე-19 საუკუნის შუა ხანებში გააკეთეს, მას შემდეგ რაც ფიზიკოსებმა ჩამოაყალიბეს ენერგიის შენარჩუნების კანონი.

რობერტ მაიერი ვარაუდობს, რომ მზე ანათებს მეტეორიტებისა და მეტეორის ნაწილაკების მიერ ზედაპირის მუდმივი დაბომბვის გამო. ეს ჰიპოთეზა უარყო, რადგან მარტივი გამოთვლა აჩვენებს, რომ მზის სიკაშკაშის ამჟამინდელ დონეზე შესანარჩუნებლად აუცილებელია, რომ მასზე ყოველ წამში 2∙10 15 კგ მეტეორიული მატერია დაეცეს. ერთი წლის განმავლობაში ეს იქნება 6∙10 22 კგ, ხოლო მზის სიცოცხლის განმავლობაში, 5 მილიარდი წლის განმავლობაში - 3∙10 32 კგ. მზის მასა მ

= 2∙10 30 კგ, მაშასადამე, ხუთ მილიარდ წელიწადში მატერია 150-ჯერ მეტი მზის მასაზე უნდა დაეცა მზეზე.

მეორე ჰიპოთეზა ასევე წამოაყენეს ჰელმჰოლცმა და კელვინმა XIX საუკუნის შუა ხანებში. მათ ვარაუდობდნენ, რომ მზე ასხივებს ყოველწლიურად 60-70 მეტრის შეკუმშვით. შეკუმშვის მიზეზი არის მზის ნაწილაკების ურთიერთმიზიდულობა, რის გამოც ამ ჰიპოთეზას შეკუმშვა ეწოდება. თუ გამოთვლას გავაკეთებთ ამ ჰიპოთეზის მიხედვით, მაშინ მზის ასაკი იქნება არაუმეტეს 20 მილიონი წელი, რაც ეწინააღმდეგება დედამიწის ნიადაგისა და მთვარის ნიადაგის გეოლოგიურ ნიმუშებში ელემენტების რადიოაქტიური დაშლის ანალიზით მიღებულ თანამედროვე მონაცემებს. .

მზის ენერგიის შესაძლო წყაროების შესახებ მესამე ჰიპოთეზა წამოაყენა ჯეიმს ჯინსმა XX საუკუნის დასაწყისში. მისი ვარაუდით, მზის სიღრმეები შეიცავს მძიმე რადიოაქტიურ ელემენტებს, რომლებიც სპონტანურად იშლება, ხოლო ენერგია გამოიყოფა. მაგალითად, ურანის თორიუმად და შემდეგ ტყვიად გარდაქმნას თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა. ამ ჰიპოთეზის შემდგომმა ანალიზმა ასევე აჩვენა მისი წარუმატებლობა; მხოლოდ ურანისაგან შემდგარი ვარსკვლავი არ გამოყოფს საკმარის ენერგიას მზის დაკვირვებული სიკაშკაშის უზრუნველსაყოფად. გარდა ამისა, არის ვარსკვლავები, რომლებიც ჩვენს ვარსკვლავზე ბევრჯერ უფრო კაშკაშაა. ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ეს ვარსკვლავები ასევე შეიცავდნენ უფრო მეტ რადიოაქტიურ მასალას.

ყველაზე სავარაუდო ჰიპოთეზა აღმოჩნდა ვარსკვლავების ინტერიერში ბირთვული რეაქციების შედეგად ელემენტების სინთეზის ჰიპოთეზა.

1935 წელს ჰანს ბეტემ წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ წყალბადის ჰელიუმად გარდაქმნის თერმობირთვული რეაქცია შეიძლება იყოს მზის ენერგიის წყარო. სწორედ ამისთვის მიიღო ბეთემ 1967 წელს ნობელის პრემია.

მზის ქიმიური შემადგენლობა დაახლოებით იგივეა, რაც სხვა ვარსკვლავების უმრავლესობის. დაახლოებით 75% არის წყალბადი, 25% არის ჰელიუმი და 1%-ზე ნაკლები არის ყველა სხვა ქიმიური ელემენტი (ძირითადად ნახშირბადი, ჟანგბადი, აზოტი და ა.შ.). სამყაროს დაბადებისთანავე, საერთოდ არ არსებობდა "მძიმე" ელემენტები. ყველა მათგანი, ე.ი. ჰელიუმზე მძიმე ელემენტები და მრავალი ალფა ნაწილაკიც კი წარმოიქმნა ვარსკვლავებში წყალბადის „დაწვის“ დროს თერმობირთვული შერწყმის დროს. მზის მსგავსი ვარსკვლავის სიცოცხლის ხანგრძლივობა ათი მილიარდი წელია.

ენერგიის ძირითადი წყაროა პროტონ-პროტონის ციკლი - ძალიან ნელი რეაქცია (დამახასიათებელი დრო 7,9∙10 9 წელი), რადგან ეს გამოწვეულია სუსტი ურთიერთქმედებით. მისი არსი მდგომარეობს იმაში, რომ ოთხი პროტონიდან მიიღება ჰელიუმის ბირთვი. ამ შემთხვევაში გამოიყოფა წყვილი პოზიტრონი და წყვილი ნეიტრინო, ასევე 26,7 მევ ენერგია. მზის მიერ წამში გამოსხივებული ნეიტრინოების რაოდენობა განისაზღვრება მხოლოდ მზის სიკაშკაშით. მას შემდეგ, რაც 26,7 მევ-ის გათავისუფლების შემდეგ, 2 ნეიტრინო იბადება, ნეიტრინოს ემისიის სიჩქარეა: 1,8∙10 38 ნეიტრინო/წმ. ამ თეორიის პირდაპირი გამოცდაა მზის ნეიტრინოებზე დაკვირვება. მაღალი ენერგიის ნეიტრინოები (ბორი) დაფიქსირებულია ქლორ-არგონის ექსპერიმენტებში (დევისის ექსპერიმენტები) და თანმიმდევრულად აჩვენებს ნეიტრინოების ნაკლებობას სტანდარტული მზის მოდელის თეორიულ მნიშვნელობასთან შედარებით. დაბალი ენერგიის ნეიტრინოები, რომლებიც წარმოიქმნება უშუალოდ pp რეაქციაში, დაფიქსირებულია გალიუმ-გერმანიუმის ექსპერიმენტებში (GALLEX გრან სასოში (იტალია-გერმანია) და SAGE ბაქსანში (რუსეთი-აშშ)); ისინიც „დაკარგულები არიან“.

ზოგიერთი ვარაუდის თანახმად, თუ ნეიტრინოებს აქვთ სიმშვიდის მასა ნულის გარდა, შესაძლებელია სხვადასხვა ტიპის ნეიტრინოების რხევები (ტრანსფორმაციები) (მიხეევ-სმირნოვი-ვოლფენშტაინის ეფექტი) (არსებობს ნეიტრინოების სამი ტიპი: ელექტრონი, მუონი და ტაუონური ნეიტრინოები). . იმიტომ რომ სხვა ნეიტრინოებს აქვთ გაცილებით მცირე ურთიერთქმედების ჯვარი სექციები მატერიასთან, ვიდრე ელექტრონები, დაკვირვებული დეფიციტი შეიძლება აიხსნას მზის სტანდარტული მოდელის შეცვლის გარეშე, რომელიც აგებულია ასტრონომიული მონაცემების მთელი ნაკრების საფუძველზე.

ყოველ წამში მზე გადაამუშავებს დაახლოებით 600 მილიონ ტონა წყალბადს. ბირთვული საწვავის მარაგი კიდევ ხუთი მილიარდი წელი გაგრძელდება, რის შემდეგაც ის თანდათან თეთრ ჯუჯად გადაიქცევა.

მზის ცენტრალური ნაწილები შემცირდება, გაცხელდება და გარე გარსზე გადაცემული სითბო გამოიწვევს მის გაფართოებას თანამედროვეებთან შედარებით ამაზრზენ ზომებამდე: მზე იმდენად გაფართოვდება, რომ შთანთქავს მერკურს, ვენერას და დახარჯავს. საწვავი" ასჯერ უფრო სწრაფად, ვიდრე ამჟამად. ეს გაზრდის მზის ზომას; ჩვენი ვარსკვლავი გახდება წითელი გიგანტი, რომლის ზომა შეედრება დედამიწიდან მზემდე მანძილს!

რა თქმა უნდა, ჩვენ წინასწარ შეგვატყობინებენ მსგავსი მოვლენის შესახებ, რადგან ახალ ეტაპზე გადასვლას დაახლოებით 100-200 მილიონი წელი დასჭირდება. როდესაც მზის ცენტრალური ნაწილის ტემპერატურა 100 000 000 კ-ს მიაღწევს, ჰელიუმიც დაიწყებს წვას, გადაიქცევა მძიმე ელემენტებად და მზე გადავა შეკუმშვისა და გაფართოების რთული ციკლების ეტაპზე. ბოლო ეტაპზე ჩვენი ვარსკვლავი დაკარგავს თავის გარე გარსს, ცენტრალურ ბირთვს ექნება წარმოუდგენლად დიდი სიმკვრივე და ზომა, როგორც დედამიწისას. გაივლის კიდევ რამდენიმე მილიარდი წელი და მზე გაცივდება და გადაიქცევა თეთრ ჯუჯად.

3. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის პრობლემები

რუსეთის ფედერაციის განათლებისა და მეცნიერების სამინისტრო

განათლების ფედერალური სააგენტო

SEI HPE "ბლაგოვეშჩენსკის სახელმწიფო პედაგოგიური უნივერსიტეტი"

ფიზიკა-მათემატიკის ფაკულტეტი

ზოგადი ფიზიკის კათედრა

კურსის მუშაობა

თემაზე: თერმობირთვული შერწყმის პრობლემები

დისციპლინა: ფიზიკა

მხატვარი: V.S. კლეჩენკო

ხელმძღვანელი: V.A. ევდოკიმოვა

ბლაგოვეშჩენსკი 2010 წ

შესავალი

თერმობირთვული რეაქციები და მათი ენერგოეფექტურობა

თერმობირთვული რეაქციების წარმოშობის პირობები

თერმობირთვული რეაქციების რეალიზაცია ხმელეთის პირობებში

ძირითადი პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებასთან

კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების განხორციელება TOKAMAK-ის ტიპის ობიექტებში

ITER პროექტი

პლაზმური და თერმობირთვული რეაქციების თანამედროვე კვლევები

დასკვნა

ლიტერატურა

შესავალი

ამჟამად კაცობრიობა ვერ წარმოიდგენს თავის ცხოვრებას ელექტროენერგიის გარეშე. ის ყველგანაა. მაგრამ ელექტროენერგიის გამომუშავების ტრადიციული მეთოდები არ არის იაფი: წარმოიდგინეთ ჰიდროელექტროსადგურის ან ატომური ელექტროსადგურის რეაქტორის მშენებლობა, მაშინვე გასაგები ხდება რატომ. მეცნიერებმა მე-20 საუკუნეში ენერგეტიკული კრიზისის პირობებში იპოვეს მატერიისგან ელექტროენერგიის გამომუშავების გზა, რომლის რაოდენობა შეზღუდული არ არის. თერმობირთვული რეაქციები მიმდინარეობს დეიტერიუმის და ტრიტიუმის დაშლის დროს. ერთი ლიტრი წყალი შეიცავს იმდენ დეიტერიუმს, რომ თერმობირთვული შერწყმა შეიძლება გაათავისუფლოს იმდენი ენერგია, რამდენიც მიიღება 350 ლიტრი ბენზინის დაწვით. ანუ შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ წყალი ენერგიის შეუზღუდავი წყაროა.

თუ ენერგიის მოპოვება თერმობირთვული შერწყმის საშუალებით იქნება ისეთივე მარტივი, როგორც ჰიდროელექტროსადგურების დახმარებით, მაშინ კაცობრიობა არასდროს განიცდის კრიზისს ენერგეტიკულ სექტორში. ამ გზით ენერგიის მისაღებად საჭიროა მზის ცენტრის ტემპერატურის ექვივალენტური ტემპერატურა. სად მივიღოთ ასეთი ტემპერატურა, რამდენად ძვირი დაჯდება ინსტალაციები, რამდენად მომგებიანია ასეთი ენერგიის წარმოება და არის თუ არა ასეთი მონტაჟი უსაფრთხო? ამ კითხვებზე პასუხი გაეცემა წინამდებარე ნაშრომში.

სამუშაოს მიზანი: თერმობირთვული შერწყმის თვისებებისა და პრობლემების შესწავლა.

თერმობირთვული რეაქციები და მათი ენერგოეფექტურობა

თერმობირთვული რეაქცია - უფრო მძიმე ატომური ბირთვების სინთეზი მსუბუქი ბირთვებისგან ენერგიის მისაღებად, რომელიც კონტროლდება.

ცნობილია, რომ წყალბადის ატომის ბირთვი არის პროტონი p. ასეთი წყალბადი ბუნებაში ბევრია - ჰაერშიც და წყალშიც. გარდა ამისა, არსებობს წყალბადის უფრო მძიმე იზოტოპები. ერთ-ერთი მათგანის ბირთვი, გარდა პროტონისა p, შეიცავს აგრეთვე ნეიტრონს n. ამ იზოტოპს ეწოდება დეიტერიუმი D. სხვა იზოტოპის ბირთვი, პროტონის р-ის გარდა, შეიცავს ორ ნეიტრონს n და ეწოდება ტრიტერიუმი (ტრიტიუმი) Т. ენერგია, რომელიც გამოიყოფა მძიმე ბირთვების დაშლის დროს. შერწყმის რეაქციაში გამოიყოფა ენერგია, რომელიც 1 კგ ნივთიერებაზე ბევრად აღემატება ურანის დაშლის რეაქციაში გამოთავისუფლებულ ენერგიას. (აქ გამოთავისუფლებული ენერგია ეხება რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიას.) მაგალითად, დეიტერიუმის 1 2 D და ტრიტიუმის 1 3 T ბირთვების შერწყმის რეაქციაში ჰელიუმის ბირთვში 2 4 He :

1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,

გამოთავისუფლებული ენერგია დაახლოებით უდრის 3,5 მევ-ს თითო ნუკლეონზე. დაშლის რეაქციებში, ენერგია ერთ ნუკლეონზე არის დაახლოებით 1 მევ.

ოთხი პროტონისგან ჰელიუმის ბირთვის სინთეზში:

4 1 1 p→ 2 4 არა + 2 +1 1 e,

გამოიყოფა კიდევ უფრო მეტი ენერგია, ტოლია 6,7 მევ ნაწილაკზე. თერმობირთვული რეაქციების ენერგეტიკული უპირატესობა აიხსნება იმით, რომ ჰელიუმის ატომის ბირთვში სპეციფიკური შებოჭვის ენერგია მნიშვნელოვნად აღემატება წყალბადის იზოტოპების ბირთვების სპეციფიკურ შეკავშირების ენერგიას. ამრიგად, კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების წარმატებით განხორციელებით, კაცობრიობა მიიღებს ენერგიის ახალ მძლავრ წყაროს.

თერმობირთვული რეაქციების წარმოშობის პირობები

მსუბუქი ბირთვების შერწყმისთვის აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომელიც გამოწვეულია პროტონების კულონის მოგერიებით მსგავს დადებითად დამუხტულ ბირთვებში. წყალბადის ბირთვების 1 2 Dx შერწყმისთვის საჭიროა მათი მიახლოება r მანძილთან, დაახლოებით r ≈ 3 10 -15 მ. ამისათვის თქვენ უნდა შეასრულოთ სამუშაო, რომელიც ტოლია მოგერიების ელექტროსტატიკური პოტენციური ენერგიისა. P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 მევ. დეიტრონის ბირთვები შეძლებენ ასეთი ბარიერის გადალახვას, თუ მათი საშუალო კინეტიკური ენერგია 3/2 კტ უდრის 0,1 მევ-ს შეჯახებისას. ეს შესაძლებელია T = 2 10 9 K. პრაქტიკაში თერმობირთვული რეაქციების წარმოშობისთვის საჭირო ტემპერატურა მცირდება სიდიდის ორი რიგით და შეადგენს 10 7 კ-ს.

დაახლოებით 10 7 K ტემპერატურა დამახასიათებელია მზის ცენტრალური ნაწილისთვის. სპექტრულმა ანალიზმა აჩვენა, რომ მზის მატერია, ისევე როგორც მრავალი სხვა ვარსკვლავი, შეიცავს 80% წყალბადს და დაახლოებით 20% ჰელიუმს. ნახშირბადი, აზოტი და ჟანგბადი შეადგენს ვარსკვლავების მასის არაუმეტეს 1%-ს. მზის უზარმაზარი მასით (≈ 2 10 27 კგ), ამ აირების რაოდენობა საკმაოდ დიდია.

თერმობირთვული რეაქციები ხდება მზესა და ვარსკვლავებში და არის ენერგიის წყარო, რომელიც უზრუნველყოფს მათ გამოსხივებას. ყოველ წამს მზე ასხივებს 3,8 10 26 J ენერგიას, რაც შეესაბამება მისი მასის 4,3 მილიონი ტონით შემცირებას. მზის ენერგიის სპეციფიური გამოყოფა, ე.ი. მზის ერთეული მასის ენერგიის გამოყოფა ერთ წამში უდრის 1,9 10 -4 ჯ/წმ კგ. ის ძალიან მცირეა და შეადგენს ცოცხალ ორგანიზმში მეტაბოლიზმის პროცესში სპეციფიკური ენერგიის გამოყოფის დაახლოებით 10-3%-ს. მზის რადიაციული ძალა მზის სისტემის არსებობის მრავალი მილიარდი წლის განმავლობაში დიდად არ შეცვლილა.

მზეზე თერმობირთვული რეაქციების გაგრძელების ერთ-ერთი გზაა ნახშირბად-აზოტის ციკლი, რომელშიც წყალბადის ბირთვების გაერთიანება ჰელიუმის ბირთვში გაადვილებულია ნახშირბადის 6 12 C ბირთვების თანდასწრებით, რომლებიც ასრულებენ კატალიზატორების როლს. ციკლის დასაწყისში, სწრაფი პროტონი შეაღწევს ნახშირბადის ატომის ბირთვში 6 12 C და ქმნის აზოტის იზოტოპის არასტაბილურ ბირთვს 7 13 N γ-კვანტური გამოსხივებით:

6 12 С + 1 1 p → 7 13 N + γ.

ნახევარგამოყოფის პერიოდით 14 წუთი, ტრანსფორმაცია 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e ხდება 7 13 N ბირთვში და იქმნება 6 13 C იზოტოპის ბირთვი:

7 13 N → 6 13 С + +1 0 e + 0 0 ν e.

დაახლოებით ყოველ 32 მილიონ წელიწადში ერთხელ, 7 14 N ბირთვი იჭერს პროტონს და იქცევა ჟანგბადის ბირთვად 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

არასტაბილური 8 15 O ბირთვი, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 3 წუთია, ასხივებს პოზიტრონს და ნეიტრინოს და იქცევა 7 15 N ბირთვად:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

ციკლი მთავრდება 7 15 N ბირთვის მიერ პროტონის შთანთქმის რეაქციით მისი დაშლით ნახშირბადის 6 12 С ბირთვში და α-ნაწილაკად. ეს ხდება დაახლოებით 100 ათასი წლის შემდეგ:

7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.

ახალი ციკლი კვლავ იწყება ნახშირბადის მიერ 6 12 C პროტონის შთანთქმით, რომელიც გამოდის საშუალოდ 13 მილიონი წლის შემდეგ. ციკლის ინდივიდუალური რეაქციები დროში გამოყოფილია ინტერვალებით, რომლებიც აკრძალულად დიდია მიწიერი დროის მასშტაბებზე. თუმცა, ციკლი დახურულია და მუდმივად მიმდინარეობს. ამრიგად, მზეზე ციკლის სხვადასხვა რეაქცია ხდება ერთდროულად, სხვადასხვა დროს დაწყებული.

ამ ციკლის შედეგად ოთხი პროტონი ერწყმის ჰელიუმის ბირთვს ორი პოზიტრონისა და γ-გამოსხივების გაჩენით. ამას უნდა დაემატოს გამოსხივება, რომელიც წარმოიქმნება პოზიტრონების პლაზმის ელექტრონებთან შერწყმის შედეგად. ერთი ჰელიუმის გამა ატომის წარმოქმნით გამოიყოფა 700 ათასი კვტ/სთ ენერგია. ენერგიის ეს რაოდენობა ანაზღაურებს მზის ენერგიის დაკარგვას რადიაციისთვის. გამოთვლებმა აჩვენა, რომ მზეში არსებული წყალბადის რაოდენობა საკმარისია თერმობირთვული რეაქციებისა და მზის გამოსხივების მხარდასაჭერად მილიარდობით წლის განმავლობაში.

თერმობირთვული რეაქციების რეალიზაცია ხმელეთის პირობებში

ხმელეთის პირობებში თერმობირთვული რეაქციების განხორციელება შექმნის ენერგიის მოპოვების უზარმაზარ შესაძლებლობებს. მაგალითად, ერთ ლიტრ წყალში შემავალი დეიტერიუმის გამოყენებისას, შერწყმის რეაქციაში გამოიყოფა იგივე რაოდენობის ენერგია, რაც გამოიყოფა დაახლოებით 350 ლიტრი ბენზინის დაწვისას. მაგრამ თუ თერმობირთვული რეაქცია სპონტანურად მიმდინარეობს, მაშინ მოხდება კოლოსალური აფეთქება, რადგან ამ შემთხვევაში გამოთავისუფლებული ენერგია ძალიან დიდია.

იმ პირობებთან მიახლოებული პირობები, რომლებიც რეალიზებულია მზის ნაწლავებში, განხორციელდა წყალბადის ბომბში. არსებობს ფეთქებადი ხასიათის თვითშენარჩუნებული თერმობირთვული რეაქცია. ფეთქებადი არის დეიტერიუმის 1 2 D ნარევი ტრიტიუმთან 1 3 ტ. რეაქციის გასაგრძელებლად საჭირო მაღალი ტემპერატურა მიიღება თერმობირთვული ბომბის შიგნით მოთავსებული ჩვეულებრივი ატომური ბომბის აფეთქებით.

შერწყმის რეაქტორში შერწყმის რეაქცია უნდა იყოს ნელი და შესაძლებელი უნდა იყოს მისი კონტროლი. მაღალი ტემპერატურის დეიტერიუმის პლაზმაში მიმდინარე რეაქციების შესწავლა არის თეორიული საფუძველი ხელოვნური კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების მისაღებად. მთავარი სირთულე არის თვითშენარჩუნებული თერმობირთვული რეაქციის მისაღებად აუცილებელი პირობების შენარჩუნება. ასეთი რეაქციისთვის აუცილებელია, რომ ენერგიის გამოყოფის სიჩქარე სისტემაში, სადაც რეაქცია ხდება, არ იყოს სისტემიდან ენერგიის მოცილების სიჩქარეზე ნაკლები. 10 8 K რიგის ტემპერატურაზე თერმობირთვულ რეაქციებს დეიტერიუმის პლაზმაში შესამჩნევი ინტენსივობა აქვს და თან ახლავს დიდი ენერგიის გამოყოფას. პლაზმის მოცულობის ერთეულში, როდესაც დეიტერიუმის ბირთვები გაერთიანებულია, გამოიყოფა სიმძლავრე 3 კვტ/მ 3. 10 6 K რიგის ტემპერატურაზე სიმძლავრე არის მხოლოდ 10 -17 ვტ/მ 3.