შერწყმის რეაქცია ასეთია: ორი ან მეტი ატომის ბირთვი აღებულია და გარკვეული ძალის გამოყენებით ისინი იმდენად უახლოვდებიან, რომ ასეთ მანძილზე მოქმედი ძალები ჭარბობს კულონის მოგერიების ძალებს თანაბრად დამუხტულ ბირთვებს შორის, შედეგად. რომელიც იქმნება ახალი ბირთვი. მას ექნება ოდნავ უფრო მცირე მასა, ვიდრე თავდაპირველი ბირთვების მასების ჯამი, და განსხვავება ხდება ენერგია, რომელიც გამოიყოფა რეაქციის დროს. გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა აღწერილია ცნობილი ფორმულით E=mc². მსუბუქი ატომური ბირთვები უფრო ადვილია სწორ მანძილზე მიყვანა, ამიტომ წყალბადი - სამყაროს ყველაზე უხვი ელემენტი - საუკეთესო საწვავია შერწყმის რეაქციისთვის.
დადგინდა, რომ წყალბადის ორი იზოტოპის, დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევი, შერწყმის რეაქციისთვის ყველაზე ნაკლებ ენერგიას მოითხოვს რეაქციის დროს გამოთავისუფლებულ ენერგიასთან შედარებით. თუმცა, მიუხედავად იმისა, რომ დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევი (D-T) არის შერწყმის კვლევის საგანი, ის სულაც არ არის ერთადერთი პოტენციური საწვავი. სხვა ნარევების წარმოება უფრო ადვილია; მათი რეაქცია შეიძლება უკეთ კონტროლდებოდეს, ან რაც მთავარია, ნაკლები ნეიტრონების გამომუშავება. განსაკუთრებით საინტერესოა ეგრეთ წოდებული "ნეიტრონების" რეაქციები, რადგან ასეთი საწვავის წარმატებული ინდუსტრიული გამოყენება ნიშნავს მასალებისა და რეაქტორის დიზაინის გრძელვადიანი რადიოაქტიური დაბინძურების არარსებობას, რაც, თავის მხრივ, დადებითად იმოქმედებს საზოგადოებრივ აზრზე. და რეაქტორის ექსპლუატაციის საერთო ღირებულება, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს მისი დეკომისიაციის ხარჯებს. პრობლემა რჩება იმაში, რომ ალტერნატიული საწვავის გამოყენებით შერწყმის რეაქცია გაცილებით რთული შესანარჩუნებელია, ამიტომ D-T რეაქცია განიხილება მხოლოდ აუცილებელ პირველ ნაბიჯად.
დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქციის სქემა
კონტროლირებად თერმობირთვულ შერწყმას შეუძლია გამოიყენოს სხვადასხვა ტიპის თერმობირთვული რეაქციები, გამოყენებული საწვავის ტიპის მიხედვით.
დეიტერიუმის + ტრიტიუმის რეაქცია (D-T საწვავი)
ყველაზე ადვილად განხორციელებული რეაქციაა დეიტერიუმი + ტრიტიუმი:
2 H + 3 H = 4 He + n ენერგიის გამომუშავებაზე 17,6 MeV (MeV)
ასეთი რეაქცია ყველაზე მარტივად ხორციელდება თანამედროვე ტექნოლოგიების თვალსაზრისით, იძლევა ენერგიის მნიშვნელოვან მოსავალს, ხოლო საწვავის კომპონენტები იაფია. მისი მინუსი არის არასასურველი ნეიტრონული გამოსხივების გამოყოფა.
ორი ბირთვი: დეიტერიუმი და ტრიტიუმი ერწყმის ჰელიუმის ბირთვს (ალფა ნაწილაკს) და მაღალი ენერგიის ნეიტრონს.
²H + ³He = 4 He + . ენერგიის გამომუშავებაზე 18,4 მევ
მისი მიღწევის პირობები გაცილებით რთულია. ჰელიუმ-3 ასევე იშვიათი და ძალიან ძვირი იზოტოპია. ის ამჟამად არ იწარმოება სამრეწველო მასშტაბით. თუმცა, მისი მიღება შესაძლებელია ტრიტიუმისგან, რომელიც თავის მხრივ მიიღება ატომურ ელექტროსადგურებში.
თერმობირთვული რეაქციის ჩატარების სირთულე შეიძლება ხასიათდებოდეს nTt-ის სამმაგი პროდუქტით (სიმკვრივე გამრავლებული ტემპერატურაზე შეზღუდვის დროზე). ამ პარამეტრის მიხედვით, D-3He რეაქცია დაახლოებით 100-ჯერ უფრო რთულია ვიდრე D-T.
რეაქცია დეიტერიუმის ბირთვებს შორის (D-D, მონოპროპელანტი)
ასევე შესაძლებელია რეაქციები დეიტერიუმის ბირთვებს შორის, ისინი ცოტა უფრო რთულია, ვიდრე რეაქციები, რომლებიც მოიცავს ჰელიუმ-3-ს:
შედეგად, გარდა ძირითადი რეაქციისა DD-პლაზმაში, ასევე ხდება შემდეგი:
ეს რეაქციები ნელა მიმდინარეობს დეიტერიუმ + ჰელიუმ-3 რეაქციის პარალელურად და მათ დროს წარმოქმნილი ტრიტიუმი და ჰელიუმ-3 დიდი ალბათობით დაუყოვნებლივ რეაგირებენ დეიტერიუმთან.
სხვა სახის რეაქციები
ასევე შესაძლებელია რამდენიმე სხვა სახის რეაქციაც. საწვავის არჩევანი მრავალ ფაქტორზეა დამოკიდებული - მის ხელმისაწვდომობაზე და დაბალ ღირებულებაზე, ენერგიის მოსავლიანობაზე, შერწყმის რეაქციისთვის საჭირო პირობების მიღწევის სიმარტივეზე (უპირველეს ყოვლისა ტემპერატურაზე), რეაქტორის საჭირო დიზაინის მახასიათებლებზე და ა.შ.
"ნეიტრონების" რეაქციები
ყველაზე პერსპექტიული ე.წ. "უნეიტრონო" რეაქციები, ვინაიდან თერმობირთვული შერწყმის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრონების ნაკადი (მაგალითად, დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქციაში) ატარებს ენერგიის მნიშვნელოვან ნაწილს და წარმოქმნის ინდუცირებულ რადიოაქტიურობას რეაქტორის დიზაინში. დეიტერიუმ-ჰელიუმ-3 რეაქცია პერსპექტიულია, ასევე ნეიტრონის გამომუშავების ნაკლებობის გამო.
პირობები
ლითიუმ-6-ის ბირთვული რეაქცია დეიტერიუმ 6 Li(d,α)α-სთან
CTS შესაძლებელია ორი კრიტერიუმის ერთდროულად დაკმაყოფილებით:
- პლაზმის ტემპერატურა:
- ლოუსონის კრიტერიუმთან შესაბამისობა:
სადაც არის მაღალი ტემპერატურის პლაზმის სიმკვრივე და არის პლაზმის შეზღუდვის დრო სისტემაში.
სწორედ ამ ორი კრიტერიუმის მნიშვნელობაზეა დამოკიდებული კონკრეტული თერმობირთვული რეაქციის სიჩქარე.
ამჟამად, კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა ჯერ არ განხორციელებულა სამრეწველო მასშტაბით. საერთაშორისო კვლევითი რეაქტორი ITER-ის მშენებლობა საწყის ეტაპზეა.
თერმობირთვული ენერგია და ჰელიუმი-3
ჰელიუმ-3-ის მარაგი დედამიწაზე 500 კგ-დან 1 ტონამდე მერყეობს, მაგრამ მთვარეზე ის მნიშვნელოვანი რაოდენობითაა: 10 მილიონ ტონამდე (მინიმალური შეფასებით - 500 ათასი ტონა). ამჟამად, კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქცია ხორციელდება დეიტერიუმის ²H და ტრიტიუმის 3H შერწყმით ჰელიუმ-4 4 He-სა და „სწრაფი“ ნეიტრონის n-ის გამოთავისუფლებით:
თუმცა, ამ შემთხვევაში, გამოთავისუფლებული კინეტიკური ენერგიის უმეტესი ნაწილი (80%-ზე მეტი) სწორედ ნეიტრონს ეცემა. ფრაგმენტების სხვა ატომებთან შეჯახების შედეგად ეს ენერგია გარდაიქმნება თერმულ ენერგიად. გარდა ამისა, სწრაფი ნეიტრონები ქმნიან რადიოაქტიური ნარჩენების მნიშვნელოვან რაოდენობას. ამის საპირისპიროდ, დეიტერიუმის და ჰელიუმ-3-ის სინთეზი არ წარმოქმნის (თითქმის) რადიოაქტიურ პროდუქტებს:
სადაც p არის პროტონი
ეს საშუალებას იძლევა გამოიყენოს უფრო მარტივი და ეფექტური სისტემები კინეტიკური შერწყმის რეაქციის გადასაყვანად, როგორიცაა მაგნიტოჰიდროდინამიკური გენერატორი.
რეაქტორის დიზაინი
განხილულია კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის განხორციელების ორი ძირითადი სქემა.
პირველი ტიპის თერმობირთვული რეაქტორების კვლევები ბევრად უფრო განვითარებულია, ვიდრე მეორეზე. ბირთვულ ფიზიკაში, თერმობირთვული შერწყმის შესწავლისას, მაგნიტური ხაფანგი გამოიყენება პლაზმის გარკვეულ მოცულობაში შესანარჩუნებლად. მაგნიტური ხაფანგი შექმნილია იმისთვის, რომ პლაზმა არ შეუშვას თერმობირთვული რეაქტორის ელემენტებთან, ე.ი. გამოიყენება ძირითადად როგორც სითბოს იზოლატორი. შეზღუდვის პრინციპი ემყარება დამუხტული ნაწილაკების ურთიერთქმედებას მაგნიტურ ველთან, კერძოდ, დამუხტული ნაწილაკების ბრუნვას მაგნიტური ველის ხაზების გარშემო. სამწუხაროდ, მაგნიტიზებული პლაზმა ძალიან არასტაბილურია და მიდრეკილია დატოვოს მაგნიტური ველი. ამიტომ ეფექტური მაგნიტური ხაფანგის შესაქმნელად გამოიყენება ყველაზე ძლიერი ელექტრომაგნიტები, რომლებიც მოიხმარენ უზარმაზარ ენერგიას.
შესაძლებელია თერმობირთვული რეაქტორის ზომის შემცირება, თუ მასში ერთდროულად გამოყენებული იქნება თერმობირთვული რეაქციის შექმნის სამი მეთოდი.
ა. ინერციული სინთეზი. დეიტერიუმ-ტრიტიუმის საწვავის პაწაწინა კაფსულების დასხივება 500 ტრილიონი ვატი:5 ლაზერით. 10^14 W. ეს გიგანტური, ძალიან მოკლევადიანი ლაზერული პულსი 10^-8 წმ იწვევს საწვავის კაფსულების აფეთქებას, რის შედეგადაც ხდება მინი ვარსკვლავის დაბადება წამის ნაწილის განმავლობაში. მაგრამ მასზე თერმობირთვული რეაქციის მიღწევა შეუძლებელია.
B. ერთდროულად გამოიყენეთ Z-მანქანა ტოკამაკთან.
Z-Machine მუშაობს განსხვავებულად, ვიდრე ლაზერი. ის გადის საწვავის კაფსულის გარშემო უწვრილესი მავთულის ქსელში, მუხტი ნახევარი ტრილიონი ვატი 5. 10 ^ 11 ვატი.
შემდეგ იგივე ხდება, რაც ლაზერთან დაკავშირებით: Z-ზემოქმედების შედეგად მიიღება ვარსკვლავი. Z-Machine-ზე ტესტების დროს უკვე შესაძლებელი იყო შერწყმის რეაქციის დაწყება. http://www.sandia.gov/media/z290.htmდააფარეთ კაფსულები ვერცხლით და შეაერთეთ ვერცხლის ან გრაფიტის ძაფით. აალების პროცესი ასე გამოიყურება: გადაიღეთ ძაფი (მიმაგრებულია ვერცხლის ბურთების ჯგუფზე, რომელიც შეიცავს დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევს) ვაკუუმურ კამერაში. ავარიის (გამონადენის) დროს შექმენით მათში ელვისებური არხი, გადაიტანეთ დენი პლაზმაში. კაფსულების და პლაზმის ერთდროულად დასხივება ლაზერული გამოსხივებით. და ამავე დროს ან ადრე ჩართეთ ტოკამაკი. გამოიყენეთ სამი პლაზმური გათბობის პროცესი ერთდროულად. ანუ Z-მანქანა და ლაზერული გათბობა ერთად მოათავსეთ ტოკამაკის შიგნით. შესაძლებელია ტოკამაკის ხვეულებისგან რხევითი წრედის შექმნა და რეზონანსის ორგანიზება. შემდეგ ის იმუშავებს ეკონომიურ რხევის რეჟიმში.
საწვავის ციკლი
პირველი თაობის რეაქტორები დიდი ალბათობით იმუშავებენ დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევზე. ნეიტრონები, რომლებიც წარმოიქმნება რეაქციის დროს, შეიწოვება რეაქტორის ფარით, ხოლო გამოთავისუფლებული სითბო გამოყენებული იქნება სითბოს გადამცვლელში გამაგრილებლის გასათბობად და ეს ენერგია, თავის მხრივ, გამოიყენებს გენერატორის ბრუნვას.
. .რეაქცია Li6-თან არის ეგზოთერმული, რაც უზრუნველყოფს მცირე ენერგიას რეაქტორს. რეაქცია Li7-თან არის ენდოთერმული - მაგრამ არ მოიხმარს ნეიტრონებს. მინიმუმ რამდენიმე Li7 რეაქციაა საჭირო რეაქციებში დაკარგული ნეიტრონების სხვა ელემენტებთან შესაცვლელად. რეაქტორების უმეტესობა იყენებს ლითიუმის იზოტოპების ბუნებრივ ნარევებს.
ამ საწვავს აქვს მთელი რიგი უარყოფითი მხარეები:
რეაქცია წარმოქმნის ნეიტრონების მნიშვნელოვან რაოდენობას, რომლებიც ააქტიურებენ (რადიოაქტიურად აინფიცირებენ) რეაქტორს და სითბოს გადამცვლელს. ასევე საჭიროა ზომები რადიოაქტიური ტრიტიუმის შესაძლო წყაროსგან დასაცავად.
შერწყმის ენერგიის მხოლოდ დაახლოებით 20% არის დამუხტული ნაწილაკების სახით (დანარჩენი ნეიტრონებია), რაც ზღუდავს შერწყმის ენერგიის პირდაპირ გადაქცევის შესაძლებლობას ელექტროენერგიად. D-T რეაქციის გამოყენება დამოკიდებულია ლითიუმის ხელმისაწვდომ მარაგებზე, რომლებიც გაცილებით მცირეა, ვიდრე დეიტერიუმის მარაგი. D-T რეაქციის დროს ნეიტრონების ზემოქმედება იმდენად მნიშვნელოვანია, რომ JET-ის პირველი სერიის ტესტების შემდეგ, რომელიც დღემდე ყველაზე დიდ რეაქტორს იყენებს ამ საწვავს, რეაქტორი იმდენად რადიოაქტიური გახდა, რომ წლის გამოცდის ციკლის დასასრულებლად საჭირო გახდა რობოტული დისტანციური შენარჩუნების სისტემის დამატება. .
თეორიულად არსებობს საწვავის ალტერნატიული ტიპები, რომლებიც მოკლებულია ამ ნაკლოვანებებს. მაგრამ მათ გამოყენებას აფერხებს ფუნდამენტური ფიზიკური შეზღუდვა. შერწყმის რეაქციისგან საკმარისი ენერგიის მისაღებად აუცილებელია საკმარისად მკვრივი პლაზმის შერწყმის ტემპერატურაზე (10 8 K) გარკვეული დროის განმავლობაში შენახვა. სინთეზის ეს ფუნდამენტური ასპექტი აღწერილია პლაზმის სიმკვრივის პროდუქტით, n და გაცხელებული პლაზმის შემცველობის τ დროის პროდუქტით, რომელიც საჭიროა წონასწორობის წერტილის მისაღწევად. პროდუქტი, nτ, დამოკიდებულია საწვავის ტიპზე და არის პლაზმური ტემპერატურის ფუნქცია. ყველა ტიპის საწვავისგან, დეიტერიუმ-ტრიტიუმის ნარევი მოითხოვს nτ-ის ყველაზე დაბალ მნიშვნელობას, სულ მცირე, სიდიდის ბრძანებით, ხოლო რეაქციის ყველაზე დაბალი ტემპერატურა მინიმუმ 5-ჯერ. ამრიგად, D-T რეაქცია აუცილებელი პირველი ნაბიჯია, მაგრამ სხვა საწვავის გამოყენება რჩება მნიშვნელოვანი კვლევის მიზანი.
შერწყმის რეაქცია, როგორც სამრეწველო ენერგიის წყარო
შერწყმის ენერგიას მრავალი მკვლევარი განიხილავს, როგორც ენერგიის „ბუნებრივ“ წყაროს გრძელვადიან პერსპექტივაში. ელექტროენერგიის წარმოებისთვის შერწყმა რეაქტორების კომერციული გამოყენების მომხრეები თავიანთ სასარგებლოდ ასახელებენ შემდეგ არგუმენტებს:
- საწვავის თითქმის ამოუწურავი მარაგი (წყალბადი)
- საწვავის მოპოვება შესაძლებელია ზღვის წყლიდან მსოფლიოს ნებისმიერ სანაპიროზე, რაც შეუძლებელს ხდის ერთ ან ქვეყნების ჯგუფს საწვავის მონოპოლიზებას.
- უკონტროლო შერწყმის რეაქციის შეუძლებლობა
- არ არის წვის პროდუქტები
- არ არის საჭირო მასალების გამოყენება, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბირთვული იარაღის წარმოებისთვის, რითაც აღმოიფხვრება დივერსიისა და ტერორიზმის შემთხვევები.
- ბირთვულ რეაქტორებთან შედარებით, რადიოაქტიური ნარჩენების უმნიშვნელო რაოდენობა წარმოიქმნება მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდით.
- დეიტერიუმით სავსე თითი, სავარაუდოდ, აწარმოებს 20 ტონა ნახშირის ეკვივალენტს. საშუალო ზომის ტბას შეუძლია ნებისმიერ ქვეყანას ასობით წლის განმავლობაში უზრუნველყოს ენერგიით. თუმცა, უნდა აღინიშნოს, რომ არსებული კვლევითი რეაქტორები შექმნილია დეიტერიუმ-ტრიტიუმის (DT) პირდაპირი რეაქციის მისაღწევად, რომლის საწვავის ციკლი მოითხოვს ლითიუმის გამოყენებას ტრიტიუმის წარმოებისთვის, ხოლო პრეტენზიები ამოუწურავი ენერგიის შესახებ ეხება დეიტერიუმ-დეიტერიუმის გამოყენებას. (DD) რეაქცია მეორე თაობის რეაქტორებში.
- ისევე, როგორც დაშლის რეაქცია, შერწყმის რეაქცია არ წარმოქმნის ნახშირორჟანგის ატმოსფერულ ემისიებს, რაც მთავარი წვლილი შეაქვს გლობალურ დათბობაში. ეს მნიშვნელოვანი უპირატესობაა, რადგან წიაღისეული საწვავის გამოყენება ელექტროენერგიის წარმოებისთვის იწვევს იმას, რომ, მაგალითად, აშშ აწარმოებს 29 კგ CO 2-ს (ერთ-ერთი მთავარი აირი, რომელიც შეიძლება ჩაითვალოს გლობალური დათბობის მიზეზად) აშშ-ის ერთ მოსახლეზე. თითოეულ დღეს.
ელექტროენერგიის ღირებულება ტრადიციულ წყაროებთან შედარებით
კრიტიკოსები აღნიშნავენ, რომ ელექტროენერგიის წარმოებისთვის ბირთვული შერწყმის გამოყენების ეკონომიკური მიზანშეწონილობის საკითხი ღია რჩება. იგივე კვლევა, რომელიც შესრულებულია ბრიტანეთის პარლამენტის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უფლებების ოფისის მიერ, მიუთითებს, რომ ელექტროენერგიის წარმოების ღირებულება შერწყმის რეაქტორის გამოყენებით, სავარაუდოდ, ყველაზე მაღალი იქნება ჩვეულებრივი ენერგიის წყაროებისთვის. ბევრი რამ იქნება დამოკიდებული ბაზრის მომავალ ტექნოლოგიაზე, სტრუქტურასა და რეგულირებაზე. ელექტროენერგიის ღირებულება პირდაპირ დამოკიდებულია გამოყენების ეფექტურობაზე, ექსპლუატაციის ხანგრძლივობაზე და რეაქტორის გაუქმების ღირებულებაზე. შერწყმის ენერგიის კომერციული გამოყენების კრიტიკოსები უარყოფენ, რომ ნახშირწყალბადების საწვავის ძლიერ სუბსიდირებას ახდენს მთავრობა, როგორც პირდაპირ, ასევე ირიბად, როგორიცაა შეიარაღებული ძალების გამოყენება მათი უწყვეტი მიწოდების უზრუნველსაყოფად, ერაყის ომი ხშირად მოხსენიებულია, როგორც საკამათო მაგალითი. სუბსიდირების ეს მეთოდი. ასეთი არაპირდაპირი სუბსიდიების აღრიცხვა ძალიან რთულია და ხარჯების ზუსტი შედარება თითქმის შეუძლებელს ხდის.
ასევე არსებობს კვლევის ღირებულების საკითხი. ევროპის თანამეგობრობის ქვეყნები ყოველწლიურად დაახლოებით 200 მილიონ ევროს ხარჯავენ კვლევებზე და ვარაუდობენ, რომ ბირთვული შერწყმის ინდუსტრიული გამოყენება შესაძლებელი გახდება კიდევ რამდენიმე ათწლეული. ენერგიის ალტერნატიული წყაროების მომხრეები თვლიან, რომ უფრო მიზანშეწონილი იქნება ამ თანხების მიმართვა განახლებადი ენერგიის წყაროების დანერგვაზე.
კომერციული შერწყმის ენერგიის ხელმისაწვდომობა
სამწუხაროდ, ფართო ოპტიმიზმის მიუხედავად (გავრცელდა 1950-იანი წლებიდან, როდესაც დაიწყო პირველი კვლევები), მნიშვნელოვანი დაბრკოლებები ბირთვული შერწყმის პროცესების დღევანდელ გაგებას, ტექნოლოგიურ შესაძლებლობებსა და ბირთვული შერწყმის პრაქტიკულ გამოყენებას შორის ჯერ კიდევ არ არის გადალახული. იყოს ეკონომიკურად მომგებიანი ელექტროენერგიის წარმოება თერმობირთვული შერწყმის გამოყენებით. მიუხედავად იმისა, რომ კვლევაში პროგრესი მუდმივია, მკვლევარები მუდმივად ახალი გამოწვევების წინაშე დგანან. მაგალითად, გამოწვევაა ისეთი მასალის შემუშავება, რომელიც გაუძლებს ნეიტრონულ დაბომბვას, რომელიც შეფასებულია 100-ჯერ უფრო ინტენსიური ვიდრე ჩვეულებრივი ბირთვული რეაქტორები.
კვლევის შემდეგი ეტაპებია:
1.წონასწორობის ანუ „გავლის“ რეჟიმი(Break-even): როდესაც ჯამური ენერგია, რომელიც გამოიყოფა შერწყმის პროცესში, უდრის რეაქციის დაწყებასა და შენარჩუნებაზე დახარჯულ ჯამურ ენერგიას. ეს თანაფარდობა მონიშნულია სიმბოლოთი Q. რეაქციის წონასწორობა აჩვენეს JET-ში (Joint European Torus) დიდ ბრიტანეთში 1997 წელს. (მას გათბობაზე 52 მეგავატი ელექტროენერგიის დახარჯვით, გამომავალზე, მეცნიერებმა მიიღეს დახარჯულზე 0,2 მეგავატით მეტი სიმძლავრე.)
2.მბზინავი პლაზმა(პლაზმის წვა): შუალედური სტადია, რომელშიც რეაქცია იქნება მხარდაჭერილი ძირითადად ალფა ნაწილაკებით, რომლებიც წარმოიქმნება რეაქციის დროს და არა გარე გათბობით. Q ≈ 5. ჯერ კიდევ არ არის მიღწეული.
3. აალება(ანთება): სტაბილური რეაქცია, რომელიც ინარჩუნებს თავის თავს. მიღწეული უნდა იყოს მაღალი Q მნიშვნელობებით. ჯერ არ არის მიღწეული.
კვლევის შემდეგი ნაბიჯი უნდა იყოს ITER (საერთაშორისო თერმობირთვული ექსპერიმენტული რეაქტორი), საერთაშორისო თერმობირთვული ექსპერიმენტული რეაქტორი. ამ რეაქტორზე იგეგმება მაღალტემპერატურული პლაზმის (Q ~ 30-ით აალებული პლაზმის) და სამრეწველო რეაქტორის სტრუქტურული მასალების ქცევის შესწავლა. კვლევის დასკვნითი ეტაპი იქნება DEMO: სამრეწველო რეაქტორის პროტოტიპი, რომელიც მიაღწევს ანთებას და აჩვენებს ახალი მასალების პრაქტიკულ ვარგისიანობას. DEMO ფაზის დასრულების ყველაზე ოპტიმისტური პროგნოზები: 30 წელი. სამრეწველო რეაქტორის მშენებლობისა და ექსპლუატაციაში გაშვების სავარაუდო დროის გათვალისწინებით, ჩვენ გვაშორებს 40 წლით თერმობირთვული ენერგიის სამრეწველო გამოყენებას.
არსებული ტოკამაკები
სულ მსოფლიოში 300-მდე ტოკამაკი აშენდა. მათგან ყველაზე დიდი ჩამოთვლილია ქვემოთ.
- სსრკ და რუსეთი
- T-3 არის პირველი ფუნქციონალური აპარატი.
- T-4 - T-3-ის გაფართოებული ვერსია
- T-7 არის უნიკალური ინსტალაცია, რომელშიც პირველად მსოფლიოში განხორციელდა შედარებით დიდი მაგნიტური სისტემა ზეგამტარი სოლენოიდით, რომელიც დაფუძნებულია თხევადი ჰელიუმით გაცივებული კალის ნიობატზე. T-7-ის მთავარი ამოცანა დასრულდა: მომზადდა თერმობირთვული ენერგეტიკის სუპერგამტარი სოლენოიდების შემდეგი თაობის პერსპექტივა.
- T-10 და PLT არის შემდეგი ნაბიჯი შერწყმის კვლევის სამყაროში, ისინი თითქმის ერთნაირი ზომის, თანაბარი სიმძლავრის, იგივე შეზღუდვის ფაქტორით არიან. და მიღებული შედეგები იდენტურია: თერმობირთვული შერწყმის სასურველი ტემპერატურა მიღწეულია ორივე რეაქტორზე და ლაუსონის კრიტერიუმის მიხედვით ჩამორჩენა მხოლოდ ორასჯერ არის.
- T-15 არის დღევანდელი რეაქტორი სუპერგამტარი სოლენოიდით, რომელიც იძლევა 3,6 ტ ველს.
- ლიბია
- TM-4A
- ევროპა და დიდი ბრიტანეთი
- JET (ინგლისური) (Joint Europeus Tor) არის მსოფლიოში ყველაზე დიდი ტოკამაკი, შექმნილი ევრატომის ორგანიზაციის მიერ დიდ ბრიტანეთში. იგი იყენებს კომბინირებულ გათბობას: 20 მეგავატი - ნეიტრალური ინექცია, 32 მეგავატი - იონ-ციკლოტრონის რეზონანსი. შედეგად, ლოუსონის კრიტერიუმი მხოლოდ 4-5-ჯერ დაბალია, ვიდრე ანთების დონე.
- თორე სუფრა (ფრ.) (ინგლ.) არის ტოკამაკი ზეგამტარი ხვეულებით, ერთ-ერთი უდიდესი მსოფლიოში. მდებარეობს კადარაშის კვლევით ცენტრში (საფრანგეთი).
- აშშ
- TFTR (ინგლისური) (Test Fusion Tokamak Reactor) - ყველაზე დიდი ამერიკული ტოკამაკი (პრინსტონის უნივერსიტეტში) დამატებითი გათბობით სწრაფი ნეიტრალური ნაწილაკებით. მიღწეული იქნა მაღალი შედეგი: ლოუსონის კრიტერიუმი ჭეშმარიტ თერმობირთვულ ტემპერატურაზე მხოლოდ 5,5-ჯერ დაბალია ანთების ზღურბლზე. დაიხურა 1997 წელს
- NSTX (ინგლისური) (National Spherical Torus Experiment) არის სფერული ტოკამაკი (sferomak) ამჟამად მოქმედი პრინსტონის უნივერსიტეტში. პირველი პლაზმა რეაქტორში მიიღეს 1999 წელს, TFTR-ის დახურვიდან ორი წლის შემდეგ.
თანამედროვე ასტროფიზიკური კონცეფციების თანახმად, მზის და სხვა ვარსკვლავების ენერგიის ძირითადი წყაროა თერმობირთვული შერწყმა, რომელიც ხდება მათ სიღრმეში. ხმელეთის პირობებში იგი წყალბადის ბომბის აფეთქების დროს ხორციელდება. თერმობირთვულ შერწყმას თან ახლავს კოლოსალური ენერგიის გამოყოფა რეაქტიული ნივთიერებების მასის ერთეულზე (დაახლოებით 10 მილიონი ჯერ მეტი, ვიდრე ქიმიურ რეაქციებში). ამიტომ, დიდი ინტერესია ამ პროცესის დაუფლება და მის საფუძველზე ენერგიის იაფი და ეკოლოგიურად სუფთა წყაროს შექმნა. თუმცა, იმისდა მიუხედავად, რომ მრავალ განვითარებულ ქვეყანაში დიდი სამეცნიერო და ტექნიკური გუნდი ჩართულია კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (CTF) კვლევაში, ჯერ კიდევ ბევრი რთული პრობლემაა გადასაჭრელი, სანამ თერმობირთვული ენერგიის ინდუსტრიული წარმოება რეალობად იქცევა.
თანამედროვე ატომური ელექტროსადგურები, რომლებიც იყენებენ დაშლის პროცესს, მხოლოდ ნაწილობრივ აკმაყოფილებს მსოფლიოს ელექტროენერგიის მოთხოვნილებებს. მათთვის საწვავი არის ბუნებრივი რადიოაქტიური ელემენტები ურანი და თორიუმი, რომელთა გავრცელება და მარაგი ბუნებაში ძალზე შეზღუდულია; შესაბამისად, ბევრი ქვეყნისთვის არის მათი იმპორტის პრობლემა. თერმობირთვული საწვავის ძირითადი კომპონენტია წყალბადის იზოტოპი დეიტერიუმი, რომელიც გვხვდება ზღვის წყალში. მისი მარაგი საჯაროდ ხელმისაწვდომი და ძალიან დიდია (მსოფლიო ოკეანე მოიცავს დედამიწის ზედაპირის 71%-ს, ხოლო დეიტერიუმი შეადგენს წყალბადის ატომების მთლიანი რაოდენობის დაახლოებით 0,016%-ს, რომლებიც ქმნიან წყალს). საწვავის ხელმისაწვდომობის გარდა, თერმობირთვული ენერგიის წყაროებს აქვთ შემდეგი მნიშვნელოვანი უპირატესობები ატომურ ელექტროსადგურებთან მიმართებაში: 1) UTS რეაქტორი შეიცავს გაცილებით ნაკლებ რადიოაქტიურ მასალებს, ვიდრე ბირთვული დაშლის რეაქტორი და, შესაბამისად, რადიოაქტიური პროდუქტების შემთხვევითი გათავისუფლების შედეგები ნაკლებია. საშიში; 2) თერმობირთვული რეაქციები წარმოქმნის ნაკლებ ხანგრძლივ რადიოაქტიურ ნარჩენებს; 3) TCB იძლევა ელექტროენერგიის პირდაპირი წარმოების საშუალებას.
ბირთვული შერწყმის ფიზიკური საფუძვლები
შერწყმის რეაქციის წარმატებით განხორციელება დამოკიდებულია გამოყენებული ატომური ბირთვების თვისებებზე და მკვრივი მაღალი ტემპერატურის პლაზმის მიღების შესაძლებლობაზე, რაც აუცილებელია რეაქციის დასაწყებად.
ბირთვული ძალები და რეაქციები.
ბირთვული შერწყმის დროს ენერგიის გამოყოფა გამოწვეულია ბირთვის შიგნით მოქმედი უკიდურესად ინტენსიური მიმზიდველი ძალებით; ეს ძალები აერთიანებს პროტონებსა და ნეიტრონებს, რომლებიც ქმნიან ბირთვს. ისინი ძალიან ინტენსიურია ~10-13 სმ მანძილზე და ძალიან სწრაფად სუსტდებიან მანძილის მატებასთან ერთად. გარდა ამ ძალებისა, დადებითად დამუხტული პროტონები ქმნიან ელექტროსტატიკურ მოწინააღმდეგე ძალებს. ელექტროსტატიკური ძალების მოქმედების რადიუსი ბევრად აღემატება ბირთვულ ძალებს, ამიტომ ისინი იწყებენ დომინირებას, როდესაც ბირთვები ერთმანეთისგან შორს არიან.
როგორც გ. გამოვმა აჩვენა, ორ მოახლოებულ მსუბუქ ბირთვს შორის რეაქციის ალბათობა პროპორციულია, სადაც ე – ბუნებრივი ლოგარითმების საფუძველი, ზ 1 და ზ 2 არის პროტონების რიცხვი ურთიერთმოქმედ ბირთვებში, ვმათი შედარებითი მიდგომის ენერგიაა და კარის მუდმივი მულტიპლიკატორი. რეაქციის განსახორციელებლად საჭირო ენერგია დამოკიდებულია თითოეულ ბირთვში პროტონების რაოდენობაზე. თუ ის სამზე მეტია, მაშინ ეს ენერგია ძალიან მაღალია და რეაქცია პრაქტიკულად შეუძლებელია. ამრიგად, მატებასთან ერთად ზ 1 და ზ 2 რეაქციის ალბათობა მცირდება.
ალბათობა იმისა, რომ ორი ბირთვი ურთიერთქმედებს, ხასიათდება "რეაქციის განივი კვეთით", რომელიც იზომება ბეღლებში (1 ბ = 10-24 სმ 2). რეაქციის განივი განყოფილება არის ბირთვის ეფექტური განივი განყოფილების ფართობი, რომელშიც სხვა ბირთვი უნდა "შევიდეს", რათა მოხდეს მათი ურთიერთქმედება. დეიტერიუმის ტრიტიუმთან რეაქციის განივი კვეთა აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას (~ 5 b), როდესაც ურთიერთმოქმედების ნაწილაკებს აქვთ შედარებითი მიახლოების ენერგია დაახლოებით 200 კევ. 20 კევ ენერგიის დროს ჯვარი კვეთა ხდება 0,1 ბ-ზე ნაკლები.
მილიონი აჩქარებული ნაწილაკიდან, რომელიც ხვდება სამიზნეს, ერთზე მეტი არ შედის ბირთვულ ურთიერთქმედებაში. დანარჩენი ანაწილებს ენერგიას სამიზნე ატომების ელექტრონებზე და ანელებს სიჩქარეს, რომლის დროსაც რეაქცია შეუძლებელი ხდება. შესაბამისად, მყარი სამიზნის აჩქარებული ბირთვებით დაბომბვის მეთოდი (როგორც ეს იყო კოკკროფ-უოლტონის ექსპერიმენტში) უვარგისია CTS-სთვის, ვინაიდან ამ შემთხვევაში მიღებული ენერგია გაცილებით ნაკლებია დახარჯულ ენერგიაზე.
თერმობირთვული საწვავი.
რეაქციები, რომლებიც მოიცავს გვ, რომლებიც მთავარ როლს ასრულებენ მზესა და სხვა ერთგვაროვან ვარსკვლავებში ბირთვული შერწყმის პროცესებში, არ არის პრაქტიკული ინტერესი ხმელეთის პირობებში, რადგან მათ აქვთ ძალიან მცირე განივი კვეთა. დედამიწაზე თერმობირთვული შერწყმის განსახორციელებლად, საწვავის უფრო შესაფერისი ტიპი, როგორც ზემოთ აღინიშნა, არის დეიტერიუმი.
მაგრამ ყველაზე სავარაუდო რეაქცია რეალიზებულია დეიტერიუმის და ტრიტიუმის თანაბარ კომპონენტურ ნარევში (DT-ნარევი). სამწუხაროდ, ტრიტიუმი რადიოაქტიურია და მისი მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდის გამო (T 1/2 ~ 12,3 წელი), პრაქტიკულად არასოდეს გვხვდება ბუნებაში. იგი მიიღება ხელოვნურად დაშლის რეაქტორებში და ასევე, როგორც ქვეპროდუქტი დეიტერიუმთან რეაქციებში. ამასთან, ბუნებაში ტრიტიუმის არარსებობა არ წარმოადგენს დაბრკოლებას DT - შერწყმის რეაქციების გამოყენებისთვის, რადგან ტრიტიუმი შეიძლება წარმოიქმნას 6 Li იზოტოპის დასხივებით შერწყმის დროს წარმოქმნილი ნეიტრონებით: ნ+ 6 Li ® 4 He + ტ.
თუ თერმობირთვული კამერა გარშემორტყმულია 6 Li-ის ფენით (ბუნებრივი ლითიუმი შეიცავს 7%), მაშინ შესაძლებელია სახარჯო ტრიტიუმის სრული რეპროდუქცია. და მიუხედავად იმისა, რომ პრაქტიკაში ზოგიერთი ნეიტრონი გარდაუვლად იკარგება, მათი დანაკარგი ადვილად შეიძლება შეივსოს გარსში ისეთი ელემენტის შეყვანით, როგორიც არის ბერილიუმი, რომლის ბირთვი, როდესაც მას ერთი სწრაფი ნეიტრონი ეჯახება, გამოყოფს ორს.
თერმობირთვული რეაქტორის მუშაობის პრინციპი.
მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქციას, რომლის დანიშნულებაა სასარგებლო ენერგიის მიღება, კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა ეწოდება. იგი ხორციელდება ასობით მილიონი კელვინის რიგის ტემპერატურაზე. ეს პროცესი ჯერჯერობით მხოლოდ ლაბორატორიებში ხდებოდა.
დრო და ტემპერატურის პირობები.
სასარგებლო თერმობირთვული ენერგიის მიღება შესაძლებელია მხოლოდ ორი პირობის დაკმაყოფილების შემთხვევაში. პირველ რიგში, სინთეზისთვის განკუთვნილი ნარევი უნდა გაცხელდეს ტემპერატურამდე, რომელზედაც ბირთვების კინეტიკური ენერგია უზრუნველყოფს შეჯახებისას მათი შერწყმის მაღალ ალბათობას. მეორეც, რეაქტიული ნარევი უნდა იყოს ძალიან კარგად თერმულად იზოლირებული (ანუ მაღალი ტემპერატურა უნდა შენარჩუნდეს საკმარისად დიდხანს, რათა მოხდეს რეაქციების საჭირო რაოდენობა და ამის გამო გამოთავისუფლებული ენერგია აღემატებოდეს საწვავის გათბობაზე დახარჯულ ენერგიას).
რაოდენობრივი ფორმით, ეს მდგომარეობა გამოიხატება შემდეგნაირად. თერმობირთვული ნარევის გასათბობად მისი მოცულობის ერთი კუბური სანტიმეტრი უნდა იყოს ენერგიით მიწოდებული. პ 1 = კნტ, სად კ- რიცხვითი კოეფიციენტი, ნ- ნარევის სიმკვრივე (ბირთვების რაოდენობა 1 სმ 3-ში), თ- საჭირო ტემპერატურა. რეაქციის შესანარჩუნებლად, თერმობირთვული ნარევისთვის გადაცემული ენერგია უნდა იყოს შენახული თ დროის განმავლობაში. იმისათვის, რომ რეაქტორი იყოს ენერგიულად მომგებიანი, აუცილებელია, რომ ამ დროის განმავლობაში მასში გამოიყოფა მეტი თერმობირთვული ენერგია, ვიდრე გათბობაზე დაიხარჯა. გამოთავისუფლებული ენერგია (ასევე 1 სმ 3-ზე) გამოიხატება შემდეგნაირად:
სადაც ვ(თ) არის კოეფიციენტი, რომელიც დამოკიდებულია ნარევის ტემპერატურაზე და მის შემადგენლობაზე, რარის ენერგია, რომელიც გამოიყოფა სინთეზის ერთ ელემენტარულ აქტში. შემდეგ ენერგორესურსების მომგებიანობის პირობა პ 2 > პ 1 მიიღებს ფორმას
ბოლო უტოლობა, რომელიც ცნობილია როგორც ლოუსონის კრიტერიუმი, არის თბოიზოლაციის სრულყოფის მოთხოვნების რაოდენობრივი გამოხატულება. მარჯვენა მხარე - "ლოუსონის ნომერი" - დამოკიდებულია მხოლოდ ნარევის ტემპერატურასა და შემადგენლობაზე და რაც უფრო დიდია, მით უფრო მკაცრია მოთხოვნები თბოიზოლაციის მიმართ, ე.ი. მით უფრო რთულია რეაქტორის შექმნა. მისაღები ტემპერატურის რეგიონში, ლოუსონის რიცხვი სუფთა დეიტერიუმისთვის არის 10 16 s/cm 3 , ხოლო თანაბარი კომპონენტის DT ნარევისთვის არის 2×10 14 s/cm 3 . ამრიგად, DT ნარევი არის სასურველი შერწყმის საწვავი.
ლოუსონის კრიტერიუმის შესაბამისად, რომელიც განსაზღვრავს სიმკვრივისა და შეზღუდვის დროის პროდუქტის ენერგიულად ხელსაყრელ მნიშვნელობას, თერმობირთვულ რეაქტორში უნდა იქნას გამოყენებული რაც შეიძლება დიდი. ნან ტ. ამიტომ, CTS-ის კვლევები განსხვავდებოდა ორი განსხვავებული მიმართულებით: პირველში, მკვლევარები ცდილობდნენ შედარებით იშვიათი პლაზმის შენარჩუნებას მაგნიტური ველის დახმარებით საკმარისად დიდი ხნის განმავლობაში; მეორეში, ლაზერების დახმარებით მცირე ხნით შევქმნათ ძალიან მაღალი სიმკვრივის პლაზმა. გაცილებით მეტი სამუშაო დაეთმო პირველ მიდგომას, ვიდრე მეორეს.
პლაზმის მაგნიტური შეზღუდვა.
შერწყმის რეაქციის დროს, ცხელი რეაქტანტის სიმკვრივე უნდა დარჩეს ისეთ დონეზე, რომელიც უზრუნველყოფს სასარგებლო ენერგიის საკმარისად მაღალ გამომუშავებას მოცულობის ერთეულზე იმ წნევაზე, რომელსაც შეუძლია გაუძლოს პლაზმის კამერას. მაგალითად, დეიტერიუმის - ტრიტიუმის ნარევისთვის 10 8 K ტემპერატურაზე გამოსავლიანობა განისაზღვრება გამოხატულებით
თუ მიიღება პუდრის 100 ვტ/სმ 3-ს (რაც დაახლოებით შეესაბამება საწვავის ელემენტებით გამოთავისუფლებულ ენერგიას ბირთვული დაშლის რეაქტორებში), შემდეგ სიმკვრივე ნუნდა იყოს დაახლ. 10 15 ბირთვი / სმ 3 და შესაბამისი წნევა ნტ- დაახლოებით 3 მპა. შეკავების დრო ამ შემთხვევაში, ლოუსონის კრიტერიუმის მიხედვით, უნდა იყოს მინიმუმ 0,1 წმ. დეიტერიუმ-დეიტერიუმის პლაზმისთვის 10 9 K ტემპერატურაზე
ამ შემთხვევაში, როცა პ\u003d 100 W / სმ 3, ნ» 3×10 15 ბირთვი/სმ 3 და წნევა დაახლოებით 100 მპა, შეკავების საჭირო დრო იქნება 1 წმ-ზე მეტი. გაითვალისწინეთ, რომ ეს სიმკვრივეები ატმოსფერული ჰაერის მხოლოდ 0,0001-ია, ამიტომ რეაქტორის კამერა უნდა იყოს ევაკუირებული მაღალ ვაკუუმში.
შეკავების დროის, ტემპერატურისა და სიმკვრივის ზემოაღნიშნული შეფასებები არის ტიპიური მინიმალური პარამეტრები, რომლებიც საჭიროა შერწყმის რეაქტორის მუშაობისთვის და უფრო ადვილად მიიღწევა დეიტერიუმ-ტრიტიუმის ნარევის შემთხვევაში. რაც შეეხება თერმობირთვულ რეაქციებს, რომლებიც ხდება წყალბადის ბომბის აფეთქების დროს და ვარსკვლავების ინტერიერში, გასათვალისწინებელია, რომ სრულიად განსხვავებული პირობების გამო, პირველ შემთხვევაში ისინი ძალიან სწრაფად მიმდინარეობს, ხოლო მეორეში - უკიდურესად ნელა. თერმობირთვულ რეაქტორში მიმდინარე პროცესებთან შედარებით.
პლაზმა.
როდესაც გაზი ძლიერად თბება, მისი ატომები ნაწილობრივ ან მთლიანად კარგავენ ელექტრონებს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება დადებითად დამუხტული ნაწილაკები, სახელწოდებით იონები და თავისუფალი ელექტრონები. მილიონ გრადუსზე მაღალ ტემპერატურაზე მსუბუქი ელემენტებისაგან შემდგარი გაზი მთლიანად იონიზებულია, ე.ი. თითოეული ატომი კარგავს თავის ელექტრონს. იონიზებულ მდგომარეობაში მყოფ გაზს პლაზმა ეწოდება (ტერმინი შემოიღო ი. ლანგმუირმა). პლაზმის თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება ნეიტრალური აირის თვისებებისგან. ვინაიდან პლაზმაში თავისუფალი ელექტრონებია, პლაზმა კარგად ატარებს ელექტრულ დენს და მისი გამტარობა პროპორციულია. თ 3/2. პლაზმა შეიძლება გაცხელდეს მასში ელექტრული დენის გავლის გზით. წყალბადის პლაზმის გამტარობა 10 8 K-ზე იგივეა, რაც სპილენძის გამტარობა ოთახის ტემპერატურაზე. პლაზმის თბოგამტარობა ასევე ძალიან მაღალია.
პლაზმის შესანარჩუნებლად, მაგალითად, 10 8 K ტემპერატურაზე, ის საიმედოდ უნდა იყოს თერმულად იზოლირებული. პრინციპში, პლაზმა შეიძლება იზოლირებული იყოს კამერის კედლებიდან ძლიერ მაგნიტურ ველში მოთავსებით. ამას უზრუნველყოფს ძალები, რომლებიც წარმოიქმნება დენების ურთიერთქმედების დროს მაგნიტურ ველთან პლაზმაში.
მაგნიტური ველის მოქმედებით, იონები და ელექტრონები სპირალურად მოძრაობენ მისი ძალის ხაზის გასწვრივ. ძალის ერთი ხაზიდან მეორეზე გადასვლა შესაძლებელია ნაწილაკების შეჯახებისას და განივი ელექტრული ველის გამოყენებისას. ელექტრული ველების არარსებობის შემთხვევაში, მაღალი ტემპერატურის იშვიათი პლაზმა, რომელშიც შეჯახება იშვიათად ხდება, მხოლოდ ნელა გავრცელდება მაგნიტური ველის ხაზებში. თუ მაგნიტური ველის ძალის ხაზები დახურულია, რაც მათ მარყუჟის ფორმას აძლევს, მაშინ პლაზმის ნაწილაკები გადაადგილდებიან ამ ხაზების გასწვრივ, მარყუჟის რეგიონში. პლაზმის შესაზღუდად ასეთი დახურული მაგნიტური კონფიგურაციის გარდა, ასევე შემოთავაზებული იყო ღია სისტემები (საველე ხაზებით, რომლებიც გამოდის კამერის ბოლოებიდან გარედან), რომლებშიც ნაწილაკები რჩება პალატის შიგნით მაგნიტური "შთების" გამო, რომელიც ზღუდავს. ნაწილაკების მოძრაობა. მაგნიტური სარკეები იქმნება კამერის ბოლოებში, სადაც ველის სიძლიერის თანდათანობითი ზრდის შედეგად წარმოიქმნება ველის ხაზების ვიწრო სხივი.
პრაქტიკაში, საკმარისად მაღალი სიმკვრივის პლაზმის მაგნიტური შეზღუდვა არც ისე მარტივი აღმოჩნდა: მასში ხშირად წარმოიქმნება მაგნიტოჰიდროდინამიკური და კინეტიკური არასტაბილურობა.
მაგნიტოჰიდროდინამიკური არასტაბილურობა დაკავშირებულია მაგნიტური ველის ხაზების მოხვევებთან და რღვევებთან. ამ შემთხვევაში, პლაზმა შეიძლება დაიწყოს გადაადგილება მაგნიტურ ველზე მტევნების სახით, დატოვოს შეკავების ზონა წამის რამდენიმე მემილიონედში და გადასცეს სითბო კამერის კედლებს. ასეთი არასტაბილურობის აღკვეთა შესაძლებელია მაგნიტური ველის გარკვეული კონფიგურაციის მინიჭებით.
კინეტიკური არასტაბილურობა ძალიან მრავალფეროვანია და ნაკლებად დეტალურად არის შესწავლილი. მათ შორის არის ისეთებიც, რომლებიც არღვევენ მოწესრიგებულ პროცესებს, როგორიცაა მუდმივი ელექტრული დენის ან ნაწილაკების ნაკადი პლაზმაში. სხვა კინეტიკური არასტაბილურობა იწვევს პლაზმის განივი დიფუზიის უფრო მაღალ სიჩქარეს მაგნიტურ ველში, ვიდრე ნაწინასწარმეტყველებია შეჯახების თეორია მშვიდი პლაზმისთვის.
სისტემები დახურული მაგნიტური კონფიგურაციით.
თუ ძლიერი ელექტრული ველი ვრცელდება იონიზებულ გამტარ გაზზე, მაშინ მასში გამოჩნდება გამონადენი დენი, რომლის დროსაც გამოჩნდება მის გარშემო არსებული მაგნიტური ველი. მაგნიტური ველის ურთიერთქმედება დენთან გამოიწვევს შეკუმშვის ძალების გამოჩენას, რომლებიც მოქმედებს გაზის დამუხტულ ნაწილაკებზე. თუ დენი მიედინება გამტარ პლაზმური ძაფის ღერძის გასწვრივ, მაშინ მიღებული რადიალური ძალები, რეზინის ზოლების მსგავსად, შეკუმშავს ძაფს და აშორებს პლაზმის საზღვრებს მის შემცველი კამერის კედლებიდან. ამ ფენომენს, რომელიც თეორიულად იწინასწარმეტყველა W. Bennett-მა 1934 წელს და ექსპერიმენტულად აჩვენა პირველად A. Ware-მა 1951 წელს, ეწოდება პინჩის ეფექტს. პინჩის მეთოდი გამოიყენება პლაზმური შეზღუდვისთვის; მისი ნიშანდობლივი თვისებაა ის, რომ გაზი თბება მაღალ ტემპერატურამდე თვით ელექტრული დენით (ომური გათბობა). მეთოდის ფუნდამენტურმა სიმარტივემ განაპირობა მისი გამოყენება ცხელი პლაზმის შემცველობის პირველივე მცდელობებში და მარტივი პინჩის ეფექტის შესწავლამ, მიუხედავად იმისა, რომ მოგვიანებით იგი შეიცვალა უფრო მოწინავე მეთოდებით, შესაძლებელი გახადა უკეთ გაგება. პრობლემები, რომლებსაც დღეს ექსპერიმენტატორები აწყდებიან.
გარდა რადიალური მიმართულებით პლაზმური დიფუზიისა, ასევე ხდება გრძივი დრიფტი და მისი გასვლა პლაზმური სვეტის ბოლოებში. ბოლოებიდან დანაკარგები შეიძლება აღმოიფხვრას, თუ პლაზმური კამერა დონატის (ტორუსის) ფორმისაა. ამ შემთხვევაში მიიღება ტოროიდული პინჩი.
ზემოთ აღწერილი მარტივი პინჩისთვის, მასში თანდაყოლილი მაგნიტოჰიდროდინამიკური არასტაბილურობა სერიოზული პრობლემაა. თუ პლაზმური სვეტის მახლობლად მცირე მოსახვევი ხდება, მაშინ იზრდება მაგნიტური ველის ხაზების სიმკვრივე მოსახვევის შიდა მხარეს (ნახ. 1). ძალის მაგნიტური ხაზები, რომლებიც იქცევიან როგორც ძაფები, რომლებიც წინააღმდეგობას უწევენ შეკუმშვას, სწრაფად დაიწყებენ „გამობურცვას“, ასე რომ მოსახვევი გაიზრდება მანამ, სანამ პლაზმური ძაფის მთელი სტრუქტურა არ განადგურდება. შედეგად, პლაზმა შედის კონტაქტში კამერის კედლებთან და გაცივდება. ამ დამღუპველი ფენომენის გამორიცხვის მიზნით, მთავარი ღერძული დენის გავლამდე, პალატაში იქმნება გრძივი მაგნიტური ველი, რომელიც შემდგომში გამოყენებულ წრიულ ველთან ერთად „ასწორებს“ პლაზმური სვეტის საწყის დახრას (ნახ. 2). ). ღერძული ველის მიერ პლაზმური სვეტის სტაბილიზაციის პრინციპი არის საფუძველი თერმობირთვული რეაქტორების ორი პერსპექტიული პროექტისთვის - ტოკამაკი და პინჩი შებრუნებული მაგნიტური ველით.
გახსენით მაგნიტური კონფიგურაციები.
ინერციული შეკავება.
თეორიული გამოთვლები აჩვენებს, რომ თერმობირთვული შერწყმა შესაძლებელია მაგნიტური ხაფანგების გამოყენების გარეშე. ამისათვის სპეციალურად მომზადებული სამიზნე (დეიტერიუმის ბურთი დაახლოებით 1 მმ რადიუსით) სწრაფად იკუმშება ისეთ მაღალ სიმკვრივემდე, რომ თერმობირთვული რეაქცია უნდა დასრულდეს საწვავის სამიზნის აორთქლებამდე. შეკუმშვა და გათბობა თერმობირთვულ ტემპერატურამდე შეიძლება განხორციელდეს ზემძლავრი ლაზერული იმპულსებით, ერთნაირად და ერთდროულად ასხივებენ საწვავის ბურთულას ყველა მხრიდან (ნახ. 4). მისი ზედაპირული ფენების მყისიერი აორთქლებისას გამოდევნილი ნაწილაკები იძენენ ძალიან მაღალ სიჩქარეს და ბურთი დიდი კომპრესიული ძალების ზემოქმედების ქვეშ იმყოფება. ისინი ჰგავს რაკეტას მამოძრავებელ რეაქტიულ ძალებს, ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ აქ ეს ძალები მიმართულია შიგნით, სამიზნის ცენტრისკენ. ამ მეთოდს შეუძლია შექმნას ზეწოლა 10 11 მპა-მდე და სიმკვრივე 10000-ჯერ მეტი წყლის სიმკვრივეზე. ამ სიმკვრივით, თითქმის მთელი თერმობირთვული ენერგია გამოიყოფა მცირე აფეთქების სახით ~ 10-12 წმ-ში. მომხდარი მიკროაფეთქებები, რომელთაგან თითოეული უდრის 1-2 კგ ტროტილს, არ გამოიწვევს რეაქტორს დაზიანებას და ასეთი მიკროაფეთქებების თანმიმდევრობის განხორციელება მცირე ინტერვალებით შესაძლებელს გახდის სასარგებლო ენერგიის თითქმის უწყვეტი წარმოების რეალიზებას. ინერციული შეკავებისთვის საწვავის სამიზნის მოწყობა ძალიან მნიშვნელოვანია. მძიმე და მსუბუქი მასალებისგან დამზადებული კონცენტრული სფეროების სახით სამიზნე შესაძლებელს გახდის ნაწილაკების ყველაზე ეფექტური აორთქლების და, შესაბამისად, უდიდესი შეკუმშვის მიღწევას.
გამოთვლები აჩვენებს, რომ მეგაჯოულის რიგის ლაზერული გამოსხივების ენერგიისთვის (10 6 ჯ) და ლაზერის ეფექტურობა მინიმუმ 10%, წარმოებული თერმობირთვული ენერგია უნდა აღემატებოდეს ლაზერის ტუმბოსთვის დახარჯულ ენერგიას. თერმობირთვული ლაზერული მოწყობილობები ხელმისაწვდომია კვლევით ლაბორატორიებში რუსეთში, აშშ-ში, დასავლეთ ევროპასა და იაპონიაში. ამჟამად შესწავლილია ლაზერის სხივის ნაცვლად მძიმე იონური სხივის ან ასეთი სხივის სინათლის სხივთან კომბინაციის გამოყენების შესაძლებლობა. თანამედროვე ტექნოლოგიების წყალობით, რეაქციის დაწყების ამ მეთოდს უპირატესობა აქვს ლაზერთან შედარებით, ვინაიდან საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მეტი სასარგებლო ენერგია. მინუსი არის სხივის მიზანზე ფოკუსირების სირთულე.
ინსტალაციები მაგნიტური შეკავებით
პლაზმური მაგნიტური შეზღუდვის მეთოდების შესწავლა მიმდინარეობს რუსეთში, აშშ-ში, იაპონიასა და ევროპის რიგ ქვეყანაში. ძირითადი ყურადღება ეთმობა ტოროიდული ტიპის მოწყობილობებს, როგორიცაა ტოკამაკი და პინჩი შებრუნებული მაგნიტური ველით, რომელიც გაჩნდა მასტაბილიზებელი გრძივი მაგნიტური ველის მქონე უფრო მარტივი მწკრივების განვითარების შედეგად.
პლაზმის ტოროიდული მაგნიტური ველის შემოფარგლვისთვის ბჯაუცილებელია ისეთი პირობების შექმნა, რომლითაც პლაზმა არ გადაინაცვლებს ტორსის კედლებზე. ეს მიიღწევა მაგნიტური ველის ხაზების „გადატრიალებით“ (ე.წ. „ბრუნვის ტრანსფორმაცია“). ეს გადახვევა ხდება ორი გზით. პირველ მეთოდში, დენი გადის პლაზმაში, რაც იწვევს უკვე განხილული სტაბილური პინჩის კონფიგურაციას. მაგნიტური ველის დენი ბ q J - ბ q-თან ერთად ბ j ქმნის ტოტალურ ველს საჭირო გადახვევით. Თუ ბჯ ბ q , ვიღებთ კონფიგურაციას, რომელიც ცნობილია როგორც ტოკამაკი (გამოთქმის შემოკლება "TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS"). ტოკამაკი (სურ. 5) შეიქმნა ლ.ა.არციმოვიჩის ხელმძღვანელობით ატომური ენერგიის ინსტიტუტში ვ.ი. I.V. კურჩატოვი მოსკოვში. ზე ბჯ ~ ბ q მიღებულია პინჩის კონფიგურაცია შებრუნებული მაგნიტური ველით.
მეორე მეთოდით, ტოროიდული პლაზმური კამერის ირგვლივ სპეციალური ხვეული გრაგნილები გამოიყენება შეზღუდული პლაზმის წონასწორობის უზრუნველსაყოფად. ამ გრაგნილების დენები ქმნის რთულ მაგნიტურ ველს, რაც იწვევს მთლიანი ველის ძალის ხაზების გადახვევას ტორუსის შიგნით. ასეთი ინსტალაცია, სახელად ვარსკვლავური, შეიქმნა პრინსტონის უნივერსიტეტში (აშშ) ლ.სპიცერმა და მისმა თანამშრომლებმა.
ტოკამაკი.
მნიშვნელოვანი პარამეტრი, რომელზეც დამოკიდებულია ტოროიდული პლაზმის შეზღუდვა, არის "სტაბილურობის ზღვარი" ქ, ტოლია rB j / რ.ბ. q , სად რდა რარის ტოროიდული პლაზმის, შესაბამისად, მცირე და დიდი რადიუსი. პატარაზე ქშეიძლება განვითარდეს სპირალური არასტაბილურობა, რაც ანალოგიურია სწორი მჭიდის მოხრის არასტაბილურობისა. მოსკოვის მეცნიერებმა ექსპერიმენტულად აჩვენეს, რომ როდის ქ> 1 (ე.ი. ბჯ ბრ) სპირალური არასტაბილურობის შესაძლებლობა მნიშვნელოვნად შემცირებულია. ეს შესაძლებელს ხდის დენის მიერ გამოთავისუფლებული სითბოს ეფექტურად გამოყენებას პლაზმის გასათბობად. მრავალწლიანი კვლევის შედეგად, ტოკამაკების მახასიათებლები მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა, კერძოდ, ველის ერთგვაროვნების გაზრდით და ვაკუუმ კამერის ეფექტური გაწმენდით.
რუსეთში მიღებულმა წამახალისებელმა შედეგებმა სტიმული მისცა ტოკამაკების შექმნას მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში და მათი კონფიგურაცია გახდა ინტენსიური კვლევის საგანი.
პლაზმის ომური გათბობა ტოკამაკში არ არის საკმარისი თერმობირთვული შერწყმის რეაქციის განსახორციელებლად. ეს გამოწვეულია იმით, რომ როდესაც პლაზმა თბება, მისი ელექტრული წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად მცირდება და შედეგად, მკვეთრად მცირდება სითბოს გამოყოფა დენის გავლისას. შეუძლებელია ტოკამაკში დენის გაზრდა გარკვეულ ზღვარზე მაღლა, რადგან პლაზმურ სვეტს შეუძლია დაკარგოს სტაბილურობა და გადავიდეს პალატის კედლებზე. ამიტომ პლაზმის გასათბობად სხვადასხვა დამატებითი მეთოდი გამოიყენება. მათგან ყველაზე ეფექტურია მაღალი ენერგიის ნეიტრალური ატომების სხივების ინექცია და მიკროტალღური დასხივება. პირველ შემთხვევაში, 50-200 კევ ენერგიებამდე აჩქარებული იონები ნეიტრალიზდება (პალატაში შეყვანისას მაგნიტური ველის მიერ მათი „არეკვლის“ თავიდან აცილების მიზნით) და შეჰყავთ პლაზმაში. აქ ისინი კვლავ იონიზდებიან და შეჯახების პროცესში ენერგიას უთმობენ პლაზმას. მეორე შემთხვევაში გამოიყენება მიკროტალღური გამოსხივება, რომლის სიხშირე უდრის იონური ციკლოტრონის სიხშირეს (იონების ბრუნვის სიხშირე მაგნიტურ ველში). ამ სიხშირეზე მკვრივი პლაზმა აბსოლუტურად შავი სხეულივით იქცევა, ე.ი. მთლიანად შთანთქავს ინციდენტის ენერგიას. ევროკავშირის ქვეყნების JET ტოკამაკზე ნეიტრალური ნაწილაკების ინექციით მიიღეს პლაზმა, რომლის იონის ტემპერატურაა 280 მილიონი კელვინი და შეზღუდვის დრო 0,85 წმ. თერმობირთვული სიმძლავრე 2 მგვტ-ს აღწევდა დეიტერიუმ-ტრიტიუმის პლაზმაზე. რეაქციის ხანგრძლივობა შემოიფარგლება მინარევების გამოჩენით, კამერის კედლების გაფუჭების გამო: მინარევები შეაღწევს პლაზმაში და, იონიზირებული, მნიშვნელოვნად ზრდის ენერგიის დანაკარგებს რადიაციის გამო. ამჟამად JET-ის პროგრამაზე მუშაობა ორიენტირებულია მინარევების კონტროლისა და მათი მოცილების შესაძლებლობის კვლევაზე, ე.წ. "მაგნიტური გადამყვანი".
დიდი ტოკამაკები ასევე შეიქმნა აშშ-ში - TFTR, რუსეთში - T15 და იაპონიაში - JT60. ამ და სხვა ობიექტებზე ჩატარებულმა კვლევამ საფუძველი ჩაუყარა მუშაობის მომდევნო ეტაპს კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის სფეროში: 2010 წელს იგეგმება დიდი რეაქტორის გაშვება ტექნიკური გამოცდებისთვის. ვარაუდობენ, რომ ეს იქნება შეერთებული შტატების, რუსეთის, ევროკავშირის ქვეყნებისა და იაპონიის ერთობლივი ნამუშევარი. იხილეთ ასევეტოკამაკი.
შებრუნებული ველის დაჭერა (FOP).
POP კონფიგურაცია განსხვავდება ტოკამაკისგან იმით, რომ მას აქვს ბ q~ ბ j, მაგრამ ტოროიდული ველის მიმართულება პლაზმის გარეთ არის მისი მიმართულების საპირისპირო პლაზმური სვეტის შიგნით. ჯ.ტეილორმა აჩვენა, რომ ასეთი სისტემა იმყოფება მინიმალური ენერგიით და, მიუხედავად ქ
POP კონფიგურაციის უპირატესობა ის არის, რომ პლაზმის მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივისა და მასში მაგნიტური ველის (მნიშვნელობა b) თანაფარდობა უფრო მეტია, ვიდრე ტოკამაკში. ფუნდამენტურად მნიშვნელოვანია, რომ b იყოს რაც შეიძლება დიდი, ვინაიდან ეს შეამცირებს ტოროიდულ ველს და, შესაბამისად, შეამცირებს მის შემქმნელ ხვეულებს და მთელ საყრდენ სტრუქტურას. POP-ის სისუსტე ის არის, რომ ამ სისტემების თბოიზოლაცია ტოკამაკებზე უარესია და შებრუნებული ველის შენარჩუნების პრობლემა არ მოგვარებულა.
სტელარატორი.
ვარსკვლავიერში, დახურულ ტოროიდულ მაგნიტურ ველს ზედ ადევს ველი, რომელიც შექმნილია სპეციალური სპირალური გრაგნილი ჭრილობის შედეგად კამერის სხეულის გარშემო. მთლიანი მაგნიტური ველი ხელს უშლის პლაზმის ცენტრიდან დაშორებას და თრგუნავს მაგნიტოჰიდროდინამიკური არასტაბილურობის გარკვეულ ტიპებს. თავად პლაზმა შეიძლება შეიქმნას და გაცხელდეს ტოკამაკში გამოყენებული ნებისმიერი მეთოდით.
ვარსკვლავის მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ მასში გამოყენებული შეზღუდვის მეთოდი არ უკავშირდება დენის არსებობას პლაზმაში (როგორც ტოკამაკებში ან მოწყობილობებში, რომლებიც დაფუძნებულია პინჩის ეფექტზე) და, შესაბამისად, ვარსკვლავთმცველს შეუძლია მუშაობა სტაციონარული რეჟიმში. . გარდა ამისა, სპირალური გრაგნილი შეიძლება ჰქონდეს "divertor" ეფექტი, ე.ი. გაასუფთავეთ პლაზმა მინარევებისაგან და ამოიღეთ რეაქციის პროდუქტები.
ვარსკვლავების პლაზმური შეზღუდვა სრულყოფილად არის შესწავლილი ევროკავშირში, რუსეთში, იაპონიასა და შეერთებულ შტატებში არსებულ ობიექტებში. გერმანიის ვარსკვლავატორ "ვენდელშტეინ VII"-ზე შესაძლებელი გახდა 5x10 6 კელვინზე მეტი ტემპერატურის მქონე არადენგამტარი პლაზმის შენარჩუნება, მისი გაცხელება მაღალი ენერგიის ატომური სხივის ინექციით.
ბოლო თეორიულმა და ექსპერიმენტულმა კვლევებმა აჩვენა, რომ აღწერილი დანადგარების უმეტესობაში, განსაკუთრებით დახურულ ტოროიდულ სისტემებში, პლაზმის შეზღუდვის დრო შეიძლება გაიზარდოს მისი რადიალური ზომების გაზრდით და მაგნიტური ველის შეზღუდვით. მაგალითად, ტოკამაკისთვის, გამოითვლება, რომ ლოუსონის კრიტერიუმი შესრულდება (და თუნდაც გარკვეული ზღვრით) მაგნიტური ველის სიძლიერით ~ 50 ± 100 კგ და ტოროიდული კამერის მცირე რადიუსით დაახლოებით. 2 მ ეს არის 1000 მგვტ ელექტროენერგიის სამონტაჟო პარამეტრები.
ასეთი დიდი დანადგარების შექმნისას მაგნიტური პლაზმური შეზღუდვით წარმოიქმნება სრულიად ახალი ტექნოლოგიური პრობლემები. რამდენიმე კუბური მეტრის მოცულობით 50 კგ-მდე მაგნიტური ველის შესაქმნელად საჭიროა წყლის გაგრილება სპილენძის ხვეულების გამოყენებით, საჭიროა ელექტროენერგიის წყარო რამდენიმე ასეული მეგავატის სიმძლავრით. მაშასადამე, აშკარაა, რომ ხვეულების გრაგნილები უნდა იყოს დამზადებული სუპერგამტარი მასალებისგან, როგორიცაა ნიობიუმის შენადნობები ტიტანთან ან თუნუქთან. ამ მასალების წინააღმდეგობა ელექტრული დენის მიმართ სუპერგამტარ მდგომარეობაში ნულია და, შესაბამისად, ელექტროენერგიის მინიმალური რაოდენობა დაიხარჯება მაგნიტური ველის შენარჩუნებაზე.
რეაქტორის ტექნოლოგია.
თერმობირთვული კვლევის პერსპექტივები.
ტოკამაკის ტიპის დანადგარებზე ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ეს სისტემა ძალიან პერსპექტიულია, როგორც UTS რეაქტორის შესაძლო საფუძველი. საუკეთესო შედეგები დღემდე მიღწეულია ტოკამაკებზე და არსებობს იმედი, რომ დანადგარების მასშტაბის შესაბამისი გაზრდით, ისინი შეძლებენ სამრეწველო კონტროლირებადი შერწყმის განხორციელებას. თუმცა, ტოკამაკი საკმარისად ეკონომიური არ არის. ამ ნაკლოვანების აღმოსაფხვრელად აუცილებელია, რომ ის არ იმუშაოს პულსირებულ რეჟიმში, როგორც ახლა, არამედ უწყვეტ რეჟიმში. თუმცა, ამ პრობლემის ფიზიკური ასპექტები ჯერ კიდევ ცუდად არის გაგებული. ასევე აუცილებელია ტექნიკური საშუალებების შემუშავება, რომელიც გააუმჯობესებს პლაზმის პარამეტრებს და აღმოფხვრის მის არასტაბილურობას. ამ ყველაფრის გათვალისწინებით, არ უნდა დავივიწყოთ თერმობირთვული რეაქტორის სხვა შესაძლო, თუმცა ნაკლებად განვითარებული ვარიანტები, მაგალითად, ვარსკვლავური ან შებრუნებული ველის პინჩი. ამ სფეროში კვლევის მდგომარეობამ მიაღწია იმ ეტაპს, როდესაც არსებობს რეაქტორის კონცეპტუალური კონსტრუქციები მაღალი ტემპერატურის პლაზმური მაგნიტური შეზღუდვის სისტემებისთვის და ზოგიერთი ინერციული შეზღუდვის სისტემისთვის. ტოკამაკის ინდუსტრიული განვითარების მაგალითია ვერძის პროექტი (აშშ).
პრინსტონის პლაზმური ფიზიკის ლაბორატორიის მეცნიერებმა შემოგვთავაზეს ყველაზე გამძლე ბირთვული შერწყმის მოწყობილობის იდეა, რომელსაც შეუძლია მუშაობა 60 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში. ამ დროისთვის, ეს რთული ამოცანაა: მეცნიერები იბრძვიან, რომ შერწყმა რეაქტორმა რამდენიმე წუთით იმოქმედოს - შემდეგ კი წლების განმავლობაში. მიუხედავად სირთულისა, შერწყმის რეაქტორის მშენებლობა მეცნიერების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ამოცანაა, რომელსაც შეუძლია დიდი სარგებელი მოიტანოს. ჩვენ გეტყვით რა უნდა იცოდეთ თერმობირთვული შერწყმის შესახებ.
1. რა არის თერმობირთვული შერწყმა?
ნუ შეგეშინდებათ ამ უხერხული ფრაზის, სინამდვილეში, ყველაფერი საკმაოდ მარტივია. თერმობირთვული შერწყმა არის ბირთვული რეაქციის სახეობა.
ბირთვული რეაქციის დროს ატომის ბირთვი ურთიერთქმედებს ელემენტარულ ნაწილაკთან ან სხვა ატომის ბირთვთან, რის გამოც იცვლება ბირთვის შემადგენლობა და სტრუქტურა. მძიმე ატომის ბირთვი შეიძლება დაიშალოს ორ ან სამ მსუბუქად - ეს არის დაშლის რეაქცია. ასევე არსებობს შერწყმის რეაქცია: ეს არის მაშინ, როდესაც ორი მსუბუქი ატომის ბირთვი ერთდება ერთ მძიმეში.
ბირთვული დაშლისგან განსხვავებით, რომელიც შეიძლება მოხდეს როგორც სპონტანურად, ასევე უნებურად, ბირთვული შერწყმა შეუძლებელია გარე ენერგიის მიწოდების გარეშე. მოგეხსენებათ, საპირისპიროები იზიდავენ, მაგრამ ატომის ბირთვები დადებითად არის დამუხტული - ამიტომაც იგერიებენ ერთმანეთს. ამ სიტუაციას კულონის ბარიერი ეწოდება. მოგერიების დასაძლევად აუცილებელია ამ ნაწილაკების გაფანტვა გიჟურ სისწრაფემდე. ეს შეიძლება გაკეთდეს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, რამდენიმე მილიონი კელვინის ბრძანებით. სწორედ ამ რეაქციებს უწოდებენ თერმობირთვულს.
2. რატომ გვჭირდება თერმობირთვული შერწყმა?
ბირთვული და თერმობირთვული რეაქციების დროს გამოიყოფა უზარმაზარი ენერგია, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მიზნებისთვის - შეგიძლიათ შექმნათ ყველაზე ძლიერი იარაღი, ან შეგიძლიათ გადააქციოთ ბირთვული ენერგია ელექტროენერგიად და მიაწოდოთ იგი მთელ მსოფლიოს. ბირთვული დაშლის ენერგია დიდი ხანია გამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებში. მაგრამ თერმობირთვული ენერგია უფრო პერსპექტიულად გამოიყურება. თერმობირთვული რეაქციის დროს, თითოეული ნუკლეონისთვის (ე.წ. შემადგენელი ბირთვები, პროტონები და ნეიტრონები) გაცილებით მეტი ენერგია გამოიყოფა, ვიდრე ბირთვული რეაქციის დროს. მაგალითად, როდის ურანის ბირთვის დაშლა ერთ ნუკლეონზე შეადგენს 0,9 მევ-ს (მეგაელექტრონვოლტი) და როდესაცჰელიუმის ბირთვის სინთეზისას წყალბადის ბირთვებიდან გამოიყოფა 6 მევ-ის ტოლი ენერგია. ამიტომ, მეცნიერები სწავლობენ თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებას.
შერწყმის კვლევა და რეაქტორების მშენებლობა იძლევა მაღალტექნოლოგიური წარმოების გაფართოებას, რაც სასარგებლოა მეცნიერებისა და მაღალტექნოლოგიური სხვა სფეროებში.
3. რა არის თერმობირთვული რეაქციები?
თერმობირთვული რეაქციები იყოფა თვითშენარჩუნებად, უკონტროლო (გამოიყენება წყალბადის ბომბებში) და კონტროლირებად (მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოსადეგი).
თვითშენარჩუნებული რეაქციები ხდება ვარსკვლავების ინტერიერში. თუმცა, დედამიწაზე არ არსებობს პირობები ასეთი რეაქციების განსახორციელებლად.
ხალხი დიდი ხანია ატარებს უკონტროლო ან ფეთქებადი თერმობირთვული შერწყმას. 1952 წელს, ოპერაცია „ევი მაიკის“ დროს ამერიკელებმა ააფეთქეს მსოფლიოში პირველი თერმობირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობა, რომელსაც, როგორც იარაღს, პრაქტიკული ღირებულება არ გააჩნდა. და 1961 წლის ოქტომბერში გამოსცადეს მსოფლიოში პირველი თერმობირთვული (წყალბადის) ბომბი (ცარ ბომბა, კუზკინა დედა), რომელიც საბჭოთა მეცნიერებმა შექმნეს იგორ კურჩატოვის ხელმძღვანელობით. ეს იყო ყველაზე ძლიერი ასაფეთქებელი მოწყობილობა კაცობრიობის ისტორიაში: აფეთქების ჯამური ენერგია, სხვადასხვა წყაროების მიხედვით, მერყეობდა 57-დან 58,6 მეგატონამდე ტროტილი. წყალბადის ბომბის აფეთქების მიზნით, უპირველეს ყოვლისა, საჭიროა ჩვეულებრივი ბირთვული აფეთქების დროს მაღალი ტემპერატურის მიღება - მხოლოდ ამის შემდეგ დაიწყება ატომური ბირთვების რეაქცია.
უკონტროლო ბირთვულ რეაქციაში აფეთქების ძალა ძალიან მაღალია, გარდა ამისა, მაღალია რადიოაქტიური დაბინძურების წილი. ამიტომ თერმობირთვული ენერგიის მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოსაყენებლად აუცილებელია ვისწავლოთ მისი მართვა.
4. რა არის საჭირო კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციისთვის?
დაიჭირე პლაზმა!
გაუგებარია? ახლა ავხსნათ.
პირველი, ატომის ბირთვები. ბირთვული ენერგია იყენებს იზოტოპებს - ატომებს, რომლებიც განსხვავდებიან ერთმანეთისგან ნეიტრონების რაოდენობით და, შესაბამისად, ატომური მასით. წყალბადის იზოტოპი დეიტერიუმი (D) ამოღებულია წყლიდან. ზემძიმე წყალბადი ან ტრიტიუმი (T) არის წყალბადის რადიოაქტიური იზოტოპი, რომელიც წარმოადგენს ჩვეულებრივ ბირთვულ რეაქტორებში განხორციელებული დაშლის რეაქციების ქვეპროდუქტს. ასევე თერმობირთვულ რეაქციებში გამოიყენება წყალბადის მსუბუქი იზოტოპი, პროტიუმი: ეს არის ერთადერთი სტაბილური ელემენტი, რომელსაც არ აქვს ნეიტრონები ბირთვში. ჰელიუმ-3 დედამიწაზე უმნიშვნელო რაოდენობითაა, მაგრამ ის ძალიან უხვადაა მთვარის ნიადაგში (რეგოლითი): 80-იან წლებში NASA-მ შეიმუშავა გეგმა რეგოლითისა და იზოტოპების მოპოვების ჰიპოთეტური დანადგარების შესახებ. მეორეს მხრივ, კიდევ ერთი იზოტოპი, ბორი-11, ფართოდ არის გავრცელებული ჩვენს პლანეტაზე. დედამიწაზე არსებული ბორის 80% არის იზოტოპი, რომელიც აუცილებელია ბირთვული მეცნიერებისთვის.
მეორეც, ტემპერატურა ძალიან მაღალია. თერმობირთვულ რეაქციაში მონაწილე ნივთიერება უნდა იყოს თითქმის მთლიანად იონიზებული პლაზმა – ეს არის აირი, რომელშიც ცალ-ცალკე ცურავს თავისუფალი ელექტრონები და სხვადასხვა მუხტის იონები. ნივთიერების პლაზმად გადაქცევისთვის საჭიროა 10 7 -10 8 K ტემპერატურა - ეს არის ასობით მილიონი გრადუსი ცელსიუსი! ასეთი ულტრა მაღალი ტემპერატურის მიღება შესაძლებელია პლაზმაში მაღალი სიმძლავრის ელექტრული გამონადენის შექმნით.
თუმცა, შეუძლებელია უბრალოდ საჭირო ქიმიური ელემენტების გაცხელება. ამ ტემპერატურაზე ნებისმიერი რეაქტორი მყისიერად ორთქლდება. აქ სრულიად განსხვავებული მიდგომაა საჭირო. დღეისათვის შესაძლებელია პლაზმის შეზღუდულ ადგილას შენახვა მძიმე ელექტრული მაგნიტების დახმარებით. მაგრამ ჯერ კიდევ ვერ მოხერხდა თერმობირთვული რეაქციის შედეგად მიღებული ენერგიის სრულად გამოყენება: მაგნიტური ველის გავლენის ქვეშაც კი პლაზმა ვრცელდება სივრცეში.
5. რა რეაქციებია ყველაზე პერსპექტიული?
ძირითადი ბირთვული რეაქციები, რომლებიც დაგეგმილია გამოყენებული იქნას კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმისთვის, გამოიყენებს დეიტერიუმს (2H) და ტრიტიუმს (3H), ხოლო უფრო შორეულ მომავალში ჰელიუმ-3 (3He) და ბორი-11 (11B).
აქ არის ყველაზე საინტერესო რეაქციები.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) - დეიტერიუმ-ტრიტიუმის რეაქცია.
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% არის ეგრეთ წოდებული დეიტერიუმის მონოპროპელანტი.
1 და 2 რეაქციები სავსეა ნეიტრონების რადიოაქტიური დაბინძურებით. მაშასადამე, ყველაზე პერსპექტიული "ნეიტრონების" რეაქციებია.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) - დეიტერიუმი რეაგირებს ჰელიუმ-3-თან. პრობლემა ის არის, რომ ჰელიუმ-3 ძალზე იშვიათია. თუმცა, ნეიტრონისგან თავისუფალი გამოსავალი ამ რეაქციას პერსპექტიულს ხდის.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV - ბორი-11 რეაგირებს პროტიუმთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ალფა ნაწილაკები, რომლებიც შეიძლება შეიწოვოს ალუმინის ფოლგამ.
6. სად უნდა ჩატარდეს ასეთი რეაქცია?
ბუნებრივი შერწყმის რეაქტორი არის ვარსკვლავი. მასში პლაზმა ინარჩუნებს გრავიტაციის გავლენის ქვეშ და რადიაცია შეიწოვება - ამრიგად, ბირთვი არ გაცივდება.
დედამიწაზე თერმობირთვული რეაქციები შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ სპეციალურ ობიექტებში.
იმპულსური სისტემები. ასეთ სისტემებში დეიტერიუმი და ტრიტიუმი დასხივებულია ულტრა მაღალი სიმძლავრის ლაზერის სხივებით ან ელექტრონი/იონური სხივებით. ასეთი დასხივება იწვევს თერმობირთვული მიკროაფეთქებების თანმიმდევრობას. ამასთან, წამგებიანია ასეთი სისტემების გამოყენება სამრეწველო მასშტაბით: გაცილებით მეტი ენერგია იხარჯება ატომების აჩქარებაზე, ვიდრე მიიღება შერწყმის შედეგად, რადგან ყველა აჩქარებული ატომი არ შედის რეაქციაში. აქედან გამომდინარე, ბევრი ქვეყანა აშენებს კვაზი-სტაციონალურ სისტემებს.
კვაზი-სტაციონარული სისტემები. ასეთ რეაქტორებში პლაზმა ინარჩუნებს მაგნიტურ ველს დაბალ წნევაზე და მაღალ ტემპერატურაზე. არსებობს სამი ტიპის რეაქტორი, რომელიც დაფუძნებულია სხვადასხვა მაგნიტური ველის კონფიგურაციებზე. ეს არის ტოკამაკები, ვარსკვლავები (ტორსატრონები) და სარკის ხაფანგები.
ტოკამაკინიშნავს "ტოროიდულ კამერას მაგნიტური ხვეულებით". ეს არის კამერა „დონატის“ (ტორუსის) სახით, რომელზედაც ხვეულებია დახვეული. ტოკამაკის მთავარი მახასიათებელია ალტერნატიული ელექტრული დენის გამოყენება, რომელიც მიედინება პლაზმაში, ათბობს მას და თავის ირგვლივ მაგნიტურ ველს ქმნის, იკავებს მას.
AT ვარსკვლავიერი (ტორსატრონი)მაგნიტურ ველს მთლიანად შეიცავს მაგნიტური ხვეულები და, ტოკამაკისგან განსხვავებით, მისი უწყვეტი მუშაობა შესაძლებელია.
ვ სარკე (ღია) ხაფანგებიგამოიყენება ასახვის პრინციპი. კამერა ორივე მხრიდან დახურულია მაგნიტური "შტეფსებით", რომლებიც ასახავს პლაზმას და ინახავს მას რეაქტორში.
დიდი ხნის განმავლობაში სარკე ხაფანგები და ტოკამაკები იბრძოდნენ უზენაესობისთვის. თავდაპირველად, ხაფანგის კონცეფცია უფრო მარტივი და, შესაბამისად, იაფი ჩანდა. 60-იანი წლების დასაწყისში ღია ხაფანგები ძლიერად იყო დაფინანსებული, მაგრამ პლაზმის არასტაბილურობამ და მისი მაგნიტური ველით შეკავების წარუმატებელმა მცდელობებმა აიძულა ეს დანადგარები გართულებულიყო - ერთი შეხედვით მარტივი დიზაინი გადაიქცა ჯოჯოხეთურ მანქანებად და ვერ მიაღწია სტაბილური შედეგი. ამიტომ ტოკამაკები წინა პლანზე გამოჩნდნენ 1980-იან წლებში. 1984 წელს გაეშვა ევროპული JET tokamak, რომლის ღირებულება მხოლოდ 180 მილიონი დოლარი იყო და რომლის პარამეტრებმა შესაძლებელი გახადა თერმობირთვული რეაქციის განხორციელება. სსრკ-სა და საფრანგეთში შეიქმნა სუპერგამტარი ტოკამაკები, რომლებიც თითქმის არ ხარჯავდნენ ენერგიას მაგნიტური სისტემის მუშაობაზე.
7. ვინ სწავლობს ახლა თერმობირთვული რეაქციების განხორციელებას?
ბევრი ქვეყანა აშენებს საკუთარ სინთეზურ რეაქტორებს. ექსპერიმენტული რეაქტორებია ყაზახეთში, ჩინეთში, აშშ-სა და იაპონიაში. კურჩატოვის ინსტიტუტი მუშაობს IGNITOR რეაქტორზე. გერმანიამ გაუშვა Wendelstein 7-X ვარსკვლავური შერწყმის რეაქტორი.
ყველაზე ცნობილი საერთაშორისო პროექტია ITER tokamak (ITER, საერთაშორისო თერმობირთვული ექსპერიმენტული რეაქტორი) Cadarache Research Center-ში (საფრანგეთი). მისი მშენებლობა 2016 წელს უნდა დასრულებულიყო, მაგრამ საჭირო ფინანსური მხარდაჭერის მოცულობა გაიზარდა და ექსპერიმენტების ვადებმა 2025 წლამდე გადაინაცვლა. ITER-ის საქმიანობაში მონაწილეობენ ევროკავშირი, აშშ, ჩინეთი, ინდოეთი, იაპონია, სამხრეთ კორეა და რუსეთი. დაფინანსებაში ძირითად წილს ევროკავშირი უკავია (45%), დანარჩენი მონაწილეები აწვდიან მაღალტექნოლოგიურ აღჭურვილობას. კერძოდ, რუსეთი აწარმოებს ზეგამტარ მასალებს და კაბელებს, რადიო მილებს პლაზმის გასათბობად (გიროტრონები) და ზეგამტარი ხვეულების დაუკრავენ, აგრეთვე კომპონენტებს რეაქტორის ყველაზე რთული ნაწილისთვის - პირველი კედლისთვის, რომელიც უნდა გაუძლოს ელექტრომაგნიტურ ძალებს, ნეიტრონულ გამოსხივებას და. პლაზმური გამოსხივება.
8. რატომ არ ვიყენებთ თერმობირთვულ რეაქტორებს?
თანამედროვე ტოკამაკის დანადგარები არ არის თერმობირთვული რეაქტორები, არამედ კვლევითი დანადგარები, რომლებშიც პლაზმის არსებობა და შენარჩუნება მხოლოდ გარკვეული ხნით არის შესაძლებელი. ფაქტია, რომ მეცნიერებს ჯერ არ უსწავლიათ, როგორ შეინახონ პლაზმა რეაქტორში დიდი ხნის განმავლობაში.
ამ დროისთვის, ბირთვული შერწყმის სფეროში ერთ-ერთი ყველაზე დიდი მიღწევაა გერმანელი მეცნიერების წარმატება, რომლებმაც მოახერხეს წყალბადის გაზის გაცხელება 80 მილიონ გრადუს ცელსიუსამდე და წყალბადის პლაზმის ღრუბლის შენარჩუნება წამის მეოთხედში. ხოლო ჩინეთში წყალბადის პლაზმა გაცხელდა 49,999 მილიონ გრადუსამდე და გაჩერდა 102 წამის განმავლობაში. რუსმა მეცნიერებმა (გ. ი. ბადკერის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტი, ნოვოსიბირსკი) მოახერხეს პლაზმის სტაბილური გათბობა ათ მილიონ გრადუს ცელსიუსამდე. თუმცა, ახლახან ამერიკელებმა შემოგვთავაზეს პლაზმის 60 წლით შეზღუდვის მეთოდი - და ეს ოპტიმიზმს შთააგონებს.
გარდა ამისა, არსებობს კამათი ინდუსტრიაში fusion-ის მომგებიანობის შესახებ. არ არის ცნობილი, აინაზღაურებს თუ არა ელექტროენერგიის გამომუშავების სარგებელი შერწყმის ხარჯებს. შემოთავაზებულია ექსპერიმენტების ჩატარება რეაქციებზე (მაგალითად, უარი თქვან ტრადიციულ დეიტერიუმ-ტრიტიუმზე ან მონოპროპელანტურ რეაქციაზე სხვა რეაქციების სასარგებლოდ), სტრუქტურულ მასალებზე - ან თუნდაც უარი თქვან ინდუსტრიული თერმობირთვული შერწყმის იდეაზე, მისი გამოყენება მხოლოდ დაშლისას ინდივიდუალური რეაქციებისთვის. რეაქციები. თუმცა, მეცნიერები კვლავ აგრძელებენ ექსპერიმენტებს.
9. უსაფრთხოა თუ არა შერწყმის რეაქტორები?
შედარებით. ტრიტიუმი, რომელიც გამოიყენება თერმობირთვულ რეაქციებში, რადიოაქტიურია. გარდა ამისა, შერწყმის შედეგად გამოთავისუფლებული ნეირონები ასხივებენ რეაქტორის სტრუქტურას. თავად რეაქტორის ელემენტები დაფარულია რადიოაქტიური მტვრით პლაზმის ზემოქმედების გამო.
თუმცა, შერწყმის რეაქტორი გაცილებით უსაფრთხოა, ვიდრე ბირთვული რეაქტორი რადიაციის თვალსაზრისით. რეაქტორში რადიოაქტიური ნივთიერებები შედარებით ცოტაა. გარდა ამისა, თავად რეაქტორის დიზაინი ითვალისწინებს "ხვრელების" არარსებობას, რომლის მეშვეობითაც რადიაცია შეიძლება გაჟონოს. რეაქტორის ვაკუუმური კამერა უნდა იყოს დალუქული, წინააღმდეგ შემთხვევაში რეაქტორი უბრალოდ ვერ იმუშავებს. თერმობირთვული რეაქტორების მშენებლობისას გამოიყენება ატომური ენერგიით შემოწმებული მასალები და ოთახებში შენარჩუნებულია შემცირებული წნევა.
როდის გამოჩნდება fusion ელექტროსადგურები?
მეცნიერები ყველაზე ხშირად ამბობენ რაღაცას „20 წელიწადში ჩვენ მოვაგვარებთ ყველა ფუნდამენტურ საკითხს“. ბირთვული ინჟინრები საუბრობენ 21-ე საუკუნის მეორე ნახევარზე. პოლიტიკოსები საუბრობენ სუფთა ენერგიის ზღვაზე პენიზე, პაემნებით შეწუხების გარეშე.
როგორ ეძებენ მეცნიერები ბნელ მატერიას დედამიწის ნაწლავებში
ასობით მილიონი წლის წინ, დედამიწის ზედაპირის ქვეშ არსებულ მინერალებს შეეძლოთ იდუმალი ნივთიერების კვალი შეენარჩუნებინათ. რჩება მხოლოდ მათთან მისვლა. ორ ათზე მეტი მიწისქვეშა ლაბორატორია, რომლებიც მიმოფანტულია მთელს მსოფლიოში, დაკავებულია ბნელი მატერიის ძიებით.
როგორ დაეხმარნენ ციმბირელმა მეცნიერებმა კაცს ვარსკვლავებისკენ ფრენაში
1961 წლის 12 აპრილს იური გაგარინმა პირველი გაფრენა განახორციელა კოსმოსში - პილოტის კეთილგანწყობილი ღიმილი და მისი მხიარული "წავიდეთ!" საბჭოთა კოსმონავტიკის ტრიუმფი გახდა. იმისათვის, რომ ეს ფრენა განხორციელებულიყო, მეცნიერები მთელი ქვეყნის მასშტაბით ფიქრობდნენ იმაზე, თუ როგორ გაეკეთებინათ ისეთი რაკეტა, რომელიც გაუძლებდა შეუსწავლელი სივრცის ყველა საფრთხეს - აქ მეცნიერებათა აკადემიის ციმბირის ფილიალის მეცნიერთა იდეები შეიძლებოდა. გარეშე არ გაუკეთებია.
მომავალი. 60-70 წლის წინ მეცნიერები ეძებდნენ გზებს იაფი ენერგიის მისაღებად. მეთოდი დიდი ხანია ცნობილია, მაგრამ ასეთი სიმძლავრის ენერგიის კონტროლი დღესაც შეუძლებელი რჩება. საუბარია თერმობირთვულ შერწყმაზე. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა არის უფრო მძიმე ატომური ბირთვების სინთეზი მსუბუქი ბირთვებისგან უზარმაზარი ენერგიის მისაღებად, რომელიც, ფეთქებადი თერმობირთვული შერწყმისგან განსხვავებით (გამოიყენება წყალბადის ბომბებში), მთლიანად კონტროლდება.
კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა განსხვავდება ტრადიციული შერწყმისგან იმით, რომ ეს უკანასკნელი იყენებს დაშლის რეაქციას, რომლის დროსაც შესაძლებელია მსუბუქი ბირთვების მიღება მძიმე ბირთვებისგან. თერმობირთვული რეაქტორი გაცილებით უსაფრთხოა ვიდრე ბირთვული რეაქტორი (ბირთვული რეაქტორი) რადიაციის თვალსაზრისით. პირველ რიგში, მასში რადიოაქტიური ნივთიერებების რაოდენობა შედარებით მცირეა, რაც მას თითქმის ეკოლოგიურად აქცევს.
ენერგია, რომელიც შეიძლება გამოთავისუფლდეს რაიმე სახის ავარიის შედეგად, ასევე შედარებით მცირეა და არ შეიძლება გამოიწვიოს რეაქტორის განადგურებამდე. ამავდროულად, რეაქტორის დიზაინში არის რამდენიმე ბუნებრივი დაბრკოლება, რომელიც ხელს უშლის რადიოაქტიური ნივთიერებების გავრცელებას. მაგალითად, ვაკუუმის კამერა და ქთიოსტატის გარსი მთლიანად უნდა იყოს დალუქული, წინააღმდეგ შემთხვევაში რეაქტორი უბრალოდ ვერ იმუშავებს. თუმცა, დიზაინის დროს დიდი ყურადღება დაეთმო რადიაციულ უსაფრთხოებას როგორც ნორმალური მუშაობისას, ასევე შესაძლო ავარიების დროს.
თერმობირთვული შერწყმა, წყალბადის იზოტოპების რეაქცია, ატომური რეაქციისგან განსხვავებით, თერმობირთვული რეაქცია არის შერწყმის რეაქცია, საბოლოოდ წარმოიქმნება ჰელიუმი, ხოლო ჰელიუმი წარმოიქმნება კოლოსალური თერმული ენერგიის გამოთავისუფლებით. თერმობირთვული შერწყმა შესაძლებელია მხოლოდ სპეციალურ მოწყობილობაში, რომელსაც ეწოდება ტოკამაკი (ტოროიდული კამერა მაგნიტური ხვეულებით), საბჭოთა კოლეგა არის სინქროფაზოტრონი. საბჭოთა კავშირში ჯერ კიდევ გასული საუკუნის 30-იან წლებში დაიწყო ექსპერიმენტები თერმობირთვული ენერგიის დარგში, მაგრამ საკითხი ჯერ ბოლომდე გადაწყვეტილი არ არის.
უზარმაზარი თერმული ენერგია უკონტროლოა და გამოიყენება მხოლოდ თერმობირთვულ იარაღში. მსოფლიოში პირველი თერმობირთვული რეაქტორის პროექტი უკვე 10 წელია ამოქმედდა, მშენებლობა საფრანგეთში დაიწყო და მეცნიერთა აზრით, მსოფლიო პირველ კონტროლირებად თერმობირთვულ შერწყმას 2026 წელს იხილავს. თუ შესაძლებელი იქნება შერწყმის განხორციელება, მაშინ დიდი ალბათობით ელექტროენერგიის ფასები მკვეთრად დაეცემა, რადგან თერმობირთვული შერწყმისთვის საჭიროა მხოლოდ წყალი ...
შედარებისთვის ვთქვათ, რომ თუ 1 ჭიქა წყალი ექვემდებარება თერმობირთვულ შერწყმას, მაშინ შესაძლებელია ელექტროენერგიის მიწოდება პატარა ქალაქს 1 დღით! ეს არის წყლის ძალა! (უფრო ზუსტად, წყალბადი). მაგრამ გარდა თერმობირთვული შერწყმისა, არსებობს კიდევ რამდენიმე სახის ალტერნატიული გზა ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, მაგრამ ამის შესახებ შეგიძლიათ გაიგოთ ამ მიმოხილვაში, მადლობა ყურადღებისთვის - A. Kasyan.
განიხილეთ სტატია CONTROLLED Fusion
თერმობირთვული შერწყმა, მსუბუქი ატომური ბირთვების შერწყმის რეაქცია უფრო მძიმე ბირთვებში, რომელიც ხდება სუპერმაღალ ტემპერატურაზე და თან ახლავს უზარმაზარი ენერგიის გამოყოფას. ბირთვული შერწყმა არის ატომის დაშლის საპირისპირო რეაქცია: ამ უკანასკნელში ენერგია გამოიყოფა მძიმე ბირთვების მსუბუქ ბირთვებად დაყოფის გამო. იხილეთ ასევეᲑᲘᲠᲗᲕᲣᲚᲘ ᲓᲐᲨᲚᲐ; ბირთვული ენერგია.
თანამედროვე ასტროფიზიკური კონცეფციების თანახმად, მზის და სხვა ვარსკვლავების ენერგიის ძირითადი წყაროა თერმობირთვული შერწყმა, რომელიც ხდება მათ სიღრმეში. ხმელეთის პირობებში იგი წყალბადის ბომბის აფეთქების დროს ხორციელდება. თერმობირთვულ შერწყმას თან ახლავს კოლოსალური ენერგიის გამოყოფა რეაქტიული ნივთიერებების მასის ერთეულზე (დაახლოებით 10 მილიონი ჯერ მეტი, ვიდრე ქიმიურ რეაქციებში). ამიტომ, დიდი ინტერესია ამ პროცესის დაუფლება და მის საფუძველზე ენერგიის იაფი და ეკოლოგიურად სუფთა წყაროს შექმნა. თუმცა, იმისდა მიუხედავად, რომ მრავალ განვითარებულ ქვეყანაში დიდი სამეცნიერო და ტექნიკური გუნდი ჩართულია კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის (CTF) კვლევაში, ჯერ კიდევ ბევრი რთული პრობლემაა გადასაჭრელი, სანამ თერმობირთვული ენერგიის ინდუსტრიული წარმოება რეალობად იქცევა.
თანამედროვე ატომური ელექტროსადგურები, რომლებიც იყენებენ დაშლის პროცესს, მხოლოდ ნაწილობრივ აკმაყოფილებს მსოფლიოს ელექტროენერგიის მოთხოვნილებებს. მათთვის საწვავი არის ბუნებრივი რადიოაქტიური ელემენტები ურანი და თორიუმი, რომელთა გავრცელება და მარაგი ბუნებაში ძალზე შეზღუდულია; შესაბამისად, ბევრი ქვეყნისთვის არის მათი იმპორტის პრობლემა. თერმობირთვული საწვავის ძირითადი კომპონენტია წყალბადის იზოტოპი დეიტერიუმი, რომელიც გვხვდება ზღვის წყალში. მისი მარაგი საჯაროდ ხელმისაწვდომი და ძალიან დიდია (ოკეანეები მოიცავს დედამიწის ზედაპირის ~ 71%-ს, ხოლო დეიტერიუმი შეადგენს წყალბადის ატომების მთლიანი რაოდენობის დაახლოებით 0,016%-ს, რომლებიც ქმნიან წყალს). საწვავის ხელმისაწვდომობის გარდა, თერმობირთვული ენერგიის წყაროებს აქვთ შემდეგი მნიშვნელოვანი უპირატესობები ატომურ ელექტროსადგურებთან მიმართებაში: 1) UTS რეაქტორი შეიცავს გაცილებით ნაკლებ რადიოაქტიურ მასალებს, ვიდრე ბირთვული დაშლის რეაქტორი და, შესაბამისად, რადიოაქტიური პროდუქტების შემთხვევითი გათავისუფლების შედეგები ნაკლებია. საშიში; 2) თერმობირთვული რეაქციები წარმოქმნის ნაკლებ ხანგრძლივ რადიოაქტიურ ნარჩენებს; 3) TCB იძლევა ელექტროენერგიის პირდაპირი წარმოების საშუალებას.
არციმოვიჩ ლ.ა. კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციები. მ., 1963 წ
თბო და ატომური ელექტროსადგურები(წიგნი 1, ნაწილი 6; წიგნი 3, ნაწილი 8). მ., 1989 წ
იპოვნეთ "NUCLEAR FUSION" on
