Saskaņā ar mūsdienu astrofizikas koncepcijām galvenais Saules un citu zvaigžņu enerģijas avots ir kodolsintēze, kas notiek to dziļumos. Sauszemes apstākļos tas tiek veikts ūdeņraža bumbas sprādziena laikā. Kodoltermisko kodolsintēzi pavada milzīga enerģijas izdalīšanās uz reaģējošo vielu masas vienību (apmēram 10 miljonus reižu vairāk nekā ķīmiskās reakcijās). Tāpēc ir liela interese apgūt šo procesu un izmantot lētu un videi draudzīgu enerģijas avotu. Tomēr, neskatoties uz to, ka daudzās attīstītajās valstīs lielas zinātniskās un tehniskās komandas nodarbojas ar kontrolētās kodoltermiskās kodolsintēzes (CTF) izpēti, joprojām ir jāatrisina daudzas sarežģītas problēmas, pirms kodoltermiskās enerģijas rūpnieciskā ražošana kļūst par realitāti.

Mūsdienu kodolspēkstacijas, kurās izmanto skaldīšanas procesu, tikai daļēji apmierina pasaules elektroenerģijas vajadzības. To degviela ir dabiskie radioaktīvie elementi urāns un torijs, kuru daudzums un rezerves dabā ir ļoti ierobežotas; tādēļ daudzas valstis saskaras ar to importa problēmu. Kodoltermiskās degvielas galvenā sastāvdaļa ir ūdeņraža izotops deitērijs, kas atrodas jūras ūdenī. Tās rezerves ir publiski pieejamas un ļoti lielas (pasaules okeāni aizņem ~71% no Zemes virsmas, un deitērijs veido aptuveni 0,016% no kopējā ūdeņraža atomu skaita, kas veido ūdeni). Papildus degvielas pieejamībai kodoltermiskās enerģijas avotiem ir šādas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar atomelektrostacijām: 1) UTS reaktorā ir daudz mazāk radioaktīvo materiālu nekā kodola skaldīšanas reaktorā, un tāpēc radioaktīvo produktu nejaušas noplūdes sekas ir mazākas. bīstams; 2) kodoltermiskās reakcijas rezultātā rodas mazāk radioaktīvo atkritumu ar ilgu mūžu; 3) TCB ļauj tieši saņemt elektrību.

Kodolsintēzes FIZISKIE PAMATI

Veiksmīga saplūšanas reakcijas īstenošana ir atkarīga no izmantoto atomu kodolu īpašībām un spējas iegūt blīvu augstas temperatūras plazmu, kas nepieciešama reakcijas ierosināšanai.

Kodolspēki un reakcijas.

Enerģijas izdalīšanos kodolsintēzes laikā izraisa ārkārtīgi intensīvi pievilcīgi spēki, kas darbojas kodola iekšpusē; Šie spēki satur kopā protonus un neitronus, kas veido kodolu. Tie ir ļoti intensīvi ~ 10–13 cm attālumā un ļoti ātri vājina, palielinoties attālumam. Papildus šiem spēkiem pozitīvi uzlādēti protoni rada elektrostatiskos atgrūšanas spēkus. Elektrostatisko spēku diapazons ir daudz lielāks nekā kodolspēkiem, tāpēc tie sāk dominēt, kad kodoli tiek noņemti viens no otra.

Kā parādīja G. Gamovs, reakcijas iespējamība starp diviem tuvojošiem gaismas kodoliem ir proporcionāla , kur e – naturālo logaritmu bāze, Z 1 Un Z 2 – protonu skaits mijiedarbojošos kodolos, W ir viņu relatīvās pieejas enerģija, un K– pastāvīgs reizinātājs. Enerģija, kas nepieciešama reakcijas veikšanai, ir atkarīga no protonu skaita katrā kodolā. Ja tas ir vairāk par trim, tad šī enerģija ir pārāk liela un reakcija praktiski nav iespējama. Tādējādi, palielinoties Z 1 un Z 2 reakcijas iespējamība samazinās.

Divu kodolu mijiedarbības iespējamību raksturo “reakcijas šķērsgriezums”, ko mēra šķūņos (1 b = 10 –24 cm 2). Reakcijas šķērsgriezums ir efektīvais kodola šķērsgriezuma laukums, kurā citam kodolam ir “jāiekrīt”, lai notiktu to mijiedarbība. Šķērsgriezums deitērija reakcijai ar tritiju sasniedz maksimālo vērtību (~5 b), kad mijiedarbojošo daļiņu relatīvā tuvošanās enerģija ir 200 keV. Pie enerģijas 20 keV šķērsgriezums kļūst mazāks par 0,1 b.

No miljona paātrinātu daļiņu, kas sasniedz mērķi, ne vairāk kā viena nonāk kodolenerģijas mijiedarbībā. Pārējie izkliedē savu enerģiju uz mērķa atomu elektroniem un palēninās līdz ātrumam, kurā reakcija kļūst neiespējama. Līdz ar to cietā mērķa bombardēšanas metode ar paātrinātiem kodoliem (kā tas bija Kokrofta-Valtona eksperimentā) nav piemērota kontrolētai saplūšanai, jo šajā gadījumā iegūtā enerģija ir daudz mazāka nekā iztērētā enerģija.

Kodolsintēzes degvielas.

Reakcijas, kas ietver lpp, kurām ir liela nozīme kodolsintēzes procesos uz Saules un citām viendabīgām zvaigznēm, zemes apstākļos praktiski neinteresē, jo tām ir pārāk mazs šķērsgriezums. Kodolsintēzei uz zemes piemērotāks degvielas veids, kā minēts iepriekš, ir deitērijs.

Bet visticamākā reakcija notiek vienādā deitērija un tritija maisījumā (DT maisījums). Diemžēl tritijs ir radioaktīvs un tā īsā pussabrukšanas perioda (T 1/2 ~ 12,3 gadi) dēļ dabā praktiski nav sastopams. To ražo mākslīgi skaldīšanas reaktoros, kā arī kā blakusproduktu reakcijās ar deitēriju. Tomēr tritija trūkums dabā nav šķērslis DT saplūšanas reakcijas izmantošanai, jo tritiju var iegūt, apstarojot 6 Li izotopu ar neitroniem, kas rodas sintēzes laikā: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ja jūs ieskauj kodoltermisko kameru ar 6 Li slāni (dabiskais litijs satur 7%), tad jūs varat pilnībā reproducēt patērējamo tritiju. Un, lai gan praksē daži neitroni neizbēgami tiek zaudēti, to zudumu var viegli kompensēt, čaulā ievadot tādu elementu kā berilijs, kura kodols, vienam ātrajam neitronam trāpot tam, izstaro divus.

Kodolreaktora darbības princips.

Vieglo kodolu saplūšanas reakciju, kuras mērķis ir iegūt lietderīgu enerģiju, sauc par kontrolētu kodoltermisko saplūšanu. To veic temperatūrā, kas ir aptuveni simtiem miljonu Kelvina. Šis process līdz šim īstenots tikai laboratorijās.

Laika un temperatūras apstākļi.

Noderīgas kodoltermiskās enerģijas iegūšana ir iespējama tikai tad, ja ir izpildīti divi nosacījumi. Pirmkārt, sintēzei paredzētais maisījums jāuzsilda līdz temperatūrai, kurā kodolu kinētiskā enerģija nodrošina lielu to saplūšanas iespējamību sadursmes gadījumā. Otrkārt, reaģējošajam maisījumam jābūt ļoti labi siltumizolētam (tas ir, augsta temperatūra ir jāuztur pietiekami ilgi, lai notiktu nepieciešamais reakciju skaits un tādējādi izdalītā enerģija pārsniegtu kurināmā sildīšanai patērēto enerģiju).

Kvantitatīvā veidā šis nosacījums ir izteikts šādi. Lai uzsildītu kodoltermisko maisījumu, vienam kubikcentimetram no tā tilpuma jāpiešķir enerģija P 1 = knT, Kur k- skaitliskais koeficients, n– maisījuma blīvums (kodolu skaits uz 1 cm3), T- nepieciešamā temperatūra. Lai uzturētu reakciju, kodoltermiskajam maisījumam piešķirtā enerģija jāuztur laiku t. Lai reaktors būtu enerģētiski izdevīgs, nepieciešams, lai šajā laikā tajā izdalītos vairāk kodoltermiskās enerģijas, nekā tika iztērēts apkurei. Izdalīto enerģiju (arī uz 1 cm3) izsaka šādi:

Kur f(T) – koeficients atkarībā no maisījuma temperatūras un tā sastāva, R– enerģija, kas izdalās vienā elementārā sintēzes aktā. Tad nosacījums enerģijas rentabilitātei P 2 > P 1 tiks izmantota forma

Pēdējā nevienlīdzība, kas pazīstama kā Lawson kritērijs, ir perfektas siltumizolācijas prasību kvantitatīva izpausme. Labā puse - “Lawson numurs” - ir atkarīga tikai no maisījuma temperatūras un sastāva, un jo augstāks tas ir, jo stingrākas ir siltumizolācijas prasības, t.i. jo grūtāk ir izveidot reaktoru. Pieļaujamās temperatūras apgabalā Lousona skaitlis tīram deitērijam ir 10 16 s/cm 3 un vienkomponentu DT maisījumam – 2×10 14 s/cm 3 . Tādējādi DT maisījums ir vēlamā kodolsintēzes degviela.

Saskaņā ar Lousona kritēriju, kas nosaka blīvuma un ieslodzījuma laika reizinājuma enerģētiski labvēlīgo vērtību, kodolreaktoram jāizmanto pēc iespējas lielāks n vai t. Tāpēc pētījumi par kontrolēto kodolsintēzi ir novirzījušies divos dažādos virzienos: pirmajā pētnieki mēģināja saturēt salīdzinoši reti sastopamu plazmu, izmantojot magnētisko lauku pietiekami ilgu laiku; otrajā, izmantojot lāzerus, lai uz īsu laiku izveidotu plazmu ar ļoti augstu blīvumu. Pirmajai pieejai ir veltīts daudz vairāk darba nekā otrajai.

Magnētiskās plazmas ierobežojums.

Sapludināšanas reakcijas laikā karstā reaģenta blīvumam jāpaliek tādā līmenī, kas nodrošinātu pietiekami augstu lietderīgās enerģijas iznākumu uz tilpuma vienību pie spiediena, ko plazmas kamera spēj izturēt. Piemēram, deitērija-tritija maisījumam 10 8 K temperatūrā iznākumu nosaka izteiksme

Ja mēs pieņemam P vienāds ar 100 W/cm 3 (kas aptuveni atbilst enerģijai, ko izdala kodola skaldīšanas reaktoros degvielas elementi), tad blīvums n jābūt apm. 10 15 kodoli/cm 3, un attiecīgais spiediens nT- aptuveni 3 MPa. Šajā gadījumā, saskaņā ar Lawson kritēriju, aiztures laikam jābūt vismaz 0,1 s. Deitērija-deitērija plazmai 10 9 K temperatūrā

Šajā gadījumā, kad P= 100 W/cm 3, n» 3Х10 15 kodoli/cm 3 un spiediens aptuveni 100 MPa, nepieciešamais aiztures laiks būs vairāk nekā 1 s. Ņemiet vērā, ka šie blīvumi ir tikai 0,0001 no atmosfēras gaisa blīvuma, tāpēc reaktora kamera ir jāevakuē augstā vakuumā.

Iepriekš minētie ieslodzījuma laika, temperatūras un blīvuma aprēķini ir tipiski minimālie parametri, kas nepieciešami kodolsintēzes reaktora darbībai, un tos ir vieglāk sasniegt deitērija-tritija maisījuma gadījumā. Runājot par kodoltermiskajām reakcijām, kas notiek ūdeņraža bumbas sprādziena laikā un zvaigžņu zarnās, jāpatur prātā, ka pilnīgi atšķirīgu apstākļu dēļ pirmajā gadījumā tās norit ļoti ātri, bet otrajā - ārkārtīgi lēni, salīdzinot. procesiem termokodolreaktorā.

Plazma.

Kad gāze tiek spēcīgi uzkarsēta, tās atomi zaudē daļu vai visus elektronus, kā rezultātā veidojas pozitīvi lādētas daļiņas, ko sauc par joniem un brīvajiem elektroniem. Temperatūrā virs miljona grādiem gāze, kas sastāv no viegliem elementiem, tiek pilnībā jonizēta, t.i. katrs no tā atomiem zaudē visus savus elektronus. Gāzi jonizētā stāvoklī sauc par plazmu (terminu ieviesa I. Langmuirs). Plazmas īpašības būtiski atšķiras no neitrālās gāzes īpašībām. Tā kā plazmā ir brīvie elektroni, plazma ļoti labi vada elektrību, un tās vadītspēja ir proporcionāla T 3/2. Plazmu var sildīt, izlaižot caur to elektrisko strāvu. Ūdeņraža plazmas vadītspēja 10 8 K temperatūrā ir tāda pati kā vara istabas temperatūrā. Plazmas siltumvadītspēja ir arī ļoti augsta.

Lai saglabātu plazmu, piemēram, 10 8 K temperatūrā, tai jābūt droši termiski izolētai. Principā plazmu var izolēt no kameras sienām, ievietojot to spēcīgā magnētiskajā laukā. To nodrošina spēki, kas rodas, strāvām mijiedarbojoties ar plazmas magnētisko lauku.

Magnētiskā lauka ietekmē joni un elektroni pārvietojas spirālē pa tā lauka līnijām. Pāreja no vienas lauka līnijas uz otru ir iespējama daļiņu sadursmes laikā un tad, kad tiek pielietots šķērsvirziena elektriskais lauks. Ja nav elektrisko lauku, augstas temperatūras reta plazma, kurā sadursmes notiek reti, magnētiskā lauka līnijās izkliedēsies tikai lēni. Ja magnētiskā lauka līnijas ir aizvērtas, piešķirot tām cilpas formu, tad plazmas daļiņas pārvietosies pa šīm līnijām, paliekot cilpas zonā. Papildus šādai slēgtai magnētiskai konfigurācijai plazmas norobežošanai ir ierosinātas atvērtas sistēmas (ar lauka līnijām, kas stiepjas uz āru no kameras galiem), kurās daļiņas paliek kameras iekšpusē magnētisko "spraudņu" dēļ, kas ierobežo daļiņu kustību. Magnētiskie aizbāžņi tiek izveidoti kameras galos, kur, pakāpeniski palielinot lauka intensitāti, veidojas sašaurinošs lauka līniju stars.

Praksē pietiekami augsta blīvuma plazmas magnētiskā norobežošana ir izrādījusies nebūtiska: tajā bieži rodas magnetohidrodinamiskā un kinētiskā nestabilitāte.

Magnetohidrodinamiskā nestabilitāte ir saistīta ar magnētiskā lauka līniju līkumiem un saliekumiem. Šajā gadījumā plazma var sākt pārvietoties pa magnētisko lauku kluču veidā, dažu sekundes miljondaļu laikā tā pamet norobežojuma zonu un atdos siltumu kameras sienām. Šādas nestabilitātes var nomākt, piešķirot magnētiskajam laukam noteiktu konfigurāciju.

Kinētiskās nestabilitātes ir ļoti dažādas, un tās ir pētītas mazāk detalizēti. Starp tiem ir tādi, kas izjauc sakārtotus procesus, piemēram, tiešās elektriskās strāvas plūsmu vai daļiņu plūsmu caur plazmu. Citas kinētiskās nestabilitātes izraisa lielāku plazmas šķērseniskās difūzijas ātrumu magnētiskajā laukā, nekā paredz sadursmes teorija klusai plazmai.

Sistēmas ar slēgtu magnētisko konfigurāciju.

Ja jonizētai vadošai gāzei tiek pielikts spēcīgs elektriskais lauks, tajā parādīsies izlādes strāva, tajā pašā laikā parādīsies magnētiskais lauks, kas to ieskauj. Magnētiskā lauka mijiedarbība ar strāvu novedīs pie saspiešanas spēku parādīšanās, kas iedarbojas uz uzlādētajām gāzes daļiņām. Ja strāva plūst pa vadošā plazmas vada asi, tad radušies radiālie spēki, piemēram, gumijas lentes, saspiež vadu, virzot plazmas robežu prom no kameras sienām, kas to satur. Šo fenomenu, ko teorētiski prognozēja V. Benets 1934. gadā un pirmo reizi eksperimentāli demonstrēja A. Vars 1951. gadā, sauc par saspiešanas efektu. Plazmas saturēšanai tiek izmantota šķipsnu metode; Tās ievērojamā iezīme ir tā, ka gāze tiek uzkarsēta līdz augstām temperatūrām ar pašas elektriskās strāvas palīdzību (omiskā apkure). Metodes principiālā vienkāršība noveda pie tās izmantošanas pirmajos mēģinājumos saturēt karstu plazmu, un vienkāršās saspiešanas efekta izpēte, neskatoties uz to, ka vēlāk to aizstāja ar progresīvākām metodēm, ļāva labāk izprast problēmas. ar ko eksperimentētāji saskaras vēl šodien.

Papildus plazmas difūzijai radiālā virzienā tiek novērota arī gareniskā dreifēšana un tās izeja caur plazmas auklas galiem. Zudumus caur galiem var novērst, piešķirot plazmas kamerai virtuļa (toru) formu. Šajā gadījumā tiek iegūta toroidāla šķipsna.

Iepriekš aprakstītajai vienkāršajai šķipsnai nopietna problēma ir tai raksturīgā magnetohidrodinamiskā nestabilitāte. Ja plazmas pavedienā rodas neliels izliekums, tad magnētiskā lauka līniju blīvums līkuma iekšpusē palielinās (1. att.). Magnētiskā lauka līnijas, kas uzvedas kā saišķi, kas pretojas saspiešanai, sāks ātri “izspiesties”, tādējādi izliekums palielināsies, līdz tiek iznīcināta visa plazmas vada struktūra. Rezultātā plazma nonāks saskarē ar kameras sienām un atdziest. Lai novērstu šo destruktīvo parādību, pirms galvenās aksiālās strāvas izlaišanas kamerā tiek izveidots gareniskais magnētiskais lauks, kas kopā ar vēlāk pielietotu riņķveida lauku “iztaisno” plazmas kolonnas sākušos līkumu (2. att.). Plazmas kolonnas stabilizācijas princips ar aksiālo lauku ir pamats diviem daudzsološiem kodoltermisko reaktoru projektiem - tokamakam un šķipsniņam ar apgrieztu magnētisko lauku.

Atvērt magnētiskās konfigurācijas.

Inerciālā saglabāšana.

Teorētiskie aprēķini liecina, ka kodolsintēze ir iespējama, neizmantojot magnētiskos slazdus. Lai to izdarītu, īpaši sagatavots mērķis (deitērija bumbiņa ar aptuveni 1 mm rādiusu) tiek ātri saspiests līdz tik augstam blīvumam, ka kodoltermiskajai reakcijai ir laiks pabeigties, pirms degvielas mērķis iztvaiko. Saspiešanu un uzsildīšanu līdz kodoltermiskām temperatūrām var veikt ar īpaši jaudīgiem lāzera impulsiem, vienmērīgi un vienlaicīgi apstarojot degvielas lodi no visām pusēm (4. att.). Tūlītēji iztvaicējot tās virsmas slāņiem, izplūstošās daļiņas iegūst ļoti lielu ātrumu, un bumba tiek pakļauta lieliem spiedes spēkiem. Tie ir līdzīgi reaktīvajiem spēkiem, kas virza raķeti, ar vienīgo atšķirību, ka šeit šie spēki ir vērsti uz iekšu, uz mērķa centru. Šī metode var radīt spiedienu aptuveni 10 11 MPa un blīvumu 10 000 reižu lielāku par ūdens blīvumu. Pie šāda blīvuma gandrīz visa kodoltermiskā enerģija izdalīsies neliela sprādziena veidā ~10–12 s laikā. Notiekošie mikrosprādzieni, no kuriem katrs ir līdzvērtīgs 1-2 kg trotila, neradīs reaktora bojājumus, un šādu mikrosprādzienu secības īstenošana īsos intervālos ļautu realizēt gandrīz nepārtrauktu. lietderīgās enerģijas ražošana. Inerciālai norobežošanai ļoti svarīga ir degvielas mērķa konstrukcija. Mērķis koncentrisku sfēru veidā, kas izgatavots no smagiem un viegliem materiāliem, nodrošinās visefektīvāko daļiņu iztvaikošanu un līdz ar to arī vislielāko kompresiju.

Aprēķini liecina, ka ar lāzera starojuma enerģiju megadžoulu (10 6 J) apmērā un lāzera efektivitāti vismaz 10%, saražotajai kodoltermiskajai enerģijai jāpārsniedz enerģija, kas iztērēta lāzera sūknēšanai. Kodolāzeru iekārtas ir pieejamas pētniecības laboratorijās Krievijā, ASV, Rietumeiropā un Japānā. Pašlaik tiek pētīta iespēja lāzera stara vietā izmantot smago jonu staru vai apvienot šādu staru ar gaismas staru. Pateicoties mūsdienu tehnoloģijām, šai reakcijas ierosināšanas metodei ir priekšrocības salīdzinājumā ar lāzera metodi, jo tā ļauj iegūt vairāk lietderīgās enerģijas. Trūkums ir grūtības fokusēt staru uz mērķi.

IEKĀRTAS AR MAGNĒTISKO TURĒTĀJU

Plazmas ieslodzījuma magnētiskās metodes tiek pētītas Krievijā, ASV, Japānā un vairākās Eiropas valstīs. Galvenā uzmanība tiek pievērsta toroidāla tipa instalācijām, piemēram, tokamaks un šķipsnu ar apgrieztu magnētisko lauku, kas parādījās vienkāršāku šķipsnu izstrādes rezultātā ar stabilizējošu garenisko magnētisko lauku.

Plazmas norobežošanai, izmantojot toroidālo magnētisko lauku Bj ir nepieciešams radīt apstākļus, kuros plazma nepārvietojas uz tora sienām. Tas tiek panākts, "griežot" magnētiskā lauka līnijas (tā sauktā "rotācijas transformācija"). Šo vērpšanu veic divos veidos. Pirmajā metodē caur plazmu tiek izvadīta strāva, kas noved pie jau apspriestās stabilās šķipsnas konfigurācijas. Strāvas magnētiskais lauks B q Ј – B q kopā ar B j izveido kopsavilkuma lauku ar nepieciešamo izliekumu. Ja B j B q, iegūtā konfigurācija ir pazīstama kā tokamaks (izteiciena “TORIDAL CHAMBER WITH MAGNETIC COILS” saīsinājums). Tokamak (5. att.) tika izstrādāts L. A. Artsimoviča vadībā nosauktajā Atomenerģijas institūtā. I. V. Kurčatovs Maskavā. Plkst B j ~ B q mēs iegūstam šķipsnu konfigurāciju ar apgrieztu magnētisko lauku.

Otrajā metodē tiek izmantoti speciāli spirālveida tinumi ap toroidālo plazmas kameru, lai nodrošinātu ierobežotās plazmas līdzsvaru. Šajos tinumos esošās strāvas rada sarežģītu magnētisko lauku, izraisot kopējā lauka spēka līniju sagriešanos tora iekšpusē. Šādu instalāciju, ko sauc par stellaratoru, Prinstonas Universitātē (ASV) izstrādāja L. Špicers un viņa kolēģi.

Tokamaks.

Svarīgs parametrs, no kura ir atkarīga toroidālās plazmas ierobežošana, ir “stabilitātes robeža”. q, vienāds rB j/ R.B. q, kur r Un R ir attiecīgi mazais un lielais toroidālās plazmas rādiuss. Zemā līmenī q Var veidoties spirālveida nestabilitāte - taisnas šķipsnas lieces nestabilitātes analogs. Zinātnieki Maskavā eksperimentāli pierādījuši, ka kad q> 1 (t.i. B j B q) skrūvju nestabilitātes rašanās iespēja ir ievērojami samazināta. Tas ļauj efektīvi izmantot strāvas radīto siltumu plazmas sildīšanai. Daudzu gadu pētījumu rezultātā tokamaku īpašības ir ievērojami uzlabojušās, jo īpaši pateicoties palielinātam lauka viendabīgumam un efektīvai vakuuma kameras tīrīšanai.

Krievijā iegūtie iepriecinošie rezultāti stimulēja tokamaku radīšanu daudzās laboratorijās visā pasaulē, un to konfigurācija kļuva par intensīvas izpētes objektu.

Plazmas omiskā karsēšana tokamakā nav pietiekama, lai veiktu kodolsintēzes reakciju. Tas ir saistīts ar faktu, ka, karsējot plazmu, tās elektriskā pretestība ievērojami samazinās, kā rezultātā strauji samazinās siltuma veidošanās strāvas pārejas laikā. Tokamakā nav iespējams palielināt strāvu virs noteiktas robežas, jo plazmas vads var zaudēt stabilitāti un tikt izmests uz kameras sienām. Tāpēc plazmas karsēšanai tiek izmantotas dažādas papildu metodes. Visefektīvākie no tiem ir augstas enerģijas neitrālu atomu staru iesmidzināšana un mikroviļņu apstarošana. Pirmajā gadījumā joni, kas paātrināti līdz 50–200 keV enerģijām, tiek neitralizēti (lai izvairītos no magnētiskā lauka “atspīdēšanas”, kad tie tiek ievadīti kamerā) un ievadīti plazmā. Šeit tie atkal tiek jonizēti un sadursmju procesā atdod savu enerģiju plazmai. Otrajā gadījumā tiek izmantots mikroviļņu starojums, kura frekvence ir vienāda ar jonu ciklotrona frekvenci (jonu rotācijas biežumu magnētiskajā laukā). Šajā frekvencē blīva plazma uzvedas kā absolūti melns ķermenis, t.i. pilnībā absorbē krītošo enerģiju. Eiropas Savienības JET tokamakā plazma ar jonu temperatūru 280 miljoni Kelvinu un ieslodzījuma laiku 0,85 s tika iegūta, injicējot neitrālas daļiņas. Kodoltermiskā jauda, ​​kas sasniedza 2 MW, tika iegūta, izmantojot deitērija-tritija plazmu. Reakcijas uzturēšanas ilgumu ierobežo piemaisījumu parādīšanās kameras sienu izsmidzināšanas dēļ: piemaisījumi iekļūst plazmā un, jonizējot, ievērojami palielina enerģijas zudumus starojuma dēļ. Šobrīd darbs JET programmas ietvaros ir vērsts uz izpēti par iespēju kontrolēt piemaisījumus un tos izvadīt t.s. "magnētiskais novirzītājs".

Lielie tokamaki tika radīti arī ASV - TFTR, Krievijā - T15 un Japānā - JT60. Šajos un citos objektos veiktie pētījumi lika pamatu turpmākam darba posmam kontrolētās kodolsintēzes jomā: 2010. gadā plānots palaist lielu reaktoru tehniskajai pārbaudei. Paredzams, ka tas būs ASV, Krievijas, Eiropas Savienības un Japānas kopīgs darbs. Skatīt arī TOKAMAK.

Apgrieztā lauka saspiešana (FRP).

POP konfigurācija atšķiras no tokamaka ar to, ka tā B q~ B j , bet šajā gadījumā toroidālā lauka virziens ārpus plazmas ir pretējs tā virzienam plazmas kolonnas iekšpusē. J. Taylor parādīja, ka šāda sistēma ir stāvoklī ar minimālu enerģiju un, neskatoties uz q

POP konfigurācijas priekšrocība ir tāda, ka tajā plazmas un magnētiskā lauka tilpuma enerģijas blīvumu attiecība (vērtība b) ir lielāka nekā tokamakā. Ir ļoti svarīgi, lai b būtu pēc iespējas lielāks, jo tas samazinās toroidālo lauku un līdz ar to samazinās to spoļu izmaksas, kas to rada, un visu atbalsta struktūru. POP vājums ir tas, ka šo sistēmu siltumizolācija ir sliktāka nekā tokamakiem, un nav atrisināta problēma ar apgrieztā lauka uzturēšanu.

Stellarators.

Stellaratorā slēgtu toroidālo magnētisko lauku pārklāj lauks, ko rada īpašas skrūves tinums, kas aptīts ap kameras korpusu. Kopējais magnētiskais lauks novērš plazmas novirzi no centra un nomāc noteikta veida magnetohidrodinamiskās nestabilitātes. Pati plazmu var izveidot un sildīt ar jebkuru no metodēm, ko izmanto tokamakā.

Galvenā stellaratora priekšrocība ir tā, ka tajā izmantotā norobežošanas metode nav saistīta ar strāvas klātbūtni plazmā (kā tokamakos vai instalācijās, kuru pamatā ir saspiešanas efekts), un tāpēc stellarators var darboties stacionārā režīmā. Turklāt skrūvju tinumam var būt “divertora” efekts, t.i. attīra plazmu no piemaisījumiem un noņem reakcijas produktus.

Plazmas ierobežošana stellaratoros ir plaši pētīta Eiropas Savienības, Krievijas, Japānas un ASV iekārtās. Wendelstein VII stellaratorā Vācijā bija iespējams uzturēt strāvu nenesošu plazmu, kuras temperatūra pārsniedz 5×10 6 kelvinus, to uzsildot, ievadot augstas enerģijas atomu staru kūli.

Jaunākie teorētiskie un eksperimentālie pētījumi ir parādījuši, ka lielākajā daļā aprakstīto instalāciju un īpaši slēgtās toroidālās sistēmās plazmas ieslodzījuma laiku var palielināt, palielinot tās radiālos izmērus un ierobežojošo magnētisko lauku. Piemēram, tokamakam ir aprēķināts, ka Lousona kritērijs tiks izpildīts (un pat ar nelielu rezervi) pie magnētiskā lauka intensitātes ~ 50 x 100 kG un neliela toroidālās kameras rādiusa apm. 2 m Tie ir uzstādīšanas parametri 1000 MW elektroenerģijas.

Veidojot tik lielas instalācijas ar magnētiskās plazmas norobežojumu, rodas pilnīgi jaunas tehnoloģiskas problēmas. Lai izveidotu magnētisko lauku apmēram 50 kg vairāku kubikmetru tilpumā, izmantojot ūdens dzesēšanas vara spoles, būs nepieciešams elektroenerģijas avots ar jaudu vairākus simtus megavatu. Tāpēc ir acīmredzams, ka spoļu tinumiem jābūt izgatavotiem no supravadošiem materiāliem, piemēram, niobija sakausējumiem ar titānu vai alvu. Šo materiālu pretestība elektriskajai strāvai supravadītāja stāvoklī ir nulle, un tāpēc magnētiskā lauka uzturēšanai tiks patērēts minimāls elektroenerģijas daudzums.

Reaktoru tehnoloģija.

Kodoltermiskās izpētes perspektīvas.

Eksperimenti, kas veikti ar tokamaka tipa iekārtām, ir parādījuši, ka šī sistēma ir ļoti daudzsološa kā iespējamais pamats CTS reaktoram. Līdz šim labākie rezultāti ir sasniegti ar tokamakiem, un ir cerība, ka, attiecīgi palielinoties instalāciju apjomam, uz tiem būs iespējams ieviest rūpniecisko CTS. Tomēr tokamaks nav pietiekami ekonomisks. Lai novērstu šo trūkumu, ir nepieciešams, lai tas darbotos nevis impulsa režīmā, kā tas ir tagad, bet nepārtrauktā režīmā. Bet šīs problēmas fiziskie aspekti vēl nav pietiekami izpētīti. Tāpat nepieciešams izstrādāt tehniskos līdzekļus, kas uzlabotu plazmas parametrus un novērstu tās nestabilitāti. Ņemot to visu vērā, nevajadzētu aizmirst arī par citām iespējamām, kaut arī mazāk attīstītām, termokodolreaktora iespējām, piemēram, stellaratoru vai lauka apgrieztu šķipsnu. Pētījumu stāvoklis šajā jomā ir sasniedzis stadiju, kurā ir konceptuālas reaktoru konstrukcijas lielākajai daļai augstas temperatūras plazmu magnētiskās ierobežošanas sistēmu un dažām inerciālām norobežošanas sistēmām. Tokamaka rūpnieciskās attīstības piemērs ir Aries projekts (ASV).

Termonukleārā reakcija- Tā ir vieglo kodolu saplūšanas reakcija smagākos.

Lai to īstenotu, ir nepieciešams, lai sākotnējie nukleoni vai vieglie kodoli būtu tuvāk attālumiem, kas vienādi vai mazāki par kodola pievilcīgo spēku darbības sfēras rādiusu (t.i., attālumiem 10–15 m). Šo savstarpējo kodolu pieeju novērš Kulona atgrūšanas spēki, kas darbojas starp pozitīvi lādētiem kodoliem. Lai notiktu kodolsintēzes reakcija, ir nepieciešams uzkarsēt augsta blīvuma vielu līdz īpaši augstām temperatūrām (apmēram simtiem miljonu Kelvinu), lai kodolu termiskās kustības kinētiskā enerģija būtu pietiekama Kulona pārvarēšanai. atgrūdošie spēki. Šādās temperatūrās viela pastāv plazmas formā. Tā kā kodolsintēze var notikt tikai ļoti augstā temperatūrā, kodolsintēzes reakcijas sauc par kodoltermiskām reakcijām (no grieķu valodas. termo"siltums, siltums").

Kodoltermiskās reakcijas atbrīvo milzīgu enerģiju. Piemēram, deitērija sintēzes reakcijā ar hēlija veidošanos

\(~^2_1D + \ ^2_1D \uz \ ^3_2Viņš + \ ^1_0n\)

Tiek atbrīvota 3,2 MeV enerģija. Deitērija sintēzes reakcijā ar tritija veidošanos

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

Atbrīvojas 4,0 MeV enerģijas, un reakcijā

\(~^2_1D + \ ^3_1T \uz \ ^4_2Viņš + \ ^1_0n\)

Tiek atbrīvota 17,6 MeV enerģija.

Rīsi. 1. Deitērija-tritija reakcijas shēma

Pašlaik kontrolētu kodoltermisko reakciju veic deitērija \(~^2H\) un tritija \(~^3H\) sintēze. Deitērija rezervēm vajadzētu pietikt miljoniem gadu, un ar viegli iegūstamām litija rezervēm (tritija ražošanai) pietiek, lai nodrošinātu vajadzības simtiem gadu.

Tomēr šīs reakcijas laikā lielākā daļa (vairāk nekā 80%) atbrīvotās kinētiskās enerģijas nāk no neitrona. Fragmentu sadursmes ar citiem atomiem rezultātā šī enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā. Turklāt ātrie neitroni rada ievērojamu daudzumu radioaktīvo atkritumu.

Tāpēc daudzsološākās ir “bez neitronu” reakcijas, piemēram, deitērijs + hēlijs-3.

\(~D + \ ^3Viņš \uz \ ^4Viņš + p\)

Šai reakcijai nav neitronu izvades, kas atņem ievērojamu daļu jaudas un rada inducētu radioaktivitāti reaktora konstrukcijā. Turklāt hēlija-3 rezerves uz Zemes svārstās no 500 kg līdz 1 tonnai, bet uz Mēness tas atrodams ievērojamā daudzumā: līdz 10 miljoniem tonnu (pēc minimālajām aplēsēm - 500 tūkstoši tonnu). Tajā pašā laikā to var viegli ražot uz Zemes no dabā plaši izplatītā litija-6, izmantojot esošos kodola skaldīšanas reaktorus.

Kodolieroči

Uz Zemes pirmā kodoltermiskā reakcija tika veikta ūdeņraža bumbas sprādzienā 1953. gada 12. augustā Semipalatinskas poligonā. “Viņas tēvs” bija akadēmiķis Andrejs Dmitrijevičs Saharovs, kuram trīs reizes tika piešķirts Sociālistiskā darba varoņa tituls par kodoltermisko ieroču izstrādi. Augstā temperatūra, kas nepieciešama termokodolreakcijas sākšanai ūdeņraža bumbā, tika iegūta tās sastāvā esošās atombumbas sprādzienā, kas pildīja detonatora lomu. Termiskās kodolreakcijas, kas notiek ūdeņraža bumbas sprādzienu laikā, ir nekontrolējamas.

Rīsi. 2. Ūdeņraža bumba

Skatīt arī

Kontrolētas kodoltermiskās reakcijas

Ja zemes apstākļos būtu iespējams veikt viegli kontrolējamas kodoltermiskās reakcijas, cilvēce saņemtu praktiski neizsmeļamu enerģijas avotu, jo ūdeņraža rezerves uz Zemes ir milzīgas. Tomēr lielas tehniskas grūtības traucē īstenot enerģētiski labvēlīgas kontrolētas kodoltermiskās reakcijas. Pirmkārt, ir jārada temperatūras 10 8 K. Šādas īpaši augstas temperatūras var iegūt, radot lielas jaudas elektriskās izlādes plazmā.

Tokamaks

Šī metode tiek izmantota “Tokamak” tipa instalācijās (TO-riodal CHAMBER with Magnetic Coils), kas pirmo reizi tika izveidotas nosauktajā Atomenerģijas institūtā. I. V. Kurčatova. Šādās instalācijās plazma tiek izveidota toroidālā kamerā, kas ir jaudīga impulsa transformatora sekundārais tinums. Tās primārais tinums ir savienots ar ļoti lielas jaudas kondensatoru banku. Kamera ir piepildīta ar deitēriju. Kad kondensatoru akumulators tiek izlādēts caur primāro tinumu toroidālā kamerā, tiek ierosināts virpuļveida elektriskais lauks, izraisot deitērija jonizāciju un spēcīga elektriskās strāvas impulsa parādīšanos tajā, kas izraisa spēcīgu gāzes un augstas temperatūras plazmas veidošanās, kurā var notikt kodoltermiskā reakcija.

Rīsi. 3. Reaktora darbības shematiskā diagramma

Galvenās grūtības ir noturēt plazmu kamerā 0,1-1 s bez saskares ar kameras sienām, jo ​​nav materiālu, kas izturētu tik augstu temperatūru. Šo grūtību var daļēji pārvarēt ar toroidālā magnētiskā lauka palīdzību, kurā atrodas kamera. Magnētisko spēku ietekmē plazma tiek savīta auklā un it kā “uzkaras” uz magnētiskā lauka indukcijas līnijām, nepieskaroties kameras sienām.

Par mūsdienu laikmeta sākumu kodoltermiskās kodolsintēzes iespēju izpētē jāuzskata 1969. gads, kad Krievijas Tokamak T3 iekārtā plazmā ar tilpumu aptuveni 1 m 3 tika sasniegta 3 M°C temperatūra. Pēc tam zinātnieki visā pasaulē atzina tokamaka dizainu par visdaudzsološāko magnētiskās plazmas ierobežošanai. Dažu gadu laikā tika pieņemts drosmīgs lēmums izveidot JET (Joint European Torus) instalāciju ar ievērojami lielāku plazmas tilpumu (100 m 3). Ierīces darbības cikls ir aptuveni 1 minūte, jo tās toroidālās spoles ir izgatavotas no vara un ātri uzsilst. Šī iekārta sāka darboties 1983. gadā un joprojām ir pasaulē lielākais tokamaks, kas nodrošina plazmas sildīšanu līdz 150 M°C temperatūrai.

Rīsi. 4. JET reaktora projektēšana

2006. gadā Krievijas, Dienvidkorejas, Ķīnas, Japānas, Indijas, Eiropas Savienības un ASV pārstāvji Parīzē parakstīja vienošanos, lai sāktu darbu pie pirmā starptautiskā Tokamaka eksperimentālā reaktora (ITER) būvniecības. ITER reaktora magnētiskās spoles būs balstītas uz supravadošiem materiāliem (kas principā nodrošina nepārtrauktu darbību, kamēr plazmā tiek uzturēta strāva), tāpēc dizaineri cer nodrošināt garantētu vismaz 10 minūšu ilgu darba ciklu.

Rīsi. 5. ITER reaktora projektēšana.

Reaktors tiks būvēts netālu no Kadarašas pilsētas, kas atrodas 60 kilometrus no Marseļas Francijas dienvidos. Būvlaukuma sagatavošanas darbi sāksies nākamā gada pavasarī. Paša reaktora celtniecību paredzēts sākt 2009. gadā.

Būvdarbi ilgs desmit gadus, darbus pie reaktora paredzēts veikt divdesmit gadus. Projekta kopējās izmaksas ir aptuveni 10 miljardi ASV dolāru. Četrdesmit procentus izmaksu segs Eiropas Savienība, sešdesmit procentus vienādās daļās sadalīs pārējie projekta dalībnieki.

Skatīt arī

1. Starptautiskais eksperimentālais kodolsintēzes reaktors
2. Jauna iekārta kodolsintēzes palaišanai: 25.01.2010

Lāzera saplūšana (LSF)

Vēl viens veids, kā sasniegt šo mērķi, ir lāzera kodolsintēze. Šīs metodes būtība ir šāda. Saldēts deitērija un tritija maisījums, kas sagatavots bumbiņu veidā, kuru diametrs ir mazāks par 1 mm, tiek vienmērīgi apstarots no visām pusēm ar spēcīgu lāzera starojumu. Tas noved pie vielas sildīšanas un iztvaikošanas no bumbiņu virsmas. Šajā gadījumā spiediens lodīšu iekšpusē palielinās līdz vērtībām, kas ir aptuveni 10 15 Pa. Šāda spiediena ietekmē lodīšu centrālajā daļā palielinās blīvums un spēcīga vielas karsēšana un sākas kodoltermiskā reakcija.

Atšķirībā no magnētiskās plazmas norobežojuma, lāzera ierobežošanas laiks (t.i., plazmas ar augstu blīvumu un temperatūru kalpošanas laiks, kas nosaka kodoltermisko reakciju ilgumu) ir 10-10 - 10-11 s, tāpēc LTS var būt tikai tiek veikta impulsa režīmā. Priekšlikums izmantot lāzerus kodoltermiskai kodolsintēzei pirmo reizi tika izteikts Fizikālajā institūtā. P. N. Ļebedevs no PSRS Zinātņu akadēmijas 1961. gadā N. G. Basovs un O. N. Krokhins.

Lorensa Livermora Nacionālajā laboratorijā Kalifornijā tika pabeigta pasaulē jaudīgākā lāzeru kompleksa būvniecība (2009. gada maijā). To sauca par ASV Nacionālo aizdedzes iekārtu (NIF). Celtniecība ilga 12 gadus. Lāzeru kompleksam tika iztērēti 3,5 miljardi dolāru.

Rīsi. 7. ULS shematiskā diagramma

NIF pamatā ir 192 jaudīgi lāzeri, kas vienlaikus tiks virzīti uz milimetru sfērisku mērķi (apmēram 150 mikrogrami kodoltermiskās degvielas - deitērija un tritija maisījums; nākotnē radioaktīvo tritiju varēs aizstāt ar vieglo hēlija-3 izotopu ). Rezultātā mērķa temperatūra sasniegs 100 miljonus grādu, savukārt spiediens bumbas iekšpusē būs 100 miljardus reižu lielāks nekā zemes atmosfēras spiediens.

Skatīt arī

1. Kontrolēta kodolsintēze: TOKAMAKI pret lāzera saplūšanu 16.05.2009.

Sintēzes priekšrocības

Kodolsintēzes reaktoru izmantošanas atbalstītāji elektroenerģijas ražošanai min šādus argumentus par labu:

• praktiski neizsmeļamas degvielas (ūdeņraža) rezerves. Piemēram, ogļu daudzums, kas nepieciešams, lai darbinātu termoelektrostaciju ar jaudu 1 GW, ir 10 000 tonnu dienā (desmit dzelzceļa vagoni), un tādas pašas jaudas atomelektrostacija dienā patērēs tikai aptuveni 1 kilogramu maisījuma. D + T . Vidēja izmēra ezers var nodrošināt jebkuru valsti ar enerģiju simtiem gadu. Tas neļauj vienai vai valstu grupai monopolizēt degvielu;
• sadegšanas produktu trūkums;
• nav nepieciešams izmantot materiālus, kurus var izmantot kodolieroču ražošanai, tādējādi novēršot sabotāžas un terorisma gadījumus;
• salīdzinot ar kodolreaktoriem, rodas neliels daudzums radioaktīvo atkritumu ar īsu pussabrukšanas periodu;
• kodolsintēzes reakcija nerada atmosfēras oglekļa dioksīda emisijas, kas ir galvenais globālās sasilšanas veicinātājs.

Kāpēc kodoltermisko iekārtu izveide prasīja tik ilgu laiku?

1. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka kodolsintēzes enerģijas praktiskās izmantošanas problēma neprasa steidzamus lēmumus un darbības, jo vēl pagājušā gadsimta 80. gados fosilā kurināmā avoti šķita neizsmeļami, vides problēmas un klimata pārmaiņas nesatrauca sabiedrību. Balstoties uz ASV Ģeoloģijas dienesta aplēsēm (2009), globālās naftas ieguves pieaugums turpināsies ne ilgāk kā nākamos 20 gadus (citi eksperti prognozē, ka ieguves maksimums tiks sasniegts pēc 5-10 gadiem), pēc tam naftas ieguves apjoms tiks sasniegts pēc 5-10 gadiem. gadā saražotās naftas apjoms sāks samazināties aptuveni 3% apmērā. Dabasgāzes ražošanas izredzes neizskatās daudz labākas. Parasti saka, ka ogļu mums pietiks vēl 200 gadiem, taču šī prognoze balstās uz esošā ražošanas un patēriņa līmeņa saglabāšanu. Tikmēr ogļu patēriņš šobrīd pieaug par 4,5% gadā, kas uzreiz samazina minēto 200 gadu periodu līdz nieka 50 gadiem! No teiktā ir skaidrs, ka tagad mums ir jāgatavojas beigām fosilā kurināmā izmantošanas laikmets. 2. Kodoltermisko iekārtu nevar izveidot un demonstrēt mazos izmēros. Kodoltermisko iekārtu zinātniskās un tehniskās iespējas un priekšrocības var pārbaudīt un demonstrēt tikai diezgan lielās stacijās, piemēram, minētajā ITER reaktorā. Sabiedrība vienkārši nebija gatava finansēt tik lielus projektus, kamēr nebija pietiekamas pārliecības par panākumiem.

Kontrolēta kodolsintēze ir interesants fizisks process, kas (joprojām teorētiski) var glābt pasauli no enerģijas atkarības no fosilā kurināmā avotiem. Procesa pamatā ir atomu kodolu sintēze no vieglākiem uz smagākiem ar enerģijas atbrīvošanu. Atšķirībā no cita atoma izmantošanas veida – enerģijas izdalīšanas no tā kodolreaktoros, kad tas sabrūk – kodolsintēze uz papīra praktiski neatstās radioaktīvus blakusproduktus.

Kodolsintēzes reaktori atdarina kodolprocesu saulē, sagraujot vieglākus atomus un pārvēršot tos smagākos, pa ceļam atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. Uz Saules šo procesu virza gravitācija. Uz Zemes inženieri mēģina atjaunot apstākļus kodolsintēzei, izmantojot ārkārtīgi augstu temperatūru - apmēram 150 miljonus grādu -, taču viņiem ir problēmas ar plazmas saturēšanu, kas nepieciešama atomu saplūšanai.

Vienu no uzbūvētajiem risinājumiem pārstāv ITER, kas agrāk bija pazīstams kā Starptautiskais kodoltermiskais eksperimentālais reaktors, kas kopš 2010. gada tiek būvēts Karadašā, Francijā. Pirmie eksperimenti, kas sākotnēji bija plānoti 2018. gadā, ir pārcelti uz 2025. gadu.

Tikai pirms dažām dienām mēs ziņojām, ka pirmais

Ir labi zināms, ka smagajiem atomu kodoliem sadaloties kodolreakciju laikā, tiek atbrīvots liels enerģijas daudzums. Tomēr bija iespējams konstatēt, ka gaismas kodolu saplūšana atbrīvo vēl lielāku enerģijas daudzumu. Šādas reakcijas sauca par kodoltermiskām.

Kodoltermisko reakciju būtība

Kodoltermiskās reakcijas ir vieglo kodolu saplūšanas reakcijas, kas notiek augstā temperatūrā un atbrīvo lielu daudzumu enerģijas. Hēlija sintēze no ūdeņraža notiek pie t = 108 ˚C. Viena grama hēlija sintēzes rezultātā izdalās 4,2*1011 J. Šī enerģija ir ekvivalenta enerģijai, kas izdalās pilnīgas 4 gramu urāna skaldīšanas laikā vai sadedzinot 10 tonnas dīzeļdegvielas. Termiskās kodolreakcijas var atrast zvaigznēs, kur vielas temperatūra un spiediens rada piemērotus apstākļus saplūšanai.

Hēlija saplūšanas kodoltermiskā reakcija ietver ūdeņraža izotopus: tritiju un deitēriju:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

Kad deitērijs un tritijs saplūst hēlija kodolā, tiek atbrīvots neitrons un enerģija E = 17,6 MeV.

Termonukleāro reakciju nosacījumi

Lai notiktu kodoltermiskās reakcijas, ir nepieciešami noteikti apstākļi. Ir nepieciešams tuvināt šo izotopu kodolus. Atomu kodoliem ir pozitīvs lādiņš, un tāpēc, kad tie saplūst, iedarbojas Kulona spēki, izstumjot šos lādiņus.

Attiecīgi, lai notiktu kodolsintēze, ir jāpārvar atgrūdošie spēki. Tas ir iespējams tikai tad, ja pašiem kodoliem ir ļoti liela enerģija, galvenokārt kustības kinētiskā enerģija, tas ir, ja to ātrums ir pietiekami liels.

Izotopu kodoliem šāds ātrums var būt tikai ļoti augstā temperatūrā. Ir nepieciešams dot daļiņām pietiekamu ātrumu, lai tās varētu tuvoties viena otrai ≈ 10^-14 m attālumā.. Šādā attālumā sāk darboties kodola pievilcības spēki.

Šādu temperatūru var sasniegt tikai ar atombumbas eksploziju. Tas ir, lai radītu kodoltermisko reakciju, vispirms ir jāizveido kodolreakcija, un tad temperatūra būs pietiekama, lai tuvinātu ūdeņraža izotopu kodolus un veiktu kodoltermisko reakciju. Šis process tika īstenots ūdeņraža bumbā, visspēcīgākajā cilvēka izgudrotajā.

Kontrolētas kodoltermiskās reakcijas

Tomēr mūsdienās nekontrolēta kodoltermiskā reakcija vairs nav aktuāla. Lai iegūto enerģiju pārvērstu elektroenerģijā, ir jāapgūst kontrolēta kodoltermiskā reakcija. Bet ir problēma. Sasniedzot temperatūru, kas ir pietiekama vieglo kodolu saplūšanas reakcijai, viela pārstāj būt ne tikai cieta, šķidra vai gāzveida, bet tā kļūst par plazmu.

Tas ir, jebkurš reaktors šādā temperatūrā uzreiz iztvaiko. Tam nepieciešama pavisam cita pieeja. Mūsdienās ir iespējams saturēt plazmu ierobežotā platībā, izmantojot īpaši jaudīgus elektriskos magnētus. Bet vēl nav bijis iespējams pilnībā izmantot kodoltermiskās reakcijas rezultātā iegūto enerģiju.

"Mēs teicām, ka ieliksim Sauli kastē. Ideja ir lieliska. Bet problēma ir tā, ka mēs nezinām, kā izveidot šo lodziņu. ”- Pjērs Žils de Ženss, 1991. gada Nobela prēmijas laureāts fizikā.

Lai gan kodolreakcijām uz Zemes un kosmosā kopumā ir nepieciešams diezgan daudz smago elementu, termokodolreakcijām gan uz Zemes, gan kosmosā ir daudz vieglo elementu. Tāpēc ideja par kodolenerģijas izmantošanu cilvēces labā radās gandrīz uzreiz, saprotot tās pamatā esošos procesus - tas solīja patiesi neierobežotas iespējas, jo kodoltermiskās degvielas rezervēm uz Zemes vajadzēja pietikt desmitiem tūkstošu gados.

Jau 1951. gadā parādījās divi galvenie kodoltermisko reaktoru attīstības virzieni: Andrejs Saharovs un Igors Tamms izstrādāja tokamaka arhitektūru, kurā darba kamera bija tors, savukārt Laimans Špicers piedāvāja sarežģītāka dizaina arhitektūru, kas visvairāk atgādina apgriezta Mobiusa sloksne nevis vienu, bet vairākas reizes.

Tokamaka pamatkonstrukcijas vienkāršība ļāva attīstīt šo virzienu ilgu laiku, palielinot parasto un supravadošo magnētu īpašības, kā arī pakāpeniski palielinot reaktora izmērus. Bet, palielinoties plazmas parametriem, pakāpeniski sāka parādīties problēmas ar tās nestabilo uzvedību, kas palēnināja procesu.

Stelatora dizaina sarežģītība pilnībā noveda pie tā, ka pēc pirmajiem eksperimentiem 50. gados šī virziena attīstība uz ilgu laiku apstājās. Tas ieguva jaunu elpu pavisam nesen, kad parādījās modernās datorizētās projektēšanas sistēmas, kas ļāva izveidot Wendelstein 7-X stelatoru ar tā darbībai nepieciešamajiem parametriem un dizaina precizitāti.

Procesa fizika un problēmas tā īstenošanā

Dzelzs atomiem ir maksimālā saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu — tas ir, enerģijas mērs, kas jāpatērē, lai atomu sadalītu tā sastāvā esošajos neitronos un protonos, dalīts ar to kopējo skaitu. Visiem atomiem ar mazāku un lielāku masu šis indikators ir zem dzelzs:

Šajā gadījumā kodoltermiskajās reakcijās, kad notiek gaismas atomu saplūšana līdz dzelzim, tiek atbrīvota enerģija, un iegūtā atoma masa kļūst nedaudz mazāka par sākotnējo atomu masu summu par summu, kas korelē ar atbrīvoto enerģiju. pēc formulas E = mc² (tā sauktais masas defekts). Tādā pašā veidā par dzelzi smagāku atomu kodoldalīšanās reakcijās izdalās enerģija.

Atomu saplūšanas reakcijās izdalās milzīga enerģija, taču, lai šo enerģiju iegūtu, vispirms ir jāpieliek zināmas pūles, lai pārvarētu atgrūdošos spēkus starp pozitīvi lādētiem atomu kodoliem (pārvarētu Kulona barjeru). Pēc tam, kad mums ir izdevies savienot atomu pāri līdz vajadzīgajam attālumam, sāk darboties spēcīga kodolenerģijas mijiedarbība, kas saista neitronus un protonus. Katram degvielas veidam Kulona barjera reakcijas sākumam ir atšķirīga, tāpat kā optimālā reakcijas temperatūra ir atšķirīga:

Šajā gadījumā pirmās atomu kodoltermiskās reakcijas sāk reģistrēt ilgi pirms vielas vidējā temperatūra sasniedz šo barjeru, jo atomu kinētiskā enerģija ir pakļauta Maksvela sadalījumam:

Taču reakcija salīdzinoši zemā temperatūrā (vairāku miljonu °C) norit ārkārtīgi lēni. Tātad, pieņemsim, centrā temperatūra sasniedz 14 miljonus °C, bet kodoltermiskās reakcijas īpatnējā jauda šādos apstākļos ir tikai 276,5 W/m³, un Saulei ir nepieciešami vairāki miljardi gadu, lai pilnībā iztērētu savu degvielu. Kodolreaktoram šādi apstākļi ir nepieņemami, jo pie tik zema enerģijas izdalīšanās līmeņa mēs neizbēgami tērēsim vairāk kodoldegvielas sildīšanai un saspiešanai, nekā saņemsim no reakcijas pretī.

Paaugstinoties degvielas temperatūrai, arvien lielākai daļai atomu enerģija pārsniedz Kulona barjeru, un reakcijas efektivitāte palielinās, sasniedzot maksimumu. Tālāk paaugstinoties temperatūrai, reakcijas ātrums atkal sāk kristies tāpēc, ka atomu kinētiskā enerģija kļūst pārāk augsta un tie “pāršauj” viens otru, nespējot tos noturēt kopā ar spēcīgu kodolu mijiedarbību.

Tādējādi risinājums, kā iegūt enerģiju no kontrolētas kodoltermiskās reakcijas, tika iegūts diezgan ātri, taču šī uzdevuma īstenošana ievilkās pusgadsimtu un vēl nav pabeigta. Iemesls tam slēpjas patiesi ārprātīgajos apstākļos, kādos izrādījās nepieciešams ievietot kodoldegvielu - lai reakcija būtu pozitīva, tās temperatūrai bija jābūt vairākiem desmitiem miljonu °C.

Neviena siena fiziski nevarēja izturēt šādu temperatūru, taču šī problēma gandrīz nekavējoties noveda pie tās risinājuma: tā kā līdz šādai temperatūrai uzkarsēta viela ir karsta plazma (pilnībā jonizēta gāze), kas ir pozitīvi uzlādēta, izrādījās, ka šķīdums atrodas uz virsmas. mums vienkārši bija jāievieto tāda sakarsēta plazma spēcīgā magnētiskajā laukā, kas noturēs kodoldegvielu drošā attālumā no sienām.

Progress tās īstenošanā

Pētījumi par šo tēmu vienlaikus notiek vairākos virzienos:

1. Izmantojot supravadošus magnētus, zinātnieki cenšas samazināt enerģiju, kas tiek tērēta reakcijas aizdedzināšanai un uzturēšanai;
2. ar jauno supravadītāju paaudžu palīdzību palielinās magnētiskā lauka indukcija reaktora iekšienē, kas ļauj noturēt plazmu ar lielāku blīvumu un temperatūru, kas palielina reaktoru īpatnējo jaudu uz tilpuma vienību;
3. karstās plazmas pētījumi un skaitļošanas tehnoloģiju sasniegumi ļauj labāk kontrolēt plazmas plūsmas, tādējādi tuvinot kodolsintēzes reaktorus to teorētiskajām efektivitātes robežām;
4. Progress iepriekšējā jomā arī ļauj ilgāk saglabāt plazmu stabilā stāvoklī, kas palielina reaktora efektivitāti, jo mums nav nepieciešams tik bieži uzsildīt plazmu.

Neskatoties uz visām grūtībām un problēmām, kas bija ceļā uz kontrolētu kodoltermisko reakciju, šis stāsts jau tuvojas beigām. Enerģētikas nozarē degvielas efektivitātes aprēķināšanai ir ierasts izmantot EROEI rādītāju - enerģijas atdevi no ieguldījumiem enerģijā (kurināmā ražošanā iztērētās enerģijas attiecība pret enerģijas daudzumu, ko mēs galu galā iegūstam no tā). Un, lai gan ogļu EROEI turpina augt, šis naftas un gāzes rādītājs sasniedza augstāko līmeni pagājušā gadsimta vidū un tagad nepārtraukti krītas, jo jaunas šo kurināmo atradnes atrodas arvien nepieejamākās vietās un vienmēr. lielāks dziļums:

Tajā pašā laikā mēs arī nevaram palielināt ogļu ieguvi tāpēc, ka enerģijas iegūšana no tām ir ļoti netīrs process un burtiski šobrīd atņem cilvēku dzīvības no dažādām plaušu slimībām. Tā vai citādi mēs šobrīd stāvam uz fosilā kurināmā laikmeta beigu sliekšņa – un tās nav vides aizstāvju mahinācijas, bet gan banāli ekonomiski aprēķini, raugoties nākotnē. Tajā pašā laikā eksperimentālo kodoltermisko reaktoru EROI, kas arī parādījās pagājušā gadsimta vidū, stabili auga un 2007. gadā sasniedza viena psiholoģisko barjeru - proti, šogad pirmo reizi cilvēcei izdevās iegūt vairāk enerģijas. kodolreakciju, nekā iztērēja tās īstenošanai. Un neskatoties uz to, ka reaktora ieviešana, eksperimenti ar to un pirmās demonstrācijas kodoltermiskās elektrostacijas DEMO izgatavošana, pamatojoties uz ITER ieviešanas laikā gūto pieredzi, vēl prasīs daudz laika. Vairs nav šaubu, ka mūsu nākotne ir šādos reaktoros.

Pētījuma kritika

Galvenā kritika par kodolsintēzes reaktoru pētniecību ir tāda, ka pētījumi norit ārkārtīgi lēni. Un tā ir taisnība – no pirmajiem eksperimentiem līdz līdzsvara termokodolreakcijas radīšanai mums bija nepieciešami pat 66 gadi. Taču problēmas būtība šeit ir tāda, ka finansējums šādiem pētījumiem nekad nav sasniedzis nepieciešamo līmeni – lūk, piemērs ASV Enerģētikas pētniecības un attīstības administrācijas aplēsēm par kodolsintēzes reaktora projekta finansējuma līmeni un tā pabeigšanas laiku:

Kā redzams no šī grafika, pārsteidzoši ir ne tikai tas, ka mums joprojām nav komerciālu kodoltermisko reaktoru, kas ražo elektrību, bet arī tas, ka šobrīd esam spējuši sasniegt jebkādu pozitīvu enerģijas izlaidi no eksperimentālajiem reaktoriem.