Uma nova técnica foi desenvolvida para desacelerar efetivamente os elétrons descontrolados, introduzindo íons "pesados", como néon ou argônio, no reator.

Um reator de fusão funcional ainda é um sonho, mas pode se tornar realidade graças aos muitos estudos e experimentos com o objetivo de liberar um suprimento ilimitado de energia limpa. Os problemas que os cientistas enfrentam para obter a fusão nuclear são, sem dúvida, graves e difíceis, mas tudo é superável. E parece que um dos principais problemas está resolvido.

A fusão nuclear não é um processo inventado pela humanidade, mas originalmente existente na natureza, o processo alimenta nosso Sol. Nas profundezas de nossa estrela, átomos de hidrogênio se juntam para formar hélio, que inicia o processo. A fusão libera uma enorme quantidade de energia, mas custa muito para criar pressão e temperatura extremamente altas, o que é difícil de reproduzir na Terra de maneira controlada.

No ano passado, pesquisadores do MIT nos aproximaram da fusão colocando plasmas na pressão certa, agora dois pesquisadores da Chalmers University descobriram outra peça do quebra-cabeça.

Um problema que os engenheiros encontraram são os elétrons descontrolados. Esses elétrons de energia extremamente alta podem acelerar repentina e inesperadamente a velocidades muito altas, o que pode destruir a parede do reator sem aviso prévio.

Os estudantes de doutorado Linnea Heshlow e Ole Amberose desenvolveram uma nova técnica para desacelerar efetivamente esses elétrons descontrolados, introduzindo íons "pesados", como néon ou argônio, no reator. Como resultado, os elétrons, colidindo com uma carga alta nos núcleos desses íons, desaceleram e se tornam muito mais controláveis.

“Quando pudermos efetivamente desacelerar os elétrons descontrolados, estaremos um passo mais perto de um reator de fusão funcional”, diz Linnea Heshlov.

Os pesquisadores criaram um modelo que pode prever efetivamente a energia e o comportamento dos elétrons. Usando modelagem matemática de plasma, os físicos agora podem controlar efetivamente a velocidade de escape dos elétrons sem interromper o processo de fusão.

“Muitas pessoas acreditam que isso funcionará, mas é mais fácil ir a Marte do que realizar uma fusão”, diz Linnea Heshlov: “Você poderia dizer que estamos tentando coletar estrelas aqui na Terra, e isso pode levar algum tempo. São necessárias temperaturas incrivelmente altas, mais quentes que o centro do sol, para nos fundirmos com sucesso aqui na Terra. Então espero que seja tudo uma questão de tempo."

baseado em newatlas.com, tradução

9 de julho de 2016

Projetos inovadores usando supercondutores modernos em breve permitirão a fusão termonuclear controlada, dizem alguns otimistas. Especialistas, no entanto, prevêem que a aplicação prática levará várias décadas.

Por que é tão difícil?

A energia de fusão é considerada uma fonte potencial de energia para o futuro. Esta é a energia pura do átomo. Mas o que é e por que é tão difícil de alcançar? Para começar, precisamos entender a diferença entre a fissão nuclear clássica e a fusão termonuclear.

A fissão do átomo consiste no fato de que isótopos radioativos - urânio ou plutônio - são divididos e convertidos em outros isótopos altamente radioativos, que devem ser enterrados ou reciclados.

A reação de fusão consiste no fato de dois isótopos de hidrogênio - deutério e trítio - se fundirem em um único todo, formando hélio atóxico e um único nêutron, sem produzir resíduos radioativos.

Problema de controle

As reações que ocorrem no Sol ou em uma bomba de hidrogênio são a fusão termonuclear, e os engenheiros enfrentam uma tarefa difícil - como controlar esse processo em uma usina?

Isso é algo em que os cientistas vêm trabalhando desde a década de 1960. Outro reator de fusão experimental chamado Wendelstein 7-X começou a operar na cidade de Greifswald, no norte da Alemanha. Ele ainda não foi projetado para criar uma reação - é apenas um design especial que está sendo testado (um stellarator em vez de um tokamak).

plasma de alta energia

Todas as instalações termonucleares têm uma característica comum - uma forma anular. Baseia-se na ideia de usar eletroímãs poderosos para criar um forte campo eletromagnético em forma de toro - um tubo de bicicleta inflado.

Esse campo eletromagnético deve ser tão denso que, quando aquecido em um forno de micro-ondas a um milhão de graus Celsius, um plasma deve aparecer bem no centro do anel. É então inflamado para que a fusão termonuclear possa começar.

Demonstração de possibilidades

Dois desses experimentos estão atualmente em andamento na Europa. Um deles é o Wendelstein 7-X, que recentemente gerou seu primeiro plasma de hélio. O outro é o ITER, uma enorme instalação de fusão experimental no sul da França que ainda está em construção e estará pronta para entrar em operação em 2023.

Prevê-se que ocorram reacções nucleares reais no ITER, embora apenas por um curto período de tempo e certamente não superior a 60 minutos. Este reator é apenas um dos muitos passos no caminho para tornar a fusão nuclear uma realidade.

Reator de fusão: menor e mais potente

Recentemente, vários projetistas anunciaram um novo projeto de reator. De acordo com um grupo de estudantes do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, além de representantes da empresa de armas Lockheed Martin, a fusão pode ser realizada em instalações muito mais poderosas e menores que o ITER, e eles estão prontos para fazê-lo em dez anos.

A ideia do novo projeto é usar supercondutores modernos de alta temperatura em eletroímãs, que exibem suas propriedades quando resfriados com nitrogênio líquido, em vez dos convencionais, que exigem hélio líquido. A nova e mais flexível tecnologia permitirá alterar completamente o projeto do reator.

Klaus Hesch, responsável pela tecnologia de fusão nuclear do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, no sudoeste da Alemanha, está cético. Ele suporta o uso de novos supercondutores de alta temperatura para novos projetos de reatores. Mas, segundo ele, não basta desenvolver algo em um computador, levando em conta as leis da física. É preciso levar em conta os desafios que surgem ao colocar uma ideia em prática.

Ficção científica

Segundo Hesh, o modelo de estudante do MIT mostra apenas a possibilidade de um projeto. Mas na verdade é muita ficção científica. O projeto pressupõe a resolução de sérios problemas técnicos de fusão termonuclear. Mas a ciência moderna não tem ideia de como resolvê-los.

Um desses problemas é a ideia de bobinas dobráveis. Os eletroímãs podem ser desmontados para entrar no anel que contém o plasma no modelo de design do MIT.

Isso seria muito útil porque seria possível acessar objetos no sistema interno e substituí-los. Mas, na realidade, os supercondutores são feitos de material cerâmico. Centenas deles devem ser entrelaçados de maneira sofisticada para formar o campo magnético correto. E aqui há dificuldades mais fundamentais: as conexões entre eles não são tão simples quanto as conexões dos cabos de cobre. Ninguém sequer pensou em conceitos que ajudariam a resolver tais problemas.

muito quente

A alta temperatura também é um problema. No núcleo do plasma de fusão, a temperatura atingirá cerca de 150 milhões de graus Celsius. Este calor extremo permanece no local - bem no centro do gás ionizado. Mas mesmo ao seu redor ainda está muito quente - de 500 a 700 graus na zona do reator, que é a camada interna de um tubo de metal no qual o trítio necessário para que ocorra a fusão nuclear "se reproduzirá".

O reator de fusão tem um problema ainda maior - o chamado power release. Esta é a parte do sistema que recebe o combustível usado do processo de fusão, principalmente o hélio. Os primeiros componentes metálicos em que o gás quente entra são chamados de "desviador". Pode aquecer até mais de 2000°C.

Problema de desvio

Para que a instalação resista a essas temperaturas, os engenheiros estão tentando usar o metal de tungstênio usado nas antigas lâmpadas incandescentes. O ponto de fusão do tungstênio é de cerca de 3000 graus. Mas também existem outras limitações.

No ITER, isso pode ser feito, pois o aquecimento nele não ocorre constantemente. Supõe-se que o reator operará apenas 1-3% do tempo. Mas isso não é uma opção para uma usina que precisa funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana. E, se alguém afirma ser capaz de construir um reator menor com a mesma potência do ITER, é seguro dizer que ele não tem uma solução para o problema do desviador.

Usina elétrica em poucas décadas

No entanto, os cientistas estão otimistas com o desenvolvimento de reatores termonucleares, embora não seja tão rápido quanto alguns entusiastas preveem.

O ITER deve mostrar que a fusão controlada pode realmente produzir mais energia do que seria gasto no aquecimento do plasma. O próximo passo é construir uma nova usina de demonstração híbrida que realmente gere eletricidade.

Os engenheiros já estão trabalhando em seu projeto. Eles terão que aprender com o ITER, que está programado para ser lançado em 2023. Dado o tempo necessário para projeto, planejamento e construção, parece improvável que a primeira usina de fusão seja lançada muito antes de meados do século XXI.

Fusão a frio Rossi

Em 2014, um teste independente do reator E-Cat concluiu que o dispositivo teve uma média de 2.800 watts de potência em um período de 32 dias com um consumo de 900 watts. Isso é mais do que qualquer reação química é capaz de isolar. O resultado fala ou de um avanço na fusão termonuclear ou de uma fraude total. O relatório decepcionou os céticos, que duvidam se o teste foi realmente independente e sugerem uma possível falsificação dos resultados do teste. Outros estão ocupados descobrindo os "ingredientes secretos" que permitem que a fusão de Rossi replique a tecnologia.

Rossi é um golpista?

Andrea é imponente. Ele publica proclamações ao mundo em inglês único na seção de comentários de seu site, pretensiosamente chamado de Journal of Nuclear Physics. Mas suas tentativas anteriores fracassadas incluíram um projeto italiano de transformação de resíduos em combustível e um gerador termoelétrico. Petroldragon, um projeto de transformação de resíduos em energia, falhou em parte porque o despejo ilegal de resíduos é controlado pelo crime organizado italiano, que apresentou acusações criminais contra ele por violar os regulamentos de gerenciamento de resíduos. Ele também criou um dispositivo termoelétrico para o Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, mas durante os testes, o dispositivo produziu apenas uma fração da energia declarada.

Muitos não confiam em Rossi, e o editor-chefe do New Energy Times o chamou sem rodeios de criminoso com uma série de projetos de energia fracassados ​​por trás dele.

Verificação independente

Rossi assinou um contrato com a empresa americana Industrial Heat para realizar um teste secreto de um ano de uma usina de fusão a frio de 1 MW. O dispositivo era um contêiner de transporte embalado com dezenas de E-Cats. O experimento teve que ser controlado por um terceiro que pudesse confirmar que a geração de calor estava realmente ocorrendo. Rossi afirma ter passado grande parte do ano passado praticamente morando em um contêiner e supervisionando as operações por mais de 16 horas por dia para provar a viabilidade comercial do E-Cat.

A prova terminou em março. Os partidários de Rossi aguardavam ansiosamente o relatório dos observadores, esperando a absolvição de seu herói. Mas no final eles foram processados.

Tentativas

Em um processo judicial da Flórida, Rossi afirma que o teste foi bem-sucedido e um árbitro independente confirmou que o reator E-Cat produz seis vezes mais energia do que consome. Ele também alegou que a Industrial Heat concordou em pagar a ele US$ 100 milhões - US$ 11,5 milhões adiantados após o teste de 24 horas (ostensivamente por direitos de licenciamento para que a empresa pudesse vender a tecnologia nos EUA) e outros US$ 89 milhões após a conclusão bem-sucedida do teste estendido. . dentro de 350 dias. Rossi acusou IH de executar um "esquema fraudulento" para roubar sua propriedade intelectual. Ele também acusou a empresa de se apropriar indevidamente de reatores E-Cat, copiar ilegalmente tecnologias e produtos inovadores, funcionalidades e designs e abusar de uma patente de sua propriedade intelectual.

Mina de ouro

Em outros lugares, Rossi afirma que em uma de suas manifestações, a IH recebeu US$ 50-60 milhões de investidores e outros US$ 200 milhões da China após uma repetição envolvendo altos funcionários chineses. Se isso for verdade, então muito mais de cem milhões de dólares estão em jogo. A Industrial Heat descartou essas alegações como infundadas e vai se defender ativamente. Mais importante, ela afirma que "trabalhou por mais de três anos para confirmar os resultados que Rossi supostamente alcançou com sua tecnologia E-Cat, tudo sem sucesso".

IH não acredita no E-Cat, e o New Energy Times não vê razão para duvidar disso. Em junho de 2011, um representante da publicação visitou a Itália, entrevistou Rossi e filmou uma demonstração de seu E-Cat. Um dia depois, ele relatou suas sérias preocupações sobre o método de medição de energia térmica. Após 6 dias, o jornalista postou seu vídeo no YouTube. Especialistas de todo o mundo lhe enviaram análises, que foram publicadas em julho. Ficou claro que isso era uma farsa.

Confirmação experimental

No entanto, vários pesquisadores - Alexander Parkhomov da Universidade da Amizade dos Povos da Rússia e do Projeto Memorial Martin Fleishman (MFPM) - conseguiram replicar a fusão a frio da Rússia. O relatório do MFPM foi intitulado "O fim da era do carbono está próximo". O motivo de tanta admiração foi a descoberta de uma explosão de radiação gama, que só pode ser explicada por uma reação termonuclear. Segundo os pesquisadores, Rossi tem exatamente o que está falando.

Uma receita aberta viável para a fusão a frio poderia desencadear uma corrida do ouro da energia. Métodos alternativos podem ser encontrados para contornar as patentes de Rossi e mantê-lo fora do negócio multibilionário de energia.

Então, talvez Rossi prefira evitar essa confirmação.

3. Problemas de fusão termonuclear controlada

Pesquisadores em todos os países desenvolvidos depositam suas esperanças em superar a próxima crise de energia com uma reação termonuclear controlada. Tal reação - a síntese de hélio a partir de deutério e trítio - ocorre no Sol há milhões de anos e, sob condições terrestres, há cinquenta anos eles tentam realizá-la em instalações de laser gigantes e muito caras, tokamaks (um dispositivo para realizar uma reação de fusão termonuclear em plasma quente) e stellarators (armadilha magnética fechada para conter plasma de alta temperatura). No entanto, existem outras maneiras de resolver esse difícil problema e, em vez de enormes tokamaks, provavelmente será possível usar um colisor bastante compacto e barato - um acelerador de feixes em colisão - para a implementação da fusão termonuclear.

Tokamak requer quantidades muito pequenas de lítio e deutério para operar. Por exemplo, um reator com potência elétrica de 1 GW queima cerca de 100 kg de deutério e 300 kg de lítio por ano. Se assumirmos que todas as usinas termonucleares produzirão 10 trilhões. kW/h de eletricidade por ano, ou seja, tanto quanto todas as usinas da Terra produzem hoje, então as reservas mundiais de deutério e lítio serão suficientes para abastecer a humanidade com energia por muitos milhões de anos.

Além da fusão de deutério e lítio, uma fusão puramente solar é possível quando dois átomos de deutério são combinados. Se essa reação for dominada, os problemas de energia serão resolvidos imediatamente e para sempre.

Em qualquer uma das versões conhecidas de fusão termonuclear controlada (CTF), as reações termonucleares não podem entrar no modo de aumento descontrolado de potência, portanto, tais reatores não são intrinsecamente seguros.

Do ponto de vista físico, o problema é formulado de forma simples. Para que ocorra uma reação de fusão nuclear autossustentável, é necessário e suficiente satisfazer duas condições.

1. A energia dos núcleos participantes da reação deve ser de pelo menos 10 keV. Para que a fusão nuclear comece, os núcleos que participam da reação devem cair no campo de forças nucleares, cujo raio é 10-12-10-13 s.cm. No entanto, os núcleos atômicos têm uma carga elétrica positiva e cargas semelhantes se repelem. No limite da ação das forças nucleares, a energia de repulsão de Coulomb é de cerca de 10 keV. Para superar essa barreira, os núcleos na colisão devem ter uma energia cinética pelo menos não inferior a esse valor.

2. O produto da concentração dos núcleos reagentes e o tempo de retenção durante o qual eles retêm a energia indicada deve ser de pelo menos 1014 s.cm-3. Essa condição - o chamado critério de Lawson - determina o limite da rentabilidade energética da reação. Para que a energia liberada na reação de fusão pelo menos cubra os custos de energia de iniciar a reação, os núcleos atômicos devem sofrer muitas colisões. Em cada colisão em que ocorre uma reação de fusão entre deutério (D) e trítio (T), 17,6 MeV de energia são liberados, ou seja, aproximadamente 3,10-12 J. Se, por exemplo, 10 MJ de energia são gastos na ignição, então a reação quebrará mesmo se pelo menos 3,1018 pares D-T participarem dele. E para isso, um plasma de alta energia bastante denso deve ser mantido no reator por um longo tempo. Esta condição é expressa pelo critério de Lawson.

Se ambos os requisitos puderem ser atendidos simultaneamente, o problema da fusão termonuclear controlada será resolvido.

No entanto, a implementação técnica deste problema físico enfrenta enormes dificuldades. Afinal, uma energia de 10 keV é uma temperatura de 100 milhões de graus. Uma substância a tal temperatura pode ser mantida por frações de segundo apenas no vácuo, isolando-a das paredes da instalação.

Mas existe outro método para resolver esse problema - uma fusão a frio. O que é uma fusão a frio - este é um análogo de uma reação termonuclear "quente" que ocorre à temperatura ambiente.

Na natureza, existem pelo menos duas maneiras de mudar a matéria dentro de uma dimensão do continuum. Você pode ferver água no fogo, ou seja, termicamente, ou num forno de micro-ondas, i.e. frequência. O resultado é o mesmo - a água ferve, a única diferença é que o método de frequência é mais rápido. Ele também usa a conquista de temperatura ultra-alta para dividir o núcleo do átomo. O método térmico dá uma reação nuclear descontrolada. A energia de uma fusão a frio é a energia do estado de transição. Uma das principais condições para o projeto de um reator para a realização de uma reação de fusão a frio é a condição de sua forma piramidal-cristalina. Outra condição importante é a presença de campos magnéticos rotativos e de torção. A intersecção dos campos ocorre no ponto de equilíbrio instável do núcleo de hidrogênio.

Cientistas Ruzi Taleiarkhan do Laboratório Nacional de Oak Ridge, Richard Leikhi da Universidade Politécnica. Renssilira e o acadêmico Robert Nigmatulin - registraram uma reação termonuclear fria em laboratório.

O grupo usou um béquer de acetona líquida do tamanho de dois a três copos. As ondas sonoras passavam intensamente pelo líquido, produzindo um efeito conhecido na física como cavitação acústica, cuja consequência é a sonoluminescência. Durante a cavitação, pequenas bolhas apareceram no líquido, que aumentaram para dois milímetros de diâmetro e explodiram. As explosões foram acompanhadas por flashes de luz e liberação de energia, ou seja, a temperatura dentro das bolhas no momento da explosão atingiu 10 milhões de graus Kelvin, e a energia liberada, segundo os experimentadores, é suficiente para realizar a fusão termonuclear.

"Tecnicamente" a essência da reação reside no fato de que, como resultado da combinação de dois átomos de deutério, um terceiro é formado - um isótopo de hidrogênio, conhecido como trítio, e um nêutron, caracterizado por uma enorme quantidade de energia .

A corrente no estado supercondutor é zero e, portanto, a quantidade mínima de eletricidade será gasta na manutenção do campo magnético. 8. Sistemas super rápidos. Fusão termonuclear controlada com confinamento inercial As dificuldades associadas ao confinamento magnético do plasma podem, em princípio, ser contornadas se o combustível nuclear for queimado em tempos extremamente curtos, quando ...

Para 2004 . As próximas negociações deste projeto serão realizadas em maio de 2004 em Viena. O reator será construído em 2006 e está programado para ser lançado em 2014. Como funciona A fusão* é uma maneira barata e ecológica de produzir energia. Por bilhões de anos, a fusão termonuclear descontrolada ocorre no Sol - o hélio é formado a partir do isótopo pesado do hidrogênio deutério. Em que...

O reator termonuclear experimental é dirigido por E.P. Velikhov. Os Estados Unidos, tendo gasto 15 bilhões de dólares, retiraram-se deste projeto, os 15 bilhões restantes já foram gastos por organizações científicas internacionais. 2. Problemas técnicos, ambientais e médicos. Durante a operação de instalações de fusão termonuclear controlada (UTF). feixes de nêutrons e radiação gama ocorrem, bem como...

Energia e qual qualidade será necessária para que a energia liberada seja suficiente para cobrir os custos de iniciar o processo de liberação de energia. Discutiremos esta questão abaixo em conexão com os problemas da fusão termonuclear. Sobre a qualidade de energia dos lasers Nos casos mais simples, as limitações na conversão de energia de baixa qualidade em energia de alta qualidade são óbvias. Aqui estão alguns exemplos de...

1. Introdução

3. Problemas de controle de fusão termonuclear

3.1 Problemas econômicos

3.2 Problemas médicos

4. Conclusão

5. Referências

1. Introdução

O problema da fusão termonuclear controlada é uma das tarefas mais importantes que a humanidade enfrenta.

A civilização humana não pode existir, muito menos se desenvolver, sem energia. Todos estão bem cientes de que as fontes de energia desenvolvidas, infelizmente, podem se esgotar em breve. De acordo com o Conselho Mundial de Energia, as reservas exploradas de combustíveis de hidrocarbonetos na Terra permanecem por 30 anos.

Hoje, as principais fontes de energia são petróleo, gás e carvão.

Segundo especialistas, as reservas desses minerais estão se esgotando. Quase não há campos de petróleo explorados, adequados para o desenvolvimento, e já nossos netos podem enfrentar um problema gravíssimo de falta de energia.

As usinas nucleares, que são mais bem abastecidas com combustível, poderiam, é claro, fornecer eletricidade à humanidade por mais de cem anos.

Objeto de estudo: Problemas de fusão termonuclear controlada.

Objeto de estudo: Fusão termonuclear.

Propósito do estudo: Resolver o problema de controle de fusão termonuclear;

Objetivos de pesquisa:

· Estudar tipos de reações termonucleares.

· Considere todas as opções possíveis para levar a energia liberada durante uma reação termonuclear a uma pessoa.

· Apresentar uma teoria sobre a conversão de energia em eletricidade.

Fato inicial:

A energia nuclear é liberada durante o decaimento ou fusão de núcleos atômicos. Qualquer energia - física, química ou nuclear se manifesta por sua capacidade de realizar trabalho, irradiar calor ou radiação. A energia em qualquer sistema é sempre conservada, mas pode ser transferida para outro sistema ou alterada na forma.

Conquista condições de fusão termonuclear controlada são prejudicadas por vários problemas principais:

· Primeiro, você precisa aquecer o gás a uma temperatura muito alta.

· Em segundo lugar, é necessário controlar o número de núcleos reagentes por um tempo suficientemente longo.

· Em terceiro lugar, a quantidade de energia liberada deve ser maior do que foi gasto para aquecer e limitar a densidade do gás.

O próximo problema é o acúmulo dessa energia e sua conversão em eletricidade

2. Reações termonucleares no Sol

Qual é a fonte da energia solar? Qual é a natureza dos processos durante os quais uma enorme quantidade de energia é produzida? Por quanto tempo o sol continuará a brilhar?

As primeiras tentativas de responder a essas perguntas foram feitas por astrônomos em meados do século 19, depois que os físicos formularam a lei da conservação da energia.

Robert Mayer sugeriu que o Sol brilha devido ao constante bombardeio da superfície por meteoritos e partículas de meteoros. Esta hipótese foi rejeitada, pois um cálculo simples mostra que para manter a luminosidade do Sol no nível atual, é necessário que 2∙10 15 kg de matéria meteórica caiam sobre ele a cada segundo. Por um ano será 6∙10 22 kg, e durante a vida do Sol, por 5 bilhões de anos - 3∙10 32 kg. massa solar M

= 2∙10 30 kg, portanto, em cinco bilhões de anos, a matéria 150 vezes mais do que a massa do Sol deveria ter caído sobre o Sol.

A segunda hipótese também foi apresentada por Helmholtz e Kelvin em meados do século XIX. Eles sugeriram que o Sol irradia contraindo 60 a 70 metros anualmente. O motivo da contração é a atração mútua das partículas do Sol, razão pela qual essa hipótese é chamada de contração. Se fizermos um cálculo de acordo com essa hipótese, a idade do Sol não será superior a 20 milhões de anos, o que contradiz os dados modernos obtidos a partir da análise do decaimento radioativo de elementos em amostras geológicas do solo da Terra e do solo da Lua .

A terceira hipótese sobre as possíveis fontes de energia solar foi apresentada por James Jeans no início do século XX. Ele sugeriu que as profundezas do Sol contêm elementos radioativos pesados ​​que decaem espontaneamente, enquanto a energia é emitida. Por exemplo, a transformação do urânio em tório e depois em chumbo é acompanhada pela liberação de energia. A análise subsequente dessa hipótese também mostrou seu fracasso; uma estrela composta apenas de urânio não liberaria energia suficiente para fornecer a luminosidade observada do Sol. Além disso, existem estrelas que são muitas vezes mais luminosas que a nossa. É improvável que essas estrelas também contenham mais material radioativo.

A hipótese mais provável acabou sendo a hipótese da síntese de elementos como resultado de reações nucleares no interior das estrelas.

Em 1935, Hans Bethe levantou a hipótese de que a reação termonuclear de conversão de hidrogênio em hélio poderia ser a fonte de energia solar. Foi por isso que Bethe recebeu o Prêmio Nobel em 1967.

A composição química do Sol é aproximadamente a mesma da maioria das outras estrelas. Aproximadamente 75% é hidrogênio, 25% é hélio e menos de 1% é todos os outros elementos químicos (principalmente carbono, oxigênio, nitrogênio, etc.). Imediatamente após o nascimento do Universo, não havia elementos "pesados". Todos eles, ou seja, elementos mais pesados ​​que o hélio, e até mesmo muitas partículas alfa, foram formados durante a "queima" do hidrogênio nas estrelas durante a fusão termonuclear. O tempo de vida característico de uma estrela como o Sol é de dez bilhões de anos.

A principal fonte de energia é o ciclo próton-próton - uma reação muito lenta (tempo característico 7,9∙10 9 anos), devido à interação fraca. Sua essência reside no fato de que a partir de quatro prótons é obtido um núcleo de hélio. Nesse caso, um par de pósitrons e um par de neutrinos são liberados, além de 26,7 MeV de energia. O número de neutrinos emitidos pelo Sol por segundo é determinado apenas pela luminosidade do Sol. Uma vez que quando 26,7 MeV são liberados, nascem 2 neutrinos, a taxa de emissão de neutrinos é: 1,8∙10 38 neutrinos/s. Um teste direto desta teoria é a observação de neutrinos solares. Neutrinos de alta energia (boro) são registrados em experimentos de cloro-argônio (experimentos de Davis) e mostram consistentemente uma falta de neutrinos em comparação com o valor teórico para o modelo solar padrão. Neutrinos de baixa energia que surgem diretamente na reação pp são registrados em experimentos de gálio-germânio (GALLEX em Gran Sasso (Itália-Alemanha) e SAGE em Baksan (Rússia-EUA)); eles também estão "desaparecidos".

De acordo com algumas suposições, se os neutrinos têm uma massa de repouso diferente de zero, são possíveis oscilações (transformações) de vários tipos de neutrinos (o efeito Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (existem três tipos de neutrinos: neutrinos de elétron, múon e tauon) . Porque outros neutrinos têm seções de choque de interação muito menores com a matéria do que os elétrons, o déficit observado pode ser explicado sem alterar o modelo padrão do Sol, construído com base em todo o conjunto de dados astronômicos.

A cada segundo, o Sol recicla cerca de 600 milhões de toneladas de hidrogênio. Os estoques de combustível nuclear durarão mais cinco bilhões de anos, após os quais se transformará gradualmente em uma anã branca.

As partes centrais do Sol encolherão, aquecendo, e o calor transferido para a camada externa levará à sua expansão para tamanhos monstruosos em comparação com os modernos: o Sol se expandirá tanto que absorverá Mercúrio, Vênus e gastará " combustível" cem vezes mais rápido do que atualmente. Isso aumentará o tamanho do Sol; nossa estrela se tornará uma gigante vermelha, cujo tamanho é comparável à distância da Terra ao Sol!

É claro que seremos notificados com antecedência de tal evento, pois a transição para um novo estágio levará aproximadamente 100 a 200 milhões de anos. Quando a temperatura da parte central do Sol atingir 100.000.000 K, o hélio também começará a queimar, transformando-se em elementos pesados, e o Sol entrará em um estágio de ciclos complexos de contração e expansão. No último estágio, nossa estrela perderá sua casca externa, o núcleo central terá uma densidade e tamanho incrivelmente grandes, como o da Terra. Mais alguns bilhões de anos se passarão e o Sol esfriará, transformando-se em uma anã branca.

3. Problemas de fusão termonuclear controlada

Pesquisadores em todos os países desenvolvidos depositam suas esperanças em superar a próxima crise de energia com uma reação termonuclear controlada. Tal reação - a síntese de hélio a partir de deutério e trítio - ocorre no Sol há milhões de anos e, sob condições terrestres, há cinquenta anos eles tentam realizá-la em instalações de laser gigantes e muito caras, tokamaks (um dispositivo para realizar uma reação de fusão termonuclear em plasma quente) e stellarators (armadilha magnética fechada para conter plasma de alta temperatura). No entanto, existem outras maneiras de resolver esse difícil problema e, em vez de enormes tokamaks, provavelmente será possível usar um colisor bastante compacto e barato - um acelerador de feixes em colisão - para a implementação da fusão termonuclear.

Tokamak requer quantidades muito pequenas de lítio e deutério para operar. Por exemplo, um reator com potência elétrica de 1 GW queima cerca de 100 kg de deutério e 300 kg de lítio por ano. Se assumirmos que todas as usinas termonucleares produzirão 10 trilhões. kW/h de eletricidade por ano, ou seja, tanto quanto todas as usinas da Terra produzem hoje, então as reservas mundiais de deutério e lítio serão suficientes para abastecer a humanidade com energia por muitos milhões de anos.

Além da fusão de deutério e lítio, uma fusão puramente solar é possível quando dois átomos de deutério são combinados. Se essa reação for dominada, os problemas de energia serão resolvidos imediatamente e para sempre.

Em qualquer uma das versões conhecidas de fusão termonuclear controlada (CTF), as reações termonucleares não podem entrar no modo de aumento descontrolado de potência, portanto, tais reatores não são intrinsecamente seguros.

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CIÊNCIA DA FEDERAÇÃO RUSSA

Agência Federal de Educação

SEI HPE "Universidade Pedagógica do Estado de Blagoveshchensk"

Faculdade de Física e Matemática

Departamento de Física Geral

Trabalho do curso

sobre o tema: Problemas de fusão termonuclear

Disciplina: Física

Artista: V. S. Kletchenko

Responsável: V. A. Evdokimov

Blagoveshchensk 2010

Introdução

Reações termonucleares e sua eficiência energética

Condições para a ocorrência de reações termonucleares

Realização de reações termonucleares em condições terrestres

Os principais problemas associados à implementação de reações termonucleares

Implementação de reações termonucleares controladas em instalações do tipo TOKAMAK

Projeto ITER

Estudos modernos de reações de plasma e termonucleares

Conclusão

Literatura

Introdução

Atualmente, a humanidade não pode imaginar sua vida sem eletricidade. Ela está em todo lugar. Mas os métodos tradicionais de geração de eletricidade não são baratos: basta imaginar a construção de uma usina hidrelétrica ou um reator de usina nuclear, logo fica claro o porquê. Cientistas no século 20, diante de uma crise energética, encontraram uma maneira de gerar eletricidade a partir da matéria, cuja quantidade não é limitada. As reações termonucleares ocorrem durante o decaimento do deutério e do trítio. Um litro de água contém tanto deutério que a fusão termonuclear pode liberar tanta energia quanto a obtida pela queima de 350 litros de gasolina. Ou seja, podemos concluir que a água é uma fonte ilimitada de energia.

Se a obtenção de energia com o auxílio da fusão termonuclear fosse tão simples quanto com o auxílio das hidrelétricas, a humanidade jamais passaria por uma crise no setor energético. Para obter energia dessa maneira, é necessária uma temperatura equivalente à temperatura no centro do sol. Onde obter tal temperatura, qual o custo das instalações, quão lucrativa é essa produção de energia e essa instalação é segura? Essas perguntas serão respondidas no presente trabalho.

Objetivo do trabalho: estudo das propriedades e problemas da fusão termonuclear.

Reações termonucleares e sua eficiência energética

Reação termonuclear - a síntese de núcleos atômicos mais pesados ​​a partir de núcleos mais leves para obter energia, que é controlada.

Sabe-se que o núcleo do átomo de hidrogênio é um próton p. Existe muito hidrogênio na natureza - no ar e na água. Além disso, existem isótopos mais pesados ​​de hidrogênio. O núcleo de um deles contém, além do próton p, também o nêutron n. Este isótopo é chamado deutério D. O núcleo de outro isótopo contém, além do próton р, dois nêutrons n e é chamado tritério (trítio) Т. a energia liberada durante a fissão de núcleos pesados. Na reação de fusão, é liberada energia que, por 1 kg de substância, é muito maior do que a energia liberada na reação de fissão do urânio. (Aqui, a energia liberada refere-se à energia cinética das partículas formadas como resultado da reação.) Por exemplo, na reação da fusão dos núcleos de deutério 1 2 D e trítio 1 3 T em um núcleo de hélio 2 4 He :

1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,

A energia liberada é aproximadamente igual a 3,5 MeV por nucleon. Nas reações de fissão, a energia por nucleon é de cerca de 1 MeV.

Na síntese de um núcleo de hélio a partir de quatro prótons:

4 1 1 p→ 2 4 Não + 2 +1 1 e,

ainda mais energia é liberada, igual a 6,7 ​​MeV por partícula. A vantagem energética das reações termonucleares é explicada pelo fato de que a energia de ligação específica no núcleo de um átomo de hélio excede significativamente a energia de ligação específica dos núcleos de isótopos de hidrogênio. Assim, com a implementação bem-sucedida de reações termonucleares controladas, a humanidade receberá uma nova e poderosa fonte de energia.

Condições para a ocorrência de reações termonucleares

Para a fusão de núcleos leves, é necessário superar a barreira de potencial causada pela repulsão coulombiana de prótons em núcleos semelhantes carregados positivamente. Para a fusão de núcleos de hidrogênio 1 2 Dx, é necessário aproximá-los de uma distância r, igual a aproximadamente r ≈ 3 10 -15 m. Para fazer isso, você precisa fazer um trabalho igual à energia potencial eletrostática de repulsão P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Os núcleos de deuterons serão capazes de superar tal barreira se sua energia cinética média 3/2 kT for igual a 0,1 MeV durante a colisão. Isso é possível em T = 2 10 9 K. Na prática, a temperatura necessária para a ocorrência de reações termonucleares diminui em duas ordens de grandeza e chega a 10 7 K.

Uma temperatura de cerca de 10 7 K é típica para a parte central do Sol. A análise espectral mostrou que a matéria do Sol, como muitas outras estrelas, contém até 80% de hidrogênio e cerca de 20% de hélio. Carbono, nitrogênio e oxigênio não representam mais de 1% da massa das estrelas. Com uma enorme massa do Sol (≈ 2 10 27 kg), a quantidade desses gases é bastante grande.

As reações termonucleares ocorrem no Sol e nas estrelas e são a fonte de energia que fornece sua radiação. A cada segundo, o Sol irradia energia de 3,8 10 26 J, o que corresponde a uma diminuição de sua massa em 4,3 milhões de toneladas. Liberação específica de energia solar, ou seja, a liberação de energia por unidade de massa do Sol em um segundo é igual a 1,9 10 -4 J/s kg. É muito pequena e equivale a cerca de 10 a 3% da liberação de energia específica em um organismo vivo no processo de metabolismo. O poder de radiação do Sol não mudou muito ao longo dos muitos bilhões de anos de existência do sistema solar.

Uma das formas de reações termonucleares no Sol é o ciclo carbono-nitrogênio, no qual a combinação de núcleos de hidrogênio em um núcleo de hélio é facilitada na presença de núcleos de carbono 6 12 C que desempenham o papel de catalisadores. No início do ciclo, um próton rápido penetra no núcleo do átomo de carbono 6 12 C e forma um núcleo instável do isótopo de nitrogênio 7 13 N com radiação γ-quântica:

6 12 C + 1 1 p → 7 13 N + γ.

Com meia-vida de 14 minutos, a transformação 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e ocorre no núcleo 7 13 N e o núcleo do isótopo 6 13 C é formado:

7 13 N → 6 13 C + +1 0 e + 0 0 ν e.

aproximadamente a cada 32 milhões de anos, o núcleo 7 14 N captura um próton e se transforma em um núcleo de oxigênio 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Um núcleo instável de 8 15 O com meia-vida de 3 minutos emite um pósitron e um neutrino e se transforma em um núcleo de 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

O ciclo termina com a reação de absorção de um próton pelo núcleo 7 15 N com seu decaimento em um núcleo de carbono 6 12 С e uma partícula α. Isso acontece após cerca de 100 mil anos:

7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.

Um novo ciclo recomeça com a absorção de um próton 6 12 C pelo carbono, que sai em média após 13 milhões de anos. As reações individuais do ciclo são separadas no tempo por intervalos que são proibitivamente grandes em escalas de tempo terrestres. No entanto, o ciclo é fechado e ocorre continuamente. Portanto, várias reações do ciclo ocorrem no Sol simultaneamente, começando em momentos diferentes.

Como resultado deste ciclo, quatro prótons se fundem em um núcleo de hélio com o aparecimento de dois pósitrons e radiação γ. A isso deve ser adicionada a radiação decorrente da fusão de pósitrons com elétrons do plasma. A formação de um átomo de hélio gama libera 700 mil kWh de energia. Essa quantidade de energia compensa a perda de energia solar por radiação. Os cálculos mostram que a quantidade de hidrogênio disponível no Sol será suficiente para suportar reações termonucleares e radiação solar por bilhões de anos.

Realização de reações termonucleares em condições terrestres

A implementação de reações termonucleares em condições terrestres criará enormes oportunidades para a obtenção de energia. Por exemplo, ao usar o deutério contido em um litro de água, a mesma quantidade de energia será liberada em uma reação de fusão que será liberada ao queimar cerca de 350 litros de gasolina. Mas se a reação termonuclear ocorrer espontaneamente, ocorrerá uma explosão colossal, pois a energia liberada nesse caso é muito grande.

Condições próximas às que se realizam nas entranhas do Sol foram realizadas em uma bomba de hidrogênio. Há uma reação termonuclear auto-sustentável de natureza explosiva. O explosivo é uma mistura de deutério 1 2 D com trítio 1 3 T. A alta temperatura necessária para que a reação prossiga é obtida pela explosão de uma bomba atômica convencional colocada dentro de uma termonuclear.

Os principais problemas associados à implementação de reações termonucleares

Em um reator de fusão, a reação de fusão deve ser lenta e deve ser possível controlá-la. O estudo das reações que ocorrem em plasma de deutério de alta temperatura é a base teórica para a obtenção de reações termonucleares artificiais controladas. A principal dificuldade é manter as condições necessárias para obter uma reação termonuclear auto-sustentável. Para tal reação, é necessário que a taxa de liberação de energia no sistema onde a reação ocorre não seja menor que a taxa de remoção de energia do sistema. Em temperaturas da ordem de 10 8 K, as reações termonucleares em um plasma de deutério têm uma intensidade notável e são acompanhadas pela liberação de grande energia. Em uma unidade de volume de plasma, quando os núcleos de deutério são combinados, uma potência de 3 kW/m 3 é liberada. A temperaturas da ordem de 10 6 K, a potência é de apenas 10 -17 W/m 3 .