A reação de fusão é a seguinte: dois ou mais núcleos atômicos são tomados e, com a aplicação de uma certa força, eles se aproximam tanto que as forças que atuam a tais distâncias prevalecem sobre as forças de repulsão de Coulomb entre núcleos igualmente carregados, como resultado de onde se forma um novo núcleo. Ele terá uma massa ligeiramente menor que a soma das massas dos núcleos originais, e a diferença se torna a energia liberada durante a reação. A quantidade de energia liberada é descrita pela conhecida fórmula E=mc². Núcleos atômicos mais leves são mais fáceis de trazer à distância certa, então o hidrogênio - o elemento mais abundante no universo - é o melhor combustível para uma reação de fusão.

Foi estabelecido que uma mistura de dois isótopos de hidrogênio, deutério e trítio, requer a menor quantidade de energia para a reação de fusão em comparação com a energia liberada durante a reação. No entanto, embora uma mistura de deutério e trítio (D-T) seja o assunto da maioria das pesquisas sobre fusão, não é de forma alguma o único combustível potencial. Outras misturas podem ser mais fáceis de fabricar; sua reação pode ser melhor controlada, ou mais importante, produzir menos nêutrons. De particular interesse são as chamadas reações "sem nêutrons", uma vez que o uso industrial bem-sucedido desse combustível significará a ausência de contaminação radioativa de longo prazo dos materiais e do projeto do reator, o que, por sua vez, poderia afetar positivamente a opinião pública e a custo de operação do reator, reduzindo significativamente o custo de descomissionamento. O problema permanece que a reação de fusão usando combustíveis alternativos é muito mais difícil de manter, então a reação D-T é considerada apenas um primeiro passo necessário.

Esquema da reação deutério-trítio

A fusão termonuclear controlada pode usar vários tipos de reações termonucleares, dependendo do tipo de combustível utilizado.

Reação Deutério + Trítio (Combustível D-T)

A reação mais facilmente implementada é deutério + trítio:

2 H + 3 H = 4 He + n a uma saída de energia de 17,6 MeV (MeV)

Essa reação é mais facilmente implementada do ponto de vista das tecnologias modernas, fornece um rendimento significativo de energia e os componentes do combustível são baratos. Sua desvantagem é a liberação de radiação de nêutrons indesejada.

Dois núcleos: deutério e trítio se fundem para formar um núcleo de hélio (partícula alfa) e um nêutron de alta energia.

²H + ³He = 4 He + . com uma saída de energia de 18,4 MeV

As condições para alcançá-lo são muito mais complicadas. O hélio-3 também é um isótopo raro e extremamente caro. Atualmente não é produzido em escala industrial. No entanto, pode ser obtido a partir do trítio, obtido por sua vez em usinas nucleares.

A complexidade de conduzir uma reação termonuclear pode ser caracterizada pelo triplo produto de nTt (densidade vezes temperatura vezes tempo de confinamento). De acordo com este parâmetro, a reação D-3He é cerca de 100 vezes mais difícil do que D-T.

Reação entre núcleos de deutério (D-D, monopropelente)

Reações entre núcleos de deutério também são possíveis, são um pouco mais difíceis do que reações envolvendo hélio-3:

Como resultado, além da reação principal no DD-plasma, também ocorre o seguinte:

Essas reações prosseguem lentamente em paralelo com a reação deutério + hélio-3, e o trítio e o hélio-3 formados durante elas provavelmente reagirão imediatamente com o deutério.

Outros tipos de reações

Vários outros tipos de reações também são possíveis. A escolha do combustível depende de muitos fatores - sua disponibilidade e baixo custo, rendimento energético, facilidade de atingir as condições necessárias para a reação de fusão (principalmente temperatura), as características de projeto necessárias do reator e assim por diante.

Reações "sem nêutrons"

O chamado mais promissor. reações "sem nêutrons", uma vez que o fluxo de nêutrons gerado pela fusão termonuclear (por exemplo, na reação deutério-trítio) carrega uma parte significativa da energia e gera radioatividade induzida no projeto do reator. A reação deutério-hélio-3 é promissora, também devido à falta de rendimento de nêutrons.

Termos

Reação nuclear de lítio-6 com deutério 6 Li(d,α)α

O CTS é possível com o cumprimento simultâneo de dois critérios:

• Temperatura do plasma:

style="max-width: 98%; altura: auto; largura: auto;" src="/pictures/wiki/files/101/ea2cc6cfd93c3d519e815764da74047a.png" border="0">

• Conformidade com o critério Lawson:

style="max-width: 98%; altura: auto; largura: auto;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (para reação D-T)

onde é a densidade do plasma de alta temperatura e é o tempo de confinamento do plasma no sistema.

É do valor desses dois critérios que a velocidade de uma determinada reação termonuclear depende principalmente.

Atualmente, a fusão termonuclear controlada ainda não foi realizada em escala industrial. A construção do reator internacional de pesquisa ITER está em seus estágios iniciais.

Energia termonuclear e hélio-3

As reservas de hélio-3 na Terra variam de 500 kg a 1 tonelada, mas na Lua são em quantidades significativas: até 10 milhões de toneladas (de acordo com estimativas mínimas - 500 mil toneladas). Atualmente, uma reação termonuclear controlada é realizada pela fusão de deutério ²H e trítio ³H com a liberação de hélio-4 4 He e um nêutron "rápido" n:

No entanto, neste caso, a maior parte (mais de 80%) da energia cinética liberada cai precisamente no nêutron. Como resultado de colisões de fragmentos com outros átomos, essa energia é convertida em energia térmica. Além disso, nêutrons rápidos criam uma quantidade significativa de resíduos radioativos. Em contraste, a síntese de deutério e hélio-3 ³Ele não produz (quase) produtos radioativos:

Onde p é um próton

Isso permite a utilização de sistemas mais simples e eficientes de conversão da reação de fusão cinética, como um gerador magnetohidrodinâmico.

Projetos de reatores

São considerados dois esquemas principais para a implementação da fusão termonuclear controlada.

Os estudos do primeiro tipo de reatores termonucleares são muito mais desenvolvidos do que os do segundo. Na física nuclear, no estudo da fusão termonuclear, uma armadilha magnética é usada para manter o plasma em um determinado volume. A armadilha magnética é projetada para manter o plasma do contato com os elementos de um reator termonuclear, ou seja, usado principalmente como isolante térmico. O princípio do confinamento baseia-se na interação de partículas carregadas com um campo magnético, ou seja, na rotação de partículas carregadas em torno das linhas do campo magnético. Infelizmente, o plasma magnetizado é muito instável e tende a deixar o campo magnético. Portanto, para criar uma armadilha magnética eficaz, são usados ​​os eletroímãs mais poderosos, que consomem uma enorme quantidade de energia.

É possível reduzir o tamanho de um reator termonuclear se três métodos de criação de uma reação termonuclear forem usados ​​simultaneamente nele.

A. Síntese inercial. Irradie pequenas cápsulas de combustível deutério-trítio com um laser de 500 trilhões de watts:5. 10^14W. Este pulso de laser gigante de muito curto prazo de 10^-8 s faz com que as cápsulas de combustível explodam, resultando no nascimento de uma mini-estrela por uma fração de segundo. Mas uma reação termonuclear não pode ser alcançada nele.

B. Use simultaneamente Z-machine com Tokamak.

A Z-Machine funciona de forma diferente de um laser. Ele passa por uma teia dos fios mais finos que cercam a cápsula de combustível, uma carga com uma potência de meio trilhão de watts 5,10 ^ 11 watts.

Então acontece a mesma coisa que com o laser: como resultado do impacto Z, uma estrela é obtida. Durante os testes na Z-Machine, já foi possível iniciar a reação de fusão. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Cubra as cápsulas com prata e conecte com um fio de prata ou grafite. O processo de ignição se parece com isso: Atire um fio (ligado a um grupo de bolas de prata contendo uma mistura de deutério e trítio) em uma câmara de vácuo. Durante uma avaria (descarga), forme um canal de raios através deles, aplique corrente através do plasma. Irradie simultaneamente cápsulas e plasma com radiação laser. E ao mesmo tempo ou antes, ligue o tokamak. Use três processos de aquecimento a plasma ao mesmo tempo. Ou seja, junte a máquina Z e o aquecimento a laser dentro do Tokamak. Pode ser possível criar um circuito oscilatório a partir de bobinas Tokamak e organizar a ressonância. Então funcionaria em um modo oscilatório econômico.

Ciclo de combustível

Os reatores de primeira geração provavelmente funcionarão com uma mistura de deutério e trítio. Os nêutrons que aparecem durante a reação serão absorvidos pela blindagem do reator, e o calor liberado será utilizado para aquecer o refrigerante no trocador de calor, e essa energia, por sua vez, será utilizada para girar o gerador.

. .

A reação com Li6 é exotérmica, fornecendo pouca energia para o reator. A reação com Li7 é endotérmica - mas não consome nêutrons. Pelo menos algumas reações de Li7 são necessárias para substituir os nêutrons perdidos em reações com outros elementos. A maioria dos projetos de reatores usa misturas naturais de isótopos de lítio.

Este combustível tem várias desvantagens:

A reação produz uma quantidade significativa de nêutrons, que ativam (infectam radioativamente) o reator e o trocador de calor. Também são necessárias medidas de proteção contra uma possível fonte de trítio radioativo.

Apenas cerca de 20% da energia de fusão está na forma de partículas carregadas (o restante são nêutrons), o que limita a possibilidade de conversão direta da energia de fusão em eletricidade. O uso da reação D-T depende das reservas de lítio disponíveis, que são muito menores que as reservas de deutério. A exposição a nêutrons durante a reação D-T é tão significativa que após a primeira série de testes no JET, o maior reator até hoje usando esse combustível, o reator se tornou tão radioativo que um sistema robótico de manutenção remota teve que ser adicionado para completar o ciclo de testes do ano .

Existem, em teoria, tipos alternativos de combustível que são desprovidos dessas desvantagens. Mas seu uso é dificultado por uma limitação física fundamental. Para obter energia suficiente da reação de fusão, é necessário manter um plasma suficientemente denso na temperatura de fusão (10 8 K) por um certo tempo. Este aspecto fundamental da síntese é descrito pelo produto da densidade do plasma, n, e o tempo τ do conteúdo de plasma aquecido, que é necessário para atingir o ponto de equilíbrio. O produto, nτ, depende do tipo de combustível e é função da temperatura do plasma. De todos os tipos de combustível, a mistura deutério-trítio requer o menor valor de nτ em pelo menos uma ordem de grandeza, e a menor temperatura de reação em pelo menos 5 vezes. Assim, a reação D-T é um primeiro passo necessário, mas o uso de outros combustíveis continua sendo um importante objetivo de pesquisa.

Reação de fusão como fonte de energia industrial

A energia de fusão é considerada por muitos pesquisadores como uma fonte de energia "natural" a longo prazo. Os defensores do uso comercial de reatores de fusão para geração de energia apresentam os seguintes argumentos a seu favor:

• Reservas de combustível quase inesgotáveis ​​(hidrogênio)
• O combustível pode ser extraído da água do mar em qualquer costa do mundo, o que impossibilita que um ou um grupo de países monopolize o combustível
• A impossibilidade de uma reação de fusão descontrolada
• Sem produtos de combustão
• Não há necessidade de usar materiais que possam ser usados ​​para produzir armas nucleares, eliminando assim casos de sabotagem e terrorismo
• Em comparação com reatores nucleares, quantidades insignificantes de resíduos radioativos são produzidas com uma meia-vida curta.
• Estima-se que um dedal cheio de deutério produza o equivalente a 20 toneladas de carvão. Um lago de tamanho médio é capaz de fornecer energia a qualquer país por centenas de anos. No entanto, deve-se notar que os reatores de pesquisa existentes são projetados para obter uma reação direta de deutério-trítio (DT), cujo ciclo de combustível requer o uso de lítio para produzir trítio, enquanto as alegações de energia inesgotável referem-se ao uso de um deutério-deutério (DD) na segunda geração de reatores.
• Assim como a reação de fissão, a reação de fusão não produz emissões atmosféricas de dióxido de carbono, um dos principais contribuintes para o aquecimento global. Essa é uma vantagem significativa, pois o uso de combustíveis fósseis para geração de eletricidade faz com que, por exemplo, os EUA produzam 29 kg de CO 2 (um dos principais gases que podem ser considerados causadores do aquecimento global) por habitante dos EUA por dia.

O custo da eletricidade em comparação com as fontes tradicionais

Os críticos apontam que a questão da viabilidade econômica do uso da fusão nuclear para gerar eletricidade permanece em aberto. O mesmo estudo, encomendado pelo Escritório de Direitos de Ciência e Tecnologia do Parlamento Britânico, indica que o custo de geração de eletricidade usando um reator de fusão provavelmente estará no topo do espectro de custos para fontes de energia convencionais. Muito dependerá da futura tecnologia, estrutura e regulamentação do mercado. O custo da eletricidade depende diretamente da eficiência do uso, da duração da operação e do custo de desativação do reator. Os críticos do uso comercial da energia de fusão negam que os combustíveis de hidrocarbonetos sejam fortemente subsidiados pelo governo, tanto direta quanto indiretamente, como o uso das forças armadas para garantir seu abastecimento ininterrupto, a guerra no Iraque é frequentemente citada como um exemplo controverso de este método de subsídio. A contabilização de tais subsídios indiretos é muito complexa e torna quase impossível uma comparação precisa de custos.

Há também a questão do custo da pesquisa. Os países da Comunidade Européia gastam cerca de 200 milhões de euros anualmente em pesquisa, e prevê-se que levará várias décadas até que o uso industrial da fusão nuclear se torne possível. Os proponentes de fontes alternativas de energia acreditam que seria mais apropriado direcionar esses recursos para a introdução de fontes de energia renováveis.

Disponibilidade de energia de fusão comercial

Infelizmente, apesar do otimismo generalizado (comum desde a década de 1950, quando começaram as primeiras pesquisas), obstáculos significativos entre a compreensão atual dos processos de fusão nuclear, as possibilidades tecnológicas e o uso prático da fusão nuclear ainda não foram superados, não está claro até quanto pode ser economicamente rentável a produção de eletricidade usando a fusão termonuclear. Embora o progresso na pesquisa seja constante, os pesquisadores se deparam constantemente com novos desafios. Por exemplo, o desafio é desenvolver um material que resista ao bombardeio de nêutrons, estimado em 100 vezes mais intenso que os reatores nucleares convencionais.

Existem as seguintes etapas na pesquisa:

1.Modo de equilíbrio ou "passar"(Break-even): quando a energia total liberada durante o processo de fusão é igual à energia total gasta para iniciar e manter a reação. Esta razão é marcada com o símbolo Q. O equilíbrio da reação foi demonstrado no JET (Joint European Torus) no Reino Unido em 1997. (Tendo gasto 52 MW de eletricidade em seu aquecimento, na saída, os cientistas receberam uma potência 0,2 MW maior do que a gasta.)

2.Plasma Ardente(Plasma Ardente): Um estágio intermediário em que a reação será suportada principalmente por partículas alfa que são produzidas durante a reação, e não por aquecimento externo. Q ≈ 5. Ainda não alcançado.

3. Ignição(Ignição): Uma reação estável que se sustenta. Deve ser alcançado em valores elevados de Q. Ainda não alcançado.

O próximo passo na pesquisa deve ser o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), International Thermonuclear Experimental Reactor. Neste reator, está previsto estudar o comportamento do plasma de alta temperatura (plasma flamejante com Q ~ 30) e materiais estruturais para um reator industrial. A fase final da pesquisa será DEMO: um protótipo de reator industrial que atingirá a ignição e demonstrará a adequação prática de novos materiais. As previsões mais otimistas para a conclusão da fase DEMO: 30 anos. Levando em conta o tempo aproximado para construção e comissionamento de um reator industrial, estamos separados por ~40 anos do uso industrial de energia termonuclear.

Tokamaks existentes

No total, cerca de 300 tokamaks foram construídos no mundo. Os maiores deles estão listados abaixo.

• URSS e Rússia
  • T-3 é o primeiro aparelho funcional.
  • T-4 - uma versão ampliada do T-3
  • T-7 é uma instalação única, na qual, pela primeira vez no mundo, foi implementado um sistema magnético relativamente grande com um solenóide supercondutor baseado em niobato de estanho, resfriado por hélio líquido. A principal tarefa do T-7 foi concluída: foi preparada a perspectiva para a próxima geração de solenóides supercondutores da engenharia de energia termonuclear.
  • T-10 e PLT são o próximo passo no mundo da pesquisa de fusão, são quase do mesmo tamanho, potência igual, com o mesmo fator de confinamento. E os resultados obtidos são idênticos: a cobiçada temperatura de fusão termonuclear foi atingida em ambos os reatores, e o atraso segundo o critério de Lawson é de apenas duzentas vezes.
  • T-15 é o reator de hoje com um solenóide supercondutor que fornece um campo de 3,6 T.
• Líbia
  • TM-4A
• Europa e Reino Unido
  • JET (Inglês) (Joint Europeus Tor) é o maior tokamak do mundo, criado pela organização Euratom no Reino Unido. Utiliza aquecimento combinado: 20 MW - injeção neutra, 32 MW - ressonância íon-ciclotron. Como resultado, o critério de Lawson é apenas 4-5 vezes menor que o nível de ignição.
  • Tore Supra (fr.) (eng.) é um tokamak com bobinas supercondutoras, um dos maiores do mundo. Localizado no centro de pesquisa de Cadarache (França).
• EUA
  • TFTR (Inglês) (Test Fusion Tokamak Reactor) - o maior tokamak dos EUA (na Universidade de Princeton) com aquecimento adicional por partículas neutras rápidas. Um resultado alto foi alcançado: o critério de Lawson em uma temperatura termonuclear real é apenas 5,5 vezes menor que o limite de ignição. Fechado em 1997
  • NSTX (Inglês) (National Spherical Torus Experiment) é um tokamak esférico (sferomak) atualmente operando na Universidade de Princeton. O primeiro plasma no reator foi obtido em 1999, dois anos após o fechamento do TFTR.

De acordo com os conceitos astrofísicos modernos, a principal fonte de energia para o Sol e outras estrelas é a fusão termonuclear que ocorre em suas profundezas. Em condições terrestres, é realizado durante a explosão de uma bomba de hidrogênio. A fusão termonuclear é acompanhada por uma liberação colossal de energia por unidade de massa de substâncias reagentes (cerca de 10 milhões de vezes maior do que em reações químicas). Portanto, é de grande interesse dominar esse processo e, a partir dele, criar uma fonte de energia barata e ecologicamente correta. No entanto, apesar de grandes equipes científicas e técnicas em muitos países desenvolvidos estarem engajadas em pesquisas sobre fusão termonuclear controlada (CTF), ainda há muitos problemas complexos a serem resolvidos antes que a produção industrial de energia termonuclear se torne uma realidade.

As usinas nucleares modernas que usam o processo de fissão satisfazem apenas parcialmente as necessidades de eletricidade do mundo. O combustível para eles são os elementos radioativos naturais urânio e tório, cuja prevalência e reservas na natureza são muito limitadas; portanto, para muitos países há um problema de sua importação. O principal componente do combustível termonuclear é o isótopo de hidrogênio deutério, que é encontrado na água do mar. Suas reservas estão disponíveis ao público e são muito grandes (o oceano mundial cobre ~ 71% da área da superfície da Terra, e o deutério é responsável por cerca de 0,016% do número total de átomos de hidrogênio que compõem a água). Além da disponibilidade de combustível, as fontes de energia termonuclear têm as seguintes vantagens importantes sobre as usinas nucleares: 1) o reator UTS contém muito menos materiais radioativos do que um reator de fissão nuclear e, portanto, as consequências de uma liberação acidental de produtos radioativos são menores perigoso; 2) as reações termonucleares produzem menos resíduos radioativos de vida longa; 3) A TCB permite a geração direta de eletricidade.

FUNDAMENTOS FÍSICOS DA FUSÃO NUCLEAR

O sucesso da implementação da reação de fusão depende das propriedades dos núcleos atômicos utilizados e da possibilidade de obter um plasma denso de alta temperatura, necessário para iniciar a reação.

Forças e reações nucleares.

A liberação de energia durante a fusão nuclear se deve a forças atrativas extremamente intensas que operam dentro do núcleo; essas forças mantêm juntos os prótons e nêutrons que compõem o núcleo. Eles são muito intensos a distâncias de ~10-13 cm e enfraquecem extremamente rapidamente com o aumento da distância. Além dessas forças, prótons carregados positivamente criam forças repulsivas eletrostáticas. O raio de ação das forças eletrostáticas é muito maior que o das forças nucleares, então elas começam a dominar quando os núcleos estão mais afastados.

Como G. Gamov mostrou, a probabilidade de uma reação entre dois núcleos leves que se aproximam é proporcional a , onde e – base de logaritmos naturais, Z 1 e Z 2 são os números de prótons em núcleos que interagem, Cé a energia de sua aproximação relativa, e Ké um multiplicador constante. A energia necessária para realizar uma reação depende do número de prótons em cada núcleo. Se for mais de três, então essa energia é muito alta e a reação é praticamente impossível. Assim, com o aumento Z 1 e Z 2 a probabilidade de uma reação diminui.

A probabilidade de dois núcleos interagirem é caracterizada por uma “seção transversal de reação” medida em galpões (1 b = 10–24 cm 2). A seção transversal da reação é a área da seção transversal efetiva do núcleo, na qual outro núcleo deve “entrar” para que sua interação ocorra. A seção de choque para a reação de deutério com trítio atinge seu valor máximo (~5 b) quando as partículas que interagem têm uma energia de aproximação relativa de cerca de 200 keV. Com uma energia de 20 keV, a seção transversal se torna menor que 0,1 b.

De um milhão de partículas aceleradas que atingem o alvo, não mais do que uma entra em uma interação nuclear. O resto dissipa sua energia nos elétrons dos átomos alvo e desacelera a velocidades nas quais a reação se torna impossível. Consequentemente, o método de bombardear um alvo sólido com núcleos acelerados (como foi o caso do experimento de Cockcroft-Walton) é inadequado para CTS, pois a energia obtida neste caso é muito menor que a energia gasta.

Combustíveis termonucleares.

Reações envolvendo p, que desempenham o papel principal nos processos de fusão nuclear no Sol e outras estrelas homogêneas, não têm interesse prático em condições terrestres, pois têm uma seção transversal muito pequena. Para a implementação da fusão termonuclear na terra, um tipo de combustível mais adequado, como mencionado acima, é o deutério.

Mas a reação mais provável é realizada em uma mistura de componentes iguais de deutério e trítio (mistura DT). Infelizmente, o trítio é radioativo e, devido à sua meia-vida curta (T 1/2 ~ 12,3 anos), praticamente nunca é encontrado na natureza. É obtido artificialmente em reatores de fissão e também como subproduto em reações com deutério. No entanto, a ausência de trítio na natureza não é um obstáculo para o uso de reações DT - fusão, uma vez que trítio pode ser produzido irradiando o isótopo 6 Li com nêutrons produzidos durante a fusão: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Se a câmara termonuclear estiver cercada por uma camada de 6 Li (lítio natural contém 7%), é possível realizar a reprodução completa do trítio consumível. E embora na prática alguns dos nêutrons sejam inevitavelmente perdidos, sua perda pode ser facilmente reposta pela introdução de um elemento como o berílio na casca, cujo núcleo, quando um nêutron rápido o atinge, emite dois.

O princípio de funcionamento de um reator termonuclear.

A reação de fusão de núcleos leves, cujo objetivo é obter energia útil, é chamada de fusão termonuclear controlada. É realizado a temperaturas da ordem de centenas de milhões de kelvins. Este processo só foi implementado em laboratórios até agora.

Condições de tempo e temperatura.

A obtenção de energia termonuclear útil só é possível se duas condições forem atendidas. Primeiro, a mistura destinada à síntese deve ser aquecida a uma temperatura na qual a energia cinética dos núcleos garanta uma alta probabilidade de sua fusão na colisão. Em segundo lugar, a mistura reagente deve ser muito bem isolada termicamente (ou seja, a alta temperatura deve ser mantida por tempo suficiente para que ocorra o número necessário de reações e a energia liberada devido a isso excede a energia gasta no aquecimento do combustível).

Na forma quantitativa, esta condição é expressa como segue. Para aquecer uma mistura termonuclear, um centímetro cúbico de seu volume deve ser fornecido com energia P 1 = nó, Onde k- coeficiente numérico, n- a densidade da mistura (o número de núcleos em 1 cm 3), T- temperatura necessária. Para manter a reação, a energia transmitida à mistura termonuclear deve ser conservada por um tempo t. Para que um reator seja energeticamente rentável, é necessário que durante esse tempo seja liberada nele mais energia termonuclear do que foi gasto no aquecimento. A energia liberada (também por 1 cm 3) é expressa da seguinte forma:

Onde f(T) é um coeficiente que depende da temperatura da mistura e sua composição, Ré a energia liberada em um ato elementar de síntese. Então a condição de rentabilidade energética P 2 > P 1 terá a forma

A última desigualdade, conhecida como critério de Lawson, é uma expressão quantitativa dos requisitos para a perfeição do isolamento térmico. O lado direito - "número de Lawson" - depende apenas da temperatura e composição da mistura, e quanto maior, mais rigorosos são os requisitos de isolamento térmico, ou seja, mais difícil é criar um reator. Na região de temperaturas aceitáveis, o número de Lawson para deutério puro é 10 16 s/cm 3 , e para uma mistura DT de igual componente é 2 × 10 14 s/cm 3 . Assim, a mistura DT é o combustível de fusão preferido.

De acordo com o critério de Lawson, que determina o valor energeticamente favorável do produto densidade e tempo de confinamento, em um reator termonuclear, deve-se utilizar o maior possível. n ou t. Portanto, os estudos da CTS divergiram em duas direções diferentes: na primeira, os pesquisadores tentaram manter o plasma relativamente rarefeito com a ajuda de um campo magnético por um tempo suficientemente longo; no segundo, com a ajuda de lasers por um curto período de tempo para criar um plasma com densidade muito alta. Muito mais trabalho foi dedicado à primeira abordagem do que à segunda.

Confinamento magnético do plasma.

Durante a reação de fusão, a densidade do reagente quente deve permanecer em um nível que forneça um rendimento suficientemente alto de energia útil por unidade de volume a uma pressão que a câmara de plasma possa suportar. Por exemplo, para uma mistura de deutério - trítio a uma temperatura de 10 8 K, o rendimento é determinado pela expressão

Se aceitar P igual a 100 W/cm 3 (que corresponde aproximadamente à energia liberada pelos elementos combustíveis em reatores de fissão nuclear), então a densidade n deve ser aprox. 10 15 núcleos / cm 3, e a pressão correspondente nt- cerca de 3 MPa. O tempo de retenção neste caso, segundo o critério de Lawson, deve ser de pelo menos 0,1 s. Para plasma deutério-deutério a uma temperatura de 10 9 K

Neste caso, quando P\u003d 100 W / cm3, n» 3×10 15 núcleos/cm 3 e uma pressão de aproximadamente 100 MPa, o tempo de espera necessário será superior a 1 s. Observe que essas densidades são apenas 0,0001 do ar atmosférico, portanto, a câmara do reator deve ser evacuada para um alto vácuo.

As estimativas acima de tempo de retenção, temperatura e densidade são parâmetros mínimos típicos necessários para a operação de um reator de fusão e são mais facilmente alcançados no caso de uma mistura de deutério-trítio. Quanto às reações termonucleares que ocorrem durante a explosão de uma bomba de hidrogênio e no interior das estrelas, deve-se ter em mente que, devido a condições completamente diferentes, no primeiro caso elas ocorrem muito rapidamente e no segundo - extremamente lentamente em comparação com os processos em um reator termonuclear.

Plasma.

Quando um gás é aquecido fortemente, seus átomos perdem elétrons parcial ou completamente, resultando na formação de partículas carregadas positivamente chamadas íons e elétrons livres. Em temperaturas acima de um milhão de graus, um gás composto por elementos leves é completamente ionizado, ou seja, cada átomo perde todos os seus elétrons. Um gás em estado ionizado é chamado de plasma (o termo foi introduzido por I. Langmuir). As propriedades de um plasma diferem significativamente das de um gás neutro. Como há elétrons livres no plasma, o plasma conduz muito bem a corrente elétrica e sua condutividade é proporcional à T 3/2. O plasma pode ser aquecido passando uma corrente elétrica através dele. A condutividade de um plasma de hidrogênio a 10 8 K é a mesma do cobre à temperatura ambiente. A condutividade térmica do plasma também é muito alta.

Para manter o plasma, por exemplo, a uma temperatura de 10 8 K, ele deve ser isolado termicamente de forma confiável. Em princípio, o plasma pode ser isolado das paredes da câmara colocando-o em um forte campo magnético. Isso é fornecido pelas forças que surgem durante a interação das correntes com um campo magnético no plasma.

Sob a ação de um campo magnético, íons e elétrons se movem em espirais ao longo de suas linhas de força. A transição de uma linha de força para outra é possível quando partículas colidem e quando um campo elétrico transversal é aplicado. Na ausência de campos elétricos, o plasma rarefeito de alta temperatura, no qual raramente ocorrem colisões, só se difundirá lentamente através das linhas do campo magnético. Se as linhas de força do campo magnético forem fechadas, dando-lhes a forma de um laço, então as partículas de plasma se moverão ao longo dessas linhas, sendo mantidas na região do laço. Além dessa configuração magnética fechada, também foram propostos sistemas abertos (com linhas de campo que se estendem para fora das extremidades da câmara) para confinar o plasma, nos quais as partículas permanecem dentro da câmara devido a “tampões” magnéticos que restringem o movimento de partículas. Espelhos magnéticos são criados nas extremidades da câmara, onde um feixe de estreitamento das linhas de campo é formado como resultado de um aumento gradual na intensidade do campo.

Na prática, o confinamento magnético de um plasma de densidade suficientemente alta acabou longe de ser simples: muitas vezes surgem instabilidades magnetohidrodinâmicas e cinéticas.

As instabilidades magnetohidrodinâmicas estão associadas a curvas e quebras nas linhas do campo magnético. Nesse caso, o plasma pode começar a se mover pelo campo magnético na forma de cachos, deixar a zona de contenção em alguns milionésimos de segundo e liberar calor para as paredes da câmara. Tais instabilidades podem ser suprimidas dando ao campo magnético uma certa configuração.

As instabilidades cinéticas são muito diversas e têm sido estudadas com menos detalhes. Entre eles estão aqueles que interrompem processos ordenados, como o fluxo de uma corrente elétrica constante ou um fluxo de partículas através de um plasma. Outras instabilidades cinéticas causam uma taxa de difusão transversal de plasma mais alta em um campo magnético do que a prevista pela teoria de colisão para um plasma silencioso.

Sistemas com configuração magnética fechada.

Se um forte campo elétrico for aplicado a um gás condutor ionizado, uma corrente de descarga aparecerá nele, simultaneamente com a qual aparecerá um campo magnético ao seu redor. A interação do campo magnético com a corrente levará ao aparecimento de forças compressivas atuando sobre as partículas carregadas do gás. Se a corrente flui ao longo do eixo do filamento de plasma condutor, as forças radiais resultantes, como elásticos, comprimem o filamento, afastando o limite do plasma das paredes da câmara que o contém. Esse fenômeno, teoricamente previsto por W. Bennett em 1934 e demonstrado experimentalmente pela primeira vez por A. Ware em 1951, é chamado de efeito pinch. O método de pinçamento é aplicado ao confinamento de plasma; sua característica notável é que o gás é aquecido a altas temperaturas pela própria corrente elétrica (aquecimento ôhmico). A simplicidade fundamental do método levou à sua utilização logo nas primeiras tentativas de conter um plasma quente, e o estudo de um simples efeito de pinça, apesar de ter sido suplantado posteriormente por métodos mais avançados, permitiu compreender melhor a problemas que os experimentadores enfrentam hoje.

Além da difusão do plasma na direção radial, há também uma deriva longitudinal e sua saída pelas extremidades da coluna de plasma. As perdas pelas extremidades podem ser eliminadas se a câmara com plasma tiver a forma de um donut (torus). Neste caso, uma pitada toroidal é obtida.

Para o aperto simples descrito acima, as instabilidades magnetohidrodinâmicas inerentes a ele são um problema sério. Se ocorrer uma pequena curva perto da coluna de plasma, a densidade das linhas do campo magnético no lado interno da curva aumenta (Fig. 1). As linhas de força magnética, que se comportam como fios que resistem à compressão, rapidamente começarão a “inflar”, de modo que a curvatura aumentará até que toda a estrutura do filamento de plasma seja destruída. Como resultado, o plasma entrará em contato com as paredes da câmara e esfriará. Para excluir este fenômeno desastroso, antes da passagem da corrente axial principal, um campo magnético longitudinal é criado na câmara, que, juntamente com o campo circular aplicado posteriormente, “endireita” a flexão incipiente da coluna de plasma (Fig. 2) . O princípio de estabilização de uma coluna de plasma por um campo axial é a base para dois projetos promissores de reatores termonucleares - um tokamak e um pinch com campo magnético reverso.

Abrir configurações magnéticas.

retenção inercial.

Cálculos teóricos mostram que a fusão termonuclear é possível sem o uso de armadilhas magnéticas. Para fazer isso, um alvo especialmente preparado (uma bola de deutério com um raio de cerca de 1 mm) é rapidamente comprimido a densidades tão altas que a reação termonuclear tem tempo para se completar antes que o alvo combustível evapore. A compressão e o aquecimento a temperaturas termonucleares podem ser realizados por pulsos de laser superpoderosos, irradiando uniforme e simultaneamente a bola de combustível de todos os lados (Fig. 4). Com a evaporação instantânea de suas camadas superficiais, as partículas ejetadas adquirem velocidades muito altas, e a bola fica sob a ação de grandes forças compressivas. Eles são semelhantes às forças reativas que impulsionam um foguete, com a única diferença de que aqui essas forças são direcionadas para dentro, em direção ao centro do alvo. Este método pode criar pressões da ordem de 10 11 MPa e densidades 10.000 vezes maiores que a densidade da água. Nesta densidade, quase toda a energia termonuclear será liberada na forma de uma pequena explosão em ~10-12 s. A ocorrência de microexplosões, cada uma delas equivalente a 1-2 kg de TNT, não causará danos ao reator, e a implementação de uma sequência dessas microexplosões em intervalos curtos permitiria realizar uma produção quase contínua de energia útil. Para contenção inercial, o arranjo de um alvo de combustível é muito importante. Um alvo em forma de esferas concêntricas feitas de materiais pesados ​​e leves permitirá obter a evaporação mais eficiente das partículas e, consequentemente, a maior compressão.

Os cálculos mostram que para uma energia de radiação laser da ordem de um megajoule (10 6 J) e uma eficiência de laser de pelo menos 10%, a energia termonuclear produzida deve exceder a energia gasta para bombear o laser. Instalações de laser termonuclear estão disponíveis em laboratórios de pesquisa na Rússia, EUA, Europa Ocidental e Japão. A possibilidade de usar um feixe de íons pesados ​​em vez de um feixe de laser ou uma combinação de tal feixe com um feixe de luz está sendo estudada atualmente. Graças à tecnologia moderna, este método de iniciar uma reação tem uma vantagem sobre o laser, pois permite obter mais energia útil. A desvantagem é a dificuldade em focar o feixe no alvo.

INSTALAÇÕES COM RETENÇÃO MAGNÉTICA

Métodos de confinamento de plasma magnético estão sendo estudados na Rússia, EUA, Japão e vários países europeus. A atenção principal é dada aos dispositivos do tipo toroidal, como tokamak e pinch com campo magnético reverso, que surgiram como resultado do desenvolvimento de pinches mais simples com um campo magnético longitudinal estabilizador.

Para confinar plasma com campo magnético toroidal Bjé necessário criar condições para que o plasma não se desloque para as paredes do toro. Isto é conseguido "torcendo" as linhas do campo magnético (a chamada "transformação rotacional"). Essa torção é feita de duas maneiras. No primeiro método, uma corrente é passada através do plasma, levando à configuração da já considerada pinça estável. Corrente de campo magnético B q J- B q junto com B j cria um campo total com a torção necessária. Se um B j B q , obtemos uma configuração conhecida como tokamak (uma abreviação da expressão "TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS"). O tokamak (Fig. 5) foi desenvolvido sob a direção de L.A. Artsimovich no Instituto de Energia Atômica em homenagem a V.I. I. V. Kurchatov em Moscou. No B j ~ B q a configuração de pinçamento com campo magnético invertido é obtida.

No segundo método, enrolamentos helicoidais especiais ao redor da câmara de plasma toroidal são usados ​​para garantir o equilíbrio do plasma confinado. As correntes nesses enrolamentos criam um campo magnético complexo, que leva à torção das linhas de força do campo total dentro do toro. Tal instalação, chamada de stellarator, foi desenvolvida na Universidade de Princeton (EUA) por L. Spitzer e seus colaboradores.

Tokamak.

Um parâmetro importante do qual depende o confinamento de um plasma toroidal é a “margem de estabilidade” q, igual a rB j/ R.B. q, onde r e R são os raios pequeno e grande do plasma toroidal, respectivamente. Em um pequeno q pode desenvolver-se uma instabilidade helicoidal, que é análoga à instabilidade da flexão de uma pinça reta. Cientistas em Moscou mostraram experimentalmente que quando q> 1 (ou seja, B j B q) a possibilidade de instabilidade helicoidal é bastante reduzida. Isso torna possível usar efetivamente o calor liberado pela corrente para aquecer o plasma. Como resultado de muitos anos de pesquisa, as características dos tokamaks melhoraram significativamente, em particular, aumentando a uniformidade do campo e a limpeza eficiente da câmara de vácuo.

Os resultados animadores obtidos na Rússia estimularam a criação de tokamaks em muitos laboratórios ao redor do mundo, e sua configuração tornou-se objeto de intensa pesquisa.

O aquecimento ôhmico do plasma no tokamak não é suficiente para realizar a reação de fusão termonuclear. Isso se deve ao fato de que, quando o plasma é aquecido, sua resistência elétrica diminui bastante e, como resultado, a liberação de calor durante a passagem da corrente diminui drasticamente. É impossível aumentar a corrente no tokamak acima de um certo limite, pois a coluna de plasma pode perder estabilidade e ser transferida para as paredes da câmara. Portanto, vários métodos adicionais são usados ​​para aquecer o plasma. O mais eficaz deles é a injeção de feixes de átomos neutros de alta energia e irradiação de micro-ondas. No primeiro caso, íons acelerados a energias de 50-200 keV são neutralizados (para evitar sua “reflexão” de volta pelo campo magnético quando introduzidos na câmara) e injetados no plasma. Aqui eles são novamente ionizados e no processo de colisões eles cedem sua energia ao plasma. No segundo caso, a radiação de micro-ondas é usada, cuja frequência é igual à frequência do íon cíclotron (a frequência de rotação dos íons em um campo magnético). Nesta frequência, o plasma denso se comporta como um corpo absolutamente negro, ou seja, absorve completamente a energia incidente. No JET tokamak dos países da União Européia, um plasma com temperatura iônica de 280 milhões Kelvin e tempo de confinamento de 0,85 s foi obtido por injeção de partículas neutras. Uma potência termonuclear de 2 MW foi obtida em plasma de deutério-trítio. A duração da reação é limitada pelo aparecimento de impurezas devido à pulverização das paredes da câmara: as impurezas penetram no plasma e, sendo ionizadas, aumentam significativamente as perdas de energia devido à radiação. Atualmente, os trabalhos do programa JET estão focados em pesquisas sobre a possibilidade de controle de impurezas e sua remoção, as chamadas. "desviador magnético".

Grandes tokamaks também foram criados nos EUA - TFTR, na Rússia - T15 e no Japão - JT60. As pesquisas realizadas nestas e em outras instalações lançaram as bases para a próxima etapa de trabalho na área de fusão termonuclear controlada: em 2010, está previsto o lançamento de um grande reator para testes técnicos. Supõe-se que este será um trabalho conjunto dos Estados Unidos, Rússia, países da União Europeia e Japão. Veja também TOKAMAK.

Pinça de campo reverso (FOP).

A configuração POP difere do tokamak por ter B q~ B j , mas a direção do campo toroidal fora do plasma é oposta à sua direção dentro da coluna de plasma. J.Taylor mostrou que tal sistema está em um estado com energia mínima e, apesar de q

A vantagem da configuração POP é que a razão entre as densidades de energia volumétrica do plasma e o campo magnético (valor b) nele é maior do que no tokamak. É de fundamental importância que b seja o maior possível, pois isso reduzirá o campo toroidal e, consequentemente, o custo das bobinas que o criam e de toda a estrutura de suporte. O ponto fraco do POP é que o isolamento térmico desses sistemas é pior que o dos tokamaks, e o problema de manutenção do campo reverso não foi resolvido.

Stellarator.

Em um stellarator, um campo magnético toroidal fechado é sobreposto por um campo criado por um enrolamento helicoidal especial enrolado ao redor do corpo da câmera. O campo magnético total evita que o plasma se afaste do centro e suprime certos tipos de instabilidades magnetohidrodinâmicas. O próprio plasma pode ser criado e aquecido por qualquer um dos métodos usados ​​em um tokamak.

A principal vantagem do stellarator é que o método de confinamento usado nele não está relacionado à presença de corrente no plasma (como em tokamaks ou em dispositivos baseados no efeito pinch) e, portanto, o stellarator pode operar em modo estacionário . Além disso, o enrolamento helicoidal pode ter um efeito "desviador", ou seja, purificar o plasma das impurezas e remover os produtos da reação.

O confinamento de plasma em stellarators está sendo amplamente estudado em instalações na União Européia, Rússia, Japão e Estados Unidos. No stellarator "Wendelstein VII" na Alemanha, foi possível manter um plasma sem corrente com uma temperatura superior a 5x10 6 kelvin, aquecendo-o por injeção de um feixe atômico de alta energia.

Estudos teóricos e experimentais recentes mostraram que na maioria das instalações descritas, e principalmente em sistemas toroidais fechados, o tempo de confinamento do plasma pode ser aumentado aumentando suas dimensões radiais e confinando o campo magnético. Por exemplo, para um tokamak, calcula-se que o critério de Lawson será cumprido (e mesmo com alguma margem) em uma força de campo magnético de ~ 50 ± 100 kG e um pequeno raio da câmara toroidal de aprox. 2 m. Estes são os parâmetros de instalação para 1000 MW de eletricidade.

Ao criar instalações tão grandes com confinamento de plasma magnético, surgem problemas tecnológicos completamente novos. Para criar um campo magnético da ordem de 50 kG em um volume de vários metros cúbicos usando bobinas de cobre refrigeradas a água, é necessária uma fonte de eletricidade com capacidade de várias centenas de megawatts. Portanto, é óbvio que os enrolamentos das bobinas devem ser feitos de materiais supercondutores, como ligas de nióbio com titânio ou com estanho. A resistência desses materiais à corrente elétrica no estado supercondutor é zero e, portanto, a quantidade mínima de eletricidade será gasta na manutenção do campo magnético.

tecnologia de reatores.

Perspectivas para a pesquisa termonuclear.

Experimentos realizados em instalações do tipo tokamak mostraram que este sistema é muito promissor como possível base para o reator UTS. Os melhores resultados até agora foram obtidos em tokamaks, e há esperança de que com um aumento correspondente na escala das instalações, eles possam implementar uma fusão industrial controlada. No entanto, o tokamak não é econômico o suficiente. Para eliminar essa deficiência, é necessário que ele não funcione em modo pulsado, como agora, mas em modo contínuo. No entanto, os aspectos físicos deste problema ainda são pouco compreendidos. Também é necessário desenvolver meios técnicos que melhorem os parâmetros do plasma e eliminem suas instabilidades. Considerando tudo isso, não se deve esquecer outras opções possíveis, embora menos desenvolvidas, para um reator termonuclear, por exemplo, um stellarator ou um pinch field reverso. O estado da pesquisa nesta área chegou ao ponto em que existem projetos conceituais de reatores para a maioria dos sistemas de confinamento magnético de plasma de alta temperatura e para alguns sistemas de confinamento inercial. Um exemplo do desenvolvimento industrial de um tokamak é o projeto Aries (EUA).

Cientistas do Princeton Plasma Physics Laboratory propuseram a ideia do dispositivo de fusão nuclear mais durável que pode operar por mais de 60 anos. No momento, esta é uma tarefa assustadora: os cientistas estão lutando para fazer um reator de fusão funcionar por alguns minutos - e depois anos. Apesar da complexidade, a construção de um reator de fusão é uma das tarefas mais promissoras da ciência, que pode trazer grandes benefícios. Nós dizemos o que você precisa saber sobre fusão termonuclear.

1. O que é fusão termonuclear?

Não tenha medo dessa frase incômoda, na verdade, tudo é bastante simples. A fusão termonuclear é um tipo de reação nuclear.

Durante uma reação nuclear, o núcleo de um átomo interage com uma partícula elementar ou com o núcleo de outro átomo, devido ao qual a composição e a estrutura do núcleo mudam. Um núcleo atômico pesado pode decair em dois ou três mais leves - esta é uma reação de fissão. Há também uma reação de fusão: é quando dois núcleos atômicos leves se fundem em um pesado.

Ao contrário da fissão nuclear, que pode ocorrer de forma espontânea e forçada, a fusão nuclear é impossível sem o fornecimento de energia externa. Como você sabe, os opostos se atraem, mas os núcleos atômicos são carregados positivamente - então eles se repelem. Esta situação é chamada de barreira de Coulomb. Para superar a repulsão, é necessário dispersar essas partículas a velocidades loucas. Isso pode ser feito em temperaturas muito altas, da ordem de vários milhões de kelvins. São essas reações que são chamadas de termonucleares.

2. Por que precisamos de fusão termonuclear?

No curso das reações nucleares e termonucleares, uma enorme quantidade de energia é liberada que pode ser usada para vários propósitos - você pode criar a arma mais poderosa ou converter energia nuclear em eletricidade e fornecê-la ao mundo inteiro. A energia de decaimento nuclear tem sido usada há muito tempo em usinas nucleares. Mas a energia termonuclear parece mais promissora. Em uma reação termonuclear, para cada nucleon (os chamados núcleos constituintes, prótons e nêutrons), muito mais energia é liberada do que em uma reação nuclear. Por exemplo, quando fissão de um núcleo de urânio por nucleon é responsável por 0,9 MeV (megaelectronvolt), e quandoNa síntese de um núcleo de hélio, uma energia igual a 6 MeV é liberada dos núcleos de hidrogênio. Portanto, os cientistas estão aprendendo a realizar reações termonucleares.

A pesquisa em fusão e a construção de reatores permitem a expansão da produção de alta tecnologia, o que é útil em outras áreas da ciência e da alta tecnologia.

3. O que são reações termonucleares?

As reações termonucleares são divididas em autossustentáveis, não controladas (usadas em bombas de hidrogênio) e controladas (adequadas para fins pacíficos).

Reações auto-sustentáveis ​​ocorrem no interior das estrelas. No entanto, não há condições na Terra para que tais reações ocorram.

As pessoas vêm realizando fusão termonuclear descontrolada ou explosiva há muito tempo. Em 1952, durante a Operação Evie Mike, os americanos detonaram o primeiro dispositivo explosivo termonuclear do mundo, que não tinha valor prático como arma. E em outubro de 1961, a primeira bomba termonuclear (de hidrogênio) do mundo (Tsar Bomba, mãe de Kuzkin), desenvolvida por cientistas soviéticos sob a liderança de Igor Kurchatov, foi testada. Foi o artefato explosivo mais poderoso da história da humanidade: a energia total da explosão, segundo várias fontes, variou de 57 a 58,6 megatons de TNT. Para detonar uma bomba de hidrogênio, primeiro é necessário obter uma alta temperatura durante uma explosão nuclear convencional - só então os núcleos atômicos começarão a reagir.

O poder da explosão em uma reação nuclear descontrolada é muito alto, além disso, a proporção de contaminação radioativa é alta. Portanto, para utilizar a energia termonuclear para fins pacíficos, é preciso aprender a administrá-la.

4. O que é necessário para uma reação termonuclear controlada?

Segure o plasma!

Não está claro? Agora vamos explicar.

Primeiro, núcleos atômicos. A energia nuclear usa isótopos - átomos que diferem entre si no número de nêutrons e, consequentemente, na massa atômica. O isótopo de hidrogênio deutério (D) é extraído da água. Hidrogênio superpesado ou trítio (T) é um isótopo radioativo de hidrogênio que é um subproduto de reações de decaimento realizadas em reatores nucleares convencionais. Também em reações termonucleares, é usado um isótopo leve de hidrogênio, o prótio: este é o único elemento estável que não possui nêutrons no núcleo. O hélio-3 está contido na Terra em quantidades desprezíveis, mas é muito abundante no solo lunar (regolito): nos anos 80, a NASA desenvolveu um plano para instalações hipotéticas para processamento de regolito e extração de isótopos. Por outro lado, outro isótopo, o boro-11, está amplamente difundido em nosso planeta. 80% do boro na Terra é um isótopo necessário para os cientistas nucleares.

Em segundo lugar, a temperatura é muito alta. A substância que participa de uma reação termonuclear deve ser um plasma quase completamente ionizado - é um gás no qual elétrons livres e íons de várias cargas flutuam separadamente. Para transformar uma substância em plasma, é necessária uma temperatura de 10 7 -10 8 K - são centenas de milhões de graus Celsius! Tais temperaturas ultra-altas podem ser obtidas criando descargas elétricas de alta potência no plasma.

No entanto, é impossível simplesmente aquecer os elementos químicos necessários. Qualquer reator irá vaporizar instantaneamente a essas temperaturas. Uma abordagem completamente diferente é necessária aqui. Até o momento, é possível manter o plasma em uma área limitada com a ajuda de ímãs elétricos de alta resistência. Mas ainda não foi possível aproveitar totalmente a energia obtida como resultado de uma reação termonuclear: mesmo sob a influência de um campo magnético, o plasma se espalha no espaço.

5. Quais reações são mais promissoras?

As principais reações nucleares planejadas para serem usadas para fusão controlada usarão deutério (2H) e trítio (3H) e, a longo prazo, hélio-3 (3He) e boro-11 (11B).

Aqui estão as reações mais interessantes.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reação deutério-trítio.

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% é o chamado monopropelente de deutério.

As reações 1 e 2 estão repletas de contaminação radioativa por nêutrons. Portanto, as reações "sem nêutrons" são as mais promissoras.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deutério reage com hélio-3. O problema é que o hélio-3 é extremamente raro. No entanto, o rendimento livre de nêutrons torna essa reação promissora.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - o boro-11 reage com o prótio, resultando em partículas alfa que podem ser absorvidas pelo papel alumínio.

6. Onde conduzir tal reação?

O reator de fusão natural é a estrela. Nele, o plasma é mantido sob a influência da gravidade e a radiação é absorvida - assim, o núcleo não esfria.

Na Terra, as reações termonucleares só podem ser realizadas em instalações especiais.

sistemas de impulso. Em tais sistemas, deutério e trítio são irradiados com feixes de laser de ultra alta potência ou feixes de elétrons/íons. Tal irradiação causa uma sequência de microexplosões termonucleares. No entanto, não é lucrativo usar tais sistemas em escala industrial: muito mais energia é gasta na aceleração dos átomos do que é obtida como resultado da fusão, pois nem todos os átomos acelerados entram em uma reação. Portanto, muitos países estão construindo sistemas quase estacionários.

Sistemas quase estacionários. Em tais reatores, o plasma é retido por um campo magnético a baixa pressão e alta temperatura. Existem três tipos de reatores baseados em diferentes configurações de campo magnético. Estes são tokamaks, stellarators (torsatrons) e armadilhas de espelho.

tokamak significa "câmara toroidal com bobinas magnéticas". Esta é uma câmera em forma de "rosquinha" (torus), na qual as bobinas são enroladas. A principal característica do tokamak é o uso de uma corrente elétrica alternada que flui através do plasma, o aquece e, criando um campo magnético ao seu redor, o mantém.

NO estelarador (torsatron) o campo magnético é completamente contido por bobinas magnéticas e, ao contrário de um tokamak, pode ser operado continuamente.

C armadilhas de espelho (abertas) o princípio da reflexão é usado. A câmara é fechada em ambos os lados por "tampões" magnéticos que refletem o plasma, mantendo-o no reator.

Por muito tempo, armadilhas de espelho e tokamaks lutaram pela supremacia. Inicialmente, o conceito de armadilha parecia mais simples e, portanto, mais barato. No início dos anos 60, as armadilhas abertas eram fortemente financiadas, mas a instabilidade do plasma e as tentativas malsucedidas de contê-lo com um campo magnético forçaram essas instalações a complicar essas instalações - projetos aparentemente simples se transformaram em máquinas infernais, e não funcionou para alcançar um resultado estável. Portanto, os tokamaks vieram à tona na década de 1980. Em 1984, foi lançado o tokamak europeu JET, cujo custo foi de apenas 180 milhões de dólares e cujos parâmetros permitiram realizar uma reação termonuclear. Na URSS e na França, foram projetados tokamaks supercondutores, que quase não gastaram energia na operação do sistema magnético.

7. Quem está aprendendo agora a realizar reações termonucleares?

Muitos países estão construindo seus próprios reatores de fusão. Existem reatores experimentais no Cazaquistão, China, EUA e Japão. O Instituto Kurchatov está trabalhando no reator IGNITOR. A Alemanha lançou o reator de fusão stellarator Wendelstein 7-X.

O projeto internacional mais famoso é o ITER tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) no Cadarache Research Center (França). Sua construção deveria ser concluída em 2016, mas a quantidade de apoio financeiro necessário aumentou e o tempo dos experimentos mudou para 2025. A União Europeia, os EUA, a China, a Índia, o Japão, a Coreia do Sul e a Rússia participam nas atividades do ITER. A maior fatia do financiamento é da UE (45%), o restante dos participantes fornece equipamentos de alta tecnologia. Em particular, a Rússia produz materiais e cabos supercondutores, tubos de rádio para aquecimento de plasma (girotrons) e fusíveis para bobinas supercondutoras, além de componentes para a parte mais complexa do reator - a primeira parede, que deve suportar forças eletromagnéticas, radiação de nêutrons e radiação de plasma.

8. Por que ainda não usamos reatores termonucleares?

As instalações modernas de tokamak não são reatores termonucleares, mas instalações de pesquisa nas quais a existência e a preservação do plasma são possíveis apenas por um tempo. O fato é que os cientistas ainda não aprenderam como manter o plasma no reator por muito tempo.

No momento, uma das maiores conquistas no campo da fusão nuclear é o sucesso dos cientistas alemães que conseguiram aquecer o gás hidrogênio a 80 milhões de graus Celsius e manter uma nuvem de plasma de hidrogênio por um quarto de segundo. E na China, o plasma de hidrogênio foi aquecido a 49,999 milhões de graus e mantido por 102 segundos. Cientistas russos do (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) conseguiram alcançar um aquecimento estável do plasma até dez milhões de graus Celsius. No entanto, os americanos propuseram recentemente um método para confinar o plasma por 60 anos - e isso inspira otimismo.

Além disso, há controvérsias quanto à rentabilidade da fusão na indústria. Não se sabe se os benefícios da geração de eletricidade compensarão os custos da fusão. Propõe-se experimentar reações (por exemplo, abandonar a tradicional reação deutério-trítio ou monopropelente em favor de outras reações), materiais estruturais - ou mesmo abandonar a ideia de fusão termonuclear industrial, usando-a apenas para reações individuais em fissão reações. No entanto, os cientistas ainda continuam a experimentar.

9. Os reatores de fusão são seguros?

Relativamente. O trítio, que é usado em reações termonucleares, é radioativo. Além disso, os neurônios liberados como resultado da fusão irradiam a estrutura do reator. Os próprios elementos do reator são cobertos com poeira radioativa devido à exposição ao plasma.

No entanto, um reator de fusão é muito mais seguro do que um reator nuclear em termos de radiação. Existem relativamente poucas substâncias radioativas no reator. Além disso, o próprio projeto do reator pressupõe a ausência de "buracos" através dos quais a radiação pode vazar. A câmara de vácuo do reator deve ser selada, caso contrário o reator simplesmente não pode funcionar. Durante a construção de reatores termonucleares, são utilizados materiais testados pela energia nuclear e é mantida pressão reduzida nas salas.

Quando as usinas de fusão aparecerão?

Os cientistas costumam dizer algo como “em 20 anos resolveremos todas as questões fundamentais”. Os engenheiros nucleares estão falando sobre a segunda metade do século 21. Os políticos falam sobre um mar de energia limpa por um centavo, sem se preocupar com datas.

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Futuro. Cientistas de 60 a 70 anos atrás estavam procurando maneiras de obter energia mais barata. O método é conhecido há muito tempo, mas ainda hoje é impossível controlar a energia de tal potência. Estamos falando de fusão termonuclear. A fusão termonuclear controlada é a síntese de núcleos atômicos mais pesados ​​a partir de núcleos mais leves para obter uma enorme energia, que, ao contrário da fusão termonuclear explosiva (usada em bombas de hidrogênio), é completamente controlada.

A fusão termonuclear controlada difere da fusão tradicional, pois esta última usa uma reação de decaimento durante a qual núcleos mais leves podem ser obtidos a partir de núcleos pesados. Um reator termonuclear é muito mais seguro do que um reator nuclear (reator nuclear) em termos de radiação. Em primeiro lugar, a quantidade de substâncias radioativas nele é relativamente pequena, o que o torna quase ecológico.

A energia que pode ser liberada em decorrência de algum tipo de acidente também é relativamente pequena e não pode levar à destruição do reator. Ao mesmo tempo, existem vários obstáculos naturais no projeto do reator que impedem a propagação de substâncias radioativas. Por exemplo, a câmara de vácuo e o invólucro do ctiostato devem ser completamente selados, caso contrário o reator simplesmente não pode funcionar. No entanto, durante o projeto, grande atenção foi dada à segurança contra radiação, tanto durante a operação normal quanto durante possíveis acidentes.

Fusão termonuclear, a reação de isótopos de hidrogênio, ao contrário de uma reação atômica, uma reação termonuclear é uma reação de fusão, eventualmente o hélio é formado e o hélio é formado com a liberação de energia térmica colossal. A fusão termonuclear só pode ser obtida em um dispositivo especial chamado tokamak (uma câmara toroidal com bobinas magnéticas), a contraparte soviética é o sincrofasotron. Experimentos no campo da energia termonuclear começaram a ser realizados na União Soviética já na década de 30 do século passado, mas a questão ainda não foi totalmente resolvida.

A enorme energia térmica é incontrolável e só é usada em armas termonucleares. O projeto do primeiro reator termonuclear do mundo já foi lançado há 10 anos, a construção começou na França e, segundo os cientistas, o mundo verá a primeira fusão termonuclear controlada em 2026. Se for possível realizar a fusão, provavelmente os preços da energia elétrica cairão drasticamente, porque apenas a água é necessária para a fusão termonuclear ...

Para comparação, digamos que, se 1 copo de água for submetido à fusão termonuclear, é possível fornecer eletricidade a uma pequena cidade por 1 dia! Esse é o poder da água! (mais precisamente, hidrogênio). Mas além da fusão termonuclear, existem vários outros tipos de formas alternativas de produzir eletricidade, mas você pode descobrir isso nesta revisão, obrigado pela atenção - A. Kasyan.

Discuta o artigo Fusão CONTROLADA

fusão termonuclear, a reação de fusão de núcleos atômicos leves em núcleos mais pesados, ocorrendo em temperaturas super altas e acompanhada pela liberação de enormes quantidades de energia. A fusão nuclear é a reação inversa da fissão atômica: nesta última, a energia é liberada devido à divisão de núcleos pesados ​​em mais leves. Veja também FICÃO NUCLEAR; PODER NUCLEAR.

De acordo com os conceitos astrofísicos modernos, a principal fonte de energia para o Sol e outras estrelas é a fusão termonuclear que ocorre em suas profundezas. Em condições terrestres, é realizado durante a explosão de uma bomba de hidrogênio. A fusão termonuclear é acompanhada por uma liberação colossal de energia por unidade de massa de substâncias reagentes (cerca de 10 milhões de vezes maior do que em reações químicas). Portanto, é de grande interesse dominar esse processo e, a partir dele, criar uma fonte de energia barata e ecologicamente correta. No entanto, apesar de grandes equipes científicas e técnicas em muitos países desenvolvidos estarem engajadas em pesquisas sobre fusão termonuclear controlada (CTF), ainda há muitos problemas complexos a serem resolvidos antes que a produção industrial de energia termonuclear se torne uma realidade.

As usinas nucleares modernas que usam o processo de fissão satisfazem apenas parcialmente as necessidades de eletricidade do mundo. O combustível para eles são os elementos radioativos naturais urânio e tório, cuja prevalência e reservas na natureza são muito limitadas; portanto, para muitos países há um problema de sua importação. O principal componente do combustível termonuclear é o isótopo de hidrogênio deutério, que é encontrado na água do mar. Suas reservas estão disponíveis ao público e são muito grandes (os oceanos cobrem ~ 71% da área da superfície da Terra, e o deutério é responsável por cerca de 0,016% do número total de átomos de hidrogênio que compõem a água). Além da disponibilidade de combustível, as fontes de energia termonuclear têm as seguintes vantagens importantes sobre as usinas nucleares: 1) o reator UTS contém muito menos materiais radioativos do que um reator de fissão nuclear e, portanto, as consequências de uma liberação acidental de produtos radioativos são menores perigoso; 2) as reações termonucleares produzem menos resíduos radioativos de vida longa; 3) A TCB permite a geração direta de eletricidade.

Artsimovich L.A. Reações termonucleares controladas. M., 1963
Usinas termelétricas e nucleares(livro 1, seção 6; livro 3, seção 8). M., 1989

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