Articolul discută motivele pentru care fuziunea termonucleară controlată nu și-a găsit încă aplicație industrială.

Când exploziile puternice au zguduit Pământul în anii 1950 bombe termonucleare, se părea că înainte de utilizare pașnică energie de fuziune nucleară a mai rămas foarte puțin: unul sau două decenii. Au existat temeiuri pentru un asemenea optimism: din momentul în care a fost folosită bomba atomică și până la crearea unui reactor care generează energie electrică, au trecut doar 10 ani.

Dar sarcina de a reduce fuziunea termonucleara s-a dovedit a fi extraordinar de dificil. Deceniile au trecut unul după altul, iar accesul la rezerve nelimitate de energie nu a putut fi obținut. În acest timp, omenirea, ardând resursele fosile, a poluat atmosfera cu emisii și a supraîncălzit-o cu gaze cu efect de seră. Dezastrele de la Cernobîl și Fukushima-1 au discreditat energia nucleară.

Ce a împiedicat stăpânirea unui proces atât de promițător și sigur de fuziune termonucleară, care ar putea înlătura pentru totdeauna problema furnizării de energie a omenirii?

Inițial, a fost clar că, pentru ca reacția să continue, este necesar să se apropie atât de mult nucleele de hidrogen încât forțele nucleare să poată forma nucleul unui nou element - heliu, cu eliberarea unei cantități semnificative de energie. Dar nucleele de hidrogen sunt respinse unele de altele de forțele electrice. O evaluare a temperaturilor și presiunilor la care începe o reacție termonucleară controlată a arătat că niciun material nu poate rezista la astfel de temperaturi.

Din aceleași motive, deuteriul pur, un izotop al hidrogenului, a fost și el respins. După ce au cheltuit miliarde de dolari și decenii de timp, oamenii de știință au reușit în sfârșit să aprindă o flacără termonucleară pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Rămâne să înveți cum să ții plasma de fuziune suficient de mult. A fost necesar să se treacă de la simularea pe computer la construcția unui reactor real.

În această etapă, a devenit clar că eforturile și fondurile unui stat individual nu ar fi suficiente pentru a construi și exploata instalații pilot și pilot. În cadrul cooperării internaționale, s-a decis implementarea unui proiect de reactor termonuclear experimental în valoare de peste 14 miliarde de dolari.

Dar în 1996, Statele Unite și-au încetat participarea și, în consecință, finanțarea proiectului. De ceva timp, implementarea a fost finanțată de Canada, Japonia și Europa, dar construcția reactorului nu a ajuns niciodată la bun sfârșit.

Al doilea proiect, de asemenea internațional, este implementat în Franța. Retenția de plasmă pe termen lung apare datorită unei forme speciale a câmpului magnetic - sub formă de sticlă. Baza acestei metode a fost pusă de fizicienii sovietici. Primul Instalare „Tokamak”. ar trebui să ofere producției mai multă energie decât este cheltuită pentru aprinderea și reținerea plasmei.

Până în 2012, instalarea reactorului ar fi trebuit să fie finalizată, dar încă nu există informații despre funcționarea cu succes. Poate că revoltele economice din ultimii ani și-au adus propriile ajustări la planurile oamenilor de știință.

Dificultăți în realizarea fuziunii controlate a dat naștere la multe speculații și relatări false despre așa-zisa reacție de fuziune termonucleară „rece” a nucleelor.În ciuda faptului că nu au fost găsite încă posibilități fizice sau legi, mulți cercetători susțin existența acesteia. La urma urmei, miza este prea mare: de la premiile Nobel pentru oameni de știință până la dominația geopolitică a unui stat care a stăpânit o astfel de tehnologie și a câștigat acces la abundența energetică.

Dar fiecare astfel de mesaj se dovedește a fi exagerat sau de-a dreptul fals. Oamenii de știință serioși consideră existența unei astfel de reacții cu scepticism.

Posibilitățile reale de stăpânire a sintezei și a începerii funcționării industriale a reactoarelor termonucleare sunt împinse înapoi la mijlocul secolului XXI. Până în acest moment, va fi posibil să selectați materialele necesare și să stabiliți funcționarea în siguranță a acestuia. Deoarece astfel de reactoare vor funcționa cu plasmă cu densitate foarte mică, siguranța centralelor de fuziune va fi mult mai mare decât centralele nucleare.

Orice încălcare în zona de reacție va „stinge” imediat flacăra termonucleară. Dar măsurile de siguranță nu trebuie neglijate: puterea unitară a reactoarelor va fi atât de mare încât un accident, chiar și în circuitele de extracție a căldurii, poate duce atât la victime, cât și la poluarea mediului. Problema rămâne mică: să așteptăm 30-40 de ani și să vedem epoca abundenței energetice. Dacă trăim, desigur.

3. Probleme ale fuziunii termonucleare controlate

Cercetătorii din toate țările dezvoltate își pun speranța în depășirea crizei energetice viitoare printr-o reacție termonucleară controlată. O astfel de reacție - sinteza heliului din deuteriu și tritiu - are loc pe Soare de milioane de ani, iar în condiții terestre de cincizeci de ani încearcă să o desfășoare în instalații laser gigantice și foarte scumpe, tokamak-uri. (un dispozitiv pentru efectuarea unei reacții de fuziune termonucleară în plasmă fierbinte) și stelare (capcană magnetică închisă pentru a conține plasmă la temperatură înaltă). Cu toate acestea, există și alte modalități de a rezolva această problemă dificilă și, în loc de tokamak-uri uriașe, va fi probabil posibil să se utilizeze un colisionar destul de compact și ieftin - un accelerator pe fascicule care se ciocnesc - pentru implementarea fuziunii termonucleare.

Tokamak necesită cantități foarte mici de litiu și deuteriu pentru a funcționa. De exemplu, un reactor cu o putere electrică de 1 GW arde aproximativ 100 kg de deuteriu și 300 kg de litiu pe an. Dacă presupunem că toate centralele termonucleare vor produce 10 trilioane. kW/h de energie electrică pe an, adică atât cât produc astăzi toate centralele electrice ale Pământului, atunci rezervele mondiale de deuteriu și litiu vor fi suficiente pentru a furniza energie omenirii timp de multe milioane de ani.

Pe lângă fuziunea deuteriului și litiului, o fuziune pur solară este posibilă atunci când doi atomi de deuteriu sunt combinați. Dacă această reacție este stăpânită, problemele energetice vor fi rezolvate imediat și pentru totdeauna.

În oricare dintre variantele cunoscute de fuziune termonucleară controlată (CTF), reacțiile termonucleare nu pot intra în modul de creștere necontrolată a puterii, prin urmare, astfel de reactoare nu sunt intrinsec sigure.

Din punct de vedere fizic, problema este formulată simplu. Pentru ca o reacție de fuziune nucleară auto-susținută să aibă loc, este necesar și suficient să se îndeplinească două condiții.

1. Energia nucleelor ​​care participă la reacție trebuie să fie de cel puțin 10 keV. Pentru ca fuziunea nucleară să înceapă, nucleele care participă la reacție trebuie să se încadreze în câmpul forțelor nucleare, a căror rază este de 10-12-10-13 s.cm. Cu toate acestea, nucleele atomice au o sarcină electrică pozitivă, iar sarcinile asemănătoare se resping reciproc. La limita acțiunii forțelor nucleare, energia de repulsie a lui Coulomb este de aproximativ 10 keV. Pentru a depăși această barieră, nucleele din ciocnire trebuie să aibă o energie cinetică de cel puțin nu mai mică decât această valoare.

2. Produsul concentraţiei nucleelor ​​care reacţionează şi timpul de retenţie în care aceştia reţin energia indicată trebuie să fie de cel puţin 1014 s.cm-3. Această condiție - așa-numitul criteriu Lawson - determină limita rentabilității energetice a reacției. Pentru ca energia eliberată în reacția de fuziune să acopere cel puțin costurile energetice ale inițierii reacției, nucleele atomice trebuie să sufere multe ciocniri. În fiecare ciocnire în care are loc o reacție de fuziune între deuteriu (D) și tritiu (T), se eliberează 17,6 MeV de energie, adică aproximativ 3,10-12 J. Dacă, de exemplu, 10 MJ energie este cheltuită la aprindere, atunci reacția se va întrerupe chiar dacă cel puțin 3.1018 perechi D-T iau parte la ea. Și pentru aceasta, o plasmă de înaltă energie destul de densă trebuie păstrată în reactor mult timp. Această condiție este exprimată de criteriul Lawson.

Dacă ambele cerințe pot fi îndeplinite simultan, se va rezolva problema fuziunii termonucleare controlate.

Cu toate acestea, implementarea tehnică a acestei probleme fizice se confruntă cu dificultăți enorme. La urma urmei, o energie de 10 keV este o temperatură de 100 de milioane de grade. O substanță la o astfel de temperatură poate fi păstrată chiar și fracțiuni de secundă doar în vid, prin izolarea acesteia de pereții instalației.

Dar există o altă metodă pentru a rezolva această problemă - o fuziune la rece. Ce este o fuziune la rece - acesta este un analog al unei reacții termonucleare „fierbinte” care are loc la temperatura camerei.

În natură, există cel puțin două moduri de a schimba materia într-o dimensiune a continuumului. Puteți fierbe apă pe foc, de exemplu. termic sau într-un cuptor cu microunde, de ex. frecvență. Rezultatul este același - apa fierbe, singura diferență este că metoda frecvenței este mai rapidă. De asemenea, folosește atingerea temperaturii ultra-înalte pentru a împărți nucleul atomului. Metoda termică dă o reacție nucleară necontrolată. Energia unei fuziuni la rece este energia stării de tranziție. Una dintre principalele condiții pentru proiectarea unui reactor pentru efectuarea unei reacții de fuziune la rece este starea formei sale piramidal-cristaline. O altă condiție importantă este prezența câmpurilor magnetice și de torsiune rotative. Intersecția câmpurilor are loc în punctul de echilibru instabil al nucleului de hidrogen.

Oamenii de știință Ruzi Taleiarkhan de la Laboratorul Național Oak Ridge, Richard Leikhi de la Universitatea Politehnică. Renssilira și academicianul Robert Nigmatulin - au înregistrat o reacție termonucleară rece în laborator.

Grupul a folosit un pahar de acetonă lichidă de mărimea a două până la trei pahare. Undele sonore au trecut intens prin lichid, producând un efect cunoscut în fizică ca cavitație acustică, a cărei consecință este sonoluminiscența. În timpul cavitației, în lichid au apărut bule mici, care au crescut la doi milimetri în diametru și au explodat. Exploziile au fost însoțite de fulgere de lumină și eliberare de energie, de exemplu. temperatura din interiorul bulelor în momentul exploziei a atins 10 milioane de grade Kelvin, iar energia eliberată, conform experimentatorilor, este suficientă pentru a realiza fuziunea termonucleară.

„Tehnic” esența reacției constă în faptul că, în urma combinării a doi atomi de deuteriu, se formează un al treilea - un izotop de hidrogen, cunoscut sub numele de tritiu, și un neutron, caracterizat printr-o cantitate enormă de energie. .

Curentul în starea supraconductoare este zero și, prin urmare, cantitatea minimă de energie electrică va fi cheltuită pentru menținerea câmpului magnetic. 8. Sisteme superrapide. Fuziune termonucleară controlată cu izolare inerțială Dificultățile asociate cu închiderea magnetică a plasmei pot fi, în principiu, ocolite dacă combustibilul nuclear este ars în timpi extrem de scurti, când...

Pentru 2004. Următoarele negocieri asupra acestui proiect vor avea loc în mai 2004 la Viena. Reactorul va fi construit în 2006 și este programat să fie lansat în 2014. Cum funcționează Fusion* este o modalitate ieftină și ecologică de a produce energie. De miliarde de ani, fuziunea termonucleară necontrolată are loc pe Soare - heliul se formează din izotopul greu al hidrogenului deuteriu. în care...

Reactorul termonuclear experimental este condus de E.P. Velikhov. Statele Unite, după ce au cheltuit 15 miliarde de dolari, s-au retras din acest proiect, restul de 15 miliarde au fost deja cheltuiți de organizațiile științifice internaționale. 2. Probleme tehnice, de mediu și medicale. În timpul funcționării instalațiilor de fuziune termonucleară controlată (UTF). apar fascicule de neutroni și radiații gamma, precum și...

Energia și ce calitate va fi necesară pentru ca energia eliberată să fie suficientă pentru a acoperi costurile de începere a procesului de eliberare a energiei. Vom discuta mai jos această întrebare în legătură cu problemele fuziunii termonucleare. Despre calitatea energiei laserelor În cele mai simple cazuri, limitările privind conversia energiei de calitate scăzută în energie de înaltă calitate sunt evidente. Iată câteva exemple din...

Sivkova Olga Dmitrievna

Această lucrare a ocupat locul 3 la NOU regională

Descarca:

Previzualizare:

Instituție de învățământ municipală

Școala Gimnazială №175

districtul Leninsky din Nijni Novgorod

Probleme ale fuziunii termonucleare

Completat de: Sivkova Olga Dmitrievna

Elevul 11 ​​clasa „A”, școala numărul 175

Consilier stiintific:

Kirzhaeva D. G.

Nijni Novgorod

anul 2013.

Introducere 3

2. Fuziune termonucleară controlată 8

3. Avantajele fuziunii termonucleare 10

4. Probleme ale fuziunii termonucleare 12

4.1 Probleme de mediu 15

4.2 Probleme medicale 16

5. Instalații termonucleare 18

6. Perspective pentru stăpânirea fuziunii termonucleare 23

Concluzia 26

Literatura 27

Introducere

Potrivit diverselor prognoze, principalele surse de energie electrică de pe planetă se vor încheia în 50-100 de ani. Omenirea va epuiza rezervele de petrol în 40 de ani, gazul - în maximum 80 de ani și uraniul - în 80-100 de ani. Rezervele de cărbune pot dura 400 de ani, dar utilizarea acestui combustibil fosil, și ca principal, pune planeta dincolo de pragul unei catastrofe ecologice. Dacă o astfel de poluare nemiloasă a atmosferei nu este oprită astăzi, nu poate fi vorba de nici un secol. Aceasta înseamnă că avem nevoie de o sursă alternativă de energie în viitorul apropiat.

Și există o astfel de sursă. Aceasta este energia termonucleară, care utilizează deuteriu absolut neradioactiv și tritiu radioactiv, dar în volume de mii de ori mai mici decât în ​​energia nucleară. Și această sursă este practic inepuizabilă, se bazează pe ciocnirea nucleelor ​​de hidrogen, iar hidrogenul este cea mai comună substanță din univers.

Una dintre cele mai importante sarcini cu care se confruntă umanitatea în acest domeniu esteproblema fuziunii termonucleare controlate.

Civilizația umană nu poate exista, cu atât mai puțin să se dezvolte, fără energie. Toată lumea este conștientă de faptul că sursele dezvoltate de energie, din păcate, se pot epuiza în curând. Potrivit Consiliului Mondial al Energiei, rezervele explorate de hidrocarburi de pe Pământ rămân timp de 30 de ani.

Astăzi, principalele surse de energie sunt petrolul, gazele și cărbunele.

Potrivit experților, rezervele acestor minerale se epuizează. Aproape că nu au rămas câmpuri petroliere explorate, potrivite pentru dezvoltare, și deja nepoții noștri se pot confrunta cu o problemă foarte serioasă de lipsă de energie.

Centralele nucleare, care sunt cel mai bine alimentate cu combustibil, ar putea, desigur, să aprovizioneze omenirea cu energie electrică pentru mai bine de o sută de ani.

Obiectul de studiu: Probleme fuziune termonucleară controlată.

Subiect de studiu:Fuziunea termonucleară.

Scopul studiului:Rezolvați problema controlului fuziunii termonucleare;

Obiectivele cercetării:

• Pentru a studia tipurile de reacții termonucleare.
• Luați în considerare toate opțiunile posibile pentru furnizarea energiei eliberate în timpul unei reacții termonucleare către o persoană.
• Propuneți o teorie despre conversia energiei în electricitate.

Fapt initial:

Energia nucleară este eliberată în timpul dezintegrarii sau fuziunii nucleelor ​​atomice. Orice energie - fizică, chimică sau nucleară se manifestă prin capacitatea sa de a lucra, de a radia căldură sau radiație. Energia în orice sistem este întotdeauna conservată, dar poate fi transferată într-un alt sistem sau modificată în formă.

Realizare Condițiile pentru fuziunea termonucleară controlată sunt împiedicate de câteva probleme principale:

• În primul rând, gazul trebuie încălzit la o temperatură foarte ridicată.
• În al doilea rând, este necesar să se controleze numărul de nuclee care reacţionează pentru un timp suficient de lung.
• În al treilea rând, cantitatea de energie eliberată trebuie să fie mai mare decât a fost cheltuită pentru încălzire și limitarea densității gazului.
• Următoarea problemă este acumularea acestei energii și transformarea ei în electricitate.

1. Reacții termonucleare asupra Soarelui

Care este sursa energiei solare? Care este natura proceselor în care se produce o cantitate imensă de energie? Cât timp va continua soarele să strălucească?

Primele încercări de a răspunde la aceste întrebări au fost făcute de astronomi la mijlocul secolului al XIX-lea, după ce fizicienii au formulat legea conservării energiei.

Robert Mayer a sugerat că Soarele strălucește din cauza bombardamentului constant al suprafeței de către meteoriți și particule de meteoriți. Această ipoteză a fost respinsă, întrucât un simplu calcul arată că pentru a menține luminozitatea Soarelui la nivelul actual, este necesar ca 2∙10 15 kg de materie meteorică. Timp de un an va fi 6∙10 22 kg, iar în timpul existenței Soarelui, timp de 5 miliarde de ani - 3∙10 32 kg. Masa solară M = 2∙10 30 kg, prin urmare, în cinci miliarde de ani, materie de 150 de ori masa Soarelui ar fi trebuit să cadă peste Soare.

A doua ipoteză a fost prezentată și de Helmholtz și Kelvin la mijlocul secolului al XIX-lea. Ei au sugerat că Soarele radiază prin contractarea de 60-70 de metri anual. Motivul comprimării este atracția reciprocă a particulelor Soarelui, motiv pentru care această ipoteză se numește contractual . Dacă facem un calcul conform acestei ipoteze, atunci vârsta Soarelui nu va fi mai mare de 20 de milioane de ani, ceea ce contrazice datele moderne obținute din analiza dezintegrarii radioactive a elementelor din probe geologice ale solului pământului și al solului Lunii. .

A treia ipoteză despre posibilele surse de energie solară a fost înaintată de James Jeans la începutul secolului al XX-lea. El a sugerat că adâncurile Soarelui conțin elemente radioactive grele care se descompun spontan, în timp ce se emite energie. De exemplu, transformarea uraniului în toriu și apoi în plumb este însoțită de eliberarea de energie. Analiza ulterioară a acestei ipoteze a arătat și eșecul acesteia; o stea compusă numai din uraniu nu ar elibera suficientă energie pentru a oferi luminozitatea observată a Soarelui. În plus, există stele care sunt de multe ori mai luminoase decât steaua noastră. Este puțin probabil ca acele stele să conțină și mai mult material radioactiv.

Cea mai probabilă ipoteză s-a dovedit a fi ipoteza sintezei elementelor ca urmare a reacțiilor nucleare din interiorul stelelor.

În 1935, Hans Bethe a emis ipoteza că reacția termonucleară de conversie a hidrogenului în heliu ar putea fi sursa de energie solară. Pentru aceasta, Bethe a primit Premiul Nobel în 1967.

Compoziția chimică a Soarelui este aproximativ aceeași cu cea a majorității celorlalte stele. Aproximativ 75% este hidrogen, 25% este heliu și mai puțin de 1% sunt toate celelalte elemente chimice (în principal carbon, oxigen, azot etc.). Imediat după nașterea Universului, nu au existat deloc elemente „grele”. Toate, adică elemente mai grele decât heliul și chiar multe particule alfa s-au format în timpul „arderii” hidrogenului în stele în timpul fuziunii termonucleare. Durata de viață caracteristică a unei stele precum Soarele este de zece miliarde de ani.

Principala sursă de energie esteciclul proton-proton – reacție foarte lentă (timp caracteristic 7,9∙10 9 ani), deoarece se datorează interacțiunii slabe. Esența sa constă în faptul că din patru protoni se obține un nucleu de heliu. În acest caz, sunt eliberate o pereche de pozitroni și o pereche de neutrini, precum și 26,7 MeV de energie. Numărul de neutrini emiși de Soare pe secundă este determinat doar de luminozitatea Soarelui. De când se eliberează 26,7 MeV, se nasc 2 neutrini, atunci rata de emisie de neutrini: 1,8∙10 38 neutrino/e. Un test direct al acestei teorii este observarea neutrinilor solari. Neutrinii de înaltă energie (bor) sunt înregistrați în experimentele cu clor-argon (experimentele Davis) și arată în mod constant o lipsă de neutrini în comparație cu valoarea teoretică pentru modelul solar standard. Neutrinii de joasă energie care apar direct în reacția pp sunt înregistrați în experimente galiu-germaniu (GALLEX la Gran Sasso (Italia-Germania) și SAGE la Baksan (Rusia-SUA)); sunt de asemenea „dispăruți”.

Conform unor ipoteze, dacă neutrinii au o masă în repaus diferită de zero, sunt posibile oscilații (transformări) diferitelor tipuri de neutrini (efectul Mikheev-Smirnov-Wolfenstein) (există trei tipuri de neutrini: neutrini electroni, muoni și tauoni) . pentru că alți neutrini au secțiuni transversale de interacțiune cu materia mult mai mici decât electronii, deficitul observat poate fi explicat fără modificarea modelului standard al Soarelui, construit pe baza întregului set de date astronomice.

În fiecare secundă, Soarele reciclează aproximativ 600 de milioane de tone de hidrogen. Stocurile de combustibil nuclear vor mai dura cinci miliarde de ani, după care se va transforma treptat într-o pitică albă.

Părțile centrale ale Soarelui se vor micșora, încălzindu-se, iar căldura transferată către învelișul exterior va duce la extinderea acesteia la dimensiuni monstruoase în comparație cu cele moderne: Soarele se va extinde atât de mult încât va absorbi Mercur, Venus și va cheltui” combustibil" de o sută de ori mai rapid decât în ​​prezent. Acest lucru va crește dimensiunea Soarelui; steaua noastră va deveni o gigantă roșie, a cărei dimensiune este comparabilă cu distanța de la Pământ la Soare!

Desigur, vom fi informați în avans despre un astfel de eveniment, deoarece trecerea la o nouă etapă va dura aproximativ 100-200 de milioane de ani. Când temperatura părții centrale a Soarelui va ajunge la 100.000.000 K, heliul va începe și el să ardă, transformându-se în elemente grele, iar Soarele va intra într-o etapă de cicluri complexe de contracție și expansiune. În ultima etapă, steaua noastră își va pierde învelișul exterior, nucleul central va avea o densitate și o dimensiune incredibil de mare, precum cea a Pământului. Vor mai trece câteva miliarde de ani, iar Soarele se va răci, transformându-se într-o pitică albă.

2. Fuziune termonucleară controlată.

Fuziunea termonucleară controlată (CTF) este sinteza nucleelor ​​atomice mai grele din cele mai ușoare pentru a obține energie, care, spre deosebire de fuziunea termonucleară explozivă (folosită în armele termonucleare), este controlată. Fuziunea termonucleară controlată diferă de energia nucleară tradițională prin aceea că cea din urmă folosește o reacție de fisiune, în timpul căreia nuclee mai ușoare sunt obținute din nuclee grele. deuteriu ( 2 H) și tritiu (3 H), iar în viitorul mai îndepărtat, heliu-3 ( 3 He) și bor-11 (11 B).

Fuziunea termonucleară controlată poate folosi diferite tipuri de reacții termonucleare în funcție de tipul de combustibil utilizat.

Deuteriul este clasificat drept combustibil termonuclear. 2D1, tritiu 3T1 şi 6Li3 . Combustibilul nuclear primar de acest tip este deuteriul. 6 Li 3 servește ca materie primă pentru obținerea combustibilului termonuclear secundar - tritiu.

Tritiu 3 T 1 - hidrogen supergreu 3 N 1 – obtinut prin iradiere cu Li natural ( 7,52% 6 Li 3 ) neutroni și particule alfa ( 4α 2 - nucleele atomilor de heliu 4 nu 2 ). Deuteriul este folosit ca combustibil termonuclear amestecat cu tritiu si 6 Li 3 (sub formă de LiD și LiТ ). În timpul implementării reacțiilor de fuziune nucleară în combustibil, au loc reacții de fuziune a nucleelor ​​de heliu (la o temperatură de la zeci până la sute de milioane de grade). Neutronii emiși sunt absorbiți de nuclee 6 Li 3 , în timp ce o cantitate suplimentară de tritiu se formează în funcție de reacție: 6 Li 3 + 1 p 0 \u003d 3 T 1 + 4 El 2 ( în reacția sumei numerelor de masă 6+1=3+4 și sumele sarcinilor 3+0=1+2 ar trebui să fie la fel de ambele părți ale ecuației). Două nuclee de deuteriu (hidrogen greu) dau ca rezultat al reacției de fuziune un nucleu de tritiu (hidrogen supergreu) și un proton (nucleul unui atom de hidrogen normal): 2 D 1 + 2 D 1 \u003d 3 T 1 + 1 R 1; Reacțiile pot merge și în sens invers, cu formarea unui nucleu izotop de heliu 3 He 2 și neutron 1 p 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 p 0 . Tritiul reacționează cu deuteriul, neutronii reapar, capabili să interacționeze cu 6 Li 3: 2 D 1 + 3 T 1 \u003d 4 El 2 + 1 p 0 etc. Puterea calorică a combustibilului termonuclear este de 5-6 ori mai mare decât cea a materialelor fisionabile. Rezervele de deuteriu din hidrosferă sunt de aproximativ 10 13 t . Cu toate acestea, în prezent, practic se desfășoară doar reacții necontrolate (explozie), iar metodele sunt căutate pe scară largă pentru a realiza o reacție termonucleară controlată, care, în principiu, face posibilă furnizarea energiei omenirii pentru o perioadă aproape nelimitată de timp.

3. Avantajele fuziunii termonucleare

Ce avantaje are fuziunea termonucleară în comparație cu reacțiile de fisiune nucleară, care ne permit să sperăm la o dezvoltare la scară largă a energiei termonucleare? Diferența principală și fundamentală constă în absența deșeurilor radioactive cu viață lungă, ceea ce este tipic pentru reactoarele de fisiune nucleară. Și deși primul perete este activat de neutroni în timpul funcționării unui reactor termonuclear, alegerea materialelor structurale adecvate cu activare scăzută deschide posibilitatea fundamentală de a crea un reactor termonuclear în care activitatea indusă a primului perete va scădea la un nivel complet. nivel de siguranță la treizeci de ani de la oprirea reactorului. Aceasta înseamnă că reactorul expirat va trebui să fie pus sub control pentru doar 30 de ani, după care materialele pot fi reciclate și utilizate într-un nou reactor de fuziune. Această situație este fundamental diferită de reactoarele de fisiune, care produc deșeuri radioactive care necesită procesare și depozitare timp de zeci de mii de ani. Pe lângă radioactivitatea scăzută, energia termonucleară are rezerve uriașe, aproape inepuizabile, de combustibil și alte materiale necesare, suficiente pentru a produce energie pentru multe sute, dacă nu mii de ani.

Aceste avantaje au determinat principalele țări nucleare să înceapă cercetări la scară largă privind fuziunea termonucleară controlată la mijlocul anilor 1950. În acel moment, primele teste de succes ale bombelor cu hidrogen fuseseră deja efectuate în Uniunea Sovietică și Statele Unite, ceea ce confirma posibilitatea fundamentală de a folosi energia fuziunii nucleare în condiții terestre. De la bun început, a devenit clar că fuziunea termonucleară controlată nu are nicio aplicație militară. În 1956, cercetarea a fost desecretizată și de atunci a fost efectuată în cadrul unei cooperări internaționale extinse. Bomba cu hidrogen a fost creată în doar câțiva ani, iar la acel moment părea că obiectivul era aproape și că primele mari instalații experimentale, construite la sfârșitul anilor 50, vor primi plasmă termonucleară. Cu toate acestea, a fost nevoie de mai mult de 40 de ani de cercetare pentru a crea condiții în care eliberarea de putere termonucleară este comparabilă cu puterea de încălzire a amestecului de reacție. În 1997, cea mai mare instalație termonucleară, European TOKAMAK (JET), a primit 16 MW de putere termonucleară și s-a apropiat de acest prag.

Care a fost motivul unei asemenea întârzieri? S-a dovedit că, pentru a atinge scopul, fizicienii și inginerii au trebuit să rezolve o mulțime de probleme despre care habar nu aveau la începutul călătoriei. În acești 40 de ani, a fost creată o știință - fizica plasmei, care a făcut posibilă înțelegerea și descrierea proceselor fizice complexe care au loc în amestecul de reacție. Inginerii au trebuit să rezolve probleme la fel de dificile, inclusiv cum să creeze un vid profund în volume mari, să selecteze și să testeze materiale structurale adecvate, să dezvolte magneți supraconductori mari, lasere puternice și surse de raze X, să dezvolte sisteme de putere în impulsuri capabile să creeze fascicule puternice de particule, pentru a dezvolta metode de încălzire de înaltă frecvență a amestecului și multe altele.

4. Probleme ale fuziunii termonucleare controlate

Cercetătorii din toate țările dezvoltate își pun speranța în depășirea crizei energetice viitoare printr-o reacție termonucleară controlată. O astfel de reacție - sinteza heliului din deuteriu și tritiu - are loc pe Soare de milioane de ani, iar în condiții terestre de cincizeci de ani încearcă să o desfășoare în instalații laser gigantice și foarte scumpe, tokamak-uri. (un dispozitiv pentru efectuarea unei reacții de fuziune termonucleară în plasmă fierbinte) și stelare (capcană magnetică închisă pentru a conține plasmă la temperatură înaltă). Cu toate acestea, există și alte modalități de a rezolva această problemă dificilă și, în loc de tokamak-uri uriașe, va fi probabil posibil să se utilizeze un colisionar destul de compact și ieftin - un accelerator pe fascicule care se ciocnesc - pentru implementarea fuziunii termonucleare.

Tokamak necesită cantități foarte mici de litiu și deuteriu pentru a funcționa. De exemplu, un reactor cu o putere electrică de 1 GW arde aproximativ 100 kg de deuteriu și 300 kg de litiu pe an. Dacă presupunem că toate centralele termonucleare vor produce 10 trilioane. kW/h de energie electrică pe an, adică atât cât produc astăzi toate centralele electrice ale Pământului, atunci rezervele mondiale de deuteriu și litiu vor fi suficiente pentru a furniza energie omenirii timp de multe milioane de ani.

Pe lângă fuziunea deuteriului și litiului, o fuziune pur solară este posibilă atunci când doi atomi de deuteriu sunt combinați. Dacă această reacție este stăpânită, problemele energetice vor fi rezolvate imediat și pentru totdeauna.

În oricare dintre variantele cunoscute de fuziune termonucleară controlată (CTF), reacțiile termonucleare nu pot intra în modul de creștere necontrolată a puterii, prin urmare, astfel de reactoare nu sunt intrinsec sigure.

Din punct de vedere fizic, problema este formulată simplu. Pentru ca o reacție de fuziune nucleară auto-susținută să aibă loc, este necesar și suficient să se îndeplinească două condiții.

1. Energia nucleelor ​​care participă la reacție trebuie să fie de cel puțin 10 keV. Pentru ca fuziunea nucleară să înceapă, nucleele care participă la reacție trebuie să se încadreze în câmpul forțelor nucleare, a căror rază este de 10-12-10-13 s.cm. Cu toate acestea, nucleele atomice au o sarcină electrică pozitivă, iar sarcinile asemănătoare se resping reciproc. La limita acțiunii forțelor nucleare, energia de repulsie a lui Coulomb este de aproximativ 10 keV. Pentru a depăși această barieră, nucleele din ciocnire trebuie să aibă o energie cinetică de cel puțin nu mai mică decât această valoare.
2. Produsul dintre concentrația nucleelor ​​care reacţionează și timpul de retenţie în care aceştia reţin energia indicată trebuie să fie de cel puţin 1014 s.cm-3. Această condiție - așa-numitul criteriu Lawson - determină limita rentabilității energetice a reacției. Pentru ca energia eliberată în reacția de fuziune să acopere cel puțin costurile energetice ale inițierii reacției, nucleele atomice trebuie să sufere multe ciocniri. În fiecare ciocnire în care are loc o reacție de fuziune între deuteriu (D) și tritiu (T), se eliberează 17,6 MeV de energie, adică aproximativ 3,10-12 J. Dacă, de exemplu, 10 MJ energie este cheltuită la aprindere, atunci reacția se va întrerupe chiar dacă cel puțin 3.1018 perechi D-T iau parte la ea. Și pentru aceasta, o plasmă de înaltă energie destul de densă trebuie păstrată în reactor mult timp. Această condiție este exprimată de criteriul Lawson.

Dacă ambele cerințe pot fi îndeplinite simultan, se va rezolva problema fuziunii termonucleare controlate.

Cu toate acestea, implementarea tehnică a acestei probleme fizice se confruntă cu dificultăți enorme. La urma urmei, o energie de 10 keV este o temperatură de 100 de milioane de grade. O substanță la o astfel de temperatură poate fi păstrată chiar și fracțiuni de secundă doar în vid, prin izolarea acesteia de pereții instalației.

Dar există o altă metodă pentru a rezolva această problemă - o fuziune la rece. Ce este o fuziune la rece - acesta este un analog al unei reacții termonucleare „fierbinte” care are loc la temperatura camerei.

În natură, există cel puțin două moduri de a schimba materia într-o dimensiune a continuumului. Puteți fierbe apă pe foc, de exemplu. termic sau într-un cuptor cu microunde, de ex. frecvență. Rezultatul este același - apa fierbe, singura diferență este că metoda frecvenței este mai rapidă. De asemenea, folosește atingerea temperaturii ultra-înalte pentru a împărți nucleul atomului. Metoda termică dă o reacție nucleară necontrolată. Energia unei fuziuni la rece este energia stării de tranziție. Una dintre principalele condiții pentru proiectarea unui reactor pentru efectuarea unei reacții de fuziune la rece este starea formei sale piramidal-cristaline. O altă condiție importantă este prezența câmpurilor magnetice și de torsiune rotative. Intersecția câmpurilor are loc în punctul de echilibru instabil al nucleului de hidrogen.

Oamenii de știință Ruzi Taleiarkhan de la Laboratorul Național Oak Ridge, Richard Leikhi de la Universitatea Politehnică. Renssilira și academicianul Robert Nigmatulin - au înregistrat o reacție termonucleară rece în laborator.

Grupul a folosit un pahar de acetonă lichidă de mărimea a două până la trei pahare. Undele sonore au trecut intens prin lichid, producând un efect cunoscut în fizică ca cavitație acustică, a cărei consecință este sonoluminiscența. În timpul cavitației, în lichid au apărut bule mici, care au crescut la doi milimetri în diametru și au explodat. Exploziile au fost însoțite de fulgere de lumină și eliberare de energie, de exemplu. temperatura din interiorul bulelor în momentul exploziei a atins 10 milioane de grade Kelvin, iar energia eliberată, conform experimentatorilor, este suficientă pentru a realiza fuziunea termonucleară.

„Tehnic” esența reacției constă în faptul că, în urma combinării a doi atomi de deuteriu, se formează un al treilea - un izotop de hidrogen, cunoscut sub numele de tritiu, și un neutron, caracterizat printr-o cantitate enormă de energie. .

4.1 Probleme economice

La crearea TCB, se presupune că va fi o instalație mare echipată cu computere puternice. Va fi un întreg oraș mic. Dar în cazul unui accident sau a unei defecțiuni a echipamentului, funcționarea stației va fi întreruptă.

Acest lucru nu este prevăzut, de exemplu, în proiectele moderne de centrale nucleare. Se crede că principalul lucru este să le construiești, iar ceea ce se întâmplă în continuare nu este important.

Dar în cazul defectării unei stații, multe orașe vor rămâne fără curent electric. Acest lucru poate fi văzut în exemplul centralei nucleare din Armenia. Eliminarea deșeurilor radioactive a devenit foarte costisitoare. La cererea centralei nucleare verzi a fost închisă. Populația a rămas fără energie electrică, echipamentele centralei au fost uzate, iar banii alocați de organizațiile internaționale pentru restaurare au fost irositi.

O problemă economică serioasă este decontaminarea industriilor abandonate în care se procesa uraniul. De exemplu, "orașul Aktau are propriul său mic" Cernobîl ". Este situat pe teritoriul uzinei chimico-hidrometalurgice (KhGMZ). Radiația de fond cu raze gamma în atelierul de prelucrare a uraniului (HMC) ajunge în unele locuri. 11.000 de micro-roentgens pe oră, nivelul mediu de fond este de 200 de micro-roentgens ( Fondul natural obișnuit este de la 10 la 25 de micro-roentgens pe oră. După oprirea instalației, decontaminarea nu a fost efectuată deloc aici. O semnificativă o parte a echipamentului, aproximativ cincisprezece mii de tone, are deja radioactivitate inamovibilă. În același timp, astfel de articole periculoase sunt depozitate în aer liber, prost păzite și îndepărtate constant de pe teritoriul KhGMZ.

Prin urmare, din moment ce nu există producții eterne, în legătură cu apariția noilor tehnologii, TCB-ul poate fi închis și apoi obiectele, metalele din întreprindere vor intra pe piață și populația locală va avea de suferit.

Apa va fi folosită în sistemul de răcire TCB. Dar, potrivit ecologiștilor, dacă luăm statistici privind centralele nucleare, apa din aceste rezervoare nu este potabilă.

Potrivit experților, rezervorul este plin de metale grele (în special, toriu-232), iar în unele locuri nivelul radiațiilor gamma ajunge la 50 - 60 de microroentgens pe oră.

Adică, acum, în timpul construcției centralelor nucleare, nu sunt prevăzute fonduri care să readucă zona la starea inițială. Și după închiderea întreprinderii, nimeni nu știe să îngroape deșeurile acumulate și să curețe fosta întreprindere.

4.2 Probleme medicale

Efectele nocive ale CTS includ producerea de mutanți ai virușilor și bacteriilor care produc substanțe nocive. Acest lucru este valabil mai ales pentru viruși și bacterii din corpul uman. Apariția tumorilor maligne și a cancerului va fi cel mai probabil o boală comună în rândul locuitorilor din satele care locuiesc în apropierea TCB. Locuitorii suferă întotdeauna mai mult pentru că nu au mijloace de protecție. Dozimetrele sunt scumpe și medicamentele nu sunt disponibile. Deșeurile de la TCF vor fi aruncate în râuri, evacuate în aer sau pompate în straturile subterane, ceea ce se întâmplă acum la centralele nucleare.

Pe lângă daunele care apar imediat după expunerea la doze mari, radiațiile ionizante provoacă efecte pe termen lung. Practic, carcinogeneză și tulburări genetice care pot apărea la orice doză și tip de expunere (unica, cronică, locală).

Potrivit rapoartelor medicilor care au înregistrat boli ale lucrătorilor de la centralele nucleare, mai întâi sunt bolile cardiovasculare (atacuri de cord), apoi cancerul. Mușchiul inimii devine mai subțire sub influența radiațiilor, devine flasc, mai puțin durabil. Există boli destul de de neînțeles. De exemplu, insuficienta hepatica. Dar de ce se întâmplă acest lucru, niciunul dintre medici încă nu știe. Dacă substanțele radioactive pătrund în tractul respirator în timpul unui accident, medicii decupează țesuturile deteriorate ale plămânilor și ale traheei, iar persoana cu dizabilități merge cu un dispozitiv portabil pentru respirație.

5. Instalaţii termonucleare

Oamenii de știință din țara noastră și din majoritatea țărilor dezvoltate ale lumii se confruntă de mulți ani cu problema utilizării reacțiilor termonucleare în scopuri energetice. Au fost create instalații termonucleare unice - cele mai complexe dispozitive tehnice menite să studieze posibilitatea obținerii de energie colosală, care este eliberată până acum doar în timpul exploziei unei bombe cu hidrogen. Oamenii de știință doresc să învețe cum să controleze cursul unei reacții termonucleare - reacția de combinare a nucleelor ​​grele de hidrogen (deuteriu și tritiu) cu formarea nucleelor ​​de heliu la temperaturi ridicate - pentru a utiliza energia eliberată în timpul acesteia în scopuri pașnice, pentru beneficiul oamenilor.

Există foarte puțin deuteriu într-un litru de apă de la robinet. Dar dacă acest deuteriu este colectat și folosit ca combustibil într-o instalație termonucleară, atunci puteți obține la fel de multă energie ca și din arderea a aproape 300 de kilograme de ulei. Iar pentru a furniza energia care se obține acum prin arderea combustibilului convențional produs într-un an, ar fi necesară extragerea deuteriului din apa conținută într-un cub cu latura de doar 160 de metri. Numai râul Volga transportă aproximativ 60.000 de astfel de metri cubi de apă în Marea Caspică în fiecare an.

Pentru ca o reacție termonucleară să aibă loc, trebuie îndeplinite mai multe condiții. Astfel, temperatura în zona în care se combină nucleele grele de hidrogen ar trebui să fie de aproximativ 100 de milioane de grade. La o temperatură atât de mare, nu mai vorbim de un gaz, ci de o plasmă. Plasma este o astfel de stare a materiei când, la temperaturi ridicate ale gazului, atomii neutri își pierd electronii și se transformă în ioni pozitivi. Cu alte cuvinte, plasma este un amestec de ioni pozitivi și electroni care se mișcă liber. A doua condiție este necesitatea de a menține o densitate a plasmei în zona de reacție de cel puțin 100.000 de miliarde de particule pe centimetru cub. Și, în sfârșit, principalul și cel mai dificil lucru este să păstrezi cursul reacției termonucleare pentru cel puțin o secundă.

Camera de lucru a unei instalații termonucleare este toroidală, asemănătoare unui covrigi uriaș. Este umplut cu un amestec de deuteriu și tritiu. În interiorul camerei în sine, se creează o bobină de plasmă - un conductor prin care trece un curent electric de aproximativ 20 de milioane de amperi.
Curentul electric îndeplinește trei funcții importante. În primul rând, creează plasmă. În al doilea rând, îl încălzește până la o sută de milioane de grade. Și, în cele din urmă, curentul creează un câmp magnetic în jurul său, adică înconjoară plasma cu linii de forță magnetice. În principiu, liniile de forță din jurul plasmei ar trebui să o mențină suspendată și să împiedice plasma să atingă pereții camerei.Totuși, menținerea plasmei suspendată nu este atât de simplă. Forțele electrice deformează conductorul de plasmă, care nu are rezistența unui conductor metalic. Se îndoaie, lovește peretele camerei și îi dă energia sa termică. Pentru a preveni acest lucru, se pun mai multe bobine deasupra camerei toroidale, care creează un câmp magnetic longitudinal în cameră, care împinge conductorul de plasmă departe de pereți. Numai că acest lucru nu este suficient, deoarece conductorul de plasmă care transportă curent tinde să se întindă, pentru a-și crește diametrul. Câmpul magnetic, care este creat automat, fără forțe exterioare străine, este, de asemenea, chemat să împiedice extinderea conductorului de plasmă. Conductorul de plasmă este plasat împreună cu camera toroidală într-o altă cameră mai mare realizată dintr-un material nemagnetic, de obicei cupru. De îndată ce conductorul de plasmă încearcă să devieze de la poziția de echilibru, în învelișul de cupru, conform legii inducției electromagnetice, apare un curent de inducție, care este opus curentului din plasmă. Ca urmare, apare o forță opusă, care respinge plasma de pe pereții camerei.
Pentru a menține plasma de contactul cu pereții camerei printr-un câmp magnetic a fost propus în 1949 de către A.D. Saharov, iar puțin mai târziu americanul J. Spitzer.

În fizică, se obișnuiește să se dea nume fiecărui tip nou de configurație experimentală. O structură cu un astfel de sistem de înfășurare se numește tokamak - prescurtare pentru „camera toroidală și bobină magnetică”.

În anii 1970, în URSS a fost construită o instalație termonucleară numită „Tokamak-10”. A fost dezvoltat la Institutul de Energie Atomică. I.V. Kurchatov. La această instalație, temperatura conductorului de plasmă a fost de 10 milioane de grade, densitatea plasmei nu a fost mai mică de 100 de mii de miliarde de particule pe centimetru cub, iar timpul de retenție a plasmei a fost aproape de 0,5 secunde. Cea mai mare instalație din țara noastră astăzi, Tokamak-15, a fost construită tot la Centrul de Cercetare din Moscova, Institutul Kurchatov.

Toate instalațiile termonucleare create până acum consumă energie doar pentru încălzirea plasmei și crearea câmpurilor magnetice. O centrală termonucleară a viitorului, dimpotrivă, ar trebui să elibereze atât de multă energie încât o mică parte din ea ar putea fi folosită pentru a menține o reacție termonucleară, adică pentru a încălzi plasma, a crea câmpuri magnetice și a alimenta multe dispozitive și dispozitive auxiliare, și dați partea principală pentru consum în rețeaua electrică.

În 1997, în Marea Britanie, pe tokamak-ul JET, intrarea și energia primită au coincis. Deși acest lucru, desigur, nu este suficient pentru auto-susținerea procesului: până la 80 la sută din energia primită se pierde. Pentru ca reactorul să funcționeze, este necesar să se producă de cinci ori mai multă energie decât este cheltuită pentru încălzirea plasmei și crearea câmpurilor magnetice.
În 1986, țările Uniunii Europene, împreună cu URSS, SUA și Japonia, au decis să dezvolte și să construiască în comun până în 2010 un tokamak suficient de mare capabil să producă energie nu numai pentru a menține fuziunea termonucleară în plasmă, ci și pentru a obține un util util. putere electrica. Acest reactor a fost numit ITER, prescurtare de la International Thermonuclear Experimental Reactor. Până în 1998, au reușit să finalizeze calculele de proiectare, dar din cauza eșecului americanilor, a trebuit să se facă modificări în proiectarea reactorului pentru a reduce costul acestuia.

Puteți lăsa particulele să se miște în mod natural și puteți oferi camerei o formă care să le urmeze calea. Camera are atunci un aspect destul de bizar. El repetă forma unui filament de plasmă care apare în câmpul magnetic al bobinelor externe de configurație complexă. Câmpul magnetic este creat de bobine externe cu o configurație mult mai complexă decât într-un tokamak. Dispozitivele de acest fel se numesc stellaratori. Torsatron „Uraganul-3M” a fost construit în țara noastră. Acest stellarator experimental este proiectat să conțină plasmă încălzită la zece milioane de grade.

În prezent, tokamak-urile au alți concurenți serioși care folosesc fuziunea termonucleară inerțială. În acest caz, câteva miligrame de amestec de deuteriu-tritiu sunt închise într-o capsulă cu diametrul de 1-2 mm. Radiația pulsată a mai multor zeci de lasere puternice este concentrată pe capsulă. Ca rezultat, capsula se evaporă instantaneu. Este necesar să puneți 2 MJ de energie în radiație în 5-10 nanosecunde. Apoi presiunea ușoară va comprima amestecul într-o asemenea măsură încât poate avea loc o reacție de fuziune termonucleară. Energia eliberată în timpul exploziei, echivalentă ca putere cu o explozie de o sută de kilograme de TNT, va fi transformată într-o formă mai convenabilă pentru utilizare - de exemplu, într-una electrică. Cu toate acestea, construcția de stellaratoare și instalații de fuziune inerțială întâmpină și dificultăți tehnice serioase. Probabil, utilizarea practică a energiei termonucleare nu este o chestiune de viitor apropiat.

6. Perspective pentru stăpânirea fuziunii termonucleare

Ca o sarcină importantă pentru industria nucleară, pe termen lung, este intrarea în dezvoltarea tehnologiilor de fuziune termonucleară controlată ca bază a energiei viitorului. În prezent, în întreaga lume se iau decizii strategice pentru dezvoltarea și stăpânirea noilor surse de energie. Necesitatea dezvoltării unor astfel de surse este asociată cu deficitul preconizat de producție de energie și resurse limitate de combustibil. Una dintre cele mai promițătoare surse de energie inovatoare este fuziunea termonucleară controlată (CTF). Energia de fuziune este eliberată în timpul fuziunii nucleelor ​​izotopilor de hidrogen grei. Combustibilul pentru un reactor termonuclear este apa și litiul, ale căror rezerve sunt practic nelimitate. În condiții terestre, implementarea CTS este o sarcină științifică și tehnologică complexă asociată cu obținerea unei temperaturi a substanței de peste 100 de milioane de grade și izolarea termică a regiunii de sinteză de pereții reactorului.

Fuziunea termonucleară este un proiect pe termen lung, crearea unei facilități comerciale este așteptată până în 2040-2050. Scenariul cel mai probabil pentru stăpânirea energiei termonucleare presupune implementarea a trei etape:
- însuşirea modurilor de ardere pe termen lung a unei reacţii termonucleare;
- demonstrarea producerii energiei electrice;
- Crearea de statii termonucleare industriale.

În cadrul proiectului internațional ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), acesta ar trebui să demonstreze fezabilitatea tehnică a confinării plasmei și a generării de energie.Scopul principal al programului al proiectului ITER este de a demonstra fezabilitatea științifică și tehnică a obținerii de energie prin reacții de fuziune (fuziune) a izotopilor de hidrogen - deuteriu și tritiu. Puterea de fuziune proiectată a reactorului ITER va fi de aproximativ 500 MW la o temperatură a plasmei de 100 de milioane de grade.
În noiembrie 2006, toți participanții la proiectul ITER - Uniunea Europeană, Rusia, Japonia, SUA, China, Coreea și India au semnat Acordurile privind înființarea Organizației Internaționale pentru Energie de Fuziune ITER pentru implementarea comună a proiectului ITER. Faza de construcție a reactorului a început în 2007.

Participarea Rusiei la proiectul ITER constă în dezvoltarea, fabricarea și furnizarea către șantierul reactorului (Cadarache, Franța) a principalelor echipamente tehnologice și aducerea unei contribuții bănești, care în general reprezintă aproximativ 10% din costul total al construcției reactorului. . SUA, China, India, Coreea și Japonia au aceeași cotă din contribuție.
Foaie de parcurs pentru stăpânirea energiei fuziunii termonucleare controlate

2000 (nivel actual):
Provocări de rezolvat: realizarea echității în costuri și generare de energie
Ultima generație de tokamak-uri a făcut posibilă apropierea de implementarea arderii termonucleare controlate cu o eliberare mare de energie.
Puterea reacțiilor de fuziune termonucleară a atins nivelul de 17 MW (instalație JET, UE), ceea ce este comparabil cu puterea introdusă în plasmă.
2020:

Sarcini de rezolvat în proiectul ITER: reacție pe termen lung, dezvoltarea și integrarea tehnologiilor termonucleare.

Scopul proiectului ITER este de a obține aprinderea controlată a unei reacții termonucleare și arderea ei pe termen lung la un exces de zece ori de putere termonucleară față de puterea de a iniția o reacție de fuziune Q³10.

2030:
Sarcina de rezolvat: construirea unei stații demonstrative DEMO (OTE)
Alegerea materialelor și tehnologiilor optime pentru OFC, proiectarea, construcția și testele de pornire a unei centrale termonucleare experimentale au fost finalizate în cadrul proiectului DEMO, iar proiectarea conceptuală a PFC a fost finalizată.
2050
Sarcini de rezolvat: proiectarea și construcția PTE, finalizarea testării tehnologiilor de generare a energiei electrice la DEMO.
Crearea unei stații industriale energetice cu o marjă mare de siguranță și indicatori economici acceptabili ai costului energiei.
Omenirea va primi în mâinile sale o sursă de energie inepuizabilă, acceptabilă din punct de vedere ecologic și economic.Proiectarea reactorului de fuziune se bazează pe sisteme cu plasmă magnetică confinată de tip „Tokamak”, dezvoltate și implementate pentru prima dată în URSS. În 1968, la tokamak-ul T-3 a fost atinsă o temperatură a plasmei de 10 milioane de grade. De atunci, instalațiile Tokamak au devenit direcția principală în cercetarea fuziunii termonucleare în toate țările.

În prezent, tokamaks T-10 și T-15 (RRC „Institutul Kurchatov”), T-11M (FSUE SRC RF TRINITI, Troitsk, regiunea Moscova), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Institutul Fizico-Tehnic) numit după A.F. Ioffe, Sankt Petersburg, RAS) și stellarator L-2 (Institutul de Fizică Generală, Moscova, RAS).

Concluzie

Pe baza cercetărilor efectuate se pot trage următoarele concluzii:

Fuziunea termonucleara este cea mai rationala, inofensiva din punct de vedere ecologic si ieftina modalitate de obtinere a energiei, din punct de vedere al cantitatii de caldura primita, este incomparabila cu sursele naturale folosite de om in acest moment. Fără îndoială, procesul de stăpânire a fuziunii termonucleare ar rezolva multe dintre problemele omenirii, atât în ​​prezent, cât și în viitor.

În viitor, fuziunea termonucleară va face posibilă depășirea unei alte „crize a omenirii”, și anume suprapopularea Pământului. Nu este un secret pentru nimeni faptul că dezvoltarea civilizației terestre prevede o creștere constantă și constantă a populației planetei, astfel încât problema dezvoltării „noilor teritorii”, cu alte cuvinte, colonizarea planetelor vecine ale sistemului solar pentru a crea permanent. aşezărilor, este o chestiune de viitor foarte apropiat.

Literatură

1. A. P. Baskakov. Tehnica termică / - M .: Energoatomizdat, 1991
2. V. I. KRUTOV Tehnica termică / - M .: Mashinostroenie, 1986
3. K. V. Tihomirov. Inginerie termică, alimentare cu căldură și gaz și ventilație - M .: Stroyizdat, 1991
4. V. P. Preobrajenski. Măsurători și dispozitive termice - M .: Energy, 1978
5. Jeffrey P. Freidberg. Fizica plasmatică și energie de fuziune/ - Cambridge University Press, 2007.
6. http://www.college.ru./astronomy- Astronomie
7. http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Fuziunea termonucleară pe Soare - o nouă versiune Vladimir Vlasov

Previzualizare:

Pentru a utiliza previzualizarea prezentărilor, creați un cont Google (cont) și conectați-vă: https://accounts.google.com

Subtitrările diapozitivelor:

FUZIUNEA TERMONUCLEARA

CONCEPTUL Acesta este un fel de reacție nucleară, în care nucleele atomice ușoare se combină în altele mai grele datorită energiei cinetice a mișcării lor termice.

OBȚINE ENERGIE

ECUAȚIA DE REACȚIE CU FORMAREA LUI HE ⁴

REACȚIA TERMONUCLEARĂ LA SOARE

Fuziune controlată

CAMERA TOROIDALA CU BOBINE MAGNETICE (TOKAMAK)

NECESITATEA DE DEZVOLTARE A FUZIUNEI TERMONUCLEARE

Domeniul fizicii plasmei a înflorit din dorința de a îmbutelia o stea. În ultimele decenii, domeniul a crescut în nenumărate direcții, de la astrofizică la vremea spațială la nanotehnologie.

Pe măsură ce înțelegerea noastră generală despre plasmă a crescut, la fel a crescut și capacitatea noastră de a menține condițiile de fuziune pentru mai mult de o secundă. La începutul acestui an, un nou reactor de fuziune supraconductor din China a fost capabil să țină o plasmă la 50 de milioane de grade Celsius pentru un record de 102 de secunde. Wendelstein X-7 Stellarator, care a intrat în funcțiune în Germania pentru prima dată în toamna anului trecut, este de așteptat să doboare acel record și să păstreze plasma timp de până la 30 de minute la un moment dat.

Actualizarea recentă NSTX-U pare modestă în comparație cu acești monștri: experimentul poate reține acum plasmă timp de cinci secunde în loc de una. Dar aceasta este și o etapă importantă.

„Crearea unei plasme de fuziune care trăiește doar cinci secunde poate să nu pară un proces foarte lung, dar în fizica plasmei, cinci secunde pot fi comparate cu fizica ei într-o stare stabilă”, spune Myers, referindu-se la condițiile în care o plasmă. este stabil. Scopul final este de a obține o stare stabilă de „plasmă de ardere” care poate conduce fuziunea singură cu un mic aport de energie din exterior. Niciun experiment nu a reușit încă acest lucru.

NSTX-U va permite cercetătorilor de la Princeton să completeze unele dintre golurile dintre ceea ce se știe din fizica plasmei acum și ceea ce va fi necesar pentru a crea o instalație pilot capabilă să realizeze arderea la starea de echilibru și să genereze electricitate curată.

Pe de o parte, pentru a găsi cele mai bune materiale de izolare, trebuie să înțelegem mai bine ce se întâmplă între plasma de fuziune și pereții reactorului. Princeton explorează posibilitatea de a înlocui pereții reactorului său (din grafit de carbon) cu un „perete” de litiu lichid pentru a reduce coroziunea pe termen lung.

În plus, oamenii de știință cred că, dacă fuziunea ajută la lupta împotriva încălzirii globale, trebuie să se grăbească. NSTX-U îi va ajuta pe fizicieni să decidă dacă să continue dezvoltarea designului tokamak sferic. Majoritatea reactoarelor de tip tokamak sunt mai puțin ca un măr și mai mult ca o gogoașă, covrigi sau torus. Forma neobișnuită a torului sferic permite utilizarea mai eficientă a câmpului magnetic al bobinelor sale.

„Pe termen lung, am dori să ne dăm seama cum să optimizăm configurația uneia dintre aceste mașini”, spune Martin Greenwald, director asociat al Centrului pentru Științe ale Plasmei și Fuziunii la . „Pentru a face asta, trebuie să știi cum performanța mașinii depinde de ceva ce poți controla, cum ar fi forma.”

Myers urăște să judece cât de departe suntem de puterea de fuziune posibilă din punct de vedere comercial și el poate fi înțeles. La urma urmei, decenii de optimism inevitabil au afectat serios reputația acestui domeniu și au întărit ideea că sinteza este un vis. Cu toate implicațiile financiare.

A fost o lovitură majoră pentru programul de fuziune MIT faptul că federalii au oferit suport pentru tokamak Alcator C-Mid, care produce unul dintre cele mai puternice câmpuri magnetice și demonstrează plasmă de fuziune la cea mai mare presiune. Majoritatea cercetărilor NSTX-U în așteptare vor depinde de sprijinul federal continuu, despre care Myers spune că vine „într-un an”.

Toată lumea trebuie să aibă grijă să-și cheltuiască dolarii de cercetare, iar unele programe de fuziune au înghițit deja sume incredibile. Luați, de exemplu, ITER, uriașul reactor de fuziune supraconductor aflat în prezent în construcție în Franța. Când a început cooperarea internațională în 2005, a fost anunțată ca un proiect de 5 miliarde de dolari, pe 10 ani. După câțiva ani de eșec, prețul a crescut la 40 de miliarde de dolari. Potrivit celor mai optimiste estimări, instalația va fi finalizată până în 2030.

Și acolo unde ITER este probabil să se umfle ca o tumoare până când rămâne fără resurse și își ucide gazda, programul de fuziune redus al MIT arată cum se poate face cu un buget mult mai mic. Vara trecută, o echipă de absolvenți ai MIT a dezvăluit planuri pentru ARC, un reactor de fuziune cu costuri reduse care va folosi noi materiale supraconductoare la temperatură înaltă pentru a genera aceeași cantitate de energie ca ITER, doar cu un dispozitiv mult mai mic.

„Provocarea pentru fuziune este găsirea unei căi tehnice care să o facă viabilă din punct de vedere economic, ceea ce intenționăm să facem în curând”, spune Greenwald, menționând că conceptul ARC este în prezent urmărit de Inițiativa Energetică a MIT. „Credem că, dacă fuziunea va face o diferență în încălzirea globală, trebuie să ne mișcăm mai repede.”

„Fuziunea promite să fie principala sursă de energie – acesta este, de fapt, scopul nostru final”, spune Robert Rosner, un fizician al plasmei la Universitatea din Chicago și co-fondator al Institutului de Politică Energetică din cadrul acesteia. „În același timp, există o întrebare importantă: cât suntem dispuși să cheltuim acum. Dacă reducem finanțarea până la punctul în care următoarea generație de copii inteligenți nu vrea deloc să o facă, s-ar putea să ieșim cu totul din asta.”

Cursul numărul 2.

Modalități de rezolvare a problemei fuziunii termonucleare

Principalele direcții de cercetare în fuziunea nucleară sunt: ​​a) sisteme cu confinare magnetică;

b) cvasi-staționare (deschis și închis); impuls; c) sisteme cu confinare inerțială (laser, cu diverse fascicule, cu carcasă contractantă).

Până în prezent, s-au format două abordări în mare măsură independente pentru rezolvarea problemei fuziunii termonucleare controlate. Primul dintre ele se bazează pe posibilitatea confinării și izolării termice a unei plasme de temperatură înaltă de densitate relativ scăzută printr-un câmp magnetic de configurație specială pentru un timp relativ lung (1-10 s).

Cealaltă cale este impulsul. În abordarea cu puls, este necesar să se încălzească și să se comprima rapid porțiuni mici de materie la astfel de temperaturi și densități la care reacțiile termonucleare ar avea timp să se desfășoare eficient în timpul existenței unei plasme neconținute sau, după cum se spune, limitată inerțial. Estimările arată că pentru a comprima o substanță la densități de 100–1000 g/cm 3 și încălziți-l până la o temperatură de 5-10 keV, este necesar să creați presiune pe suprafața țintei sferice 10 9 atm, adică avem nevoie de o sursă care să permită furnizarea energiei către suprafața țintă cu o densitate de putere de 10 15 W/cm2.

Limitarea magnetică a plasmei.

Lăsați temperatura plasma Tși concentrațiile de particule care interacționează n 1 și n2 . Dacă viteza unui ion dat în raport cu al doilea este v 1.2 , atunci probabilitatea ca un anumit ion să reacţioneze în 1 secundă cu oricare dintre ionii de al doilea fel este dată de expresia v 1.2 n 2 . Aici  este secțiunea transversală efectivă a reacției de fuziune, o valoare care crește rapid cu viteza. Dacă toate n 1 ionii de primul fel au avut aceeași viteză v 1,2 , apoi numărul total de reacții care apar în 1 cm 3 plasma timp de 1 secundă, ar fi determinată de egalitatea: N 1.2 \u003d n 1 n 2  v 1.2 . La o anumită temperatură, produsul trebuie să fie mediat pe distribuția Maxwelliană. Notând prin energia degajată în timpul fiecărui act al reacției, obținem o expresie pentru puterea specifică sub forma W=n 1 n 2<  v>Dependența  (v) pentru reacțiile luate în considerare, cantitatea<  v> poate fi calculată, iar împreună cu aceasta se poate găsi puterea specifică W la orice temperatură și densitate a plasmei.
Estimările numerice arată că valoarea W crește rapid cu temperatura, la o temperatură de „combustie” de câteva sute de milioane de grade și la o densitate a plasmei de ~10 15 cm -3 este cam 10 5 kW / m 3 . O creștere a temperaturii și a densității duce la regimuri mai consumatoare de energie, în care dificultățile tehnice în implementarea proiectului ar trebui să crească progresiv. Regimuri mai „moale” duc, la puterea totală nu prea mică a reactorului termonuclear, la dimensiuni foarte mari ale sistemului. Astfel, valorile luate reprezintă un compromis tehnic rezonabil între cerințe contradictorii. De remarcat, de asemenea, că estimările utilizate se referă la plasma cu deuteriu; pentru un amestec cu componente egale de deuteriu și tritiu, temperaturile optime de „de lucru” sunt mai scăzute.
Atunci apare următoarea întrebare naturală: cum pot fi create aceste condiții în zona de reacție? Mai precis: cum să încălziți plasma la temperaturile extrem de ridicate necesare și cum să împiedicați particulele încălzite să zboare separat pentru un timp suficient pentru a avea loc reacțiile nucleare? Principala dificultate pare să fie legată de a doua parte a întrebării. Energia care trebuie transmisă unui anumit volum de plasmă cu o densitate cunoscută pentru a-l încălzi până la 10 8 K, este o valoare foarte modestă; este egală cu energia care trebuie consumată pentru a încălzi același volum de apă cu doar 1 K. Dimpotrivă, fluxurile de particule (și căldură) din zona de reacție către periferie vor fi enorme. Este necesar să se păstreze eficient particulele în zona de reacție.
Ideea principală care a determinat modalitatea de rezolvare a problemei sintezei controlate este utilizarea principiului izolației termice magnetice. În Uniunea Sovietică, această idee a fost exprimată încă din 1950 de A. D. Saharov și I. E. Tamm.
Coeficientul de difuzie și, odată cu acesta, coeficientul de conductivitate termică, scade cu multe ordine de mărime dacă particulele se mișcă într-o direcție perpendiculară pe un câmp magnetic puternic. Prin urmare, dacă zona de reacție este separată de pereți printr-un câmp magnetic puternic, atunci se poate spera la o reducere radicală a fluxurilor de căldură. Valoarea câmpului de limitare poate fi găsită din egalitatea presiunilor magnetice și gaz-cinetice: H 2 /8  =nk(T e +T i ).
Pentru plasmă cu parametri aleși (n~10 15 cm-3, T~108 K), câmpul necesar pentru deținere ar trebui să fie de 25-30 kilooersteds. Aceste valori mari nu depășesc în niciun caz posibilitățile tehnice.
Vorbim tot timpul despre transferul de căldură într-o plasmă printr-un câmp magnetic, dar nu trebuie să uităm că fluxurile de căldură de-a lungul liniilor câmpului magnetic rămân nemagnetizate; este necesar să împiedicăm scăparea particulelor și în această direcție. Aici se deschid trei posibilități. Prima dintre acestea constă în plasarea plasmei într-o capcană magnetică, adică într-un câmp magnetic de o asemenea configurație, unde este amplificată în regiunile în care liniile de forță părăsesc zona de reacție, în regiunea intersecției lor cu ziduri; A doua posibilitate este de a elimina capetele deschise ale liniilor de forță prin plierea lor într-un inel. În cele din urmă, a treia modalitate este de a utiliza o plasmă cu o densitate relativ mare și de a o încălzi atât de rapid încât, în timpul necesar pentru a se deplasa de-a lungul liniilor de forță, cea mai mare parte a particulelor are timp să experimenteze coliziuni nucleare.
Prima schemă de izolare termică se justifică pe deplin atunci când vine vorba de limitarea unei plasme atât de rară încât poate fi considerată ca o colecție de particule individuale. Durata lungă de viață a particulelor din centurile de radiații ale Pământului de origine naturală și artificială servesc ca un bun exemplu pentru ceea ce s-a spus. Cu toate acestea, în experimentele de laborator efectuate cu o plasmă mai densă, adică în condițiile în care interacțiunile colective se pot manifesta, au fost relevate dificultăți serioase. Duratele de viață ale plasmei s-au dovedit a fi cu multe ordine de mărime mai mici decât cele care ar putea fi de așteptat ca urmare a ciocnirii particulelor de plasmă între ele sau cu moleculele de gaz rezidual și scăparea ulterioară în conul de pierdere. De fapt, durata de viață a plasmei în unele modele de capcane deschise a fost de aproximativ 100 de microsecunde (la o densitate a plasmei de aproximativ 10-9 cm -3 ), în timp ce duratele de viață datorate conului de pierdere ar fi trebuit măsurate în minute.
Acest rezultat devine mai clar din punct de vedere calitativ dacă luăm în considerare faptul că plasma, ca orice diamagnet, trebuie împinsă în afara regiunii unui câmp mai puternic. Din acest punct de vedere, mecanismul de acțiune al oglinzilor magnetice care țin plasma în interiorul capcanei este destul de de înțeles. Dar în capcanele de tipul luat în considerare există și regiuni în care câmpul scade cu distanța față de axa de-a lungul razei; aici ne putem aștepta la dezvoltarea instabilității – apariția „limbilor” sau „canelurilor” plasmatice care se deplasează pe câmp și transferă plasma către valori mai mici ale câmpului. Într-adevăr, experimentele directe au arătat existența instabilității de tip flaut în aceste capcane, ceea ce limitează durata de viață a plasmei.
Închizând liniile de forță, ajungem în mod firesc la o instalare de tip solenoid inel. Acum câmpul magnetic este orientat peste tot paralel cu pereții, iar particulele trebuie să se deplaseze peste liniile de forță pentru a părăsi sistemul. Dar câmpul magnetic din interiorul torusului este ușor neomogen, acesta cade spre peretele exterior al torusului, ceea ce provoacă derivarea particulelor. Deriva într-un câmp magnetic neomogen are loc de-a lungul normalului la direcția câmpului principal și a direcției gradientului său și depinde de sarcina particulelor. Dacă ionii se deplasează spre peretele superior al torului, atunci electronii se vor așeza în partea de jos. Sarcinile separate vor crea un câmp electric, iar plasma, formată într-un fel sau altul în interiorul torusului, va începe să se deplaseze în întregime în câmpuri electrice și magnetice încrucișate. Este ușor de verificat că rezultatul final va fi deplasarea plasmei spre peretele exterior al torului.
Există diferite modalități de a compensa această derivă a plasmei. Este posibilă trecerea unui curent inelar longitudinal prin plasmă, este posibil să se complice înfășurarea solenoidului într-un mod special sau, prin răsucirea torusului, să se dea sistemului magnetic forma unui opt. Topologia câmpului magnetic în aceste cazuri se modifică radical.
Cele mai simple câmpuri magnetice - un magnet permanent, un curent continuu al unui circuit plat conduc, după cum știți, în virtutea ecuației divB = 0, la modelele obișnuite ale liniilor de forță închise sau ale liniilor care merg la infinit. Există, totuși, o a treia posibilitate, de fapt cea mai generală: liniile de forță pot rămâne într-o regiune limitată a spațiului fără a fi închise și fără a merge la infinit.

În exemplele de mai sus, ca urmare a deformării sistemului magnetic toroidal, liniile de forță închise - inele - sunt transformate în linii de forță nesfârșite, înfășurându-se continuu în jurul axei toroidale inelare și formând așa-numitele suprafețe magnetice. Liniile de forță care trec la distanțe diferite față de axa torului generează (în cel mai simplu caz) un set de suprafețe magnetice coaxiale imbricate. Ca urmare, orice punct al secțiunii torului se dovedește a fi conectat la orice alt punct al secțiunii (echidistant de axă) printr-o linie de forță aparținând uneia sau alteia suprafețe magnetice. Aceasta înseamnă că redistribuirea sarcinilor pe secțiunea transversală poate fi efectuată nu peste câmpul magnetic, ci de-a lungul liniilor de forță. Prin urmare, acumularea de sarcini opuse și, în consecință, deriva în câmpuri încrucișate se dovedește a fi exclusă.
În Uniunea Sovietică au început să se dezvolte variante de sisteme toroidale cu curent longitudinal (instalații de tip „Tokamak”), alte două direcții au început să fie explorate în SUA (instalații de tip „Stellarator”).

La tokamak, câmpul magnetic longitudinal este generat de bobine care pot fi alimentate de un generator cu o putere în impulsuri de până la 75 MW. Condiții de vid: presiunea inițială a gazelor reziduale aproximativ 10-8 mmHg Artă. Camera Tokamak este pusă pe un miez de fier, iar bobina de plasmă rezultată servește ca înfășurare secundară a transformatorului de impulsuri. Încălzirea cu plasmă are loc datorită căldurii Joule, un câmp longitudinal puternic servește drept cadru stabilizator. Parametrii de plasmă obținuți în tokamak-uri, deși încurajatori, sunt totuși foarte diferiți de cei la care s-ar putea aștepta în cazul unei plasme perfect magnetizate. În special, o durată de viață relativ scurtă indică existența unor tipuri de instabilitate nelichidate și, în consecință, o viteză de difuzie crescută.
Studiile asupra instalațiilor de tip stellarator au condus până acum la rezultate mai modeste. În ciuda duratei experimentului și a excelenților parametri de inginerie ai sistemului, nici în acest caz nu a fost posibilă depășirea instabilității plasmei. Fluxurile de difuzie către pereți sunt de multe ori mai mari decât cele clasice.

A existat o altă opțiune pentru rezolvarea problemei fuziunii termonucleare prin închidere magnetică - pulsată. Aici, funcțiile de izolare termică și încălzire a plasmei au fost atribuite unui impuls de curent de scurtă durată, care este trecut prin deuteriu rarefiat. Datorită interacțiunii curentului cu propriul câmp magnetic, coloana de plasmă ar trebui să fie comprimată spre axa de descărcare. Plasma se dovedește a fi separată de pereții vasului prin propriul câmp magnetic și trebuie încălzită datorită muncii forțelor de compresie și datorită căldurii Joule. În etapa inițială a studiului, s-a presupus că procesul de comprimare este cvasi-staționar, că în fiecare moment de timp presiunea magnetică care comprimă plasma este echilibrată de presiunea gazului. Temperatura substanței ar trebui să crească proporțional cu pătratul curentului, iar estimările numerice arată că la un curent de aproximativ 1 milion de amperi, o presiune inițială de 0,1 mm Hg. Artă. și un diametru al vasului de 200 mm, temperatura coloanei cu plasmă trebuie să depășească 10 7 K. Adevărat, temperatura va crește pentru o perioadă foarte scurtă de timp (aproximativ 1 microsecundă), dar vor avea loc ciocniri foarte frecvente într-o coloană de plasmă foarte comprimată și se poate conta pe detectarea radiațiilor neutronice din reacțiile nucleare în curs.
În realitate, imaginea compresiei cvasi-staționare se dovedește a fi extrem de eronată. În etapa inițială a procesului, după defalcarea coloanei de gaz de către tensiunea înaltă aplicată, curentul în creștere rapidă este concentrat într-un strat subțire de suprafață (efect de piele). Regiunea interioară a coloanei aproape nu este ionizată și nu este încălzită, presiunea gazului este neglijabilă, iar contracția crustei de plasmă față de axa sistemului poate fi considerată luând în considerare doar forțele de inerție. Pe parcursul întregii compresii nu există un echilibru între presiunea gazului și presiunea magnetică. Cordonul este tras spre axă înainte ca curentul (și odată cu el presiunea magnetică) să atingă maximul, dar nu rămâne în stare comprimată și sub acțiunea acelorași forțe inerțiale începe din nou să se extindă. Mai mult, filamentul este instabil (în afara filamentului, câmpul se modifică ca 1/r) și, ca urmare a dezvoltării deformațiilor macroscopice (constricții, îndoituri), atinge pereții camerei, răcind și poluând plasma.
Este remarcabil faptul că radiația neutronică a plasmei în timpul unei descărcări pulsate în deuteriu a fost totuși observată. Acest fenomen interesant a fost descoperit de un grup de fizicieni sovietici încă din 1952. Radiația neutronică nu apare ca urmare a încălzirii întregului volum al plasmei, ci se dovedește a fi rezultatul ciocnirilor unui grup mic de deuteroni rapizi, care au apărut ca urmare a unor procese acceleratoare complexe într-o coloană instabilă, cu cea mai mare parte a unei plasme relativ rece.
Prin creșterea intensității energetice a sistemului, este posibilă încălzirea coloanei cu plasmă la temperaturile termonucleare necesare până la momentul primei compresii a coloanei în apropierea axei și înainte de dezvoltarea instabilității. Totuși, pentru a realiza condițiile necesare obținerii unei reacții termonucleare cu un randament energetic pozitiv, în experimentele propuse va fi necesară concentrarea unei energii enorme într-o descărcare pulsată - aproximativ: 10 4 Mj. Tehnologia modernă permite construirea de instalații de impuls pentru sute de megajouli. Există condensatoare cu inductanță extrem de scăzută, au fost dezvoltate alimentatoare cu inductanță scăzută și au fost dezvoltate dispozitive de comutare foarte avansate. Astfel, calea pentru progrese ulterioare în această direcție este deschisă, dar procesul capătă caracterul unei explozii puternice, echivalentă ca putere cu o explozie de câteva tone de TNT, care nu seamănă deloc cu reacțiile termonucleare controlate fără probleme.
În prezent, lucrul cu capcane magnetice de tip deschis a încetat practic din punctul de vedere al rezolvării problemei fuziunii termonucleare. După cum arată calculele detaliate, dacă pierderea de particule din capcană este doar de câteva ori mai mare decât nivelul teoretic corespunzător conductivității termice complet magnetizate, atunci implementarea unui reactor termonuclear cu un randament energetic pozitiv devine imposibilă.
Dezvoltarea proceselor impulsive, aparent, a atins o limită firească, dacă avem în vedere reactorul ca scop final. Dar experimentele suplimentare pot duce la construirea de surse de neutroni pulsați de o putere enormă. O abatere deosebită de la aceste studii a fost construcția de sisteme concepute pentru a accelera ciorchinele de plasmă.

Sistemele magnetice închise sunt în prezent cele mai promițătoare.

Fuziune termonucleară cu laser.

Ideea de a folosi radiația laser de mare putere pentru încălzirea plasmei dense la temperaturi termonucleare a fost propusă pentru prima dată de N.G. Basov și O.N. Krokhin la începutul anilor 1960. Până în prezent, s-a format o zonă independentă de cercetare termonucleară - fuziunea termonucleară cu laser (LTF).

Să ne oprim pe scurt asupra principiilor fizice de bază care stau la baza conceptului de realizare a unor grade ridicate de compresie a substanțelor și obținerea de câștiguri mari de energie cu ajutorul microexploziilor laser. Se va lua în considerare exemplul așa-numitului mod de compresie directă. În acest mod, o microsferă umplută cu combustibil termonuclear este iradiată „uniform” din toate părțile de un laser multicanal. Ca urmare a interacțiunii radiației de încălzire cu suprafața țintă, se formează o plasmă fierbinte cu o temperatură de câțiva kiloelectronvolți (așa-numita coroană de plasmă), care se extinde către fasciculul laser cu viteze caracteristice de 10. 7 -10 8 cm/s.

Fără a putea să ne oprim mai în detaliu asupra proceselor de absorbție în coroana de plasmă, observăm că în experimentele model moderne la energii de radiație laser de 10-100 kJ pentru ținte comparabile ca dimensiune cu țintele pentru câștiguri mari, este posibil să se obțină coeficienți ridicati (90%) de absorbție a radiațiilor de încălzire.

Radiația luminoasă nu poate pătrunde în straturile dense ale țintei (densitatea unui solid este de 10 23 cm -3 ). Datorită conductivității termice, energia absorbită într-o plasmă cu o densitate electronică mai mică de n kr , este transferat în straturi mai dense, unde are loc ablația substanței țintă. Straturile rămase neevaporate ale țintei accelerează spre centru sub acțiunea presiunii termice și reactive, comprimând și încălzind combustibilul conținut în acesta. Ca rezultat, energia radiației laser este convertită în etapa luată în considerare în energia cinetică a materiei care zboară spre centru și în energia coroanei în expansiune. Este evident că energia utilă este concentrată în mișcarea spre centru. Eficiența contribuției energiei luminoase la țintă este caracterizată de raportul dintre energia specificată și energia totală de radiație - așa-numita eficiență hidrodinamică (COP). Atingerea unui randament hidrodinamic suficient de mare (10-20%) este una dintre problemele importante ale LTS.

Ce procese pot împiedica atingerea unor rapoarte mari de compresie? Una dintre ele este aceea că la densități de radiații termonucleare q > 10 14 W/cm2 o fracțiune vizibilă a energiei absorbite este transformată nu într-o undă clasică de conducere a căldurii electronice, ci în fluxuri de electroni rapizi, a căror energie este mult mai mare decât temperatura coroanei plasmatice (așa-numiții electroni epitermici). Acest lucru poate apărea atât datorită absorbției rezonante, cât și datorită efectelor parametrice în coroana plasmatică. În acest caz, lungimea drumului electronilor epitermici se poate dovedi a fi comparabilă cu dimensiunile țintei, ceea ce va duce la încălzirea prealabilă a combustibilului compresibil și la imposibilitatea obținerii compresiilor limitatoare. Cuantele de raze X de înaltă energie (radiații de raze X dure), care însoțesc electronii epitermici, au și o putere mare de penetrare.

Tendința cercetării experimentale din ultimii ani este trecerea la utilizarea radiațiilor laser cu lungime de undă scurtă (< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 W/cm2 ). Posibilitatea practică de a trece la încălzirea cu plasmă prin radiație cu lungime de undă scurtă se datorează faptului că coeficienții de conversie a radiației unui laser cu neodim în stare solidă (principalul candidat pentru drivere pentru LTS) cu o lungime de undă l = 1,06 μm în radiația celei de-a doua, a treia și a patra armonică cu ajutorul cristalelor neliniare ajunge la 70-80%. În prezent, aproape toate sistemele mari cu laser din sticlă de neodim sunt echipate cu sisteme de multiplicare a frecvenței.

Motivul fizic al avantajului utilizării radiației cu lungime de undă scurtă pentru încălzirea și comprimarea microsferelor este că, pe măsură ce lungimea de undă scade, absorbția în corona plasmatică crește și presiunea de ablație și coeficientul de transfer hidrodinamic cresc. Fracția de electroni epitermici generată în corona plasmatică scade cu câteva ordine de mărime, ceea ce este extrem de avantajos atât pentru regimurile de compresie directă, cât și pentru cea indirectă. Pentru compresia indirectă, este, de asemenea, important ca odată cu scăderea lungimii de undă, conversia energiei absorbite de plasmă în radiații moi de raze X să crească.

Să ne oprim acum asupra modului de compresie indirectă. Analiza fizică arată că implementarea modului de compresie la densități mari de combustibil este optimă pentru ținte simple și complexe cu un raport de aspect R/DR de câteva zeci. Aici R este raza carcasei, DR este grosimea acesteia. Cu toate acestea, compresia puternică poate fi limitată de dezvoltarea instabilităților hidrodinamice, care se manifestă prin deviația mișcării cochiliei în etapele de accelerare și decelerare a acesteia în centrul de simetria sferică și depind de abaterile formei inițiale a țintei de la o distribuție perfect sferică, neomogenă a fasciculelor laser incidente pe suprafața sa. Dezvoltarea instabilității pe măsură ce carcasa se deplasează spre centru duce mai întâi la o abatere a mișcării de la simetricul sferic, apoi la turbulența curgerii și, în final, la amestecarea straturilor țintă și a combustibilului deuteriu-tritiu. Ca urmare, în starea finală poate apărea o formațiune, a cărei formă diferă brusc de miezul sferic, iar densitatea și temperatura medie sunt mult mai mici decât valorile corespunzătoare compresiei unidimensionale. În acest caz, structura inițială a țintei (de exemplu, un anumit set de straturi) poate fi complet distrusă.

Natura fizică a acestui tip de instabilitate este echivalentă cu instabilitatea unui strat de mercur situat la suprafața apei într-un câmp gravitațional. În acest caz, după cum se știe, există un amestec complet de mercur și apă, adică în starea finală, mercurul va fi în partea de jos. O situație similară poate apărea atunci când o țintă cu o structură complexă se deplasează rapid spre centrul substanței, sau în cazul general în prezența gradienților de densitate și presiune.

Cerințele pentru calitatea țintelor sunt destul de stricte. Astfel, neomogenitatea grosimii peretelui microsferei nu trebuie să depășească 1%, uniformitatea distribuției de absorbție a energiei pe suprafața țintă nu trebuie să depășească 0,5%.

Propunerea de utilizare a schemei de compresie indirectă este legată doar de posibilitatea de a rezolva problema stabilității compresiei țintei. Radiația laser este lansată în cavitate, concentrându-se pe suprafața interioară a învelișului exterior, constând dintr-o substanță cu număr atomic ridicat, precum aurul. După cum sa menționat deja, până la 80% din energia absorbită este transformată în radiații moi de raze X, care încălzește și comprimă învelișul interior. Avantajele unei astfel de scheme includ posibilitatea de a realiza o uniformitate mai mare a distribuției energiei absorbite pe suprafața țintă, simplificarea schemei laser și a condițiilor de focalizare etc. Cu toate acestea, există și dezavantaje asociate cu pierderea de energie pentru conversia în raze X și complexitatea introducerii radiațiilor în cavitate.

În prezent, baza elementului este dezvoltată intens și se creează proiecte pentru instalații laser la nivel de megajoule. La Laboratorul Livermore a început realizarea unei instalații pe sticlă de neodim cu o energie de E = 1,8 MJ. Costul proiectului este de 2 miliarde de dolari.În Franța este planificată realizarea unei instalații de un nivel similar. La această instalație se preconizează realizarea unui câștig de energie Q ~ 100. Trebuie spus că lansarea unor instalații de această scară nu numai că va aduce posibilitatea creării unui reactor termonuclear bazat pe fuziune cu laser, ci va oferi cercetătorilor și un obiect fizic unic - o microexplozie cu o eliberare de energie de 10 7 -10 9 J, o sursă puternică de neutroni, neutrini, raze X și radiații g. Aceasta nu numai că va avea o mare importanță fizică generală (capacitatea de a studia substanțele în stări extreme, fizica arderii, ecuația stării, efectele laser etc.), dar va face posibilă și rezolvarea unor probleme speciale ale unei aplicații. , inclusiv de natură militară.

Pentru un reactor bazat pe fuziunea cu laser, totuși, este necesar să se creeze un laser la nivel de megajoule care funcționează la o rată de repetiție de câțiva herți. O serie de laboratoare investighează posibilitatea de a crea astfel de sisteme bazate pe cristale noi. Lansarea unui reactor experimental în cadrul programului american este planificată pentru 2025.