O nouă tehnică a fost dezvoltată pentru a încetini în mod eficient electronii evadați prin introducerea de ioni „grei”, cum ar fi neonul sau argonul, în reactor.

Un reactor de fuziune funcțional este încă un vis, dar în cele din urmă ar putea deveni realitate datorită numeroaselor studii și experimente cu scopul de a debloca o sursă nelimitată de energie curată. Problemele cu care se confruntă oamenii de știință în obținerea fuziunii nucleare sunt, fără îndoială, grave și într-adevăr dificile, dar totul este depășit. Și se pare că una dintre problemele principale este rezolvată.

Fuziunea nucleară nu este un proces inventat de omenire, dar existent inițial în natură, procesul hrănește Soarele nostru. Adânc în interiorul stelei noastre natale, atomii de hidrogen stau împreună pentru a forma heliu, care pornește procesul. Fuziunea eliberează o cantitate uriașă de energie, dar costă foarte mult pentru a crea o presiune și o temperatură extrem de ridicate, care este greu de reprodus pe Pământ într-o manieră controlată.

Anul trecut, cercetătorii de la MIT ne-au adus mai aproape de fuziune punând plasme la presiunea potrivită, acum doi cercetători de la Universitatea Chalmers au descoperit o altă piesă a puzzle-ului.

O problemă pe care inginerii s-au confruntat sunt electronii evadați. Acești electroni cu energie extrem de mare pot accelera brusc și neașteptat la viteze foarte mari, ceea ce poate distruge peretele reactorului fără avertisment.

Doctoranzii Linnea Heshlow și Ole Amberose au dezvoltat o nouă tehnică pentru a încetini în mod eficient acești electroni fugari prin introducerea de ioni „grei” precum neonul sau argonul în reactor. Ca urmare, electronii, ciocnind cu o sarcină mare în nucleele acestor ioni, încetinesc și devin mult mai controlabili.

„Când vom putea încetini efectiv electronii evadați, vom fi cu un pas mai aproape de un reactor de fuziune funcțional”, spune Linnea Heshlov.

Cercetătorii au creat un model care poate prezice eficient energia și comportamentul electronilor. Folosind modelarea matematică cu plasmă, fizicienii pot controla acum eficient viteza de evacuare a electronilor fără a întrerupe procesul de fuziune.

„Mulți oameni cred că acest lucru va funcționa, dar este mai ușor să mergeți pe Marte decât să realizați o fuziune”, spune Linnea Heshlov: „Ați putea spune că încercăm să colectăm stele aici pe pământ și acest lucru poate dura ceva timp. Este nevoie de temperaturi incredibil de ridicate, mai calde decât centrul soarelui, pentru ca noi să ne unim cu succes aici pe pământ. Așa că sper că totul este o chestiune de timp.”

bazat pe newatlas.com, traducere

9 iulie 2016

Proiectele inovatoare care utilizează supraconductori moderni vor permite în curând fuziunea termonucleară controlată, spun unii optimiști. Experții, totuși, prevăd că aplicarea practică va dura câteva decenii.

De ce este atât de greu?

Energia de fuziune este considerată o sursă potențială de energie pentru viitor. Aceasta este energia pură a atomului. Dar ce este și de ce este atât de greu de realizat? Pentru început, trebuie să înțelegem diferența dintre fisiunea nucleară clasică și fuziunea termonucleară.

Fisiunea atomului constă în faptul că izotopii radioactivi - uraniu sau plutoniu - sunt scindați și transformați în alți izotopi foarte radioactivi, care apoi trebuie îngropați sau reciclați.

Reacția de fuziune constă în faptul că doi izotopi ai hidrogenului - deuteriu și tritiu - se contopesc într-un singur întreg, formând heliu netoxic și un singur neutron, fără a produce deșeuri radioactive.

Problema de control

Reacțiile care au loc pe Soare sau într-o bombă cu hidrogen sunt fuziunea termonucleară, iar inginerii se confruntă cu o sarcină descurajantă - cum să controleze acest proces la o centrală electrică?

Acesta este un lucru la care oamenii de știință au lucrat încă din anii 1960. Un alt reactor experimental de fuziune numit Wendelstein 7-X a început să funcționeze în orașul Greifswald, din nordul Germaniei. Nu este încă conceput pentru a crea o reacție - este doar un design special care este testat (un stellarator în loc de un tokamak).

plasmă de înaltă energie

Toate instalațiile termonucleare au o caracteristică comună - o formă inelară. Se bazează pe ideea de a folosi electromagneți puternici pentru a crea un câmp electromagnetic puternic în formă de torus - un tub de bicicletă umflat.

Acest câmp electromagnetic trebuie să fie atât de dens încât atunci când este încălzit într-un cuptor cu microunde la un milion de grade Celsius, o plasmă trebuie să apară chiar în centrul inelului. Apoi este aprins pentru ca fuziunea termonucleară să poată începe.

Demonstrarea posibilităților

Două astfel de experimente sunt în curs de desfășurare în Europa. Unul dintre ele este Wendelstein 7-X, care a generat recent prima sa plasmă cu heliu. Celălalt este ITER, o uriașă instalație experimentală de fuziune din sudul Franței, care este încă în construcție și va fi gata să funcționeze în 2023.

Reacții nucleare reale sunt de așteptat să aibă loc la ITER, deși doar pentru o perioadă scurtă de timp și cu siguranță nu mai mult de 60 de minute. Acest reactor este doar unul dintre mulți pași pe drumul spre a face fuziunea nucleară o realitate.

Reactorul de fuziune: mai mic și mai puternic

Recent, mai mulți designeri au anunțat un nou design de reactor. Potrivit unui grup de studenți de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, precum și reprezentanți ai companiei de arme Lockheed Martin, fuziunea poate fi realizată în facilități mult mai puternice și mai mici decât ITER și sunt gata să o facă în termen de zece. ani.

Ideea noului design este de a folosi supraconductori moderni de înaltă temperatură în electromagneți, care își manifestă proprietățile atunci când sunt răciți cu azot lichid, mai degrabă decât cei convenționali, care necesită heliu lichid. Noua tehnologie, mai flexibilă, va face posibilă schimbarea completă a designului reactorului.

Klaus Hesch, care este responsabil cu tehnologia fuziunii nucleare la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din sud-vestul Germaniei, este sceptic. Susține utilizarea de noi supraconductori de înaltă temperatură pentru noi modele de reactoare. Dar, potrivit lui, a dezvolta ceva pe un computer, ținând cont de legile fizicii, nu este suficient. Este necesar să se țină cont de provocările care apar la punerea în practică a unei idei.

Operă științifico-fantastică

Potrivit lui Hesh, modelul studentului MIT arată doar posibilitatea unui proiect. Dar de fapt este multă science-fiction. Proiectul presupune că sunt rezolvate probleme tehnice serioase ale fuziunii termonucleare. Dar știința modernă nu are idee cum să le rezolve.

O astfel de problemă este ideea bobinelor pliabile. Electromagneții pot fi demontați pentru a intra în inelul care deține plasma în modelul de design MIT.

Acest lucru ar fi foarte util deoarece s-ar putea accesa obiectele din sistemul intern și le-ar putea înlocui. Dar, în realitate, supraconductorii sunt fabricați din material ceramic. Sute dintre ele trebuie să fie împletite într-un mod sofisticat pentru a forma câmpul magnetic corect. Și aici există dificultăți mai fundamentale: conexiunile dintre ele nu sunt la fel de simple ca conexiunile cablurilor de cupru. Nimeni nu s-a gândit măcar la concepte care ar ajuta la rezolvarea unor astfel de probleme.

prea cald

Temperatura ridicată este, de asemenea, o problemă. În miezul plasmei de fuziune, temperatura va ajunge la aproximativ 150 de milioane de grade Celsius. Această căldură extremă rămâne pe loc - chiar în centrul gazului ionizat. Dar chiar și în jurul lui este încă foarte fierbinte - de la 500 la 700 de grade în zona reactorului, care este stratul interior al unei țevi metalice în care se va „reproduce” tritiul necesar pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc.

Reactorul de fuziune are o problemă și mai mare - așa-numita eliberare de putere. Aceasta este partea sistemului care primește combustibil uzat din procesul de fuziune, în principal heliu. Primele componente metalice în care intră gazul fierbinte se numesc „deviator”. Se poate încălzi până la peste 2000°C.

Problemă cu deviatorul

Pentru ca instalația să reziste la astfel de temperaturi, inginerii încearcă să folosească tungstenul metalic folosit în lămpile cu incandescență de modă veche. Punctul de topire al wolframului este de aproximativ 3000 de grade. Dar există și alte limitări.

În ITER, acest lucru se poate face, deoarece încălzirea în el nu are loc constant. Se presupune că reactorul va funcționa doar 1-3% din timp. Dar aceasta nu este o opțiune pentru o centrală electrică care trebuie să funcționeze 24/7. Și, dacă cineva pretinde că poate construi un reactor mai mic cu aceeași putere ca ITER, este sigur să spunem că nu are o soluție la problema deviatorului.

Centrală electrică în câteva decenii

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt optimiști cu privire la dezvoltarea reactoarelor termonucleare, deși nu va fi atât de rapidă pe cât prevăd unii entuziaști.

ITER ar trebui să arate că fuziunea controlată poate produce de fapt mai multă energie decât ar fi cheltuită pentru încălzirea plasmei. Următorul pas este construirea unei noi centrale electrice hibride demonstrative care generează efectiv electricitate.

Inginerii lucrează deja la proiectarea acestuia. Ei vor trebui să învețe de la ITER, care este programat să se lanseze în 2023. Având în vedere timpul necesar pentru proiectare, planificare și construcție, pare puțin probabil ca prima centrală de fuziune să fie lansată mult mai devreme de mijlocul secolului XXI.

Cold Fusion Rossi

În 2014, un test independent al reactorului E-Cat a concluzionat că dispozitivul avea o putere medie de 2.800 de wați pe o perioadă de 32 de zile, cu un consum de 900 de wați. Aceasta este mai mult decât orice reacție chimică este capabilă să izoleze. Rezultatul vorbește fie despre o descoperire în fuziunea termonucleară, fie despre fraudă totală. Raportul i-a dezamăgit pe sceptici, care se îndoiesc dacă testul a fost cu adevărat independent și sugerează o posibilă falsificare a rezultatelor testului. Alții au fost ocupați să descopere „ingredientele secrete” care permit fuziunii lui Rossi să reproducă tehnologia.

Rossi este un escroc?

Andrea este impunătoare. El publică proclamații către lume într-o engleză unică în secțiunea de comentarii a site-ului său, numită pretențios Journal of Nuclear Physics. Dar încercările sale anterioare eșuate au inclus un proiect italian de transformare a deșeurilor în combustibil și un generator termoelectric. Petroldragon, un proiect de transformare a deșeurilor în energie, a eșuat în parte pentru că aruncarea ilegală a deșeurilor este controlată de crima organizată italiană, care a depus acuzații penale împotriva acesteia pentru încălcarea reglementărilor privind gestionarea deșeurilor. El a creat și un dispozitiv termoelectric pentru Corpul Inginerilor Armatei SUA, dar în timpul testării, gadgetul a produs doar o fracțiune din puterea declarată.

Mulți nu au încredere în Rossi, iar redactorul șef al New Energy Times l-a numit fără îndoială un criminal, cu o serie de proiecte energetice eșuate în spate.

Verificare independentă

Rossi a semnat un contract cu compania americană Industrial Heat pentru a efectua un test secret de un an al unei centrale de fuziune la rece de 1 MW. Dispozitivul era un container de transport plin cu zeci de E-Cats. Experimentul a trebuit să fie controlat de o terță parte care să poată confirma că generarea de căldură avea într-adevăr loc. Rossi susține că și-a petrecut o mare parte a anului trecut practic trăind într-un container și supravegheând operațiunile mai mult de 16 ore pe zi pentru a dovedi viabilitatea comercială a E-Cat.

Testul s-a încheiat în martie. Susținătorii lui Rossi au așteptat cu nerăbdare raportul observatorilor, sperând o achitare pentru eroul lor. Dar până la urmă au fost dați în judecată.

Proces

Într-un dosar al tribunalului din Florida, Rossi susține că testul a avut succes și un arbitru independent a confirmat că reactorul E-Cat produce de șase ori mai multă energie decât consumă. El a mai susținut că Industrial Heat a fost de acord să-i plătească 100 de milioane de dolari - 11,5 milioane de dolari în avans după proba de 24 de ore (aparent pentru drepturi de licență, astfel încât compania să poată vinde tehnologia în SUA) și încă 89 de milioane de dolari după finalizarea cu succes a procesului extins. în termen de 350 de zile. Rossi l-a acuzat pe IH că derulează o „schemă frauduloasă” pentru a-i fura proprietatea intelectuală. El a acuzat, de asemenea, compania că a deturnat reactoare E-Cat, a copiat ilegal tehnologii și produse inovatoare, funcționalități și design și a abuzat de un brevet asupra proprietății sale intelectuale.

Mina de aur

În altă parte, Rossi susține că într-una dintre demonstrațiile sale, IH a primit 50-60 de milioane de dolari de la investitori și alte 200 de milioane de dolari din China, după o reluare la care a implicat înalți oficiali chinezi. Dacă acest lucru este adevărat, atunci sunt în joc mai mult de o sută de milioane de dolari. Industrial Heat a respins aceste afirmații ca fiind lipsite de temei și urmează să se apere în mod activ. Mai important, ea susține că „a lucrat mai bine de trei ani pentru a confirma rezultatele pe care se presupune că Rossi le-a obținut cu tehnologia sa E-Cat, toate fără succes”.

IH nu crede în E-Cat, iar New Energy Times nu vede niciun motiv să se îndoiască de asta. În iunie 2011, un reprezentant al publicației a vizitat Italia, l-a intervievat pe Rossi și a filmat o demonstrație a lui E-Cat. O zi mai târziu, și-a raportat îngrijorările serioase cu privire la metoda de măsurare a puterii termice. După 6 zile, jurnalistul și-a postat videoclipul pe YouTube. Experți din întreaga lume i-au trimis analize, care au fost publicate în iulie. A devenit clar că aceasta a fost o înșelătorie.

Confirmare experimentală

Cu toate acestea, un număr de cercetători - Alexander Parkhomov de la Universitatea de Prietenie a Popoarelor din Rusia și Proiectul Memorial Martin Fleishman (MFPM) - au reușit să reproducă fuziunea la rece a Rusiei. Raportul MFPM a fost intitulat „Sfârșitul erei carbonului este aproape”. Motivul unei astfel de admirații a fost descoperirea unei explozii de radiații gamma, care nu poate fi explicată altfel decât printr-o reacție termonucleară. Potrivit cercetătorilor, Rossi are exact despre ce vorbește.

O rețetă deschisă viabilă pentru fuziunea la rece ar putea declanșa o goană a aurului energetic. S-ar putea găsi metode alternative pentru a ocoli brevetele lui Rossi și a-l ține departe de afacerile cu energie de mai multe miliarde de dolari.

Deci, poate că Rossi ar prefera să evite această confirmare.

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 electricitate 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 versiunile 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 rupe 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 pentru o lungă perioadă de 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 electricitate 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...

1. Introducere

3. Probleme de control al fuziunii termonucleare

3.1 Probleme economice

3.2 Probleme medicale

4. Concluzie

5. Referințe

1. Introducere

Problema fuziunii termonucleare controlate este una dintre cele mai importante sarcini cu care se confruntă omenirea.

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 mai 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 ale fuziunii termonucleare controlate.

Subiect de studiu: Fuziunea termonucleară.

Scopul studiului: Rezolvați problema controlului fuziunii termonucleare;

Obiectivele cercetării:

· Să studieze tipuri de reacții termonucleare.

· Luați în considerare toate opțiunile posibile pentru a aduce unei persoane energia eliberată în timpul unei reacții termonucleare.

· Propune 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 fuziunii termonucleare controlate sunt împiedicate de câteva probleme principale:

· În primul rând, trebuie să încălziți gazul 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

2. 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 datorită bombardării constante a suprafeței de către meteoriți și particule de meteoriți. Această ipoteză a fost respinsă, întrucât un calcul simplu arată că pentru a menține luminozitatea Soarelui la nivelul actual este necesar ca peste el să cadă 2∙10 15 kg de materie meteorică în fiecare secundă. Pentru un an va fi 6∙10 22 kg, iar pe durata de viață a 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, materia de 150 de ori mai mult decât ar fi trebuit să cadă peste Soare masa Soarelui.

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 contracției este atracția reciprocă a particulelor Soarelui, motiv pentru care această ipoteză se numește contracție. 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 probele geologice ale solului Pământului și al 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 este ciclul proton-proton - o 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. Deoarece atunci când se eliberează 26,7 MeV, se nasc 2 neutrini, rata de emisie de neutrini este: 1,8∙10 38 neutrini/s. 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 de repaus diferită de zero, sunt posibile oscilații (transformări) ale 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 anunțați în avans cu privire la 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 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.

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 electricitate 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 versiunile 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.

MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚEI AL FEDERATIEI RUSE

Agenția Federală pentru Educație

SEI HPE „Universitatea Pedagogică de Stat Blagoveshchensk”

Facultatea de Fizică și Matematică

Departamentul de Fizică Generală

Lucrări de curs

pe tema: Probleme ale fuziunii termonucleare

disciplina: Fizica

Artist: V.S. Kletchenko

Șef: V.A. Evdokimova

Blagoveșcensk 2010

Introducere

Reacțiile termonucleare și eficiența lor energetică

Condiții pentru apariția reacțiilor termonucleare

Realizarea reacţiilor termonucleare în condiţii terestre

Principalele probleme asociate cu implementarea reacțiilor termonucleare

Implementarea reacțiilor termonucleare controlate în instalații de tip TOKAMAK

Proiectul ITER

Studii moderne ale plasmei și reacțiilor termonucleare

Concluzie

Literatură

Introducere

În prezent, omenirea nu-și poate imagina viața fără electricitate. Ea este peste tot. Dar metodele tradiționale de generare a energiei electrice nu sunt ieftine: doar imaginați-vă construcția unei centrale hidroelectrice sau a unui reactor de centrală nucleară, devine imediat clar de ce. Oamenii de știință din secolul XX, în fața unei crize energetice, au găsit o modalitate de a genera electricitate din materie, a cărei cantitate nu este limitată. Reacțiile termonucleare au loc în timpul descompunerii deuteriului și tritiului. Un litru de apă conține atât de mult deuteriu încât fuziunea termonucleară poate elibera atâta energie cât se obține prin arderea a 350 de litri de benzină. Adică, putem concluziona că apa este o sursă nelimitată de energie.

Dacă obținerea energiei cu ajutorul fuziunii termonucleare ar fi la fel de simplă ca și cu ajutorul centralelor hidroelectrice, atunci omenirea nu ar experimenta niciodată o criză în sectorul energetic. Pentru a obține energie în acest fel, este nevoie de o temperatură echivalentă cu temperatura din centrul soarelui. De unde să obțineți o astfel de temperatură, cât de scumpe vor costa instalațiile, cât de profitabilă este producerea de energie și este sigură o astfel de instalație? La aceste întrebări se va răspunde în lucrarea de față.

Scopul lucrării: studiul proprietăților și problemelor fuziunii termonucleare.

Reacțiile termonucleare și eficiența lor energetică

Reacția termonucleară - sinteza nucleelor ​​atomice mai grele din cele mai ușoare în vederea obținerii de energie, care este controlată.

Se știe că nucleul atomului de hidrogen este un proton p. Există o mulțime de astfel de hidrogen în natură - în aer și în apă. În plus, există izotopi mai grei ai hidrogenului. Nucleul unuia dintre ele conține, pe lângă protonul p, și neutronul n. Acest izotop se numește deuteriu D. Nucleul altui izotop conține, pe lângă protonul р, doi neutroni n și se numește tritheriu (tritiu) Т.energia eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele. În reacția de fuziune se eliberează energie care, la 1 kg de substanță, este mult mai mare decât energia eliberată în reacția de fisiune a uraniului. (Aici, energia eliberată se referă la energia cinetică a particulelor formate ca rezultat al reacției.) De exemplu, în reacția de fuziune a nucleelor ​​de deuteriu 1 2 D și tritiu 1 3 T într-un nucleu de heliu 2 4 He :

1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,

Energia eliberată este aproximativ egală cu 3,5 MeV per nucleon. În reacțiile de fisiune, energia per nucleon este de aproximativ 1 MeV.

În sinteza unui nucleu de heliu din patru protoni:

4 1 1 p→ 2 4 Nu + 2 +1 1 e,

este eliberată și mai multă energie, egală cu 6,7 MeV per particulă. Avantajul energetic al reacțiilor termonucleare se explică prin faptul că energia de legare specifică din nucleul unui atom de heliu depășește semnificativ energia de legare specifică a nucleelor ​​izotopilor de hidrogen. Astfel, odată cu implementarea cu succes a reacțiilor termonucleare controlate, omenirea va primi o nouă sursă puternică de energie.

Condiții pentru apariția reacțiilor termonucleare

Pentru fuziunea nucleelor ​​ușoare, este necesar să se depășească bariera potențială cauzată de repulsia coulombiană a protonilor în nuclee similare încărcate pozitiv. Pentru fuziunea nucleelor ​​de hidrogen 1 2 Dx, este necesar să le apropiați de o distanță r, egală cu aproximativ r ≈ 3 10 -15 m. Pentru a face acest lucru, trebuie să efectuați o muncă egală cu energia potențială electrostatică a respingerii. P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Nucleele deuteron vor putea depăși o astfel de barieră dacă energia lor cinetică medie 3/2 kT este egală cu 0,1 MeV în timpul coliziunii. Acest lucru este posibil la T = 2 10 9 K. În practică, temperatura necesară pentru apariția reacțiilor termonucleare scade cu două ordine de mărime și se ridică la 10 7 K.

O temperatură de aproximativ 10 7 K este tipică pentru partea centrală a Soarelui. Analiza spectrală a arătat că materia Soarelui, la fel ca multe alte stele, conține până la 80% hidrogen și aproximativ 20% heliu. Carbonul, azotul și oxigenul nu reprezintă mai mult de 1% din masa stelelor. Cu o masă uriașă a Soarelui (≈ 2 10 27 kg), cantitatea acestor gaze este destul de mare.

Reacțiile termonucleare au loc în Soare și stele și sunt sursa de energie care furnizează radiația acestora. În fiecare secundă, Soarele radiază energie de 3,8 10 26 J, ceea ce corespunde unei scăderi a masei sale cu 4,3 milioane de tone. Eliberarea specifică a energiei solare, de ex. eliberarea de energie pe unitatea de masă a Soarelui într-o secundă este egală cu 1,9 10 -4 J/s kg. Este foarte mic și se ridică la aproximativ 10 -3% din eliberarea de energie specifică într-un organism viu în procesul de metabolism. Puterea de radiație a Soarelui nu s-a schimbat prea mult de-a lungul multor miliarde de ani de existență a sistemului solar.

Una dintre modalitățile reacțiilor termonucleare la Soare este ciclul carbon-azot, în care combinarea nucleelor ​​de hidrogen într-un nucleu de heliu este facilitată în prezența nucleelor ​​de carbon 6 12 C care joacă rolul de catalizatori. La începutul ciclului, un proton rapid pătrunde în nucleul atomului de carbon 6 12 C și formează un nucleu instabil al izotopului de azot 7 13 N cu radiație γ-cuantică:

6 12 С + 1 1 p → 7 13 N + γ.

Cu un timp de înjumătățire de 14 minute, transformarea 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e are loc în nucleul 7 13 N și se formează nucleul izotopului 6 13 C:

7 13 N → 6 13 С + +1 0 e + 0 0 ν e.

aproximativ la fiecare 32 de milioane de ani, nucleul 7 14 N captează un proton și se transformă într-un nucleu de oxigen 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Un nucleu instabil de 8 15 O cu un timp de înjumătățire de 3 minute emite un pozitron și un neutrin și se transformă într-un nucleu de 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Ciclul se termină cu reacția de absorbție a unui proton de către nucleul 7 15 N cu descompunerea acestuia într-un nucleu de carbon 6 12 С și o particulă α. Acest lucru se întâmplă după aproximativ 100 de mii de ani:

7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.

Un nou ciclu începe din nou cu absorbția unui proton 6 12 C de către carbon, care iese în medie după 13 milioane de ani. Reacțiile individuale ale ciclului sunt separate în timp prin intervale care sunt prohibitiv de mari pe scara de timp pământească. Cu toate acestea, ciclul este închis și are loc continuu. Prin urmare, pe Soare apar simultan diverse reacții ale ciclului, începând la momente diferite.

Ca rezultat al acestui ciclu, patru protoni fuzionează într-un nucleu de heliu cu apariția a doi pozitroni și radiații γ. La aceasta trebuie adăugată radiația rezultată din fuziunea pozitronilor cu electronii din plasmă. Formarea unui atom de heliu gamma eliberează 700 mii kWh de energie. Această cantitate de energie compensează pierderea de energie solară pentru radiație. Calculele arată că cantitatea de hidrogen disponibilă în Soare va fi suficientă pentru a susține reacțiile termonucleare și radiația solară timp de miliarde de ani.

Realizarea reacţiilor termonucleare în condiţii terestre

Implementarea reacțiilor termonucleare în condiții terestre va crea oportunități uriașe de obținere a energiei. De exemplu, atunci când se folosește deuteriul conținut într-un litru de apă, aceeași cantitate de energie va fi eliberată într-o reacție de fuziune ca și atunci când se arde aproximativ 350 de litri de benzină. Dar dacă reacția termonucleară are loc spontan, atunci va avea loc o explozie colosală, deoarece energia eliberată în acest caz este foarte mare.

Condiții apropiate de cele care se realizează în intestinele Soarelui au fost realizate într-o bombă cu hidrogen. Există o reacție termonucleară auto-susținută de natură explozivă. Explozivul este un amestec de deuteriu 1 2 D cu tritiu 1 3 T. Temperatura ridicata necesara pentru ca reactia sa se desfasoare este obtinuta prin explozia unei bombe atomice conventionale plasata in interiorul uneia termonucleare.

Principalele probleme asociate cu implementarea reacțiilor termonucleare

Într-un reactor de fuziune, reacția de fuziune trebuie să fie lentă și trebuie să fie posibilă controlul acesteia. Studiul reacțiilor care apar în plasma cu deuteriu la temperatură înaltă reprezintă baza teoretică pentru obținerea reacțiilor termonucleare controlate artificiale. Principala dificultate este menținerea condițiilor necesare pentru a obține o reacție termonucleară autosusținută. Pentru o astfel de reacție, este necesar ca rata de eliberare a energiei în sistemul în care are loc reacția să nu fie mai mică decât rata de eliminare a energiei din sistem. La temperaturi de ordinul a 10 8 K, reacțiile termonucleare dintr-o plasmă de deuteriu au o intensitate vizibilă și sunt însoțite de eliberarea de energie mare. Într-o unitate de volum de plasmă, atunci când nucleele de deuteriu sunt combinate, se eliberează o putere de 3 kW/m 3 . La temperaturi de ordinul a 10 6 K, puterea este de numai 10 -17 W/m 3 .