Reacția de fuziune este următoarea: se preiau două sau mai multe nuclee atomice și, odată cu aplicarea unei anumite forțe, se apropie atât de mult încât forțele care acționează la astfel de distanțe prevalează asupra forțelor de repulsie coulombiane dintre nuclee încărcate egal, ca urmare a care se formează un nou nucleu. Va avea o masă puțin mai mică decât suma maselor nucleelor ​​inițiale, iar diferența devine energia care este eliberată în timpul reacției. Cantitatea de energie eliberată este descrisă de binecunoscuta formulă E=mc². Nucleele atomice mai ușoare sunt mai ușor de adus la distanța potrivită, așa că hidrogenul - cel mai abundent element din univers - este cel mai bun combustibil pentru o reacție de fuziune.

S-a stabilit că un amestec de doi izotopi de hidrogen, deuteriu și tritiu, necesită cea mai mică cantitate de energie pentru reacția de fuziune în comparație cu energia eliberată în timpul reacției. Cu toate acestea, deși un amestec de deuteriu și tritiu (D-T) este subiectul majorității cercetărilor de fuziune, nu este în niciun caz singurul combustibil potențial. Alte amestecuri pot fi mai ușor de fabricat; reacția lor poate fi mai bine controlată sau, mai important, poate produce mai puțini neutroni. De un interes deosebit sunt așa-numitele reacții „fără neutroni”, deoarece utilizarea industrială cu succes a unui astfel de combustibil va însemna absența contaminării radioactive pe termen lung a materialelor și a designului reactorului, care, la rândul său, ar putea afecta pozitiv opinia publică. și costul total de exploatare a reactorului, reducând semnificativ costul dezafectării acestuia. Problema rămâne că reacția de fuziune folosind combustibili alternativi este mult mai dificil de întreținut, așa că reacția D-T este considerată doar un prim pas necesar.

Schema reacției deuteriu-tritiu

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

Reacția deuteriu + tritiu (combustibil D-T)

Cea mai ușor de implementat este deuteriu + tritiu:

2 H + 3 H = 4 He + n la o ieșire de energie de 17,6 MeV (MeV)

O astfel de reacție este cel mai ușor implementată din punctul de vedere al tehnologiilor moderne, oferă un randament semnificativ de energie, iar componentele combustibilului sunt ieftine. Dezavantajul său este eliberarea de radiații neutronice nedorite.

Două nuclee: deuteriul și trițiul fuzionează pentru a forma un nucleu de heliu (particulă alfa) și un neutron de înaltă energie.

²H + ³He = 4 El + . la o ieșire de energie de 18,4 MeV

Condițiile pentru realizarea acesteia sunt mult mai complicate. Heliul-3 este, de asemenea, un izotop rar și extrem de scump. În prezent nu este produs la scară industrială. Totuși, poate fi obținut din tritiu, obținut la rândul său la centralele nucleare.

Complexitatea efectuării unei reacții termonucleare poate fi caracterizată prin produsul triplu al nTt (densitate ori temperatură ori timp de confinare). Conform acestui parametru, reacția D-3He este de aproximativ 100 de ori mai dificilă decât D-T.

Reacția dintre nucleele de deuteriu (D-D, monopropelant)

Reacțiile între nucleele de deuteriu sunt, de asemenea, posibile, sunt puțin mai dificile decât reacțiile care implică heliu-3:

Ca rezultat, pe lângă reacția principală în DD-plasma, apar și următoarele:

Aceste reacții se desfășoară încet în paralel cu reacția deuteriu + heliu-3, iar trițiul și heliul-3 formate în timpul lor sunt foarte probabil să reacționeze imediat cu deuteriul.

Alte tipuri de reacții

Sunt posibile și alte câteva tipuri de reacții. Alegerea combustibilului depinde de mulți factori - disponibilitatea și costul scăzut al acestuia, randamentul energetic, ușurința de a realiza condițiile necesare pentru reacția de fuziune (în primul rând temperatura), caracteristicile de proiectare necesare ale reactorului și așa mai departe.

Reacții „fără neutroni”.

Cel mai promițător așa-zis. reacții „fără neutroni”, deoarece fluxul de neutroni generat de fuziunea termonucleară (de exemplu, în reacția deuteriu-tritiu) preia o parte semnificativă a puterii și generează radioactivitate indusă în proiectarea reactorului. Reacția deuteriu-heliu-3 este promițătoare, tot din cauza lipsei unui randament de neutroni.

Condiții

Reacția nucleară a litiului-6 cu deuteriu 6 Li(d,α)α

CTS este posibilă cu îndeplinirea simultană a două criterii:

• Temperatura plasma:

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

• Respectarea criteriului Lawson:

style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (pentru reacția D-T)

unde este densitatea plasmei la temperatură înaltă și este timpul de izolare a plasmei în sistem.

De valoarea acestor două criterii depinde în principal viteza unei anumite reacții termonucleare.

În prezent, fuziunea termonucleară controlată nu a fost încă realizată la scară industrială. Construcția reactorului internațional de cercetare ITER este în faza inițială.

Energie termonucleară și heliu-3

Rezervele de heliu-3 de pe Pământ variază de la 500 kg la 1 tonă, dar pe Lună este în cantități semnificative: până la 10 milioane de tone (conform estimărilor minime - 500 de mii de tone). În prezent, o reacție termonucleară controlată este realizată prin fuziunea deuteriului ²H și a tritiului ³H cu eliberarea de heliu-4 4 He și un neutron „rapid” n:

Cu toate acestea, în acest caz, cea mai mare parte (mai mult de 80%) din energia cinetică eliberată cade tocmai asupra neutronului. Ca urmare a ciocnirii fragmentelor cu alți atomi, această energie este transformată în energie termică. În plus, neutronii rapizi creează o cantitate semnificativă de deșeuri radioactive. În schimb, sinteza deuteriului și heliului-3 ³El nu produce (aproape) produse radioactive:

Unde p este un proton

Acest lucru permite utilizarea unor sisteme mai simple și mai eficiente pentru conversia reacției de fuziune cinetică, cum ar fi un generator magnetohidrodinamic.

Proiectări de reactoare

Sunt luate în considerare două scheme principale pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate.

Studiile primului tip de reactoare termonucleare sunt mult mai dezvoltate decât cele ale celui de-al doilea. În fizica nucleară, în studiul fuziunii termonucleare, o capcană magnetică este folosită pentru a menține plasma într-un anumit volum. Capcana magnetică este concepută pentru a împiedica plasma să intre în contact cu elementele unui reactor termonuclear, de exemplu. folosit în principal ca izolator termic. Principiul de confinare se bazează pe interacțiunea particulelor încărcate cu un câmp magnetic, și anume, pe rotația particulelor încărcate în jurul liniilor de câmp magnetic. Din păcate, plasma magnetizată este foarte instabilă și tinde să părăsească câmpul magnetic. Prin urmare, pentru a crea o capcană magnetică eficientă, se folosesc electromagneții cei mai puternici, care consumă o cantitate imensă de energie.

Este posibil să se reducă dimensiunea unui reactor termonuclear dacă în el sunt utilizate simultan trei metode de creare a unei reacții termonucleare.

A. Sinteză inerțială. Iradiază capsule minuscule de combustibil deuteriu-tritiu cu un laser de 500 de trilioane de wați:5. 10^14W. Acest puls laser gigant, pe termen foarte scurt, de 10^-8 s face ca capsulele de combustibil să explodeze, ducând la nașterea unei mini-stele pentru o fracțiune de secundă. Dar nu se poate realiza o reacție termonucleară pe ea.

B. Utilizați simultan Z-machine cu Tokamak.

Z-Machine funcționează diferit decât un laser. Trece printr-o pânză din firele cele mai subțiri care înconjoară capsula de combustibil, o sarcină cu o putere de jumătate de trilion de wați 5. 10 ^ 11 wați.

Apoi se întâmplă același lucru ca și cu laserul: în urma impactului Z, se obține o stea. În timpul testelor pe Z-Machine, a fost deja posibilă începerea reacției de fuziune. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Acoperiți capsulele cu argint și conectați-le cu un fir de argint sau grafit. Procesul de aprindere arată astfel: trageți un fir (atașat la un grup de bile de argint care conțin un amestec de deuteriu și tritiu) într-o cameră cu vid. În timpul unei defecțiuni (descărcări), formați un canal de fulger prin ele, aplicați curent prin plasmă. Iradiați simultan capsule și plasmă cu radiații laser. Și în același timp sau mai devreme porniți tokamak-ul. Utilizați trei procese de încălzire cu plasmă în același timp. Adică, puneți mașina Z și încălzirea laser împreună în interiorul Tokamak. Este posibil să se creeze un circuit oscilator din bobinele Tokamak și să se organizeze rezonanța. Apoi ar funcționa într-un mod oscilator economic.

Ciclul combustibilului

Reactoarele de prima generație vor funcționa cel mai probabil cu un amestec de deuteriu și tritiu. Neutronii care apar în timpul reacției vor fi absorbiți de scutul reactorului, iar căldura degajată va fi folosită pentru încălzirea lichidului de răcire din schimbătorul de căldură, iar această energie, la rândul ei, va fi folosită pentru rotirea generatorului.

. .

Reacția cu Li6 este exotermă, oferind puțină energie pentru reactor. Reacția cu Li7 este endotermă – dar nu consumă neutroni. Cel puțin unele reacții Li7 sunt necesare pentru a înlocui neutronii pierduți în reacții cu alte elemente. Majoritatea modelelor de reactoare folosesc amestecuri naturale de izotopi de litiu.

Acest combustibil are o serie de dezavantaje:

Reacția produce o cantitate semnificativă de neutroni, care activează (infectează radioactiv) reactorul și schimbătorul de căldură. De asemenea, sunt necesare măsuri de protecție împotriva unei posibile surse de tritiu radioactiv.

Doar aproximativ 20% din energia de fuziune este sub formă de particule încărcate (restul sunt neutroni), ceea ce limitează posibilitatea conversiei directe a energiei de fuziune în electricitate. Utilizarea reacției D-T depinde de rezervele de litiu disponibile, care sunt mult mai mici decât rezervele de deuteriu. Expunerea la neutroni în timpul reacției D-T este atât de semnificativă încât, după prima serie de teste la JET, cel mai mare reactor până în prezent care folosește acest combustibil, reactorul a devenit atât de radioactiv încât a trebuit să fie adăugat un sistem robotizat de întreținere la distanță pentru a finaliza ciclul de testare al anului. .

Există, teoretic, tipuri alternative de combustibil care sunt lipsite de aceste dezavantaje. Dar utilizarea lor este împiedicată de o limitare fizică fundamentală. Pentru a obține suficientă energie din reacția de fuziune, este necesar să se păstreze o plasmă suficient de densă la temperatura de fuziune (10 8 K) pentru un anumit timp. Acest aspect fundamental al sintezei este descris de produsul dintre densitatea plasmei, n, și timpul τ al conținutului de plasmă încălzită, care este necesar pentru a ajunge la punctul de echilibru. Produsul, nτ, depinde de tipul de combustibil și este o funcție de temperatura plasmei. Dintre toate tipurile de combustibil, amestecul de deuteriu-tritiu necesită cea mai mică valoare a lui nτ cu cel puțin un ordin de mărime și cea mai scăzută temperatură de reacție de cel puțin 5 ori. Astfel, reacția D-T este un prim pas necesar, dar utilizarea altor combustibili rămâne un obiectiv important de cercetare.

Reacția de fuziune ca sursă de energie industrială

Energia de fuziune este considerată de mulți cercetători drept o sursă „naturală” de energie pe termen lung. Susținătorii utilizării comerciale a reactoarelor de fuziune pentru producerea de energie electrică prezintă următoarele argumente în favoarea lor:

• Rezerve de combustibil aproape inepuizabile (hidrogen)
• Combustibilul poate fi extras din apa de mare pe orice coastă a lumii, ceea ce face imposibil ca una sau un grup de țări să monopolizeze combustibilul
• Imposibilitatea unei reacții de fuziune necontrolată
• Fara produse de ardere
• Nu este nevoie să folosiți materiale care pot fi folosite pentru producerea de arme nucleare, eliminând astfel cazurile de sabotaj și terorism.
• În comparație cu reactoarele nucleare, se produc cantități neglijabile de deșeuri radioactive cu un timp de înjumătățire scurt.
• Se estimează că un degetar umplut cu deuteriu produce echivalentul a 20 de tone de cărbune. Un lac de dimensiuni medii este capabil să furnizeze orice țară cu energie timp de sute de ani. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că reactoarele de cercetare existente sunt proiectate pentru a realiza o reacție directă deuteriu-tritiu (DT), al cărei ciclu de combustibil necesită utilizarea litiului pentru a produce tritiu, în timp ce afirmațiile de energie inepuizabilă se referă la utilizarea unui deuteriu-deuteriu. (DD) reacție în a doua generație de reactoare.
• La fel ca reacția de fisiune, reacția de fuziune nu produce emisii atmosferice de dioxid de carbon, un contributor major la încălzirea globală. Acesta este un avantaj semnificativ, deoarece utilizarea combustibililor fosili pentru generarea de energie electrică are ca efect ca, de exemplu, SUA produc 29 kg de CO 2 (unul dintre principalele gaze care poate fi considerată o cauză a încălzirii globale) per locuitor american. pe zi.

Costul energiei electrice în comparație cu sursele tradiționale

Criticii subliniază că problema fezabilității economice a utilizării fuziunii nucleare pentru a genera electricitate rămâne deschisă. Același studiu, comandat de Biroul pentru Drepturi de Știință și Tehnologie al Parlamentului Britanic, indică faptul că costul producerii de energie electrică folosind un reactor de fuziune este probabil să fie în vârful spectrului de costuri pentru sursele convenționale de energie. Mult va depinde de tehnologia viitoare, structura și reglementarea pieței. Costul energiei electrice depinde direct de eficiența utilizării, de durata de funcționare și de costul dezafectării reactorului. Criticii utilizării comerciale a energiei de fuziune neagă faptul că combustibilii cu hidrocarburi sunt puternic subvenționați de guvern, atât direct, cât și indirect, cum ar fi utilizarea forțelor armate pentru a le asigura aprovizionarea neîntreruptă, războiul din Irak este adesea citat ca un exemplu controversat de această metodă de subvenţionare. Contabilitatea acestor subvenții indirecte este foarte complexă și face aproape imposibilă o comparație precisă a costurilor.

Există și problema costului cercetării. Țările Comunității Europene cheltuiesc aproximativ 200 de milioane de euro anual pentru cercetare și se preconizează că vor mai dura câteva decenii până când utilizarea industrială a fuziunii nucleare devine posibilă. Susținătorii surselor alternative de energie consideră că ar fi mai potrivit să direcționeze aceste fonduri către introducerea surselor regenerabile de energie.

Disponibilitatea energiei comerciale de fuziune

Din păcate, în ciuda optimismului larg răspândit (obișnuit încă din anii 1950, când au început primele cercetări), obstacole semnificative dintre înțelegerea actuală a proceselor de fuziune nucleară, posibilitățile tehnologice și utilizarea practică a fuziunii nucleare nu au fost încă depășite, nu este clar chiar cât de mult se poate. producția de energie electrică rentabilă din punct de vedere economic prin fuziunea termonucleară. Deși progresul în cercetare este constant, cercetătorii se confruntă în mod constant cu noi provocări. De exemplu, provocarea este de a dezvolta un material care poate rezista bombardamentului cu neutroni, care este estimat a fi de 100 de ori mai intens decât reactoarele nucleare convenționale.

Există următoarele etape în cercetare:

1.Mod de echilibru sau „pass”.(Break-even): atunci când energia totală care este eliberată în timpul procesului de fuziune este egală cu energia totală cheltuită pentru pornirea și menținerea reacției. Acest raport este etichetat cu simbolul Q. Echilibrul de reacție a fost demonstrat la JET (Joint European Torus) în Marea Britanie în 1997. (După ce au cheltuit 52 MW de electricitate pentru încălzirea sa, la ieșire, oamenii de știință au primit o putere cu 0,2 MW mai mare decât cea cheltuită.)

2.Plasmă aprinsă(Burning Plasma): O etapă intermediară în care reacția va fi susținută în principal de particulele alfa care sunt produse în timpul reacției, și nu de încălzirea externă. Q ≈ 5. Încă nu a fost realizat.

3. Aprindere(Aprindere): O reacție stabilă care se întreține singură. Ar trebui atins la valori Q ridicate. Încă nu a fost realizat.

Următorul pas în cercetare ar trebui să fie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), International Thermonuclear Experimental Reactor. La acest reactor, este planificat să se studieze comportamentul plasmei la temperatură înaltă (plasmă în flăcări cu Q ~ 30) și materialelor structurale pentru un reactor industrial. Faza finală a cercetării va fi DEMO: un prototip de reactor industrial care va realiza aprinderea și va demonstra adecvarea practică a noilor materiale. Cele mai optimiste prognoze pentru finalizarea fazei DEMO: 30 de ani. Luând în considerare timpul aproximativ pentru construcția și punerea în funcțiune a unui reactor industrial, suntem despărțiți de ~40 de ani de utilizarea industrială a energiei termonucleare.

Tokamak-uri existente

În total, în lume au fost construite aproximativ 300 de tokamak. Cele mai mari dintre ele sunt enumerate mai jos.

• URSS și Rusia
  • T-3 este primul aparat funcțional.
  • T-4 - o versiune mărită a lui T-3
  • T-7 este o instalație unică, în care a fost implementat pentru prima dată în lume un sistem magnetic relativ mare cu un solenoid supraconductor pe bază de niobat de staniu, răcit cu heliu lichid. Sarcina principală a T-7 a fost finalizată: a fost pregătită perspectiva următoarei generații de solenoizi supraconductori ai ingineriei termonucleare.
  • T-10 și PLT sunt următorul pas în lumea cercetării fuziunii, sunt aproape de aceeași dimensiune, putere egală, cu același factor de izolare. Și rezultatele obținute sunt identice: temperatura râvnită a fuziunii termonucleare a fost atinsă la ambele reactoare, iar decalajul conform criteriului Lawson este de doar două sute de ori.
  • T-15 este reactorul de astăzi cu un solenoid supraconductor care oferă un câmp de 3,6 T.
• Libia
  • TM-4A
• Europa și Marea Britanie
  • JET (engleză) (Joint Europeus Tor) este cel mai mare tokamak din lume, creat de organizația Euratom din Marea Britanie. Utilizează încălzire combinată: 20 MW - injecție neutră, 32 MW - rezonanță ion-ciclotron. Drept urmare, criteriul Lawson este de numai 4-5 ori mai mic decât nivelul de aprindere.
  • Tore Supra (fr.) (ing.) este un tokamak cu bobine supraconductoare, una dintre cele mai mari din lume. Situat în centrul de cercetare din Cadarache (Franța).
• STATELE UNITE ALE AMERICII
  • TFTR (engleză) (Test Fusion Tokamak Reactor) - cel mai mare tokamak din SUA (la Universitatea Princeton) cu încălzire suplimentară prin particule neutre rapide. S-a obținut un rezultat ridicat: criteriul Lawson la o temperatură termonucleară adevărată este de numai 5,5 ori mai mic decât pragul de aprindere. Inchis in 1997
  • NSTX (engleză) (National Spherical Torus Experiment) este un tokamak sferic (sferomak) care operează în prezent la Universitatea Princeton. Prima plasmă din reactor a fost obținută în 1999, la doi ani după închiderea TFTR.

Conform conceptelor astrofizice moderne, principala sursă de energie pentru Soare și alte stele este fuziunea termonucleară care are loc în adâncurile lor. În condiții terestre, se realizează în timpul exploziei unei bombe cu hidrogen. Fuziunea termonucleară este însoțită de o eliberare colosală de energie pe unitatea de masă a substanțelor care reacţionează (de aproximativ 10 milioane de ori mai mare decât în ​​reacţiile chimice). Prin urmare, este de mare interes să stăpânim acest proces și, pe baza lui, să creăm o sursă de energie ieftină și ecologică. Cu toate acestea, în ciuda faptului că mari echipe științifice și tehnice din multe țări dezvoltate sunt angajate în cercetarea fuziunii termonucleare controlate (CTF), există încă multe probleme complexe de rezolvat înainte ca producția industrială de energie termonucleară să devină o realitate.

Centralele nucleare moderne care folosesc procesul de fisiune satisfac doar parțial nevoile de energie electrică ale lumii. Combustibilul pentru acestea sunt elementele radioactive naturale uraniu și toriu, a căror prevalență și rezerve în natură sunt foarte limitate; prin urmare, pentru multe țări există o problemă a importului lor. Componenta principală a combustibilului termonuclear este izotopul hidrogenului deuteriu, care se găsește în apa de mare. Rezervele sale sunt accesibile publicului și sunt foarte mari (oceanul mondial acoperă ~ 71% din suprafața Pământului, iar deuteriul reprezintă aproximativ 0,016% din numărul total de atomi de hidrogen care formează apa). Pe lângă disponibilitatea combustibilului, sursele de energie termonucleară au următoarele avantaje importante față de centralele nucleare: 1) reactorul UTS conține mult mai puține materiale radioactive decât un reactor de fisiune nucleară și, prin urmare, consecințele unei eliberări accidentale de produse radioactive sunt mai puține. periculos; 2) reacțiile termonucleare produc mai puține deșeuri radioactive cu viață lungă; 3) TCB permite generarea directă de energie electrică.

FUNDAMENTELE FIZICE ALE FUZIUNII NUCLARE

Implementarea cu succes a reacției de fuziune depinde de proprietățile nucleelor ​​atomice utilizate și de posibilitatea de a obține o plasmă densă la temperatură înaltă, care este necesară inițierii reacției.

Forțe și reacții nucleare.

Eliberarea de energie în timpul fuziunii nucleare se datorează forțelor atractive extrem de intense care operează în interiorul nucleului; aceste forțe țin împreună protonii și neutronii care alcătuiesc nucleul. Sunt foarte intense la distanțe de ~10–13 cm și slăbesc extrem de rapid odată cu creșterea distanței. Pe lângă aceste forțe, protonii încărcați pozitiv creează forțe repulsive electrostatice. Raza de acțiune a forțelor electrostatice este mult mai mare decât cea a forțelor nucleare, astfel încât acestea încep să domine atunci când nucleele sunt mai îndepărtate.

După cum a arătat G. Gamov, probabilitatea unei reacții între două nuclee luminoase care se apropie este proporțională cu , unde e – baza logaritmilor naturali, Z 1 și Z 2 sunt numărul de protoni din nucleele care interacționează, W este energia abordării lor relative și K este un multiplicator constant. Energia necesară pentru a efectua o reacție depinde de numărul de protoni din fiecare nucleu. Dacă este mai mult de trei, atunci această energie este prea mare și reacția este practic imposibilă. Astfel, cu creșterea Z 1 și Z 2 probabilitatea unei reacții scade.

Probabilitatea ca două nuclee să interacționeze este caracterizată de o „secțiune transversală de reacție” măsurată în hambare (1 b = 10–24 cm 2). Secțiunea transversală de reacție este aria secțiunii transversale efective a nucleului, în care un alt nucleu trebuie să „penetreze” pentru ca interacțiunea lor să aibă loc. Secțiunea transversală pentru reacția deuteriului cu tritiul atinge valoarea maximă (~5 b) atunci când particulele care interacționează au o energie relativă de apropiere de aproximativ 200 keV. La o energie de 20 keV, secțiunea transversală devine mai mică de 0,1 b.

Dintr-un milion de particule accelerate care lovesc ținta, nu mai mult de una intră într-o interacțiune nucleară. Restul își disipă energia pe electronii atomilor țintă și încetinește până la viteze la care reacția devine imposibilă. În consecință, metoda de bombardare a unei ținte solide cu nuclee accelerate (cum a fost cazul în experimentul Cockcroft-Walton) este nepotrivită pentru CTS, deoarece energia obținută în acest caz este mult mai mică decât energia cheltuită.

Combustibilii termonucleari.

Reacții care implică p, care joacă rolul principal în procesele de fuziune nucleară în Soare și alte stele omogene, nu prezintă interes practic în condiții terestre, deoarece au o secțiune transversală prea mică. Pentru implementarea fuziunii termonucleare pe pământ, un tip de combustibil mai potrivit, așa cum sa menționat mai sus, este deuteriul.

Dar cea mai probabilă reacție se realizează într-un amestec de componente egale de deuteriu și tritiu (amestec DT). Din păcate, tritiul este radioactiv și, datorită timpului său scurt de înjumătățire (T 1/2 ~ 12,3 ani), practic nu se găsește niciodată în natură. Se obține artificial în reactoarele de fisiune și, de asemenea, ca produs secundar în reacțiile cu deuteriu. Cu toate acestea, absența tritiului în natură nu este un obstacol în calea utilizării reacțiilor de fuziune DT, deoarece tritiul poate fi produs prin iradierea izotopului 6 Li cu neutroni produși în timpul fuziunii: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Dacă camera termonucleară este înconjurată de un strat de 6 Li (litiul natural conține 7%), atunci este posibilă reproducerea completă a tritiului consumabil. Și deși, în practică, unii dintre neutroni se pierd inevitabil, pierderea lor poate fi reînnoită cu ușurință prin introducerea în înveliș a unui astfel de element precum beriliul, al cărui nucleu, atunci când un neutron rapid îl lovește, emite doi.

Principiul de funcționare al unui reactor termonuclear.

Reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare, al cărei scop este obținerea de energie utilă, se numește fuziune termonucleară controlată. Se efectuează la temperaturi de ordinul a sute de milioane de kelvin. Acest proces a fost implementat până acum doar în laboratoare.

Condiții de timp și temperatură.

Obținerea energiei termonucleare utile este posibilă numai dacă sunt îndeplinite două condiții. În primul rând, amestecul destinat fuziunii trebuie încălzit la o temperatură la care energia cinetică a nucleelor ​​să asigure o mare probabilitate de fuziune a acestora la ciocnire. În al doilea rând, amestecul de reacție trebuie să fie foarte bine izolat termic (adică temperatura ridicată trebuie menținută suficient de mult pentru a avea loc numărul necesar de reacții, iar energia eliberată datorită acestui fapt depășește energia cheltuită pentru încălzirea combustibilului).

În formă cantitativă, această condiție este exprimată după cum urmează. Pentru a încălzi un amestec termonuclear, un centimetru cub din volumul său trebuie alimentat cu energie P 1 = knt, Unde k- coeficient numeric, n- densitatea amestecului (numărul de nuclee în 1 cm 3), T- temperatura necesara. Pentru a menține reacția, energia transmisă amestecului termonuclear trebuie conservată pentru un timp t. Pentru ca un reactor să fie rentabil din punct de vedere energetic, este necesar ca în acest timp să fie eliberată în el mai multă energie termonucleară decât a fost cheltuită pentru încălzire. Energia eliberată (tot pe 1 cm 3 ) se exprimă după cum urmează:

Unde f(T) este un coeficient care depinde de temperatura amestecului și de compoziția acestuia, R este energia eliberată într-un act elementar de sinteză. Apoi condiția rentabilității energetice P 2 > P 1 va lua forma

Ultima inegalitate, cunoscută sub numele de criteriul Lawson, este o expresie cantitativă a cerințelor pentru perfecțiunea izolației termice. Partea dreaptă - „numărul lui Lawson” - depinde numai de temperatura și compoziția amestecului și, cu cât este mai mare, cu atât sunt mai stricte cerințele pentru izolarea termică, de exemplu. cu atât este mai dificil să se creeze un reactor. În regiunea temperaturilor acceptabile, numărul Lawson pentru deuteriu pur este de 10 16 s/cm 3 , iar pentru un amestec DT cu componente egale este de 2×10 14 s/cm 3 . Astfel, amestecul DT este combustibilul de fuziune preferat.

În conformitate cu criteriul Lawson, care determină valoarea energetic favorabilă a produsului densității și timpului de izolare, într-un reactor termonuclear ar trebui să se folosească cât mai mare posibil. n sau t. Prin urmare, studiile CTS s-au diferențiat în două direcții diferite: în prima, cercetătorii au încercat să păstreze o plasmă relativ rarefiată cu ajutorul unui câmp magnetic pentru un timp suficient de lung; în al doilea, cu ajutorul laserelor pentru o perioadă scurtă de timp pentru a crea o plasmă cu o densitate foarte mare. S-a dedicat mult mai multă muncă primei abordări decât celei de-a doua.

Limitarea magnetică a plasmei.

În timpul reacției de fuziune, densitatea reactantului fierbinte trebuie să rămână la un nivel care ar oferi un randament suficient de mare de energie utilă pe unitate de volum la o presiune pe care camera de plasmă o poate suporta. De exemplu, pentru un amestec de deuteriu - tritiu la o temperatură de 10 8 K, randamentul este determinat de expresia

Dacă acceptă P egal cu 100 W/cm 3 (care corespunde aproximativ cu energia eliberată de elementele combustibile din reactoarele de fisiune nucleară), apoi densitatea n ar trebui să fie de cca. 10 15 miezuri / cm 3, și presiunea corespunzătoare nt- aproximativ 3 MPa. Timpul de retenție în acest caz, conform criteriului Lawson, ar trebui să fie de cel puțin 0,1 s. Pentru plasmă deuteriu-deuteriu la o temperatură de 10 9 K

În acest caz, când P\u003d 100 W / cm 3, n» 3×10 15 miezuri/cm 3 şi o presiune de aproximativ 100 MPa, timpul de menţinere necesar va fi mai mare de 1 s. Rețineți că aceste densități sunt de numai 0,0001 de aer atmosferic, astfel încât camera reactorului trebuie evacuată la vid înalt.

Estimările de mai sus ale timpului de retenție, temperaturii și densității sunt parametrii minimi tipici necesari pentru funcționarea unui reactor de fuziune și sunt mai ușor de realizat în cazul unui amestec de deuteriu-tritiu. În ceea ce privește reacțiile termonucleare care apar în timpul exploziei unei bombe cu hidrogen și în interioarele stelelor, trebuie avut în vedere că, din cauza condițiilor complet diferite, în primul caz ele decurg foarte repede, iar în al doilea - extrem de lent. comparativ cu procesele dintr-un reactor termonuclear.

Plasma.

Când un gaz este încălzit puternic, atomii săi pierd parțial sau complet electroni, în urma cărora se formează particule încărcate pozitiv, numite ioni, și electroni liberi. La temperaturi de peste un milion de grade, un gaz format din elemente ușoare este complet ionizat, adică. fiecare atom își pierde toți electronii. Un gaz în stare ionizată se numește plasmă (termenul a fost introdus de I. Langmuir). Proprietățile unei plasme diferă semnificativ de cele ale unui gaz neutru. Deoarece există electroni liberi în plasmă, plasma conduce foarte bine curentul electric, iar conductivitatea sa este proporțională cu T 3/2. Plasma poate fi încălzită prin trecerea unui curent electric prin ea. Conductivitatea unei plasme de hidrogen la 10 8 K este aceeași cu cea a cuprului la temperatura camerei. Conductivitatea termică a plasmei este, de asemenea, foarte mare.

Pentru a menține plasma, de exemplu, la o temperatură de 10 8 K, aceasta trebuie să fie izolată termic în mod fiabil. În principiu, plasma poate fi izolată de pereții camerei prin plasarea acesteia într-un câmp magnetic puternic. Aceasta este asigurată de forțele care apar în timpul interacțiunii curenților cu un câmp magnetic din plasmă.

Sub acțiunea unui câmp magnetic, ionii și electronii se mișcă în spirale de-a lungul liniilor sale de forță. Tranziția de la o linie de forță la alta este posibilă atunci când particulele se ciocnesc și când se aplică un câmp electric transversal. În absența câmpurilor electrice, plasma rarefiată la temperatură înaltă, în care coliziunile apar rar, va difuza doar lent peste liniile câmpului magnetic. Dacă liniile de forță ale câmpului magnetic sunt închise, dându-le forma unei bucle, atunci particulele de plasmă se vor deplasa de-a lungul acestor linii, fiind ținute în regiunea buclei. Pe lângă o astfel de configurație magnetică închisă pentru limitarea plasmei, au fost propuse și sisteme deschise (cu linii de câmp ieșind din capetele camerei spre exterior), în care particulele rămân în interiorul camerei datorită „dopurilor” magnetice care restricționează mișcarea particulelor. Oglinzile magnetice sunt create la capetele camerei, unde se formează un fascicul de linii de câmp care se îngustează ca urmare a creșterii treptate a intensității câmpului.

În practică, izolarea magnetică a unei plasme cu densitate suficient de mare s-a dovedit a fi departe de a fi simplă: în ea apar adesea instabilități magnetohidrodinamice și cinetice.

Instabilitățile magnetohidrodinamice sunt asociate cu îndoiri și ruperi ale liniilor câmpului magnetic. În acest caz, plasma poate începe să se miște prin câmpul magnetic sub formă de ciorchini, să părăsească zona de reținere în câteva milioane de secundă și să degaje căldură pereților camerei. Astfel de instabilități pot fi suprimate dând câmpului magnetic o anumită configurație.

Instabilitățile cinetice sunt foarte diverse și au fost studiate mai puțin în detaliu. Printre acestea se numără cele care perturbă procesele ordonate, cum ar fi fluxul unui curent electric constant sau un flux de particule printr-o plasmă. Alte instabilități cinetice determină o rată de difuzie transversală mai mare a plasmei într-un câmp magnetic decât cea prezisă de teoria coliziunii pentru o plasmă liniștită.

Sisteme cu configurație magnetică închisă.

Dacă unui gaz conducător ionizat i se aplică un câmp electric puternic, atunci va apărea în el un curent de descărcare, simultan cu care va apărea un câmp magnetic în jurul acestuia. Interacțiunea câmpului magnetic cu curentul va duce la apariția unor forțe de compresiune care acționează asupra particulelor încărcate ale gazului. Dacă curentul curge de-a lungul axei filamentului de plasmă conductor, atunci forțele radiale emergente, cum ar fi benzile de cauciuc, comprimă filamentul, deplasând limita de plasmă departe de pereții camerei care îl conține. Acest fenomen, prezis teoretic de W. Bennett în 1934 și demonstrat experimental pentru prima dată de A. Ware în 1951, se numește efect de ciupire. Metoda pinch este aplicată la izolarea plasmei; caracteristica sa notabilă este că gazul este încălzit la temperaturi ridicate de curentul electric însuși (încălzire ohmică). Simplitatea fundamentală a metodei a condus la utilizarea acesteia în primele încercări de a conține o plasmă fierbinte, iar studiul unui simplu efect de ciupire, în ciuda faptului că a fost înlocuit ulterior cu metode mai avansate, a făcut posibilă o mai bună înțelegere a problemele cu care se confruntă experimentatorii astăzi.

Pe lângă difuzia plasmei în direcția radială, există și o deplasare longitudinală și ieșirea acesteia prin capetele coloanei de plasmă. Pierderile prin capete pot fi eliminate dacă camera cu plasmă are forma unei gogoși (tor). În acest caz, se obține o strângere toroidală.

Pentru prinderea simplă descrisă mai sus, instabilitățile magnetohidrodinamice inerente acestuia sunt o problemă serioasă. Dacă apare o mică îndoire în apropierea coloanei de plasmă, atunci densitatea liniilor de câmp magnetic de pe partea interioară a îndoirii crește (Fig. 1). Liniile de forță magnetice, care se comportă ca fire rezistente la compresiune, vor începe rapid să se „bombă”, astfel încât îndoirea va crește până când întreaga structură a filamentului de plasmă este distrusă. Ca rezultat, plasma va intra în contact cu pereții camerei și se va răci. Pentru a exclude acest fenomen dezastruos, înainte de trecerea curentului axial principal, în cameră se creează un câmp magnetic longitudinal care, împreună cu câmpul circular aplicat ulterior, „îndreptă” îndoirea incipientă a coloanei de plasmă (Fig. 2). ). Principiul stabilizării unei coloane de plasmă printr-un câmp axial stă la baza a două proiecte promițătoare de reactoare termonucleare - un tokamak și un pinch cu un câmp magnetic inversat.

Configurații magnetice deschise.

reținere inerțială.

Calculele teoretice arată că fuziunea termonucleară este posibilă fără utilizarea capcanelor magnetice. Pentru a face acest lucru, o țintă special pregătită (o bilă de deuteriu cu o rază de aproximativ 1 mm) este rapid comprimată la densități atât de mari încât reacția termonucleară are timp să se termine înainte ca ținta combustibilului să se evapore. Comprimarea și încălzirea la temperaturi termonucleare pot fi realizate prin impulsuri laser super-puternice, iradiind uniform și simultan bila de combustibil din toate părțile (Fig. 4). Odată cu evaporarea instantanee a straturilor sale de suprafață, particulele ejectate capătă viteze foarte mari, iar mingea este sub acțiunea unor forțe mari de compresiune. Ele sunt similare cu forțele reactive care conduc o rachetă, singura diferență fiind că aici aceste forțe sunt îndreptate spre interior, spre centrul țintei. Această metodă poate crea presiuni de ordinul a 10 11 MPa și densități de 10.000 de ori mai mari decât densitatea apei. La această densitate, aproape toată energia termonucleară va fi eliberată sub forma unei mici explozii în ~10–12 s. Microexploziile care apar, fiecare dintre ele echivalente cu 1-2 kg de TNT, nu vor cauza deteriorarea reactorului, iar implementarea unei secvențe de astfel de microexplozii la intervale scurte ar face posibilă realizarea unei producții aproape continue de energie utilă. Pentru izolarea inerțială, aranjarea unei ținte de combustibil este foarte importantă. O țintă sub formă de sfere concentrice din materiale grele și ușoare va face posibilă realizarea celei mai eficiente evaporări a particulelor și, în consecință, cea mai mare compresie.

Calculele arată că pentru o energie de radiație laser de ordinul unui megajoule (10 6 J) și o eficiență laser de cel puțin 10%, energia termonucleară produsă trebuie să depășească energia cheltuită pentru pomparea laserului. Instalațiile laser termonucleare sunt disponibile în laboratoarele de cercetare din Rusia, SUA, Europa de Vest și Japonia. În prezent, se studiază posibilitatea utilizării unui fascicul de ioni grei în locul unui fascicul laser sau a unei combinații a unui astfel de fascicul cu un fascicul de lumină. Datorită tehnologiei moderne, această metodă de inițiere a unei reacții are un avantaj față de laser, deoarece vă permite să obțineți mai multă energie utilă. Dezavantajul este dificultatea de a focaliza fasciculul asupra tintei.

INSTALAȚII CU RETENȚIE MAGNETICĂ

Metodele de izolare a plasmei magnetice sunt studiate în Rusia, SUA, Japonia și o serie de țări europene. Atenția principală este acordată dispozitivelor de tip toroidal, cum ar fi tokamak-ul și pinch-ul cu câmp magnetic inversat, care au apărut ca urmare a dezvoltării unor ciupituri mai simple cu un câmp magnetic longitudinal stabilizator.

Pentru limitarea plasmei cu un câmp magnetic toroidal B j este necesar să se creeze condiții în care plasma să nu fie deplasată pe pereții torusului. Acest lucru se realizează prin „răsucirea” liniilor câmpului magnetic (așa-numita „transformare de rotație”). Această răsucire se face în două moduri. În prima metodă, un curent este trecut prin plasmă, ducând la configurarea pinchului deja considerat stabil. Curent de câmp magnetic B q J - B q împreună cu B j creează un câmp total cu răsucirea necesară. În cazul în care un B j B q , obținem o configurație cunoscută sub numele de tokamak (o abreviere a expresiei „CAMERA TOROIDAL CU BOBINE MAGNETICE”). Tokamak-ul (Fig. 5) a fost dezvoltat sub conducerea lui L.A. Artsimovici la Institutul de Energie Atomică numit după V.I. I.V. Kurchatov la Moscova. La B j ~ B q se obține configurația pinch cu câmp magnetic inversat.

În a doua metodă, înfășurările elicoidale speciale în jurul camerei toroidale de plasmă sunt utilizate pentru a asigura echilibrul plasmei limitate. Curenții din aceste înfășurări creează un câmp magnetic complex, care duce la răsucirea liniilor de forță ale câmpului total din interiorul torusului. O astfel de instalație, numită stellarator, a fost dezvoltată la Universitatea Princeton (SUA) de L. Spitzer și colegii săi.

Tokamak.

Un parametru important de care depinde limitarea unei plasme toroidale este „marja de stabilitate” q, egal cu rB j/ R.B. q, unde rși R sunt razele mici și, respectiv, mari ale plasmei toroidale. La un mic q se poate dezvolta o instabilitate elicoidală, care este analogă cu instabilitatea îndoirii unui ciupit drept. Oamenii de știință de la Moscova au arătat experimental că atunci când q> 1 (adică B j B q) posibilitatea instabilitatii elicoidale este mult redusa. Acest lucru face posibilă utilizarea eficientă a căldurii eliberate de curent pentru a încălzi plasma. Ca urmare a multor ani de cercetare, caracteristicile tokamak-urilor s-au îmbunătățit semnificativ, în special, prin creșterea uniformității câmpului și curățarea eficientă a camerei de vid.

Rezultatele încurajatoare obținute în Rusia au stimulat crearea de tokamak-uri în multe laboratoare din întreaga lume, iar configurația lor a devenit subiect de cercetări intense.

Încălzirea ohmică a plasmei în tokamak nu este suficientă pentru a realiza reacția de fuziune termonucleară. Acest lucru se datorează faptului că atunci când plasma este încălzită, rezistența sa electrică scade foarte mult și, ca urmare, degajarea de căldură în timpul trecerii curentului scade brusc. Este imposibil să creșteți curentul în tokamak peste o anumită limită, deoarece coloana de plasmă poate pierde stabilitatea și poate fi transferată pe pereții camerei. Prin urmare, sunt utilizate diferite metode suplimentare pentru a încălzi plasma. Cele mai eficiente dintre ele sunt injectarea de fascicule de atomi neutri de înaltă energie și iradierea cu microunde. În primul caz, ionii accelerați la energii de 50–200 keV sunt neutralizați (pentru a evita „reflexia” lor înapoi de către câmpul magnetic atunci când sunt introduși în cameră) și injectați în plasmă. Aici sunt din nou ionizați și în procesul de ciocnire își renunță la energia plasmei. În al doilea caz, se utilizează radiația cu microunde, a cărei frecvență este egală cu frecvența ciclotronului ionic (frecvența de rotație a ionilor într-un câmp magnetic). La această frecvență, plasma densă se comportă ca un corp absolut negru, adică. absoarbe complet energia incidentă. Pe tokamak-ul JET al țărilor Uniunii Europene, prin injectarea de particule neutre s-a obținut o plasmă cu o temperatură ionică de 280 milioane Kelvin și un timp de izolare de 0,85 s. S-a obţinut o putere termonucleară de 2 MW pe plasmă de deuteriu-tritiu. Durata reacției este limitată de apariția impurităților din cauza pulverizării pereților camerei: impuritățile pătrund în plasmă și, fiind ionizate, cresc semnificativ pierderile de energie datorate radiațiilor. În prezent, munca la programul JET este axată pe cercetarea posibilității de a controla impuritățile și de îndepărtare a acestora, așa-numitele. „deviator magnetic”.

Tokamak-uri mari au fost create și în SUA - TFTR, în Rusia - T15 și în Japonia - JT60. Cercetările efectuate asupra acestor și altor instalații au pus bazele următoarei etape de lucru în domeniul fuziunii termonucleare controlate: în 2010, este planificată lansarea unui reactor mare pentru teste tehnice. Se presupune că aceasta va fi o lucrare comună a Statelor Unite, Rusiei, țărilor Uniunii Europene și Japoniei. Vezi si TOKAMAK.

Ciupirea câmpului inversat (FOP).

Configurația POP diferă de tokamak prin faptul că are B q~ B j, dar direcția câmpului toroidal în afara plasmei este opusă direcției sale în interiorul coloanei cu plasmă. J.Taylor a arătat că un astfel de sistem se află într-o stare cu o energie minimă și, în ciuda q

Avantajul configurației POP este că raportul dintre densitățile volumetrice de energie ale plasmei și câmpul magnetic (valoarea b) din aceasta este mai mare decât în ​​tokamak. Este esențial important ca b să fie cât mai mare posibil, deoarece acest lucru va reduce câmpul toroidal și, în consecință, va reduce costul bobinelor care îl creează și întreaga structură de susținere. Partea slabă a POP este că izolația termică a acestor sisteme este mai proastă decât cea a tokamak-urilor, iar problema menținerii unui câmp inversat nu a fost rezolvată.

Stellarator.

Într-un stellarator, un câmp creat de o înfășurare elicoidală specială în jurul corpului camerei este suprapus unui câmp magnetic toroidal închis. Câmpul magnetic total împiedică plasma să se îndepărteze de centru și suprimă anumite tipuri de instabilități magnetohidrodinamice. Plasma în sine poate fi creată și încălzită prin oricare dintre metodele utilizate într-un tokamak.

Principalul avantaj al stellaratorului este că metoda de izolare folosită în acesta nu este legată de prezența curentului în plasmă (ca în tokamak-uri sau în dispozitivele bazate pe efectul de ciupire) și, prin urmare, stellaratorul poate funcționa într-un mod staționar. . În plus, înfășurarea elicoidală poate avea un efect de „deviator”, adică. purificați plasma de impurități și îndepărtați produșii de reacție.

Limitarea plasmei în stellaratoare este studiată cuprinzător la unități din Uniunea Europeană, Rusia, Japonia și Statele Unite. Pe stellaratorul „Wendelstein VII” din Germania, a fost posibil să se mențină o plasmă nepurtătoare de curent cu o temperatură mai mare de 5x10 6 kelvin, încălzind-o prin injectarea unui fascicul atomic de înaltă energie.

Studii teoretice și experimentale recente au arătat că în majoritatea instalațiilor descrise, și în special în sistemele toroidale închise, timpul de confinare a plasmei poate fi mărit prin creșterea dimensiunilor radiale ale acesteia și limitarea câmpului magnetic. De exemplu, pentru un tokamak, s-a calculat că criteriul Lawson va fi îndeplinit (și chiar cu o anumită marjă) la o intensitate a câmpului magnetic de ~50 ± 100 kG și o rază mică a camerei toroidale de aprox. 2 m. Aceștia sunt parametrii de instalare pentru 1000 MW de energie electrică.

La crearea unor instalații atât de mari cu plasmă magnetică, apar probleme tehnologice complet noi. Pentru a crea un câmp magnetic de ordinul a 50 kG într-un volum de câțiva metri cubi folosind bobine de cupru răcite cu apă, este necesară o sursă de energie electrică cu o capacitate de câteva sute de megawați. Prin urmare, este evident că înfășurările bobinelor trebuie să fie realizate din materiale supraconductoare, cum ar fi aliajele de niobiu cu titan sau cu staniu. Rezistența acestor materiale la curentul electric în stare supraconductivă este zero și, prin urmare, cantitatea minimă de energie electrică va fi cheltuită pentru menținerea câmpului magnetic.

tehnologia reactoarelor.

Perspective pentru cercetarea termonucleară.

Experimentele efectuate pe instalații de tip tokamak au arătat că acest sistem este foarte promițător ca posibilă bază pentru reactorul UTS. Cele mai bune rezultate până în prezent s-au obținut pe tokamak-uri și există speranța că, odată cu creșterea corespunzătoare a dimensiunii instalațiilor, va fi posibilă implementarea unei fuziuni controlate industrial asupra acestora. Cu toate acestea, tokamak-ul nu este suficient de economic. Pentru a elimina acest neajuns, este necesar ca acesta să nu funcționeze în modul pulsat, așa cum este acum, ci într-un mod continuu. Cu toate acestea, aspectele fizice ale acestei probleme sunt încă puțin înțelese. De asemenea, este necesară dezvoltarea unor mijloace tehnice care să permită îmbunătățirea parametrilor plasmei și eliminarea instabilităților acesteia. Având în vedere toate acestea, nu ar trebui să uităm de alte opțiuni posibile, deși mai puțin dezvoltate, pentru un reactor termonuclear, de exemplu, un stellarator sau un câmp inversat. Stadiul cercetării în acest domeniu a atins stadiul în care există proiecte conceptuale de reactoare pentru majoritatea sistemelor de izolare magnetică cu plasmă de temperatură înaltă și pentru unele sisteme de izolare inerțială. Un exemplu de dezvoltare industrială a unui tokamak este proiectul Aries (SUA).

Oamenii de știință de la Princeton Plasma Physics Laboratory au propus ideea celui mai durabil dispozitiv de fuziune nucleară care poate funcționa mai mult de 60 de ani. În acest moment, aceasta este o sarcină descurajantă: oamenii de știință se luptă să pună în funcțiune un reactor de fuziune pentru câteva minute - și apoi ani. În ciuda complexității, construcția unui reactor de fuziune este una dintre cele mai promițătoare sarcini ale științei, care poate aduce mari beneficii. Vă spunem ce trebuie să știți despre fuziunea termonucleară.

1. Ce este fuziunea termonucleară?

Nu vă fie teamă de această frază greoaie, de fapt, totul este destul de simplu. Fuziunea termonucleară este un tip de reacție nucleară.

În timpul unei reacții nucleare, nucleul unui atom interacționează fie cu o particulă elementară, fie cu nucleul altui atom, datorită căruia compoziția și structura nucleului se modifică. Un nucleu atomic greu se poate descompune în două sau trei nuclee mai ușoare - aceasta este o reacție de fisiune. Există, de asemenea, o reacție de fuziune: aceasta este atunci când două nuclee atomice ușoare se contopesc într-unul greu.

Spre deosebire de fisiunea nucleară, care poate avea loc atât spontan, cât și forțat, fuziunea nucleară este imposibilă fără furnizarea de energie externă. După cum știți, contrariile se atrag, dar nucleele atomice sunt încărcate pozitiv - de aceea se resping reciproc. Această situație se numește bariera Coulomb. Pentru a depăși repulsia, este necesar să dispersăm aceste particule la viteze nebunești. Acest lucru se poate face la temperaturi foarte ridicate, de ordinul a câteva milioane de kelvin. Aceste reacții sunt numite termonucleare.

2. De ce avem nevoie de fuziunea termonucleară?

În timpul reacțiilor nucleare și termonucleare, se eliberează o cantitate imensă de energie care poate fi folosită în diverse scopuri - puteți crea cea mai puternică armă sau puteți transforma energia nucleară în electricitate și o furnizați întregii lumi. Energia de descompunere nucleară a fost folosită de mult timp în centralele nucleare. Dar energia termonucleară pare mai promițătoare. Într-o reacție termonucleară, pentru fiecare nucleon (așa-numitele nuclee constitutive, protoni și neutroni), se eliberează mult mai multă energie decât într-o reacție nucleară. De exemplu, când fisiunea unui nucleu de uraniu pe nucleon reprezintă 0,9 MeV (megaelectronvolt) și cândÎn sinteza unui nucleu de heliu, din nucleele de hidrogen este eliberată o energie egală cu 6 MeV. Prin urmare, oamenii de știință învață să efectueze reacții termonucleare.

Cercetarea fuziunii și construcția de reactoare permit extinderea producției de înaltă tehnologie, care este utilă în alte domenii ale științei și high-tech.

3. Ce sunt reacțiile termonucleare?

Reacțiile termonucleare sunt împărțite în auto-susținere, necontrolate (folosite în bombele cu hidrogen) și controlate (potrivite în scopuri pașnice).

Reacțiile de auto-susținere au loc în interiorul stelelor. Cu toate acestea, nu există condiții pe Pământ pentru ca astfel de reacții să aibă loc.

Oamenii desfășoară o fuziune termonucleară necontrolată sau explozivă de mult timp. În 1952, în timpul Operațiunii Evie Mike, americanii au detonat primul dispozitiv exploziv termonuclear din lume, care nu avea nicio valoare practică ca armă. Și în octombrie 1961, a fost testată prima bombă termonucleară (hidrogen) din lume (Tsar Bomba, Kuz'kina Mother), dezvoltată de oamenii de știință sovietici sub conducerea lui Igor Kurchatov. A fost cel mai puternic dispozitiv exploziv din istoria omenirii: energia totală a exploziei, conform diverselor surse, a variat între 57 și 58,6 megatone de TNT. Pentru a detona o bombă cu hidrogen, este necesar mai întâi să se obțină o temperatură ridicată în timpul unei explozii nucleare convenționale - abia atunci nucleele atomice vor începe să reacționeze.

Puterea exploziei într-o reacție nucleară necontrolată este foarte mare, în plus, proporția de contaminare radioactivă este mare. Prin urmare, pentru a utiliza energia termonucleară în scopuri pașnice, este necesar să învățați cum să o gestionați.

4. Ce este necesar pentru o reacție termonucleară controlată?

Țineți plasma!

Neclar? Acum hai să explicăm.

În primul rând, nucleele atomice. Energia nucleară folosește izotopi - atomi care diferă între ei prin numărul de neutroni și, în consecință, prin masa atomică. Izotopul hidrogenului deuteriu (D) este extras din apă. Hidrogenul supergreu sau tritiu (T) este un izotop radioactiv al hidrogenului care este un produs secundar al reacțiilor de descompunere efectuate în reactoarele nucleare convenționale. Tot în reacțiile termonucleare se folosește un izotop ușor de hidrogen, protium: acesta este singurul element stabil care nu are neutroni în nucleu. Heliul-3 este conținut pe Pământ în cantități neglijabile, dar este foarte abundent în solul lunar (regolit): în anii 80, NASA a dezvoltat un plan pentru instalații ipotetice pentru procesarea regolitului și extracția izotopilor. Pe de altă parte, un alt izotop, bor-11, este larg răspândit pe planeta noastră. 80% din borul de pe Pământ este un izotop necesar pentru oamenii de știință nucleari.

În al doilea rând, temperatura este foarte ridicată. Substanța care participă la o reacție termonucleară ar trebui să fie o plasmă aproape complet ionizată - este un gaz în care electronii liberi și ionii de diferite sarcini plutesc separat. Pentru a transforma o substanță într-o plasmă, este necesară o temperatură de 10 7 -10 8 K - acestea sunt sute de milioane de grade Celsius! Astfel de temperaturi ultra-înalte pot fi obținute prin crearea de descărcări electrice de mare putere în plasmă.

Cu toate acestea, este imposibil să încălziți pur și simplu elementele chimice necesare. Orice reactor se va vaporiza instantaneu la aceste temperaturi. Aici este necesară o abordare complet diferită. Până în prezent, este posibil să păstrați plasma într-o zonă limitată cu ajutorul magneților electrici de mare rezistență. Dar nu a fost încă posibil să se utilizeze pe deplin energia obținută în urma unei reacții termonucleare: chiar și sub influența unui câmp magnetic, plasma se răspândește în spațiu.

5. Ce reacții sunt cele mai promițătoare?

Principalele reacții nucleare care sunt planificate a fi utilizate pentru fuziunea termonucleară controlată vor folosi deuteriu (2H) și tritiu (3H), iar în viitorul mai îndepărtat, heliu-3 (3He) și bor-11 (11B).

Iată cele mai interesante reacții.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reacție deuteriu-tritiu.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50% este așa-numitul monopropulsor cu deuteriu.

Reacțiile 1 și 2 sunt pline de contaminare radioactivă cu neutroni. Prin urmare, reacțiile „fără neutroni” sunt cele mai promițătoare.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuteriul reacţionează cu heliul-3. Problema este că heliul-3 este extrem de rar. Cu toate acestea, randamentul fără neutroni face ca această reacție să fie promițătoare.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bor-11 reacţionează cu protiul, rezultând particule alfa care pot fi absorbite de folia de aluminiu.

6. Unde să conducă o astfel de reacție?

Reactorul natural de fuziune este vedeta. În ea, plasma este ținută sub influența gravitației, iar radiația este absorbită - astfel, miezul nu se răcește.

Pe Pământ, reacțiile termonucleare pot fi efectuate doar în instalații speciale.

sisteme de impulsuri. În astfel de sisteme, deuteriul și tritiul sunt iradiate cu fascicule laser de putere ultra mare sau cu fascicule de electroni/ioni. O astfel de iradiere provoacă o succesiune de microexplozii termonucleare. Cu toate acestea, este neprofitabilă utilizarea unor astfel de sisteme la scară industrială: pentru accelerarea atomilor se cheltuiește mult mai multă energie decât se obține ca urmare a fuziunii, deoarece nu toți atomii accelerați intră într-o reacție. Prin urmare, multe țări construiesc sisteme cvasi-staționare.

Sisteme cvasi-staționare. În astfel de reactoare, plasma este reținută de un câmp magnetic la presiune scăzută și temperatură ridicată. Există trei tipuri de reactoare bazate pe diferite configurații de câmp magnetic. Acestea sunt tokamak-uri, stellaratori (torsatrons) și capcane cu oglindă.

tokamak reprezintă „camera toroidală cu bobine magnetice”. Aceasta este o cameră sub formă de „goasă” (tor), pe care sunt înfășurate bobine. Caracteristica principală a tokamak este utilizarea curentului electric alternativ, care curge prin plasmă, o încălzește și, creând un câmp magnetic în jurul său, o reține.

LA stellarator (torsatron) câmpul magnetic este complet conținut de bobine magnetice și, spre deosebire de un tokamak, poate fi acționat continuu.

W oglindă (deschisă) capcane se foloseste principiul reflexiei. Camera este închisă pe ambele părți prin „dopuri” magnetice care reflectă plasma, menținând-o în reactor.

Multă vreme, capcanele cu oglindă și tokamak-urile au luptat pentru supremație. Inițial, conceptul de capcană părea mai simplu și, prin urmare, mai ieftin. La începutul anilor ’60, capcanele deschise au fost foarte finanțate, dar instabilitatea plasmei și încercările nereușite de a o reține cu un câmp magnetic au forțat aceste instalații să se complice - proiectele aparent simple s-au transformat în mașini infernale și nu a reușit să se realizeze un rezultat stabil. Prin urmare, tokamak-urile au apărut în prim-plan în anii 1980. În 1984, a fost lansat tokamak-ul european JET, al cărui cost a fost de doar 180 de milioane de dolari și ai cărui parametri au făcut posibilă efectuarea unei reacții termonucleare. În URSS și Franța, au fost proiectate tokamak-uri supraconductoare, care nu consumau aproape deloc energie pentru funcționarea sistemului magnetic.

7. Cine învață acum să efectueze reacții termonucleare?

Multe țări își construiesc propriile reactoare de fuziune. Există reactoare experimentale în Kazahstan, China, SUA și Japonia. Institutul Kurchatov lucrează la reactorul IGNITOR. Germania a lansat reactorul de fuziune Wendelstein 7-X stellarator.

Cel mai cunoscut proiect internațional este ITER tokamak (ITER, Reactor Experimental Termonuclear Internațional) de la Centrul de Cercetare Cadarache (Franța). Construcția sa trebuia finalizată în 2016, dar dimensiunea sprijinului financiar necesar a crescut, iar momentul experimentelor s-a mutat în 2025. Uniunea Europeană, SUA, China, India, Japonia, Coreea de Sud și Rusia participă la activitățile ITER. Ponderea principală în finanțare este deținută de UE (45%), restul participanților furnizând echipamente de înaltă tehnologie. În special, Rusia produce materiale și cabluri supraconductoare, tuburi radio pentru încălzirea plasmei (girotroni) și siguranțe pentru bobine supraconductoare, precum și componente pentru cea mai complexă parte a reactorului - primul perete, care trebuie să reziste forțelor electromagnetice, radiațiilor neutronice și radiatii plasmatice.

8. De ce încă nu folosim reactoare termonucleare?

Instalațiile moderne de tokamak nu sunt reactoare termonucleare, ci instalații de cercetare în care existența și conservarea plasmei este posibilă doar pentru o perioadă. Cert este că oamenii de știință nu au învățat încă cum să țină plasma în reactor de mult timp.

În acest moment, una dintre cele mai mari realizări în domeniul fuziunii nucleare este succesul oamenilor de știință germani care au reușit să încălzească hidrogenul gazos la 80 de milioane de grade Celsius și să mențină un nor de plasmă de hidrogen timp de un sfert de secundă. Și în China, plasma de hidrogen a fost încălzită la 49,999 milioane de grade și menținută timp de 102 secunde. Oamenii de știință ruși de la (Institutul G. I. Budker de Fizică Nucleară, Novosibirsk) au reușit să obțină o încălzire stabilă a plasmei până la zece milioane de grade Celsius. Cu toate acestea, americanii au propus recent o metodă de izolare a plasmei timp de 60 de ani – iar acest lucru inspiră optimism.

În plus, există controverse cu privire la rentabilitatea fuziunii în industrie. Nu se știe dacă beneficiile generării de energie electrică vor compensa costurile fuziunii. Se propune experimentarea cu reacții (de exemplu, renunțarea la reacția tradițională deuteriu-tritiu sau monopropulsant în favoarea altor reacții), materiale structurale - sau chiar abandonarea ideii de fuziune termonucleară industrială, folosind-o numai pentru reacții individuale în fisiune. reactii. Cu toate acestea, oamenii de știință continuă să experimenteze.

9. Sunt reactoarele de fuziune sigure?

Relativ. Tritiul, care este folosit în reacțiile termonucleare, este radioactiv. În plus, neuronii eliberați ca urmare a fuziunii iradiază structura reactorului. Elementele reactorului în sine sunt acoperite cu praf radioactiv din cauza impactului plasmei.

Cu toate acestea, un reactor de fuziune este mult mai sigur decât un reactor nuclear în ceea ce privește radiația. Există relativ puține substanțe radioactive în reactor. În plus, proiectarea reactorului în sine presupune absența „găurilor” prin care se poate scurge radiația. Camera de vid a reactorului trebuie etanșată, altfel reactorul pur și simplu nu poate funcționa. În timpul construcției reactoarelor termonucleare se folosesc materiale testate cu energie nucleară, iar în încăperi se menține o presiune redusă.

Când vor apărea centralele de fuziune?

Oamenii de știință spun cel mai adesea ceva de genul „în 20 de ani vom rezolva toate problemele fundamentale”. Inginerii nucleari vorbesc despre a doua jumătate a secolului XXI. Politicienii vorbesc despre o mare de energie curată pentru un ban, fără să se deranjeze cu întâlnirile.

Cum caută oamenii de știință materia întunecată în intestinele Pământului

Cu sute de milioane de ani în urmă, mineralele de sub suprafața pământului puteau reține urme ale unei substanțe misterioase. Rămâne doar să ajungem la ei. Peste două duzini de laboratoare subterane împrăștiate în întreaga lume sunt ocupate în căutarea materiei întunecate.

Cum au ajutat oamenii de știință siberieni un om să zboare spre stele

Pe 12 aprilie 1961, Yuri Gagarin a efectuat primul zbor în spațiu - zâmbetul bun al pilotului și veselul său „Hai! a devenit un triumf al cosmonauticii sovietice. Pentru ca acest zbor să aibă loc, oamenii de știință din toată țara își chinuiau mințile despre cum să facă o astfel de rachetă care să reziste tuturor pericolelor spațiului neexplorat - aici ideile oamenilor de știință de la Filiala siberiană a Academiei de Științe ar putea nu am făcut fără.

Viitor. Oamenii de știință cu 60-70 de ani în urmă căutau modalități de a obține energie mai ieftină. Metoda este cunoscută de mult timp, dar rămâne imposibil de controlat energia unei astfel de puteri chiar și astăzi. Vorbim despre fuziunea termonucleară. Fuziunea termonucleară controlată este sinteza nucleelor ​​atomice mai grele din cele mai ușoare pentru a obține o energie uriașă, care, spre deosebire de fuziunea termonucleară explozivă (folosită în bombele cu hidrogen), este complet controlată.

Fuziunea termonucleară controlată diferă de fuziunea tradițională prin aceea că aceasta din urmă utilizează o reacție de descompunere în timpul căreia nuclee mai ușoare pot fi obținute din nuclee grele. Un reactor termonuclear este mult mai sigur decât un reactor nuclear (reactor nuclear) în ceea ce privește radiația. În primul rând, cantitatea de substanțe radioactive din acesta este relativ mică, ceea ce îl face aproape ecologic.

Energia care poate fi eliberată ca urmare a unui fel de accident este, de asemenea, relativ mică și nu poate duce la distrugerea reactorului. În același timp, există câteva obstacole naturale în proiectarea reactorului care împiedică răspândirea substanțelor radioactive. De exemplu, camera de vid și carcasa ctiostatului trebuie să fie complet etanșate, altfel reactorul pur și simplu nu poate funcționa. Cu toate acestea, în timpul proiectării, s-a acordat o mare atenție siguranței radiațiilor atât în ​​timpul funcționării normale, cât și în timpul eventualelor accidente.

Fuziunea termonucleară, reacția izotopilor de hidrogen, spre deosebire de o reacție atomică, o reacție termonucleară este o reacție de fuziune, în cele din urmă se formează heliu, iar heliul se formează cu eliberarea de energie termică colosală. Fuziunea termonucleară poate fi obținută doar într-un dispozitiv special numit tokamak (o cameră toroidală cu bobine magnetice), omologul sovietic este sincrofazotronul. Experimentele în domeniul energiei termonucleare au început să fie efectuate în Uniunea Sovietică încă din anii 30 ai secolului trecut, dar problema nu a fost încă pe deplin rezolvată.

Energia termică enormă este incontrolabilă și este folosită doar în armele termonucleare. Proiectul primului reactor termonuclear din lume a fost lansat deja de 10 ani, construcția a început în Franța și, potrivit oamenilor de știință, lumea va avea prima fuziune termonucleară controlată în 2026. Dacă este posibil să se efectueze fuziunea, atunci cel mai probabil prețurile pentru energia electrică vor scădea brusc, deoarece pentru fuziunea termonucleară este nevoie doar de apă ...

Pentru comparație, să spunem că dacă 1 pahar de apă este supus fuziunii termonucleare, atunci este posibil să furnizeze energie electrică unui oraș mic timp de 1 zi! Asta e puterea apei! (mai precis, hidrogen). Dar, pe lângă fuziunea termonucleară, există mai multe tipuri de moduri alternative de a produce energie electrică, dar puteți afla despre acest lucru în această recenzie, mulțumesc pentru atenție - A. Kasyan.

Discutați articolul CONTROLLED Fusion

fuziunea termonucleară, reacția de fuziune a nucleelor ​​atomice ușoare în nuclee mai grele, care are loc la temperaturi foarte ridicate și este însoțită de eliberarea de cantități uriașe de energie. Fuziunea nucleară este reacția inversă a fisiunii atomice: în cea din urmă, energia este eliberată din cauza divizării nucleelor ​​grele în altele mai ușoare. Vezi si FISIUNE NUCLEARA; ENERGIE NUCLEARA.

Conform conceptelor astrofizice moderne, principala sursă de energie pentru Soare și alte stele este fuziunea termonucleară care are loc în adâncurile lor. În condiții terestre, se realizează în timpul exploziei unei bombe cu hidrogen. Fuziunea termonucleară este însoțită de o eliberare colosală de energie pe unitatea de masă a substanțelor care reacţionează (de aproximativ 10 milioane de ori mai mare decât în ​​reacţiile chimice). Prin urmare, este de mare interes să stăpânim acest proces și, pe baza lui, să creăm o sursă de energie ieftină și ecologică. Cu toate acestea, în ciuda faptului că mari echipe științifice și tehnice din multe țări dezvoltate sunt angajate în cercetarea fuziunii termonucleare controlate (CTF), există încă multe probleme complexe de rezolvat înainte ca producția industrială de energie termonucleară să devină o realitate.

Centralele nucleare moderne care folosesc procesul de fisiune satisfac doar parțial nevoile de energie electrică ale lumii. Combustibilul pentru acestea sunt elementele radioactive naturale uraniu și toriu, a căror prevalență și rezerve în natură sunt foarte limitate; prin urmare, pentru multe țări există o problemă a importului lor. Componenta principală a combustibilului termonuclear este izotopul hidrogenului deuteriu, care se găsește în apa de mare. Rezervele sale sunt accesibile publicului și sunt foarte mari (oceanele acoperă ~ 71% din suprafața Pământului, iar deuteriul reprezintă aproximativ 0,016% din numărul total de atomi de hidrogen care formează apa). Pe lângă disponibilitatea combustibilului, sursele de energie termonucleară au următoarele avantaje importante față de centralele nucleare: 1) reactorul UTS conține mult mai puține materiale radioactive decât un reactor de fisiune nucleară și, prin urmare, consecințele unei eliberări accidentale de produse radioactive sunt mai puține. periculos; 2) reacțiile termonucleare produc mai puține deșeuri radioactive cu viață lungă; 3) TCB permite generarea directă de energie electrică.

Artsimovici L.A. Reacții termonucleare controlate. M., 1963
Centrale termice și nucleare(cartea 1, secțiunea 6; cartea 3, secțiunea 8). M., 1989

Găsiți „NUCLEAR FUSION” pe