Podľa moderných astrofyzikálnych koncepcií je hlavným zdrojom energie Slnka a iných hviezd termonukleárna fúzia prebiehajúca v ich hĺbkach. V pozemských podmienkach sa vykonáva pri výbuchu vodíkovej bomby. Termonukleárna fúzia je sprevádzaná kolosálnym uvoľnením energie na jednotku hmotnosti reagujúcich látok (asi 10 miliónov krát väčšie ako pri chemických reakciách). Preto je veľký záujem osvojiť si tento proces a využiť ho na vytvorenie lacného a ekologického zdroja energie. No aj napriek tomu, že výskumom riadenej termonukleárnej fúzie (CTF) sa v mnohých vyspelých krajinách venujú veľké vedecké a technické tímy, je potrebné vyriešiť ešte veľa zložitých problémov, kým sa priemyselná výroba termonukleárnej energie stane realitou.

Moderné jadrové elektrárne využívajúce štiepny proces uspokojujú svetovú potrebu elektriny len čiastočne. Palivom sú pre nich prírodné rádioaktívne prvky urán a tórium, ktorých množstvo a zásoby v prírode sú veľmi obmedzené; preto mnohé krajiny čelia problému ich dovozu. Hlavnou zložkou termonukleárneho paliva je izotop vodíka deutérium, ktorý sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú verejne dostupné a veľmi veľké (svetové oceány pokrývajú ~ 71 % povrchu Zeme a deutérium tvorí asi 0,016 % z celkového počtu atómov vodíka, ktoré tvoria vodu). Okrem dostupnosti paliva majú termonukleárne zdroje energie oproti jadrovým elektrárňam tieto dôležité výhody: 1) reaktor UTS obsahuje oveľa menej rádioaktívnych materiálov ako reaktor na štiepenie jadrovej energie, a preto sú následky náhodného úniku rádioaktívnych produktov menšie. nebezpečné; 2) termonukleárne reakcie produkujú menej rádioaktívneho odpadu s dlhou životnosťou; 3) TCB umožňuje priamy príjem elektriny.

FYZIKÁLNE ZÁKLADY JADROVEJ fúzie

Úspešná realizácia fúznej reakcie závisí od vlastností použitých atómových jadier a schopnosti získať hustú vysokoteplotnú plazmu, ktorá je nevyhnutná na spustenie reakcie.

Jadrové sily a reakcie.

Uvoľňovanie energie počas jadrovej fúzie je spôsobené mimoriadne intenzívnymi príťažlivými silami pôsobiacimi vo vnútri jadra; Tieto sily držia pohromade protóny a neutróny, ktoré tvoria jadro. Sú veľmi intenzívne vo vzdialenosti ~10–13 cm a s rastúcou vzdialenosťou extrémne rýchlo slabnú. Okrem týchto síl vytvárajú kladne nabité protóny elektrostatické odpudivé sily. Rozsah elektrostatických síl je oveľa väčší ako rozsah jadrových síl, takže začnú dominovať, keď sa jadrá od seba oddelia.

Ako ukázal G. Gamow, pravdepodobnosť reakcie medzi dvoma približujúcimi sa ľahkými jadrami je úmerná , kde e – základ prirodzených logaritmov, Z 1 A Z 2 – počet protónov v interagujúcich jadrách, W je energia ich relatívneho prístupu, a K- konštantný multiplikátor. Energia potrebná na uskutočnenie reakcie závisí od počtu protónov v každom jadre. Ak je viac ako tri, potom je táto energia príliš veľká a reakcia je prakticky nemožná. Teda s pribúdajúcimi Z 1 a Z 2 sa pravdepodobnosť reakcie znižuje.

Pravdepodobnosť, že dve jadrá budú interagovať, je charakterizovaná „reakčným prierezom“, meraným v stodolách (1 b = 10 – 24 cm 2 ). Reakčný prierez je účinná prierezová plocha jadra, do ktorej musí „spadnúť“ iné jadro, aby došlo k ich interakcii. Prierez pre reakciu deutéria s tríciom dosahuje svoju maximálnu hodnotu (~5 b), keď majú interagujúce častice relatívnu približovaciu energiu rádovo 200 keV. Pri energii 20 keV je prierez menší ako 0,1 b.

Z milióna zrýchlených častíc, ktoré zasiahnu cieľ, nie viac ako jedna vstúpi do jadrovej interakcie. Zvyšok rozptýli svoju energiu na elektrónoch cieľových atómov a spomaľuje sa na rýchlosť, pri ktorej je reakcia nemožná. V dôsledku toho je metóda bombardovania pevného cieľa zrýchlenými jadrami (ako to bolo v prípade Cockroft-Waltonovho experimentu) pre riadenú fúziu nevhodná, pretože získaná energia je v tomto prípade oveľa menšia ako vynaložená energia.

Fúzne palivá.

Reakcie zahŕňajúce p, ktoré hrajú hlavnú úlohu v procesoch jadrovej fúzie na Slnku a iných homogénnych hviezdach, nie sú v pozemských podmienkach prakticky zaujímavé, pretože majú príliš malý prierez. Pre termonukleárnu fúziu na Zemi je vhodnejším typom paliva, ako bolo uvedené vyššie, deutérium.

Najpravdepodobnejšia reakcia sa však vyskytuje v rovnakej zmesi deutéria a trícia (zmes DT). Žiaľ, trícium je rádioaktívne a pre svoj krátky polčas rozpadu (T 1/2 ~ 12,3 roka) sa v prírode prakticky nevyskytuje. Vyrába sa umelo v štiepnych reaktoroch a tiež ako vedľajší produkt pri reakciách s deutériom. Neprítomnosť trícia v prírode však nie je prekážkou pre použitie DT fúznej reakcie, pretože trícium možno vyrobiť ožiarením izotopu 6 Li neutrónmi vznikajúcimi počas syntézy: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ak obklopíte termonukleárnu komoru vrstvou 6 Li (prírodné lítium obsahuje 7%), môžete úplne reprodukovať spotrebné trícium. A hoci v praxi sa niektoré neutróny nevyhnutne stratia, ich strata sa dá ľahko kompenzovať zavedením prvku, akým je berýlium, do ktorého jadra, keď naň zasiahne jeden rýchly neutrón, vyžaruje dva.

Princíp činnosti termonukleárneho reaktora.

Fúzna reakcia ľahkých jadier, ktorej účelom je získanie užitočnej energie, sa nazýva riadená termonukleárna fúzia. Vykonáva sa pri teplotách rádovo stoviek miliónov Kelvinov. Tento proces bol doteraz realizovaný len v laboratóriách.

Časové a teplotné podmienky.

Získanie užitočnej termonukleárnej energie je možné len pri splnení dvoch podmienok. Najprv sa musí zmes určená na syntézu zahriať na teplotu, pri ktorej kinetická energia jadier poskytuje vysokú pravdepodobnosť ich splynutia pri zrážke. Po druhé, reakčná zmes musí byť veľmi dobre tepelne izolovaná (to znamená, že vysoká teplota sa musí udržiavať dostatočne dlho na to, aby došlo k požadovanému počtu reakcií a vďaka tomu uvoľnená energia prevýšila energiu vynaloženú na ohrev paliva).

V kvantitatívnej forme je tento stav vyjadrený nasledovne. Na zahriatie termonukleárnej zmesi je potrebné dodať energiu jednému kubickému centimetru jej objemu P 1 = knT, Kde k- číselný koeficient, n– hustota zmesi (počet zŕn na 1 cm3), T- požadovaná teplota. Aby sa reakcia udržala, musí sa energia odovzdaná termonukleárnej zmesi udržať po dobu t. Aby bol reaktor energeticky rentabilný, je potrebné, aby sa v ňom počas tejto doby uvoľnilo viac termonukleárnej energie, ako bolo vynaložené na vykurovanie. Uvoľnená energia (aj na 1 cm3) sa vyjadruje takto:

Kde f(T) – koeficient v závislosti od teploty zmesi a jej zloženia, R– energia uvoľnená v jednom elementárnom akte syntézy. Potom podmienka energetickej rentability P 2 > P 1 bude mať formu

Posledná nerovnosť, známa ako Lawsonovo kritérium, je kvantitatívnym vyjadrením požiadaviek na dokonalú tepelnú izoláciu. Pravá strana – „Lawsonovo číslo“ – závisí len od teploty a zloženia zmesi a čím je vyššia, tým sú požiadavky na tepelnú izoláciu prísnejšie, t.j. tým ťažšie je vytvoriť reaktor. V oblasti prijateľných teplôt je Lawsonovo číslo pre čisté deutérium 10 16 s/cm 3 a pre rovnozložkovú zmes DT – 2 × 10 14 s/cm 3 . Preto je DT zmes preferovaným fúznym palivom.

V súlade s Lawsonovým kritériom, ktoré určuje energeticky priaznivú hodnotu súčinu hustoty a času uzavretia, by termonukleárny reaktor mal využívať čo najväčšiu n alebo t. Preto sa výskum riadenej fúzie rozchádzal v dvoch rôznych smeroch: v prvom sa výskumníci snažili udržať relatívne riedku plazmu pomocou magnetického poľa na dostatočne dlhú dobu; v druhom s použitím laserov na vytvorenie plazmy s veľmi vysokou hustotou na krátky čas. Oveľa viac práce sa venovalo prvému prístupu ako druhému.

Magnetické plazmové obmedzenie.

Počas fúznej reakcie musí hustota horúceho činidla zostať na úrovni, ktorá by poskytla dostatočne vysoký výťažok užitočnej energie na jednotku objemu pri tlaku, ktorý môže plazmová komora vydržať. Napríklad pre zmes deutérium – trícium pri teplote 10 8 K je výťažok určený výrazom

Ak prijmeme P rovná 100 W/cm 3 (čo približne zodpovedá energii uvoľnenej palivovými článkami v jadrových štiepnych reaktoroch), potom hustota n by mala byť cca. 1015 jadier/cm3 a zodpovedajúci tlak nT– približne 3 MPa. V tomto prípade musí byť podľa Lawsonovho kritéria retenčný čas aspoň 0,1 s. Pre plazmu deutérium-deutérium pri teplote 109 K

V tomto prípade, kedy P= 100 W/cm3, n» 3Х10 15 jadier/cm 3 a tlaku približne 100 MPa, požadovaný retenčný čas bude viac ako 1 s. Všimnite si, že tieto hustoty sú len 0,0001 hustoty atmosférického vzduchu, takže komora reaktora musí byť evakuovaná do vysokého vákua.

Vyššie uvedené odhady času, teploty a hustoty sú typickými minimálnymi parametrami potrebnými na prevádzku fúzneho reaktora a dajú sa ľahšie dosiahnuť v prípade zmesi deutéria a trícia. Pokiaľ ide o termonukleárne reakcie vyskytujúce sa počas výbuchu vodíkovej bomby a v útrobách hviezd, treba mať na pamäti, že v dôsledku úplne odlišných podmienok v prvom prípade prebiehajú veľmi rýchlo av druhom prípade extrémne pomaly. na procesy v termonukleárnom reaktore.

Plazma.

Keď sa plyn silne zahreje, jeho atómy stratia niektoré alebo všetky svoje elektróny, čo vedie k vytvoreniu kladne nabitých častíc nazývaných ióny a voľné elektróny. Pri teplotách nad milión stupňov sa plyn pozostávajúci z ľahkých prvkov úplne ionizuje, t.j. každý z jeho atómov stráca všetky svoje elektróny. Plyn v ionizovanom stave sa nazýva plazma (termín zaviedol I. Langmuir). Vlastnosti plazmy sa výrazne líšia od vlastností neutrálneho plynu. Keďže plazma obsahuje voľné elektróny, plazma vedie elektrinu veľmi dobre a jej vodivosť je úmerná T 3/2. Plazma sa môže ohrievať prechodom elektrického prúdu cez ňu. Vodivosť vodíkovej plazmy pri 108 K je rovnaká ako vodivosť medi pri izbovej teplote. Tepelná vodivosť plazmy je tiež veľmi vysoká.

Aby sa plazma udržala napríklad pri teplote 10 8 K, musí byť spoľahlivo tepelne izolovaná. V zásade možno plazmu izolovať od stien komory umiestnením do silného magnetického poľa. Zabezpečujú to sily, ktoré vznikajú pri interakcii prúdov s magnetickým poľom v plazme.

Pod vplyvom magnetického poľa sa ióny a elektróny pohybujú v špirálach pozdĺž jeho siločiar. Prechod z jednej siločiary na druhú je možný pri zrážkach častíc a pri pôsobení priečneho elektrického poľa. Pri absencii elektrických polí bude vysokoteplotná riedka plazma, v ktorej sú zrážky zriedkavé, difundovať len pomaly cez magnetické siločiary. Ak sú siločiary magnetického poľa uzavreté, čo im dáva tvar slučky, potom sa častice plazmy budú pohybovať pozdĺž týchto čiar a budú držané v oblasti slučky. Okrem takejto uzavretej magnetickej konfigurácie na zadržiavanie plazmy boli navrhnuté otvorené systémy (so siločiarami siahajúcimi von z koncov komory), v ktorých častice zostávajú vo vnútri komory v dôsledku magnetických „zátok“ obmedzujúcich pohyb častíc. Na koncoch komory sú vytvorené magnetické zátky, kde v dôsledku postupného zvyšovania intenzity poľa vzniká zužujúci sa lúč siločiar.

V praxi sa ukázalo, že magnetické obmedzenie plazmy dostatočne vysokej hustoty nie je ani zďaleka jednoduché: často v nej vznikajú magnetohydrodynamické a kinetické nestability.

Magnetohydrodynamické nestability sú spojené s ohybmi a zlommi magnetických siločiar. V tomto prípade sa plazma môže začať pohybovať cez magnetické pole vo forme zhlukov, v priebehu niekoľkých miliónov sekúnd opustí uzavretú zónu a odovzdá teplo stenám komory. Takáto nestabilita môže byť potlačená poskytnutím určitej konfigurácie magnetickému poľu.

Kinetické nestability sú veľmi rôznorodé a boli skúmané menej podrobne. Sú medzi nimi také, ktoré narúšajú usporiadané procesy, ako je napríklad tok jednosmerného elektrického prúdu alebo prúd častíc plazmou. Iné kinetické nestability spôsobujú vyššiu rýchlosť priečnej difúzie plazmy v magnetickom poli, ako predpokladá teória zrážky pre pokojnú plazmu.

Systémy s uzavretou magnetickou konfiguráciou.

Ak na ionizovaný vodivý plyn pôsobí silné elektrické pole, objaví sa v ňom výbojový prúd a zároveň sa objaví magnetické pole, ktoré ho obklopuje. Interakcia magnetického poľa s prúdom povedie k vzniku tlakových síl pôsobiacich na nabité častice plynu. Ak prúd tečie pozdĺž osi vodivého plazmového kordu, potom výsledné radiálne sily, ako gumové pásy, stlačia kábel a posúvajú hranicu plazmy preč od stien komory, ktorá ho obsahuje. Tento jav, teoreticky predpovedaný W. Bennettom v roku 1934 a prvý experimentálne preukázaný A. Wareom v roku 1951, sa nazýva štipľavý efekt. Na zadržiavanie plazmy sa používa metóda pinch; Jeho pozoruhodnou vlastnosťou je, že plyn sa ohrieva na vysoké teploty samotným elektrickým prúdom (ohmický ohrev). Zásadná jednoduchosť metódy viedla k jej použitiu už pri prvých pokusoch o zadržiavanie horúcej plazmy a štúdium jednoduchého pinch efektu, napriek tomu, že bol neskôr nahradený pokročilejšími metódami, umožnilo lepšie porozumieť problémom. ktorým experimentátori čelia dodnes.

Okrem difúzie plazmy v radiálnom smere sa pozoruje aj pozdĺžny drift a jeho výstup cez konce plazmového kordu. Straty cez konce môžu byť eliminované tým, že plazmová komora získa tvar donutu (torusu). V tomto prípade sa získa toroidný zovretie.

Pre jednoduchý pinch opísaný vyššie je vážnym problémom jeho inherentná magnetohydrodynamická nestabilita. Ak dôjde v plazmovom vlákne k malému ohybu, potom sa hustota magnetických siločiar na vnútornej strane ohybu zvýši (obr. 1). Magnetické siločiary, ktoré sa správajú ako zväzky odolávajúce stlačeniu, sa začnú rýchlo „vyduť“, takže ohyb sa bude zväčšovať, až kým sa nezničí celá štruktúra plazmového kábla. V dôsledku toho sa plazma dostane do kontaktu so stenami komory a ochladí sa. Na elimináciu tohto deštruktívneho javu sa pred prechodom hlavného axiálneho prúdu v komore vytvorí pozdĺžne magnetické pole, ktoré spolu s neskôr aplikovaným kruhovým poľom „narovnáva“ začínajúci ohyb plazmového stĺpca (obr. 2). Princíp stabilizácie plazmového stĺpca axiálnym poľom je základom dvoch perspektívnych projektov termonukleárnych reaktorov - tokamaku a pinče s inverzným magnetickým poľom.

Otvorené magnetické konfigurácie.

Inerciálna retencia.

Teoretické výpočty ukazujú, že termonukleárna fúzia je možná aj bez použitia magnetických pascí. Na tento účel sa špeciálne pripravený terč (gulička deutéria s polomerom asi 1 mm) rýchlo stlačí na takú vysokú hustotu, že termonukleárna reakcia má čas na dokončenie skôr, ako sa palivový terč odparí. Stlačenie a zahriatie na termonukleárne teploty sa môže uskutočniť pomocou ultravýkonných laserových impulzov, rovnomerne a súčasne ožarujúcich palivovú guľu zo všetkých strán (obr. 4). Okamžitým odparovaním jej povrchových vrstiev nadobudnú unikajúce častice veľmi vysoké rýchlosti a na loptičku pôsobia veľké tlakové sily. Sú podobné reaktívnym silám poháňajúcim raketu, len s tým rozdielom, že tu sú tieto sily nasmerované dovnútra, do stredu cieľa. Táto metóda môže vytvoriť tlaky rádovo 10 11 MPa a hustoty 10 000-krát väčšie ako hustota vody. Pri takejto hustote sa takmer všetka termonukleárna energia uvoľní vo forme malého výbuchu v čase ~10–12 s. Vyskytujúce sa mikrovýbuchy, z ktorých každá je ekvivalentná 1 až 2 kg TNT, nespôsobia poškodenie reaktora a realizácia sekvencie takýchto mikrovýbuchov v krátkych intervaloch by umožnila realizovať takmer nepretržité produkciu užitočnej energie. Pre zotrvačné obmedzenie je veľmi dôležitá konštrukcia palivového terča. Terč v podobe koncentrických guľôčok vyrobených z ťažkých a ľahkých materiálov umožní najefektívnejšie odparovanie častíc a následne aj najväčšiu kompresiu.

Výpočty ukazujú, že pri energii laserového žiarenia rádovo megajoule (10 6 J) a účinnosti lasera aspoň 10% musí vyrobená termonukleárna energia prevýšiť energiu vynaloženú na čerpanie lasera. Inštalácie termonukleárneho lasera sú dostupné vo výskumných laboratóriách v Rusku, USA, západnej Európe a Japonsku. V súčasnosti sa skúma možnosť použitia ťažkého iónového lúča namiesto laserového lúča alebo kombinácie takéhoto lúča so svetelným lúčom. Tento spôsob spustenia reakcie má vďaka modernej technológii výhodu oproti laserovej metóde, pretože umožňuje získať užitočnejšiu energiu. Nevýhodou je náročnosť zaostrenia lúča na cieľ.

JEDNOTKY S MAGNETICKÝM DRŽANÍM

Magnetické metódy zadržiavania plazmy sa skúmajú v Rusku, USA, Japonsku a mnohých európskych krajinách. Hlavná pozornosť je venovaná inštaláciám toroidného typu, akými sú tokamak a pinch s obráteným magnetickým poľom, ktoré vznikli ako dôsledok vývoja jednoduchších pinčov so stabilizačným pozdĺžnym magnetickým poľom.

Na zadržiavanie plazmy pomocou toroidného magnetického poľa Bj je potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých sa plazma neposúva smerom k stenám torusu. To sa dosiahne „skrútením“ magnetických siločiar (takzvaná „rotačná transformácia“). Toto krútenie sa vykonáva dvoma spôsobmi. V prvom spôsobe prúd prechádza plazmou, čo vedie ku konfigurácii stabilného zovretia, ktoré už bolo diskutované. Magnetické pole prúdu B q Ј – B q spolu s B j vytvorí súhrnné pole s požadovaným zvlnením. Ak B j B q, výsledná konfigurácia je známa ako tokamak (skratka pre výraz „TORIDÁLNA KOMORA S MAGNETICKÝMI CIEVKAMI“). Tokamak (obr. 5) bol vyvinutý pod vedením L.A. Artsimoviča v Inštitúte atómovej energie pomenovanom po. I. V. Kurčatov v Moskve. O B j ~ B q získame štipkovú konfiguráciu s obráteným magnetickým poľom.

V druhom spôsobe sa používajú špeciálne špirálové vinutia okolo toroidnej plazmovej komory, aby sa zabezpečila rovnováha uzavretej plazmy. Prúdy v týchto vinutiach vytvárajú komplexné magnetické pole, čo vedie k skrúcaniu siločiar celkového poľa vo vnútri torusu. Takúto inštaláciu, nazývanú stelarátor, vyvinul na Princetonskej univerzite (USA) L. Spitzer a jeho kolegovia.

Tokamak.

Dôležitým parametrom, od ktorého závisí obmedzenie toroidnej plazmy, je „rozpätie stability“ q, rovné rB j/ R.B. q, kde r A R sú malé a veľké polomery toroidnej plazmy, resp. Pri nízkej q Môže sa vyvinúť špirálová nestabilita - analóg ohybovej nestability priameho zovretia. Vedci v Moskve experimentálne dokázali, že keď q> 1 (t.j. B j B q) možnosť výskytu nestability skrutky je značne znížená. To umožňuje efektívne využiť teplo generované prúdom na ohrev plazmy. V dôsledku dlhoročného výskumu sa vlastnosti tokamakov výrazne zlepšili, najmä v dôsledku zvýšenej rovnomernosti poľa a efektívneho čistenia vákuovej komory.

Povzbudivé výsledky získané v Rusku podnietili vznik tokamakov v mnohých laboratóriách po celom svete a ich konfigurácia sa stala predmetom intenzívneho výskumu.

Ohmický ohrev plazmy v tokamaku nestačí na uskutočnenie termonukleárnej fúznej reakcie. Je to spôsobené tým, že pri zahrievaní plazmy sa jej elektrický odpor výrazne znižuje a v dôsledku toho sa výrazne znižuje tvorba tepla pri prechode prúdu. Nie je možné zvýšiť prúd v tokamaku nad určitú hranicu, pretože plazmový kábel môže stratiť stabilitu a môže byť vrhnutý na steny komory. Preto sa na ohrev plazmy používajú rôzne doplnkové metódy. Najúčinnejšie z nich sú vstrekovanie vysokoenergetických lúčov neutrálnych atómov a mikrovlnné ožarovanie. V prvom prípade sú ióny zrýchlené na energie 50 – 200 keV neutralizované (aby sa zabránilo ich „odrazu“ magnetickým poľom pri zavedení do komory) a vstreknuté do plazmy. Tu sú opäť ionizované a v procese zrážok odovzdávajú svoju energiu plazme. V druhom prípade sa používa mikrovlnné žiarenie, ktorého frekvencia sa rovná iónovej cyklotrónovej frekvencii (frekvencia rotácie iónov v magnetickom poli). Pri tejto frekvencii sa hustá plazma správa ako absolútne čierne teleso, t.j. úplne absorbuje dopadajúcu energiu. V tokamaku JET Európskej únie bola vstrekovaním neutrálnych častíc získaná plazma s iónovou teplotou 280 miliónov Kelvinov a dobou zadržania 0,85 s. Termonukleárny výkon dosahujúci 2 MW bol získaný pomocou deutériovo-tríciovej plazmy. Trvanie udržiavania reakcie je obmedzené výskytom nečistôt v dôsledku rozprašovania stien komory: nečistoty prenikajú do plazmy a keď sú ionizované, výrazne zvyšujú straty energie v dôsledku žiarenia. V súčasnosti sú práce v rámci programu JET zamerané na výskum možností kontroly nečistôt a ich odstraňovania tzv. „magnetickým prepínačom“.

Veľké tokamaky vznikli aj v USA - TFTR, v Rusku - T15 a v Japonsku - JT60. Výskum uskutočnený v týchto a ďalších zariadeniach položil základy pre ďalšiu etapu práce v oblasti riadenej termonukleárnej fúzie: v roku 2010 je naplánované spustenie veľkého reaktora na technické testovanie. Očakáva sa, že pôjde o spoločné úsilie Spojených štátov, Ruska, Európskej únie a Japonska. pozri tiež TOKAMAK.

Štipka obráteného poľa (FRP).

Konfigurácia POP sa od tokamaku líši tým, že je B q~ B j, ale v tomto prípade je smer toroidného poľa mimo plazmy opačný ako smer vo vnútri plazmového stĺpca. J. Taylor ukázal, že takýto systém je v stave s minimálnou energiou a napriek q

Výhodou konfigurácie POP je, že v nej je pomer objemových hustôt energie plazmy a magnetického poľa (hodnota b) väčší ako v tokamaku. Je zásadne dôležité, aby b bolo čo najväčšie, pretože sa tým zníži toroidné pole, a tým sa znížia náklady na cievky, ktoré ho vytvárajú, a na celú nosnú konštrukciu. Slabinou POP je, že tepelná izolácia týchto systémov je horšia ako u tokamakov a nie je vyriešený problém udržania obráteného poľa.

Stellarátor.

V stelarátore je uzavreté toroidné magnetické pole superponované poľom vytvoreným špeciálnou skrutkou navinutou okolo tela fotoaparátu. Celkové magnetické pole zabraňuje odklonu plazmy od stredu a potláča určité typy magnetohydrodynamických nestabilít. Samotná plazma môže byť vytvorená a ohrievaná ktoroukoľvek z metód používaných v tokamaku.

Hlavnou výhodou stelarátora je, že v ňom použitá metóda zadržiavania nie je spojená s prítomnosťou prúdu v plazme (ako v tokamakoch alebo v inštaláciách založených na pinch efekte), a preto môže stelarátor pracovať v stacionárnom režime. Okrem toho môže mať vinutie skrutky „divertor“ efekt, t.j. vyčistiť plazmu od nečistôt a odstrániť reakčné produkty.

Zadržiavanie plazmy v stelarátoroch bolo rozsiahle študované v zariadeniach v Európskej únii, Rusku, Japonsku a USA. Na stelarátore Wendelstein VII v Nemecku bolo možné udržiavať bezprúdovú plazmu s teplotou vyššou ako 5×10 6 kelvinov a zahrievať ju vstrekovaním vysokoenergetického atómového lúča.

Nedávne teoretické a experimentálne štúdie ukázali, že vo väčšine opísaných inštalácií, a najmä v uzavretých toroidných systémoch, môže byť čas zadržania plazmy zvýšený zväčšením jej radiálnych rozmerov a obmedzujúceho magnetického poľa. Napríklad pre tokamak sa vypočítalo, že Lawsonovo kritérium bude splnené (a dokonca s určitou rezervou) pri sile magnetického poľa ~50 x 100 kG a malom polomere toroidnej komory cca. 2 m Toto sú parametre inštalácie pre 1000 MW elektriny.

Pri vytváraní takýchto veľkých inštalácií s magnetickou plazmou vznikajú úplne nové technologické problémy. Na vytvorenie magnetického poľa rádovo 50 kG v objeme niekoľkých metrov kubických pomocou vodou chladených medených cievok bude potrebný zdroj elektriny s kapacitou niekoľko stoviek megawattov. Preto je zrejmé, že vinutia cievky musia byť vyrobené zo supravodivých materiálov, ako sú zliatiny nióbu s titánom alebo cínom. Odolnosť týchto materiálov voči elektrickému prúdu v supravodivom stave je nulová, a preto sa na udržanie magnetického poľa spotrebuje minimálne množstvo elektriny.

Reaktorová technológia.

Perspektívy termonukleárneho výskumu.

Experimenty uskutočnené na zariadeniach typu tokamak ukázali, že tento systém je veľmi sľubný ako možný základ pre reaktor CTS. Doterajšie najlepšie výsledky boli dosiahnuté s tokamakmi a existuje nádej, že so zodpovedajúcim nárastom rozsahu inštalácií bude možné na nich implementovať priemyselné CTS. Tokamak však nie je dostatočne ekonomický. Na odstránenie tohto nedostatku je potrebné, aby nepracovalo v pulznom režime, ako je tomu teraz, ale v nepretržitom režime. Ale fyzikálne aspekty tohto problému ešte neboli dostatočne preštudované. Je tiež potrebné vyvinúť technické prostriedky, ktoré by zlepšili parametre plazmy a odstránili jej nestability. Vzhľadom na to všetko by sme nemali zabúdať na ďalšie možné, aj keď menej rozvinuté možnosti termonukleárneho reaktora, napríklad stelarátor alebo reverzný pinch. Stav výskumu v tejto oblasti dospel do štádia, keď existujú koncepčné návrhy reaktorov pre väčšinu systémov magnetického zadržania pre vysokoteplotné plazmy a pre niektoré systémy so zotrvačnosťou. Príkladom priemyselného rozvoja tokamaku je projekt Aries (USA).

Termonukleárna reakcia- Ide o reakciu fúzie ľahkých jadier na ťažšie.

Na jeho realizáciu je potrebné, aby sa pôvodné nukleóny alebo ľahké jadrá priblížili na vzdialenosti rovné alebo menšie ako je polomer sféry pôsobenia jadrových príťažlivých síl (t.j. na vzdialenosti 10 -15 m). Tomuto vzájomnému priblíženiu jadier bránia Coulombove odpudivé sily pôsobiace medzi kladne nabitými jadrami. Aby došlo k fúznej reakcii, je potrebné zahriať látku s vysokou hustotou na ultra vysoké teploty (rádovo stovky miliónov Kelvinov), aby kinetická energia tepelného pohybu jadier postačovala na prekonanie Coulombovej odpudivé sily. Pri takýchto teplotách existuje hmota vo forme plazmy. Keďže k fúzii môže dôjsť len pri veľmi vysokých teplotách, reakcie jadrovej fúzie sa nazývajú termonukleárne reakcie (z gréčtiny. termo„teplo, teplo“).

Termonukleárne reakcie uvoľňujú obrovskú energiu. Napríklad pri reakcii syntézy deutéria s tvorbou hélia

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

Uvoľní sa 3,2 MeV energie. Pri reakcii syntézy deutéria s tvorbou trícia

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

Pri reakcii sa uvoľní 4,0 MeV energie

\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

Uvoľní sa 17,6 MeV energie.

Ryža. 1. Schéma reakcie deutéria-trícia

V súčasnosti sa riadená termonukleárna reakcia uskutočňuje syntézou deutéria \(~^2H\) a trícia \(~^3H\). Zásoby deutéria by mali vydržať milióny rokov a ľahko vyťažiteľné zásoby lítia (na výrobu trícia) postačujú na zabezpečenie potrieb na stovky rokov.

Počas tejto reakcie však väčšina (viac ako 80 %) uvoľnenej kinetickej energie pochádza z neutrónu. V dôsledku zrážok úlomkov s inými atómami sa táto energia premieňa na tepelnú energiu. Rýchle neutróny navyše vytvárajú značné množstvo rádioaktívneho odpadu.

Preto sú najsľubnejšie reakcie „bez neutrónov“, napríklad deutérium + hélium-3.

\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)

Táto reakcia nemá žiadny neutrónový výstup, čo odoberá značnú časť energie a vytvára indukovanú rádioaktivitu v konštrukcii reaktora. Okrem toho sa zásoby hélia-3 na Zemi pohybujú od 500 kg do 1 tony, ale na Mesiaci sa nachádza vo významných množstvách: až 10 miliónov ton (podľa minimálnych odhadov - 500 tisíc ton). Zároveň sa dá na Zemi jednoducho vyrobiť z v prírode rozšíreného lítia-6 pomocou existujúcich jadrových štiepnych reaktorov.

Termonukleárne zbrane

Na Zemi sa prvá termonukleárna reakcia uskutočnila pri výbuchu vodíkovej bomby 12. augusta 1953 na testovacom mieste Semipalatinsk. „Jej otcom“ bol akademik Andrei Dmitrievich Sacharov, ktorý bol trikrát ocenený titulom Hrdina socialistickej práce za vývoj termonukleárnych zbraní. Vysoká teplota potrebná na spustenie termonukleárnej reakcie vo vodíkovej bombe bola dosiahnutá v dôsledku výbuchu atómovej bomby zahrnutej v jej zložení, ktorá zohrávala úlohu rozbušky. Termonukleárne reakcie, ku ktorým dochádza pri výbuchoch vodíkových bômb, sú nekontrolovateľné.

Ryža. 2. Vodíková bomba

pozri tiež

Riadené termonukleárne reakcie

Ak by bolo možné v pozemských podmienkach uskutočňovať ľahko ovládateľné termonukleárne reakcie, ľudstvo by získalo prakticky nevyčerpateľný zdroj energie, keďže zásoby vodíka na Zemi sú obrovské. Realizácii energeticky priaznivých riadených termonukleárnych reakcií však stoja v ceste veľké technické ťažkosti. V prvom rade je potrebné vytvoriť teploty rádovo 10 8 K. Takéto ultra vysoké teploty je možné získať vytváraním vysokovýkonných elektrických výbojov v plazme.

Tokamak

Táto metóda sa používa v zariadeniach typu „Tokamak“ (TO-riodal CHAMBER s magnetickými cievkami), ktoré boli prvýkrát vytvorené v Ústave atómovej energie pomenovanom po ňom. I. V. Kurčatovej. V takýchto inštaláciách sa plazma vytvára v toroidnej komore, ktorá je sekundárnym vinutím výkonného pulzného transformátora. Jeho primárne vinutie je spojené so skupinou kondenzátorov s veľmi veľkou kapacitou. Komora je naplnená deutériom. Keď sa batéria kondenzátorov vybije cez primárne vinutie v toroidnej komore, vybudí sa vírivé elektrické pole, čo spôsobí ionizáciu deutéria a objavenie sa silného impulzu elektrického prúdu v ňom, čo vedie k silnému zahrievaniu plynu a tvorba vysokoteplotnej plazmy, v ktorej môže dôjsť k termonukleárnej reakcii.

Ryža. 3. Schéma prevádzky reaktora

Hlavným problémom je udržať plazmu vo vnútri komory po dobu 0,1-1 s bez jej kontaktu so stenami komory, pretože neexistujú žiadne materiály, ktoré by vydržali také vysoké teploty. Túto ťažkosť možno čiastočne prekonať pomocou toroidného magnetického poľa, v ktorom je kamera umiestnená. Pod vplyvom magnetických síl sa plazma skrúti do povrazu a akoby „visí“ na indukčných čiarach magnetického poľa bez toho, aby sa dotkla stien komory.

Za začiatok modernej éry v skúmaní možností termonukleárnej fúzie treba považovať rok 1969, kedy bola na ruskom zariadení Tokamak T3 dosiahnutá teplota 3 M°C v plazme s objemom cca 1 m 3 . Potom vedci z celého sveta uznali dizajn tokamaku za najsľubnejší pre magnetické plazmové obmedzenie. V priebehu niekoľkých rokov padlo odvážne rozhodnutie vytvoriť zariadenie JET (Joint European Torus) s výrazne väčším objemom plazmy (100 m 3). Prevádzkový cyklus jednotky je približne 1 minúta, pretože jej toroidné cievky sú vyrobené z medi a rýchlo sa zahrievajú. Toto zariadenie začalo fungovať v roku 1983 a zostáva najväčším tokamakom na svete, ktorý poskytuje plazmový ohrev na teplotu 150 M°C.

Ryža. 4. Návrh JET reaktora

V roku 2006 podpísali zástupcovia Ruska, Južnej Kórey, Číny, Japonska, Indie, Európskej únie a Spojených štátov v Paríži dohodu o začatí prác na výstavbe prvého medzinárodného experimentálneho reaktora na tokamaku (ITER). Magnetické cievky reaktora ITER budú založené na supravodivých materiáloch (ktoré v princípe umožňujú nepretržitú prevádzku, pokiaľ sa v plazme udrží prúd), takže dizajnéri dúfajú, že poskytnú garantovaný pracovný cyklus aspoň 10 minút.

Ryža. 5. Návrh reaktora ITER.

Reaktor vyrastie neďaleko mesta Cadarache, ktoré sa nachádza 60 kilometrov od Marseille na juhu Francúzska. Práce na príprave staveniska sa začnú na jar budúceho roka. Začiatok výstavby samotného reaktora je naplánovaný na rok 2009.

Výstavba potrvá desať rokov, práce na reaktore sa predpokladajú dvadsať rokov. Celkové náklady na projekt sú približne 10 miliárd dolárov. Štyridsať percent nákladov bude znášať Európska únia, šesťdesiat percent si rozdelia rovným dielom ostatní účastníci projektu.

pozri tiež

1. Medzinárodný experimentálny fúzny reaktor
2. Nové zariadenie na spustenie termonukleárnej syntézy: 25.01.2010

Laserová fúzia (LSF)

Ďalším spôsobom, ako dosiahnuť tento cieľ, je laserová termonukleárna fúzia. Podstata tejto metódy je nasledovná. Zmrazená zmes deutéria a trícia, pripravená vo forme guľôčok s priemerom menším ako 1 mm, je rovnomerne ožiarená zo všetkých strán silným laserovým žiarením. To vedie k zahrievaniu a odparovaniu látky z povrchu guľôčok. V tomto prípade sa tlak vo vnútri guľôčok zvýši na hodnoty rádovo 10 15 Pa. Pod vplyvom takéhoto tlaku dochádza k zvýšeniu hustoty a silnému zahrievaniu látky v centrálnej časti guľôčok a začína termonukleárna reakcia.

Na rozdiel od magnetického plazmového zadržania je pri laserovom zadržiavaní čas zadržania (t. j. životnosť plazmy s vysokou hustotou a teplotou, ktorá určuje trvanie termonukleárnych reakcií) 10–10 – 10–11 s, takže LTS môže byť iba vykonávané v pulznom režime. Návrh na použitie laserov na termonukleárnu fúziu prvýkrát vznikol vo fyzikálnom inštitúte. P. N. Lebedeva z Akadémie vied ZSSR v roku 1961 N. G. Basovom a O. N. Krokhinom.

V Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii bola dokončená výstavba najvýkonnejšieho laserového komplexu na svete (máj 2009). Volalo sa to US National Ignition Facility (NIF). Výstavba trvala 12 rokov. Na laserový komplex sa minulo 3,5 miliardy dolárov.

Ryža. 7. Schematický diagram ULS

NIF je založený na 192 výkonných laseroch, ktoré budú súčasne nasmerované na milimetrový sférický terč (asi 150 mikrogramov termonukleárneho paliva - zmes deutéria a trícia; v budúcnosti možno rádioaktívne trícium nahradiť ľahkým izotopom hélia-3 ). Výsledkom je, že teplota cieľa dosiahne 100 miliónov stupňov, zatiaľ čo tlak vo vnútri lopty bude 100 miliárd krát vyšší ako tlak zemskej atmosféry.

pozri tiež

1. Riadená termonukleárna fúzia: TOKAMAKI verzus laserová fúzia 16.05.2009

Výhody syntézy

Zástancovia využívania fúznych reaktorov na výrobu elektriny uvádzajú vo svoj prospech tieto argumenty:

• prakticky nevyčerpateľné zásoby paliva (vodík). Napríklad množstvo uhlia potrebné na prevádzku tepelnej elektrárne s výkonom 1 GW je 10 000 ton za deň (desať železničných vozňov) a termonukleárna elektráreň s rovnakým výkonom spotrebuje len asi 1 kilogram zmesi za deň. D + T . Stredne veľké jazero dokáže poskytnúť každej krajine energiu na stovky rokov. To znemožňuje jednej alebo skupine krajín monopolizovať palivo;
• neprítomnosť produktov spaľovania;
• nie je potrebné používať materiály, ktoré možno použiť na výrobu jadrových zbraní, čím sa eliminujú prípady sabotáže a terorizmu;
• v porovnaní s jadrovými reaktormi vzniká malé množstvo rádioaktívneho odpadu s krátkym polčasom rozpadu;
• fúzna reakcia neprodukuje atmosférické emisie oxidu uhličitého, ktorý je hlavným prispievateľom ku globálnemu otepľovaniu.

Prečo vytvorenie termonukleárnych zariadení trvalo tak dlho?

1. Dlho sa verilo, že problém praktického využitia energie termonukleárnej fúzie si nevyžaduje naliehavé rozhodnutia a kroky, keďže ešte v 80. rokoch minulého storočia sa zdroje fosílnych palív zdali nevyčerpateľné a environmentálne problémy a klimatické zmeny sa netýkalo verejnosti. Na základe odhadov US Geological Survey (2009) bude rast celosvetovej produkcie ropy pokračovať najviac najbližších 20 rokov (iní experti predpokladajú, že vrchol produkcie sa dosiahne o 5-10 rokov), po ktorých bude objem Produkovaná ropa začne medziročne klesať rýchlosťou asi 3 %. Vyhliadky na produkciu zemného plynu nevyzerajú oveľa lepšie. Zvyčajne sa hovorí, že uhlia budeme mať dostatok na ďalších 200 rokov, ale táto prognóza je založená na zachovaní existujúcej úrovne výroby a spotreby. Medzitým sa spotreba uhlia teraz zvyšuje o 4,5 % ročne, čo okamžite skracuje spomínané obdobie 200 rokov len na 50 rokov! Z toho, čo bolo povedané, je jasné, že teraz sa musíme pripraviť na koniec éra využívania fosílnych palív. 2. Termonukleárne zariadenie nemožno vytvoriť a demonštrovať v malých veľkostiach. Vedecko-technické možnosti a výhody termonukleárnych zariadení možno otestovať a demonštrovať len na dosť veľkých staniciach, akým je napríklad spomínaný reaktor ITER. Spoločnosť jednoducho nebola pripravená financovať takéto veľké projekty, kým nebola dostatočná dôvera v úspech.

Riadená termonukleárna fúzia je zaujímavý fyzikálny proces, ktorý (ešte teoreticky) môže zachrániť svet pred energetickou závislosťou na zdrojoch fosílnych palív. Proces je založený na syntéze atómových jadier z ľahších na ťažšie s uvoľňovaním energie. Na rozdiel od iného využitia atómu – uvoľňovania energie z neho v jadrových reaktoroch pri jeho rozklade – fúzia na papieri nezanechá prakticky žiadne rádioaktívne vedľajšie produkty.

Fúzne reaktory napodobňujú jadrový proces vo vnútri slnka, rozbíjajú ľahšie atómy a menia ich na ťažšie, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Na Slnku je tento proces poháňaný gravitáciou. Na Zemi sa inžinieri pokúšajú znovu vytvoriť podmienky pre jadrovú fúziu pomocou extrémne vysokých teplôt - rádovo 150 miliónov stupňov - ale majú problém udržať plazmu potrebnú na fúziu atómov.

Jedným z vybudovaných riešení je ITER, predtým známy ako Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor, ktorý sa buduje od roku 2010 vo francúzskom Caradaches. Prvé experimenty, pôvodne plánované na rok 2018, boli odložené na rok 2025.

Len pred pár dňami sme informovali, že prvý

Je dobre známe, že pri štiepení ťažkých atómových jadier počas jadrových reakcií sa uvoľňuje veľké množstvo energie. Bolo však možné zistiť, že fúzia ľahkých jadier uvoľňuje ešte väčšie množstvo energie. Takéto reakcie sa nazývali termonukleárne.

Povaha termonukleárnych reakcií

Termonukleárne reakcie sú reakcie fúzie ľahkých jadier, ktoré sa vyskytujú pri vysokých teplotách a uvoľňujú veľké množstvo energie. K syntéze hélia z vodíka dochádza pri t = 108 ˚C. Syntézou jedného gramu hélia sa uvoľní 4,2*1011 J. Táto energia je ekvivalentná energii uvoľnenej pri úplnom štiepení 4 gramov uránu alebo pri spaľovaní 10 ton motorovej nafty. Termonukleárne reakcie možno nájsť vo hviezdach, kde teplota a tlak látky vytvárajú vhodné podmienky na zlúčenie.

Termonukleárna reakcia fúzie hélia zahŕňa izotopy vodíka: trícium a deutérium:

(1^2)H+(1^3)H-^(2^4)He+(0^1)n

Keď deutérium a trícium splynú do jadra hélia, uvoľní sa neutrón a energia E = 17,6 MeV.

Podmienky termonukleárnych reakcií

Aby došlo k termonukleárnym reakciám, sú potrebné určité podmienky. Je potrebné priblížiť jadrá týchto izotopov k sebe. Jadrá atómov majú kladný náboj, a preto, keď sa spoja, pôsobia Coulombove sily, ktoré tieto náboje odtláčajú.

Preto, aby došlo k jadrovej fúzii, musia byť prekonané odpudivé sily. To je možné len vtedy, ak samotné jadrá majú veľmi vysokú energiu, predovšetkým kinetickú energiu pohybu, teda keď je ich rýchlosť dostatočne vysoká.

Izotopové jadrá môžu mať takú rýchlosť len pri veľmi vysokých teplotách. Časticiam je potrebné poskytnúť dostatočnú rýchlosť, aby sa k sebe mohli priblížiť na vzdialenosť ≈ 10^-14 m. Na takú vzdialenosť začnú pôsobiť jadrové príťažlivé sily.

Takáto teplota sa dá dosiahnuť iba výbuchom atómovej bomby. To znamená, že na vytvorenie termonukleárnej reakcie je potrebné najskôr vyvolať jadrovú reakciu a potom bude teplota dostatočná na to, aby sa jadrá izotopov vodíka priblížili k sebe a uskutočnila sa termonukleárna reakcia. Tento proces bol implementovaný vo vodíkovej bombe, najvýkonnejšej, ktorú vynašiel človek.

Riadené termonukleárne reakcie

Nekontrolovaná termonukleárna reakcia však dnes už nie je aktuálna. Na premenu výslednej energie na elektrickú je potrebné zvládnuť riadenú termonukleárnu reakciu. Ale je tu problém. Po dosiahnutí teploty dostatočnej na to, aby došlo k fúznej reakcii ľahkých jadier, látka prestáva byť nielen tuhá, kvapalná alebo plynná, ale stáva sa plazmou.

To znamená, že akýkoľvek reaktor sa pri takýchto teplotách okamžite vyparí. To si vyžaduje úplne iný prístup. Dnes je možné udržať plazmu v obmedzenom priestore pomocou ultravýkonných elektrických magnetov. Ale zatiaľ nebolo možné plne využiť energiu získanú ako výsledok termonukleárnej reakcie.

„Povedali sme, že Slnko vložíme do krabice. Myšlienka je skvelá. Problém je však v tom, že nevieme, ako vytvoriť túto škatuľu,“ povedal Pierre Gilles de Gennes, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1991.

Zatiaľ čo pre jadrové reakcie na Zemi a vo vesmíre vo všeobecnosti existuje pomerne málo ťažkých prvkov, na termonukleárne reakcie na Zemi aj vo vesmíre existuje veľa ľahkých prvkov. Preto myšlienka využitia termonukleárnej energie v prospech ľudstva prišla takmer okamžite s pochopením procesov, ktoré sú jej základom – to sľubovalo skutočne neobmedzené možnosti, keďže zásoby termonukleárneho paliva na Zemi mali stačiť pre desiatky tisíc ľudí. rokov.

Už v roku 1951 sa objavili dva hlavné smery vývoja termonukleárnych reaktorov: Andrei Sacharov a Igor Tamm vyvinuli architektúru tokamaku, v ktorej pracovnou komorou bol torus, zatiaľ čo Lyman Spitzer navrhol architektúru zložitejšieho dizajnu, čo najviac pripomína obrátený pás Mobius nie raz, ale niekoľkokrát.

Jednoduchosť základnej konštrukcie tokamaku umožnila vývoj tohto smeru na dlhú dobu zvyšovaním charakteristík konvenčných a supravodivých magnetov, ako aj postupným zväčšovaním veľkosti reaktora. Ale s nárastom parametrov plazmy sa postupne začali objavovať problémy s jej nestabilným správaním, čo proces spomaľovalo.

Zložitosť dizajnu stellator úplne viedla k tomu, že po prvých experimentoch v 50. rokoch sa vývoj tohto smeru na dlhú dobu zastavil. Nový dych dostal celkom nedávno s príchodom moderných počítačovo podporovaných konštrukčných systémov, ktoré umožnili skonštruovať stellator Wendelstein 7-X s parametrami a konštrukčnou presnosťou potrebnou na jeho prevádzku.

Fyzika procesu a problémy pri jeho realizácii

Atómy železa majú maximálnu väzbovú energiu na nukleón - to je miera energie, ktorá sa musí vynaložiť na rozdelenie atómu na neutróny a protóny, ktoré ho tvoria, delená ich celkovým počtom. Všetky atómy s nižšou a vyššou hmotnosťou majú tento indikátor pod železom:

V tomto prípade sa pri termonukleárnych reakciách fúzie ľahkých atómov až po železo uvoľňuje energia a hmotnosť výsledného atómu je o niečo menšia ako súčet hmotností počiatočných atómov o množstvo, ktoré koreluje s uvoľnenou energiou. podľa vzorca E = mc² (tzv. hromadný defekt). Rovnakým spôsobom sa energia uvoľňuje pri reakciách jadrového štiepenia atómov ťažších ako železo.

Pri reakciách fúzie atómov sa uvoľňuje obrovská energia, ale aby sme túto energiu extrahovali, musíme najprv vynaložiť určité úsilie na prekonanie odpudivých síl medzi kladne nabitými atómovými jadrami (prekonať Coulombovu bariéru). Po tom, čo sa nám podarilo zblížiť pár atómov na požadovanú vzdialenosť, prichádza na rad silná jadrová interakcia, ktorá viaže neutróny a protóny. Pre každý typ paliva je Coulombova bariéra pre začiatok reakcie iná, rovnako ako optimálna reakčná teplota je iná:

V tomto prípade sa prvé termonukleárne reakcie atómov začínajú zaznamenávať dlho predtým, ako priemerná teplota látky dosiahne túto bariéru, pretože kinetická energia atómov podlieha Maxwellovmu rozdeleniu:

Ale reakcia pri relatívne nízkej teplote (rádovo niekoľko miliónov °C) prebieha extrémne pomaly. Povedzme teda, že v strede dosiahne teplota 14 miliónov °C, ale špecifický výkon termonukleárnej reakcie v takýchto podmienkach je len 276,5 W/m³ a Slnku trvá niekoľko miliárd rokov, kým úplne spotrebuje svoje palivo. Takéto podmienky sú pre termonukleárny reaktor neprijateľné, pretože pri takej nízkej úrovni uvoľňovania energie nevyhnutne vynaložíme viac na ohrev a stlačenie termojadrového paliva, ako získame spätnou reakciou.

Keď sa teplota paliva zvyšuje, čoraz väčší podiel atómov začína mať energiu presahujúcu Coulombovu bariéru a účinnosť reakcie sa zvyšuje a dosahuje svoj vrchol. S ďalším zvýšením teploty začne rýchlosť reakcie opäť klesať v dôsledku toho, že kinetická energia atómov je príliš vysoká a navzájom sa „prestrelia“, pričom ich silná jadrová interakcia nedokáže udržať pohromade.

Riešenie, ako získať energiu z riadenej termonukleárnej reakcie, sa teda podarilo získať pomerne rýchlo, no realizácia tejto úlohy sa vliekla už pol storočia a dodnes nie je dokončená. Dôvodom sú skutočne šialené podmienky, v ktorých sa ukázalo ako nevyhnutné umiestniť termojadrové palivo - pre kladný výťažok z reakcie musela byť jeho teplota niekoľko desiatok miliónov °C.

Žiadna stena fyzicky nevydržala takú teplotu, ale tento problém takmer okamžite viedol k jeho riešeniu: keďže látka zahriata na takéto teploty je horúca plazma (plne ionizovaný plyn), ktorá je kladne nabitá, ukázalo sa, že riešenie je na povrchu - len sme museli takto zohriatu plazmu umiestniť do silného magnetického poľa, ktoré udrží termonukleárne palivo v bezpečnej vzdialenosti od stien.

Pokrok smerom k jeho implementácii

Výskum na túto tému sa uberá niekoľkými smermi naraz:

1. Pomocou supravodivých magnetov sa vedci snažia znížiť energiu vynaloženú na zapálenie a udržanie reakcie;
2. pomocou nových generácií supravodičov sa vo vnútri reaktora zvyšuje indukcia magnetického poľa, čo umožňuje udržať plazmu s vyššími hustotami a teplotami, čím sa zvyšuje merný výkon reaktorov na jednotku objemu;
3. výskum horúcej plazmy a pokroky vo výpočtovej technike umožňujú lepšiu kontrolu tokov plazmy, čím sa fúzne reaktory približujú k ich teoretickým limitom účinnosti;
4. Pokrok v predchádzajúcej oblasti nám tiež umožňuje dlhšie udržiavať plazmu v stabilnom stave, čo zvyšuje účinnosť reaktora vďaka tomu, že plazmu nemusíme tak často prihrievať.

Napriek všetkým ťažkostiam a problémom, ktoré ležali na ceste k riadenej termonukleárnej reakcii, sa tento príbeh už blíži ku koncu. V energetike je zvykom používať na výpočet palivovej účinnosti ukazovateľ EROEI - energetická návratnosť investícií do energie (pomer energie vynaloženej na výrobu paliva k množstvu energie, ktorú z neho v konečnom dôsledku získame). A zatiaľ čo EROEI uhlia naďalej rastie, tento ukazovateľ pre ropu a plyn dosiahol svoj vrchol v polovici minulého storočia a v súčasnosti neustále klesá, pretože nové ložiská týchto palív sa nachádzajú na čoraz neprístupnejších miestach a vôbec. väčšie hĺbky:

Zároveň nemôžeme zvýšiť produkciu uhlia z toho dôvodu, že získavanie energie z neho je veľmi špinavý proces a doslova berie životy ľudí práve teraz na rôzne pľúcne choroby. Tak či onak, stojíme teraz na prahu konca éry fosílnych palív – a to nie sú machinácie environmentalistov, ale banálne ekonomické kalkulácie pri pohľade do budúcnosti. Zároveň EROI experimentálnych termonukleárnych reaktorov, ktoré sa objavili aj v polovici minulého storočia, neustále rástli a v roku 2007 dosiahli psychologickú bariéru jedného – teda v tomto roku sa ľudstvu prvýkrát podarilo získať viac energie prostredníctvom termonukleárnej reakcie, než vynaložil na jej realizáciu. A to aj napriek tomu, že realizácia reaktora, experimenty s ním a výroba prvej demonštračnej termonukleárnej elektrárne DEMO na základe skúseností získaných pri realizácii ITERu zaberie ešte veľa času. Už niet pochýb o tom, že naša budúcnosť spočíva v takýchto reaktoroch.

Kritika výskumu

Hlavnou kritikou výskumu fúznych reaktorov je, že výskum postupuje extrémne pomaly. A je to pravda – od prvých experimentov až po vytvorenie rovnovážnej termonukleárnej reakcie nám to trvalo až 66 rokov. Jadrom problému je však to, že financovanie takéhoto výskumu nikdy nedosiahlo požadovanú úroveň – tu je príklad odhadov US Energy Research and Development Administration o úrovni financovania projektu fúzneho reaktora a čase jeho dokončenia:

Ako vidno z tohto grafu, je prekvapujúce nielen to, že stále nemáme komerčné termonukleárne reaktory, ktoré by vyrábali elektrinu, ale aj to, že sme v súčasnosti dokázali dosiahnuť akýkoľvek pozitívny energetický výstup z experimentálnych reaktorov.