Bola vyvinutá nová technika na účinné spomalenie utekajúcich elektrónov zavedením „ťažkých“ iónov, ako je neón alebo argón, do reaktora.
Funkčný fúzny reaktor je stále snom, ale nakoniec by sa mohol splniť vďaka mnohým výskumom a experimentom s cieľom odomknúť neobmedzený prísun čistej energie. Problémy, ktorým vedci čelia pri získavaní jadrovej fúzie, sú nepochybne vážne a skutočne ťažké, ale všetko je možné prekonať. A zdá sa, že jeden z hlavných problémov je vyriešený.
Jadrová fúzia nie je proces vynájdený ľudstvom, ale pôvodne existujúci v prírode, proces živí naše Slnko. Hlboko vo vnútri našej domovskej hviezdy sú atómy vodíka pohromade a vytvárajú hélium, ktoré naštartuje proces. Fúzia uvoľňuje obrovské množstvo energie, no vyžaduje si obrovské náklady na vytvorenie extrémne vysokého tlaku a teploty, ktoré sa na Zemi len ťažko reprodukujú kontrolovaným spôsobom.
Minulý rok nás výskumníci z MIT priblížili k fúzii umiestnením plazmy pod správny tlak, teraz dvaja výskumníci z Chalmers University objavili ďalší kúsok skladačky.
Jedným problémom, s ktorým sa inžinieri stretli, sú unikajúce elektróny. Tieto extrémne vysokoenergetické elektróny môžu náhle a nečakane zrýchliť na veľmi vysoké rýchlosti, čo môže bez varovania zničiť stenu reaktora.
Doktorandi Linnea Heshlow a Ole Amberose vyvinuli novú techniku, ako efektívne spomaliť tieto unikajúce elektróny zavedením „ťažkých“ iónov, ako je neón alebo argón, do reaktora. Výsledkom je, že elektróny, ktoré sa zrážajú s vysokým nábojom v jadrách týchto iónov, sa spomaľujú a stávajú sa oveľa lepšie ovládateľnými.
„Keď dokážeme efektívne spomaliť unikajúce elektróny, budeme o krok bližšie k funkčnému fúznemu reaktoru,“ hovorí Linnea Heshlov.
Vedci vytvorili model, ktorý dokáže efektívne predpovedať energiu a správanie elektrónov. Pomocou matematického plazmového modelovania môžu fyzici teraz efektívne riadiť únikovú rýchlosť elektrónov bez prerušenia procesu fúzie.
„Mnoho ľudí verí, že to bude fungovať, ale je jednoduchšie ísť na Mars, ako dosiahnuť zlúčenie,“ hovorí Linnea Heshlov: „Dalo by sa povedať, že sa tu na Zemi snažíme zbierať hviezdy, čo môže chvíľu trvať. Na to, aby sme tu na zemi úspešne splyli, sú potrebné neuveriteľne vysoké teploty, horúcejšie ako stred slnka. Takže dúfam, že je to všetko otázkou času.“
založené na newatlas.com, preklad
9. júla 2016Inovatívne projekty využívajúce moderné supravodiče čoskoro umožnia riadenú termonukleárnu fúziu, tvrdia niektorí optimisti. Odborníci však predpovedajú, že praktická aplikácia bude trvať niekoľko desaťročí.
Prečo je to také ťažké?
Energia jadrovej syntézy sa považuje za potenciálny zdroj energie pre budúcnosť. Toto je čistá energia atómu. Ale čo to je a prečo je také ťažké to dosiahnuť? Na začiatok musíme pochopiť rozdiel medzi klasickým jadrovým štiepením a termonukleárnou fúziou.
Štiepenie atómu spočíva v tom, že rádioaktívne izotopy - urán alebo plutónium - sa štiepia a premieňajú na iné vysoko rádioaktívne izotopy, ktoré sa potom musia pochovať alebo recyklovať.
Fúzna reakcia spočíva v tom, že dva izotopy vodíka – deutérium a trícium – sa spoja do jedného celku, pričom vznikne netoxické hélium a jeden neutrón, bez vzniku rádioaktívneho odpadu.
Problém s ovládaním
Reakcie, ktoré prebiehajú na Slnku alebo vo vodíkovej bombe, sú termonukleárna fúzia a inžinieri stoja pred neľahkou úlohou – ako tento proces v elektrárni kontrolovať?
To je niečo, na čom vedci pracujú už od 60. rokov minulého storočia. Ďalší experimentálny fúzny reaktor s názvom Wendelstein 7-X spustil prevádzku v severonemeckom meste Greifswald. Zatiaľ nie je navrhnutý tak, aby vytváral reakciu - je to len špeciálny dizajn, ktorý sa testuje (stelarátor namiesto tokamaku).
vysokoenergetická plazma
Všetky termonukleárne zariadenia majú spoločnú vlastnosť – prstencový tvar. Je založený na myšlienke použitia výkonných elektromagnetov na vytvorenie silného elektromagnetického poľa v tvare torusu - nafúknutej bicyklovej duše.
Toto elektromagnetické pole musí byť také husté, že keď sa zohreje v mikrovlnnej rúre na jeden milión stupňov Celzia, v samom strede prstenca sa musí objaviť plazma. Potom sa zapáli, aby mohla začať termonukleárna fúzia.
Ukážka možností
V súčasnosti prebiehajú v Európe dva takéto experimenty. Jedným z nich je Wendelstein 7-X, ktorý nedávno vytvoril svoju prvú héliovú plazmu. Druhým je ITER, obrovské experimentálne jadrové zariadenie v južnom Francúzsku, ktoré je stále vo výstavbe a bude pripravené na spustenie v roku 2023.
Očakáva sa, že v ITERe budú prebiehať skutočné jadrové reakcie, aj keď len na krátky čas a určite nie dlhšie ako 60 minút. Tento reaktor je len jedným z mnohých krokov na ceste k realizácii jadrovej fúzie.
Fúzny reaktor: menší a výkonnejší
Nedávno niekoľko dizajnérov oznámilo nový dizajn reaktora. Podľa skupiny študentov z Massachusettského technologického inštitútu, ako aj predstaviteľov zbrojárskej spoločnosti Lockheed Martin, sa fúzia dá uskutočniť v zariadeniach, ktoré sú oveľa výkonnejšie a menšie ako ITER, a sú pripravení to urobiť do desiatich. rokov.
Myšlienkou nového dizajnu je použitie moderných vysokoteplotných supravodičov v elektromagnetoch, ktoré vykazujú svoje vlastnosti pri chladení tekutým dusíkom, a nie konvenčným, ktoré vyžadujú tekuté hélium. Nová flexibilnejšia technológia umožní úplne zmeniť konštrukciu reaktora.
Klaus Hesch, ktorý má na starosti technológiu jadrovej fúzie na technologickom inštitúte v Karlsruhe v juhozápadnom Nemecku, je skeptický. Podporuje použitie nových vysokoteplotných supravodičov pre nové konštrukcie reaktorov. Vyvinúť niečo na počítači s prihliadnutím na fyzikálne zákony však podľa neho nestačí. Je potrebné vziať do úvahy výzvy, ktoré vznikajú pri uvádzaní nápadu do praxe.
Sci-fi
Študentský model MIT podľa Hesha iba ukazuje možnosť projektu. Ale v skutočnosti je to veľa sci-fi. Projekt predpokladá vyriešenie závažných technických problémov termonukleárnej fúzie. Moderná veda však netuší, ako ich vyriešiť.
Jedným z takýchto problémov je myšlienka skladacích cievok. Elektromagnety môžu byť demontované, aby sa dostali do prstenca, ktorý drží plazmu v dizajnovom modeli MIT.
To by bolo veľmi užitočné, pretože by bolo možné pristupovať k objektom v internom systéme a nahradiť ich. Ale v skutočnosti sú supravodiče vyrobené z keramického materiálu. Stovky z nich musia byť sofistikovaným spôsobom prepletené, aby vytvorili správne magnetické pole. A tu sú zásadnejšie ťažkosti: spojenia medzi nimi nie sú také jednoduché ako spojenia medených káblov. Nikomu ani len nenapadli koncepty, ktoré by pomohli takéto problémy riešiť.
príliš horúca
Problémom je aj vysoká teplota. V jadre fúznej plazmy dosiahne teplota asi 150 miliónov stupňov Celzia. Toto extrémne teplo zostáva na svojom mieste – priamo v strede ionizovaného plynu. Ale aj okolo neho je stále veľmi horúco - od 500 do 700 stupňov v zóne reaktora, čo je vnútorná vrstva kovovej rúry, v ktorej sa bude "reprodukovať" trícium potrebné na jadrovú fúziu.
Fúzny reaktor má ešte väčší problém – takzvané uvoľnenie výkonu. Toto je časť systému, ktorá prijíma použité palivo z procesu fúzie, najmä hélium. Prvé kovové komponenty, do ktorých sa dostane horúci plyn, sa nazývajú "divertor". Dokáže sa zahriať na viac ako 2000°C.
Problém s prepínačom
Aby inštalácia vydržala takéto teploty, inžinieri sa snažia použiť kovový volfrám používaný v staromódnych žiarovkách. Teplota topenia volfrámu je asi 3000 stupňov. Ale sú tu aj ďalšie obmedzenia.
V ITER sa to dá urobiť, pretože zahrievanie v ňom neprebieha neustále. Predpokladá sa, že reaktor bude v prevádzke len 1-3 % času. Ale to nie je možnosť pre elektráreň, ktorá musí bežať 24 hodín denne, 7 dní v týždni. A ak niekto tvrdí, že je schopný postaviť menší reaktor s rovnakým výkonom ako ITER, dá sa s istotou povedať, že nemá riešenie problému divertora.
Elektráreň za pár desaťročí
Napriek tomu sú vedci ohľadom vývoja termonukleárnych reaktorov optimistickí, hoci nebude taký rýchly, ako niektorí nadšenci predpovedajú.
ITER by mal ukázať, že riadená fúzia môže skutočne produkovať viac energie, než by sa minulo na ohrev plazmy. Ďalším krokom je vybudovanie úplne novej hybridnej demonštračnej elektrárne, ktorá skutočne vyrába elektrinu.
Inžinieri už pracujú na jeho návrhu. Budú sa musieť poučiť z ITERu, ktorého spustenie je naplánované na rok 2023. Vzhľadom na čas potrebný na projektovanie, plánovanie a výstavbu sa zdá nepravdepodobné, že by prvá fúzna elektráreň bola spustená oveľa skôr ako v polovici 21. storočia.
Studená fúzia Rossi
V roku 2014 nezávislý test reaktora E-Cat dospel k záveru, že zariadenie malo priemerný výkon 2 800 wattov počas 32 dní so spotrebou 900 wattov. To je viac, než dokáže izolovať akákoľvek chemická reakcia. Výsledok hovorí buď o prelome v termonukleárnej fúzii, alebo o priamom podvode. Správa sklamala skeptikov, ktorí pochybujú, či bol test skutočne nezávislý, a naznačujú možné falšovanie výsledkov testu. Iní boli zaneprázdnení zisťovaním „tajných ingrediencií“, ktoré umožňujú Rossiho fúzii replikovať technológiu.
Rossi je podvodník?
Andrea je impozantná. Proklamácie do sveta publikuje v jedinečnej angličtine v sekcii komentárov na svojej webovej stránke, prefíkane nazývanej Journal of Nuclear Physics. Jeho predchádzajúce neúspešné pokusy však zahŕňali taliansky projekt premeny odpadu na palivo a termoelektrický generátor. Projekt na energetické využitie odpadu Petroldragon zlyhal čiastočne aj preto, že nelegálne ukladanie odpadu kontroluje taliansky organizovaný zločin, ktorý naňho podal trestné oznámenia za porušenie predpisov o nakladaní s odpadom. Vytvoril aj termoelektrické zariadenie pre americký armádny zbor inžinierov, no počas testovania vyrobil gadget len zlomok deklarovaného výkonu.
Mnohí Rossimu neveria a šéfredaktor New Energy Times ho bez okolkov označil za zločinca, ktorý má za sebou reťazec neúspešných energetických projektov.
Nezávislé overenie
Rossi podpísal zmluvu s americkou spoločnosťou Industrial Heat na vykonanie ročného tajného testu 1-MW elektrárne na studenú fúziu. Tým zariadením bol prepravný kontajner naplnený desiatkami E-Cat. Experiment musela kontrolovať tretia strana, ktorá mohla potvrdiť, že k tvorbe tepla skutočne dochádza. Rossi tvrdí, že väčšinu minulého roka strávil prakticky v kontajneri a dohliadal na operácie viac ako 16 hodín denne, aby dokázal komerčnú životaschopnosť E-Cat.
Test sa skončil v marci. Rossiho priaznivci netrpezlivo očakávali správu pozorovateľov a dúfali v oslobodenie svojho hrdinu. Nakoniec ich však zažalovali.
Skúška
V podaní na súde na Floride Rossi tvrdí, že test bol úspešný a nezávislý rozhodca potvrdil, že reaktor E-Cat produkuje šesťkrát viac energie, než spotrebuje. Tvrdil tiež, že spoločnosť Industrial Heat súhlasila s tým, že mu zaplatí 100 miliónov dolárov – 11,5 milióna dolárov vopred po 24-hodinovej skúške (zdanlivo za licenčné práva, aby spoločnosť mohla predať technológiu v USA) a ďalších 89 miliónov dolárov po úspešnom dokončení predĺženej skúšky. do 350 dní. Rossi obvinil IH z „podvodného plánu“ na krádež jeho duševného vlastníctva. Spoločnosť tiež obvinil zo sprenevery reaktorov E-Cat, nelegálneho kopírovania inovatívnych technológií a produktov, funkčnosti a dizajnu a zneužívania patentu na jeho duševné vlastníctvo.
Zlatá baňa
Na inom mieste Rossi tvrdí, že pri jednej z jeho demonštrácií dostal IH 50 – 60 miliónov dolárov od investorov a ďalších 200 miliónov dolárov z Číny po prehratí s účasťou najvyšších čínskych predstaviteľov. Ak je to pravda, potom je v hre oveľa viac ako sto miliónov dolárov. Spoločnosť Industrial Heat tieto tvrdenia odmietla ako nepodložené a bude sa aktívne brániť. Ešte dôležitejšie je, že tvrdí, že „viac ako tri roky pracovala na potvrdení výsledkov, ktoré Rossi údajne dosiahol so svojou technológiou E-Cat, a to všetko bez úspechu“.
IH neverí v E-Cat a New Energy Times nevidí dôvod pochybovať o tom. V júni 2011 navštívil zástupca publikácie Taliansko, urobil rozhovor s Rossim a nakrútil ukážku jeho E-Cat. O deň neskôr oznámil svoje vážne obavy zo spôsobu merania tepelného výkonu. Po 6 dňoch zverejnil novinár svoje video na YouTube. Odborníci z celého sveta mu poslali rozbory, ktoré vyšli v júli. Ukázalo sa, že ide o podvod.
Experimentálne potvrdenie
Napriek tomu sa viacerým výskumníkom – Alexandrovi Parkhomovovi z Ruskej univerzity priateľstva národov a projektu Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) – podarilo zreplikovať studenú fúziu Ruska. Správa MFPM mala názov „Koniec uhlíkovej éry je blízko“. Dôvodom takéhoto obdivu bol objav výbuchu gama žiarenia, ktorý sa nedá vysvetliť inak ako termonukleárnou reakciou. Podľa výskumníkov má Rossi presne to, o čom hovorí.
Životaschopný otvorený recept na studenú fúziu by mohol vyvolať energetickú zlatú horúčku. Možno sa nájdu alternatívne metódy, ako obísť Rossiho patenty a udržať ho mimo biznis s energiou v hodnote niekoľkých miliárd dolárov.
Takže možno by sa Rossi tomuto potvrdeniu radšej vyhol.
3. Problémy riadenej termonukleárnej fúzie
Výskumníci vo všetkých rozvinutých krajinách vkladajú svoje nádeje do prekonania prichádzajúcej energetickej krízy pomocou riadenej termonukleárnej reakcie. Takáto reakcia – syntéza hélia z deutéria a trícia – prebieha na Slnku milióny rokov a v pozemských podmienkach sa ju už päťdesiat rokov snažia uskutočniť v obrovských a veľmi drahých laserových zariadeniach, tokamakoch. (zariadenie na uskutočňovanie termonukleárnej fúznej reakcie v horúcej plazme) a stelarátory (uzavretá magnetická pasca na zachytenie vysokoteplotnej plazmy). Existujú však aj iné spôsoby, ako tento zložitý problém vyriešiť a namiesto obrovských tokamakov bude zrejme možné na realizáciu termonukleárnej fúzie použiť skôr kompaktný a lacný urýchľovač – urýchľovač na zrážaných lúčoch.
Tokamak vyžaduje na svoju činnosť veľmi malé množstvá lítia a deutéria. Napríklad reaktor s elektrickým výkonom 1 GW spáli za rok asi 100 kg deutéria a 300 kg lítia. Ak predpokladáme, že všetky termonukleárne elektrárne vyrobia 10 bil. kW/h elektriny za rok, teda toľko, koľko dnes vyrobia všetky elektrárne na Zemi, potom budú svetové zásoby deutéria a lítia stačiť na zásobovanie ľudstva energiou na mnoho miliónov rokov.
Okrem fúzie deutéria a lítia je možná čisto solárna fúzia, keď sa spoja dva atómy deutéria. Ak je táto reakcia zvládnutá, energetické problémy sa okamžite a navždy vyriešia.
V žiadnom zo známych variantov riadenej termonukleárnej fúzie (CTF) nemôžu termonukleárne reakcie prejsť do režimu nekontrolovaného zvyšovania výkonu, preto takéto reaktory nie sú vnútorne bezpečné.
Z fyzikálneho hľadiska je problém formulovaný jednoducho. Aby prebehla samoudržiavacia reakcia jadrovej fúzie, je potrebné a postačujúce splniť dve podmienky.
1. Energia jadier zúčastňujúcich sa reakcie musí byť aspoň 10 keV. Na spustenie jadrovej fúzie musia jadrá zúčastňujúce sa reakcie spadnúť do poľa jadrových síl, ktorých polomer je 10-12-10-13 s.cm. Atómové jadrá však majú kladný elektrický náboj a podobné náboje sa navzájom odpudzujú. Na hranici pôsobenia jadrových síl je energia Coulombovho odpudzovania asi 10 keV. Na prekonanie tejto bariéry musia mať jadrá v zrážke kinetickú energiu aspoň nie menšiu ako táto hodnota.
2. Súčin koncentrácie reagujúcich jadier a retenčného času, počas ktorého si udržia uvedenú energiu, musí byť aspoň 1014 s.cm-3. Táto podmienka - takzvané Lawsonovo kritérium - určuje hranicu energetickej ziskovosti reakcie. Aby energia uvoľnená pri fúznej reakcii aspoň pokryla energetické náklady na spustenie reakcie, atómové jadrá musia prejsť mnohými zrážkami. Pri každej zrážke, pri ktorej dôjde k fúznej reakcii medzi deutériom (D) a tríciom (T), sa uvoľní 17,6 MeV energie, teda približne 3,10-12 J. Ak sa na zapálenie minie napríklad energia 10 MJ, potom reakcia zlomí aj vtedy, ak sa ho zúčastní aspoň 3 1018 párov D-T. A na to sa musí v reaktore dlhodobo udržiavať pomerne hustá vysokoenergetická plazma. Túto podmienku vyjadruje Lawsonovo kritérium.
Ak sa obe požiadavky podarí splniť súčasne, problém riadenej termonukleárnej fúzie bude vyriešený.
Technická realizácia tohto fyzikálneho problému však čelí obrovským ťažkostiam. Koniec koncov, energia 10 keV je teplota 100 miliónov stupňov. Látka pri takejto teplote sa môže udržiavať párne zlomky sekundy iba vo vákuu, a to tak, že sa izoluje od stien zariadenia.
Existuje však aj iná metóda na vyriešenie tohto problému - studená fúzia. Čo je studená fúzia - je to analógia "horúcej" termonukleárnej reakcie prebiehajúcej pri izbovej teplote.
V prírode existujú najmenej dva spôsoby, ako zmeniť hmotu v rámci jednej dimenzie kontinua. Môžete variť vodu na ohni, t.j. tepelne, alebo v mikrovlnnej rúre, t.j. frekvencia. Výsledok je rovnaký – voda vrie, rozdiel je len v tom, že frekvenčná metóda je rýchlejšia. Využíva tiež dosiahnutie ultra vysokej teploty na rozdelenie jadra atómu. Tepelná metóda poskytuje nekontrolovanú jadrovú reakciu. Energia studenej fúzie je energiou prechodného stavu. Jednou z hlavných podmienok pre návrh reaktora na uskutočnenie studenej fúznej reakcie je stav jeho pyramídovo-kryštalickej formy. Ďalšou dôležitou podmienkou je prítomnosť rotujúcich magnetických a torzných polí. Priesečník polí nastáva v bode nestabilnej rovnováhy jadra vodíka.
Vedci Ruzi Taleiarkhan z Národného laboratória Oak Ridge, Richard Leikhi z Polytechnickej univerzity. Renssilira a akademik Robert Nigmatulin – zaznamenali studenú termonukleárnu reakciu v laboratóriu.
Skupina použila kadičku s tekutým acetónom s veľkosťou dvoch až troch pohárov. Zvukové vlny sa intenzívne prenášali cez kvapalinu, čím sa vytvoril efekt známy vo fyzike ako akustická kavitácia, ktorej dôsledkom je sonoluminiscencia. Počas kavitácie sa v kvapaline objavili malé bublinky, ktoré sa zväčšili na dva milimetre v priemere a explodovali. Výbuchy sprevádzali záblesky svetla a uvoľnenie energie t.j. teplota vo vnútri bublín v čase výbuchu dosiahla 10 miliónov stupňov Kelvina a uvoľnená energia podľa experimentátorov stačí na uskutočnenie termonukleárnej fúzie.
„Technicky“ podstata reakcie spočíva v tom, že v dôsledku spojenia dvoch atómov deutéria vzniká tretí – izotop vodíka, známy ako trícium, a neutrón, ktorý sa vyznačuje enormným množstvom energie. .
Prúd v supravodivom stave je nulový, a preto sa na udržanie magnetického poľa vynaloží minimálne množstvo elektriny. 8. Superrýchle systémy. Riadená termonukleárna fúzia s inerciálnym obmedzením Ťažkosti spojené s magnetickým obmedzením plazmy sa v zásade dajú obísť, ak sa jadrové palivo spáli v extrémne krátkych časoch, keď ...
Pre rok 2004. Ďalšie rokovania o tomto projekte sa uskutočnia v máji 2004 vo Viedni. Reaktor bude postavený v roku 2006 a jeho spustenie je naplánované na rok 2014. Ako to funguje Fusion* je lacný a ekologický spôsob výroby energie. Na Slnku už miliardy rokov prebieha neriadená termonukleárna fúzia – hélium vzniká z ťažkého izotopu vodíka deutéria. V čom...
Experimentálny termonukleárny reaktor vedie E. P. Velikhov. Spojené štáty, ktoré minuli 15 miliárd dolárov, od tohto projektu odstúpili, zvyšných 15 miliárd už minuli medzinárodné vedecké organizácie. 2. Technické, environmentálne a medicínske problémy. Počas prevádzky zariadení riadenej termonukleárnej fúzie (UTF). vznikajú neutrónové lúče a gama žiarenie, ako aj...
Energia a aká kvalita bude potrebná, aby uvoľnená energia postačovala na pokrytie nákladov na spustenie procesu uvoľňovania energie. Túto otázku rozoberieme nižšie v súvislosti s problémami termonukleárnej fúzie. O energetickej kvalite laserov V najjednoduchších prípadoch sú zrejmé obmedzenia premeny nekvalitnej energie na kvalitnú energiu. Tu je niekoľko príkladov z...
1. Úvod
3. Problémy riadenia termonukleárnej fúzie
3.1 Ekonomické problémy
3.2 Zdravotné problémy
4. Záver
5. Referencie
1. Úvod
Problém riadenej termonukleárnej fúzie je jednou z najdôležitejších úloh, ktorým ľudstvo čelí.
Ľudská civilizácia nemôže existovať, nieto sa rozvíjať, bez energie. Každý dobre vie, že vyvinuté zdroje energie, žiaľ, môžu byť čoskoro vyčerpané. Podľa Svetovej energetickej rady zostávajú preskúmané zásoby uhľovodíkových palív na Zemi na 30 rokov.
Dnes sú hlavnými zdrojmi energie ropa, plyn a uhlie.
Zásoby týchto nerastov sa podľa odborníkov míňajú. Nezostali takmer žiadne preskúmané, na rozvoj vhodné ropné polia a už naši vnuci môžu čeliť veľmi vážnemu problému nedostatku energie.
Najpalivovejšie jadrové elektrárne by, samozrejme, mohli zásobovať ľudstvo elektrinou na viac ako sto rokov.
Predmet štúdia: Problémy riadenej termonukleárnej fúzie.
Predmet štúdia: Termonukleárna fúzia.
Účel štúdie: Vyriešiť problém riadenia termonukleárnej fúzie;
Ciele výskumu:
· Študovať typy termonukleárnych reakcií.
· Zvážte všetky možné možnosti, ako priviesť energiu uvoľnenú počas termonukleárnej reakcie k človeku.
· Predložiť teóriu o premene energie na elektrinu.
Počiatočný fakt:
Jadrová energia sa uvoľňuje pri rozpade alebo fúzii atómových jadier. Akákoľvek energia – fyzikálna, chemická, či jadrová sa prejavuje svojou schopnosťou vykonávať prácu, vyžarovať teplo alebo žiarenie. Energia v akomkoľvek systéme je vždy zachovaná, ale môže sa preniesť do iného systému alebo zmeniť formu.
Úspech Podmienky pre riadenú termonukleárnu fúziu bráni niekoľko hlavných problémov:
· Najprv musíte zahriať plyn na veľmi vysokú teplotu.
· Po druhé, je potrebné dostatočne dlhý čas kontrolovať počet reagujúcich jadier.
· Po tretie, množstvo uvoľnenej energie musí byť väčšie, ako bolo vynaložené na ohrev a obmedzenie hustoty plynu.
Ďalším problémom je akumulácia tejto energie a jej premena na elektrickú energiu
2. Termonukleárne reakcie na Slnku
Čo je zdrojom slnečnej energie? Aký charakter majú procesy, pri ktorých vzniká obrovské množstvo energie? Ako dlho bude slnko svietiť?
Prvé pokusy odpovedať na tieto otázky urobili astronómovia v polovici 19. storočia po tom, čo fyzici sformulovali zákon zachovania energie.
Robert Mayer navrhol, že Slnko svieti v dôsledku neustáleho bombardovania povrchu meteoritmi a meteorickými časticami. Táto hypotéza bola zamietnutá, pretože jednoduchý výpočet ukazuje, že na udržanie svietivosti Slnka na súčasnej úrovni je potrebné, aby naň každú sekundu dopadlo 2∙10 15 kg meteorickej hmoty. Za rok to bude 6∙10 22 kg a za životnosť Slnka na 5 miliárd rokov - 3∙10 32 kg. Slnečná hmotnosť M
= 2∙10 30 kg, teda za päť miliárd rokov by na Slnko malo dopadnúť 150-krát viac hmoty, ako by mala hmotnosť Slnka.Aj druhú hypotézu predložili Helmholtz a Kelvin v polovici 19. storočia. Navrhli, že Slnko vyžaruje tak, že sa stiahne 60 až 70 metrov ročne. Dôvodom kontrakcie je vzájomná príťažlivosť častíc Slnka, preto sa táto hypotéza nazýva kontrakcia. Ak urobíme výpočet podľa tejto hypotézy, potom vek Slnka nebude väčší ako 20 miliónov rokov, čo je v rozpore s modernými údajmi získanými z analýzy rádioaktívneho rozpadu prvkov v geologických vzorkách zemskej pôdy a pôdy Mesiaca. .
Tretiu hypotézu o možných zdrojoch slnečnej energie predložil James Jeans na začiatku 20. storočia. Navrhol, že hlbiny Slnka obsahujú ťažké rádioaktívne prvky, ktoré sa spontánne rozpadajú, zatiaľ čo sa uvoľňuje energia. Napríklad premena uránu na tórium a potom na olovo je sprevádzaná uvoľňovaním energie. Následná analýza tejto hypotézy tiež ukázala jej zlyhanie; hviezda zložená len z uránu by neuvoľnila dostatok energie na poskytnutie pozorovanej svietivosti Slnka. Okrem toho existujú hviezdy, ktoré sú mnohonásobne svietivejšie ako naša hviezda. Je nepravdepodobné, že by tieto hviezdy obsahovali aj viac rádioaktívneho materiálu.
Ako najpravdepodobnejšia sa ukázala hypotéza o syntéze prvkov v dôsledku jadrových reakcií v interiéroch hviezd.
V roku 1935 Hans Bethe vyslovil hypotézu, že termonukleárna reakcia premeny vodíka na hélium by mohla byť zdrojom slnečnej energie. Bethe za to dostala v roku 1967 Nobelovu cenu.
Chemické zloženie Slnka je približne rovnaké ako u väčšiny ostatných hviezd. Približne 75 % tvorí vodík, 25 % hélium a menej ako 1 % tvoria všetky ostatné chemické prvky (hlavne uhlík, kyslík, dusík atď.). Bezprostredne po zrode vesmíru neexistovali vôbec žiadne „ťažké“ prvky. Všetky, t.j. prvky ťažšie ako hélium a dokonca aj mnohé alfa častice vznikli pri „spaľovaní“ vodíka vo hviezdach pri termonukleárnej fúzii. Charakteristická dĺžka života hviezdy ako Slnko je desať miliárd rokov.
Hlavným zdrojom energie je protón-protónový cyklus - veľmi pomalá reakcia (charakteristický čas 7,9∙10 9 rokov), pretože je to spôsobené slabou interakciou. Jeho podstata spočíva v tom, že zo štyroch protónov sa získa jadro hélia. V tomto prípade sa uvoľní pár pozitrónov a pár neutrín a tiež 26,7 MeV energie. Počet neutrín vyžiarených Slnkom za sekundu je určený iba svietivosťou Slnka. Pretože keď sa uvoľní 26,7 MeV, zrodia sa 2 neutrína, rýchlosť emisie neutrín je: 1,8∙10 38 neutrín/s. Priamym testom tejto teórie je pozorovanie slnečných neutrín. Vysokoenergetické neutrína (bór) sa zaznamenávajú v experimentoch s chlórom a argónom (Davisove experimenty) a konzistentne vykazujú nedostatok neutrín v porovnaní s teoretickou hodnotou pre štandardný solárny model. Nízkoenergetické neutrína, ktoré vznikajú priamo pri reakcii pp, sú zaznamenané v experimentoch s gálium-germániom (GALLEX v Gran Sasso (Taliansko-Nemecko) a SAGE v Baksane (Rusko-USA)); tiež „chýbajú“.
Podľa niektorých predpokladov, ak majú neutrína pokojovú hmotnosť inú ako nulu, sú možné oscilácie (transformácie) rôznych typov neutrín (Micheevov-Smirnov-Wolfensteinov efekt) (existujú tri typy neutrín: elektrónové, miónové a tauónové neutrína) . Pretože iné neutrína majú oveľa menšie interakčné prierezy s hmotou ako elektróny, pozorovaný deficit možno vysvetliť bez zmeny štandardného modelu Slnka, postaveného na základe celého súboru astronomických údajov.
Každú sekundu Slnko recykluje asi 600 miliónov ton vodíka. Zásoby jadrového paliva vydržia ďalších päť miliárd rokov, po ktorých sa postupne zmení na bieleho trpaslíka.
Centrálne časti Slnka sa zmršťujú, zahrievajú a teplo prenesené do vonkajšieho obalu povedie k jeho expanzii do obrovských veľkostí v porovnaní s modernými: Slnko sa roztiahne natoľko, že pohltí Merkúr, Venušu a strávi “ palivo“ stokrát rýchlejšie ako v súčasnosti. Tým sa zväčší veľkosť Slnka; naša hviezda sa stane červeným obrom, ktorého veľkosť je porovnateľná so vzdialenosťou Zeme od Slnka!
Na takúto udalosť budeme samozrejme vopred upozornení, keďže prechod do novej etapy bude trvať približne 100 – 200 miliónov rokov. Keď teplota centrálnej časti Slnka dosiahne 100 000 000 K, začne horieť aj hélium, ktoré sa zmení na ťažké prvky a Slnko vstúpi do štádia zložitých cyklov kontrakcie a expanzie. V poslednej fáze naša hviezda stratí svoj vonkajší obal, centrálne jadro bude mať neuveriteľne veľkú hustotu a veľkosť, ako má Zem. Prejde ešte niekoľko miliárd rokov a Slnko vychladne a zmení sa na bieleho trpaslíka.
3. Problémy riadenej termonukleárnej fúzie
Výskumníci vo všetkých rozvinutých krajinách vkladajú svoje nádeje do prekonania prichádzajúcej energetickej krízy pomocou riadenej termonukleárnej reakcie. Takáto reakcia – syntéza hélia z deutéria a trícia – prebieha na Slnku milióny rokov a v pozemských podmienkach sa ju už päťdesiat rokov snažia uskutočniť v obrovských a veľmi drahých laserových zariadeniach, tokamakoch. (zariadenie na uskutočňovanie termonukleárnej fúznej reakcie v horúcej plazme) a stelarátory (uzavretá magnetická pasca na zachytenie vysokoteplotnej plazmy). Existujú však aj iné spôsoby, ako tento zložitý problém vyriešiť a namiesto obrovských tokamakov bude zrejme možné na realizáciu termonukleárnej fúzie použiť skôr kompaktný a lacný urýchľovač – urýchľovač na zrážaných lúčoch.
Tokamak vyžaduje na svoju činnosť veľmi malé množstvá lítia a deutéria. Napríklad reaktor s elektrickým výkonom 1 GW spáli za rok asi 100 kg deutéria a 300 kg lítia. Ak predpokladáme, že všetky termonukleárne elektrárne vyrobia 10 bil. kW/h elektriny za rok, teda toľko, koľko dnes vyrobia všetky elektrárne na Zemi, potom budú svetové zásoby deutéria a lítia stačiť na zásobovanie ľudstva energiou na mnoho miliónov rokov.
Okrem fúzie deutéria a lítia je možná čisto solárna fúzia, keď sa spoja dva atómy deutéria. Ak je táto reakcia zvládnutá, energetické problémy sa okamžite a navždy vyriešia.
V žiadnom zo známych variantov riadenej termonukleárnej fúzie (CTF) nemôžu termonukleárne reakcie prejsť do režimu nekontrolovaného zvyšovania výkonu, preto takéto reaktory nie sú vnútorne bezpečné.
MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY RUSKEJ FEDERÁCIE
Federálna agentúra pre vzdelávanie
SEI HPE "Štátna pedagogická univerzita Blagoveshchensk"
Fakulta fyziky a matematiky
Katedra všeobecnej fyziky
Práca na kurze
na tému: Problémy termonukleárnej fúzie
disciplína: fyzika
Umelec: V.S. Kletčenko
Vedúci: V.A. Evdokimová
Blagoveščensk 2010
Úvod
Termonukleárne reakcie a ich energetická účinnosť
Podmienky pre vznik termonukleárnych reakcií
Realizácia termonukleárnych reakcií v pozemských podmienkach
Hlavné problémy spojené s realizáciou termonukleárnych reakcií
Realizácia riadených termonukleárnych reakcií v zariadeniach typu TOKAMAK
projekt ITER
Moderné štúdie plazmových a termonukleárnych reakcií
Záver
Literatúra
Úvod
V súčasnosti si ľudstvo nevie predstaviť svoj život bez elektriny. Ona je všade. Ale tradičné spôsoby výroby elektriny nie sú lacné: len si predstavte stavbu vodnej elektrárne alebo reaktora jadrovej elektrárne, hneď je jasné prečo. Vedci v 20. storočí, tvárou v tvár energetickej kríze, našli spôsob výroby elektriny z hmoty, ktorej množstvo nie je obmedzené. Termonukleárne reakcie prebiehajú pri rozpade deutéria a trícia. Jeden liter vody obsahuje toľko deutéria, že termonukleárna fúzia môže uvoľniť toľko energie, koľko sa získa spálením 350 litrov benzínu. To znamená, že môžeme konštatovať, že voda je neobmedzeným zdrojom energie.
Ak by bolo získavanie energie pomocou termonukleárnej fúzie také jednoduché ako pomocou vodných elektrární, ľudstvo by nikdy nezažilo krízu v energetike. Na získanie energie týmto spôsobom je potrebná teplota ekvivalentná teplote v strede slnka. Kde získať takú teplotu, aké drahé budú inštalácie, aká rentabilná je takáto výroba energie a či je takáto inštalácia bezpečná? Tieto otázky budú zodpovedané v tejto práci.
Cieľ práce: štúdium vlastností a problémov termonukleárnej fúzie.
Termonukleárne reakcie a ich energetická účinnosť
Termonukleárna reakcia - syntéza ťažších atómových jadier z ľahších za účelom získania energie, ktorá je riadená.
Je známe, že jadrom atómu vodíka je protón p. Takého vodíka je v prírode veľa – vo vzduchu aj vo vode. Okrem toho existujú ťažšie izotopy vodíka. Jadro jedného z nich obsahuje okrem protónu p aj neutrón n. Tento izotop sa nazýva deutérium D. Jadro iného izotopu obsahuje okrem protónu р dva neutróny n a nazýva sa tritérium (trícium) Т.energia uvoľnená pri štiepení ťažkých jadier. Pri fúznej reakcii sa uvoľňuje energia, ktorá je na 1 kg látky oveľa väčšia ako energia uvoľnená pri štiepnej reakcii uránu. (Uvoľnená energia sa tu vzťahuje na kinetickú energiu častíc vytvorených v dôsledku reakcie.) Napríklad pri reakcii fúzie jadier deutéria 1 2 D a trícia 1 3 T na jadro hélia 2 4 He :
1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,
Uvoľnená energia je približne rovná 3,5 MeV na nukleón. Pri štiepnych reakciách je energia na nukleón asi 1 MeV.
Pri syntéze jadra hélia zo štyroch protónov:
4 1 1 p→ 2 4 Nie + 2 +1 1 e,
uvoľní sa ešte viac energie, ktorá sa rovná 6,7 MeV na časticu. Energetická výhoda termonukleárnych reakcií sa vysvetľuje tým, že špecifická väzbová energia v jadre atómu hélia výrazne prevyšuje špecifickú väzbovú energiu jadier izotopov vodíka. Úspešnou realizáciou riadených termonukleárnych reakcií teda ľudstvo získa nový výkonný zdroj energie.
Podmienky pre vznik termonukleárnych reakcií
Pre fúziu ľahkých jadier je potrebné prekonať potenciálnu bariéru spôsobenú Coulombovým odpudzovaním protónov v podobne kladne nabitých jadrách. Pre fúziu vodíkových jadier 1 2 Dx je potrebné ich priblížiť na vzdialenosť r rovnajúcu sa približne r ≈ 3 10 -15 m. K tomu je potrebné vykonať prácu rovnajúcu sa elektrostatickej potenciálnej energii odpudzovania P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Deuterónové jadrá budú schopné prekonať takúto bariéru, ak sa ich priemerná kinetická energia 3/2 kT rovná 0,1 MeV počas zrážky. To je možné pri T = 2 10 9 K. V praxi teplota potrebná na priebeh termonukleárnych reakcií klesá o dva rády a dosahuje 10 7 K.
Pre centrálnu časť Slnka je typická teplota okolo 10 7 K. Spektrálna analýza ukázala, že hmota Slnka, podobne ako mnohé iné hviezdy, obsahuje až 80 % vodíka a asi 20 % hélia. Uhlík, dusík a kyslík tvoria nie viac ako 1 % hmotnosti hviezd. Pri obrovskej hmotnosti Slnka (≈ 2 10 27 kg) je množstvo týchto plynov pomerne veľké.
Termonukleárne reakcie prebiehajú v Slnku a hviezdach a sú zdrojom energie, ktorá zabezpečuje ich vyžarovanie. Každú sekundu Slnko vyžiari energiu 3,8 10 26 J, čo zodpovedá poklesu jeho hmotnosti o 4,3 milióna ton. Špecifické uvoľňovanie slnečnej energie, t.j. uvoľnenie energie na jednotku hmotnosti Slnka za jednu sekundu sa rovná 1,9 10 -4 J/s kg. Je veľmi malý a tvorí asi 10 -3 % špecifickej energie uvoľnenej v živom organizme v procese metabolizmu. Sila žiarenia Slnka sa počas mnohých miliárd rokov existencie slnečnej sústavy príliš nezmenila.
Jedným zo spôsobov, ako prebiehajú termonukleárne reakcie na Slnku, je uhlíkovo-dusíkový cyklus, pri ktorom je spojenie jadier vodíka na jadro hélia uľahčené v prítomnosti jadier uhlíka 6 12 C, ktoré zohrávajú úlohu katalyzátorov. Na začiatku cyklu preniká rýchly protón do jadra atómu uhlíka 6 12 C a vytvára nestabilné jadro izotopu dusíka 7 13 N s γ-kvantovým žiarením:
6 12 С + 1 1 p → 7 13 N + γ.
S polčasom rozpadu 14 minút dochádza k transformácii 1 1 p → 0 1 n + +1 0 e + 0 0 νe v jadre 7 13 N a vzniká jadro izotopu 6 13 C:
7 13 N → 6 13 С + +1 0 e + 0 0 ν e.
približne každých 32 miliónov rokov jadro 7 14 N zachytáva protón a mení sa na jadro kyslíka 8 15 O:
7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.
Nestabilné jadro 8 15 O s polčasom rozpadu 3 minúty emituje pozitrón a neutríno a mení sa na jadro 7 15 N:
8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.
Cyklus končí reakciou absorpcie protónu jadrom 7 15 N s jeho rozpadom na jadro uhlíka 6 12 С a α-časticu. Stane sa to asi po 100 000 rokoch:
7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.
Nový cyklus začína opäť absorpciou protónu 6 12 C uhlíkom, ktorý sa uvoľní v priemere po 13 miliónoch rokov. Jednotlivé reakcie cyklu sú časovo oddelené intervalmi, ktoré sú na pozemských časových mierkach neúmerne veľké. Cyklus je však uzavretý a prebieha nepretržite. Preto na Slnku súčasne prebiehajú rôzne reakcie cyklu, ktoré začínajú v rôznych časoch.
V dôsledku tohto cyklu sa štyri protóny spájajú do jadra hélia s výskytom dvoch pozitrónov a γ-žiarenia. K tomu treba prirátať žiarenie vznikajúce pri fúzii pozitrónov s elektrónmi plazmy. Vytvorením jedného atómu hélia gama sa uvoľní 700 tisíc kWh energie. Toto množstvo energie kompenzuje stratu slnečnej energie na žiarenie. Výpočty ukazujú, že množstvo vodíka dostupného na Slnku bude stačiť na podporu termonukleárnych reakcií a slnečného žiarenia na miliardy rokov.
Realizácia termonukleárnych reakcií v pozemských podmienkach
Realizácia termonukleárnych reakcií v pozemských podmienkach vytvorí obrovské možnosti získavania energie. Napríklad pri použití deutéria obsiahnutého v jednom litri vody sa pri fúznej reakcii uvoľní rovnaké množstvo energie, aké sa uvoľní pri spálení asi 350 litrov benzínu. Ak však termonukleárna reakcia prebieha spontánne, dôjde ku kolosálnej explózii, pretože uvoľnená energia je v tomto prípade veľmi veľká.
Podmienky blízke tým, ktoré sa realizujú v útrobách Slnka, boli realizované vo vodíkovej bombe. Dochádza k samoudržiavacej termonukleárnej reakcii výbušného charakteru. Výbušninou je zmes deutéria 1 2 D s tríciom 1 3 T. Vysoká teplota potrebná na priebeh reakcie sa dosiahne výbuchom klasickej atómovej bomby umiestnenej vo vnútri termonukleárnej bomby.
Hlavné problémy spojené s realizáciou termonukleárnych reakcií
Vo fúznom reaktore musí byť fúzna reakcia pomalá a musí byť možné ju riadiť. Štúdium reakcií prebiehajúcich vo vysokoteplotnej plazme deutéria je teoretickým základom na získanie umelo riadených termonukleárnych reakcií. Hlavným problémom je udržanie podmienok potrebných na získanie samoudržiavacej termonukleárnej reakcie. Pre takúto reakciu je potrebné, aby rýchlosť uvoľňovania energie v systéme, kde reakcia prebieha, nebola menšia ako rýchlosť odstraňovania energie zo systému. Pri teplotách rádovo 10 8 K majú termonukleárne reakcie v plazme deutéria výraznú intenzitu a sú sprevádzané uvoľňovaním veľkej energie. V jednotke objemu plazmy sa pri spojení jadier deutéria uvoľní výkon 3 kW/m 3 . Pri teplotách rádovo 10 6 K je výkon iba 10 -17 W/m 3 .
