Fúzna reakcia prebieha nasledovne: odoberú sa dve alebo viac atómových jadier, ktoré sa pôsobením určitej sily priblížia natoľko, že sily pôsobiace na takéto vzdialenosti prevažujú nad Coulombovými odpudzovacími silami medzi rovnako nabitými jadrami v dôsledku ktorým sa vytvorí nové jadro. Bude mať o niečo menšiu hmotnosť ako súčet hmotností pôvodných jadier a rozdielom sa stáva energia, ktorá sa uvoľní počas reakcie. Množstvo uvoľnenej energie je opísané známym vzorcom E=mc². Ľahšie atómové jadrá sa ľahšie dostávajú na správnu vzdialenosť, takže vodík – najrozšírenejší prvok vo vesmíre – je najlepším palivom pre fúznu reakciu.

Zistilo sa, že zmes dvoch izotopov vodíka, deutéria a trícia, vyžaduje na fúznu reakciu najmenšie množstvo energie v porovnaní s energiou uvoľnenou počas reakcie. Hoci je však zmes deutéria a trícia (D-T) predmetom väčšiny výskumov fúzie, v žiadnom prípade nejde o jediné potenciálne palivo. Iné zmesi môžu byť jednoduchšie na výrobu; ich reakciu možno lepšie kontrolovať, alebo, čo je dôležitejšie, produkovať menej neutrónov. Mimoriadne zaujímavé sú takzvané „bezneutrónové“ reakcie, keďže úspešné priemyselné využitie takéhoto paliva bude znamenať absenciu dlhodobej rádioaktívnej kontaminácie materiálov a konštrukcie reaktora, čo by zase mohlo pozitívne ovplyvniť verejnú mienku. a celkové náklady na prevádzku reaktora, čím sa výrazne znížia náklady na jeho vyradenie z prevádzky. Problémom zostáva, že fúzna reakcia využívajúca alternatívne palivá je oveľa náročnejšia na udržanie, preto sa D-T reakcia považuje len za nevyhnutný prvý krok.

Schéma reakcie deutérium-trícium

Riadená termonukleárna fúzia môže využívať rôzne typy termonukleárnych reakcií v závislosti od typu použitého paliva.

Reakcia deutéria + trícia (palivo D-T)

Najjednoduchšie implementovaná reakcia je deutérium + trícium:

2 H + 3 H = 4 He + n pri výdaji energie 17,6 MeV (MeV)

Takáto reakcia sa z hľadiska moderných technológií najjednoduchšie realizuje, poskytuje značnú energetickú výťažnosť a palivové komponenty sú lacné. Jeho nevýhodou je uvoľňovanie nežiaduceho neutrónového žiarenia.

Dve jadrá: deutérium a trícium sa spájajú a vytvárajú jadro hélia (častica alfa) a vysokoenergetický neutrón.

²H + ³He = 4 He + . pri energetickom výkone 18,4 MeV

Podmienky na jeho dosiahnutie sú oveľa komplikovanejšie. Hélium-3 je tiež vzácny a extrémne drahý izotop. V súčasnosti sa nevyrába v priemyselnom meradle. Dá sa však získať z trícia, ktoré sa zase získava v jadrových elektrárňach.

Zložitosť vedenia termonukleárnej reakcie môže byť charakterizovaná trojitým súčinom nTt (hustota krát teplota krát doba zadržania). Podľa tohto parametra je reakcia D-3He asi 100-krát ťažšia ako D-T.

Reakcia medzi jadrami deutéria (D-D, monopropelant)

Reakcie medzi jadrami deutéria sú tiež možné, sú o niečo ťažšie ako reakcie zahŕňajúce hélium-3:

V dôsledku toho sa okrem hlavnej reakcie v DD-plazme vyskytujú aj tieto:

Tieto reakcie pomaly prebiehajú paralelne s reakciou deutérium + hélium-3 a pri nich vznikajúce trícium a hélium-3 s veľkou pravdepodobnosťou okamžite reagujú s deutériom.

Iné typy reakcií

Je tiež možných niekoľko ďalších typov reakcií. Výber paliva závisí od mnohých faktorov – jeho dostupnosti a nízkej ceny, energetickej výťažnosti, jednoduchosti dosiahnutia podmienok potrebných pre fúznu reakciu (predovšetkým teploty), nevyhnutných konštrukčných charakteristík reaktora a pod.

"Bez neutrónov" reakcie

Najperspektívnejšia tzv. „bezutrónové“ reakcie, pretože tok neutrónov generovaný termonukleárnou fúziou (napríklad pri reakcii deutérium-trícium) unáša značnú časť energie a vytvára indukovanú rádioaktivitu v konštrukcii reaktora. Reakcia deutérium-hélium-3 je sľubná aj z dôvodu nedostatočného výťažku neutrónov.

Podmienky

Jadrová reakcia lítia-6 s deutériom 6 Li(d,α)α

CTS je možné pri súčasnom splnení dvoch kritérií:

• Teplota plazmy:

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

• Súlad s kritériom Lawson:

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

kde je hustota vysokoteplotnej plazmy a je čas zadržania plazmy v systéme.

Od hodnoty týchto dvoch kritérií závisí hlavne rýchlosť konkrétnej termonukleárnej reakcie.

V súčasnosti sa riadená termonukleárna fúzia v priemyselnom meradle ešte neuskutočnila. Výstavba medzinárodného výskumného reaktora ITER je v počiatočných fázach.

Termonukleárna energia a hélium-3

Zásoby hélia-3 na Zemi sa pohybujú od 500 kg do 1 tony, ale na Mesiaci sú to významné množstvá: až 10 miliónov ton (podľa minimálnych odhadov - 500 tisíc ton). V súčasnosti prebieha riadená termonukleárna reakcia syntézou deutéria ²H a trícia 3H s uvoľňovaním hélia-4 4 He a „rýchleho“ neutrónu n:

V tomto prípade však väčšina (viac ako 80 %) uvoľnenej kinetickej energie dopadá práve na neutrón. V dôsledku zrážok úlomkov s inými atómami sa táto energia premieňa na tepelnú energiu. Rýchle neutróny navyše vytvárajú značné množstvo rádioaktívneho odpadu. Naproti tomu pri syntéze deutéria a hélia-3 ³He nevzniká (takmer) rádioaktívne produkty:

Kde p je protón

To umožňuje použitie jednoduchších a efektívnejších systémov na konverziu kinetickej fúznej reakcie, ako je magnetohydrodynamický generátor.

Návrhy reaktorov

Zvažujú sa dve hlavné schémy na realizáciu riadenej termonukleárnej fúzie.

Štúdie prvého typu termonukleárnych reaktorov sú oveľa rozvinutejšie ako štúdie druhého typu. V jadrovej fyzike sa pri štúdiu termonukleárnej fúzie používa magnetická pasca na zadržanie plazmy v určitom objeme. Magnetická pasca je navrhnutá tak, aby zabránila kontaktu plazmy s prvkami termonukleárneho reaktora, t.j. Používa sa predovšetkým ako tepelný izolant. Princíp zadržiavania je založený na interakcii nabitých častíc s magnetickým poľom, konkrétne na rotácii nabitých častíc okolo magnetických siločiar. Bohužiaľ, magnetizovaná plazma je veľmi nestabilná a má tendenciu opúšťať magnetické pole. Preto sa na vytvorenie efektívnej magnetickej pasce používajú tie najvýkonnejšie elektromagnety, ktoré spotrebujú obrovské množstvo energie.

Zmenšiť veľkosť termonukleárneho reaktora je možné, ak sa v ňom súčasne použijú tri spôsoby vytvárania termonukleárnej reakcie.

A. Inerciálna syntéza. Ožarujte malé kapsuly deutériovo-tríciového paliva laserom s výkonom 500 biliónov watt:5. 10^14W. Tento obrovský, veľmi krátkodobý laserový impulz 10^-8 s spôsobí výbuch palivových kapsúl, čo má za následok zrod minihviezdy na zlomok sekundy. Ale nedá sa na ňom dosiahnuť termonukleárna reakcia.

B. Súčasne používajte Z-machine s Tokamakom.

Z-Machine funguje inak ako laser. Prechádza cez sieť najtenších drôtov obklopujúcich palivovú kapsulu, náboj s výkonom pol bilióna wattov 5, 10 ^ 11 wattov.

Potom sa stane to isté ako s laserom: v dôsledku nárazu Z sa získa hviezda. Počas testov na Z-Machine už bolo možné spustiť fúznu reakciu. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Kapsuly zakryte striebrom a spojte striebornou alebo grafitovou niťou. Proces zapálenia vyzerá takto: Vystreľte vlákno (pripojené k skupine strieborných guľôčok obsahujúcich zmes deutéria a trícia) do vákuovej komory. Počas poruchy (výboja) cez ne vytvorte bleskový kanál, aplikujte prúd cez plazmu. Súčasne ožarujte kapsuly a plazmu laserovým žiarením. A v rovnakom čase alebo skôr zapnite tokamak. Súčasne použite tri procesy plazmového ohrevu. To znamená, že poskladajte Z-stroj a laserový ohrev vo vnútri Tokamaku. Môže byť možné vytvoriť oscilačný obvod z cievok Tokamaku a zorganizovať rezonanciu. Potom by fungoval v ekonomickom oscilačnom režime.

Palivový cyklus

Reaktory prvej generácie budú s najväčšou pravdepodobnosťou pracovať na zmesi deutéria a trícia. Neutróny, ktoré sa objavia počas reakcie, budú absorbované štítom reaktora a uvoľnené teplo sa použije na ohrev chladiva vo výmenníku tepla a táto energia sa zase využije na otáčanie generátora.

. .

Reakcia s Li6 je exotermická a poskytuje reaktoru len málo energie. Reakcia s Li7 je endotermická – nespotrebováva však neutróny. Na nahradenie neutrónov stratených v reakciách s inými prvkami sú potrebné aspoň niektoré reakcie Li7. Väčšina návrhov reaktorov využíva prírodné zmesi izotopov lítia.

Toto palivo má niekoľko nevýhod:

Reakciou vzniká značné množstvo neutrónov, ktoré aktivujú (rádioaktívne infikujú) reaktor a výmenník tepla. Potrebné sú aj opatrenia na ochranu pred možným zdrojom rádioaktívneho trícia.

Len asi 20 % fúznej energie je vo forme nabitých častíc (zvyšok sú neutróny), čo obmedzuje možnosť priamej premeny fúznej energie na elektrinu. Využitie D-T reakcie závisí od dostupných zásob lítia, ktoré sú oveľa menšie ako zásoby deutéria. Expozícia neutrónov počas D-T reakcie je taká významná, že po prvej sérii testov v JET, najväčšom reaktore doteraz používajúceho toto palivo, sa reaktor stal natoľko rádioaktívnym, že na dokončenie ročného testovacieho cyklu bolo potrebné pridať robotický systém diaľkovej údržby. .

Teoreticky existujú alternatívne typy palív, ktoré nemajú tieto nevýhody. Ich použitiu ale bráni zásadné fyzické obmedzenie. Pre získanie dostatku energie z fúznej reakcie je potrebné po určitú dobu udržať dostatočne hustú plazmu pri teplote fúzie (10 8 K). Tento základný aspekt syntézy je opísaný súčinom hustoty plazmy n a času τ obsahu zohriatej plazmy, ktorý je potrebný na dosiahnutie bodu rovnováhy. Súčin nτ závisí od typu paliva a je funkciou teploty plazmy. Zmes deutéria a trícia vyžaduje zo všetkých druhov paliva najnižšiu hodnotu nτ aspoň o jeden rád a najnižšiu reakčnú teplotu aspoň 5-krát. Reakcia D-T je teda nevyhnutným prvým krokom, ale použitie iných palív zostáva dôležitým cieľom výskumu.

Fúzna reakcia ako priemyselný zdroj energie

Energia jadrovej syntézy je mnohými výskumníkmi považovaná za „prirodzený“ zdroj energie z dlhodobého hľadiska. Zástancovia komerčného využitia fúznych reaktorov na výrobu energie uvádzajú vo svoj prospech tieto argumenty:

• Takmer nevyčerpateľné zásoby paliva (vodík)
• Palivo možno získavať z morskej vody na akomkoľvek pobreží sveta, čo znemožňuje jednej alebo skupine krajín monopolizovať palivo
• Nemožnosť nekontrolovanej fúznej reakcie
• Žiadne produkty 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 zanedbateľné množstvo rádioaktívneho odpadu s krátkym polčasom rozpadu.
• Odhaduje sa, že náprstok naplnený deutériom vyprodukuje ekvivalent 20 ton uhlia. Stredne veľké jazero je schopné poskytnúť každej krajine energiu na stovky rokov. Treba však poznamenať, že existujúce výskumné reaktory sú navrhnuté tak, aby dosahovali priamu reakciu deutérium-trícium (DT), ktorej palivový cyklus vyžaduje použitie lítia na výrobu trícia, zatiaľ čo tvrdenia o nevyčerpateľnej energii odkazujú na použitie deutéria-deutéria. (DD) reakcia v druhej generácii reaktorov.
• Rovnako ako štiepna reakcia, ani fúzna reakcia neprodukuje žiadne atmosférické emisie oxidu uhličitého, ktorý je hlavným prispievateľom ku globálnemu otepľovaniu. To je značná výhoda, keďže využívanie fosílnych palív na výrobu elektriny má za následok, že napríklad USA vyprodukujú 29 kg CO 2 (jeden z hlavných plynov, ktorý možno považovať za príčinu globálneho otepľovania) na jedného obyvateľa USA. za deň.

Náklady na elektrickú energiu v porovnaní s tradičnými zdrojmi

Kritici poukazujú na to, že otázka ekonomickej realizovateľnosti využívania jadrovej syntézy na výrobu elektriny zostáva otvorená. Rovnaká štúdia, ktorú si objednal Úrad pre vedecké a technologické práva britského parlamentu, naznačuje, že náklady na výrobu elektriny pomocou fúzneho reaktora budú pravdepodobne na vrchole nákladového spektra pre konvenčné zdroje energie. Veľa bude závisieť od budúcej technológie, štruktúry a regulácie trhu. Náklady na elektrickú energiu priamo závisia od efektívnosti využívania, trvania prevádzky a nákladov na vyradenie reaktora z prevádzky. Kritici komerčného využitia energie jadrovej syntézy popierajú, že uhľovodíkové palivá sú vo veľkej miere dotované vládou, či už priamo alebo nepriamo, ako napríklad použitie ozbrojených síl na zabezpečenie ich nepretržitého zásobovania, vojna v Iraku sa často uvádza ako kontroverzný príklad tento spôsob dotácie. Účtovanie takýchto nepriamych dotácií je veľmi zložité a presné porovnanie nákladov je takmer nemožné.

Je tu aj otázka nákladov na výskum. Krajiny Európskeho spoločenstva vynakladajú ročne približne 200 miliónov eur na výskum a predpokladá sa, že potrvá ešte niekoľko desaťročí, kým bude možné priemyselné využitie jadrovej fúzie. Zástancovia alternatívnych zdrojov energie sa domnievajú, že by bolo vhodnejšie tieto prostriedky nasmerovať do zavádzania obnoviteľných zdrojov energie.

Dostupnosť komerčnej energie jadrovej syntézy

Žiaľ, napriek rozšírenému optimizmu (bežnému od 50. rokov 20. storočia, kedy sa začali prvé výskumy), doteraz neboli prekonané významné prekážky medzi dnešným chápaním procesov jadrovej fúzie, technologickými možnosťami a praktickým využitím jadrovej fúzie, nie je jasné ani to, do akej miery byť ekonomicky rentabilná výroba elektriny pomocou termonukleárnej fúzie. Hoci pokrok vo výskume je neustály, výskumníci neustále čelia novým výzvam. Výzvou je napríklad vyvinúť materiál, ktorý dokáže odolať bombardovaniu neutrónmi, ktoré je podľa odhadov 100-krát intenzívnejšie ako bežné jadrové reaktory.

Vo výskume existujú nasledujúce fázy:

1.Rovnovážny alebo „prechodový“ režim(Break-even): keď sa celková energia, ktorá sa uvoľní počas procesu fúzie, rovná celkovej energii vynaloženej na spustenie a podporu reakcie. Tento pomer je označený Q. Rovnováha reakcie bola demonštrovaná na JET (Joint European Torus) v Spojenom kráľovstve v roku 1997. (Po tom, čo vedci minuli 52 MW elektriny na vykurovanie, na výstupe dostali výkon o 0,2 MW vyšší, ako sa minul.)

2.Žiarivá plazma(Burning Plasma): Medzistupeň, v ktorom bude reakcia podporovaná hlavne alfa časticami, ktoré vznikajú počas reakcie, a nie vonkajším ohrevom. Q ≈ 5. Stále nedosiahnuté.

3. Zapaľovanie(Ignition): Stabilná reakcia, ktorá sa sama udrží. Malo by sa dosiahnuť pri vysokých hodnotách Q. Zatiaľ nedosiahnuté.

Ďalším krokom vo výskume by mal byť ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor. V tomto reaktore sa plánuje štúdium správania sa vysokoteplotnej plazmy (plamiaca plazma s Q ~ 30) a konštrukčných materiálov pre priemyselný reaktor. Záverečnou fázou výskumu bude DEMO: prototyp priemyselného reaktora, ktorý dosiahne zapálenie a preukáže praktickú vhodnosť nových materiálov. Najoptimistickejšie prognózy na dokončenie DEMO fázy: 30 rokov. Ak vezmeme do úvahy predpokladaný čas výstavby a uvedenia priemyselného reaktora do prevádzky, delí nás od priemyselného využitia termonukleárnej energie ~40 rokov.

Existujúce tokamaky

Celkovo bolo na svete vyrobených asi 300 tokamakov. Najväčšie z nich sú uvedené nižšie.

• ZSSR a Rusko
  • T-3 je prvý funkčný prístroj.
  • T-4 - zväčšená verzia T-3
  • T-7 je unikátna inštalácia, do ktorej bol po prvý raz na svete implementovaný pomerne veľký magnetický systém so supravodivým solenoidom na báze cíničitanu, chladený tekutým héliom. Hlavná úloha T-7 bola dokončená: bola pripravená perspektíva ďalšej generácie supravodivých solenoidov termonukleárnej energie.
  • T-10 a PLT sú ďalším krokom vo svetovom výskume fúzie, sú takmer rovnako veľké, majú rovnaký výkon, s rovnakým faktorom zadržania. A získané výsledky sú identické: v oboch reaktoroch bola dosiahnutá vytúžená teplota termonukleárnej fúzie a oneskorenie podľa Lawsonovho kritéria je len dvestonásobné.
  • T-15 je dnešný reaktor so supravodivým solenoidom, ktorý dáva pole 3,6 T.
• Líbya
  • TM-4A
• Európe a Veľkej Británii
  • JET (anglicky) (Joint Europeus Tor) je najväčší tokamak na svete, ktorý vytvorila organizácia Euratom vo Veľkej Británii. Využíva kombinovaný ohrev: 20 MW - neutrálne vstrekovanie, 32 MW - iónovo-cyklotrónová rezonancia. V dôsledku toho je Lawsonovo kritérium len 4-5 krát nižšie ako úroveň vznietenia.
  • Tore Supra (fr.) (angl.) je tokamak so supravodivými cievkami, jeden z najväčších na svete. Nachádza sa vo výskumnom centre Cadarache (Francúzsko).
• USA
  • TFTR (anglicky) (Test Fusion Tokamak Reactor) - najväčší americký tokamak (na Princetonskej univerzite) s dodatočným ohrevom rýchlymi neutrálnymi časticami. Bol dosiahnutý vysoký výsledok: Lawsonovo kritérium pri skutočnej termonukleárnej teplote je len 5,5-krát nižšie ako prah vznietenia. Zatvorené v roku 1997
  • NSTX (anglicky) (National Spherical Torus Experiment) je sférický tokamak (sferomak), ktorý v súčasnosti funguje na Princetonskej univerzite. Prvá plazma v reaktore bola získaná v roku 1999, dva roky po uzavretí TFTR.

Podľa moderných astrofyzikálnych koncepcií je hlavným zdrojom energie pre Slnko a ďalšie hviezdy 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 zvládnuť tento proces a na jeho základe vytvoriť lacný a ekologický zdroj energie. 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 ne prírodné rádioaktívne prvky urán a tórium, ktorých prevalencia a zásoby v prírode sú veľmi obmedzené; preto je pre mnohé krajiny problémom ich dovozu. Hlavnou zložkou termonukleárneho paliva je izotop vodíka deutérium, ktorý sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú verejne dostupné a veľmi veľké (svetový oceán pokrýva ~ 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 priamu výrobu elektriny.

FYZIKÁLNE ZÁKLADY JADROVEJ FÚZIE

Úspešná realizácia fúznej reakcie závisí od vlastností použitých atómových jadier a možnosti získania hustej vysokoteplotnej plazmy, 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. Akčný rádius elektrostatických síl je oveľa väčší ako u jadrových síl, takže začnú prevládať, keď sú jadrá od seba ďalej.

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

Pravdepodobnosť, že dve jadrá budú interagovať, je charakterizovaná „reakčným prierezom“, meraným v stodolách (1 b = 10–24 cm 2 ). Reakčný prierez je oblasť efektívneho prierezu jadra, do ktorej sa musí „dostať“ 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 asi 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 Cockcroft-Waltonovho experimentu) pre CTS nevhodná, pretože získaná energia je v tomto prípade oveľa menšia ako vynaložená energia.

Termonukleárne 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 realizáciu termonukleárnej fúzie na zemi je vhodnejším typom paliva, ako je uvedené vyššie, deutérium.

Najpravdepodobnejšia reakcia sa však uskutočňuje v zmesi rovnakých zložiek deutéria a trícia (DT-zmes). Žiaľ, trícium je rádioaktívne a pre svoj krátky polčas rozpadu (T 1/2 ~ 12,3 roka) sa v prírode prakticky nikdy nenachádza. Získava 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 - fúznych reakcií, keďže trícium možno vyrobiť ožiarením izotopu 6 Li neutrónmi vznikajúcimi počas fúzie: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ak je termonukleárna komora obklopená vrstvou 6 Li (prírodné lítium obsahuje 7%), potom je možné vykonať úplnú reprodukciu spotrebného trícia. A hoci v praxi sa časť neutrónov nevyhnutne stratí, ich strata sa dá ľahko doplniť zavedením takého prvku, ako je berýlium, do obalu, ktorého jadro, 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 zatiaľ zavedený len v laboratóriách.

Časové a teplotné podmienky.

Získanie užitočnej termonukleárnej energie je možné len pri splnení dvoch podmienok. Najprv treba zmes určenú na syntézu zahriať na teplotu, pri ktorej kinetická energia jadier zabezpečí vysokú pravdepodobnosť ich splynutia pri zrážke. Po druhé, reakčná zmes musí byť veľmi dobre tepelne izolovaná (t.j. vysoká teplota sa musí udržiavať dostatočne dlho, aby prebehol požadovaný počet reakcií a vďaka tomu uvoľnená energia prevyšuje energiu vynaloženú na ohrev paliva).

V kvantitatívnej forme je tento stav vyjadrený nasledovne. Na zahriatie termonukleárnej zmesi je potrebné zásobiť energiou jeden kubický centimeter jej objemu P 1 = knt, kde k- číselný koeficient, n- hustota zmesi (počet zárodkov v 1 cm3), T- požadovaná teplota. Na udržanie reakcie je potrebné zachovať energiu odovzdanú termonukleárnej zmesi 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 cm 3) sa vyjadruje takto:

kde f(T) je koeficient závislý od teploty zmesi a jej zloženia, R je 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 dokonalosť tepelnej izolácie. Pravá strana – „Lawsonovo číslo“ – závisí len od teploty a zloženia zmesi a čím je väčšia, tým sú požiadavky na tepelnú izoláciu prísnejšie, t.j. tým ťažšie je vytvoriť reaktor. V oblasti prijateľných teplôt je Lawsonovo číslo pre čisté deutérium 1016 s/cm3 a pre rovnozložkovú zmes DT je ​​to 2x1014 s/cm3. Preto je DT zmes preferovaným fúznym palivom.

V súlade s Lawsonovým kritériom, ktoré určuje energeticky priaznivú hodnotu súčinu hustoty a času uzavretia, by sa mal v termonukleárnom reaktore použiť čo najväčší. n alebo t. Štúdie CTS sa preto rozchádzali do dvoch rôznych smerov: v prvom sa výskumníci snažili udržať relatívne riedku plazmu pomocou magnetického poľa dostatočne dlhú dobu; v druhom s pomocou laserov na krátky čas vytvoriť plazmu s veľmi vysokou hustotou. Oveľa viac práce sa venovalo prvému prístupu ako druhému.

Magnetické obmedzenie plazmy.

Počas fúznej reakcie musí hustota horúceho reaktantu 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 prijmete P rovná 100 W / cm 3 (čo približne zodpovedá energii uvoľnenej palivovými článkami v jadrových štiepnych reaktoroch), potom hustota n by mala byť cca. 10 15 jadier / cm 3 a zodpovedajúci tlak nt- asi 3 MPa. Retenčný čas by v tomto prípade podľa Lawsonovho kritéria mal byť aspoň 0,1 s. Pre plazmu deutérium-deutérium pri teplote 109 K

V tomto prípade, kedy P\u003d 100 W / cm 3, n» 3×10 15 jadier/cm 3 a tlaku cca 100 MPa, potrebný čas zdržania bude viac ako 1 s. Všimnite si, že tieto hustoty sú len 0,0001 atmosférického vzduchu, takže komora reaktora musí byť evakuovaná do vysokého vákua.

Vyššie uvedené odhady retenčného času, teploty a hustoty sú typickými minimálnymi parametrami potrebnými na prevádzku fúzneho reaktora a možno ich ľahšie dosiahnuť v prípade zmesi deutérium-trícium. Pokiaľ ide o termonukleárne reakcie, ku ktorým dochádza pri výbuchu vodíkovej bomby a vo vnútri hviezd, treba mať na pamäti, že v dôsledku úplne odlišných podmienok prebiehajú v prvom prípade veľmi rýchlo a v druhom prípade extrémne pomaly. v porovnaní s procesmi v termonukleárnom reaktore.

Plazma.

Keď sa plyn silne zahrieva, jeho atómy čiastočne alebo úplne strácajú elektróny, čo vedie k tvorbe kladne nabitých častíc nazývaných ióny a voľné elektróny. Pri teplotách nad milión stupňov sa plyn pozostávajúci z ľahkých prvkov úplne ionizuje, t.j. každý atóm stratí všetky svoje elektróny. Plyn v ionizovanom stave sa nazýva plazma (termín zaviedol I. Langmuir). Vlastnosti plazmy sa výrazne líšia od vlastností neutrálneho plynu. Keďže v plazme sú voľné elektróny, plazma vedie elektrický prúd 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 na teplote 10 8 K, musí byť spoľahlivo tepelne izolovaná. V princípe možno plazmu izolovať od stien komory umiestnením do silného magnetického poľa. To zabezpečujú sily, ktoré vznikajú pri interakcii prúdov s magnetickým poľom v plazme.

Pôsobením magnetického poľa sa ióny a elektróny pohybujú v špirálach pozdĺž jeho siločiar. Prechod z jednej siločiary na druhú je možný pri zrážke častíc a pri pôsobení priečneho elektrického poľa. V neprítomnosti elektrických polí bude vysokoteplotná riedka plazma, v ktorej zriedkavo dochádza ku kolíziám, len pomaly difundovať 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 obmedzenie plazmy boli navrhnuté aj otvorené systémy (so siločiarami vychádzajúcimi z koncov komory smerom von), v ktorých častice zostávajú vo vnútri komory v dôsledku magnetických „zástrčiek“, ktoré obmedzujú pohyb častíc. Magnetické zrkadlá sú vytvorené na koncoch komory, kde sa v dôsledku postupného zvyšovania intenzity poľa vytvára zužujúci sa lúč siločiar.

V praxi sa ukázalo, že magnetické obmedzenie plazmy s dostatočne vysokou hustotou 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, opustiť uzavretú zónu v priebehu niekoľkých miliónov sekúnd a odovzdávať teplo stenám komory. Takáto nestabilita môže byť potlačená poskytnutím určitej konfigurácie magnetickému poľu.

Kinetické nestability sú veľmi rôznorodé a boli študované menej podrobne. Sú medzi nimi také, ktoré narúšajú usporiadané procesy, ako je tok konštantného elektrického prúdu alebo prúd častíc plazmou. Iné kinetické nestability spôsobujú vyššiu rýchlosť priečnej difúzie plazmy v magnetickom poli, než akú predpovedá teória zrážky pre tichú plazmu.

Systémy s uzavretou magnetickou konfiguráciou.

Ak sa na ionizovaný vodivý plyn aplikuje silné elektrické pole, objaví sa v ňom výbojový prúd a súčasne 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 vlákna, potom vznikajúce radiálne sily, ako gumové pásy, stláčajú vlákno a posúvajú hranicu plazmy preč od stien komory, ktorá ho obsahuje. Tento jav, teoreticky predpovedaný W. Bennettom v roku 1934 a experimentálne demonštrovaný prvýkrát A. Wareom v roku 1951, sa nazýva pinch efekt. Metóda pinch sa aplikuje na plazmové zadržiavanie; 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 pochopiť problémy, s ktorými sa dnes experimentátori stretávajú.

Okrem difúzie plazmy v radiálnom smere dochádza aj k pozdĺžnemu driftu a jeho výstupu cez konce plazmového stĺpca. Straty cez konce môžu byť eliminované, ak je komora s plazmou v tvare šišky (torus). V tomto prípade sa získa toroidné zovretie.

Pre vyššie opísanú jednoduchú štipku sú magnetohydrodynamické nestability, ktoré sú s ňou spojené, vážnym problémom. Ak dôjde k malému ohybu v blízkosti stĺpca plazmy, potom sa hustota magnetických siločiar na vnútornej strane ohybu zvýši (obr. 1). Magnetické siločiary, ktoré sa správajú ako vlákna odolávajúce stlačeniu, sa rýchlo začnú "vyduť", takže ohyb sa bude zväčšovať, až kým sa nezničí celá štruktúra plazmového vlákna. V dôsledku toho sa plazma dostane do kontaktu so stenami komory a ochladí sa. Na vylúčenie tohto katastrofálneho javu sa pred prechodom hlavného axiálneho prúdu v komore vytvorí pozdĺžne magnetické pole, ktoré spolu s neskôr aplikovaným kruhovým poľom „narovnáva“ začínajúce ohýbanie plazmového stĺpca (obr. 2). ). Princíp stabilizácie plazmového stĺpca axiálnym poľom je základom pre dva perspektívne projekty termonukleárnych reaktorov - tokamak a pinch s obráteným magnetickým poľom.

Otvorené magnetické konfigurácie.

zotrvačné držanie.

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. Kompresiu a ohrev na termonukleárne teploty je možné vykonávať supervýkonnými laserovými impulzmi, rovnomerne a súčasne ožarujúcimi palivovú guľu zo všetkých strán (obr. 4). Okamžitým odparovaním jej povrchových vrstiev nadobudnú vymrštené častice veľmi vysoké rýchlosti a loptička je pod pôsobením veľkých tlakových síl. 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 vyššie ako hustota vody. Pri tejto hustote sa takmer všetka termonukleárna energia uvoľní vo forme malého výbuchu za ~10–12 s. Vyskytujúce sa mikrovýbuchy, z ktorých každá je ekvivalentná 1–2 kg TNT, nespôsobia poškodenie reaktora a realizácia sekvencie takýchto mikrovýbuchov v krátkych intervaloch by umožnila realizovať takmer nepretržitú produkciu užitočnej energie. Pre inerciálnu izoláciu je veľmi dôležité usporiadanie palivového terča. Terč v podobe koncentrických gúľ z ťažkých a ľahkých materiálov umožní dosiahnuť čo najefektívnejšie odparovanie častíc a následne aj najväčšie stlačenie.

Výpočty ukazujú, že pre energiu laserového žiarenia rádovo megajoule (106 J) a účinnosť 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 lúča ťažkých iónov namiesto laserového lúča alebo kombinácie takéhoto lúča so svetelným lúčom. Vďaka modernej technológii má tento spôsob spustenia reakcie oproti laseru výhodu, pretože umožňuje získať užitočnejšiu energiu. Nevýhodou je náročnosť zaostrenia lúča na cieľ.

INŠTALÁCIE S MAGNETICKÝM UCHYCENÍM

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

Na obmedzenie plazmy toroidným magnetickým poľom B j je potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých by plazma nebola vytlačená na steny torusu. To sa dosiahne "skrútením" magnetických siločiar (takzvaná "rotačná transformácia"). Toto krútenie sa vykonáva dvoma spôsobmi. Pri prvom spôsobe prechádza plazmou prúd, ktorý vedie ku konfigurácii už uvažovaného stabilného zovretia. Prúd magnetického poľa B q J - B q spolu s B j vytvára celkové pole s potrebným zákrutom. Ak B j B q , dostaneme konfiguráciu známu ako tokamak (skratka výrazu „TOROIDÁLNA KAMERA S MAGNETICKÝMI CIEVKAMI“). Tokamak (obr. 5) bol vyvinutý pod vedením L.A. Artsimoviča v Ústave atómovej energie pomenovanom po V.I. I. V. Kurčatov v Moskve. o B j ~ B q získa sa konfigurácia pinch s obráteným magnetickým poľom.

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

Tokamak.

Dôležitým parametrom, od ktorého závisí obmedzenie toroidnej plazmy, je „rozpätie stability“ q, rovná rB j / R.B. q, kde r a R sú malé a veľké polomery toroidnej plazmy, resp. Pri malom q môže sa vyvinúť špirálová nestabilita, ktorá je analogická s nestabilitou ohybu priameho štipca. Vedci v Moskve experimentálne ukázali, že keď q> 1 (t.j. B j B q) možnosť špirálovej nestability je značne znížená. To umožňuje efektívne využiť teplo uvoľnené prúdom na ohrev plazmy. V dôsledku dlhoročného výskumu sa vlastnosti tokamakov výrazne zlepšili najmä zvýšením rovnomernosti poľa a efektívnym čistením 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 uvoľňovanie tepla pri prechode prúdu prudko znižuje. Zvýšiť prúd v tokamaku nad určitú hranicu nie je možné, pretože plazmový stĺpec môže stratiť stabilitu a preniesť sa na steny komory. Preto sa na ohrev plazmy používajú rôzne doplnkové metódy. Najúčinnejšie z nich sú vstrekovanie lúčov vysokoenergetických neutrálnych atómov a mikrovlnné ožarovanie. V prvom prípade sa ióny zrýchlené na energie 50–200 keV neutralizujú (aby sa zabránilo ich spätnému „odrazu“ magnetickým poľom pri zavedení do komory) a vstrekujú sa 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. Na JET tokamaku krajín Európskej únie bola vstrekovaním neutrálnych častíc získaná plazma s iónovou teplotou 280 miliónov Kelvinov a dobou zadržania 0,85 s. Na deutériovo-tríciovej plazme bol získaný termonukleárny výkon dosahujúci 2 MW. Trvanie reakcie je obmedzené výskytom nečistôt v dôsledku rozprašovania stien komory: nečistoty prenikajú do plazmy a tým, že sú ionizované, výrazne zvyšujú straty energie v dôsledku žiarenia. V súčasnosti sú práce na programe 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 na týchto a ďalších zariadeniach položil základ pre ďalšiu etapu prác v oblasti riadenej termonukleárnej fúzie: v roku 2010 sa plánuje spustenie veľkého reaktora na technické testy. Predpokladá sa, že pôjde o spoločné dielo Spojených štátov amerických, Ruska, krajín Európskej únie a Japonska. pozri tiež TOKAMAK.

Obrátené pole pinch (FOP).

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

Výhodou konfigurácie POP je, že pomer objemových hustôt energie plazmy a magnetického poľa (hodnota b) v nej je väčší ako v tokamaku. Je zásadne dôležité, aby b bolo čo najväčšie, pretože sa tým zníži toroidné pole a následne sa znížia náklady na cievky, ktoré ho vytvárajú, a na celú nosnú konštrukciu. Slabou stránkou 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 špeciálnym špirálovitým vinutím navinutým okolo tela fotoaparátu. Celkové magnetické pole bráni 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 spôsob uchytenia v ňom použitý nesúvisí s prítomnosťou prúdu v plazme (ako v tokamakoch alebo v zariadeniach založených na pinch efekte), a preto môže stelarátor pracovať v stacionárnom režime. . Okrem toho môže mať špirálové vinutie efekt "divertor", t.j. vyčistiť plazmu od nečistôt a odstrániť reakčné produkty.

Zadržiavanie plazmy v stelarátoroch sa komplexne študuje v zariadeniach v Európskej únii, Rusku, Japonsku a Spojených štátoch. Na stelarátore „Wendelstein VII“ v Nemecku bolo možné udržiavať bezprúdovú plazmu s teplotou vyššou ako 5x106 kelvinov, zahrievajúc 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 obmedzením magnetického poľa. Napríklad pre tokamak bolo vypočítané, že Lawsonovo kritérium bude splnené (a dokonca s určitou rezervou) pri sile magnetického poľa ~50 ± 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 je potrebný zdroj elektriny s kapacitou niekoľko stoviek megawattov. Preto je zrejmé, že vinutia cievok musia byť vyrobené zo supravodivých materiálov, ako sú zliatiny nióbu s titánom alebo s cínom. Odolnosť týchto materiálov voči elektrickému prúdu v supravodivom stave je nulová, a preto sa na udržanie magnetického poľa vynaloží minimálne množstvo elektriny.

reaktorová technológia.

Perspektívy termonukleárneho výskumu.

Experimenty uskutočnené na zariadeniach typu tokamak ukázali, že tento systém je veľmi perspektívny ako možný základ pre reaktor UTS. Doterajšie najlepšie výsledky boli dosiahnuté na tokamakoch a existuje nádej, že so zodpovedajúcim zvýšením rozsahu inštalácií budú schopné realizovať priemyselnú riadenú fúziu. Tokamak však nie je dostatočne ekonomický. Na odstránenie tohto nedostatku je potrebné, aby nefungoval v pulznom režime, ako je tomu teraz, ale v nepretržitom režime. Fyzické aspekty tohto problému sú však stále nedostatočne pochopené. 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 pinch s reverzným poľom. Stav výskumu v tejto oblasti dospel do štádia, kedy existujú koncepčné návrhy reaktorov pre väčšinu vysokoteplotných plazmových magnetických systémov a pre niektoré inerciálne uzavreté systémy. Príkladom priemyselného rozvoja tokamaku je projekt Aries (USA).

Vedci z Princeton Plasma Physics Laboratory navrhli myšlienku najodolnejšieho zariadenia na jadrovú fúziu, ktoré môže fungovať viac ako 60 rokov. V súčasnosti je to skľučujúca úloha: vedci zápasia s tým, aby fúzny reaktor fungoval niekoľko minút – a potom roky. Napriek zložitosti je konštrukcia fúzneho reaktora jednou z najsľubnejších úloh vedy, ktorá môže priniesť veľké výhody. Povieme vám, čo potrebujete vedieť o termonukleárnej fúzii.

1. Čo je termonukleárna fúzia?

Nebojte sa tejto ťažkopádnej frázy, v skutočnosti je všetko celkom jednoduché. Termonukleárna fúzia je typ jadrovej reakcie.

Počas jadrovej reakcie jadro atómu interaguje buď s elementárnou časticou, alebo s jadrom iného atómu, vďaka čomu sa mení zloženie a štruktúra jadra. Ťažké atómové jadro sa môže rozpadnúť na dve alebo tri ľahšie - ide o štiepnu reakciu. Existuje aj fúzna reakcia: vtedy sa dve ľahké atómové jadrá spoja do jedného ťažkého.

Na rozdiel od jadrového štiepenia, ktoré môže prebiehať spontánne aj vynútene, je jadrová fúzia nemožná bez dodávky vonkajšej energie. Ako viete, protiklady sa priťahujú, ale atómové jadrá sú kladne nabité - takže sa navzájom odpudzujú. Táto situácia sa nazýva Coulombova bariéra. Na prekonanie odpudzovania je potrebné tieto častice rozptýliť na šialenú rýchlosť. Dá sa to dosiahnuť pri veľmi vysokých teplotách, rádovo niekoľko miliónov kelvinov. Práve tieto reakcie sa nazývajú termonukleárne.

2. Prečo potrebujeme termonukleárnu fúziu?

Pri jadrových a termonukleárnych reakciách sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, ktorá sa dá využiť na rôzne účely – môžete vytvoriť najsilnejšiu zbraň, alebo premeniť jadrovú energiu na elektrickú a zásobiť ju celý svet. V jadrových elektrárňach sa už dlho využíva energia jadrového rozpadu. Ale termonukleárna energia vyzerá sľubnejšie. Pri termonukleárnej reakcii sa na každý nukleón (takzvané základné jadrá, protóny a neutróny) uvoľní oveľa viac energie ako pri jadrovej reakcii. Napríklad kedy štiepenie jadra uránu na nukleón predstavuje 0,9 MeV (megaelektrónvolt), a keďPri syntéze jadra hélia sa z vodíkových jadier uvoľní energia rovnajúca sa 6 MeV. Vedci sa preto učia vykonávať termonukleárne reakcie.

Výskum jadrovej syntézy a výstavba reaktorov umožňujú rozšírenie high-tech výroby, čo je užitočné v iných oblastiach vedy a high-tech.

3. Čo sú termonukleárne reakcie?

Termonukleárne reakcie sa delia na samoudržiavacie, nekontrolované (používané vo vodíkových bombách) a riadené (vhodné na mierové účely).

V interiéroch hviezd prebiehajú samoudržiavacie reakcie. Na Zemi však neexistujú podmienky na to, aby takéto reakcie prebiehali.

Ľudia už dlho vykonávajú nekontrolovanú alebo výbušnú termonukleárnu fúziu. V roku 1952, počas operácie Evie Mike, Američania odpálili prvé termonukleárne výbušné zariadenie na svete, ktoré nemalo ako zbraň žiadnu praktickú hodnotu. A v októbri 1961 bola testovaná prvá termonukleárna (vodíková) bomba na svete (Cár Bomba, matka Kuz'kina), ktorú vyvinuli sovietski vedci pod vedením Igora Kurčatova. Bolo to najsilnejšie výbušné zariadenie v histórii ľudstva: celková energia výbuchu sa podľa rôznych zdrojov pohybovala od 57 do 58,6 megaton TNT. Na odpálenie vodíkovej bomby je najprv potrebné získať vysokú teplotu pri klasickom jadrovom výbuchu – až potom začnú jadrá atómov reagovať.

Sila výbuchu pri nekontrolovanej jadrovej reakcii je veľmi vysoká, navyše je vysoký podiel rádioaktívnej kontaminácie. Preto, aby sa termonukleárna energia využívala na mierové účely, je potrebné naučiť sa s ňou hospodáriť.

4. Čo je potrebné na riadenú termonukleárnu reakciu?

Držte plazmu!

nejasné? Teraz si to poďme vysvetliť.

Po prvé, atómové jadrá. Jadrová energia využíva izotopy - atómy, ktoré sa navzájom líšia počtom neutrónov a podľa toho aj atómovou hmotnosťou. Izotop vodíka deutérium (D) sa extrahuje z vody. Superťažký vodík alebo trícium (T) je rádioaktívny izotop vodíka, ktorý je vedľajším produktom rozpadových reakcií uskutočňovaných v konvenčných jadrových reaktoroch. Aj pri termonukleárnych reakciách sa používa ľahký izotop vodíka protium: toto je jediný stabilný prvok, ktorý nemá v jadre neutróny. Hélium-3 je na Zemi obsiahnuté v zanedbateľných množstvách, ale je veľmi hojné v lunárnej pôde (regolit): v 80. rokoch NASA vyvinula plán hypotetických zariadení na spracovanie regolitu a extrakciu izotopov. Na druhej strane je na našej planéte rozšírený ďalší izotop, bór-11. 80% bóru na Zemi je izotop potrebný pre jadrových vedcov.

Po druhé, teplota je veľmi vysoká. Látkou zúčastňujúcou sa termonukleárnej reakcie by mala byť takmer úplne ionizovaná plazma – ide o plyn, v ktorom oddelene plávajú voľné elektróny a ióny rôzneho náboja. Na premenu látky na plazmu je potrebná teplota 10 7 -10 8 K – to sú stovky miliónov stupňov Celzia! Takéto ultra vysoké teploty možno dosiahnuť vytvorením vysokovýkonných elektrických výbojov v plazme.

Je však nemožné jednoducho zahriať potrebné chemické prvky. Každý reaktor sa pri týchto teplotách okamžite vyparí. Tu je potrebný úplne iný prístup. K dnešnému dňu je možné udržať plazmu v obmedzenom priestore pomocou vysokovýkonných elektrických magnetov. Ale zatiaľ nebolo možné plne využiť energiu získanú v dôsledku termonukleárnej reakcie: aj pod vplyvom magnetického poľa sa plazma šíri vo vesmíre.

5. Aké reakcie sú najsľubnejšie?

Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú využiť na riadenú termonukleárnu fúziu, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a vo vzdialenejšej budúcnosti hélium-3 (3He) a bór-11 (11B).

Tu sú najzaujímavejšie reakcie.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reakcia deutérium-trícium.

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 % je takzvaný deutérium monopropelant.

Reakcie 1 a 2 sú plné neutrónovej rádioaktívnej kontaminácie. Najsľubnejšie sú preto reakcie „bez neutrónov“.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deutérium reaguje s héliom-3. Problém je v tom, že hélium-3 je extrémne zriedkavé. Výťažok bez neutrónov však robí túto reakciu sľubnou.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bór-11 reaguje s protiom, výsledkom čoho sú častice alfa, ktoré môžu byť absorbované hliníkovou fóliou.

6. Kde uskutočniť takúto reakciu?

Prirodzeným fúznym reaktorom je hviezda. V ňom je plazma držaná pod vplyvom gravitácie a žiarenie je absorbované - teda jadro sa neochladzuje.

Na Zemi je možné termonukleárne reakcie vykonávať iba v špeciálnych zariadeniach.

impulzné systémy. V takýchto systémoch sú deutérium a trícium ožarované ultra vysokým výkonom laserových lúčov alebo elektrónových/iónových lúčov. Takéto ožarovanie spôsobuje sled termonukleárnych mikrovýbuchov. Je však nerentabilné používať takéto systémy v priemyselnom meradle: na zrýchlenie atómov sa vynakladá oveľa viac energie, ako sa získa v dôsledku fúzie, pretože nie všetky zrýchlené atómy vstupujú do reakcie. Preto mnohé krajiny budujú kvázistacionárne systémy.

Kvázistacionárne systémy. V takýchto reaktoroch je plazma držaná magnetickým poľom pri nízkom tlaku a vysokej teplote. Existujú tri typy reaktorov založených na rôznych konfiguráciách magnetického poľa. Ide o tokamaky, stelarátory (torsatrony) a zrkadlové pasce.

tokamak znamená "toroidná komora s magnetickými cievkami". Ide o kameru vo forme „donutu“ (torusu), na ktorom sú navinuté cievky. Hlavnou črtou tokamaku je použitie striedavého elektrického prúdu, ktorý preteká plazmou, ohrieva ju a vytvára okolo seba magnetické pole a drží ju.

AT stelarátor (torsatron) magnetické pole je úplne obsiahnuté magnetickými cievkami a na rozdiel od tokamaku môže byť prevádzkované nepretržite.

W zrkadlové (otvorené) pasce využíva sa princíp odrazu. Komora je na oboch stranách uzavretá magnetickými „zátkami“, ktoré odrážajú plazmu a držia ju v reaktore.

O prvenstvo dlho bojovali zrkadlové pasce a tokamaky. Spočiatku sa koncept pasce zdal jednoduchší a teda lacnejší. Začiatkom 60. rokov boli otvorené pasce hojne financované, ale nestabilita plazmy a neúspešné pokusy zadržať ju magnetickým poľom prinútili tieto inštalácie skomplikovať - ​​zdanlivo jednoduché konštrukcie sa zmenili na pekelné stroje a nepodarilo sa dosiahnuť stabilný výsledok. Preto sa v 80. rokoch dostali do popredia tokamaky. V roku 1984 bol vypustený európsky tokamak JET, ktorého cena bola len 180 miliónov dolárov a parametre umožňovali uskutočniť termonukleárnu reakciu. V ZSSR a Francúzsku boli navrhnuté supravodivé tokamaky, ktoré nevynakladali takmer žiadnu energiu na činnosť magnetického systému.

7. Kto sa teraz učí vykonávať termonukleárne reakcie?

Mnohé krajiny budujú svoje vlastné fúzne reaktory. Experimentálne reaktory sú v Kazachstane, Číne, USA a Japonsku. Kurčatov inštitút pracuje na reaktore IGNITOR. Nemecko spustilo stelarátorový fúzny reaktor Wendelstein 7-X.

Najznámejším medzinárodným projektom je tokamak ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) vo výskumnom centre Cadarache (Francúzsko). Jeho výstavba mala byť dokončená v roku 2016, no množstvo potrebnej finančnej podpory narástlo a načasovanie experimentov sa posunulo na rok 2025. Na činnostiach ITER sa podieľa Európska únia, USA, Čína, India, Japonsko, Južná Kórea a Rusko. Hlavný podiel na financovaní má EÚ (45 %), zvyšok účastníkov dodáva high-tech zariadenia. Rusko vyrába najmä supravodivé materiály a káble, rádiové trubice na ohrev plazmy (gyrotróny) a poistky pre supravodivé cievky, ako aj komponenty pre najzložitejšiu časť reaktora – prvú stenu, ktorá musí odolávať elektromagnetickým silám, neutrónovému žiareniu a plazmového žiarenia.

8. Prečo stále nepoužívame termonukleárne reaktory?

Moderné zariadenia tokamaku nie sú termonukleárne reaktory, ale výskumné zariadenia, v ktorých je existencia a uchovanie plazmy možná len na chvíľu. Faktom je, že vedci sa ešte nenaučili, ako udržať plazmu v reaktore po dlhú dobu.

V súčasnosti je jedným z najväčších úspechov v oblasti jadrovej fúzie úspech nemeckých vedcov, ktorí dokázali zohriať plynný vodík na 80 miliónov stupňov Celzia a udržať oblak vodíkovej plazmy na štvrť sekundy. A v Číne sa vodíková plazma zahriala na 49,999 milióna stupňov a udržala sa 102 sekúnd. Ruským vedcom z (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) sa podarilo dosiahnuť stabilný ohrev plazmy až na desať miliónov stupňov Celzia. Američania však nedávno navrhli metódu na zadržanie plazmy na 60 rokov – a to vzbudzuje optimizmus.

Okrem toho existuje kontroverzia týkajúca sa ziskovosti fúzie v priemysle. Nie je známe, či prínosy výroby elektriny vykompenzujú náklady na fúziu. Navrhuje sa experimentovať s reakciami (napríklad opustiť tradičnú reakciu deutérium-trícium alebo monopropelant v prospech iných reakcií), konštrukčnými materiálmi - alebo dokonca opustiť myšlienku priemyselnej termonukleárnej fúzie a použiť ju iba na jednotlivé reakcie pri štiepení. reakcie. Vedci však stále pokračujú v experimentoch.

9. Sú fúzne reaktory bezpečné?

Pomerne. Trícium, ktoré sa používa pri termonukleárnych reakciách, je rádioaktívne. Navyše neuróny uvoľnené v dôsledku fúzie ožarujú štruktúru reaktora. Samotné prvky reaktora sú pokryté rádioaktívnym prachom v dôsledku vystavenia plazme.

Fúzny reaktor je však z hľadiska žiarenia oveľa bezpečnejší ako jadrový. V reaktore je relatívne málo rádioaktívnych látok. Konštrukcia samotného reaktora navyše predpokladá absenciu „otvorov“, cez ktoré môže unikať žiarenie. Vákuová komora reaktora musí byť utesnená, inak reaktor jednoducho nemôže fungovať. Pri výstavbe termonukleárnych reaktorov sa používajú materiály testované jadrovou energiou a v miestnostiach sa udržiava znížený tlak.

Kedy sa objavia fúzne elektrárne?

Vedci najčastejšie hovoria niečo ako „do 20 rokov vyriešime všetky základné otázky“. Jadroví inžinieri hovoria o druhej polovici 21. storočia. Politici hovoria o mori čistej energie za cent, bez toho, aby sa obťažovali dátumami.

Ako vedci hľadajú temnú hmotu v útrobách Zeme

Pred stovkami miliónov rokov si minerály pod zemským povrchom mohli zachovať stopy tajomnej látky. Zostáva len dostať sa k nim. Viac ako dve desiatky podzemných laboratórií roztrúsených po celom svete sú zaneprázdnené hľadaním temnej hmoty.

Ako sibírski vedci pomohli človeku letieť ku hviezdam

12. apríla 1961 uskutočnil Jurij Gagarin prvý let do vesmíru - dobrosrdečný úsmev pilota a jeho veselé "Poďme!" sa stal triumfom sovietskej kozmonautiky. Aby sa tento let mohol uskutočniť, vedci po celej krajine si lámali hlavu nad tým, ako vyrobiť takú raketu, ktorá by odolala všetkým nebezpečenstvám neprebádaného vesmíru – tu by mohli nápady vedcov zo Sibírskej pobočky akadémie vied nezaobišli bez.

Budúcnosť. Vedci pred 60-70 rokmi hľadali spôsoby, ako získať lacnejšiu energiu. Metóda je známa už dlho, ale ani dnes je nemožné kontrolovať energiu takejto sily. Hovoríme o termonukleárnej fúzii. Riadená termonukleárna fúzia je syntéza ťažších atómových jadier z ľahších s cieľom získať obrovskú energiu, ktorá je na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (používanej vo vodíkových bombách) úplne riadená.

Riadená termonukleárna fúzia sa líši od tradičnej fúzie v tom, že využíva rozpadovú reakciu, počas ktorej možno z ťažkých jadier získať ľahšie jadrá. Termonukleárny reaktor je z hľadiska žiarenia oveľa bezpečnejší ako jadrový reaktor (jadrový reaktor). Po prvé, množstvo rádioaktívnych látok v ňom je relatívne malé, čo ho robí takmer ekologickým.

Energia, ktorá sa môže uvoľniť v dôsledku nejakej nehody, je tiež relatívne malá a nemôže viesť k zničeniu reaktora. V konštrukcii reaktora zároveň existuje niekoľko prirodzených prekážok, ktoré bránia šíreniu rádioaktívnych látok. Napríklad vákuová komora a plášť ktiostatu musia byť úplne utesnené, inak reaktor jednoducho nemôže fungovať. Pri projektovaní sa však veľká pozornosť venovala radiačnej bezpečnosti ako pri bežnej prevádzke, tak aj pri prípadných haváriách.

Termonukleárna fúzia, reakcia izotopov vodíka, na rozdiel od atómovej reakcie je termonukleárna reakcia fúzna reakcia, prípadne vzniká hélium a hélium vzniká uvoľnením kolosálnej tepelnej energie. Termonukleárnu fúziu je možné získať iba v špeciálnom zariadení zvanom tokamak (toroidná komora s magnetickými cievkami), sovietskym náprotivkom je synchrofazotrón. Experimenty v oblasti termonukleárnej energetiky sa v Sovietskom zväze začali realizovať už v 30. rokoch minulého storočia, no problém ešte nie je úplne vyriešený.

Obrovská tepelná energia je nekontrolovateľná a využíva sa len v termonukleárnych zbraniach. Projekt prvého termonukleárneho reaktora na svete je spustený už 10 rokov, stavať sa začalo vo Francúzsku a podľa vedcov sa svet dočká prvej riadenej termonukleárnej fúzie v roku 2026. Ak bude možné uskutočniť fúziu, potom s najväčšou pravdepodobnosťou ceny elektrickej energie prudko klesnú, pretože na termonukleárnu fúziu je potrebná iba voda ...

Pre porovnanie povedzme, že ak 1 pohár vody podlieha termonukleárnej fúzii, potom je možné dodávať elektrinu do malého mesta na 1 deň! To je sila vody! (presnejšie vodík). Ale okrem termonukleárnej fúzie existuje niekoľko ďalších typov alternatívnych spôsobov výroby elektriny, ale o tom sa môžete dozvedieť v tejto recenzii, vďaka za vašu pozornosť - A. Kasyan.

Diskutujte o článku CONTROLLED Fusion

termonukleárna fúzia, reakcia fúzie ľahkých atómových jadier na ťažšie jadrá, prebiehajúca pri supervysokých teplotách a sprevádzaná uvoľnením obrovského množstva energie. Jadrová fúzia je reverzná reakcia atómového štiepenia: pri druhom štiepení sa energia uvoľňuje v dôsledku štiepenia ťažkých jadier na ľahšie. pozri tiež JADROVÉ ŠTIEPENIE; JADROVÁ ENERGIA.

Podľa moderných astrofyzikálnych koncepcií je hlavným zdrojom energie pre Slnko a ďalšie hviezdy 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 zvládnuť tento proces a na jeho základe vytvoriť lacný a ekologický zdroj energie. 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 ne prírodné rádioaktívne prvky urán a tórium, ktorých prevalencia a zásoby v prírode sú veľmi obmedzené; preto je pre mnohé krajiny problémom ich dovozu. Hlavnou zložkou termonukleárneho paliva je izotop vodíka deutérium, ktorý sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú verejne dostupné a veľmi veľké (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 priamu výrobu elektriny.

Artsimovič L.A. Riadené termonukleárne reakcie. M., 1963
Tepelné a jadrové elektrárne(kniha 1, oddiel 6; kniha 3, oddiel 8). M., 1989

Nájdite "NUCLEAR FUSION" na