Fusión termonuclear, reacción de fusión de núcleos atómicos ligeros en núcleos más pesados, que se produce a temperaturas ultraaltas y va acompañada de la liberación de grandes cantidades de energía. Fusión nuclear- Esta es una reacción opuesta a la fisión de los átomos: en esta última, la energía se libera debido a la división de los núcleos pesados en otros más ligeros. ver también FISIÓN NUCLEAR; LA ENERGÍA NUCLEAR.

Según los conceptos astrofísicos modernos, la principal fuente de energía del Sol y otras estrellas es la fusión termonuclear que se produce en sus profundidades. En condiciones terrestres, se lleva a cabo con una explosión. bomba de hidrogeno... La fusión termonuclear va acompañada de una liberación de energía colosal por unidad de masa de sustancias que reaccionan (aproximadamente 10 millones de veces mayor que reacciones químicas). Por tanto, es de gran interés dominar este proceso y, a partir de él, crear una fuente de energía barata y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, a pesar del hecho de que grandes equipos científicos y técnicos en muchos países desarrollados se dedican a la investigación sobre la fusión termonuclear controlada (CTF), todavía quedan muchos problemas difíciles por resolver antes. producción industrial la energía de fusión se hará realidad.

Las plantas de energía nuclear modernas que utilizan el proceso de fisión solo satisfacen parcialmente las necesidades de electricidad del mundo. Se alimentan de los elementos radiactivos naturales uranio y torio, cuya abundancia y reservas en la naturaleza son muy limitadas; por lo tanto, muchos países enfrentan el problema de importarlos. El componente principal del combustible de fusión es el isótopo de hidrógeno deuterio, que está contenido en agua de mar... Sus reservas están generalmente disponibles y son muy grandes (los océanos del mundo cubren ~ 71% de la superficie de la Tierra y el deuterio representa aproximadamente el 0.016% del número total de átomos de hidrógeno que componen el agua). Además de la disponibilidad de combustible, las fuentes de energía de fusión tienen las siguientes ventajas importantes sobre plantas de energía nuclear: 1) el reactor CTS contiene muchos menos materiales radiactivos que un reactor de fisión nuclear y, por tanto, las consecuencias de una liberación accidental de productos radiactivos son menos peligrosas; 2) se generan desechos radiactivos de menor duración durante las reacciones termonucleares; 3) TCB permite la generación directa de electricidad.

Artsimovich L.A. Reacciones termonucleares controladas... M., 1963
Centrales térmicas y nucleares(libro 1, sección 6; libro 3, sección 8). M., 1989

Busque "SÍNTESIS NUCLEAR" en

FUSIÓN NUCLEAR
fusión termonuclear, la reacción de fusión de núcleos atómicos ligeros en núcleos más pesados, que se produce a temperaturas ultraaltas y va acompañada de la liberación de grandes cantidades de energía. La fusión nuclear es la reacción opuesta a la fisión de los átomos: en esta última, la energía se libera debido a la división de los núcleos pesados en otros más ligeros. ver también
FISIÓN NUCLEAR;
LA ENERGÍA NUCLEAR . Según los conceptos astrofísicos modernos, la principal fuente de energía del Sol y otras estrellas es la fusión termonuclear que se produce en sus profundidades. En condiciones terrestres, se lleva a cabo con la explosión de una bomba de hidrógeno. La fusión termonuclear va acompañada de una liberación de energía colosal por unidad de masa de sustancias que reaccionan (aproximadamente 10 millones de veces más que en las reacciones químicas). Por tanto, es de gran interés dominar este proceso y, a partir de él, crear una fuente de energía barata y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, a pesar de que grandes equipos científicos y técnicos en muchos países desarrollados se dedican a la investigación sobre la fusión termonuclear controlada (CTF), todavía quedan muchos problemas complejos por resolver antes de que la producción industrial de energía termonuclear se convierta en una realidad. Las plantas de energía nuclear modernas que utilizan el proceso de fisión solo satisfacen parcialmente las necesidades de electricidad del mundo. Se alimentan de los elementos radiactivos naturales uranio y torio, cuya abundancia y reservas en la naturaleza son muy limitadas; por lo tanto, muchos países enfrentan el problema de importarlos. El componente principal del combustible de fusión es el isótopo de hidrógeno deuterio, que se encuentra en el agua de mar. Sus reservas están generalmente disponibles y son muy grandes (el océano mundial cubre el 71% de la superficie de la Tierra y el deuterio representa aproximadamente el 0,016% del número total de átomos de hidrógeno que componen el agua). Además de la disponibilidad de combustible, las fuentes de energía termonuclear tienen las siguientes ventajas importantes sobre las centrales nucleares: 1) el reactor CTS contiene muchos menos materiales radiactivos que un reactor de fisión nuclear y, por lo tanto, las consecuencias de una liberación accidental de productos radiactivos son menores peligroso; 2) se generan desechos radiactivos de menor duración durante las reacciones termonucleares; 3) TCB permite la generación directa de electricidad.
BASE FÍSICA DE LA SÍNTESIS NUCLEAR
La implementación exitosa de la reacción de fusión depende de las propiedades de los núcleos atómicos utilizados y de la posibilidad de obtener un plasma denso a alta temperatura, que es necesario para iniciar la reacción.
Fuerzas y reacciones nucleares. La liberación de energía durante la fusión nuclear se debe a las fuerzas de atracción extremadamente intensas que actúan dentro del núcleo; estas fuerzas mantienen unidos los protones y neutrones que forman el núcleo. Son muy intensos a distancias de SÍNTESIS NUCLEAR de 10-13 cm y se debilitan extremadamente rápidamente al aumentar la distancia. Además de estas fuerzas, los protones cargados positivamente crean fuerzas repulsivas electrostáticas. El radio de acción de las fuerzas electrostáticas es mucho mayor que el de las fuerzas nucleares, por lo que comienzan a prevalecer cuando los núcleos se separan entre sí. En condiciones normales, la energía cinética de los núcleos de átomos ligeros es demasiado baja para superar la repulsión electrostática, podrían acercarse y entrar en una reacción nuclear. Sin embargo, la repulsión puede superarse mediante la fuerza "bruta", por ejemplo, mediante la colisión de núcleos con alta velocidad relativa. J. Cockroft y E. Walton utilizaron este principio en sus experimentos llevados a cabo en 1932 en el Laboratorio Cavendish (Cambridge, Gran Bretaña). Al irradiar un objetivo de litio con protones acelerados en un campo eléctrico, observaron la interacción de los protones con los núcleos de litio Li. Desde entonces, se ha estudiado un gran número de tales reacciones. Reacciones que involucran los núcleos más ligeros - protón (p), deuterón (d) y tritón (t), correspondientes a los isótopos de hidrógeno protio 1H, deuterio 2H y tritio 3H - así como el isótopo "ligero" de helio 3He y dos de litio. Los isótopos 6Li y 7Li se presentan en la siguiente tabla. Aquí n es un neutrón, g es un cuanto gamma. La energía liberada en cada reacción se expresa en millones de electronvoltios (MeV). Con una energía cinética de 1 MeV, la velocidad del protón es de 14,500 km / s.
ver también ESTRUCTURA DEL NÚCLEO ATÓMICO.

REACCIONES DE SÍNTESIS TERMONUCLEAR

Como demostró G. Gamow, la probabilidad de una reacción entre dos núcleos ligeros que se aproximan es proporcional a

, donde e es la base de los logaritmos naturales, Z1 y Z2 son el número de protones en los núcleos que interactúan, W es la energía de su enfoque relativo y K es un factor constante. La energía necesaria para realizar una reacción depende del número de protones de cada núcleo. Si es más de tres, entonces esta energía es demasiado grande y la reacción es prácticamente impracticable. Por lo tanto, a medida que aumentan Z1 y Z2, la probabilidad de una reacción disminuye. La probabilidad de que interactúen dos núcleos se caracteriza por la "sección transversal de reacción" medida en graneros (1 b = 10-24 cm2). La sección transversal de reacción es el área de la sección transversal efectiva de un núcleo, en la que debe "caer" otro núcleo para que se produzca su interacción. La sección transversal para la reacción de deuterio con tritio alcanza su valor máximo (SÍNTESIS NUCLEAR5 b) cuando las partículas que interactúan tienen una energía relativa de aproximadamente 200 keV. A una energía de 20 keV, la sección transversal es inferior a 0,1 b. De un millón de partículas aceleradas que golpean el objetivo, no entra más de una. interacción nuclear... El resto disipa su energía en los electrones de los átomos objetivo y se ralentiza a velocidades a las que la reacción se vuelve imposible. En consecuencia, el método de bombardear un objetivo sólido con núcleos acelerados (como fue el caso en el experimento de Cockcroft-Walton) es inadecuado para el CTS, ya que la energía obtenida en este caso es mucho menor que la gastada.

Combustibles termonucleares. Las reacciones con participación de p, que juegan el papel principal en los procesos de fusión nuclear en el Sol y otras estrellas homogéneas, no son de interés práctico en condiciones terrestres, ya que tienen una sección transversal demasiado pequeña. Para la implementación de la fusión termonuclear en la tierra, un tipo de combustible más adecuado, como se mencionó anteriormente, es el deuterio. Pero la reacción más probable se realiza en una mezcla de componentes iguales de deuterio y tritio (mezcla DT). Desafortunadamente, el tritio es radiactivo y, debido a su corta vida media (SÍNTESIS NUCLEAR T1 / 2 12,3 años), prácticamente no se encuentra en la naturaleza. Se produce artificialmente en reactores de fisión y también como subproducto en reacciones con deuterio. Sin embargo, la ausencia de tritio en la naturaleza no es un obstáculo para el uso de la reacción de síntesis de DT, ya que El tritio se puede producir irradiando el isótopo 6Li con neutrones formados durante la fusión: n + 6Li (r) 4He + t. Si la cámara termonuclear está rodeada por una capa de 6Li (el litio natural contiene un 7%), entonces es posible realizar una reproducción completa del tritio consumible. Y aunque en la práctica algunos de los neutrones se pierden inevitablemente, su pérdida puede reponerse fácilmente introduciendo un elemento como el berilio en la capa, cuyo núcleo, cuando un neutrón rápido lo golpea, emite dos.
El principio de funcionamiento de un reactor de fusión. La reacción de fusión de núcleos ligeros, cuya finalidad es obtener energía útil, se denomina fusión termonuclear controlada. Se lleva a cabo a temperaturas del orden de cientos de millones de kelvin. Este proceso se ha implementado hasta ahora solo en laboratorios.
Condiciones temporales y de temperatura. La obtención de energía termonuclear útil solo es posible si se cumplen dos condiciones. En primer lugar, la mezcla destinada a la síntesis debe calentarse a una temperatura en la que la energía cinética de los núcleos proporcione una alta probabilidad de fusión en caso de colisión. En segundo lugar, la mezcla de reacción debe estar muy bien aislada térmicamente (es decir, la alta temperatura debe mantenerse el tiempo suficiente para que ocurra el número requerido de reacciones y la energía liberada como resultado de esto exceda la energía gastada en calentar el combustible). En forma cuantitativa, esta condición se expresa de la siguiente manera. Para calentar una mezcla termonuclear, a un centímetro cúbico de su volumen se le debe dar la energía P1 = knT, donde k es un coeficiente numérico, n es la densidad de la mezcla (el número de núcleos en 1 cm3), T es la temperatura requerida . Para mantener la reacción, la energía impartida a la mezcla termonuclear debe conservarse durante un tiempo t. Para que un reactor sea energéticamente ventajoso, es necesario que durante este tiempo se libere en él más energía termonuclear de la que se gastó en calefacción. La energía liberada (también por 1 cm3) se expresa de la siguiente manera:

donde f (T) es un coeficiente que depende de la temperatura de la mezcla y su composición, R es la energía liberada en un acto de síntesis elemental. Entonces, la condición de rentabilidad energética P2> P1 toma la forma

Esta última desigualdad, conocida como criterio de Lawson, es una expresión cuantitativa de los requisitos para la perfección del aislamiento térmico. El lado derecho, el "número de Lawson", depende solo de la temperatura y la composición de la mezcla, y cuanto más alta es, más estrictos son los requisitos de aislamiento térmico, es decir, más difícil es crear un reactor. En el rango de temperaturas aceptables, el número de Lawson para el deuterio puro es 1016 s / cm3, y para una mezcla de DT de igual componente - 2 × 1014 s / cm3. Por tanto, la mezcla de DT es el combustible termonuclear preferido. De acuerdo con el criterio de Lawson, que determina el valor energéticamente favorable del producto de la densidad y el tiempo de confinamiento, en un reactor termonuclear, no debe utilizarse not lo más grande posible. Por lo tanto, los estudios de CTS han divergido en dos direcciones diferentes: en la primera, los investigadores intentaron mantener un plasma relativamente enrarecido con la ayuda de un campo magnético durante un tiempo suficientemente largo; en el segundo, con la ayuda de láseres durante un corto tiempo para crear un plasma con una densidad muy alta. Se ha dedicado mucho al primer enfoque. mas trabajo que el segundo.
Confinamiento magnético de plasma. Durante la reacción de síntesis, la densidad del reactivo caliente debe permanecer a un nivel que proporcione un rendimiento suficientemente alto de energía útil por unidad de volumen a una presión que la cámara de plasma pueda soportar. Por ejemplo, para una mezcla de deuterio-tritio a una temperatura de 108 K, el rendimiento se determina mediante la expresión

Si tomamos P igual a 100 W / cm3 (que corresponde aproximadamente a la energía liberada por las pilas de combustible en los reactores de fisión nuclear), entonces la densidad n debería ser de aprox. 1015 núcleos / cm3, y la presión correspondiente nT es de aproximadamente 3 MPa. El tiempo de espera en este caso, según el criterio de Lawson, debe ser de al menos 0,1 s. Para plasma deuterio-deuterio a una temperatura de 109 K

En este caso, a P = 100 W / cm3, n "3 × 1015 núcleos / cm3 y una presión de aproximadamente 100 MPa, el tiempo de retención requerido será de más de 1 s. Tenga en cuenta que las densidades indicadas son solo 0,0001 de la atmosférica densidad del aire, por lo que la cámara del reactor debe Las estimaciones anteriores del tiempo de confinamiento, la temperatura y la densidad son parámetros mínimos típicos requeridos para el funcionamiento de un reactor termonuclear, y se logran más fácilmente en el caso de una mezcla de deuterio-tritio. Debe tenerse en cuenta que, debido a condiciones completamente diferentes, en el primer caso proceden muy rápido y en el segundo, extremadamente lento en comparación con los procesos en un reactor termonuclear.
Plasma. Cuando un gas se calienta fuertemente, sus átomos pierden electrones parcial o completamente, como resultado de lo cual se forman partículas cargadas positivamente, llamadas iones, y electrones libres. A temperaturas superiores a un millón de grados, un gas que consta de elementos ligeros está completamente ionizado, es decir, cada átomo pierde todos sus electrones. Un gas en un estado ionizado se llama plasma (el término fue introducido por I. Langmuir). Las propiedades del plasma difieren significativamente de las de un gas neutro. Dado que el plasma contiene electrones libres, el plasma conduce muy bien la corriente eléctrica y su conductividad es proporcional a T3 / 2. El plasma se puede calentar pasando una corriente eléctrica a través de él. La conductividad de un plasma de hidrógeno a 108 K es la misma que la del cobre a temperatura ambiente. La conductividad térmica del plasma también es muy alta. Para mantener el plasma, por ejemplo, a una temperatura de 108 K, debe estar aislado de manera confiable. En principio, el plasma se puede aislar de las paredes de la cámara colocándolo en un campo magnético fuerte. Esto es proporcionado por las fuerzas que surgen cuando las corrientes interactúan con un campo magnético en el plasma. Bajo la influencia de un campo magnético, los iones y electrones se mueven en espirales a lo largo de sus líneas de fuerza. La transición de una línea de fuerza a otra es posible con colisiones de partículas y con la imposición de una transversal. campo eléctrico... En ausencia de campos eléctricos, un plasma enrarecido a alta temperatura, en el que rara vez ocurren colisiones, se difundirá lentamente a través de las líneas del campo magnético. Si las líneas de fuerza del campo magnético están cerradas, dándoles la forma de un bucle, entonces las partículas de plasma se moverán a lo largo de estas líneas, manteniéndose en la región del bucle. Además de una configuración magnética tan cerrada para confinamiento de plasma, sistemas abiertos(con líneas de campo de fuerza que se extienden desde los extremos de la cámara hacia el exterior), en el que las partículas permanecen dentro de la cámara debido a los "tapones" magnéticos que limitan el movimiento de las partículas. Los tapones magnéticos se crean en los extremos de la cámara, donde, como resultado de un aumento gradual en la intensidad del campo, se forma un haz de líneas de campo que se estrecha. En la práctica, resultó estar lejos de ser simple llevar a cabo el confinamiento magnético de un plasma de una densidad suficientemente alta: a menudo surgen inestabilidades magnetohidrodinámicas y cinéticas. Las inestabilidades magnetohidrodinámicas están asociadas con dobleces y roturas de líneas de campo magnético. En este caso, el plasma puede comenzar a moverse a través del campo magnético en forma de racimos, salir de la zona de confinamiento en unas millonésimas de segundo y desprender calor a las paredes de la cámara. Estas inestabilidades pueden suprimirse dando al campo magnético una cierta configuración. Las inestabilidades cinéticas son muy diversas y se han estudiado con menos detalle. Entre ellos se encuentran los que interrumpen procesos ordenados, como el flujo de una corriente eléctrica directa o una corriente de partículas a través de un plasma. Otras inestabilidades cinéticas provocan una mayor tasa de difusión de plasma transversal en un campo magnético que la predicha por la teoría de colisión para un plasma silencioso.
Sistemas con configuración magnética cerrada. Si un fuerte campo eléctrico, entonces aparecerá una corriente de descarga en él, simultáneamente con la cual aparecerá el campo magnético circundante. La interacción del campo magnético con la corriente dará lugar a la aparición de fuerzas de compresión que actúan sobre las partículas de gas cargadas. Si la corriente fluye a lo largo del eje del filamento de plasma conductor, entonces las fuerzas radiales que surgen, como bandas de goma, comprimen el filamento, empujando el límite del plasma lejos de las paredes de la cámara que lo contiene. Este fenómeno, predicho teóricamente por W. Bennett en 1934 y demostrado experimentalmente por primera vez por A. Wer en 1951, se denomina efecto pellizco. El método de pellizco se utiliza para confinar el plasma; su característica notable es que el gas se calienta a altas temperaturas por la propia corriente eléctrica (calentamiento óhmico). La simplicidad fundamental del método llevó a su uso en los primeros intentos de confinar el plasma caliente, y el estudio del efecto pellizco simple, a pesar de que luego fue reemplazado por métodos más sofisticados, permitió comprender mejor los problemas. que los experimentadores todavía enfrentan hoy. Además de la difusión del plasma en la dirección radial, también hay una deriva longitudinal y su salida por los extremos de la columna de plasma. Las pérdidas a través de los extremos se pueden eliminar dando forma a la cámara de plasma en forma de rosquilla (toro). En este caso, se obtiene un pellizco toroidal. Para el simple pellizco descrito anteriormente, un problema serio son sus inestabilidades magnetohidrodinámicas inherentes. Si se produce una pequeña curva en la columna de plasma, entonces la densidad de las líneas del campo magnético con dentro la flexión aumenta (Fig. 1). Las líneas magnéticas de fuerza, que se comportan como haces que resisten la compresión, se "abultarán" rápidamente de modo que la curvatura aumentará hasta que se destruya toda la estructura de la columna de plasma. Como resultado, el plasma entrará en contacto con las paredes de la cámara y se enfriará. Para excluir este fenómeno destructivo, se crea un campo magnético longitudinal en la cámara antes de pasar la corriente axial principal, que junto con un campo circular aplicado posteriormente, "endereza" la incipiente curva de la columna de plasma (Fig. 2). El principio de estabilización de una columna de plasma por un campo axial forma la base de dos proyectos prometedores de reactores termonucleares: un tokamak y un pinch con un campo magnético inverso.

Configuraciones magnéticas abiertas. En sistemas de configuración abierta, el problema del confinamiento del plasma en la dirección longitudinal se resuelve mediante la creación de un campo magnético, cuyas líneas de fuerza cerca de los extremos de la cámara tienen la forma de un haz convergente. Las partículas cargadas se mueven a lo largo de líneas helicoidales a lo largo de la línea de campo de fuerza y se reflejan en áreas de mayor intensidad (donde la densidad de las líneas de campo es mayor). Estas configuraciones (Fig. 3) se denominan trampas con espejos magnéticos o espejos magnéticos. El campo magnético es creado por dos bobinas paralelas en las que fluyen fuertes corrientes de la misma dirección. En el espacio entre las bobinas, las líneas de fuerza forman un "barril" en el que se encuentra el plasma confinado. Sin embargo, se ha establecido experimentalmente que es poco probable que tales sistemas puedan contener plasma del grado de densidad necesario para el funcionamiento del reactor. Hoy en día hay pocas esperanzas para este método de retención.
ver también HIDRODINÁMICA MAGNÉTICA.

Retención inercial. Los cálculos teóricos muestran que la fusión termonuclear es posible sin el uso de trampas magnéticas. Para esto, un objetivo especialmente preparado (una bola de deuterio con un radio de aproximadamente 1 mm) se comprime rápidamente a densidades tan altas que la reacción termonuclear tiene tiempo para completarse antes de que el objetivo de combustible se evapore. La compresión y el calentamiento a temperaturas termonucleares se pueden realizar mediante pulsos de láser de ultra alta potencia, irradiando la bola de combustible de manera uniforme y simultánea desde todos los lados (Fig. 4). Con la evaporación instantánea de sus capas superficiales, las partículas emitidas adquieren velocidades muy altas y la bola está bajo la acción de grandes fuerzas de compresión. Son análogas a las fuerzas reactivas que impulsan el cohete, con la única diferencia de que estas fuerzas se dirigen hacia adentro, hacia el centro del objetivo. Este método puede crear presiones del orden de 1011 MPa y densidades 10,000 veces más altas que la densidad del agua. A tal densidad, casi toda la energía termonuclear se liberará en forma de una pequeña explosión en un tiempo de SÍNTESIS NUCLEAR de 10-12 s. Las microexplosiones que se produzcan, cada una de las cuales equivale a 1-2 kg de TNT, no dañarán el reactor, y la implementación de una secuencia de tales microexplosiones a intervalos cortos permitiría realizar una producción prácticamente continua de energía útil. Para el confinamiento inercial, el diseño del objetivo de combustible es muy importante. Un objetivo en forma de esferas concéntricas de materiales pesados y ligeros permitirá la evaporación más eficiente de partículas y, por lo tanto, la mayor compresión.

Los cálculos muestran que en energía radiación láser del orden de megajulios (106 J) y una eficiencia del láser de al menos el 10%, la energía termonuclear generada debe exceder la energía gastada en bombear el láser. Las instalaciones de láser termonuclear están disponibles en laboratorios de investigación en Rusia, Estados Unidos, Europa Occidental y Japón. Actualmente, se está estudiando la posibilidad de utilizar un haz de iones pesados o una combinación de dicho haz con un haz de luz. Gracias a tecnología moderna Este método de iniciar una reacción tiene una ventaja sobre el láser, ya que permite obtener más energía útil. La desventaja es la dificultad para enfocar el rayo en el objetivo.
INSTALACIONES CON RETENCIÓN MAGNÉTICA
Se están investigando métodos magnéticos de confinamiento de plasma en Rusia, Estados Unidos, Japón y varios países europeos. Se presta especial atención a las instalaciones toroidales, como tokamak y pinch con campo magnético inverso, que aparecieron como resultado del desarrollo de pinches más simples con un campo magnético longitudinal estabilizador. Para confinar el plasma con la ayuda del campo magnético toroidal Bj, es necesario crear condiciones en las que el plasma no se mueva hacia las paredes del toro. Esto se logra "torciendo" las líneas de fuerza del campo magnético (la llamada "transformación rotacional"). Esta torsión se realiza de dos formas. En el primer método, se pasa una corriente a través del plasma, lo que conduce a la configuración del pellizco estable ya considerado. El campo magnético de la corriente Bq Ј -Bq junto con Bj crea un campo total con el remolino necesario. Si Bj Bq, entonces la configuración se conoce como tokamak (una abreviatura de la expresión "CÁMARA TOroidal con bobinas magnéticas"). El tokamak (Fig.5) fue desarrollado bajo el liderazgo de L. A. Artsimovich en el Instituto. energía Atómica ellos. I. V. Kurchatov en Moscú. En Bj SÍNTESIS NUCLEAR Bq, se obtiene una configuración de pellizco con un campo magnético inverso.

En el segundo método, para asegurar el equilibrio del plasma confinado, se utilizan devanados de tornillo especiales alrededor de la cámara de plasma toroidal. Las corrientes en estos devanados crean un campo magnético complejo que conduce a la torsión de las líneas de fuerza del campo total dentro del toro. Una instalación de este tipo, llamada stellarator, fue desarrollada en la Universidad de Princeton (EE. UU.) Por L. Spitzer y sus compañeros de trabajo.
Tokamak. Un parámetro importante del que depende el confinamiento de un plasma toroidal es el "margen de estabilidad" q, igual a rBj / RBq, donde r y R son los radios pequeño y grande del plasma toroidal, respectivamente. Para q pequeño, se puede desarrollar una inestabilidad helicoidal, que es análoga a la inestabilidad de la flexión de un pellizco recto. Los científicos en Moscú han demostrado experimentalmente que para q> 1 (es decir, Bj Bq), la posibilidad de inestabilidad helicoidal se reduce en gran medida. Esto permite utilizar eficientemente el calor generado por la corriente para calentar el plasma. Como resultado de muchos años de investigación, las características de los tokamaks han mejorado significativamente, en particular, debido a un aumento en la uniformidad del campo y una limpieza efectiva de la cámara de vacío. Los alentadores resultados obtenidos en Rusia estimularon la creación de tokamaks en muchos laboratorios de todo el mundo, y su configuración se ha convertido en objeto de intensas investigaciones. El calentamiento óhmico del plasma en un tokamak es insuficiente para la implementación de una reacción de fusión termonuclear. Esto se debe al hecho de que cuando el plasma se calienta, su resistencia eléctrica y, como resultado, la liberación de calor durante el paso de la corriente disminuye drásticamente. Es imposible aumentar la corriente en el tokamak por encima de cierto límite, ya que el filamento de plasma puede volverse inestable y arrojarse a las paredes de la cámara. Por lo tanto, se utilizan varios métodos adicionales para calentar el plasma. Los más eficaces son la inyección de haces de átomos neutros de alta energía y la irradiación de microondas. En el primer caso, los iones acelerados a energías de 50-200 keV se neutralizan (para evitar su "reflexión" por el campo magnético cuando se introducen en la cámara) y se inyectan en el plasma. Aquí se vuelven a ionizar y, en el curso de las colisiones, ceden su energía al plasma. En el segundo caso, se utiliza radiación de microondas, cuya frecuencia es igual a la frecuencia del ciclotrón de iones (la frecuencia de rotación de los iones en un campo magnético). A esta frecuencia, el plasma denso se comporta absolutamente cuerpo negro, es decir. absorbe completamente la energía incidente. Se obtuvo un plasma con una temperatura iónica de 280 millones de Kelvin y un tiempo de confinamiento de 0,85 s utilizando el tokamak JET de la Unión Europea mediante inyección de partículas neutras. Se obtuvo una potencia termonuclear de 2 MW sobre plasma deuterio-tritio. La duración del mantenimiento de la reacción está limitada por la aparición de impurezas debido a la pulverización catódica de las paredes de la cámara: las impurezas penetran en el plasma y, al ionizarse, aumentan significativamente las pérdidas de energía por radiación. Actualmente, el trabajo del programa JET se centra en estudios de la posibilidad de controlar las impurezas y su eliminación de las denominadas. "desviador magnético". También se crean grandes tokamaks en EE. UU. - TFTR, en Rusia - T15 y en Japón - JT60. Las investigaciones llevadas a cabo en estas y otras instalaciones sentaron las bases para la próxima etapa de trabajo en el campo de la fusión termonuclear controlada: en 2010, está previsto el lanzamiento de un gran reactor para pruebas tecnicas... Se supone que es trabajo conjunto Estados Unidos, Rusia, países de la Unión Europea y Japón.
Pellizco de campo invertido (POP). La configuración POP difiere de la tokamak en que tiene Bq SÍNTESIS NUCLEAR Bj, pero la dirección del campo toroidal fuera del plasma es opuesta a su dirección dentro de la columna de plasma. J. Taylor demostró que tal sistema se encuentra en un estado con energía mínima y, a pesar de q Stellarator. En un estelarizador, un campo magnético toroidal cerrado se superpone a un campo creado por un devanado de tornillo especial enrollado en el cuerpo de la cámara. El campo magnético total evita que el plasma se desvíe del centro y suprime ciertos tipos inestabilidades magnetohidrodinámicas. El plasma en sí se puede crear y calentar mediante cualquiera de los métodos utilizados en el tokamak. La principal ventaja del stellarator es que el método de confinamiento utilizado en él no está asociado a la presencia de corriente en el plasma (como en los tokamaks o en instalaciones basadas en el efecto pinch), por lo que el stellarator puede funcionar en modo estacionario. Además, el devanado helicoidal puede tener un efecto de "desviación", es decir, E. purificar el plasma de las impurezas y eliminar los productos de reacción. El confinamiento de plasma en esterilizadores se está investigando exhaustivamente en instalaciones de la Unión Europea, Rusia, Japón y Estados Unidos. En el estelarizador Wendelstein VII en Alemania, fue posible mantener un plasma libre de corriente con una temperatura de más de 5 × 106 Kelvin calentándolo mediante la inyección de un haz atómico de alta energía. Último teórico y investigación experimental mostró que en la mayoría de las instalaciones descritas, y especialmente en los sistemas toroidales cerrados, el tiempo de confinamiento del plasma puede incrementarse aumentando sus dimensiones radiales y el campo magnético de confinamiento. Por ejemplo, para un tokamak se calcula que el criterio de Lawson se cumplirá (e incluso con algún margen) con una intensidad de campo magnético de SÍNTESIS NUCLEAR 50 e 100 kG y un pequeño radio de la cámara toroidal de aprox. 2 m Estos son los parámetros de una instalación para 1000 MW de electricidad. Al crear instalaciones tan grandes con confinamiento de plasma magnético, surgen problemas tecnológicos completamente nuevos. Para crear un campo magnético del orden de 50 kG en un volumen de varios metros cúbicos utilizando bobinas de cobre enfriadas por agua, se requiere una fuente de electricidad con una capacidad de varios cientos de megavatios. Por tanto, es obvio que los devanados de las bobinas deben estar hechos de materiales superconductores, como aleaciones de niobio con titanio o con estaño. La resistencia de estos materiales corriente eléctrica en el estado superconductor es igual a cero y, por lo tanto, para mantener el campo magnético se gastará cantidad mínima electricidad.
Tecnología de reactores. El dispositivo de una planta de energía termonuclear se muestra esquemáticamente en la Fig. 6. En la cámara del reactor hay un plasma de deuterio-tritio, y está rodeado por una "manta" de litio-berilio, donde se absorben los neutrones y se reproduce el tritio. El calor generado se elimina de la manta a través de un intercambiador de calor a una turbina de vapor convencional. Los devanados de los imanes superconductores están protegidos por escudos térmicos y de radiación y se enfrían con helio líquido. Sin embargo, aún no se han resuelto muchos problemas relacionados con la estabilidad del plasma y su purificación de impurezas, daños por radiación en la pared interna de la cámara, suministro de combustible, eliminación de calor y productos de reacción y control de la energía térmica.
ver también
LA ENERGÍA NUCLEAR ;
INTERCAMBIADOR DE CALOR.

Perspectivas de la investigación termonuclear. Los experimentos llevados a cabo en dispositivos del tipo tokamak han demostrado que este sistema es muy prometedor como posible base para un reactor CTS. Los mejores resultados hasta la fecha se han obtenido en tokamaks, y se espera que con el correspondiente aumento en la escala de las instalaciones, sea posible implementar CTS industriales en ellos. Sin embargo, el tokamak no es lo suficientemente económico. Para eliminar este inconveniente, es necesario que funcione no en modo pulsado, como ahora, sino en modo continuo. Pero los aspectos físicos de este problema aún no se conocen bien. También es necesario desarrollar medios tecnicos, lo que mejoraría los parámetros del plasma y eliminaría sus inestabilidades. Teniendo en cuenta todo esto, no se deben olvidar otras posibles versiones, aunque menos desarrolladas, de un reactor termonuclear, por ejemplo, un estelarizador o un pinch con campo invertido. El estado de la investigación en esta área ha llegado a una etapa en la que se dispone de diseños de reactores conceptuales para la mayoría de los sistemas con confinamiento magnético de plasma de alta temperatura y para algunos sistemas con confinamiento inercial. Un ejemplo del desarrollo industrial de un tokamak es el proyecto Aries (EE. UU.). La próxima generación de tokamaks debe decidir problemas técnicos asociados a reactores industriales UTS. Obviamente, sus creadores se enfrentarán a dificultades considerables, pero no hay duda de que a medida que la gente se dé cuenta de los problemas relacionados con medio ambiente, fuentes de materias primas y energía, la producción de electricidad mediante los nuevos métodos discutidos anteriormente ocupará el lugar que le corresponde. ver también

Dado que las fuerzas de atracción nuclear actúan entre núcleos atómicos a pequeñas distancias, cuando dos núcleos se acercan, es posible su fusión, es decir, la síntesis de un núcleo más pesado. Todos los núcleos atómicos tienen carga eléctrica positiva y, por tanto, se repelen entre sí a grandes distancias. Para que los núcleos se acerquen entre sí y entren en una reacción de fusión nuclear, deben tener suficiente energía cinética para superar la repulsión eléctrica mutua, que cuanto mayor es la carga nuclear. Por tanto, la forma más sencilla es sintetizar núcleos ligeros con poca carga eléctrica. En el laboratorio, las reacciones de fusión se pueden observar disparando a un objetivo con núcleos rápidos acelerados en un acelerador especial (ver Aceleradores de partículas cargadas). En la naturaleza, las reacciones de fusión ocurren en materia muy caliente, por ejemplo, en el interior de las estrellas, incluso en el centro del Sol, donde la temperatura es de 14 millones de grados y la energía del movimiento térmico de algunas de las partículas más rápidas es suficiente. para superar la repulsión eléctrica. La fusión nuclear que ocurre en una sustancia calentada se llama fusión termonuclear.

Las reacciones termonucleares que ocurren en el interior de las estrellas juegan un papel muy importante en la evolución del Universo. Son la fuente de los núcleos elementos químicos que se sintetizan a partir del hidrógeno en las estrellas. Son la fuente de energía de las estrellas. La principal fuente de energía del Sol son las reacciones del llamado ciclo protón-protón, como resultado de lo cual nace un núcleo de helio a partir de 4 protones. La energía liberada durante la fusión es llevada por los núcleos formados, cuantos radiación electromagnética, neutrones y neutrinos. Observando el flujo de neutrinos provenientes del Sol, es posible establecer qué reacciones de fusión nuclear y con qué intensidad ocurren en su centro.

Una característica única de las reacciones termonucleares como fuente de energía es una liberación de energía muy grande por unidad de masa de sustancias que reaccionan, 10 millones de veces más que en las reacciones químicas. La entrada en la síntesis de 1 g de isótopos de hidrógeno equivale a la combustión de 10 toneladas de gasolina. Por lo tanto, los científicos han buscado durante mucho tiempo dominar esta gigantesca fuente de energía. En principio, ya podemos obtener la energía de la fusión termonuclear en la Tierra hoy. Puedes calentar la materia a temperaturas estelares usando energía explosión atómica... Así es como se organiza la bomba de hidrógeno, el arma más terrible de nuestro tiempo, en la que la explosión de una mecha nuclear provoca un calentamiento instantáneo de una mezcla de deuterio con tritio y la posterior explosión termonuclear.

Pero los científicos no se esfuerzan por lograr una síntesis tan incontrolable capaz de destruir toda la vida en la Tierra. Están buscando formas de llevar a cabo una fusión termonuclear controlada. ¿Qué condiciones deben cumplirse para ello? En primer lugar, por supuesto, es necesario calentar el combustible termonuclear a una temperatura en la que puedan producirse reacciones de fusión con una probabilidad apreciable. Pero esto no es suficiente. Es necesario que se libere más energía durante la síntesis de la que se gasta en calentar la sustancia o, mejor aún, que las partículas rápidas generadas durante la síntesis mantengan la temperatura requerida del combustible. Para hacer esto, es necesario que la sustancia que ingresa a la síntesis esté aislada de manera confiable del medio ambiente y, naturalmente, fría en la Tierra, es decir, para que el tiempo de enfriamiento, o, como dicen, el tiempo de retención de energía, sea lo suficientemente largo. .

Los requisitos de temperatura y tiempo de retención dependen del combustible utilizado. La forma más sencilla de realizar la síntesis es entre los isótopos pesados de hidrógeno: deuterio (D) y tritio (T). En este caso, como resultado de la reacción, se obtienen un núcleo de helio (He 4) y un neutrón. El deuterio se encuentra en la Tierra en grandes cantidades en el agua de mar (un átomo de deuterio por cada 6000 átomos de hidrógeno). El tritio está ausente en la naturaleza. Hoy en día se produce de forma artificial irradiando neutrones de litio en reactores nucleares. La ausencia de tritio no es, sin embargo, un obstáculo para uso de D-T reacciones de fusión, ya que el neutrón formado durante la reacción puede usarse para reproducir tritio irradiando litio, cuyas reservas en la Tierra son bastante grandes.

Para implementar Reacciones D-T las temperaturas más favorables rondan los 100 millones de grados. El requisito del tiempo de retención de energía depende de la densidad de la sustancia que reacciona, que a tal temperatura estará inevitablemente en forma de plasma, es decir, un gas ionizado. Dado que la intensidad de las reacciones termonucleares es mayor, cuanto mayor es la densidad del plasma, los requisitos para el tiempo de retención de energía son inversamente proporcionales a la densidad. Si la densidad se expresa en forma de número de iones por cm, es decir, un plasma con una densidad de 10 14 iones en 1 cm 3 debería enfriarse notablemente no más rápido que en 1 s.

Dado que la velocidad térmica de los iones de hidrógeno a la temperatura requerida es de 108 cm / s, los iones vuelan 1000 km en 1 s. Por lo tanto, se necesitan dispositivos especiales para evitar que el plasma entre en las paredes que lo aíslan. El plasma es un gas compuesto por una mezcla de iones y electrones. Las partículas cargadas que se mueven a través del campo magnético se ven afectadas por una fuerza que dobla su trayectoria y las hace moverse en círculos con radios proporcionales al momento de las partículas e inversamente proporcionales al campo magnético. Por lo tanto, el campo magnético puede evitar el escape de partículas cargadas en la dirección perpendicular a las líneas de fuerza. Esta es la base de la idea del aislamiento térmico magnético del plasma. El campo magnético, sin embargo, no impide el movimiento de partículas a lo largo de las líneas de fuerza: en caso general las partículas se mueven en espirales, serpenteando en líneas de fuerza.

Los físicos han ideado varios trucos para evitar que las partículas se escapen a lo largo de las líneas de fuerza. Puede, por ejemplo, hacer "tapones magnéticos": áreas con un campo magnético más fuerte, que reflejen parte de las partículas, pero es mejor enrollar las líneas de fuerza en un anillo, use un campo magnético toroidal. Pero resulta que el campo toroidal por sí solo no es suficiente.

Un campo toroidal no es homogéneo en el espacio: su intensidad disminuye a lo largo del radio y, en un campo no homogéneo, aparece un movimiento lento de partículas cargadas, la llamada deriva, a través del campo magnético. Esta deriva puede eliminarse pasando una corriente a través del plasma a lo largo de la derivación del toro. El campo magnético de la corriente, combinado con el campo externo toroidal, hará que el campo general sea helicoidal.

Moviéndose en espirales a lo largo de las líneas de fuerza, las partículas cargadas pasarán del semiplano superior del toro al inferior y viceversa. Al mismo tiempo, se desviarán en una dirección todo el tiempo, por ejemplo, hacia arriba. Pero, al estar en el semiplano superior y a la deriva hacia arriba, las partículas abandonan el plano medio del toro, y al estar en el semiplano inferior y también a la deriva hacia arriba, las partículas regresan a él. Por lo tanto, las desviaciones en las mitades superior e inferior del toro se compensan mutuamente y no conducen a pérdidas de partículas. Así es exactamente como se dispone el sistema magnético de las instalaciones tipo Tokamak, sobre el que se han obtenido los mejores resultados en calentamiento y aislamiento térmico del plasma.

Además del aislamiento térmico del plasma, también es necesario asegurar su calentamiento. En el Tokamak, para este propósito, puede usar la corriente que fluye a través del cable de plasma. En otros dispositivos, donde el mantenimiento se realiza sin corriente, así como en el propio Tokamak, se utilizan otros métodos de calentamiento para calentar a temperaturas muy altas, por ejemplo, utilizando alta frecuencia ondas electromagnéticas, inyección (introducción) en el plasma de haces de partículas rápidas, haces de luz generados por potentes láseres, etc. Cuanto mayor sea la potencia del dispositivo de calentamiento, más rápido se puede calentar el plasma a la temperatura requerida. Desarrollo en últimos años Láseres muy potentes y fuentes de haces de partículas cargadas relativistas hicieron posible calentar pequeños volúmenes de materia a temperaturas termonucleares en un tiempo muy corto, tan corto que la materia tiene tiempo para calentarse y entrar en reacciones de fusión antes de dispersarse debido al movimiento térmico. . En tales condiciones, no era necesario un aislamiento térmico adicional. Lo único que evita que las partículas se dispersen es su propia inercia. Los dispositivos de fusión basados en este principio se denominan dispositivos de confinamiento inercial. Esta nueva línea de investigación, que se denomina fusión termonuclear inercial, se está desarrollando activamente en la actualidad.

De niño me gustaba leer la revista "Ciencia y Vida", en el pueblo había un archivo desde los años 60. A menudo hablaban sobre la fusión termonuclear de una manera alegre; ahora es casi, ¡y lo será! Muchos países, para llegar a tiempo para la distribución de energía gratuita, construyeron Tokamaks (y los instalaron en un total de 300 piezas en todo el mundo).

Pasaron los años ... Ahora es 2013, y la humanidad todavía recibe la mayor parte de su energía de la quema de carbón, como en el siglo XIX. ¿Por qué sucedió, qué impide la creación de un reactor termonuclear y qué podemos esperar en el futuro?

Teoría

El núcleo atómico, como recordamos, consiste en la primera aproximación de protones y neutrones (= nucleones). Para arrancar todos los neutrones y protones del átomo, es necesario gastar cierta energía: la energía de enlace del núcleo. Esta energía difiere para los diferentes isótopos y, naturalmente, en las reacciones nucleares, se debe mantener el equilibrio energético. Si graficamos la energía de enlace para todos los isótopos (por nucleón), obtenemos lo siguiente:

Desde aquí vemos que podemos recibir energía separando átomos pesados (como 235 U) o conectando los ligeros.

Las siguientes reacciones de síntesis son las más realistas e interesantes en términos prácticos:

1) 2 D + 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
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%
3) 2 D + 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
4) p + 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV

Estas reacciones usan Deuterio (D) - se puede obtener directamente del agua de mar, Tritio (T) - un isótopo radiactivo de hidrógeno, ahora se obtiene como desecho en reactores nucleares convencionales, se puede producir especialmente a partir de litio. El helio-3 parece estar en la luna, como todos sabemos. Bor-11: el boro natural es 80% boro-11. p (Protio, átomo de hidrógeno) es hidrógeno ordinario.

A modo de comparación, la fisión de 235 U libera ~ 202,5 MeV de energía, es decir, mucho más que en una reacción de fusión por 1 átomo (pero por kilogramo de combustible; por supuesto, el combustible termonuclear da más energía).

Según las reacciones 1 y 2, se obtienen una gran cantidad de neutrones de muy alta energía, que hacen que toda la estructura del reactor sea radiactiva. Pero las reacciones 3 y 4 - "sin neutrones" (aneutrónicas) - no dan radiación inducida. Desafortunadamente, todavía quedan reacciones secundarias, por ejemplo, de la reacción 3: el deuterio reaccionará consigo mismo y seguirá habiendo una pequeña radiación de neutrones.

La reacción 4 es interesante porque, como resultado, obtenemos 3 partículas alfa, de las cuales es teóricamente posible eliminar directamente la energía (ya que en realidad son cargas en movimiento = corriente).

En general, hay suficientes reacciones interesantes. La única pregunta es, ¿qué tan fácil es implementarlos en la realidad?

Sobre la complejidad de la reacción La humanidad ha dominado con relativa facilidad la fisión de 235 U: no hay ninguna dificultad aquí - dado que los neutrones no tienen carga, literalmente pueden "arrastrarse" a través del núcleo incluso a una velocidad muy baja. En la mayoría de los reactores de fisión, se utilizan estos neutrones térmicos, en los que la velocidad de movimiento es comparable a la velocidad del movimiento térmico de los átomos.

Pero en la reacción de fusión, tenemos 2 núcleos que tienen carga y se repelen entre sí. Para acercarlos a la distancia necesaria para la reacción, es necesario que se muevan con suficiente velocidad. Esta velocidad puede lograrse en un acelerador (cuando, como resultado, todos los átomos se mueven a la misma velocidad óptima), o mediante calentamiento (cuando los átomos vuelan al azar en direcciones aleatorias y con una velocidad aleatoria).

Aquí hay un gráfico que muestra la velocidad de reacción (sección transversal) versus la velocidad (= energía) de los átomos en colisión:

Aquí es lo mismo, pero trazado a partir de la temperatura del plasma, teniendo en cuenta el hecho de que los átomos vuelan allí a una velocidad aleatoria:

Inmediatamente vemos que la reacción D + T es la "más fácil" (necesita unos miserables 100 millones de grados), D + D es aproximadamente 100 veces más lenta a las mismas temperaturas, D + 3 Va más rápido que el D + D de la competencia sólo a temperaturas del orden de mil millones de grados.

Así, solo la reacción D + T es al menos remotamente accesible para los humanos, con todas sus desventajas (radiactividad del tritio, dificultades para obtenerlo, radiación inducida por neutrones).

Pero, como comprenderá, tomar y calentar algo hasta cien millones de grados y dejar que reaccione no funcionará: cualquier objeto calentado emitirá luz y, por lo tanto, se enfriará rápidamente. El plasma calentado a cientos de millones de grados, brilla en el rango de los rayos X y, lo que es más triste, es transparente para él. Aquellos. el plasma con tal temperatura se enfría fatalmente rápidamente, y para mantener la temperatura, es necesario bombear constantemente energía gigantesca para mantener la temperatura.

Sin embargo, debido al hecho de que hay muy poco gas en un reactor termonuclear (por ejemplo, en ITER, solo medio gramo), todo no resulta tan malo: para calentar 0.5 g de hidrógeno a 100 millones de grados, debe gasta aproximadamente la misma cantidad de energía que calentar 186 litros de agua por cada 100 grados.

El proyecto finalizó el 30 de septiembre de 2012. Resultó que había inexactitudes en el modelo de computadora. Según la nueva estimación, la potencia de pulso de 1,8 megajulios alcanzada en el NIF es 33-50% de la requerida para liberar la misma cantidad de energía que se gastó.

Sandy z-máquina La idea es la siguiente: tome una gran pila de condensadores de alto voltaje y descárguelos bruscamente a través de los delgados cables de tungsteno en el centro de la máquina. Los cables se evaporan instantáneamente y una enorme corriente de 27 millones de amperios continúa fluyendo a través de ellos durante 95 nanosegundos. Plasma calentado a millones y miles de millones (!) Grados - emite radiografía y lo prensa en una cápsula con una mezcla de deuterio-tritio en el centro (la energía del pulso de radiación de rayos X es de 2,7 megajulios).

Está previsto actualizar el sistema utilizando una planta de energía rusa (Linear Transformer Driver - LTD). En 2013 se esperan las primeras pruebas, en las que se comparará la energía recibida con la consumida (Q = 1). Quizás esta dirección en el futuro tendrá la oportunidad de comparar y superar a los tokamaks.

Enfoque de plasma denso - DPF- "colapsa" el plasma que corre a lo largo de los electrodos, produciendo temperaturas gigantescas. En marzo de 2012, se alcanzó una temperatura de 1.800 millones de grados en una planta que operaba según este principio.

Dipolo levitado- Tokamak "invertido", en el centro de la cámara de vacío cuelga un imán superconductor toroidal que sostiene el plasma. En tal esquema, el plasma promete ser estable por sí solo. Pero el proyecto ahora no tiene financiación, parece que la reacción de síntesis no se llevó a cabo directamente en la instalación.

Farnsworth - fusor Hirsch La idea es simple: colocamos dos rejillas esféricas en una cámara de vacío llena de deuterio, o una mezcla de deuterio-tritio, aplicamos un potencial de 50-200 mil voltios entre ellas. En un campo eléctrico, los átomos comienzan a volar alrededor del centro de la cámara, a veces chocando entre sí.

Hay un rendimiento de neutrones, pero es bastante pequeño. Grandes pérdidas energía para la radiación de rayos X bremsstrahlung, la rejilla interna se calienta rápidamente y se evapora de las colisiones con átomos y electrones. Aunque el diseño es interesante desde un punto de vista académico (cualquier alumno puede montarlo), la eficiencia de generación de neutrones es mucho menor que la de los aceleradores lineales.

Polywell Es un buen recordatorio de que no todo el trabajo de fusión es público. El trabajo fue financiado por la Marina de los Estados Unidos y fue clasificado hasta que se obtuvieron resultados negativos.

Idea - desarrollo del fusor Farnsworth - Hirsch. Reemplazamos el electrodo negativo central con la mayoría de los problemas con una nube de electrones atrapados en un campo magnético en el centro de la cámara. Todos los modelos de prueba tenían imanes convencionales, no imanes superconductores. La reacción dio neutrones individuales. En general, no hay revolución. Quizás un aumento de tamaño y los imanes superconductores cambiarían algo.

Catálisis de muones es una idea radicalmente diferente. Tomamos un muón cargado negativamente y lo reemplazamos con un electrón en un átomo. Dado que un muón es 207 veces más pesado que un electrón, 2 átomos en una molécula de hidrógeno serán mucho más amigo más cercano a un amigo, y se produce una reacción de síntesis. El único problema es que si se forma helio como resultado de la reacción (~ 1% de probabilidad) y el muón se va volando con él, ya no podrá participar en las reacciones (ya que el helio no se forma compuesto químico con hidrógeno).

El problema aquí es que la generación de un muón en este momento requiere más energía de la que se puede obtener en la cadena de reacciones y, por lo tanto, todavía no se puede obtener energía aquí.

Fusión termonuclear "fría"(esto no incluye la catálisis de muones "fría") - ha sido durante mucho tiempo el pasto de los pseudocientíficos. No hay resultados positivos científicamente probados y replicados de forma independiente. Y las sensaciones a nivel de prensa amarilla fueron más de una vez antes del E-Cat de Andrea Rossi.

Según los conceptos astrofísicos modernos, la principal fuente de energía del Sol y otras estrellas es la fusión termonuclear que se produce en sus profundidades. En condiciones terrestres, se lleva a cabo con la explosión de una bomba de hidrógeno. La fusión termonuclear va acompañada de una liberación de energía colosal por unidad de masa de sustancias que reaccionan (aproximadamente 10 millones de veces más que en las reacciones químicas). Por tanto, es de gran interés dominar este proceso y, a partir de él, crear una fuente de energía barata y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, a pesar de que grandes equipos científicos y técnicos en muchos países desarrollados se dedican a la investigación sobre la fusión termonuclear controlada (CTF), todavía quedan muchos problemas complejos por resolver antes de que la producción industrial de energía termonuclear se convierta en una realidad.

Las plantas de energía nuclear modernas que utilizan el proceso de fisión solo satisfacen parcialmente las necesidades de electricidad del mundo. Se alimentan de los elementos radiactivos naturales uranio y torio, cuya abundancia y reservas en la naturaleza son muy limitadas; por lo tanto, muchos países enfrentan el problema de importarlos. El componente principal del combustible de fusión es el isótopo de hidrógeno deuterio, que se encuentra en el agua de mar. Sus reservas están generalmente disponibles y son muy grandes (el océano mundial cubre ~ 71% de la superficie de la Tierra, y el deuterio representa aproximadamente el 0.016% del número total de átomos de hidrógeno que componen el agua). Además de la disponibilidad de combustible, las fuentes de energía termonuclear tienen las siguientes ventajas importantes sobre las centrales nucleares: 1) el reactor CTS contiene muchos menos materiales radiactivos que un reactor de fisión nuclear y, por lo tanto, las consecuencias de una liberación accidental de productos radiactivos son menores peligroso; 2) se generan desechos radiactivos de menor duración durante las reacciones termonucleares; 3) TCB permite la generación directa de electricidad.

BASE FÍSICA DE LA SÍNTESIS NUCLEAR

La implementación exitosa de la reacción de fusión depende de las propiedades de los núcleos atómicos utilizados y de la posibilidad de obtener un plasma denso a alta temperatura, que es necesario para iniciar la reacción.

Fuerzas y reacciones nucleares.

La liberación de energía durante la fusión nuclear se debe a las fuerzas de atracción extremadamente intensas que actúan dentro del núcleo; estas fuerzas mantienen unidos los protones y neutrones que forman el núcleo. Son muy intensos a distancias de ~ 10 a 13 cm y se debilitan extremadamente rápidamente al aumentar la distancia. Además de estas fuerzas, los protones cargados positivamente crean fuerzas repulsivas electrostáticas. El radio de acción de las fuerzas electrostáticas es mucho mayor que el de las fuerzas nucleares, por lo que comienzan a prevalecer cuando los núcleos se separan entre sí.

Como demostró G. Gamow, la probabilidad de una reacción entre dos núcleos de luz que se aproximan es proporcional, donde mi – base de logaritmos naturales, Z 1 y Z 2 - el número de protones en los núcleos que interactúan, W¿Es la energía de su convergencia relativa, y K Es un factor constante. La energía necesaria para realizar una reacción depende del número de protones de cada núcleo. Si es más de tres, entonces esta energía es demasiado grande y la reacción es prácticamente impracticable. Por lo tanto, al aumentar Z 1 y Z 2 la probabilidad de una reacción disminuye.

La probabilidad de que interactúen dos núcleos se caracteriza por la "sección transversal de reacción" medida en graneros (1 b = 10 - 24 cm 2). La sección transversal de reacción es el área de la sección transversal efectiva de un núcleo, en la que debe "caer" otro núcleo para que se produzca su interacción. La sección transversal para la reacción de deuterio con tritio alcanza su valor máximo (~ 5 b) cuando las partículas que interactúan tienen una energía relativa de aproximadamente 200 keV. A una energía de 20 keV, la sección transversal es inferior a 0,1 b.

De un millón de partículas aceleradas que golpean el objetivo, no más de una entra en interacción nuclear. El resto disipa su energía en los electrones de los átomos objetivo y se ralentiza a velocidades a las que la reacción se vuelve imposible. En consecuencia, el método de bombardear un objetivo sólido con núcleos acelerados (como fue el caso en el experimento de Cockcroft-Walton) es inadecuado para el CTS, ya que la energía obtenida en este caso es mucho menor que la gastada.

Combustibles termonucleares.

Reacciones que involucran pag, que juegan el papel principal en los procesos de fusión nuclear en el Sol y otras estrellas homogéneas, no son de interés práctico en condiciones terrestres, ya que tienen una sección transversal demasiado pequeña. Para la implementación de la fusión termonuclear en la tierra, un tipo de combustible más adecuado, como se mencionó anteriormente, es el deuterio.

Pero la reacción más probable se realiza en una mezcla de componentes iguales de deuterio y tritio (mezcla DT). Desafortunadamente, el tritio es radiactivo y prácticamente no se encuentra en la naturaleza debido a su corta vida media (T 1/2 ~ 12,3 años). Se produce artificialmente en reactores de fisión y también como subproducto en reacciones con deuterio. Sin embargo, la ausencia de tritio en la naturaleza no es un obstáculo para el uso de la reacción de síntesis de DT, ya que El tritio se puede producir irradiando el isótopo 6 Li con neutrones producidos durante la fusión: norte+ 6 Li ® 4 He + t.

Si la cámara termonuclear está rodeada por una capa de 6 Li (el litio natural contiene un 7%), entonces es posible realizar una reproducción completa del tritio consumible. Y aunque en la práctica algunos de los neutrones se pierden inevitablemente, su pérdida puede reponerse fácilmente introduciendo un elemento como el berilio en la capa, cuyo núcleo, cuando un neutrón rápido lo golpea, emite dos.

El principio de funcionamiento de un reactor de fusión.

La reacción de fusión de núcleos ligeros, cuya finalidad es obtener energía útil, se denomina fusión termonuclear controlada. Se lleva a cabo a temperaturas del orden de cientos de millones de kelvin. Este proceso se ha implementado hasta ahora solo en laboratorios.

Condiciones temporales y de temperatura.

La obtención de energía termonuclear útil solo es posible si se cumplen dos condiciones. En primer lugar, la mezcla destinada a la síntesis debe calentarse a una temperatura en la que la energía cinética de los núcleos proporcione una alta probabilidad de fusión en caso de colisión. En segundo lugar, la mezcla de reacción debe estar muy bien aislada térmicamente (es decir, la alta temperatura debe mantenerse el tiempo suficiente para que ocurra el número requerido de reacciones y la energía liberada como resultado de esto exceda la energía gastada en calentar el combustible).

En forma cuantitativa, esta condición se expresa de la siguiente manera. Para calentar una mezcla termonuclear, se debe suministrar energía a un centímetro cúbico de su volumen. PAG 1 = nudo, dónde k- coeficiente numérico, norte- la densidad de la mezcla (el número de núcleos en 1 cm 3), T- la temperatura requerida. Para mantener la reacción, la energía impartida a la mezcla termonuclear debe conservarse durante un tiempo t. Para que un reactor sea energéticamente ventajoso, es necesario que durante este tiempo se libere en él más energía termonuclear de la que se gastó en calefacción. La energía liberada (también por 1 cm 3) se expresa de la siguiente manera:

dónde F(T) Es un coeficiente que depende de la temperatura de la mezcla y su composición, R- energía liberada en un acto elemental de síntesis. Entonces la condición para la eficiencia energética PAG 2 > PAG 1 tomará la forma

De acuerdo con el criterio de Lawson, que determina el valor energéticamente favorable del producto de la densidad y el tiempo de confinamiento, en un reactor de fusión, el mayor valor posible norte o t... Por lo tanto, los estudios de CTS han divergido en dos direcciones diferentes: en la primera, los investigadores intentaron mantener un plasma relativamente enrarecido con la ayuda de un campo magnético durante un tiempo suficientemente largo; en el segundo, con la ayuda de láseres durante un corto tiempo para crear un plasma con una densidad muy alta. Se ha dedicado mucho más trabajo al primer enfoque que al segundo.

Confinamiento magnético de plasma.

Durante la reacción de síntesis, la densidad del reactivo caliente debe permanecer a un nivel que proporcione un rendimiento suficientemente alto de energía útil por unidad de volumen a una presión que la cámara de plasma pueda soportar. Por ejemplo, para una mezcla de deuterio-tritio a una temperatura de 108 K, el rendimiento se determina mediante la expresión

Si usted acepta PAG igual a 100 W / cm 3 (que corresponde aproximadamente a la energía liberada por las pilas de combustible en los reactores de fisión nuclear), entonces la densidad norte debe ser de aprox. 10 15 núcleos / cm 3, y la presión correspondiente Nuevo Testamento- alrededor de 3 MPa. El tiempo de espera en este caso, según el criterio de Lawson, debe ser de al menos 0,1 s. Para plasma deuterio-deuterio a una temperatura de 10 9 K

En este caso, para PAG= 100 W / cm 3, norte»3X10 15 núcleos / cm 3 y una presión de aproximadamente 100 MPa, el tiempo de retención requerido será superior a 1 s. Tenga en cuenta que las densidades indicadas son solo 0,0001 de la densidad del aire atmosférico, por lo que la cámara del reactor debe bombearse a un alto vacío.

Las estimaciones anteriores del tiempo de retención, la temperatura y la densidad son parámetros mínimos típicos requeridos para el funcionamiento de un reactor termonuclear, y se logran más fácilmente en el caso de una mezcla de deuterio-tritio. En cuanto a las reacciones termonucleares que ocurren durante la explosión de una bomba de hidrógeno y en el interior de las estrellas, hay que tener en cuenta que, debido a condiciones completamente diferentes, en el primer caso proceden muy rápidamente, y en el segundo, extremadamente lento en comparación con los procesos en un reactor termonuclear.

Plasma.

Cuando un gas se calienta fuertemente, sus átomos pierden electrones parcial o completamente, como resultado de lo cual se forman partículas cargadas positivamente, llamadas iones, y electrones libres. A temperaturas superiores a un millón de grados, un gas que consta de elementos ligeros está completamente ionizado, es decir, cada átomo pierde todos sus electrones. Un gas en un estado ionizado se llama plasma (el término fue introducido por I. Langmuir). Las propiedades del plasma difieren significativamente de las de un gas neutro. Dado que hay electrones libres en el plasma, el plasma conduce muy bien la corriente eléctrica y su conductividad es proporcional a T 3/2. El plasma se puede calentar pasando una corriente eléctrica a través de él. La conductividad de un plasma de hidrógeno a 108 K es la misma que la del cobre a temperatura ambiente. La conductividad térmica del plasma también es muy alta.

Para mantener el plasma, por ejemplo, a una temperatura de 10 8 K, debe estar aislado de manera confiable. En principio, el plasma se puede aislar de las paredes de la cámara colocándolo en un campo magnético fuerte. Esto es proporcionado por las fuerzas que surgen cuando las corrientes interactúan con un campo magnético en el plasma.

Bajo la influencia de un campo magnético, los iones y electrones se mueven en espirales a lo largo de sus líneas de fuerza. La transición de una línea de fuerza a otra es posible con colisiones de partículas y con la imposición de un campo eléctrico transversal. En ausencia de campos eléctricos, un plasma enrarecido a alta temperatura, en el que rara vez ocurren colisiones, se difundirá lentamente a través de las líneas del campo magnético. Si las líneas de fuerza del campo magnético están cerradas, dándoles la forma de un bucle, entonces las partículas de plasma se moverán a lo largo de estas líneas, manteniéndose en la región del bucle. Además de esta configuración magnética cerrada, se han desarrollado sistemas abiertos (con líneas de campo de fuerza que se extienden desde los extremos de la cámara hacia el exterior), en los que las partículas permanecen dentro de la cámara debido a los "tapones" magnéticos que limitan el movimiento de las partículas. propuesto para confinar el plasma. Los tapones magnéticos se crean en los extremos de la cámara, donde, como resultado de un aumento gradual en la intensidad del campo, se forma un haz de líneas de campo que se estrecha.

En la práctica, resultó estar lejos de ser simple llevar a cabo el confinamiento magnético de un plasma de una densidad suficientemente alta: a menudo surgen inestabilidades magnetohidrodinámicas y cinéticas.

Las inestabilidades magnetohidrodinámicas están asociadas con dobleces y roturas de líneas de campo magnético. En este caso, el plasma puede comenzar a moverse a través del campo magnético en forma de racimos, salir de la zona de confinamiento en unas millonésimas de segundo y desprender calor a las paredes de la cámara. Estas inestabilidades pueden suprimirse dando al campo magnético una cierta configuración.

Las inestabilidades cinéticas son muy diversas y se han estudiado con menos detalle. Entre ellos se encuentran los que interrumpen procesos ordenados, como el flujo de una corriente eléctrica directa o una corriente de partículas a través de un plasma. Otras inestabilidades cinéticas provocan una mayor tasa de difusión de plasma transversal en un campo magnético que la predicha por la teoría de colisión para un plasma silencioso.

Sistemas con configuración magnética cerrada.

Si se aplica un fuerte campo eléctrico a un gas conductor ionizado, entonces aparecerá una corriente de descarga en él, simultáneamente con la cual aparecerá un campo magnético que lo rodea. La interacción del campo magnético con la corriente dará lugar a la aparición de fuerzas de compresión que actúan sobre las partículas de gas cargadas. Si la corriente fluye a lo largo del eje del filamento de plasma conductor, entonces las fuerzas radiales que surgen, como bandas de goma, comprimen el filamento, empujando el límite del plasma lejos de las paredes de la cámara que lo contiene. Este fenómeno, predicho teóricamente por W. Bennett en 1934 y demostrado experimentalmente por primera vez por A. Wer en 1951, se denomina efecto pellizco. El método de pellizco se utiliza para confinar el plasma; Su característica notable es que el gas se calienta a altas temperaturas por la propia corriente eléctrica (calentamiento óhmico). La simplicidad fundamental del método llevó a su uso en los primeros intentos de confinar el plasma caliente, y el estudio del efecto pellizco simple, a pesar de que luego fue reemplazado por métodos más sofisticados, permitió comprender mejor los problemas. que los experimentadores todavía enfrentan hoy.

Además de la difusión del plasma en la dirección radial, también hay una deriva longitudinal y su salida por los extremos de la columna de plasma. Las pérdidas a través de los extremos se pueden eliminar dando forma a la cámara de plasma en forma de rosquilla (toro). En este caso, se obtiene un pellizco toroidal.

Para el simple pellizco descrito anteriormente, un problema serio son sus inestabilidades magnetohidrodinámicas inherentes. Si se produce una pequeña curva en la columna de plasma, aumenta la densidad de las líneas del campo magnético del lado interior de la curva (Fig. 1). Las líneas de fuerza magnéticas, que se comportan como cuerdas que resisten la compresión, se "abultarán" rápidamente, de modo que la curvatura aumentará hasta que se destruya toda la estructura de la columna de plasma. Como resultado, el plasma entrará en contacto con las paredes de la cámara y se enfriará. Para excluir este fenómeno destructivo, se crea un campo magnético longitudinal en la cámara antes de pasar la corriente axial principal, que junto con un campo circular aplicado posteriormente, "endereza" la incipiente curva de la columna de plasma (Fig. 2). El principio de estabilización de una columna de plasma por un campo axial forma la base de dos proyectos prometedores de reactores termonucleares: un tokamak y un pinch con un campo magnético inverso.

Configuraciones magnéticas abiertas.

Retención inercial.

Los cálculos teóricos muestran que la fusión termonuclear es posible sin el uso de trampas magnéticas. Para esto, un objetivo especialmente preparado (una bola de deuterio con un radio de aproximadamente 1 mm) se comprime rápidamente a densidades tan altas que la reacción termonuclear tiene tiempo para completarse antes de que el objetivo de combustible se evapore. La compresión y el calentamiento a temperaturas termonucleares se pueden realizar mediante pulsos de láser de ultra alta potencia, irradiando la bola de combustible de manera uniforme y simultánea desde todos los lados (Fig. 4). Con la evaporación instantánea de sus capas superficiales, las partículas emitidas adquieren velocidades muy altas y la bola está bajo la acción de grandes fuerzas de compresión. Son análogas a las fuerzas reactivas que impulsan el cohete, con la única diferencia de que estas fuerzas se dirigen hacia adentro, hacia el centro del objetivo. Este método puede crear presiones del orden de 10 11 MPa y densidades 10.000 veces superiores a la densidad del agua. A tal densidad, casi toda la energía termonuclear se liberará en forma de una pequeña explosión en un tiempo de ~ 10-12 s. Las microexplosiones que se produzcan, cada una de las cuales equivale a 1-2 kg de TNT, no dañarán el reactor, y la implementación de una secuencia de tales microexplosiones a intervalos cortos permitiría realizar una producción prácticamente continua de energía útil. Para el confinamiento inercial, el diseño del objetivo de combustible es muy importante. Un objetivo en forma de esferas concéntricas de materiales pesados y ligeros permitirá la evaporación más eficiente de partículas y, por lo tanto, la mayor compresión.

Los cálculos muestran que a una energía de radiación láser del orden de un megajulio (106 J) y una eficiencia del láser de al menos el 10%, la energía termonuclear generada debería exceder la energía gastada en bombear el láser. Las instalaciones de láser termonuclear están disponibles en laboratorios de investigación en Rusia, Estados Unidos, Europa Occidental y Japón. Actualmente, se está estudiando la posibilidad de utilizar un haz de iones pesados o una combinación de dicho haz con un haz de luz. Gracias a la tecnología moderna, este método de iniciar una reacción tiene una ventaja sobre el láser, ya que permite obtener más energía útil. La desventaja es la dificultad para enfocar el rayo en el objetivo.

INSTALACIONES CON RETENCIÓN MAGNÉTICA

Se están investigando métodos magnéticos de confinamiento de plasma en Rusia, Estados Unidos, Japón y varios países europeos. Se presta especial atención a las instalaciones toroidales, como tokamak y pinch con campo magnético inverso, que aparecieron como resultado del desarrollo de pinches más simples con un campo magnético longitudinal estabilizador.

Para confinar plasma usando un campo magnético toroidal B j es necesario crear condiciones en las que el plasma no se desplace hacia las paredes del toro. Esto se logra "torciendo" las líneas de fuerza del campo magnético (la llamada "transformación rotacional"). Esta torsión se realiza de dos formas. En el primer método, se pasa una corriente a través del plasma, lo que conduce a la configuración del pellizco estable ya considerado. Corriente de campo magnético B q Ј - B q junto con B j crea un campo total con el rizo requerido. Si B j B q, se obtiene una configuración conocida como tokamak (abreviatura de la expresión "TOroid CAMERA with Magnetic Coils"). El tokamak (Fig.5) fue desarrollado bajo el liderazgo de L.A. Artsimovich en el Instituto de Energía Atómica. IV Kurchatov en Moscú. A B j ~ B q, se obtiene una configuración pinch con un campo magnético inverso.

Tokamak.

Un parámetro importante del que depende el confinamiento de un plasma toroidal es el "margen de estabilidad" q igual a rB j / RB q, donde r y R- respectivamente, radios pequeños y grandes del plasma toroidal. Para pequeños q Puede desarrollarse inestabilidad helicoidal, un análogo de la inestabilidad de flexión de un pellizco recto. Los científicos de Moscú han demostrado experimentalmente que cuando q> 1 (es decir B j B q) la posibilidad de inestabilidad helicoidal se reduce considerablemente. Esto permite utilizar eficientemente el calor generado por la corriente para calentar el plasma. Como resultado de muchos años de investigación, las características de los tokamaks han mejorado significativamente, en particular, debido a un aumento en la uniformidad del campo y una limpieza efectiva de la cámara de vacío.

Los alentadores resultados obtenidos en Rusia estimularon la creación de tokamaks en muchos laboratorios de todo el mundo, y su configuración se ha convertido en objeto de intensas investigaciones.

El calentamiento óhmico del plasma en un tokamak es insuficiente para la implementación de una reacción de fusión termonuclear. Esto se debe al hecho de que cuando se calienta el plasma, su resistencia eléctrica disminuye en gran medida y, como resultado, la liberación de calor durante el paso de la corriente disminuye drásticamente. Es imposible aumentar la corriente en el tokamak por encima de cierto límite, ya que el filamento de plasma puede volverse inestable y arrojarse a las paredes de la cámara. Por lo tanto, se utilizan varios métodos adicionales para calentar el plasma. Los más eficaces son la inyección de haces de átomos neutros de alta energía y la irradiación de microondas. En el primer caso, los iones acelerados a energías de 50-200 keV se neutralizan (para evitar su "reflexión" por el campo magnético cuando se introducen en la cámara) y se inyectan en el plasma. Aquí se vuelven a ionizar y, en el curso de las colisiones, ceden su energía al plasma. En el segundo caso, se utiliza radiación de microondas, cuya frecuencia es igual a la frecuencia del ciclotrón de iones (la frecuencia de rotación de los iones en un campo magnético). A esta frecuencia, un plasma denso se comporta como un cuerpo absolutamente negro, es decir, absorbe completamente la energía incidente. Se obtuvo un plasma con una temperatura iónica de 280 millones de Kelvin y un tiempo de confinamiento de 0,85 s utilizando el tokamak JET de la Unión Europea mediante inyección de partículas neutras. Se obtuvo una potencia termonuclear de 2 MW sobre plasma deuterio-tritio. La duración del mantenimiento de la reacción está limitada por la aparición de impurezas debido a la pulverización catódica de las paredes de la cámara: las impurezas penetran en el plasma y, al ionizarse, aumentan significativamente las pérdidas de energía por radiación. Actualmente, el trabajo del programa JET se centra en estudios de la posibilidad de controlar las impurezas y su eliminación de las denominadas. "Desviador magnético".

También se crean grandes tokamaks en EE. UU. - TFTR, en Rusia - T15 y en Japón - JT60. Las investigaciones realizadas en estas y otras instalaciones sentaron las bases para la próxima etapa de trabajo en el campo de la fusión termonuclear controlada: en 2010 está previsto poner en marcha un gran reactor para pruebas técnicas. Se supone que este será un trabajo conjunto de Estados Unidos, Rusia, los países de la Unión Europea y Japón. ver también TOKAMAK.

Pellizco de campo invertido (POP).

La configuración POP se diferencia del tokamak en que contiene B q ~ B j, pero la dirección del campo toroidal fuera del plasma es opuesta a su dirección dentro de la columna de plasma. J. Taylor demostró que tal sistema está en un estado con energía mínima y, a pesar de q

Una ventaja de la configuración POP es que la relación entre las densidades de energía volumétrica del plasma y el campo magnético (cantidad b) es mayor que en el tokamak. Es fundamentalmente importante que b sea lo más grande posible, ya que esto reducirá el campo toroidal y, por lo tanto, reducirá el costo de las bobinas que lo crean y toda la estructura de soporte. Lado débil El EPP es que el aislamiento térmico de estos sistemas es peor que el de los tokamaks, y no se ha resuelto el problema de mantener el campo inverso.

Stellarator.

En un estelarizador, un campo magnético toroidal cerrado se superpone a un campo creado por un devanado de tornillo especial enrollado en el cuerpo de la cámara. El campo magnético total evita que el plasma se desvíe del centro y suprime ciertos tipos de inestabilidades magnetohidrodinámicas. El plasma en sí se puede crear y calentar mediante cualquiera de los métodos utilizados en el tokamak.

La principal ventaja del stellarator es que el método de confinamiento utilizado en él no está asociado a la presencia de corriente en el plasma (como en los tokamaks o en instalaciones basadas en el efecto pinch), por lo que el stellarator puede funcionar en modo estacionario. Además, el devanado helicoidal puede tener un efecto de "desviación", es decir, E. purificar el plasma de las impurezas y eliminar los productos de reacción.

El confinamiento de plasma en esterilizadores se está investigando exhaustivamente en instalaciones de la Unión Europea, Rusia, Japón y Estados Unidos. En el estelarizador Wendelstein VII en Alemania, fue posible mantener un plasma libre de corriente con una temperatura de más de 5 × 10 6 Kelvin calentándolo mediante la inyección de un haz atómico de alta energía.

Estudios teóricos y experimentales recientes han demostrado que en la mayoría de las instalaciones descritas, y especialmente en sistemas toroidales cerrados, el tiempo de confinamiento del plasma puede incrementarse aumentando sus dimensiones radiales y el campo magnético de confinamiento. Por ejemplo, para un tokamak se calcula que el criterio de Lawson se cumplirá (e incluso con un cierto margen) con una intensidad de campo magnético de ~ 50 ё 100 kG y un pequeño radio de la cámara toroidal de aprox. 2 m Estos son los parámetros de una instalación para 1000 MW de electricidad.

Al crear instalaciones tan grandes con confinamiento de plasma magnético, surgen problemas tecnológicos completamente nuevos. Para crear un campo magnético del orden de 50 kG en un volumen de varios metros cúbicos utilizando bobinas de cobre enfriadas por agua, se requiere una fuente de electricidad con una capacidad de varios cientos de megavatios. Por tanto, es obvio que los devanados de las bobinas deben estar hechos de materiales superconductores, como aleaciones de niobio con titanio o con estaño. La resistencia de estos materiales a la corriente eléctrica en estado superconductor es cero y, por tanto, se consumirá una cantidad mínima de electricidad para mantener el campo magnético.

Tecnología de reactores.

Perspectivas de la investigación termonuclear.

Los experimentos llevados a cabo en dispositivos del tipo tokamak han demostrado que este sistema es muy prometedor como posible base para un reactor CTS. Los mejores resultados hasta la fecha se han obtenido en tokamaks, y se espera que con el correspondiente aumento en la escala de las instalaciones, sea posible implementar CTS industriales en ellos. Sin embargo, el tokamak no es lo suficientemente económico. Para eliminar este inconveniente, es necesario que funcione no en modo pulsado, como ahora, sino en modo continuo. Pero los aspectos físicos de este problema aún no se conocen bien. También es necesario desarrollar medios técnicos que mejoren los parámetros del plasma y eliminen su inestabilidad. Teniendo en cuenta todo esto, no se deben olvidar otras posibles versiones, aunque menos desarrolladas, de un reactor termonuclear, por ejemplo, un estelarizador o un pinch con campo invertido. El estado de la investigación en esta área ha llegado a una etapa en la que se dispone de diseños de reactores conceptuales para la mayoría de los sistemas con confinamiento magnético de plasma de alta temperatura y para algunos sistemas con confinamiento inercial. Un ejemplo de desarrollo industrial de un tokamak es el proyecto Aries (EE. UU.).