la fusion thermonucléaire, la réaction de fusion de noyaux atomiques légers en noyaux plus lourds, se produisant à des températures ultra-élevées et accompagnée de la libération d'énormes quantités d'énergie. La fusion nucléaire il s'agit d'une réaction inverse de la fission atomique : dans cette dernière, de l'énergie est libérée grâce à la division des noyaux lourds en noyaux plus légers. voir également FISSION DU NOYAU ; POUVOIR NUCLÉAIRE.

Selon les concepts astrophysiques modernes, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire qui se produit dans leurs profondeurs. En conditions terrestres, elle est réalisée lors d'une explosion Bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'une libération d'énergie colossale par unité de masse de substances en réaction (environ 10 millions de fois plus que réactions chimiques). Il est donc très intéressant de maîtriser ce processus et de l’utiliser pour créer une source d’énergie bon marché et respectueuse de l’environnement. Cependant, malgré le fait que de grandes équipes scientifiques et techniques dans de nombreux pays développés soient engagées dans des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), de nombreux problèmes complexes doivent encore être résolus avant production industrielle l'énergie thermonucléaire deviendra une réalité.

Les centrales nucléaires modernes utilisant le processus de fission ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Leur combustible est constitué d'éléments radioactifs naturels, l'uranium et le thorium, dont l'abondance et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, de nombreux pays sont confrontés au problème de leur importation. Le principal composant du combustible thermonucléaire est l'isotope de l'hydrogène, le deutérium, contenu dans eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes (les océans du monde couvrent environ 71 % de la superficie de la Terre et le deutérium représente environ 0,016 % du nombre total d'atomes d'hydrogène qui composent l'eau). Outre la disponibilité du combustible, les sources d'énergie de fusion présentent les avantages importants suivants par rapport à centrales nucléaires: 1) le réacteur UTS contient beaucoup moins de matières radioactives qu'un réacteur nucléaire à fission, et donc les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont moins dangereuses ; 2) les réactions thermonucléaires produisent moins de déchets radioactifs à vie longue ; 3) TCB permet la réception directe de l'électricité.

Artsimovitch L.A. Réactions thermonucléaires contrôlées. M., 1963
Centrales thermiques et nucléaires(livre 1, section 6 ; livre 3, section 8). M., 1989

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LA FUSION NUCLÉAIRE
la fusion thermonucléaire, la réaction de fusion de noyaux atomiques légers en noyaux plus lourds, se produisant à des températures ultra-élevées et accompagnée de la libération d'énormes quantités d'énergie. La fusion nucléaire est la réaction opposée à la fission atomique : dans cette dernière, de l'énergie est libérée en raison de la division des noyaux lourds en noyaux plus légers. voir également
FISSION DU NOYAU ;
POUVOIR NUCLÉAIRE . Selon les concepts astrophysiques modernes, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire qui se produit dans leurs profondeurs. Dans des conditions terrestres, elle est réalisée lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'une libération d'énergie colossale par unité de masse de substances en réaction (environ 10 millions de fois supérieure à celle des réactions chimiques). Il est donc très intéressant de maîtriser ce processus et de l’utiliser pour créer une source d’énergie bon marché et respectueuse de l’environnement. Cependant, même si de grandes équipes scientifiques et techniques de nombreux pays développés mènent des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), de nombreux problèmes complexes doivent encore être résolus avant que la production industrielle d'énergie thermonucléaire ne devienne une réalité. Les centrales nucléaires modernes utilisant le processus de fission ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Leur combustible est constitué d'éléments radioactifs naturels, l'uranium et le thorium, dont l'abondance et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, de nombreux pays sont confrontés au problème de leur importation. Le principal composant du combustible thermonucléaire est le deutérium, un isotope de l’hydrogène, présent dans l’eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes (les océans du monde couvrent 71 % de la surface terrestre et le deutérium représente environ 0,016 % du nombre total d'atomes d'hydrogène qui composent l'eau). En plus de la disponibilité du combustible, les sources d'énergie thermonucléaire présentent les avantages importants suivants par rapport aux centrales nucléaires : 1) le réacteur UTS contient beaucoup moins de matières radioactives qu'un réacteur nucléaire à fission, et donc les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont moindres dangereux; 2) les réactions thermonucléaires produisent moins de déchets radioactifs à vie longue ; 3) TCB permet la réception directe de l'électricité.
BASES PHYSIQUES DE LA Fusion NUCLÉAIRE
La réussite de la réaction de fusion dépend des propriétés des noyaux atomiques utilisés et de la capacité à obtenir un plasma dense à haute température, nécessaire au déclenchement de la réaction.
Forces et réactions nucléaires. La libération d'énergie lors de la fusion nucléaire est due à des forces d'attraction extrêmement intenses agissant à l'intérieur du noyau ; Ces forces maintiennent ensemble les protons et les neutrons qui composent le noyau. Ils sont très intenses à des distances de fusion NUCLÉAIRE de 10 à 13 cm et s'affaiblissent extrêmement rapidement à mesure que la distance augmente. En plus de ces forces, les protons chargés positivement créent des forces répulsives électrostatiques. La gamme des forces électrostatiques est bien plus grande que celle des forces nucléaires, elles commencent donc à dominer lorsque les noyaux sont éloignés les uns des autres. Dans des conditions normales, l'énergie cinétique des noyaux des atomes légers est trop petite pour que, après avoir surmonté la répulsion électrostatique, ils puissent se rapprocher et entrer dans une réaction nucléaire. Cependant, la répulsion peut être surmontée par la force « brute », par exemple en heurtant des noyaux à une vitesse relative élevée. J. Cockcroft et E. Walton ont utilisé ce principe dans leurs expériences menées en 1932 au Laboratoire Cavendish (Cambridge, Royaume-Uni). En irradiant une cible de lithium avec des protons accélérés dans un champ électrique, ils ont observé l'interaction des protons avec les noyaux de lithium Li. Depuis, un grand nombre de réactions similaires ont été étudiées. Réactions impliquant les noyaux les plus légers - proton (p), deutéron (d) et triton (t), correspondant aux isotopes de l'hydrogène protium 1H, deutérium 2H et tritium 3H - ainsi que l'isotope « léger » de l'hélium 3He et deux isotopes de les lithium 6Li et 7Li sont présentés dans le tableau ci-dessous. Ici n est un neutron, g est un quantum gamma. L'énergie libérée dans chaque réaction est exprimée en millions d'électrons-volts (MeV). Avec une énergie cinétique de 1 MeV, la vitesse d'un proton est de 14 500 km/s.
voir également STRUCTURE DU NOYAU ATOMIQUE.

RÉACTIONS DE FUSION

Comme l'a montré G. Gamow, la probabilité d'une réaction entre deux noyaux légers qui se rapprochent est proportionnelle à

, où e est la base des logarithmes naturels, Z1 et Z2 sont les nombres de protons dans les noyaux en interaction, W est l'énergie de leur approche relative et K est un facteur constant. L'énergie nécessaire pour réaliser une réaction dépend du nombre de protons dans chaque noyau. Si elle est supérieure à trois, alors cette énergie est trop grande et la réaction est pratiquement impossible. Ainsi, à mesure que Z1 et Z2 augmentent, la probabilité d’une réaction diminue. La probabilité que deux noyaux interagissent est caractérisée par la « section efficace de réaction », mesurée en grange (1 b = 10-24 cm2). La section efficace de réaction est la surface transversale effective d'un noyau dans laquelle un autre noyau doit « tomber » pour que leur interaction se produise. La section efficace de réaction du deutérium avec le tritium atteint sa valeur maximale (SYNTHÈSE NUCLÉAIRE5 b) lorsque les particules en interaction ont une énergie relative d'approche de l'ordre de 200 keV. À une énergie de 20 keV, la section efficace devient inférieure à 0,1 b. Sur un million de particules accélérées atteignant la cible, pas plus d'une entre interaction nucléaire. Les autres dissipent leur énergie sur les électrons des atomes cibles et ralentissent à des vitesses telles que la réaction devient impossible. Par conséquent, la méthode de bombardement d'une cible solide avec des noyaux accélérés (comme ce fut le cas dans l'expérience Cockcroft-Walton) est inadaptée au CTS, puisque l'énergie obtenue dans ce cas est bien inférieure à l'énergie dépensée.

Carburants de fusion. Les réactions impliquant p, qui jouent un rôle majeur dans les processus de fusion nucléaire sur le Soleil et d’autres étoiles homogènes, ne présentent pas d’intérêt pratique dans des conditions terrestres car leur section efficace est trop petite. Pour la fusion thermonucléaire sur Terre, un type de combustible plus approprié, comme mentionné ci-dessus, est le deutérium. Mais la réaction la plus probable se produit dans un mélange égal de deutérium et de tritium (mélange DT). Malheureusement, le tritium est radioactif et, en raison de sa courte demi-vie (fusion T1/2 NUCLÉAIRE 12,3 ans), on ne le trouve pratiquement pas dans la nature. Il est produit artificiellement dans des réacteurs à fission, ainsi que comme sous-produit de réactions avec le deutérium. Cependant, l'absence de tritium dans la nature n'est pas un obstacle à l'utilisation de la réaction de fusion DT, puisque le tritium peut être produit en irradiant l'isotope 6Li avec des neutrons produits lors de la synthèse : n + 6Li (r) 4He + t. Si vous entourez la chambre thermonucléaire d'une couche de 6Li (le lithium naturel en contient 7%), vous pourrez alors reproduire complètement le tritium consommable. Et bien qu'en pratique certains neutrons soient inévitablement perdus, leur perte peut être facilement compensée en introduisant dans la coque un élément tel que le béryllium, dont le noyau, lorsqu'un neutron rapide le frappe, en émet deux.
Principe de fonctionnement d'un réacteur thermonucléaire. La réaction de fusion de noyaux légers, dont le but est d'obtenir de l'énergie utile, est appelée fusion thermonucléaire contrôlée. Elle est réalisée à des températures de l'ordre de centaines de millions de Kelvin. Ce procédé n'a jusqu'à présent été mis en œuvre que dans les laboratoires.
Conditions temporelles et de température. L'obtention d'une énergie thermonucléaire utile n'est possible que si deux conditions sont remplies. Premièrement, le mélange destiné à la synthèse doit être chauffé à une température à laquelle l'énergie cinétique des noyaux offre une forte probabilité de fusion lors d'une collision. Deuxièmement, le mélange réactionnel doit être très bien isolé thermiquement (c'est-à-dire que la température élevée doit être maintenue suffisamment longtemps pour que le nombre requis de réactions se produise et que l'énergie libérée qui en résulte dépasse l'énergie dépensée pour chauffer le combustible). Sous forme quantitative, cette condition s'exprime comme suit. Pour chauffer un mélange thermonucléaire, il faut donner à un centimètre cube de son volume l'énergie P1 = knT, où k est un coefficient numérique, n est la densité du mélange (le nombre de noyaux dans 1 cm3), T est la température requise . Pour entretenir la réaction, l'énergie communiquée au mélange thermonucléaire doit être maintenue pendant un temps t. Pour qu'un réacteur soit rentable sur le plan énergétique, il faut que pendant ce temps, plus d'énergie thermonucléaire y soit libérée qu'elle n'en a dépensé en chauffage. L'énergie libérée (également pour 1 cm3) s'exprime comme suit :

où f(T) est un coefficient dépendant de la température du mélange et de sa composition, R est l'énergie libérée lors d'un acte élémentaire de synthèse. Alors la condition de rentabilité énergétique P2 > P1 prendra la forme

La dernière inégalité, connue sous le nom de critère de Lawson, est une expression quantitative des exigences d'une parfaite isolation thermique. Le côté droit - le « nombre de Lawson » - dépend uniquement de la température et de la composition du mélange, et plus il est grand, plus les exigences en matière d'isolation thermique sont strictes, c'est-à-dire plus il est difficile de créer un réacteur. Dans la région des températures acceptables, le nombre de Lawson pour le deutérium pur est de 1016 s/cm3 et pour un mélange DT à composants égaux - 2×1014 s/cm3. Ainsi, le mélange DT est le combustible de fusion préféré. Conformément au critère de Lawson, qui détermine la valeur énergétiquement favorable du produit de la densité et du temps de confinement, dans un réacteur à fusion, il convient d'utiliser le plus grand n ou t possible. Les recherches sur la fusion contrôlée ont donc divergé dans deux directions différentes : dans la première, les chercheurs ont tenté de contenir un plasma relativement raréfié à l'aide d'un champ magnétique pendant une durée suffisamment longue ; dans le second, utiliser des lasers pour créer un plasma de très haute densité pendant une courte période. Beaucoup a été consacré à la première approche. plus de travail que la seconde.
Confinement magnétique du plasma. Pendant la réaction de fusion, la densité du réactif chaud doit rester à un niveau qui fournirait un rendement suffisamment élevé d'énergie utile par unité de volume à une pression que la chambre à plasma peut supporter. Par exemple, pour un mélange deutérium - tritium à une température de 108 K, le rendement est déterminé par l'expression

Si l'on prend P égal à 100 W/cm3 (ce qui correspond à peu près à l'énergie libérée par les éléments combustibles dans les réacteurs à fission nucléaire), alors la densité n devrait être d'environ. 1015 noyaux/cm3, et la pression correspondante nT est d'environ 3 MPa. Dans ce cas, selon le critère de Lawson, le temps de rétention doit être d'au moins 0,1 s. Pour le plasma deutérium-deutérium à une température de 109 K

Dans ce cas, à P = 100 W/cm3, n" 3×1015 noyaux/cm3 et une pression d'environ 100 MPa, le temps de rétention requis sera supérieur à 1 s. A noter que les densités indiquées ne sont que 0,0001 de la densité d'air atmosphérique, de sorte que la chambre du réacteur doit être pompée jusqu'à un vide poussé. Les estimations ci-dessus du temps de confinement, de la température et de la densité sont des paramètres minimaux typiques requis pour le fonctionnement d'un réacteur à fusion, et elles sont plus facilement obtenues dans le cas d'un mélange deutérium-tritium. En ce qui concerne les réactions thermonucléaires se produisant lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène et à l'intérieur des étoiles , il convient alors de garder à l'esprit qu'en raison de conditions complètement différentes, dans le premier cas, elles se déroulent très rapidement, et dans le second - extrêmement lent par rapport aux processus dans un réacteur thermonucléaire.
Plasma. Lorsqu’un gaz est fortement chauffé, ses atomes perdent tout ou partie de leurs électrons, ce qui entraîne la formation de particules chargées positivement appelées ions et électrons libres. À des températures supérieures à un million de degrés, un gaz constitué d'éléments légers est complètement ionisé, c'est-à-dire chacun de ses atomes perd tous ses électrons. Le gaz à l'état ionisé est appelé plasma (le terme a été introduit par I. Langmuir). Les propriétés du plasma diffèrent considérablement de celles du gaz neutre. Comme il y a des électrons libres dans le plasma, le plasma conduit très bien l’électricité et sa conductivité est proportionnelle à T3/2. Le plasma peut être chauffé en y faisant passer un courant électrique. La conductivité du plasma d'hydrogène à 108 K est la même que celle du cuivre à température ambiante. La conductivité thermique du plasma est également très élevée. Pour maintenir le plasma, par exemple, à une température de 108 K, il doit être isolé thermiquement de manière fiable. En principe, le plasma peut être isolé des parois de la chambre en le plaçant dans un champ magnétique puissant. Ceci est assuré par les forces qui apparaissent lorsque les courants interagissent avec le champ magnétique du plasma. Sous l’influence d’un champ magnétique, les ions et les électrons se déplacent en spirale le long de ses lignes de champ. Une transition d'une ligne de champ à une autre est possible lors de collisions de particules et lorsqu'une champ électrique. En l’absence de champs électriques, le plasma raréfié à haute température, dans lequel les collisions sont rares, ne se diffusera que lentement à travers les lignes de champ magnétique. Si les lignes du champ magnétique sont fermées, leur donnant la forme d'une boucle, alors les particules de plasma se déplaceront le long de ces lignes et seront retenues dans la zone de la boucle. En plus d'une telle configuration magnétique fermée pour le confinement du plasma, systèmes ouverts(avec des lignes de champ s'étendant vers l'extérieur depuis les extrémités de la chambre), dans lequel les particules restent à l'intérieur de la chambre en raison de « bouchons » magnétiques limitant le mouvement des particules. Des bouchons magnétiques sont créés aux extrémités de la chambre, où, à la suite d'une augmentation progressive de l'intensité du champ, un faisceau rétrécissant de lignes de champ se forme. En pratique, le confinement magnétique d'un plasma de densité suffisamment élevée s'est avéré loin d'être simple : des instabilités magnétohydrodynamiques et cinétiques y apparaissent souvent. Les instabilités magnétohydrodynamiques sont associées aux courbures et aux replis des lignes de champ magnétique. Dans ce cas, le plasma peut commencer à se déplacer à travers le champ magnétique sous forme d'amas, en quelques millionièmes de seconde il quittera la zone de confinement et cédera de la chaleur aux parois de la chambre. De telles instabilités peuvent être supprimées en donnant au champ magnétique une certaine configuration. Les instabilités cinétiques sont très diverses et ont été étudiées moins en détail. Parmi eux, il y a ceux qui perturbent des processus ordonnés, comme, par exemple, la circulation d'un courant électrique continu ou un flux de particules à travers le plasma. D'autres instabilités cinétiques provoquent un taux de diffusion transversale du plasma dans un champ magnétique plus élevé que celui prédit par la théorie des collisions pour un plasma silencieux.
Systèmes avec une configuration magnétique fermée. Si une force importante est appliquée à un gaz conducteur ionisé champ électrique, alors un courant de décharge y apparaîtra, simultanément avec lequel un champ magnétique l'entourant apparaîtra. L'interaction du champ magnétique avec le courant va conduire à l'apparition de forces de compression agissant sur les particules de gaz chargées. Si le courant circule le long de l'axe du cordon de plasma conducteur, alors les forces radiales qui en résultent, comme des élastiques, compriment le cordon, éloignant la limite du plasma des parois de la chambre qui le contient. Ce phénomène, prédit théoriquement par W. Bennett en 1934 et démontré pour la première fois expérimentalement par A. Ware en 1951, est appelé effet pincement. La méthode du pincement est utilisée pour contenir le plasma ; sa particularité est que le gaz est chauffé à hautes températures par le courant électrique lui-même (chauffage ohmique). La simplicité fondamentale de la méthode a conduit à son utilisation dès les toutes premières tentatives de confinement du plasma chaud, et l'étude du simple effet de pincement, malgré le fait qu'il ait ensuite été supplanté par des méthodes plus avancées, a permis de mieux comprendre les problèmes auxquels les expérimentateurs sont encore confrontés aujourd'hui. En plus de la diffusion du plasma dans la direction radiale, on observe également une dérive longitudinale et sa sortie par les extrémités du cordon plasma. Les pertes aux extrémités peuvent être éliminées en donnant à la chambre à plasma une forme de beignet (tore). Dans ce cas, on obtient un pincement toroïdal. Pour le simple pincement décrit ci-dessus, un problème sérieux réside dans ses instabilités magnétohydrodynamiques inhérentes. Si une légère courbure se produit dans le filament du plasma, alors la densité des lignes de champ magnétique avec à l'intérieur la flexion augmente (Fig. 1). Les lignes de champ magnétique, qui se comportent comme des faisceaux résistant à la compression, commenceront à se « gonfler » rapidement, de sorte que la courbure augmentera jusqu'à ce que toute la structure de la corde de plasma soit détruite. En conséquence, le plasma entrera en contact avec les parois de la chambre et se refroidira. Pour éliminer ce phénomène destructeur, avant le passage du courant axial principal, un champ magnétique longitudinal est créé dans la chambre qui, associé à un champ circulaire appliqué ultérieurement, « redresse » la courbure naissante de la colonne de plasma (Fig. 2). Le principe de stabilisation d'une colonne de plasma par un champ axial est à la base de deux projets prometteurs de réacteurs thermonucléaires - un tokamak et un pincement à champ magnétique inversé.

Configurations magnétiques ouvertes. Dans les systèmes à configuration ouverte, le problème du confinement du plasma dans la direction longitudinale est résolu en créant un champ magnétique dont les lignes de champ près des extrémités de la chambre ont la forme d'un faisceau effilé. Les particules chargées se déplacent le long de lignes hélicoïdales le long de la ligne de champ et sont réfléchies par des zones d'intensité plus élevée (où la densité de la ligne de champ est plus grande). De telles configurations (Fig. 3) sont appelées pièges à miroirs magnétiques, ou miroirs magnétiques. Le champ magnétique est créé par deux bobines parallèles dans lesquelles circulent des courants forts et de direction identique. Dans l’espace entre les bobines, les lignes de force forment un « tonneau » dans lequel se trouve le plasma confiné. Cependant, il a été établi expérimentalement qu'il est peu probable que de tels systèmes soient capables de contenir du plasma ayant la densité requise pour le fonctionnement du réacteur. Actuellement, il n’y a pas beaucoup d’espoir placé dans cette méthode de rétention.
voir également HYDRODYNAMIQUE MAGNÉTIQUE.

Rétention inertielle. Les calculs théoriques montrent que la fusion thermonucléaire est possible sans utilisation de pièges magnétiques. Pour ce faire, une cible spécialement préparée (une boule de deutérium d'un rayon d'environ 1 mm) est rapidement comprimée à des densités si élevées que la réaction thermonucléaire a le temps de se terminer avant que la cible combustible ne s'évapore. La compression et le chauffage aux températures thermonucléaires peuvent être effectués avec des impulsions laser ultra-puissantes, irradiant uniformément et simultanément la boule de combustible de tous les côtés (Fig. 4). Avec l'évaporation instantanée de ses couches superficielles, les particules qui s'échappent acquièrent des vitesses très élevées et la balle est soumise à d'importantes forces de compression. Elles sont similaires aux forces réactives entraînant une fusée, à la seule différence qu'ici ces forces sont dirigées vers l'intérieur, vers le centre de la cible. Cette méthode peut créer des pressions de l’ordre de 1 011 MPa et des densités 10 000 fois supérieures à la densité de l’eau. À une telle densité, presque toute l'énergie thermonucléaire sera libérée sous la forme d'une petite explosion dans un délai de FONCTION NUCLÉAIRE 10-12 s. Les micro-explosions qui se produisent, dont chacune équivaut à 1 à 2 kg de TNT, n'endommageront pas le réacteur, et la mise en œuvre d'une séquence de telles micro-explosions à intervalles rapprochés permettrait de réaliser une production d’énergie utile. Pour le confinement inertiel, la conception de la cible combustible est très importante. Une cible en forme de sphères concentriques constituées de matériaux lourds et légers permettra l'évaporation la plus efficace des particules et, par conséquent, la plus grande compression.

Les calculs montrent qu'à l'énergie rayonnement laser de l'ordre du mégajoule (106 J) et un rendement laser d'au moins 10 %, l'énergie thermonucléaire produite doit dépasser l'énergie dépensée pour pomper le laser. Des installations laser thermonucléaires sont disponibles dans des laboratoires de recherche en Russie, aux États-Unis, en Europe occidentale et au Japon. La possibilité d'utiliser un faisceau d'ions lourds à la place d'un faisceau laser ou de combiner un tel faisceau avec un faisceau lumineux est actuellement à l'étude. Grâce à technologie moderne Cette méthode d'initiation d'une réaction présente un avantage par rapport à la méthode laser, car elle permet d'obtenir plus d'énergie utile. L'inconvénient est la difficulté de focaliser le faisceau sur la cible.
UNITÉS À MAINTIEN MAGNÉTIQUE
Les méthodes magnétiques de confinement du plasma sont étudiées en Russie, aux États-Unis, au Japon et dans plusieurs pays européens. L'attention principale est portée aux installations de type toroïdal, comme un tokamak et une pince à champ magnétique inversé, apparues à la suite du développement de pinces plus simples avec un champ magnétique longitudinal stabilisant. Pour confiner le plasma à l'aide d'un champ magnétique toroïdal Bj, il est nécessaire de créer des conditions dans lesquelles le plasma ne se déplace pas vers les parois du tore. Ceci est réalisé en « tordant » les lignes du champ magnétique (ce qu’on appelle la « transformation rotationnelle »). Cette torsion se fait de deux manières. Dans la première méthode, un courant traverse le plasma, conduisant à la configuration du pincement stable déjà évoqué. Le champ magnétique du courant Bq Ј -Bq avec Bj crée un champ total avec la torsion nécessaire. Si Bj Bq, alors la configuration résultante est connue sous le nom de tokamak (abréviation de l'expression « CHAMBRE TORIDALE AVEC BOBINES MAGNÉTIQUES »). Le tokamak (Fig. 5) a été développé sous la direction de L. A. Artsimovich à l'Institut énergie atomique eux. I.V. Kurchatova à Moscou. À la fusion Bj NUCLÉAIRE Bq, une configuration de pincement avec un champ magnétique inversé est obtenue.

Dans la deuxième méthode, des enroulements hélicoïdaux spéciaux autour d’une chambre à plasma toroïdale sont utilisés pour assurer l’équilibre du plasma confiné. Les courants dans ces enroulements créent un champ magnétique complexe, conduisant à une torsion des lignes de force du champ total à l'intérieur du tore. Une telle installation, appelée stellarator, a été développée à l'Université de Princeton (USA) par L. Spitzer et ses collègues.
Tokamak. Un paramètre important dont dépend le confinement d'un plasma toroïdal est la « marge de stabilité » q, égale à rBj/RBq, où r et R sont respectivement le petit et le grand rayon du plasma toroïdal. À petit q, une instabilité hélicoïdale peut se développer - un analogue de l'instabilité en flexion d'un pincement droit. Des scientifiques de Moscou ont montré expérimentalement que lorsque q > 1 (c'est-à-dire Bj Bq), la possibilité d'apparition d'une instabilité de la vis est considérablement réduite. Cela permet d'utiliser efficacement la chaleur générée par le courant pour chauffer le plasma. Grâce à de nombreuses années de recherche, les caractéristiques des tokamaks se sont considérablement améliorées, notamment grâce à une uniformité accrue du champ et à un nettoyage efficace de la chambre à vide. Les résultats encourageants obtenus en Russie ont stimulé la création de tokamaks dans de nombreux laboratoires à travers le monde, et leur configuration a fait l'objet de recherches intensives. Le chauffage ohmique du plasma dans un tokamak n'est pas suffisant pour réaliser une réaction de fusion thermonucléaire. Cela est dû au fait que lorsque le plasma est chauffé, son résistance électrique, et par conséquent, la génération de chaleur lors du passage du courant est fortement réduite. Il est impossible d'augmenter le courant dans un tokamak au-dessus d'une certaine limite, car le cordon de plasma pourrait perdre sa stabilité et être projeté sur les parois de la chambre. Par conséquent, diverses méthodes supplémentaires sont utilisées pour chauffer le plasma. Les plus efficaces d’entre eux sont l’injection de faisceaux d’atomes neutres de haute énergie et l’irradiation par micro-ondes. Dans le premier cas, les ions accélérés à des énergies de 50 à 200 keV sont neutralisés (pour éviter d'être « réfléchis » par le champ magnétique lorsqu'ils sont introduits dans la chambre) et injectés dans le plasma. Ici, ils sont à nouveau ionisés et, au cours des collisions, cèdent leur énergie au plasma. Dans le second cas, on utilise un rayonnement micro-ondes dont la fréquence est égale à la fréquence du cyclotron ionique (la fréquence de rotation des ions dans un champ magnétique). A cette fréquence, le plasma dense se comporte comme s'il était absolument corps noir, c'est à dire. absorbe complètement l'énergie incidente. Au tokamak JET de l'Union européenne, un plasma avec une température ionique de 280 millions de Kelvin et un temps de confinement de 0,85 s a été obtenu par injection de particules neutres. Une puissance thermonucléaire atteignant 2 MW a été obtenue à l'aide d'un plasma deutérium-tritium. La durée d'entretien de la réaction est limitée par l'apparition d'impuretés dues à la pulvérisation des parois de la chambre : les impuretés pénètrent dans le plasma et, lorsqu'elles sont ionisées, augmentent significativement les pertes d'énergie dues au rayonnement. Actuellement, les travaux du programme JET se concentrent sur la recherche sur la possibilité de contrôler les impuretés et de les éliminer. "déviateur magnétique". De grands tokamaks ont également été créés aux États-Unis - TFTR, en Russie - T15 et au Japon - JT60. Les recherches menées dans ces installations et dans d'autres ont jeté les bases d'une étape ultérieure des travaux dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée : un grand réacteur pour tests techniques. C'est censé être collaborationÉtats-Unis, Russie, pays de l’Union européenne et Japon.
Pincement de champ inversé (FRP). La configuration POP diffère du tokamak en ce qu'elle contient la fusion Bq NUCLÉAIRE Bj, mais la direction du champ toroïdal à l'extérieur du plasma est opposée à sa direction à l'intérieur de la colonne de plasma. J. Taylor a montré qu'un tel système est dans un état d'énergie minimale et, malgré q Stellarateur. Dans un stellarateur, un champ magnétique toroïdal fermé est superposé à un champ créé par une vis spéciale enroulée autour du corps de la caméra. Le champ magnétique total empêche la dérive du plasma loin du centre et supprime espèce individuelle instabilités magnétohydrodynamiques. Le plasma lui-même peut être créé et chauffé par n’importe quelle méthode utilisée dans un tokamak. Le principal avantage du stellarateur est que la méthode de confinement utilisée n'est pas associée à la présence de courant dans le plasma (comme dans les tokamaks ou dans les installations basées sur l'effet pincement), et donc le stellarateur peut fonctionner en mode stationnaire. De plus, le remontage à vis peut avoir un effet « déviateur », c'est-à-dire purifier le plasma des impuretés et éliminer les produits de réaction. Le confinement du plasma dans les stellarateurs a été étudié de manière approfondie dans des installations de l'Union européenne, de Russie, du Japon et des États-Unis. Au stellarateur Wendelstein VII en Allemagne, il a été possible de maintenir un plasma non porteur de courant avec une température supérieure à 5×106 kelvins, en le chauffant en injectant un faisceau atomique à haute énergie. Dernières théories et études expérimentales ont montré que dans la plupart des installations décrites, et notamment dans les systèmes toroïdaux fermés, le temps de confinement du plasma peut être augmenté en augmentant ses dimensions radiales et le champ magnétique de confinement. Par exemple, pour un tokamak, on calcule que le critère de Lawson sera satisfait (et même avec une certaine marge) à une intensité de champ magnétique de FONCTION NUCLÉAIRE 50 - 100 kG et un petit rayon de la chambre toroïdale d'env. 2 M. Ce sont les paramètres d'installation pour 1000 MW d'électricité. Lors de la création d'installations aussi grandes avec confinement magnétique du plasma, des problèmes technologiques complètement nouveaux se posent. Pour créer un champ magnétique de l'ordre de 50 kG dans un volume de plusieurs mètres cubes à l'aide de bobines de cuivre refroidies à l'eau, il faudra une source d'électricité d'une capacité de plusieurs centaines de mégawatts. Il est donc évident que les enroulements des bobines doivent être constitués de matériaux supraconducteurs, tels que des alliages de niobium avec du titane ou de l'étain. Résistance de ces matériaux courant électrique dans l'état supraconducteur est nul et, par conséquent, il sera dépensé pour maintenir le champ magnétique quantité minimaleélectricité.
Technologie des réacteurs. La structure d’une centrale thermonucléaire est représentée schématiquement sur la figure. 6. Dans la chambre du réacteur se trouve un plasma de deutérium-tritium, entouré d'une « couverture » de lithium-béryllium, où les neutrons sont absorbés et le tritium est reproduit. La chaleur générée est évacuée de la couverture via un échangeur de chaleur dans une turbine à vapeur conventionnelle. Les enroulements de l'aimant supraconducteur sont protégés par des rayonnements et des écrans thermiques et refroidis à l'hélium liquide. Cependant, de nombreux problèmes liés à la stabilité du plasma et à sa purification des impuretés, aux dommages causés par les radiations à la paroi interne de la chambre, à l'alimentation en carburant, à l'élimination de la chaleur et des produits de réaction et au contrôle de la puissance thermique n'ont pas encore été résolus.
voir également
POUVOIR NUCLÉAIRE ;
ÉCHANGEUR DE CHALEUR.

Perspectives de la recherche thermonucléaire. Des expériences réalisées sur des installations de type tokamak ont montré que ce système est très prometteur comme base possible pour un réacteur CTS. Les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus avec les tokamaks, et on espère qu'avec une augmentation correspondante de la taille des installations, il sera possible d'y mettre en œuvre des CTS industriels. Cependant, le tokamak n’est pas assez économique. Pour éliminer cet inconvénient, il faut qu'il fonctionne non pas en mode pulsé, comme c'est le cas actuellement, mais en mode continu. Mais les aspects physiques de ce problème n’ont pas encore été suffisamment étudiés. Il faut également développer moyens techniques, ce qui améliorerait les paramètres du plasma et éliminerait ses instabilités. Compte tenu de tout cela, nous ne devons pas oublier d'autres options possibles, bien que moins développées, pour un réacteur thermonucléaire, par exemple un stellarateur ou un pincement à champ inversé. L'état de la recherche dans ce domaine a atteint le stade où il existe des conceptions de réacteurs conceptuels pour la plupart des systèmes de confinement magnétique pour les plasmas à haute température et pour certains systèmes de confinement inertiel. Un exemple de développement industriel d'un tokamak est le projet Aries (USA). La prochaine génération de tokamaks doit résoudre problèmes techniques, associé aux réacteurs industriels UTS. Il est évident que leurs créateurs seront confrontés à des difficultés considérables, mais il est également certain qu'à mesure que les gens prendront conscience des problèmes liés à environnement, sources de matières premières et d'énergie, la production d'électricité selon les nouvelles méthodes évoquées ci-dessus prendra toute sa place. voir également

Puisque les forces d'attraction nucléaires agissent entre les noyaux atomiques à de courtes distances, lorsque deux noyaux se rapprochent, leur fusion est possible, c'est-à-dire la synthèse d'un noyau plus lourd. Tous les noyaux atomiques ont une charge électrique positive et se repoussent donc sur de grandes distances. Pour que les noyaux se rassemblent et entrent dans une réaction de fusion nucléaire, ils doivent avoir suffisamment d’énergie cinétique pour surmonter la répulsion électrique mutuelle, qui est d’autant plus grande que la charge du noyau est grande. Par conséquent, le moyen le plus simple consiste à synthétiser des noyaux légers avec une faible charge électrique. En laboratoire, les réactions de fusion peuvent être observées en tirant des noyaux rapides sur une cible, accélérés dans un accélérateur spécial (voir Accélérateurs de particules chargées). Dans la nature, les réactions de fusion se produisent dans la matière très chaude, par exemple à l'intérieur des étoiles, y compris au centre du Soleil, où la température est de 14 millions de degrés et où l'énergie de mouvement thermique de certaines des particules les plus rapides est suffisante pour vaincre la répulsion électrique. . La fusion nucléaire se produisant dans une matière chauffée est appelée fusion thermonucléaire.

Les réactions thermonucléaires se produisant au cœur des étoiles jouent un rôle très important dans l’évolution de l’Univers. Ils sont la source des noyaux éléments chimiques, qui sont synthétisés à partir de l’hydrogène des étoiles. Ils sont la source d'énergie des étoiles. La principale source d'énergie du Soleil réside dans les réactions du cycle dit proton-proton, à la suite desquelles un noyau d'hélium naît de 4 protons. L'énergie libérée lors de la fusion est emportée par les noyaux résultants, quanta un rayonnement électromagnétique, neutrons et neutrinos. En observant le flux de neutrinos provenant du Soleil, il est possible d'établir quelles réactions de fusion nucléaire et avec quelle intensité se produisent en son centre.

Une caractéristique unique des réactions thermonucléaires en tant que source d'énergie est la très grande libération d'énergie par unité de masse des substances en réaction - 10 millions de fois plus que dans les réactions chimiques. L’entrée en synthèse de 1 g d’isotopes d’hydrogène équivaut à la combustion de 10 tonnes d’essence. Les scientifiques s’efforcent donc depuis longtemps de maîtriser cette gigantesque source d’énergie. En principe, nous savons déjà aujourd’hui comment obtenir de l’énergie de fusion thermonucléaire sur Terre. Il est possible de chauffer la matière à des températures stellaires en utilisant de l'énergie explosion atomique. C'est ainsi que fonctionne une bombe à hydrogène - l'arme la plus terrible de notre époque, dans laquelle l'explosion d'un fusible nucléaire entraîne un échauffement instantané d'un mélange de deutérium et de tritium et une explosion thermonucléaire ultérieure.

Mais les scientifiques ne recherchent pas une synthèse aussi incontrôlable, capable de détruire toute vie sur Terre. Ils recherchent des moyens de mettre en œuvre une fusion thermonucléaire contrôlée. Quelles conditions doivent être remplies pour cela ? Tout d’abord, bien entendu, il est nécessaire de chauffer le combustible thermonucléaire à une température à laquelle des réactions de fusion peuvent se produire avec une probabilité notable. Mais ce n'est pas assez. Il est nécessaire que plus d'énergie soit libérée lors de la fusion que celle dépensée pour chauffer la substance, ou, mieux encore, que les particules rapides créées lors de la fusion maintiennent elles-mêmes la température requise du combustible. Pour ce faire, il est nécessaire que la substance entrant dans la synthèse soit isolée thermiquement de manière fiable de l'environnement terrestre environnant et, naturellement, froid, c'est-à-dire que le temps de refroidissement, ou, comme on dit, le temps de rétention d'énergie, soit suffisamment long. .

Les exigences en matière de température et de temps de rétention dépendent du combustible utilisé. Le moyen le plus simple de réaliser une synthèse consiste à effectuer une synthèse entre les isotopes lourds de l'hydrogène - le deutérium (D) et le tritium (T). Dans ce cas, la réaction aboutit à un noyau d'hélium (He 4) et à un neutron. Le deutérium se trouve sur Terre en quantités énormes dans l’eau de mer (un atome de deutérium pour 6 000 atomes d’hydrogène). Le tritium n'existe pas dans la nature. Aujourd’hui, il est produit artificiellement en irradiant du lithium dans des réacteurs nucléaires avec des neutrons. L'absence de tritium ne constitue cependant pas un obstacle à utilisation de D-T les réactions de fusion, puisque le neutron produit lors de la réaction peut être utilisé pour reproduire le tritium en irradiant le lithium, dont les réserves sont assez importantes sur Terre.

Implémenter Réactions DT Les températures les plus favorables se situent autour de 100 millions de degrés. Le temps de rétention d'énergie nécessaire dépend de la densité de la substance en réaction, qui, à une telle température, se présentera inévitablement sous forme de plasma, c'est-à-dire de gaz ionisé. Étant donné que l'intensité des réactions thermonucléaires est d'autant plus élevée que la densité du plasma est élevée, les exigences en matière de temps de rétention d'énergie sont inversement proportionnelles à la densité. Si l'on exprime la densité sous la forme du nombre d'ions pour 1 cm 3, alors pour la réaction D-T à la température optimale la condition d'obtention de l'énergie utile peut s'écrire sous la forme : le produit de la densité n et du temps de rétention d'énergie τ doit être supérieur à 10 14 cm −3 s, c'est-à-dire qu'un plasma avec une densité de 10 14 ions pour 1 cm 3 ne devrait pas refroidir sensiblement plus rapidement qu'en 1 s.

Puisque la vitesse thermique des ions hydrogène à la température requise est de 10 8 cm/s, les ions parcourent 1 000 km en 1 s. Des dispositifs spéciaux sont donc nécessaires pour empêcher le plasma d’atteindre les parois qui l’isolent. Le plasma est un gaz constitué d'un mélange d'ions et d'électrons. Les particules chargées se déplaçant à travers un champ magnétique sont soumises à une force qui courbe leur trajectoire et les oblige à se déplacer en cercles avec des rayons proportionnels à l'impulsion des particules et inversement proportionnels au champ magnétique. Ainsi, un champ magnétique peut empêcher les particules chargées de s’échapper dans une direction perpendiculaire aux lignes de champ. C'est la base de l'idée de l'isolation thermique magnétique du plasma. Le champ magnétique n’empêche cependant pas le mouvement des particules le long des lignes de force : cas général les particules se déplacent en spirales, s’enroulant autour de lignes de force.

Les physiciens ont mis au point diverses astuces pour empêcher les particules de s'échapper le long des lignes de champ. Vous pouvez, par exemple, créer des « bouchons magnétiques » - des zones avec un champ magnétique plus fort qui réfléchissent certaines particules, mais il est préférable d'enrouler les lignes de champ en un anneau et d'utiliser un champ magnétique toroïdal. Mais il s’avère qu’un seul champ toroïdal ne suffit pas.

Un champ toroïdal est inhomogène dans l'espace - son intensité diminue le long du rayon, et dans un champ non uniforme, un mouvement lent de particules chargées se produit - ce qu'on appelle la dérive - à travers le champ magnétique. Cette dérive peut être éliminée en faisant passer un courant dans le plasma le long du circuit du tore. Le champ magnétique du courant, s’ajoutant au champ externe toroïdal, rendra le champ global hélicoïdal.

Se déplaçant en spirale le long des lignes de force, les particules chargées se déplaceront du demi-plan supérieur du tore vers le bas et vers l'arrière. En même temps, ils dériveront toujours dans une direction, par exemple vers le haut. Mais étant dans le demi-plan supérieur et dérivant vers le haut, les particules s'éloignent du plan médian du tore, et étant dans le demi-plan inférieur et dérivant également vers le haut, les particules y reviennent. Ainsi, les dérives dans les moitiés supérieure et inférieure du tore se compensent mutuellement et n'entraînent pas de pertes de particules. C'est exactement ainsi qu'est conçu le système magnétique des installations de type Tokamak, dans lequel sont obtenus les meilleurs résultats en matière de chauffage et d'isolation thermique du plasma.

Outre l'isolation thermique du plasma, il faut également assurer son chauffage. Dans un Tokamak, le courant circulant à travers un cordon plasma peut être utilisé à cette fin. Dans d'autres dispositifs où le confinement s'effectue sans courant, ainsi que dans le Tokamak lui-même, d'autres méthodes de chauffage sont utilisées pour chauffer à très haute température, par exemple en utilisant des ondes électromagnétiques, injection (introduction) dans le plasma de faisceaux de particules rapides, de faisceaux lumineux générés par des lasers puissants, etc. Plus la puissance du dispositif de chauffage est grande, plus le plasma peut être chauffé rapidement à la température requise. Développement en dernières années des lasers très puissants et des sources de faisceaux de particules chargées relativistes ont permis de chauffer de petits volumes de matière à des températures thermonucléaires en un temps très court, si court que la matière a le temps de s'échauffer et d'entrer dans des réactions de fusion avant de se disperser sous l'effet du mouvement thermique . Dans de telles conditions, une isolation thermique supplémentaire s’est avérée inutile. La seule chose qui empêche les particules de se séparer est leur propre inertie. Les dispositifs à fusion basés sur ce principe sont appelés dispositifs à confinement inertiel. Cette nouvelle direction de recherche, appelée fusion thermonucléaire inertielle, se développe actuellement rapidement.

Enfant, j'adorais lire la revue « Science et Vie » ; dans le village il y avait un classeur des années 60. Là, on parlait souvent de fusion thermonucléaire de manière joyeuse - c'est presque là, et ça va arriver ! De nombreux pays, afin de rattraper leur retard en matière de distribution d'énergie gratuite, ont construit des Tokamaks (et en ont installé au total 300 dans le monde).

Les années ont passé... Nous sommes en 2013, et l'humanité tire encore l'essentiel de son énergie de la combustion du charbon, comme au 19e siècle. Pourquoi cela s'est-il produit, qu'est-ce qui empêche la création d'un réacteur thermonucléaire et à quoi pouvons-nous nous attendre à l'avenir - en dessous de la limite.

Théorie

Le noyau d'un atome, on s'en souvient, est constitué, en première approximation, de protons et de neutrons (=nucléons). Afin d'arracher tous les neutrons et protons d'un atome, vous devez dépenser une certaine énergie - l'énergie de liaison du noyau. Cette énergie diffère selon les isotopes et, naturellement, lors des réactions nucléaires, le bilan énergétique doit être maintenu. Si nous traçons l'énergie de liaison pour tous les isotopes (pour 1 nucléon), nous obtenons ce qui suit :

Nous voyons donc que nous pouvons obtenir de l’énergie soit en séparant des atomes lourds (comme 235 U), soit en combinant des atomes légers.

Les réactions de synthèse les plus réalistes et pratiquement intéressantes sont :

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

Ces réactions utilisent du deutérium (D) - il peut être obtenu directement à partir de l'eau de mer, du tritium (T) - un isotope radioactif de l'hydrogène, désormais obtenu sous forme de déchet dans les réacteurs nucléaires conventionnels et peut être spécialement produit à partir de lithium. Hélium-3 semble être sur la Lune, comme nous le savons tous déjà. Bore-11 - le bore naturel est composé à 80 % de bore-11. p (Protium, atome d'hydrogène) - hydrogène ordinaire.

A titre de comparaison, la fission du 235 U libère ~202,5 MeV d'énergie, soit bien plus qu'avec une réaction de fusion pour 1 atome (mais par kilogramme de combustible - bien sûr, le combustible thermonucléaire fournit plus d'énergie).

Les réactions 1 et 2 produisent de nombreux neutrons de très haute énergie, qui rendent toute la structure du réacteur radioactive. Mais les réactions 3 et 4 – « sans neutrons » (aneutroniques) – ne produisent pas de rayonnement induit. Malheureusement, des réactions secondaires subsistent, par exemple à partir de la réaction 3 - le deutérium réagira avec lui-même et il y aura toujours une petite quantité de rayonnement neutronique.

La réaction 4 est intéressante car on obtient ainsi 3 particules alpha, dont l'énergie peut théoriquement être directement retirée (puisqu'elles représentent en réalité des charges en mouvement = courant).

En général, il y a suffisamment de réactions intéressantes. La seule question est de savoir dans quelle mesure est-il facile de les mettre en œuvre dans la réalité ?

Sur la complexité de la réaction L'humanité a maîtrisé la fission du 235 U relativement facilement : il n'y a aucune difficulté ici - puisque les neutrons n'ont pas de charge, ils peuvent littéralement « ramper » à travers le noyau même à une vitesse très faible. Dans la plupart des réacteurs à fission, des neutrons thermiques sont utilisés - la vitesse de leur mouvement est comparable à la vitesse du mouvement thermique des atomes.

Mais lors d’une réaction de fusion, nous avons 2 noyaux chargés, et ils se repoussent. Afin de les rapprocher de la distance nécessaire à une réaction, ils doivent se déplacer avec une vitesse suffisante. Cette vitesse peut être atteinte soit dans un accélérateur (lorsque tous les atomes finissent par se déplacer à la même vitesse optimale), soit par chauffage (lorsque les atomes volent au hasard dans des directions et à des vitesses aléatoires).

Voici un graphique montrant la vitesse de réaction (section efficace) en fonction de la vitesse (=énergie) des atomes en collision :

Voici la même chose, mais construite sur la température du plasma, en tenant compte du fait que les atomes y volent à des vitesses aléatoires :

Nous voyons immédiatement que la réaction D+T est la plus « légère » (elle nécessite à peine 100 millions de degrés), D+D est environ 100 fois plus lente aux mêmes températures, D+ 3 Il est plus rapide que le D+D concurrent seulement à des températures de l'ordre de 1 milliard de degrés.

Ainsi, seule la réaction D+T est au moins à distance accessible à l'homme, avec tous ses inconvénients (radioactivité du tritium, difficultés d'obtention, rayonnement induit par les neutrons).

Mais comme vous le comprenez, prendre et chauffer quelque chose à cent millions de degrés et le laisser réagir ne fonctionnera pas - tous les objets chauffés émettent de la lumière et se refroidissent ainsi rapidement. Le plasma chauffé à des centaines de millions de degrés brille dans la gamme des rayons X, et le plus triste, c'est qu'il lui est transparent. Ceux. le plasma à une telle température se refroidit mortellement rapidement, et pour maintenir la température, vous devez constamment pomper une énergie gigantesque pour maintenir la température.

Cependant, étant donné qu'il y a très peu de gaz dans un réacteur thermonucléaire (par exemple, dans ITER - seulement un demi-gramme), tout ne se passe pas si mal : pour chauffer 0,5 g d'hydrogène à 100 millions de degrés, il faut dépenser environ la même quantité d'énergie que pour chauffer 186 litres d'eau à 100 degrés.

Le projet s'est terminé le 30 septembre 2012. Il s’est avéré qu’il y avait des inexactitudes dans le modèle informatique. Selon une nouvelle estimation, la puissance d'impulsion obtenue au NIF est de 1,8 mégajoules, soit 33 à 50 % de celle requise pour libérer la même quantité d'énergie que celle dépensée.

Sandy Z-machine L'idée est la suivante : prenons un gros tas de condensateurs haute tension et déchargeons-les soudainement à travers de fins fils de tungstène au centre de la machine. Les fils s'évaporent instantanément et un énorme courant de 27 millions d'ampères continue de les traverser pendant 95 nanosecondes. Le plasma chauffé à des millions et des milliards (!) de degrés - émet rayonnement X, et comprime une capsule avec un mélange deutérium-tritium au centre (l'énergie de l'impulsion des rayons X est de 2,7 mégajoules).

Il est prévu de moderniser le système en utilisant une centrale électrique russe (Linear Transformer Driver - LTD). Les premiers tests sont attendus en 2013, dans lesquels l'énergie reçue sera comparée à l'énergie dépensée (Q=1). Peut-être que cette direction aura une chance d'égaler et de surpasser les tokamaks à l'avenir.

Foyer plasma dense - DPF- « effondre » le plasma qui circule le long des électrodes, produisant des températures gigantesques. En mars 2012, une température de 1,8 milliard de degrés a été atteinte dans une installation fonctionnant selon ce principe.

Dipôle en lévitation- un tokamak « inversé », au centre de la chambre à vide pend un aimant supraconducteur en forme de tore qui retient le plasma. Dans un tel schéma, le plasma promet d’être stable en lui-même. Mais le projet n'a pas de financement pour l'instant, il semble que la réaction de synthèse n'ait pas été réalisée directement au niveau de l'installation.

Fuseur Farnsworth-Hirsch L'idée est simple : nous plaçons deux grilles sphériques dans une chambre à vide remplie de deutérium, ou d'un mélange deutérium-tritium, et appliquons un potentiel de 50 à 200 000 volts entre elles. Dans un champ électrique, les atomes commencent à voler autour du centre de la chambre, entrant parfois en collision les uns avec les autres.

Il existe un rendement en neutrons, mais il est assez faible. Grosses pertes l'énergie en rayons X de bremsstrahlung, la grille interne se réchauffe rapidement et s'évapore suite aux collisions avec les atomes et les électrons. Bien que la conception soit intéressante d'un point de vue académique (n'importe quel étudiant peut l'assembler), l'efficacité de la génération de neutrons est bien inférieure à celle des accélérateurs linéaires.

Puits poly sont de bons rappels que tous les travaux de fusion ne sont pas publics. Les travaux ont été financés par l’US Navy et ont été classés jusqu’à l’obtention de résultats négatifs.

L'idée est un développement du fusor Farnsworth-Hirsch. Nous remplaçons l'électrode centrale négative, qui présentait le plus de problèmes, par un nuage d'électrons retenu par un champ magnétique au centre de la chambre. Tous les modèles de test étaient équipés d'aimants réguliers plutôt que supraconducteurs. La réaction a produit des neutrons uniques. En général, pas de révolution. Peut-être qu’une augmentation de la taille et des aimants supraconducteurs changerait quelque chose.

Catalyse muonique- une idée radicalement différente. Nous prenons un muon chargé négativement et le remplaçons par un électron dans un atome. Puisqu’un muon est 207 fois plus lourd qu’un électron, il y aura 2 atomes dans une molécule d’hydrogène ami plus proche les uns aux autres, et une réaction de synthèse se produira. Le seul problème est que si de l'hélium se forme à la suite de la réaction (chance ~1 %) et que le muon s'envole avec lui, il ne pourra plus participer aux réactions (puisque l'hélium ne se forme pas composé chimique avec de l'hydrogène).

Le problème ici est que la génération de muons est ce moment nécessite plus d’énergie que ce qui peut être obtenu dans une chaîne de réactions, et donc l’énergie ne peut pas encore être obtenue ici.

Fusion thermonucléaire « froide »(cela n'inclut pas la catalyse « froide » des muons) - a longtemps été un pâturage pour les pseudoscientifiques. Il n’existe aucun résultat positif scientifiquement prouvé ou reproductible de manière indépendante. Et il y a eu des sensations au niveau de la presse jaune plus d’une fois avant même l’E-Cat d’Andrea Rossi.

Selon les concepts astrophysiques modernes, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire qui se produit dans leurs profondeurs. Dans des conditions terrestres, elle est réalisée lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'une libération d'énergie colossale par unité de masse de substances en réaction (environ 10 millions de fois supérieure à celle des réactions chimiques). Il est donc très intéressant de maîtriser ce processus et de l’utiliser pour créer une source d’énergie bon marché et respectueuse de l’environnement. Cependant, même si de grandes équipes scientifiques et techniques de nombreux pays développés mènent des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), de nombreux problèmes complexes doivent encore être résolus avant que la production industrielle d'énergie thermonucléaire ne devienne une réalité.

Les centrales nucléaires modernes utilisant le processus de fission ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Leur combustible est constitué d'éléments radioactifs naturels, l'uranium et le thorium, dont l'abondance et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, de nombreux pays sont confrontés au problème de leur importation. Le principal composant du combustible thermonucléaire est le deutérium, un isotope de l’hydrogène, présent dans l’eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très vastes (les océans du monde couvrent environ 71 % de la superficie de la Terre et le deutérium représente environ 0,016 % du nombre total d'atomes d'hydrogène qui composent l'eau). En plus de la disponibilité du combustible, les sources d'énergie thermonucléaire présentent les avantages importants suivants par rapport aux centrales nucléaires : 1) le réacteur UTS contient beaucoup moins de matières radioactives qu'un réacteur nucléaire à fission, et donc les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont moindres dangereux; 2) les réactions thermonucléaires produisent moins de déchets radioactifs à vie longue ; 3) TCB permet la réception directe de l'électricité.

BASES PHYSIQUES DE LA Fusion NUCLÉAIRE

La réussite de la réaction de fusion dépend des propriétés des noyaux atomiques utilisés et de la capacité à obtenir un plasma dense à haute température, nécessaire au déclenchement de la réaction.

Forces et réactions nucléaires.

La libération d'énergie lors de la fusion nucléaire est due à des forces d'attraction extrêmement intenses agissant à l'intérieur du noyau ; Ces forces maintiennent ensemble les protons et les neutrons qui composent le noyau. Ils sont très intenses à des distances d’environ 10 à 13 cm et s’affaiblissent extrêmement rapidement à mesure que la distance augmente. En plus de ces forces, les protons chargés positivement créent des forces répulsives électrostatiques. La gamme des forces électrostatiques est bien plus grande que celle des forces nucléaires, elles commencent donc à dominer lorsque les noyaux sont éloignés les uns des autres.

Comme l'a montré G. Gamow, la probabilité d'une réaction entre deux noyaux légers qui se rapprochent est proportionnelle à , où e – base de logarithmes naturels, Z 1 Et Z 2 – nombre de protons dans les noyaux en interaction, W est l'énergie de leur approche relative, et K– multiplicateur constant. L'énergie nécessaire pour réaliser une réaction dépend du nombre de protons dans chaque noyau. Si elle est supérieure à trois, alors cette énergie est trop grande et la réaction est pratiquement impossible. Ainsi, avec l’augmentation Z 1 et Z 2 la probabilité d'une réaction diminue.

La probabilité que deux noyaux interagissent est caractérisée par la « section efficace de réaction », mesurée en grange (1 b = 10 –24 cm 2). La section efficace de réaction est la surface transversale effective d'un noyau dans laquelle un autre noyau doit « tomber » pour que leur interaction se produise. La section efficace de réaction du deutérium avec le tritium atteint sa valeur maximale (~5 b) lorsque les particules en interaction ont une énergie d'approche relative de l'ordre de 200 keV. À une énergie de 20 keV, la section efficace devient inférieure à 0,1 b.

Sur un million de particules accélérées frappant la cible, pas plus d’une entre en interaction nucléaire. Les autres dissipent leur énergie sur les électrons des atomes cibles et ralentissent à des vitesses telles que la réaction devient impossible. Par conséquent, la méthode de bombardement d'une cible solide avec des noyaux accélérés (comme ce fut le cas dans l'expérience Cockroft-Walton) est inadaptée à la fusion contrôlée, puisque l'énergie obtenue dans ce cas est bien inférieure à l'énergie dépensée.

Carburants de fusion.

Réactions impliquant p, qui jouent un rôle majeur dans les processus de fusion nucléaire sur le Soleil et d'autres étoiles homogènes, ne présentent pas d'intérêt pratique dans des conditions terrestres car leur section efficace est trop petite. Pour la fusion thermonucléaire sur Terre, un type de combustible plus approprié, comme mentionné ci-dessus, est le deutérium.

Mais la réaction la plus probable se produit dans un mélange égal de deutérium et de tritium (mélange DT). Malheureusement, le tritium est radioactif et, en raison de sa courte demi-vie (T 1/2 ~ 12,3 ans), on ne le trouve pratiquement pas dans la nature. Il est produit artificiellement dans des réacteurs à fission, ainsi que comme sous-produit de réactions avec le deutérium. Cependant, l'absence de tritium dans la nature n'est pas un obstacle à l'utilisation de la réaction de fusion DT, puisque le tritium peut être produit en irradiant l'isotope 6 Li avec des neutrons produits lors de la synthèse : n+ 6 Li ® 4 He + t.

Si vous entourez la chambre thermonucléaire d'une couche de 6 Li (le lithium naturel en contient 7%), alors vous pouvez reproduire complètement le tritium consommable. Et bien qu'en pratique certains neutrons soient inévitablement perdus, leur perte peut être facilement compensée en introduisant dans la coque un élément tel que le béryllium, dont le noyau, lorsqu'un neutron rapide le frappe, en émet deux.

Principe de fonctionnement d'un réacteur thermonucléaire.

La réaction de fusion de noyaux légers, dont le but est d'obtenir de l'énergie utile, est appelée fusion thermonucléaire contrôlée. Elle est réalisée à des températures de l'ordre de centaines de millions de Kelvin. Ce procédé n'a jusqu'à présent été mis en œuvre que dans les laboratoires.

Conditions de temps et de température.

L'obtention d'une énergie thermonucléaire utile n'est possible que si deux conditions sont remplies. Premièrement, le mélange destiné à la synthèse doit être chauffé à une température à laquelle l'énergie cinétique des noyaux offre une forte probabilité de fusion lors d'une collision. Deuxièmement, le mélange réactionnel doit être très bien isolé thermiquement (c'est-à-dire que la température élevée doit être maintenue suffisamment longtemps pour que le nombre requis de réactions se produise et que l'énergie libérée qui en résulte dépasse l'énergie dépensée pour chauffer le combustible).

Sous forme quantitative, cette condition s'exprime comme suit. Pour chauffer un mélange thermonucléaire, il faut donner de l'énergie à un centimètre cube de son volume P. 1 = nouer, Où k– coefficient numérique, n– densité du mélange (nombre de grains pour 1 cm3), T– température requise. Pour entretenir la réaction, l'énergie communiquée au mélange thermonucléaire doit être maintenue pendant un temps t. Pour qu'un réacteur soit rentable sur le plan énergétique, il faut que pendant ce temps, plus d'énergie thermonucléaire y soit libérée qu'elle n'en a dépensé en chauffage. L'énergie libérée (également pour 1 cm3) s'exprime comme suit :

Où F(T) – coefficient dépendant de la température du mélange et de sa composition, R.– énergie libérée dans un acte élémentaire de synthèse. Alors la condition de rentabilité énergétique P. 2 > P. 1 prendra la forme

Conformément au critère de Lawson, qui détermine la valeur énergétiquement favorable du produit de la densité par le temps de confinement, un réacteur thermonucléaire doit utiliser le plus grand nombre possible d’éléments. n ou t. Les recherches sur la fusion contrôlée ont donc divergé dans deux directions différentes : dans la première, les chercheurs ont tenté de contenir un plasma relativement raréfié à l'aide d'un champ magnétique pendant une durée suffisamment longue ; dans le second, utiliser des lasers pour créer un plasma de très haute densité pendant une courte période. Beaucoup plus de travaux ont été consacrés à la première approche qu’à la seconde.

Confinement magnétique du plasma.

Pendant la réaction de fusion, la densité du réactif chaud doit rester à un niveau qui fournirait un rendement suffisamment élevé d'énergie utile par unité de volume à une pression que la chambre à plasma peut supporter. Par exemple, pour un mélange deutérium – tritium à une température de 10 8 K, le rendement est déterminé par l'expression

Si nous acceptons P.égale à 100 W/cm 3 (ce qui correspond approximativement à l'énergie libérée par les éléments combustibles dans les réacteurs à fission nucléaire), alors la densité n devrait être d'env. 10 15 noyaux/cm 3, et la pression correspondante NT– environ 3 MPa. Dans ce cas, selon le critère de Lawson, le temps de rétention doit être d'au moins 0,1 s. Pour plasma deutérium-deutérium à une température de 10 9 K

Dans ce cas, quand P.= 100 W/cm3, n» 3Х10 15 noyaux/cm 3 et une pression d'environ 100 MPa, le temps de rétention requis sera supérieur à 1 s. Notez que ces densités ne représentent que 0,0001 de la densité de l’air atmosphérique, la chambre du réacteur doit donc être évacuée sous vide poussé.

Les estimations ci-dessus du temps de confinement, de la température et de la densité sont des paramètres minimaux typiques requis pour le fonctionnement d'un réacteur à fusion et sont plus facilement obtenues dans le cas d'un mélange deutérium-tritium. Quant aux réactions thermonucléaires se produisant lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène et dans les entrailles des étoiles, il faut garder à l'esprit qu'en raison de conditions complètement différentes, dans le premier cas elles se déroulent très rapidement, et dans le second - extrêmement lentement par rapport aux processus dans un réacteur thermonucléaire.

Plasma.

Lorsqu’un gaz est fortement chauffé, ses atomes perdent tout ou partie de leurs électrons, ce qui entraîne la formation de particules chargées positivement appelées ions et électrons libres. À des températures supérieures à un million de degrés, un gaz constitué d'éléments légers est complètement ionisé, c'est-à-dire chacun de ses atomes perd tous ses électrons. Le gaz à l'état ionisé est appelé plasma (le terme a été introduit par I. Langmuir). Les propriétés du plasma diffèrent considérablement de celles du gaz neutre. Puisque le plasma contient des électrons libres, il conduit très bien l’électricité et sa conductivité est proportionnelle à T 3/2. Le plasma peut être chauffé en y faisant passer un courant électrique. La conductivité du plasma d'hydrogène à 10 8 K est la même que celle du cuivre à température ambiante. La conductivité thermique du plasma est également très élevée.

Pour maintenir le plasma, par exemple, à une température de 10 8 K, il doit être isolé thermiquement de manière fiable. En principe, le plasma peut être isolé des parois de la chambre en le plaçant dans un champ magnétique puissant. Ceci est assuré par les forces qui apparaissent lorsque les courants interagissent avec le champ magnétique du plasma.

Sous l’influence d’un champ magnétique, les ions et les électrons se déplacent en spirale le long de ses lignes de champ. Une transition d'une ligne de champ à une autre est possible lors de collisions de particules et lorsqu'un champ électrique transversal est appliqué. En l’absence de champs électriques, le plasma raréfié à haute température, dans lequel les collisions sont rares, ne se diffusera que lentement à travers les lignes de champ magnétique. Si les lignes du champ magnétique sont fermées, leur donnant la forme d'une boucle, alors les particules de plasma se déplaceront le long de ces lignes et seront retenues dans la zone de la boucle. En plus d'une telle configuration magnétique fermée pour le confinement du plasma, des systèmes ouverts (avec des lignes de champ s'étendant vers l'extérieur depuis les extrémités de la chambre) ont été proposés, dans lesquels les particules restent à l'intérieur de la chambre en raison de « bouchons » magnétiques limitant le mouvement des particules. Des bouchons magnétiques sont créés aux extrémités de la chambre, où, à la suite d'une augmentation progressive de l'intensité du champ, un faisceau rétrécissant de lignes de champ se forme.

En pratique, le confinement magnétique d'un plasma de densité suffisamment élevée s'est avéré loin d'être simple : des instabilités magnétohydrodynamiques et cinétiques y apparaissent souvent.

Les instabilités magnétohydrodynamiques sont associées aux courbures et aux replis des lignes de champ magnétique. Dans ce cas, le plasma peut commencer à se déplacer à travers le champ magnétique sous forme d'amas, en quelques millionièmes de seconde il quittera la zone de confinement et cédera de la chaleur aux parois de la chambre. De telles instabilités peuvent être supprimées en donnant au champ magnétique une certaine configuration.

Les instabilités cinétiques sont très diverses et ont été étudiées moins en détail. Parmi eux, il y a ceux qui perturbent des processus ordonnés, comme, par exemple, la circulation d'un courant électrique continu ou un flux de particules à travers le plasma. D'autres instabilités cinétiques provoquent un taux de diffusion transversale du plasma dans un champ magnétique plus élevé que celui prédit par la théorie des collisions pour un plasma silencieux.

Systèmes avec une configuration magnétique fermée.

Si un champ électrique puissant est appliqué à un gaz conducteur ionisé, un courant de décharge apparaîtra dans celui-ci, en même temps qu'un champ magnétique l'entourera. L'interaction du champ magnétique avec le courant va conduire à l'apparition de forces de compression agissant sur les particules de gaz chargées. Si le courant circule le long de l'axe du cordon de plasma conducteur, alors les forces radiales qui en résultent, comme des élastiques, compriment le cordon, éloignant la limite du plasma des parois de la chambre qui le contient. Ce phénomène, prédit théoriquement par W. Bennett en 1934 et démontré pour la première fois expérimentalement par A. Ware en 1951, est appelé effet pincement. La méthode du pincement est utilisée pour contenir le plasma ; Sa particularité est que le gaz est chauffé à des températures élevées par le courant électrique lui-même (chauffage ohmique). La simplicité fondamentale de la méthode a conduit à son utilisation dès les toutes premières tentatives de confinement du plasma chaud, et l'étude du simple effet de pincement, malgré le fait qu'il ait ensuite été supplanté par des méthodes plus avancées, a permis de mieux comprendre les problèmes auxquels les expérimentateurs sont encore confrontés aujourd'hui.

En plus de la diffusion du plasma dans la direction radiale, on observe également une dérive longitudinale et sa sortie par les extrémités du cordon plasma. Les pertes aux extrémités peuvent être éliminées en donnant à la chambre à plasma une forme de beignet (tore). Dans ce cas, on obtient un pincement toroïdal.

Pour le simple pincement décrit ci-dessus, un problème sérieux réside dans ses instabilités magnétohydrodynamiques inhérentes. Si une petite courbure se produit dans le filament du plasma, la densité des lignes de champ magnétique à l'intérieur de la courbure augmente (Fig. 1). Les lignes de champ magnétique, qui se comportent comme des faisceaux résistant à la compression, commenceront à se « gonfler » rapidement, de sorte que la courbure augmentera jusqu'à ce que toute la structure de la corde de plasma soit détruite. En conséquence, le plasma entrera en contact avec les parois de la chambre et se refroidira. Pour éliminer ce phénomène destructeur, avant le passage du courant axial principal, un champ magnétique longitudinal est créé dans la chambre qui, associé à un champ circulaire appliqué ultérieurement, « redresse » la courbure naissante de la colonne de plasma (Fig. 2). Le principe de stabilisation d'une colonne de plasma par un champ axial est à la base de deux projets prometteurs de réacteurs thermonucléaires - un tokamak et un pincement à champ magnétique inversé.

Configurations magnétiques ouvertes.

Rétention inertielle.

Les calculs théoriques montrent que la fusion thermonucléaire est possible sans utilisation de pièges magnétiques. Pour ce faire, une cible spécialement préparée (une boule de deutérium d'un rayon d'environ 1 mm) est rapidement comprimée à des densités si élevées que la réaction thermonucléaire a le temps de se terminer avant que la cible combustible ne s'évapore. La compression et le chauffage aux températures thermonucléaires peuvent être effectués avec des impulsions laser ultra-puissantes, irradiant uniformément et simultanément la boule de combustible de tous les côtés (Fig. 4). Avec l'évaporation instantanée de ses couches superficielles, les particules qui s'échappent acquièrent des vitesses très élevées et la balle est soumise à d'importantes forces de compression. Elles sont similaires aux forces réactives entraînant une fusée, à la seule différence qu'ici ces forces sont dirigées vers l'intérieur, vers le centre de la cible. Cette méthode peut créer des pressions de l'ordre de 10 11 MPa et des densités 10 000 fois supérieures à la densité de l'eau. À une telle densité, presque toute l’énergie thermonucléaire sera libérée sous la forme d’une petite explosion en un temps d’environ 10 à 12 s. Les micro-explosions qui se produisent, dont chacune équivaut à 1 à 2 kg de TNT, n'endommageront pas le réacteur, et la mise en œuvre d'une séquence de telles micro-explosions à intervalles rapprochés permettrait de réaliser une production d’énergie utile. Pour le confinement inertiel, la conception de la cible combustible est très importante. Une cible en forme de sphères concentriques constituées de matériaux lourds et légers permettra l'évaporation la plus efficace des particules et, par conséquent, la plus grande compression.

Les calculs montrent qu'avec une énergie de rayonnement laser de l'ordre du mégajoule (10 6 J) et une efficacité laser d'au moins 10 %, l'énergie thermonucléaire produite doit dépasser l'énergie dépensée pour pomper le laser. Des installations laser thermonucléaires sont disponibles dans des laboratoires de recherche en Russie, aux États-Unis, en Europe occidentale et au Japon. La possibilité d'utiliser un faisceau d'ions lourds à la place d'un faisceau laser ou de combiner un tel faisceau avec un faisceau lumineux est actuellement à l'étude. Grâce à la technologie moderne, cette méthode d'initiation d'une réaction présente un avantage par rapport à la méthode laser, puisqu'elle permet d'obtenir plus d'énergie utile. L'inconvénient est la difficulté de focaliser le faisceau sur la cible.

UNITÉS À MAINTIEN MAGNÉTIQUE

Les méthodes magnétiques de confinement du plasma sont étudiées en Russie, aux États-Unis, au Japon et dans plusieurs pays européens. L'attention principale est portée aux installations de type toroïdal, comme un tokamak et une pince à champ magnétique inversé, apparues à la suite du développement de pinces plus simples avec un champ magnétique longitudinal stabilisant.

Pour le confinement du plasma à l'aide d'un champ magnétique toroïdal Bj il faut créer des conditions dans lesquelles le plasma ne se déplace pas vers les parois du tore. Ceci est réalisé en « tordant » les lignes du champ magnétique (ce qu’on appelle la « transformation rotationnelle »). Cette torsion se fait de deux manières. Dans la première méthode, un courant traverse le plasma, conduisant à la configuration du pincement stable déjà évoqué. Champ magnétique du courant B q · – B q avec B j crée un champ récapitulatif avec le curl requis. Si B j B q, la configuration résultante est connue sous le nom de tokamak (abréviation de l'expression « CHAMBRE TORIDALE AVEC BOBINES MAGNÉTIQUES »). Le tokamak (Fig. 5) a été développé sous la direction de L.A. Artsimovich à l'Institut de l'énergie atomique du nom. I.V. Kurchatov à Moscou. À B j ~ B q on obtient une configuration de pincement avec un champ magnétique inversé.

Tokamak.

Un paramètre important dont dépend le confinement du plasma toroïdal est la « marge de stabilité ». q, égal rB j/ R.B. q, où r Et R. sont respectivement les petits et grands rayons du plasma toroïdal. À faible q Une instabilité hélicoïdale peut se développer - un analogue de l'instabilité en flexion d'un pincement droit. Des scientifiques de Moscou ont montré expérimentalement que lorsque q> 1 (c'est-à-dire B j B q) la possibilité d'apparition d'une instabilité des vis est considérablement réduite. Cela permet d'utiliser efficacement la chaleur générée par le courant pour chauffer le plasma. Grâce à de nombreuses années de recherche, les caractéristiques des tokamaks se sont considérablement améliorées, notamment grâce à une uniformité accrue du champ et à un nettoyage efficace de la chambre à vide.

Les résultats encourageants obtenus en Russie ont stimulé la création de tokamaks dans de nombreux laboratoires à travers le monde, et leur configuration a fait l'objet de recherches intensives.

Le chauffage ohmique du plasma dans un tokamak n'est pas suffisant pour réaliser une réaction de fusion thermonucléaire. Cela est dû au fait que lorsque le plasma est chauffé, sa résistance électrique diminue considérablement et, par conséquent, la génération de chaleur lors du passage du courant diminue fortement. Il est impossible d'augmenter le courant dans un tokamak au-dessus d'une certaine limite, car le cordon de plasma pourrait perdre sa stabilité et être projeté sur les parois de la chambre. Par conséquent, diverses méthodes supplémentaires sont utilisées pour chauffer le plasma. Les plus efficaces d’entre eux sont l’injection de faisceaux d’atomes neutres de haute énergie et l’irradiation par micro-ondes. Dans le premier cas, les ions accélérés à des énergies de 50 à 200 keV sont neutralisés (pour éviter d'être « réfléchis » par le champ magnétique lorsqu'ils sont introduits dans la chambre) et injectés dans le plasma. Ici, ils sont à nouveau ionisés et, au cours des collisions, cèdent leur énergie au plasma. Dans le second cas, on utilise un rayonnement micro-ondes dont la fréquence est égale à la fréquence du cyclotron ionique (la fréquence de rotation des ions dans un champ magnétique). A cette fréquence, le plasma dense se comporte comme un corps absolument noir, c'est-à-dire absorbe complètement l'énergie incidente. Au tokamak JET de l'Union européenne, un plasma avec une température ionique de 280 millions de Kelvin et un temps de confinement de 0,85 s a été obtenu par injection de particules neutres. Une puissance thermonucléaire atteignant 2 MW a été obtenue à l'aide d'un plasma deutérium-tritium. La durée d'entretien de la réaction est limitée par l'apparition d'impuretés dues à la pulvérisation des parois de la chambre : les impuretés pénètrent dans le plasma et, lorsqu'elles sont ionisées, augmentent significativement les pertes d'énergie dues au rayonnement. Actuellement, les travaux du programme JET se concentrent sur la recherche sur la possibilité de contrôler les impuretés et de les éliminer. "déviateur magnétique".

De grands tokamaks ont également été créés aux États-Unis - TFTR, en Russie - T15 et au Japon - JT60. Les recherches menées dans ces installations et dans d'autres ont jeté les bases d'une nouvelle étape des travaux dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée : un grand réacteur destiné aux essais techniques devrait être lancé en 2010. Il est prévu qu’il s’agisse d’un effort conjoint des États-Unis, de la Russie, de l’Union européenne et du Japon. voir également TOKAMAK.

Pincement de champ inversé (FRP).

La configuration POP diffère du tokamak en ce sens qu'elle B q~ B j , mais dans ce cas la direction du champ toroïdal à l'extérieur du plasma est opposée à sa direction à l'intérieur de la colonne de plasma. J. Taylor a montré qu'un tel système est dans un état d'énergie minimale et, malgré q

L'avantage de la configuration POP est que le rapport entre les densités d'énergie volumétriques du plasma et du champ magnétique (valeur b) est supérieur à celui d'un tokamak. Il est fondamentalement important que b soit le plus grand possible, car cela réduira le champ toroïdal, et donc le coût des bobines qui le créent et de l'ensemble de la structure porteuse. Côté faible Le problème est que l'isolation thermique de ces systèmes est pire que celle des tokamaks, et le problème du maintien d'un champ inversé n'est pas résolu.

Stellarateur.

Dans un stellarateur, un champ magnétique toroïdal fermé est superposé à un champ créé par une vis spéciale enroulée autour du corps de la caméra. Le champ magnétique total empêche la dérive du plasma hors du centre et supprime certains types d'instabilités magnétohydrodynamiques. Le plasma lui-même peut être créé et chauffé par n’importe quelle méthode utilisée dans un tokamak.

Le principal avantage du stellarateur est que la méthode de confinement utilisée n'est pas associée à la présence de courant dans le plasma (comme dans les tokamaks ou dans les installations basées sur l'effet pincement), et donc le stellarateur peut fonctionner en mode stationnaire. De plus, le remontage à vis peut avoir un effet « déviateur », c'est-à-dire purifier le plasma des impuretés et éliminer les produits de réaction.

Le confinement du plasma dans les stellarateurs a été étudié de manière approfondie dans des installations de l'Union européenne, de Russie, du Japon et des États-Unis. Au stellarateur Wendelstein VII en Allemagne, il a été possible de maintenir un plasma non porteur de courant avec une température supérieure à 5×10 6 kelvins, en le chauffant en injectant un faisceau atomique à haute énergie.

Des études théoriques et expérimentales récentes ont montré que dans la plupart des installations décrites, et notamment dans les systèmes toroïdaux fermés, le temps de confinement du plasma peut être augmenté en augmentant ses dimensions radiales et le champ magnétique de confinement. Par exemple, pour un tokamak, on calcule que le critère de Lawson sera satisfait (et même avec une certaine marge) à une intensité de champ magnétique d’environ 50 x 100 kG et un petit rayon de la chambre toroïdale d’env. 2 M. Ce sont les paramètres d'installation pour 1000 MW d'électricité.

Lors de la création d'installations aussi grandes avec confinement magnétique du plasma, des problèmes technologiques complètement nouveaux se posent. Pour créer un champ magnétique de l'ordre de 50 kG dans un volume de plusieurs mètres cubes à l'aide de bobines de cuivre refroidies à l'eau, il faudra une source d'électricité d'une capacité de plusieurs centaines de mégawatts. Il est donc évident que les enroulements des bobines doivent être constitués de matériaux supraconducteurs, tels que des alliages de niobium avec du titane ou de l'étain. La résistance de ces matériaux au courant électrique à l’état supraconducteur est nulle et, par conséquent, une quantité minimale d’électricité sera consommée pour maintenir le champ magnétique.

Technologie des réacteurs.

Perspectives de la recherche thermonucléaire.

Des expériences réalisées sur des installations de type tokamak ont montré que ce système est très prometteur comme base possible pour un réacteur CTS. Les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus avec les tokamaks, et on espère qu'avec une augmentation correspondante de la taille des installations, il sera possible d'y mettre en œuvre des CTS industriels. Cependant, le tokamak n’est pas assez économique. Pour éliminer cet inconvénient, il faut qu'il fonctionne non pas en mode pulsé, comme c'est le cas actuellement, mais en mode continu. Mais les aspects physiques de ce problème n’ont pas encore été suffisamment étudiés. Il est également nécessaire de développer des moyens techniques permettant d'améliorer les paramètres du plasma et d'éliminer ses instabilités. Compte tenu de tout cela, nous ne devons pas oublier d'autres options possibles, bien que moins développées, pour un réacteur thermonucléaire, par exemple un stellarateur ou un pincement à champ inversé. L'état de la recherche dans ce domaine a atteint le stade où il existe des conceptions de réacteurs conceptuels pour la plupart des systèmes de confinement magnétique pour les plasmas à haute température et pour certains systèmes de confinement inertiel. Un exemple de développement industriel d'un tokamak est le projet Aries (USA).