Podľa moderných astrofyzikálnych koncepcií je hlavným zdrojom energie pre Slnko a ostatné hviezdy termonukleárna fúzia prebiehajúca v ich hĺbkach. V pozemských podmienkach sa uskutočňuje výbuchom vodíkovej bomby. Termonukleárna fúzia sprevádzané kolosálnym uvoľnením energie na jednotku hmotnosti reaktantov (asi 10 miliónov krát väčším ako pri chemických reakciách). Preto je veľký záujem zvládnuť tento proces a na jeho základe vytvoriť lacný a ekologický zdroj energie. Avšak, napriek tomu, že štúdie kontrolovaného termo jadrovej fúzie(TCB) zamestnáva veľké vedecké a technické tímy v mnohých vyspelých krajinách, je potrebné vyriešiť ešte veľa zložitých problémov, kým sa priemyselná výroba termonukleárnej energie stane realitou.

Moderné jadrové elektrárne využívajúce štiepny proces pokrývajú svetovú potrebu elektriny len čiastočne. Poháňajú ich prírodné rádioaktívne prvky urán a tórium, ktorých množstvo a zásoby v prírode sú veľmi obmedzené; preto mnohé krajiny čelia problému ich dovozu. Hlavnou zložkou fúzneho paliva je izotop vodíka deutérium, ktorý sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú všeobecne dostupné a veľmi veľké (svetové oceány pokrývajú ~ 71 % povrchu Zeme a deutérium predstavuje asi 0,016 % z celkového počtu atómov vodíka, ktoré tvoria vodu). Okrem dostupnosti paliva majú zdroje energie jadrovej syntézy nasledujúce dôležité výhody jadrové elektrárne: 1) reaktor CTS obsahuje oveľa menej rádioaktívnych materiálov ako reaktor na štiepenie jadrovej energie, a preto sú následky náhodného úniku rádioaktívnych produktov menej nebezpečné; 2) pri termonukleárnych reakciách vzniká menej rádioaktívny odpad s dlhou životnosťou; 3) TCB umožňuje priamu výrobu elektriny.

FYZIKÁLNY ZÁKLAD JADROVEJ SYNTÉZY

Úspešná realizácia fúznej reakcie závisí od vlastností použitých atómových jadier a možnosti získania hustej vysokoteplotnej plazmy, ktorá je nevyhnutná na spustenie reakcie.

Jadrové sily a reakcie.

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

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

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

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

Termonukleárne palivá.

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

Najpravdepodobnejšia reakcia sa však uskutočňuje v rovnozložkovej zmesi deutéria a trícia (DT-zmes). Bohužiaľ, trícium je rádioaktívne a v prírode sa prakticky nevyskytuje kvôli svojmu krátkemu polčasu rozpadu (T 1/2 ~ 12,3 rokov). Vyrába sa umelo v štiepnych reaktoroch a tiež ako vedľajší produkt pri reakciách s deutériom. Neprítomnosť trícia v prírode však nie je prekážkou pre použitie DT - syntéznej reakcie, pretože trícium možno vyrobiť ožiarením izotopu 6 Li neutrónmi vznikajúcimi počas fúzie: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ak je termonukleárna komora obklopená vrstvou 6 Li (prírodné lítium ho obsahuje 7%), potom je možné vykonať úplnú reprodukciu spotrebného trícia. A hoci v praxi sa časť neutrónov nevyhnutne stratí, ich strata sa dá ľahko doplniť zavedením prvku, akým je berýlium, do obalu, ktorého jadro, keď naň zasiahne jeden rýchly neutrón, vyžaruje dva.

Princíp činnosti fúzneho reaktora.

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

Časové a teplotné podmienky.

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

V kvantitatívnej forme je tento stav vyjadrený nasledovne. Na zahriatie termonukleárnej zmesi je potrebné zásobiť energiou jeden kubický centimeter jej objemu P 1 = knT, kde k- číselný koeficient, n- hustota zmesi (počet zárodkov v 1 cm3), T- požadovaná teplota. Na udržanie reakcie je potrebné zachovať energiu odovzdanú termonukleárnej zmesi po dobu t. Aby bol reaktor energeticky výhodný, je potrebné, aby sa v ňom počas tejto doby uvoľnilo viac termonukleárnej energie, ako bolo vynaložené na vykurovanie. Uvoľnená energia (aj na 1 cm 3) sa vyjadruje takto:

kde f(T) je koeficient závislý od teploty zmesi a jej zloženia, R- energia uvoľnená v jednom elementárnom akte syntézy. Potom podmienka energetickej efektívnosti P 2 > P 1 bude mať formu

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

V súlade s Lawsonovým kritériom, ktoré určuje energeticky priaznivú hodnotu súčinu hustoty a času zadržania, je vo fúznom reaktore najväčšia možná n alebo t... Štúdie CTS sa preto rozchádzajú v dvoch rôznych smeroch: v prvom sa výskumníci snažili udržať relatívne riedku plazmu pomocou magnetického poľa dostatočne dlhý čas; v druhom - s pomocou laserov na krátky čas na vytvorenie plazmy s veľmi vysokou hustotou. Oveľa viac práce sa venovalo prvému prístupu ako druhému.

Plazmové magnetické obmedzenie.

Počas syntéznej reakcie by hustota horúceho činidla mala zostať na úrovni, ktorá by poskytla dostatočne vysoký výťažok užitočnej energie na jednotku objemu pri tlaku, ktorému je plazmová komora schopná odolať. Napríklad pre zmes deutéria a trícia pri teplote 108 K je výťažok určený výrazom

Ak prijmete P rovná 100 W / cm 3 (čo zhruba zodpovedá energii uvoľnenej palivovými článkami v jadrových štiepnych reaktoroch), potom hustota n by mala byť cca. 10 15 jadier / cm 3 a zodpovedajúci tlak nT- asi 3 MPa. Čas držania by mal byť v tomto prípade podľa Lawsonovho kritéria aspoň 0,1 s. Pre plazmu deutérium-deutérium pri teplote 109 K

V tomto prípade pre P= 100 W / cm 3, n»3X10 15 jadier / cm 3 a tlaku asi 100 MPa bude požadovaný retenčný čas viac ako 1 s. Všimnite si, že uvedené hustoty sú len 0,0001 hustoty atmosférického vzduchu, takže komora reaktora musí byť odčerpaná do vysokého vákua.

Vyššie uvedené odhady retenčného času, teploty a hustoty sú typickými minimálnymi parametrami potrebnými na prevádzku fúzneho reaktora a dajú sa ľahšie dosiahnuť v prípade zmesi deutérium-trícium. Čo sa týka termonukleárnych reakcií, ku ktorým dochádza pri výbuchu vodíkovej bomby a v interiéri hviezd, treba mať na pamäti, že v dôsledku úplne iných podmienok prebiehajú v prvom prípade veľmi rýchlo a v druhom prípade, že v dôsledku úplne odlišných podmienok prebiehajú veľmi rýchlo. extrémne pomaly v porovnaní s procesmi v termonukleárnom reaktore.

Plazma.

Pri silnom zahriatí plynu jeho atómy čiastočne alebo úplne strácajú elektróny, v dôsledku čoho sa vytvárajú kladne nabité častice, nazývané ióny, a voľné elektróny. Pri teplotách nad milión stupňov sa plyn pozostávajúci z ľahkých prvkov úplne ionizuje, t.j. každý atóm stratí všetky svoje elektróny. Plyn v ionizovanom stave sa nazýva plazma (termín zaviedol I. Langmuir). Vlastnosti plazmy sa výrazne líšia od vlastností neutrálneho plynu. Keďže v plazme sú voľné elektróny, plazma vedie elektrický prúd veľmi dobre a jej vodivosť je úmerná T 3/2. Plazma sa môže ohrievať prechodom elektrického prúdu cez ňu. Vodivosť vodíkovej plazmy pri 108 K je rovnaká ako vodivosť medi pri izbovej teplote. Tepelná vodivosť plazmy je tiež veľmi vysoká.

Aby sa plazma udržala napríklad pri teplote 10 8 K, musí byť spoľahlivo izolovaná. V zásade možno plazmu izolovať od stien komory umiestnením do silného magnetického poľa. To je zabezpečené silami, ktoré vznikajú pri interakcii prúdov magnetické pole v plazme.

Pod vplyvom magnetického poľa sa ióny a elektróny pohybujú v špirálach pozdĺž jeho siločiar. Prechod z jednej siločiary na druhú je možný pri zrážkach častíc a pri uložení priečnika elektrické pole... V neprítomnosti elektrických polí bude vysokoteplotná riedka plazma, v ktorej sa zrážky vyskytujú zriedka, len pomaly difundovať cez magnetické siločiary. Ak sú siločiary magnetického poľa uzavreté, čo im dáva tvar slučky, potom sa častice plazmy budú pohybovať pozdĺž týchto čiar a budú držané v oblasti slučky. Okrem takejto uzavretej magnetickej konfigurácie boli vytvorené otvorené systémy (so siločiarami siločiary siahajúcimi od koncov komory smerom von), v ktorých častice zostávajú vo vnútri komory v dôsledku magnetických „zástrčiek“, ktoré obmedzujú pohyb častíc. navrhol obmedziť plazmu. Na koncoch komory sú vytvorené magnetické zátky, kde sa v dôsledku postupného zvyšovania intenzity poľa vytvorí zužujúci sa zväzok siločiar.

V praxi sa ukázalo, že nie je vôbec jednoduché vykonať magnetické obmedzenie plazmy s dostatočne vysokou hustotou: často v nej vznikajú magnetohydrodynamické a kinetické nestability.

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

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

Systémy s uzavretou magnetickou konfiguráciou.

Ak sa na ionizovaný vodivý plyn aplikuje silné elektrické pole, objaví sa v ňom výbojový prúd a súčasne sa objaví magnetické pole, ktoré ho obklopuje. Interakcia magnetického poľa s prúdom povedie k vzniku tlakových síl pôsobiacich na nabité častice plynu. Ak prúd tečie pozdĺž osi vodivého plazmového vlákna, potom vznikajúce radiálne sily, ako gumové pásy, stláčajú vlákno a odtláčajú hranicu plazmy od stien komory, ktorá ho obsahuje. Tento jav, teoreticky predpovedaný W. Bennettom v roku 1934 a prvý experimentálne preukázaný A. Werom v roku 1951, sa nazýva pinch efekt. Metóda pinch sa používa na obmedzenie plazmy; Jeho pozoruhodnou vlastnosťou je, že plyn sa zahrieva na vysoké teploty samotným elektrickým prúdom (ohmický ohrev). Zásadná jednoduchosť metódy viedla k jej použitiu už pri prvých pokusoch o obmedzenie horúcej plazmy a štúdium jednoduchého pinch efektu, napriek tomu, že ho neskôr nahradili sofistikovanejšie metódy, umožnilo lepšie pochopiť problémy ktorým experimentátori čelia dodnes.

Okrem difúzie plazmy v radiálnom smere dochádza aj k pozdĺžnemu driftu a jej výstupu cez konce plazmového stĺpca. Straty cez konce možno eliminovať tvarovaním plazmovej komory do tvaru prstenca (torus). V tomto prípade sa získa toroidné zovretie.

Pre jednoduchý pinch opísaný vyššie je vážnym problémom jeho inherentná magnetohydrodynamická nestabilita. Ak dôjde k malému ohybu na stĺpci plazmy, potom hustota magnetických siločiar s vnútri ohýbanie sa zvyšuje (obr. 1). Magnetické siločiary, ktoré sa správajú ako laná, ktoré odolávajú stlačeniu, sa rýchlo „vydutia“, takže ohyb sa bude zväčšovať, až kým sa nezničí celá štruktúra plazmového stĺpca. V dôsledku toho sa plazma dostane do kontaktu so stenami komory a ochladí sa. Na vylúčenie tohto deštruktívneho javu sa v komore pred prechodom hlavného axiálneho prúdu vytvára pozdĺžne magnetické pole, ktoré spolu s neskôr aplikovaným kruhovým poľom „narovnáva“ začínajúci ohyb plazmového stĺpca (obr. 2). Princíp stabilizácie plazmového stĺpca axiálnym poľom tvorí základ pre dva perspektívne projekty termonukleárnych reaktorov - tokamak a pinch s obráteným magnetickým poľom.

Otvorené magnetické konfigurácie.

Inerciálne držanie.

Teoretické výpočty ukazujú, že termonukleárna fúzia je možná aj bez použitia magnetických pascí. Na tento účel sa špeciálne pripravený terč (guľa deutéria s polomerom asi 1 mm) rýchlo stlačí na takú vysokú hustotu, že termonukleárna reakcia má čas na dokončenie skôr, ako sa palivový terč odparí. Stlačenie a zahriatie na termonukleárne teploty je možné vykonávať ultravýkonnými laserovými impulzmi, rovnomerne a súčasne ožarujúce palivovú guľu zo všetkých strán (obr. 4). Okamžitým odparovaním jej povrchových vrstiev získavajú emitované častice veľmi vysoké rýchlosti a lopta je pod vplyvom veľkých tlakových síl. Sú analogické s reaktívnymi silami poháňajúcimi raketu, len s tým rozdielom, že tieto sily sú nasmerované dovnútra, do stredu cieľa. Táto metóda môže vytvoriť tlaky rádovo 10 11 MPa a hustoty 10 000-krát vyššie ako hustota vody. Pri takejto hustote sa takmer všetka termonukleárna energia uvoľní vo forme malého výbuchu v čase ~ 10 – 12 s. Vyskytujúce sa mikrovýbuchy, z ktorých každá je ekvivalentná 1–2 kg TNT, nepoškodia reaktor a realizácia sekvencie takýchto mikrovýbuchov v krátkych intervaloch by umožnila realizovať prakticky nepretržitú výrobu užitočnej energie. Pre zotrvačné obmedzenie je veľmi dôležitá konštrukcia palivového terča. Terč vo forme koncentrických guľôčok z ťažkých a ľahkých materiálov umožní najefektívnejšie odparovanie častíc a tým aj najväčšiu kompresiu.

Výpočty ukazujú, že pri energii laserové žiarenie rádovo megajoulov (10 6 J) a účinnosť lasera aspoň 10 %, generovaná termonukleárna energia musí prevyšovať energiu vynaloženú na čerpanie lasera. Termonukleárne laserové inštalácie sú dostupné vo výskumných laboratóriách v Rusku, USA, západná Európa a Japonskom. V súčasnosti sa skúma možnosť využitia lúča ťažkých iónov alebo kombinácie takéhoto lúča so svetelným lúčom. Tento spôsob spustenia reakcie má vďaka modernej technológii výhodu oproti laserovému, pretože umožňuje získať užitočnejšiu energiu. Nevýhodou je náročnosť zaostrenia lúča na cieľ.

INŠTALÁCIE S MAGNETICKÝM UCHYCENÍM

Magnetické metódy zadržiavania plazmy sa skúmajú v Rusku, USA, Japonsku a mnohých ďalších európske krajiny... Hlavná pozornosť je venovaná toroidným inštaláciám, akými sú tokamak a pinč s obráteným magnetickým poľom, ktoré vznikli ako dôsledok vývoja jednoduchších pinčov so stabilizačným pozdĺžnym magnetickým poľom.

Na obmedzenie plazmy pomocou toroidného magnetického poľa B j je potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých by plazma nebola vytláčaná smerom k stenám torusu. To sa dosiahne „skrúcaním“ siločiar magnetického poľa (tzv. „rotačná transformácia“). Toto krútenie sa vykonáva dvoma spôsobmi. Pri prvom spôsobe prechádza plazmou prúd, ktorý vedie ku konfigurácii už uvažovanej stabilnej pinče. Prúd magnetického poľa B q Ј - B q spolu s B j vytvorí celkové pole s požadovaným zvlnením. Ak B j B q sa získa konfigurácia známa ako tokamak (skratka výrazu „TOroid CAMERA with Magnetic Coils“). Tokamak (obr. 5) bol vyvinutý pod vedením L.A. Artsimoviča v Ústave atómová energia ich. IV Kurčatov v Moskve. o B j ~ B q, získa sa štipcová konfigurácia s obráteným magnetickým poľom.

V druhom spôsobe, aby sa zabezpečila rovnováha uzavretej plazmy, sa okolo toroidnej plazmovej komory používajú špeciálne skrutkové vinutia. Prúdy v týchto vinutiach vytvárajú zložité magnetické pole, čo vedie k skrúcaniu siločiar celkového poľa vo vnútri torusu. Takáto inštalácia, nazývaná stelarátor, bola vyvinutá na Princetonskej univerzite (USA) L. Spitzerom a spolupracovníkmi.

Tokamak.

Dôležitým parametrom, od ktorého závisí obmedzenie toroidnej plazmy, je "rozpätie stability" q rovná rB j / RB q, kde r a R- malé a veľké polomery toroidnej plazmy. Pre malých q môže sa vyvinúť špirálová nestabilita, analóg ohybovej nestability priameho zovretia. Vedci v Moskve experimentálne ukázali, že kedy q> 1 (t.j. B j B q) možnosť špirálovej nestability je značne znížená. To umožňuje efektívne využiť teplo generované prúdom na ohrev plazmy. V dôsledku dlhoročného výskumu sa vlastnosti tokamakov výrazne zlepšili, a to najmä zvýšením rovnomernosti poľa a efektívneho čistenia vákuovej komory.

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

Ohmický ohrev plazmy v tokamaku nepostačuje na realizáciu termonukleárnej fúznej reakcie. Je to spôsobené tým, že pri zahrievaní plazmy dochádza k jej elektrický odpor a v dôsledku toho sa uvoľňovanie tepla počas prechodu prúdu prudko znižuje. Nie je možné zvýšiť prúd v tokamaku nad určitú hranicu, pretože plazmové vlákno sa môže stať nestabilným a môže sa vrhnúť na steny komory. Preto sa na ohrev plazmy používajú rôzne doplnkové metódy. Najúčinnejšie z nich sú vstrekovanie vysokoenergetických lúčov neutrálnych atómov a mikrovlnné ožarovanie. V prvom prípade sa ióny zrýchlené na energie 50–200 keV neutralizujú (aby sa zabránilo ich „odrazu“ späť magnetickým poľom pri zavedení do komory) a vstreknú sa do plazmy. Tu sú opäť ionizované a pri zrážkach odovzdávajú svoju energiu plazme. V druhom prípade sa používa mikrovlnné žiarenie, ktorého frekvencia sa rovná iónovej cyklotrónovej frekvencii (frekvencia rotácie iónov v magnetickom poli). Pri tejto frekvencii sa hustá plazma správa ako absolútne čierne telo, t.j. úplne absorbuje dopadajúcu energiu. Plazma s iónovou teplotou 280 miliónov Kelvinov a dobou zadržania 0,85 s bola získaná pomocou JET tokamaku Európskej únie vstrekovaním neutrálnych častíc. Na deutériovo-tríciovej plazme bol získaný termonukleárny výkon dosahujúci 2 MW. Trvanie udržiavania reakcie je obmedzené výskytom nečistôt v dôsledku rozprašovania stien komory: nečistoty prenikajú do plazmy a tým, že sú ionizované, výrazne zvyšujú straty energie v dôsledku žiarenia. V súčasnosti sú práce na programe JET zamerané na štúdie možnosti kontroly nečistôt a ich odstraňovania tzv. "Magnetický prepínač".

Veľké tokamaky vznikajú aj v USA - TFTR, v Rusku - T15 a v Japonsku - JT60. Výskum realizovaný na týchto a ďalších zariadeniach položil základ pre ďalšiu etapu prác v oblasti riadenej termonukleárnej fúzie: v roku 2010 sa plánuje spustenie veľkého reaktora na r. technické skúšky... Predpokladá sa, že pôjde o spoločné dielo Spojených štátov amerických, Ruska, krajín Európskej únie a Japonska. pozri tiež TOKAMAK.

Obrátené pole pinch (POP).

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

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

Stellarátor.

V stelarátore je uzavreté toroidné magnetické pole superponované na pole vytvorené špeciálnou skrutkou navinutou na tele fotoaparátu. Celkové magnetické pole bráni odklonu plazmy od stredu a potláča určité typy magnetohydrodynamické nestability. Samotná plazma môže byť vytvorená a ohrievaná ktoroukoľvek z metód používaných v tokamaku.

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

Zadržiavanie plazmy v stelarátoroch sa komplexne skúma v zariadeniach Európskej únie, Ruska, Japonska a USA. Na stelarátore Wendelstein VII v Nemecku bolo možné udržiavať bezprúdovú plazmu s teplotou viac ako 5 × 10 6 Kelvinov jej zahrievaním vstrekovaním vysokoenergetického atómového lúča.

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

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

Reaktorová technológia.

Perspektívy termonukleárneho výskumu.

Experimenty uskutočnené na zariadeniach typu tokamak ukázali, že tento systém je veľmi perspektívny ako možný základ pre reaktor CTS. Doteraz najlepšie výsledky boli dosiahnuté na tokamakoch a je nádej, že so zodpovedajúcim zvýšením rozsahu inštalácií bude možné na nich implementovať priemyselné CTS. Tokamak však nie je dostatočne ekonomický. Na odstránenie tohto nedostatku je potrebné, aby nepracoval v pulznom režime, ako je tomu teraz, ale v nepretržitom režime. Fyzické aspekty tohto problému sú však stále zle pochopené. Je tiež potrebné vyvinúť technické prostriedky, ktoré by zlepšili parametre plazmy a odstránili jej nestabilitu. Vzhľadom na to všetko by sme nemali zabúdať na ďalšie možné, aj keď menej vyvinuté verzie termonukleárneho reaktora, napríklad stelarátor alebo pinch s obráteným poľom. Stav výskumu v tejto oblasti dospel do štádia, kedy sú dostupné koncepčné návrhy reaktorov pre väčšinu systémov s magnetickým obmedzením vysokoteplotnej plazmy a pre niektoré systémy s inerciálnym obmedzením. Príkladom priemyselného rozvoja tokamaku je projekt Aries (USA).

V blízkej budúcnosti inovatívne projekty využívajúce moderné supravodiče umožnia uskutočniť riadenú termonukleárnu fúziu, tvrdia niektorí optimisti. Odborníci to však predpovedajú praktické využitie bude trvať niekoľko desaťročí.

Prečo je to také ťažké?

Energia fúzie sa považuje za potenciálny zdroj. Je to čistá energia atómu. Ale čo to je a prečo je také ťažké to dosiahnuť? Najprv musíte pochopiť rozdiel medzi klasickou a termonukleárnou fúziou.

Atómové štiepenie znamená, že rádioaktívne izotopy - urán alebo plutónium - sa štiepia a premieňajú na iné vysoko rádioaktívne izotopy, ktoré sa potom musia pochovať alebo prepracovať.

Syntéza spočíva v tom, že dva izotopy vodíka – deutérium a trícium – sa zlúčia do jedného celku a vytvoria netoxické hélium a jeden neutrón bez toho, aby produkovali rádioaktívny odpad.

Problém s ovládaním

Reakcie, ktoré prebiehajú na slnku alebo vo vodíkovej bombe, sú termonukleárna fúzia a inžinieri stoja pred neľahkou úlohou, ako riadiť tento proces v elektrárni?

Na tom vedci pracovali už od 60. rokov minulého storočia. Ďalší experimentálny termonukleárny fúzny reaktor s názvom Wendelstein 7-X začal pracovať v severonemeckom meste Greifswald. Zatiaľ nie je navrhnutý tak, aby vytváral reakciu - je to len špeciálny dizajn, ktorý sa testuje (stelarátor namiesto tokamaku).

Vysokoenergetická plazma

Všetky termonukleárne zariadenia majú spoločný znak- prstencovitý. Je založený na myšlienke použitia výkonných elektromagnetov na vytvorenie silného elektromagnetického poľa v tvare torusu - nafúknutej bicyklovej duše.

Toto elektromagnetické pole musí byť také husté, že keď sa zohreje v mikrovlnnej rúre na jeden milión stupňov Celzia, v samom strede prstenca by sa mala objaviť plazma. Potom sa zapáli, aby sa mohla začať fúzia.

Ukážka možností

V Európe v súčasnosti prebiehajú dva podobné experimenty. Jedným z nich je Wendelstein 7-X, ktorý nedávno vytvoril svoju prvú héliovú plazmu. Druhým je ITER, obrovská experimentálna fúzna elektráreň v južnom Francúzsku, ktorá je stále vo výstavbe a bude pripravená na uvedenie do prevádzky v roku 2023.

Predpokladá sa, že skutočné jadrové reakcie na ITER-e budú prebiehať, avšak len krátkodobo a určite nie dlhšie ako 60 minút. Tento reaktor je len jedným z mnohých krokov k uvedeniu jadrovej fúzie do praxe.

Fúzny reaktor: menší a výkonnejší

Niekoľko dizajnérov nedávno oznámilo nový dizajn reaktora. Podľa skupiny študentov MIT a zástupcov výrobcu zbraní Lockheed Martin sa termonukleárna fúzia dá realizovať v zariadeniach, ktoré sú oveľa výkonnejšie a menšie ako ITER a sú na to pripravení do desiatich rokov.

Myšlienkou nového dizajnu je použitie moderných vysokoteplotných supravodičov v elektromagnetoch, ktoré vykazujú svoje vlastnosti pri chladení tekutým dusíkom, a nie konvenčné, u ktorých nová flexibilnejšia technológia úplne zmení dizajn reaktora. .

Klaus Hesch, ktorý má na starosti technológie na Technologickom inštitúte v Karlsruhe v juhozápadnom Nemecku, je skeptický. Podporuje použitie nových vysokoteplotných supravodičov pre nové konštrukcie reaktorov. Vyvinúť niečo na počítači s prihliadnutím na fyzikálne zákony však podľa neho nestačí. Je potrebné vziať do úvahy výzvy, ktoré vznikajú pri prevádzaní myšlienky do praxe.

Sci-fi

Podľa Hesha model študenta MIT iba ukazuje uskutočniteľnosť projektu. Ale v skutočnosti je to veľa sci-fi. Projekt to predpokladá vážne technické problémy termonukleárna fúzia vyriešená. Moderná veda však netuší, ako ich vyriešiť.

Jedným z takýchto problémov je myšlienka skladacích cievok. V dizajnovom modeli MIT je možné elektromagnety rozobrať, aby sa dostali do prstenca obsahujúceho plazmu.

To by bolo veľmi užitočné, pretože by ste mohli mať prístup k objektom vnútorný systém a nahradiť ich. Ale v skutočnosti sú supravodiče vyrobené z keramický materiál... Stovky z nich musia byť sofistikovaným spôsobom prepletené, aby vytvorili správne magnetické pole. A tu vznikajú zásadnejšie ťažkosti: spojenia medzi nimi nie sú také jednoduché ako pri medených kábloch. Nikto ani len nepremýšľal o konceptoch, ktoré by pomohli vyriešiť takéto problémy.

Príliš horúca

Problémom sú aj vysoké teploty. V jadre termonukleárnej plazmy dosiahne teplota asi 150 miliónov stupňov Celzia. Toto extrémne teplo zostáva na mieste – priamo v strede ionizovaného plynu. Ale aj okolo neho je stále veľmi horúco - od 500 do 700 stupňov v zóne reaktora, čo je vnútorná vrstva kovovej trubice, v ktorej sa bude "rozmnožovať trícium, ktoré je nevyhnutné na to, aby prebiehala jadrová fúzia".

Má ešte väčší problém - takzvané uvoľnenie sily. Toto je časť systému, ktorá prijíma použité palivo z procesu fúzie, najmä hélium. Prvé kovové komponenty, ktoré dostávajú horúci plyn, sa nazývajú "divertor". Dokáže sa zahriať až na 2000 °C.

Problém s prepínačom

Aby inštalácia vydržala takéto teploty, inžinieri sa pokúšajú použiť kovový volfrám používaný v staromódnych žiarovkách. Teplota topenia volfrámu je asi 3000 stupňov. Existujú však aj ďalšie obmedzenia.

V ITER-e sa to dá urobiť, pretože v ňom neprebieha neustále zahrievanie. Predpokladá sa, že reaktor bude v prevádzke len 1-3 % času. Ale toto nie je voľba pre elektráreň, ktorá potrebuje fungovať 24/7. A ak niekto tvrdí, že je schopný postaviť menší reaktor s rovnakou kapacitou ako ITER, dá sa s istotou povedať, že nemá žiadne riešenie problému divertoru.

Elektráreň za pár desaťročí

Napriek tomu sú vedci ohľadom vývoja termonukleárnych reaktorov optimistickí, nebude to však také rýchle, ako niektorí nadšenci predpovedajú.

ITER by mal ukázať, že riadená termonukleárna fúzia môže skutočne produkovať viac energie, ako by sa vynaložilo na ohrev plazmy. Ďalším krokom bude výstavba úplne novej hybridnej demonštračnej elektrárne, ktorá by skutočne vyrábala elektrinu.

Inžinieri už pracujú na jeho návrhu. Budú sa musieť poučiť z ITERu, ktorého spustenie je naplánované na rok 2023. Vzhľadom na čas potrebný na návrh, plánovanie a výstavbu sa zdá nepravdepodobné, že prvá fúzna elektráreň bude spustená oveľa skôr ako v polovici 21. storočia.

Rossiho studená fúzia

V roku 2014 nezávislý test reaktora E-Cat dospel k záveru, že zariadenie malo priemerný výstupný výkon 2 800 wattov počas 32 dní pri odbere 900 wattov. To je viac, ako dokáže vyprodukovať akákoľvek chemická reakcia. Výsledok hovorí buď o prelome v termonukleárnej fúzii, alebo o priamom podvode. Správa sklamala skeptikov, ktorí spochybňujú, či bol test skutočne nezávislý, a špekulujú, že výsledky testu by mohli byť sfalšované. Iní sa rozhodli prísť na „tajné ingrediencie“, ktoré by umožnili Rossiho fúzii replikovať technológiu.

Je Rossi podvodník?

Andrea je impozantná. Zverejňuje proklamácie svetu v jedinečnej angličtine v sekcii komentárov na svojej webovej stránke s honosným názvom Journal of Nuclear Physics. Ale jeho predchádzajúce neúspešné pokusy zahŕňal taliansky projekt premeny odpadu na palivo a termoelektrický generátor. Petroldragon, projekt premeny odpadu na energiu, čiastočne zlyhal, pretože nelegálnu skládku kontroluje talianska organizovaný zločin, ktorá proti nemu začala trestné stíhanie pre porušenie pravidiel odpadového hospodárstva. Vytvoril tiež termoelektrické zariadenie pre zbor inžinierov. pozemných síl USA, ale počas testovania gadget produkoval iba časť deklarovaného výkonu.

Mnohí Rossimu neveria, ale Hlavný editor New Energy Times ho bez okolkov nazvali zločincom, ktorý mal za sebou sériu neúspešných energetických projektov.

Nezávislé overenie

Rossi podpísal zmluvu s americkou spoločnosťou Industrial Heat na vykonanie ročného tajného testovania 1-MW elektrárne na studenú fúziu. Tým zariadením bol prepravný kontajner naplnený desiatkami E-Cat. Experiment musela monitorovať tretia strana, ktorá mohla potvrdiť, že skutočne dochádzalo k tvorbe tepla. Rossi tvrdí, že väčšinu minulého roka strávil prakticky v kontajneri a dohliadal na operácie viac ako 16 hodín denne, aby dokázal komerčnú životaschopnosť E-Cat.

Test sa skončil v marci. Rossiho priaznivci s napätím očakávali správu od pozorovateľov a dúfali v oslobodenie svojho hrdinu. Nakoniec však dostali žalobu.

Skúška

Vo vyhlásení pred floridským súdom Rossi tvrdí, že test bol úspešný a nezávislý rozhodca potvrdil, že reaktor E-Cat vyrába šesťkrát viac energie, ako spotrebuje. Tvrdil tiež, že spoločnosť Industrial Heat súhlasila, že mu zaplatí 100 miliónov dolárov – 11,5 milióna dolárov vopred po 24-hodinovej skúške (zdanlivo za licenčné práva, aby spoločnosť mohla predať technológiu v USA) a ďalších 89 miliónov dolárov po úspešnom dokončení predĺžená skúšobná verzia do 350 dní. Rossi obvinil IH z vykonania „podvodnej schémy“, ktorej cieľom bolo ukradnúť jeho duševné vlastníctvo... Spoločnosť tiež obvinil zo sprenevery reaktorov E-Cat, nelegálneho kopírovania inovatívne technológie a produktov, funkčnosti a dizajnu a nezákonný pokus o získanie patentu na jeho duševné vlastníctvo.

Zlatá baňa

Na inom mieste Rossi tvrdí, že počas jednej z jeho demonštrácií dostal IH 50 – 60 miliónov dolárov od investorov a ďalších 200 miliónov dolárov z Číny po prehratí s čínskymi predstaviteľmi. špičková úroveň... Ak je to pravda, potom je v hre oveľa viac ako sto miliónov dolárov. Spoločnosť Industrial Heat tieto tvrdenia odmietla ako nepodložené a bude sa aktívne brániť. Ešte dôležitejšie je, že tvrdí, že "viac ako tri roky pracovala na overení výsledkov, ktoré Rossi údajne dosiahol so svojou technológiou E-Cat, a to všetko bezvýsledne."

IH neverí, že E-Cat bude fungovať, a New Energy Times nevidí dôvod pochybovať o tom. V júni 2011 navštívil zástupca publikácie Taliansko, urobil rozhovor s Rossim a nakrútil ukážku jeho E-Cat. O deň neskôr oznámil vážne obavy zo spôsobu merania tepelného výkonu. Po 6 dňoch zverejnil novinár svoje video na YouTube. Odborníci z celého sveta mu poslali rozbory, ktoré vyšli v júli. Ukázalo sa, že ide o podvod.

Experimentálne potvrdenie

Napriek tomu množstvo výskumníkov - Alexander Parkhomov z Ruská univerzita Priateľstvo národov a projekt pamätníka Martina Fleischmanna (MFPM) – podarilo sa reprodukovať studenú termonukleárnu fúziu Ruska. Správa MFPM mala názov „Koniec uhlíkovej éry je blízko“. Dôvodom tohto obdivu bol objav, ktorý sa nedá vysvetliť inak ako termonukleárnou reakciou. Podľa výskumníkov má Rossi presne to, o čom hovorí.

Životaschopný otvorte recept studená jadrová fúzia môže spôsobiť energetickú „zlatú horúčku“. Dali by sa nájsť alternatívne metódy, ako obísť Rossiho patenty a vynechať ho z biznisu s energiou v hodnote niekoľkých miliárd dolárov.

Takže možno by sa Rossi tomuto potvrdeniu radšej vyhol.

Hmota je špeciálna forma energie, o čom svedčí známy Einsteinov vzorec E = mc 2. Z toho vyplýva možnosť premeny hmoty na energiu a energie na hmotu. A takéto reakcie na vnútroatómovej úrovni hmoty skutočne prebiehajú. Najmä časť hmoty atómového jadra sa môže premeniť na energiu, a to dvoma spôsobmi. Po prvé, veľké jadro sa môže rozpadnúť na niekoľko malých - tento proces sa nazýva reakcia kaz... Po druhé, niekoľko menších jadier sa môže spojiť do jedného väčšieho - ide o takzvanú reakciu syntéza... Jadrové fúzne reakcie vo vesmíre sú veľmi rozšírené – stačí spomenúť, že práve z nich sa čerpá energia hviezdy. Jadrový rozpad dnes slúži ako jeden z hlavných zdrojov energie pre ľudstvo – využíva sa na jadrové elektrárne... Pri rozkladnej aj pri syntéznej reakcii je celková hmotnosť reakčných produktov menšia ako celková hmotnosť reaktantov. Práve tento rozdiel v hmotnosti sa podľa vzorca premieňa na energiu E = mc 2.

kaz

V prírode sa urán vyskytuje vo forme niekoľkých izotopov, z ktorých jeden - urán-235 (235 U) - sa samovoľne rozpadá s uvoľnením energie. Najmä, keď dostatočne rýchly neutrón zasiahne jadro atómu 235 U, atóm sa rozpadne na dva veľké kusy a množstvo malých častíc, zvyčajne vrátane dvoch alebo troch neutrónov. Pripočítaním hmotností veľkých úlomkov a elementárnych častíc nám však bude chýbať určitá hmotnosť v porovnaní s hmotnosťou pôvodného jadra pred jeho rozpadom pod vplyvom nárazu neutrónov. Práve táto chýbajúca hmota sa uvoľňuje vo forme energie distribuovanej medzi výsledné produkty rozpadu - predovšetkým, Kinetická energia(energia pohybu). Rýchlo sa pohybujúce častice sa rozptyľujú z miesta rozpadu a zrážajú sa s inými časticami hmoty, čím sa zahrievajú.

Sú to častice, ktoré sa rýchlo rozptyľujú z miesta rozpadu, pričom neodletia ďaleko, narážajú na susedné atómy hmoty a zahrievajú ich. Energia generovaná rozpadom jadra sa teda premieňa na teplo okolitej hmoty.

V uráne ťaženom z prírodnej uránovej rudy obsahuje izotop uránu-235 len 0,7 % z celkovej hmotnosti uránu – zvyšných 99,3 % pripadá na relatívne stabilný (slabo rádioaktívny) izotop 238 U, ktorý jednoducho pohlcuje voľné neutróny bez toho, aby sa pod ich vplyvom rozpadal. vplyv. Preto používať urán ako palivo v jadrových reaktoroch je potrebné vopred obohatiť - to znamená upraviť obsah rádioaktívneho izotopu 235 U na úroveň aspoň 5 %.

Potom sa urán-235 v zložení obohateného prírodného uránu v jadrovom reaktore rozkladá pod vplyvom neutrónového bombardovania. V dôsledku toho sa z jedného jadra 235 U uvoľní v priemere 2,5 nového neutrónu, z ktorých každý spôsobí rozpad ďalších 2,5 jadier a tzv. reťazová reakcia. Podmienkou pokračovania trvalej rozpadovej reakcie uránu-235 je prebytok počtu neutrónov emitovaných rozpadajúcimi sa jadrami počtu neutrónov opúšťajúcich uránový konglomerát; v tomto prípade reakcia pokračuje uvoľňovaním energie.

V atómovej bombe je reakcia zámerne nekontrolovateľná, v dôsledku čoho sa v zlomku sekundy rozpadne obrovské množstvo jadier 235 U a uvoľní sa výbušná energia kolosálnej ničivosti. V jadrových reaktoroch používaných v energetike musí byť rozpadová reakcia prísne kontrolovaná, aby sa dávkovala uvoľnená energia. Kadmium je dobrý absorbér neutrónov - zvyčajne sa používa na riadenie rýchlosti rozpadu v jadrových elektrárňach. Kadmiové tyče sú ponorené do aktívnej zóny reaktora na úroveň potrebnú na zníženie rýchlosti uvoľňovania voľnej energie na technologicky prijateľné limity a v prípade poklesu uvoľnenej energie pod požadovanú úroveň sú tyče čiastočne odstránené z reakčnej zóny, po ktorej sa rozpadová reakcia zintenzívni na požadovanú úroveň. Uvoľnená tepelná energia sa potom obvyklým spôsobom (pomocou turbogenerátorov) premieňa na elektrickú energiu.

Syntéza

Termonukleárna fúzia je reakcia, ktorá je vo svojej podstate presne opačná ako rozpadová reakcia: menšie jadrá sa spájajú do väčších. Najbežnejšou reakciou vo vesmíre vo všeobecnosti je reakcia termonukleárnej fúzie jadier hélia s jadier vodíka: nepretržite prebieha v útrobách takmer všetkých viditeľné hviezdy... Vo svojej čistej forme to vyzerá takto: štyri vodíkové jadrá (protóny) tvoria atóm hélia (2 protóny + 2 neutróny) s uvoľnením množstva ďalších častíc. Rovnako ako v prípade rozpadovej reakcie atómového jadra, celková hmotnosť vytvorených častíc je menšie hmotnosť počiatočného produktu (vodík) - uvoľňuje sa vo forme kinetickej energie produktov reakcie častíc, vďaka čomu sa hviezdy zahrievajú.

Vo vnútri hviezd neprebieha reakcia termonukleárnej fúzie súčasne (pri zrážke 4 protónov), ale v troch fázach. Najprv sa z dvoch protónov (jeden protón a jeden neutrón) vytvorí jadro deutéria. Potom, čo ďalší protón vstúpi do jadra deutéria, vznikne hélium-3 (dva protóny a jeden neutrón) plus ďalšie častice. Nakoniec sa dve jadrá hélia-3 zrazia a vytvoria hélium-4, dva protóny a ďalšie častice. V súhrne však táto trojstupňová reakcia dáva čistý efekt tvorby jadra hélia-4 zo štyroch protónov s uvoľnením energie unášanej rýchlymi časticami, predovšetkým fotónmi ( cm. Evolúcia hviezd).

Prirodzená reakcia termonukleárnej fúzie prebieha vo hviezdach; umelé - vo vodíkovej bombe. Bohužiaľ, človek ešte nebol schopný nájsť prostriedky na nasmerovanie termonukleárnej fúzie do kontrolovaného kanála a naučiť sa, ako z nej získavať energiu na mierové účely. Vedci však nestrácajú nádej na dosiahnutie pozitívnych výsledkov v oblasti získavania "mierovej a lacnej" termonukleárnej energie v dohľadnej budúcnosti - preto je hlavnou vecou naučiť sa držať vysokoteplotnú plazmu buď pomocou laserových lúčov. alebo pomocou supervýkonných toroidných elektromagnetických polí ( cm.

Strana 1

Reakcie jadrovej fúzie sa nazývajú termonukleárne kvôli jedinému spôsobu excitácie reakcií – ohrevu jadrového paliva na vysokú teplotu.

Jadrová fúzna reakcia môže slúžiť aj ako zdroj energie.

Mimoriadne uskutočňovať reakcie jadrovej fúzie vysoké teploty a tlak.

Vodík-3 vstupuje do reakcie jadrovej fúzie najjednoduchšie, ale je prítomný v zemskú atmosféru v tak malých množstvách a jeho výroba je spojená s veľmi vysokými nákladmi, že samotná účelnosť jeho použitia ako paliva je otázna.

Táto reakcia sa nazýva reakcia jadrovej fúzie, pretože v dôsledku spojenia jadier vzniká ťažšie jadro.

Aby sa reakcia jadrovej fúzie spustila, je potrebné dosiahnuť teplotu rádovo milión stupňov. Keďže jadrové štiepenie je jediným v súčasnosti známym prostriedkom na dosiahnutie takýchto teplôt, na spustenie vodíkovej fúznej reakcie sa používa atómová bomba založená na štiepení. Predpokladá sa, že energia uvoľňovaná hviezdami, vrátane nášho Slnka, vzniká v dôsledku reakcií jadrovej fúzie podobných reakciám uvedeným vyššie. V závislosti od veku a teploty hviezdy sa na takýchto reakciách môžu podieľať jadrá uhlíka, kyslíka a dusíka, ako aj izotopy vodíka a hélia.

Hlavným problémom spojeným s reakciou jadrovej fúzie je vývoj technológie schopnej udržať plyn s nabitými časticami, plazmu pri teplotách rádovo mnohých miliónov stupňov po pomerne dlhú dobu, aby sa uvoľnilo potrebné množstvo energie. , zatiaľ čo plazma je v izolovanom stave ... Sú známe dve metódy, ktorými je tento proces riadený: metóda magnetických polí a metóda zadržiavania ťažkých atómov vodíka pomocou výkonných laserov. Táto metóda je najjednoduchším spôsobom jadrovej fúzie, ktorá zahŕňa deutérium a trícium a ktorá prebieha v plazme udržiavanej magnetickými poľami pri teplote viac ako 100 miliónov C. Koncové produkty fúzne reakcie sú héliové ióny (He-4) a neutróny. Asi 80 % energie uvoľnenej v dôsledku fúzie pripadá na neutróny. Systémy na prenos tepla a premenu na teplo, ktoré sú ďalším stupňom, sú podobné tým, ktoré sa používajú v jadrových štiepnych reaktoroch.

Naučiť sa vytvárať užitočnú energiu prostredníctvom jadrovej fúznej reakcie je dôležité predovšetkým preto, že termonukleárna fúzia je takmer nevyčerpateľný zdroj energie. Náklady na termojadrové palivo sú nízke v porovnaní s nákladmi na fosílne palivá; je dostupný všade a proces jeho získavania len mierne ovplyvňuje životné prostredie. Ďalej, hoci termonukleárna energia je tiež jedným z typov atómovej energie, výrazne sa líši od bežnej atómovej energie, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení uránu, plutónia a tória. V porovnaní s jadrovými štiepnymi reaktormi a nebezpečenstvami, ktoré predstavujú, sa zdá, že fúzny reaktor je oveľa menej nebezpečný.

Rýchlosť uvoľňovania energie v dôsledku všetkých reakcií jadrovej fúzie, ku ktorým dochádza každú sekundu, je prekvapivo malá, keď je vyjadrená v kalóriách na gram hmoty. Bude to viac ako 100-krát menej ako rýchlosť, ktorou ľudské telo uvoľňuje teplo za jednu sekundu počas svojho metabolizmu. Samozrejme, celkové množstvo tepla vyžarovaného Slnkom sa vzhľadom na extrémne obrovskú hodnotu celkovej hmotnosti Slnka nedá porovnať s teplom nášho tela. To však vyvoláva otázku, ako môže byť Slnko také horúce, ak rýchlosť uvoľňovania tepla v jednom grame hmoty je 100-krát nižšia ako v našom tele.

Všeobecne sa uznáva, že generovanie energie z fúznej reakcie by malo spôsobiť menšie znečistenie. životné prostredie než pomocou jadrovej štiepnej reakcie. Treba však poznamenať, že konštrukčné materiály pretože vnútorné časti fúzneho reaktora sa musia stať veľmi vysoko rádioaktívnymi a často sa musia vymieňať. Čo je príčinou týchto komplikácií.

Množstvo prvku je spojené so stabilitou jeho jadra a priebehom reakcií jadrovej fúzie prvkov. Podľa toho existujú približné pravidlá, ktoré určujú prevalenciu prvku. Bolo pozorované, že prvky s nízkou atómovou hmotnosťou sú hojnejšie ako ťažké prvky. ďalej atómové hmotnosti najbežnejšie prvky sú vyjadrené v násobkoch štyroch; prvky s párnymi radovými číslami sú niekoľkonásobne bežnejšie ako ich susedné nepárne prvky.

Skutočne obrovské vyhliadky na rozvoj energetickej základne výroby sľubujú spoločnosti zvládnutie riadenej reakcie jadrovej fúzie. Riešenie problému riadenia termonukleárnych reakcií je na programe sovietskej vedy. Medzi jej úlohy patrí objavovanie metód priamej premeny tepelnej, jadrovej, slnečnej a chemickej energie na elektrickú energiu.

Ak sa protónom podarí priblížiť sa k sebe na vzdialenosti r r0, dôjde k jadrovej fúznej reakcii, nukleóny vytvoria viazaný systém - jadro atómu deutéria. Viazaný stav zodpovedá modelu častice v potenciálnej studni. Tomuto prístupu častíc však bráni potenciálna bariéra. Na objasnenie možnosti reakcie je potrebné vyriešiť problém prechodu častíc cez bariéru pri rôznych energiách.

Lítium je zdrojom ťažkého izotopu vodíka, trícia, ktorý sa používa pri reakciách jadrovej fúzie.

Ako dieťa som rád čítal časopis „Veda a život“, na dedine bola podateľňa už od 60. rokov. O termonukleárnej fúzii sa často rozprávali radostným spôsobom – teraz je to skoro a bude! Mnohé krajiny, aby stihli distribúciu voľnej energie, postavili tokamaky (a rozmiestnili ich celkovo 300 kusov po celom svete).

Roky plynuli... Teraz je rok 2013 a ľudstvo stále získava väčšinu energie zo spaľovania uhlia, ako v 19. storočí. Prečo sa to stalo, čo bráni vytvoreniu termonukleárneho reaktora a čo môžeme očakávať v budúcnosti - pod rezom.

teória

Atómové jadro, ako si pamätáme, spočíva v prvom priblížení protónov a neutrónov (= nukleónov). Aby ste z atómu odtrhli všetky neutróny a protóny, musíte minúť určitú energiu – väzbovú energiu jadra. Táto energia sa líši pre rôzne izotopy a prirodzene, pri jadrových reakciách musí byť zachovaná energetická rovnováha. Ak vynesieme do grafu väzbovú energiu pre všetky izotopy (na nukleón), dostaneme nasledovné:


Odtiaľ vidíme, že energiu môžeme prijímať buď oddelením ťažkých atómov (ako 235 U), alebo spojením ľahkých atómov.

Nasledujúce syntetické reakcie sú z praktického hľadiska najrealistickejšie a najzaujímavejšie:

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

Pri týchto reakciách sa využíva deutérium (D) - možno ho získať priamo z morskej vody, Trícium (T) - rádioaktívny izotop vodíka, teraz sa získava ako odpad v bežných jadrových reaktoroch, dá sa špeciálne vyrobiť z lítia. Zdá sa, že hélium-3 je na Mesiaci, ako už všetci vieme. Bor-11 - prírodný bór obsahuje 80% bóru-11. p (Protium, atóm vodíka) je obyčajný vodík.

Pre porovnanie, štiepením 235 U sa uvoľní ~ 202,5 ​​MeV energie, t.j. oveľa viac ako pri fúznej reakcii na 1 atóm (ale na kilogram paliva - termonukleárne palivo samozrejme dáva viac energie).

Podľa reakcií 1 a 2 sa získa veľa veľmi vysokoenergetických neutrónov, ktoré robia celú štruktúru reaktora rádioaktívnou. Ale reakcie 3 a 4 - "bez neutrónov" (aneutrónové) - nedávajú indukované žiarenie. Žiaľ, stále ostávajú vedľajšie reakcie, napríklad z reakcie 3 - deutérium bude reagovať samo so sebou a stále bude malé neutrónové žiarenie.

Reakcia 4 je zaujímavá tým, že vo výsledku získame 3 alfa častice, z ktorých je teoreticky možné priamo odoberať energiu (keďže sú to vlastne pohyblivé náboje = prúd).

Vo všeobecnosti je tu dosť zaujímavých reakcií. Jedinou otázkou je, aké ľahké je implementovať ich v skutočnosti?

O zložitosti reakcieĽudstvo pomerne ľahko zvládlo štiepenie 235 U: nie je tu žiadny problém – keďže neutróny nemajú náboj, dokážu sa doslova „plaziť“ jadrom aj pri veľmi nízkej rýchlosti. Vo väčšine štiepnych reaktorov sa používajú práve také tepelné neutróny – v ktorých je rýchlosť pohybu porovnateľná s rýchlosťou tepelného pohybu atómov.

Ale pri fúznej reakcii máme 2 jadrá, ktoré majú náboj a navzájom sa odpudzujú. Aby sa priblížili na vzdialenosť potrebnú na reakciu, je potrebné, aby sa pohybovali dostatočnou rýchlosťou. Túto rýchlosť možno dosiahnuť buď v urýchľovači (keď sa všetky atómy v dôsledku toho pohybujú rovnakou optimálnou rýchlosťou), alebo zahrievaním (keď atómy lietajú náhodne v náhodných smeroch a náhodnou rýchlosťou).

Tu je graf znázorňujúci rýchlosť reakcie (prierez) verzus rýchlosť (= energia) zrážajúcich sa atómov:

Tu je to isté, ale vykreslené z teploty plazmy, berúc do úvahy skutočnosť, že atómy tam lietajú náhodnou rýchlosťou:


Okamžite vidíme, že reakcia D + T je „najjednoduchšia“ (potrebuje mizerných 100 miliónov stupňov), D + D je pri rovnakých teplotách asi 100-krát pomalšia, D + 3 Ide rýchlejšie ako konkurenčné D + D len pri teplotách rádovo 1 miliardy stupňov.

Pre človeka je teda aspoň vzdialene dostupná len reakcia D + T so všetkými jej nevýhodami (rádioaktivita trícia, ťažkosti pri jeho získavaní, žiarenie indukované neutrónmi).

Ale ako ste pochopili, vziať a zahriať niečo až na sto miliónov stupňov a nechať to reagovať nebude fungovať - ​​akékoľvek zahriate predmety vyžarujú svetlo, a tak rýchlo vychladnú. Plazma zahriata na stovky miliónov stupňov – žiari v röntgenovej oblasti, a čo je najsmutnejšie – je pre neho priehľadná. Tie. plazma s takouto teplotou sa fatálne rýchlo ochladí a na udržanie teploty je potrebné neustále pumpovať gigantickú energiu na udržanie teploty.

Avšak vzhľadom na skutočnosť, že v termonukleárnom reaktore je veľmi málo plynu (napríklad v ITER - iba pol gramu), všetko nie je také zlé: na zahriatie 0,5 g vodíka na 100 miliónov stupňov je potrebné miniete približne rovnaké množstvo energie ako ohriatie 186 litrov vody na 100 stupňov.

Projekt bol ukončený 30.9.2012. Ukázalo sa, že v počítačovom modeli boli nepresnosti. Podľa nového odhadu je pulzný výkon 1,8 megajoulov dosiahnutý v NIF 33-50% potrebnej na uvoľnenie rovnakého množstva energie, aké bolo vynaložené.

Sandy z-stroj Myšlienka je takáto: vziať veľká hromada vysokonapäťové kondenzátory a prudko ich vybíjajte cez tenké volfrámové drôty v strede stroja. Drôty sa okamžite vyparia a počas 95 nanosekúnd nimi ďalej preteká obrovský prúd 27 miliónov ampérov. Plazma, zahriata na milióny a miliardy (!) stupňov - vyžaruje röntgenové lúče a vtláča ich do kapsuly so zmesou deutéria a trícia v strede (energia impulzu röntgenového žiarenia je 2,7 megajoulov).

Plánuje sa upgrade systému pomocou ruštiny elektráreň(Linear Transformer Driver - LTD). V roku 2013 sa očakávajú prvé testy, v ktorých sa bude prijatá energia porovnávať so spotrebovanou (Q = 1). Snáď bude mať tento smer v budúcnosti šancu porovnať a prekonať tokamaky.

Husté plazmové zaostrenie - DPF- "zrúti" plazmu prebiehajúcu pozdĺž elektród a vytvára gigantické teploty. V marci 2012 bola v závode fungujúcom na tomto princípe dosiahnutá teplota 1,8 miliardy stupňov.

Levitovaný dipól- "obrátený" tokamak, v strede vákuovej komory visí toroidný supravodivý magnet, ktorý drží plazmu. V takejto schéme plazma sľubuje, že bude stabilná sama o sebe. Ale projekt teraz nemá žiadne financovanie, zdá sa, že syntézna reakcia sa neuskutočnila priamo v zariadení.

Farnsworth – Hirsch fusor Myšlienka je jednoduchá - do vákuovej komory naplnenej deutériom alebo zmesou deutéria a trícia umiestnime dve guľové mriežky, medzi ne aplikujeme potenciál 50-200 tisíc voltov. V elektrickom poli začnú atómy lietať okolo stredu komory, niekedy sa navzájom zrážajú.

Výťažok neutrónov je, ale je dosť malý. Veľké straty energie pre brzdné röntgenové žiarenie, vnútorná mriežka sa rýchlo zohreje a vyparí zrážkami s atómami a elektrónmi. Aj keď je dizajn zaujímavý z akademického hľadiska (môže ho zostaviť každý študent), účinnosť generovania neutrónov je oveľa nižšia ako u lineárnych urýchľovačov.

Polywell je dobrou pripomienkou, že nie všetky práce v oblasti jadrovej syntézy sú verejné. Práca bola financovaná americkým námorníctvom a bola klasifikovaná, kým sa nedosiahli negatívne výsledky.

Myšlienka - vývoj Farnsworth – Hirsch fusor. Centrálnu zápornú elektródu s najväčšími problémami nahrádzame oblakom elektrónov zachytených v magnetickom poli v strede komory. Všetky testované modely mali konvenčné magnety, nie supravodivé magnety. Reakcia poskytla jednotlivé neutróny. Vo všeobecnosti žiadna revolúcia. Možno by niečo zmenilo zvýšenie veľkosti a supravodivých magnetov.

Miónová katalýza je radikálne odlišná myšlienka. Vezmeme záporne nabitý mión a nahradíme ho elektrónom v atóme. Keďže mión je 207-krát ťažší ako elektrón, 2 atómy v molekule vodíka budú oveľa bližší priateľ priateľovi a dôjde k syntéznej reakcii. Jediným problémom je, že ak sa v dôsledku reakcie vytvorí hélium (~ 1% šanca) a mión s ním odletí, už sa nebude môcť zúčastňovať reakcií (keďže hélium netvorí chemickú zlúčeninu s vodíkom).

Problém je v tom, že generovanie miónu v súčasnosti vyžaduje viac energie, než je možné získať v reťazci reakcií, a teda kým sa energia získa tu.

"Studená" termonukleárna fúzia(to nezahŕňa „studenú“ miónovú katalýzu) – je už dlho pastvou pseudovedcov. Neexistujú žiadne vedecky dokázané a nezávisle replikované pozitívne výsledky. A senzácie na úrovni žltej tlače boli viac ako raz pred E-Cat Andrea Rossiho.