Elementære partikler termonuklear reaktion. Atomenergi. Termonuklear fusion. Kontrolleret kædereaktion

1. Kernekraft - Dette er området for videnskab og industriel teknologi, hvor metoder og midler til transformation af nuklear energi til termisk og elektrisk udvikles og anvendes i praksis. Grundlaget for atomkraft udgør atomkraftværker (NPP). Energikekilden ved atomkraftværker betjenes af atomreaktorer, hvor en kontrolleret kædereaktion af at dividere kernerne af tunge elementer er placeret, hovedsagelig U-235 og Ru-239.

Atomreaktorer er af to typer: reaktorer på langsom neutroner og reaktorer på hurtige neutroner. De fleste NPP'er i verden er baseret på reaktorer på langsom neutroner. De første reaktorer, der blev bygget i USA (1942), i Sovjetunionen (1946) og i andre udviklede lande, var beregnet til drift af våbenplutonium RU-239. Varmen, der blev frigivet i dem, var et biprodukt. Denne varme blev fjernet fra reaktoren under anvendelse af kølesystemet og nulstilles simpelthen ind i miljøet.

Mekanismen for varmeisolering i reaktoren er som følger. De to fragmenter, der opstår, når de opdeler kernen i uran, udfører stor kinetisk energi ca. 200 meV. Deres indledende hastighed når 5000 km / s. Flytning blandt uran, en moderator eller strukturelementer, disse fragmenter, modstående atomer, transmitterer deres energi til dem og gradvist sænkes til varmehastigheder. Reaktorens aktive zone opvarmes. Ved at øge intensiteten af \u200b\u200bden nukleare reaktion kan du nå store termiske kapaciteter.

Varmen, der frigives i reaktoren, udføres under anvendelse af et væske eller gasformigt kølemiddel. Generelt ligner kølemiddelreaktoren en parrørkedel (vand strømmer gennem rørene inde i ovnen og opvarmes). Derfor anvendes "nukleær kedel", sammen med begrebet "atomreaktor", der ofte anvendes.

I fig. 144 viser NPP-skemaet, i reaktoren 1. Tætheden af \u200b\u200bneutronfluxen inde i driftsreaktoren når 10 14 partikler efter 1 cm2 pr. Sekund.

Reaktorens termiske og elektriske kraft er kendetegnet. Elektrisk kraft er ikke mere end 30% af termisk. Den første NPP i verden blev bygget i 1954 i Sovjetunionen i Obninsk. Dens termiske kapacitet er 30 MW, elektrisk 5 MW. Den aktive zone af uran-grafitreaktor på langsom neutroner har form af en cylinder med en diameter på 1,5 m og en højde på 1,7 m. Kølemiddel-suppl. Temperaturen af \u200b\u200bvand ved indgangen til reaktoren + 190 ° C ved udgangen af \u200b\u200b+ 280 ° C, tryk på 100 ATM.

Reaktorbelastningen er 550 kg uran beriget til 5%. Varighed af arbejdet på den nominelle effekt på 100 dage. Designdybden af \u200b\u200bU-235 Burnout er 15%. Reaktoren indeholder 128 brændstofelementer (brændstoffer). Obninsk NPP blev bygget for at udarbejde teknologiske løsninger til atomkraft. I senere seriel NPP øger reaktorernes lastning og effekt hundreder af gange.

2. Nuklear reaktor på langsom neutroner. Som nævnt i §21 var hovedopgaven i udviklingen af \u200b\u200batomreaktorer at sikre, at reaktoren kunne arbejde på naturligt uran, dvs. Fremstillet ved kemisk metode fra malm og indeholdende en naturlig blanding af isotoper: U-238 (99,282%), U-235 (0,712%), U-234 (0,006%) eller ved et relativt lavt lavindkomst uran, hvori Indholdet af U-235 isotop eller RU-239 steg til 2-5%.

Til dette er det nødvendigt at udføre tre betingelser: For det første skal massen af \u200b\u200bdet fissile stof i reaktoren (U-235 eller Ru-239) være ved dets konfiguration, der ikke er mindre kritisk. Det betyder, at en neutron blandt den nukleare division, der er opnået i hver handling, forårsage den næste divisionslov. For det andet skal neutroner sænkes til varmehastigheder, og at gøre det for at minimere deres tab på strålingsbeslag af kernen i ikke-deklarative materialer. For det tredje udvikle principper og skabe kædehukleare reaktionskontrol. Selvom alle disse betingelser er sammenkoblet, kan du for hver af dem tildele de vigtigste måder at implementere dem på.

men. Opnåelsen af \u200b\u200bden kritiske masse af opdelingsstoffet er muligt på to måder: en simpel stigning i uranmasse og uranberigelse. På grund af den lave koncentration af opdelingsstoffet er dets kritiske masse i reaktoren meget mere end i en atombombe. For eksempel i OBNIN NPP / M KR er U-235 ca. 25 kg. I mere moderne kraftige MA reaktorer når ma flere tons. For at reducere tabene for neutronlækage fra reaktoren er dens aktive zone omgivet af neutronreflektor. Dette er et stof med lette kerner, svagt absorberende neutroner (grafit, beryllium).

b. Langsom neutron.. I fig. 145 deles energispektrum af neutroner udsendt af U-235 kernen. I abscisseraksen udsættes den kinetiske energi af neutroner langs ordinataksen, den relative frekvens ΔN / n er gentagelse af en sådan energi i konventionelle enheder. Kurven har maksimalt E \u003d 0,645 MeV. Det kan ses fra figuren, at når du deler U-235-kerneren, er overvejende hurtige neutroner med energi E\u003e 1 MeV.

Som tidligere nævnt er det effektive tværsnit af neutronfangsten af \u200b\u200bU-235-kerneren maksimalt for termiske neutroner, når deres energi e< 1 Мэв. Поэтому для наиболее эффективного ис­пользования нейтронов их надо замедлять до тепло­вых скоростей. Казалось бы, это можно сделать про­стым наращиванием массы естественного урана. В этом случае нейтроны, последовательно сталкиваясь с ядрами урана, должны постепенно уменьшать свою энергию и приходить к тепловому равновесию с массой урана. Но в естественном уране на 1 ядро U-235 приходиться 140 ядер U-238. Сечение радиа­ционного захвата быстрых нейтронов ядрами U-238 невелико (σ=0,3 барна), и этот путь был бы возмо­жен, если бы не резонансная область (см. рис.139), где σ возрастает в тысячи раз. Например, при энергии нейтронов E=7эВ σ достигает 5000 барн. Нейтроны этот диапазон энергий в уране не пройдут. Они почти все будут захвачены ядрами U-238

For at denne absorption ikke sker, skal neutroner være afledt af uranens masse, langsomt i en svagt absorberende neutronmoderator (grafit, tungt vand, beryllium) og vende tilbage til uranens masse (diffundet) Dette opnås ved det faktum At uran er lastet i tynde rør af brændstofelementer (Fuelles). Og twists plunge v.kanala speeder.

Typisk to-vingeslange med en diameter på 15-20 mm fra en zirconiumlegering. Kernebrændstoffet lægges i form af tabletter, der komprimeres fra uranoxid U02. Oxidet klemmer ikke ved høj temperatur og fjernes let, når brændstoffet oplades. Afhængigt af størrelsen af \u200b\u200breaktorens aktive zone kan længden af \u200b\u200bbrændviserne nå 7-8 m. Monterede to stykker i beholdere, som er rør med en diameter på 10-20 cm eller prisme. Ved genopladning af reaktorerne udskiftes disse beholdere, og deres demontering og udskiftning af brændstoffer produceres på fabrikken.

Reaktoren selv repræsenterer oftest en cylinder gennem den øverste base, hvoraf lodrette kanaler udføres i checkers. I disse kanaler er der containere med brændstofhuller og kontrolstænger af absorberen.

i. Kædehuklear reaktionsstyring Den udføres ved hjælp af stænger fra materialer, der absorberer neutroner - cadmium 48 113 CD og BORON 5 10 V. Sidstnævnte er ofte i form af carbid i 4C (smeltepunkt i cadmium 321 ° C ved BORON 2075 ° C). Deres absorptions tværsnit, σ \u003d 20.000 og 4000 laden. Parametrene for de absorberende stænger beregnes således, at den nukleare reaktion i reaktoren med fuldt indsatte stænger er ikke kendt. Med gradvis fjernelse af stængerne øges reproduktionskoefficienten til den aktive zone, og i en bestemt position af stangen kommer til en. På dette tidspunkt begynder reaktoren at arbejde. I driftsprocessen falder koefficienten K gradvist på grund af forurening af reaktoren ved fragmenter af division. Denne reduktion kompenseres af noder. I tilfælde af pludselig vækst i reaktionens intensitet er der yderligere stænger. Deres hurtige nulstilling til den aktive zone stopper straks reaktionen.

Reaktorstyringen lettes af tilstedeværelsen af \u200b\u200bforsinkede neutroner. Deres andel i forskellige isotoper varierer fra 0,6 til 0,8%, i U-235 ca. 0,64%. Den gennemsnitlige halveringstid for fragmenterne af divisionen kedelige de forsinkede neutroner, t \u003d 9 s, den gennemsnitlige levetid for en generation af forsinkede neutroner τ \u003d t / ln2 \u003d 13 s.

Med reaktorens stationære drift, reproduktionskoefficienten af \u200b\u200bhurtige neutroner K B \u003d 1. Den totale koefficient K \u003d til B + K er forskellig fra enheden til andelen af \u200b\u200bforsinkelsesnutroner og kan nå K \u003d 1 + 0,006. I anden generation, efter 13 sekunder, antallet af neutroner n \u003d n 0 K2 \u003d n 0 (1.006) 2 \u003d 1,012mn 0. I den tiende generation efter 130'erne vil deres nummer være n 0 K10 \u003d 1.062mn 0, hvilket er langt fra nødsituationen. Derfor har det automatiske styresystem baseret på styring af neutronfluxdensiteten i den aktive zone ret tid til at spore de mindste nuancer i reaktorens funktion og reagere på bevægelsen af \u200b\u200breguleringsstænger.

3. Reaktorforgiftning - Dette er akkumuleringen af \u200b\u200bradioaktive produkter i den. Akkumuleringen af \u200b\u200bstabile produkter kaldes reaktorens slapping. I begge tilfælde akkumuleres kernerne, intensivt absorberende neutroner. Beslagstværtsektionen på den mest kraftfulde Xenon-135-sætning når 2,6 * 10 6 laden.

HE-135 formningsmekanisme næste. Når du deler U-235 eller Ru-239 langsom neutroner med en sandsynlighed på 6%, opnås et fragment - kernen af \u200b\u200bTelllur 52 135 TE. Med en periode på 0,5 min TE-135 oplever β-sepad, at dreje ind i jodjodisotopernen. Denne isotop er også β-aktiv med en periode på 6,7 timer. Produktet af forfaldet I-135 er Xenon Isotop 54 135 X. Med en periode T \u003d 9,2 H x-135 oplever β β - forfald, der bliver til en praktisk stabil cæsiumisotop 55 135 cz. (/ T \u003d 3 * 10 6 år).

Som et resultat af andre forfaldsordninger dannes andre skadelige kerner, for eksempel Samaria 62 139 SM. Især hurtigt forgiftning går til den indledende periode for reaktorens drift. Over tid etableres en radioaktiv ligevægt mellem forfaldsprodukterne. Fra dette punkt på begynder væksten af \u200b\u200breaktoraktierne.

Reaktoren, hvori fidelingsstoffet (uran), retarderen (grafit) og absorberen (cadmium) er individuelle faser og har grænserne for partitionen, kaldes heterogent. Alle disse elementer i en flydende eller gasformig tilstand er en fælles fase, reaktoren kaldes homogen. For energikæder er udelukkende heterogene reaktorer bygget.

5. Fast neutronreaktorer. Kernel U-235, Ru-239 og U-233 er opdelt i alle neutroner. Derfor, hvis du øger uranberigelsen, for eksempel U-235-isotopen, på grund af en stigning i koncentrationen af \u200b\u200bskillens kernerne, vil hele flertallet af neutroner opdele U-235-kernen uden at forlade uranmassen. I en vis koncentration af skilleknucleerne og med en tilstrækkelig masse uran i den aktive zone når koefficienten for neutrongengivelse en enhed og uden afmatning. Reaktoren vil arbejde på hurtige neutroner (forkortet - hurtig reaktion).

Fordelen ved en hurtig reaktion før langsom (det vil sige før reaktionen på langsom neutroner) er, at neutroner anvendes mere effektivt. Som følge heraf øges reproduktionen af \u200b\u200bnukleart brændsel. I den langsomme reaktion på 2,5 neutroner går også 1 til U-235-kernen, der opretholder reaktionen, ca. 1 i U-238-kernen, der danner RU-239 (nukleart brændsel), og 0,5 neutron går tabt. PA en kerne af "brændt" U-235 opnås ca. 1 kerne RU-239. I en hurtig reaktion på 2,5 neutroner er også 1 ved at opretholde reaktionen. Men neutroner går tabt mindre end 0,5. Derfor falder Y-238-kernen mere neutroner. Som et resultat dannes "brændt" kernen i "brændt" U-235 mere end 1 Ru-239. Der er en udvidet gengivelse af nukleart brændsel. Oprettelsen og driften af \u200b\u200breaktorer på hurtige neutroner er mere kompliceret end langsomt. For det første falder volumenet af den aktive zone kraftigt. Dette øger tætheden af \u200b\u200benergifrigivelsen, hvilket fører til en stigning i temperaturen og strammer kravene til strukturelle materialer og kølevæsken. For det andet stiger kravene til reaktorstyringssystemet, det vil sige til driftshastigheden af \u200b\u200bstyresystemet.

6. Udsigter for atomkraft.Til dato, normalt arbejder NPP'er miljøvenlige for alle energikilder. De udsender ikke C02 og S02, som termiske stationer, og forværrer derfor ikke drivhuseffekten, og der hældes ingen markører med vand som vandkraftværker. I betragtning af muligheden for at genbruge U-238 i RU-239 og TH-232 i U-233 vil reserverne af let overkommelig nukleart brændsel have nok i hundreder af år. Brugen af \u200b\u200batomkraftværker vil bevare olie, gas og kul til den kemiske industri. Vanskeligheder med udvidelsen af \u200b\u200bNPP Park to. Et mål, essensen af \u200b\u200bdet er, at de problemer, der er forbundet med bortskaffelse og bortskaffelse af affaldet af nukleart brændsel og elementer i designet, som har udviklet en ressource af reaktorer, ikke er fuldt opløst.

Den anden vanskelighed er subjektiv. Sammenlignet med termiske og hydrauliske stationer kræver vedligeholdelsen af \u200b\u200bNPP en højere teknisk kultur og pålægger mennesker et stort ansvar for mennesker. Det mindste tilbagetog fra teknologisk disciplin kan blive en tragedie for tusindvis af mennesker.

7. Termonuklear syntese. Fra kurven for fordelingen af \u200b\u200bspecifik kommunikation følger det, at fusionen af \u200b\u200blungekernerne i en kerne, såvel som divisionen af \u200b\u200btung kerner, skal ledsages af tildeling af en enorm mængde energi. Alle kerner har samme positive ladning. For at bringe dem tættere på afstanden på hvilken syntese begynder, bør de to interagerende kerner dispergeres mod hinanden. Dette kan gøres på to måder. For det første ved hjælp af acceleratorer. Denne vej er besværlig og inffektiv. For det andet, bare opvarm gassen til den ønskede temperatur. Derfor kaldes fusionen af \u200b\u200blette kerner, der er initieret ved varmeopvarmning, termonukleare reaktioner. Vi estimerer temperaturen på den deuteriumgas, ved hvilken den termonukleære syntese af Deuterium + Deuterium begynder. 1 2 H + 1 2 N → 2 3 Ikke + 0 1 N + 3,27 MeV.

For at fusionere nuclei skal de bringe dem tættere på afstanden R \u003d 2 * 10-15 m. Potentiel energi med en sådan konvergens skal være lig med den kinetiske energi hos begge kerner i systemet

centrum af masse. (1 / 4πε 0) * (E2 / R) \u003d 2 * (moS 2/2) \u003d 2 * (3/2) * ct. Gastemperatur T \u003d (1 / 3K) * (1 / 4πε 0) * (E2 / R) \u003d 3 * 10 9 K. Fordeling af partikler af energier tæt på Maxwelovsky. Derfor er der altid flere "varme" partikler, såvel som takket være tunneleffekten, begynder synteseaktionen ved mindre temperaturer t ≈ 10 7 K.

Ud over reaktionen er to mere interessante: Deuterium + deuterium og deuterium + tritium. 2 1 H + 1 2 H + 1 2 P + 4,03 MeV. (22.3) og 1 2 H + 1 3 N → 2 4 Ikke + 0 1 n +17,59 MeV. (22.4)

I den sidste reaktion frigives massen af \u200b\u200bmassen ca. 5 gange mere energi end ved dividering U-235. Denne energi er den kinetiske energi af neutronbevægelse og de genererede heliumkerner. I jordiske forhold var det muligt at realisere reaktionen af \u200b\u200bnuklear syntese i form af en uhåndteret eksplosion af den termonukleære hydrogenbombe.

8. Hydrogen Bomb. Det er en konventionel atombombe, hvis nukleare ladning (U-235 eller RI-239) er omgivet af et tæppe fra et stof indeholdende letteatomer. For eksempel, deuteride lithium låg. Den høje temperatur, der resulterer, når der underminerer atomladningen initierer termonukleær syntese af lyatomer. På grund af dette skelnes der yderligere energi, hvilket øger bombens kapacitet. Ud over reaktioner (22.1) og (22.3) kan en anden gå i en bombe med et tæppe af lithium. 3 6 Li + 1 1 p → 2 4 ne + 2 3 ikke + 4mEV. (22.5). (22.4). Men tritium - β - - et aktivt element. Med en periode på 12 år bliver det til ikke-3. Derfor har hydrogenafgifter med tritium en begrænset holdbarhed og bør regelmæssigt testes. Fra stoffer, der er involveret i termonukleær syntese, er radioaktive produkter ikke dannet. Men på grund af den intense neutronstrøm styres radioaktivitet i kernerne af strukturelle materialer og de omgivende legemer. Derfor er det umuligt at implementere en "ren" reaktion af syntesen uden radioaktivt affald.

9. Problemet med kontrolleret termonukleær syntese (UH) Ikke løst hidtil. Dens løsning er meget lovende for energi. I havet af havene og oceanerne indeholder den ca. 0,015% af deuteriet (ved antallet af atomer). Vand på jorden omkring 10 20 kg. Hvis du udvinder deuterium fra dette vand, svarer den energi, der kan opnås fra det svarende til 6 * 10 18 K) "tons af stenkul, dette er en gigantisk værdi (ca. 0,001 masse af jorden), derfor deuteriet af havene og oceanerne er en praktisk talt en uudtømmelig energikilde.

TCB-problemet kommer ned til to opgaver, for det første er det nødvendigt at lære at oprette en høj temperatur på T\u003e 10 7 K. For det andet at holde volumenet til denne plasmatemperatur over tid tilstrækkelig til at strømme reaktionen af \u200b\u200bkernesyntesen . Begge disse opgaver er langt fra at løse.

10. Termonukleare reaktioner i stjernerne.Ifølge moderne ideer er stjernen født fra udvidede gas-peppede skyer, der hovedsagelig består af hydrogen. Som et resultat af gravitationskompression er skyen komprimeret og begynder at nægte, dreje ind i protozzeren. Når temperaturen i midten af \u200b\u200bprotozeren når 10 7 K, er termalidreaktionerne af syntesen af \u200b\u200blyselementer ophidset i det, hovedsagelig hydrogen gravitationskompression suspenderes med øget gassystemisk og optisk tryk. Protokollen bliver til en stjerne. To cykler af omdannelsen af \u200b\u200bhydrogen i helium er mulige. Nedenfor er de vigtigste reaktioner, der udgør hver cyklus. I parentes ved siden af \u200b\u200breaktionsligningerne er den gennemsnitlige reaktionstid τ beregnet ved det effektive tværsnit af reaktionen for de tryk og temperaturer, der er inde i stjernen, angivet.

Ifølge moderne astrofysiske ideer er den vigtigste kilde til solens og andre stjerner den termiske syntese i deres dybder. På jordiske forhold udføres den i eksplosionen af \u200b\u200ben hydrogenbombe. Termonukleær syntese ledsages af kolossal energiefrigivelse pr. Enhedsmasse af reaktantstoffer (ca. 10 millioner gange stort end i kemiske reaktioner). Derfor er det af stor interesse at beherske denne proces og baseret på den for at skabe en billig og miljøvenlig energikilde. På trods af at undersøgelserne af den kontrollerede termonukleære syntese (TCC) er involveret i store videnskabelige og tekniske grupper i mange udviklede lande, er der dog stadig mange komplekse problemer, før den industrielle produktion af termonuklear energi vil blive en realitet.

Moderne atomkraftværker ved hjælp af divisionsprocessen opfylder kun delvis de globale elbehov. Brændstoffet for dem er de naturlige radioaktive elementer i uran og thorium, hvis forekomst og reserver er meget begrænsede i naturen; Derfor opstår problemet med deres import for mange lande. Hovedkomponenten i termonukleært brændsel er en deuteriumhydrogenisotop, som er indeholdt i havvand. Dens reserver er offentligt tilgængelige og meget høje (World Ocean dækker ~ 71% af jordens overfladeareal, og andelen af \u200b\u200bdeuterium tegner sig for ca. 0,016% af det samlede antal hydrogenatomer, der indgår i vandet). Ud over tilgængeligheden af \u200b\u200bbrændstof har termonukleære energikilder følgende vigtige fordele ved atomkraftværker: 1) TCT-reaktoren indeholder meget mindre radioaktive materialer end divisionens reaktor, og derfor er konsekvenserne af tilfældig udledning af radioaktive produkter mindre farlige ; 2) Med termonukleare reaktioner dannes færre langlivet radioaktivt affald; 3) TTS tillader direkte elektricitet at opnå.

Fysiske fonde af nuklear syntese

Den vellykkede implementering af synteseraktionen afhænger af egenskaberne af de anvendte atomkerne og muligheden for at opnå et tæt højtemperaturplasma, som er nødvendig for at indlede reaktionen.

Kerneforcefer og reaktioner.

Energiudløsningen i nuklear syntese skyldes de ekstremt intense attraktioner, der virker inde i kernen; Disse kræfter holder sammen protonerne og neutronerne inkluderet i kernen. De er meget intense på afstande ~ 10 -13 cm og ekstremt hurtigt svækkes med stigende afstand. Ud over disse kræfter skaber positivt ladede protoner elektrostatiske afstødningskræfter. Radiusen af \u200b\u200bde elektrostatiske kræfter er meget større end den for atomkraft, så de begynder at sejre, når kernen fjernes fra hinanden.

Som vist af G. Gama er sandsynligheden for reaktionen mellem to konvergent lysekerner proportional, hvor e. – grundlaget for naturlige logaritmer, Z. 1 og Z. 2 - antallet af protoner i de interagerende kerner, W. - energi af deres relative tilnærmelse, og K. - Permanent multiplikator. Den energi, der kræves for at udføre reaktionen, afhænger af antallet af protoner i hver kerne. Hvis det er mere end tre, er denne energi for stor, og reaktionen er praktisk taget umulig. Således med stigende Z. 1 I. Z. 2 Sandsynligheden for reaktionen falder.

Sandsynligheden for, at to kerner vil komme ind i interaktion, kendetegnet ved "reaktion tværsnit", målt i lader (1 B \u003d 10 -24 cm2). Reaktionstværsnittet er området for et effektivt tværsnit af kernen, hvor den anden kernel "får", så deres interaktion opstod. Deuteriumreaktionssektionen med tritium når maksimumsværdien (~ 5 b), når de interaktive partikler har energi af den relative konvergens på ca. 200 keV. Ved energien på 20 keV bliver tværsnittet mindre end 0,1 b.

Af de millioner af accelererede partikler, der kommer ind på målet, kommer ikke mere end en ind i nuklear interaktion. Resten spredes deres energi på elektroner af målatomer og sænkes til hastigheder, hvor reaktionen bliver umulig. Følgelig er fremgangsmåden til bombning af et fast mål ved accelererede kerner (som det var i Crookft-Walton Expekse) for TCB, da den opnåede energi er meget mindre brugt.

Termonukleart brændstof.

Reaktioner med deltagelse. p.At spille en vigtig rolle i processen med nuklear syntese i solen og andre homogene stjerner, på jordiske forhold er ikke praktisk interesse, da de har for små. For at gennemføre termonukleær syntese på jorden, er en mere egnet brændstoftype, som nævnt ovenfor, deuterium.

Men den mest sandsynlige reaktion implementeres i en ækvilikulær blanding af deuterium og tritium (DT-blanding). Desværre er tritium radioaktiv og på grund af den korte periode på et halvt liv (T 1/2 ~ 12,3 år) praktisk taget ikke fundet i naturen. Det opnås kunstigt i fissionsreaktorer såvel som som et biprodukt i respondenter med deuterium. Imidlertid er fraværet af tritium i naturen ikke en hindring for brugen af \u200b\u200bDT - synteseaktionen, fordi Trithium kan fremstilles, bestrålende isotop 6 li dannet af neutronsyntese: n. + 6 li ® 4 han + t..

Hvis du omgiver det termonukleære kammer med et lag på 6 li (i naturligt lithium, indeholder den 7%), så kan du fuldt ud reproducere tritium brugt. Og selvom nogle neutroner i praksis er uundgåeligt tabt, er deres tab let at fylde, indtaste et sådant element i skallen, som beryllium, hvis kernel, hvis en hurtig neutron vises, spiser to.

Princippet om handlingen af \u200b\u200bden termonukleære reaktor.

Lungekerkernes fusionsrespons, hvis formål er at opnå nyttig energi - kaldes kontrolleret termonukleær syntese. Det udføres ved temperaturer i størrelsesordenen hundredvis af millioner af Kelvinov. En sådan proces implementeres indtil videre kun i laboratorier.

Hærdet og temperaturforhold.

At opnå nyttig termonuklear energi er kun mulig, når der udføres to betingelser. For det første skal den blanding, der er beregnet til syntese, opvarmes til en temperatur, ved hvilken kikensens kinetiske energi tilvejebringer en høj sandsynlighed for deres sammenflydelse under kollision. For det andet bør den reaktive blanding være meget godt isoleret (dvs. høj temperatur bør opretholdes tilstrækkeligt lang, således at det krævede antal reaktioner forekom, og den energi, der vælges på grund af denne energi, overskredet den energi, der blev brugt på brændstofets opvarmning).

I kvantitativ form udtrykkes denne betingelse som følger. For at opvarme den termonukleære blanding, skal en kubisk centimeter af dens volumen være informant P. 1 = kNT.hvor k. - Numerisk koefficient. n. - blandetætheden (antal kerner i 1 cm3) T. - Påkrævet temperatur. For at opretholde reaktionen bør den informerede termonukleære kraftblanding opretholdes over tid t. For at reaktoren skal være energisk gavnlig, er det nødvendigt, at termonukleær energi i løbet af denne tid er blevet frigivet i den mere end det blev brugt på opvarmning. Den adskilte energi (også 1 cm3) udtrykkes som følger:

hvor f.(T.) - koefficient afhængigt af temperaturen af \u200b\u200bblandingen og dens sammensætning, R. - energi frigivet i en elementær syntese. Så tilstanden af \u200b\u200benergibesparelse P. 2 > P. 1 vil fremstå

Den sidste ulighed, kendt som kriteriet for Louuson, er et kvantitativt udtryk for kravene til perfektion af termisk isolering. Højre side er "antallet af louuson" - afhænger af temperaturen og sammensætningen af \u200b\u200bblandingen, og jo mere stærkere de termiske isoleringskrav, dvs. Jo sværere det er at skabe en reaktor. I området for acceptable temperaturer er antallet af Louuson for rent deuterium 10 16 c / cm3 og for en ækvilkomponent DT-blanding - 2H10 14C / cm3. Således er DT-blandingen et mere foretrukket termonukleært brændstof.

I overensstemmelse med kriteriet for Louuson, som bestemmer energitætheden af \u200b\u200bdensiteten på fradragens frist, bør i den termonukleære reaktor anvendes som store n. eller t. . Forskningen af \u200b\u200bTCC blev derfor fordelt af to forskellige områder: I de første forskere forsøgte de at holde relativt sjældne plasma ved hjælp af et magnetfelt i lang tid; I den anden - ved hjælp af lasere i en kort periode, lav et plasma med en meget høj densitet. Den første tilgang var afsat meget mere arbejde end den anden.

Magnetisk retention af plasma.

Under synteseaktionen skal den varme reagenss tæthed forblive på et niveau, der ville sikre et tilstrækkeligt højt udbytte af nyttig energi pr. Enhedsvolumen ved et tryk, der er i stand til at modstå kameraet med plasma. For eksempel bestemmes for en blanding af deuterium - triytium ved en temperatur på 10 8 til udgangen af \u200b\u200budtrykket

Hvis taget P. svarende til 100 W / cm3 (som stort set svarer til den energi, der udskilles af brændselsceller i nukleare fissionsreaktorer), så densiteten n. skal være ca. 10 15 kerner / cm3 og tilsvarende tryk nt. - ca. 3 MPa. Tidspunktet for hold, ifølge kriteriet for Louuson, bør være mindst 0,1 s. For deuterium deuterium plasma ved en temperatur på 10 9 til

I dette tilfælde, hvornår P. \u003d 100 m / cm3, n. »3H10 15 kerner / cm3 og et tryk på ca. 100 MPa krævet retentionstid vil være mere end 1 s. Bemærk, at disse tætheder kun udgør 0,0001 fra densiteten af \u200b\u200batmosfærisk luft, således at reaktorkammeret skal pumpe op til et højt vakuum.

De ovennævnte estimater af fradragstid, temperatur og densitet er typiske minimumsparametre, der er nødvendige for driften af \u200b\u200bden termonukleære reaktor, og de er lettere at opnå i tilfælde af en deuterium-tritiumblanding. Hvad angår termonukleare reaktioner, der forekommer under eksplosionen af \u200b\u200bhydrogenbomben og i dybderne af stjerner, skal det tages i betragtning, at de i kraft af helt forskellige forhold i det første tilfælde fortsætter meget hurtigt, og i den anden - ekstremt langsom sammenlignet til processerne i den termonukleære reaktor.

Plasma.

Med en stærk opvarmning af gassen er dets atomer delvist eller fuldstændigt at miste elektroner, som et resultat af hvilke positivt ladede partikler dannes, kaldet ioner og frie elektroner. Ved temperaturer på mere end en million grader er gassen bestående af lette elementer fuldstændigt ioniseret, dvs. Hvert atom mister alle dets elektroner. Gassen i den ioniserede tilstand kaldes plasma (udtrykket introduceres af i.nongmyur). Plasmastegenskaber adskiller sig væsentligt fra egenskaberne af neutral gas. Da der er fri elektroner i plasmaet, udfører plasmaet elektrisk strøm meget godt, og dens ledningsevne er proportional med T. 3/2. Plasmaet kan opvarmes, passerer en elektrisk strøm gennem den. Ledningsevnen af \u200b\u200bhydrogenplasmaet ved 10 8 til det samme som i kobber ved stuetemperatur. Meget stor og termisk ledningsevne af plasmaet.

For at holde plasmaet, for eksempel ved en temperatur på 10 8 K, skal den være sikkert isoleret. I princippet er det muligt at isolere et plasma fra kameravenene ved at placere det i et stærkt magnetfelt. Dette er tilvejebragt af de kræfter, der opstår, når samspillet mellem strømme med et magnetfelt i plasma.

Under virkningen af \u200b\u200bmagnetfeltet bevæger ioner og elektroner langs spiralerne langs sine kraftledninger. Overgangen fra en kraftledning til en anden er mulig i partikelkollisioner, og når det tværgående elektriske felt påføres. I mangel af elektriske felter vil høj temperatur sparsomt plasma, hvor kollisioner sjældent forekommer, kun langsomt diffunderer på tværs af magnetiske kraftledninger. Hvis strømledningerne på magnetfeltlukken lukker, hvilket giver dem formen af \u200b\u200bsløjfen, vil plasmapartiklerne bevæge sig langs disse linjer, mens de holder i loopområdet. Ud over en sådan lukket magnetisk konfiguration blev der også foreslået åbne systemer til opbevaring af plasmaet (med feltets kraftledninger, der kommer fra enderne af kameraet til ydersiden), hvor partiklerne forbliver inde i kammeret på grund af Hastigheden af \u200b\u200bpartiklerne af magnetiske "trafikpropper". Magnetiske stik er skabt i enderne af kameraet, hvor der som følge af en gradvis stigning i feltstyrken er dannet en tapende stråle af kraftledninger.

I praksis er den magnetiske retention af plasmaet ret stor densitet viste sig for at være langt fra simpel: det opstår ofte magnetohydrodynamisk og kinetisk ustabilitet.

Magnitohydrodynamisk ustabilitet er forbundet med bøjninger og fleksibilitet af magnetiske kraftledninger. I dette tilfælde kan plasma begynde at bevæge sig over magnetfeltet i form af blodpropper, for flere millioner dollars vil forlade retentionszonen og vil give varme til kammerets vægge. Sådan ustabilitet kan undertrykkes ved at give en bestemt konfiguration til et magnetfelt.

Kinetisk ustabilitet er meget forskelligartet, og de har lært mindre detaljer. Blandt dem er der dem, der bryder op bestilte processer, såsom strømning gennem plasmaet af en konstant elektrisk strøm eller en partikelstrøm. Anden kinetisk ustabilitet forårsager en højere tværgående diffusionshastighed af plasma i et magnetfelt end forudsagt kollisionsteori til afslappende plasma.

Systemer med en lukket magnetisk konfiguration.

Hvis et stærkt elektrisk felt påføres den ioniserede gasledende gas, vil der blive en udløbsstrøm samtidig med hvilken magnetfeltet omgiver vil blive vist. Samspillet mellem magnetfeltet med en strøm vil føre til udseende af kompressionskræfter, der virker på ladede partikler. Hvis strømmen strømmer langs den ledende plasmakabels akse, er de nye radiale kræfter, som gummistytter klemmer ledningen og skubber plasmafærden fra væggene, der indeholder kameraet. Dette fænomen, der er teoretisk forudsagt af U. Bennett i 1934 og for første gang eksperimentelt demonstreret af A.Weer i 1951, kaldet en klipseffekt. Knivsmetode bruges til at holde plasma; Dens bemærkelsesværdige træk er, at gassen opvarmes til høje temperaturer ved den elektriske strøm (ohmic opvarmning). Den vigtigste enkelhed af metoden førte til dens anvendelse i de første forsøg på at holde varmt plasma, og undersøgelsen af \u200b\u200ben simpel kniveffekt, på trods af at den efterfølgende blev erstattet af mere end perfekte metoder, var det bedre at forstå problemerne med hvilke eksperimenter står overfor i dag.

Ud over diffusionen af \u200b\u200bplasma i radial retning er der stadig en langsgående drift og dets udgang gennem enderne af plasmapledningen. Tab gennem enderne kan elimineres, hvis du giver et plasmakammer til en bagel (torus). I dette tilfælde viser det sig en toroidal kniv.

For den enkle kniv, der er beskrevet ovenfor, er den magnetohydrodynamiske ustabilitet, der er forbundet med det, et alvorligt problem. Hvis der opstår en lav bøjning ved plasmakålet, stiger tætheden af \u200b\u200bkraftledningerne på magnetfeltet fra indersiden af \u200b\u200bbøjningen (fig. 1). Magnetiske kraftledninger, der opfører sig som en klemningskompression af selen, vil begynde at "frigive" hurtigt, så bøjningen vil øge op til ødelæggelsen af \u200b\u200bhele strukturen af \u200b\u200bplasmapledningen. Som et resultat af plasmaet kommer i kontakt med kameraets vægge og afkøles. For at udelukke dette destruktive fænomen, indtil den vigtigste aksiale strøm overføres i kammeret, skabes der et langsgående magnetfelt, som sammen med den dannede bøjning af plasmapledningen (figur 2) skaber et langsgående magnetfelt. Princippet om stabilisering af plasmakålet af et aksialt felt er baseret på to lovende projekter af termonukleære reaktorer - Tokamak og kniv med et omdannet magnetfelt.

Åbne magnetiske konfigurationer.

Inertiel retention.

Teoretiske beregninger viser, at termonukleel syntese er mulig og uden brug af magnetiske fælder. For at gøre dette udføres den hurtige kompression af et specielt kogt mål (kuglen fra deuteriet ved radiusen er ca. 1 mm) til sådanne høje tætheder, at den termonuklele reaktion har tid til at fuldføre, før fordampning af brændstofmålet forekommer. Kompression og opvarmning til termonukleære temperaturer kan fremstilles med tunge laserpulser, fra alle sider jævnt og samtidig bestråling af brændstofkuglen (fig. 4). Med øjeblikkelig fordampning af dets overfladelag erhverver udskårne partikler meget høje hastigheder, og bolden er under virkningen af \u200b\u200bstore kompressionskræfter. De ligner den bevægende raket med reaktive kræfter, med den eneste forskel, at disse kræfter er rettet indvendigt, til midten af \u200b\u200bmålet. Denne metode kan skabe tryk på ca. 10 11 MPa og densitet, 10.000 gange højere end vanddens tæthed. Med en sådan tæthed frigives næsten alle termonukleære energi som en lille eksplosion i tiden på ~ 10 -12 s. Toringmikalets, der hver især svarer til 1-2 kg trotyl, vil ikke forårsage skade på reaktoren, og sekvensen af \u200b\u200bsådanne mikrokruer gennem korte perioder vil gøre det muligt at gennemføre den næsten kontinuerlige produktion af nyttig energi. For inertiel retention er brændstofmålenheden meget vigtig. Målet i form af koncentriske kugler fra svære og lette materialer gør det muligt at opnå den mest effektive fordampning af partikler og derfor den største kompression.

Beregninger viser, at ved energi af laserstråling om MEGHADZHOULE (10 6 J) og lasereffektiviteten på mindst 10% bør den producerede termonukleære energi overstige den forbrugte energi til at pumpe laseren. Termonukleære laserinstallationer er tilgængelige i russiske forskningslaboratorier, USA, Vesteuropa og Japan. I øjeblikket studeres muligheden for anvendelse i stedet for en laserstråle af tunge ioner eller kombinationer af en sådan stråle med en lysstråle. Takket være moderne teknologi har denne metode til initiering af reaktionen en fordel i forhold til laser, da det giver dig mulighed for at få mere nyttig energi. Ulempen er vanskeligheden med at fokusere på strålen på målet.

Magnetiske holdinstallationer

Magnetiske plasmafastentionsmetoder undersøges i Rusland, USA, Japan og en række europæiske lande. Hovedens opmærksomhed udbetales til indstillingerne af toroidal type, såsom TOKAMAK og kniv med et omdannet magnetfelt, som optrådte som et resultat af udviklingen af \u200b\u200benklere klemmer med et stabiliserende langsgående magnetfelt.

Til opbevaring af plasma med et toroidalt magnetfelt B J. Det er nødvendigt at skabe betingelser under hvilke plasmaet ikke ville skifte til torusens vægge. Dette opnås ved "twist" af kraftledningerne på magnetfeltet (såkaldt "rotationstransformation"). En sådan vridning udføres på to måder. I den første metode passeres strømmen gennem plasmaet, hvilket fører til konfigurationen af \u200b\u200bden allerede betragtede bæredygtige kniv. Tok magnetfelt B. Q ј - B. Q Sammen S. B. j skaber et sammenfattende felt med den nødvendige vridning. Hvis en B. J. B. q, så er en konfiguration kendt som TOKAMAK (forkortelsen af \u200b\u200budtrykket "toroidalkammer med magnetiske spoler"). TOKAMAK (figur 5) blev designet under ledelse af L.A.Arzimovich ved Institut for Atomenergi. I.v. Kurchatova i Moskva. Til B. J. ~ B. q Det viser sig en knivskonfiguration med et konverteret magnetfelt.

På den anden måde anvendes specielle skrue viklinger omkring det toroidale plasmakammer til at sikre ligevægtsplasma. Strømme i disse viklinger skaber et komplekst magnetfelt, hvilket fører til at vride kraftledningerne på det samlede felt inde i Thorah. Denne installation, kaldet stellaratoren, blev udviklet på Princeton University (USA) L. Westzer med medarbejdere.

Tokamak.

En vigtig parameter, som afholderen af \u200b\u200bet toroidal plasma afhænger af, er "bæredygtighedsmargen" q.lige rb. J / Rb. Q, hvor r. og R. - henholdsvis små og store radii af toroidal plasma. Ved små q. En skrue ustabilitet kan udvikle sig - en analog af bøjningen af \u200b\u200bdirekte knivning. Forskere i Moskva viste eksperimentelt det q. \u003e 1 (dvs. B. J. B. q) Muligheden for skrue ustabilitet reduceres stærkt. Dette gør det muligt at anvende den varme, frigivne varme effektivt til at opvarme plasmaet. Som et resultat af flerårige undersøgelser er tegnene ved TOKAMAK'erne forbedret signifikant, især ved at øge feltets homogenitet og den effektive rengøring af vakuumkammeret.

De opmuntrende resultater opnået i Rusland stimulerede oprettelsen af \u200b\u200bTOKAMAKS i mange laboratorier i verden, og deres konfiguration blev genstand for intensiv forskning.

Ohmisk plasmaopvarmning i TOKAMAK er utilstrækkelig til implementering af reaktionen af \u200b\u200btermonukleær syntese. Dette skyldes, at når plasmaet opvarmes, er dets elektriske modstand stærkt reduceret, og den resulterende varmefrigivelse under strømmen reduceres skarpt. Forøg strømmen i TOKAMAK over en vis grænse, det er umuligt, da plasmapledningen kan miste stabilitet og overføre til kammerets vægge. Derfor anvendes forskellige yderligere metoder til plasmabehandling. Den mest effektive af dem er injektionen af \u200b\u200bbjælkerne af neutrale atomer med høj energi og mikrobølgebestråling. I det første tilfælde neutraliseres ionerne til energier 50-200 (for at undgå "refleksioner" af dem tilbage med et magnetfelt, når de kommer ind i kammeret) og injiceres i plasma. Her er de igen ioniseret og i forbindelse med sammenstød giver plasma deres energi. I det andet tilfælde anvendes mikrobølgestråling, hvis frekvens er lig med ioncyclotronfrekvensen (hyppigheden af \u200b\u200brotation af ioner i magnetfeltet). På denne frekvens opfører tæt plasma som en helt sort krop, dvs. Helt absorberer faldende energi. På Tokamak Jet-landene i Den Europæiske Union blev ved injektion af neutrale partikler opnået ved plasma med ion temperaturer på 280 millioner Kelvinov og retentionstiden 0,85 s. På deuterium-tritiumplasma opnået termonuklear power, nået 2 MW. Varigheden af \u200b\u200bvedligeholdelse af reaktionen er begrænset af udseendet af urenheder på grund af sprøjtning af kammervæggene: urenheder trænger ind i plasmaet, og ionagement øger signifikant energitab på grund af stråling. Nu arbejder arbejdet med jet-programmet på forskning om muligheden for at kontrollere urenheder og deres sletning af den såkaldte. "Magnetisk diverter."

Big Tokamaki oprettet også i USA - TFTR, i Rusland - T15 og i Japan - JT60. Undersøgelser foretaget på disse og andre installationer lagde grundlaget for den videre fase af arbejdet inden for kontrolleret termonuklear fusion: lanceringen af \u200b\u200ben stor reaktor til teknisk test er planlagt for 2010. Det antages, at dette vil være det fælles arbejde i USA, Rusland, landene i Den Europæiske Union og Japan. se også Tokamak.

Kniv med omvendt felt (POP).

Popkonfiguration adskiller sig fra TOKAMAK ved hvad der er i det B. Q ~ B. j, men samtidig er retningen af \u200b\u200bdet toroidale felt uden for plasmaet modsat sin retning inde i plasmakålet. J.Teallor viste, at et sådant system er i en tilstand med minimal energi og på trods af q.

Fordelen ved konfigurationspum er, at der er et forhold mellem de volumetriske tætheder af plasmakaden og magnetfeltet (værdi B) mere end i TOKAMAK. Det er fundamentalt vigtigt, at B var så meget som muligt, da det vil reducere det toroidale felt, og derfor vil det reducere omkostningerne ved at skabe spoler og hele understøttende struktur. Den svage side af popen er, at termisk isolering fra disse systemer er værre end TOKAMAKS, og problemet med at opretholde et omvendt felt er ikke blevet løst.

Stellarator.

I stellaratoren på et lukket toroidalt magnetfelt, der er et felt skabt af en speciel skrue vikling, skum på kammerkroppen. Det samlede magnetfelt forhindrer plasmagriftet mod midten og undertrykker visse typer magnetohydrodynamisk ustabilitet. Plasma selv kan oprettes og opvarmes af nogen af \u200b\u200bde metoder, der anvendes i TOKAMAK.

Den største fordel ved stellaratoren er, at den anvendte metode ikke er forbundet med tilstedeværelsen af \u200b\u200ben strøm i plasmaet (både i tokamakerne eller i basisvirkningsinstallationerne), og derfor kan stellaratoren arbejde i en stationær tilstand. Derudover kan skruen vikling have en "divertere" handling, dvs. Rengør plasmaet mod urenheder og fjern reaktionsprodukterne.

Plasma Holding i Rallarators undersøges grundigt ved installationer af Den Europæiske Union, Rusland, Japan og USA. På stellaratoren "WEDDELSHTEIN VII" i Tyskland var det muligt at opretholde et plasmabærende plasma med en temperatur på mere end 5H10 6 Kelvin, opvarmning den ved injektion af en højenergisk atatisk stråle.

Last teoretiske og eksperimentelle undersøgelser har vist, at i de fleste af de beskrevne indstillinger, og især i lukkede toroidale systemer, kan plasmaretentionstiden øges ved at øge dets radiale dimensioner og fastgørelsesmagnetfeltet. For eksempel er det for TOKAMAK anslået, at Louuson-kriteriet vil blive udført (og selv med nogle reserve) på magnetfeltspændingen på ~ 50 × 100 kgf og den lille radius af toroidalkammeret OK. 2 m. Dette er installationsparametrene pr. 1000 MW elektricitet.

Når der oprettes så store plasma-retention plasmaindstillinger, opstår der helt nye teknologiske problemer. For at skabe et magnetisk felt på ca. 50 kgf i et volumen af \u200b\u200bflere kubikmeter med kobberkølede afkølede spoler, kræves en strømkilde på flere hundrede megawatt. Derfor er det indlysende, at viklingerne af spolerne skal fremstilles af superledende materialer, såsom niobiumlegeringer med titanium eller med tin. Modstanden af \u200b\u200bdisse materialer elektrisk strøm i superledende tilstand er nul, og derfor vil den mindste mængde elektricitet blive brugt til at opretholde magnetfeltet.

Reaktiv teknologi.

Udsigter til termonuklear forskning.

Eksperimenter foretaget på TOKAMAK-typen installationer viste, at dette system er meget lovende som en mulig base af TCC-reaktoren. De bedste resultater opnås på toppen i dag, og der er håb om, at de med den rette stigning i omfanget af installationer vil være i stand til at gennemføre industrielle TCS. Imidlertid er Tokamak ikke økonomisk nok. For at fjerne denne ulempe er det nødvendigt, at det ikke virker i en puls, som nu, men i kontinuerlig tilstand. Men de fysiske aspekter af dette problem er stadig lidt undersøgte. Det er også nødvendigt at udvikle tekniske midler, der ville forbedre plasmaparametre og eliminere dets ustabilitet. I betragtning af alt dette, bør du ikke glemme andre mulige, omend mindre udviklede varianter af den termonukleære reaktor, såsom en stellarator eller kniv med et reverseret felt. Studiernes status på dette område har nået scenen, når der er konceptuelle reaktorprojekter for de fleste af høj temperatur plasma-retentionsystemer og for nogle systemer med inertiel retention. Et eksempel på den industrielle udvikling af TOKAMAK kan være projektet "opstår" (USA).

Den anden halvdel af XX århundrede var en periode med hurtig udvikling af nukleare fysik. Det blev klart, at nukleare reaktioner kan bruges til at opnå en enorm energi fra en ringe mængde brændstof. Samlede ni år er gået fra eksplosionen af \u200b\u200bden første nukleare bombe til det første atomkraftværk, og når en hydrogenbombe blev testet i 1952, fremgik forudsigelser, som i 1960'erne er termonukleare kraftværker i betragtning. Desværre, disse forhåbninger var ikke berettiget.

Termonukleare reaktioner af alle termonukleære reaktioner i den nærmeste fremtid er interessante kun fire: Deuterium + Deuterium (Produkter - Tritium og Proton, Energier 4,0 MeV), Deuterium + Deuterium (Helium-3 og Neutron, 3,3 MeV), Deuterium + Tritium (Helium- 4 og neutron, 17,6 meV) og deuterium + Helium-3 (Helium-4 og Proton, 18,2 MeV). Den første og anden reaktion går parallelt med samme sandsynlighed. Det resulterende tritium og helium-3 "Burn" i den tredje og fjerde reaktion

Igor Egorov.

Den vigtigste kilde til energi til menneskeheden er i øjeblikket brændende kul, olie og gas. Men deres reserver er begrænsede, og forbrændingsprodukter forurener miljøet. Kulkraftstationen giver flere radioaktive emissioner end NPP af samme strøm! Så hvorfor har vi stadig ikke skiftet til atomkilder? Der er mange grunde til dette, men den vigtigste er for nylig blevet radio loppephobi. På trods af at kulkraftværket selv ved regelmæssigt arbejde skader sundheden for et meget større antal mennesker end nødemissioner på atomkraftværker, gør det det roligt og ubemærket for offentligheden. Ulykker på NPP bliver straks de vigtigste nyheder i medierne, hvilket forårsager en fælles panik (ofte helt urimeligt). Dette betyder imidlertid ikke, at atomkraft ikke har nogen objektive problemer. Mange besvær leverer radioaktivt affald: Teknologier til at arbejde med dem er stadig ekstremt dyre, og før den ideelle situation, når de alle bliver fuldt genbrugt og brugt langt væk.

Af alle termonukleare reaktioner i den nærmeste fremtid er kun fire interessante: Deuterium + Deuterium (Produkter - Tritium og Proton, Energic 4,0 MeV), Deuterium + Deuterium (Helium-3 og Neutron, 3,3 MeV), Deuterium + Tritium (Helium -4 og neutron, 17,6 meV) og deuterium + Helium-3 (Helium-4 og Proton, 18,2 MeV). Den første og anden reaktion går parallelt med samme sandsynlighed. De tre og fjerde reaktioner dannede tritium og helium-3 er "brændt" i den tredje og fjerde reaktion.

Fra division til syntese

Potentielt løse disse problemer tillader overgangen fra fissionsreaktorer til syntesereaktorer. Hvis en typisk divisionsreaktor indeholder snesevis af tons af radioaktivt brændsel, som omdannes til snesevis af tonsvis af radioaktivt affald, der indeholder en bred vifte af radioaktive isotoper, bruger synteseaktoren kun hundredvis af gram, maksimalt et kilo, en radioaktivt hydrogenisotop - Tritium. Desuden kræver reaktionen en ubetydelig mængde af denne mindst farlige radioaktive isotop, dens produktion er også planlagt direkte på kraftværket for at minimere de risici, der er forbundet med transport. Produkter af syntese er stabile (ikke-radioaktive) og ikke-toksisk hydrogen og helium. Derudover stopper den termonukleære reaktion i modsætning til fissionsreaktionen under destruktionen af \u200b\u200banlægget øjeblikkeligt uden at skabe farerne ved den termiske eksplosion. Så hvorfor er ikke et enkeltvirkende termonuklear kraftværk, der stadig ikke er bygget? Årsagen er, at mangler uundgåeligt strømme ud af de angivne fordele: Oprettelsen af \u200b\u200bsyntesens betingelser viste sig at være meget vanskeligere end forventet i begyndelsen.

Kriterier Louuson.

For at den termonukleære reaktion skal være energisk fordelagtig, er det nødvendigt at tilvejebringe en tilstrækkelig høj temperatur af termonukleart brændsel, dets høje tæthed og tilstrækkeligt små energitab. Sidstnævnte er numerisk karakteriseret af den såkaldte "retentionstid", som er lig med forholdet mellem varmeenergiplasmaet og strømmen af \u200b\u200benergitab (mange fejlagtigt tror på, at "fradragstid" er den tid, hvor varmt plasma er opretholdes i installationen). Ved temperaturen af \u200b\u200ben blanding af deuterium og tritium, svarende til 10 keV (ca. 110.000.000 grader), skal vi opnå et produkt af antallet af brændstofpartikler i 1 cm3 (dvs. plasmakoncentrationer) på tidspunktet for holdet (i sekunder ) Mindst 10 14. Samtidig er det ligegyldigt, om vi har et plasma med en koncentration på 1014 cm -3 og fradragstid 1 C eller et plasma med en koncentration på 10 23 og holdetiden på 1 ns. Dette kriterium kaldes "Louuson-kriteriet".
Ud over kriteriet for Louuson, som er ansvarlig for at opnå en energisk fordelagtig reaktion, er der et andet plasma-tændingskriterium, som for deuterium-tritiumreaktionen er ca. tre gange mere af Louuson-kriteriet. "Tænding" betyder, at andelen af \u200b\u200btermonuklear energi, som forbliver i plasmaet, vil være nok til at opretholde den ønskede temperatur, og den yderligere opvarmning af plasmaet er ikke længere påkrævet.

Z-pinch.

Den første indretning, hvori den var planlagt for at opnå en kontrolleret termonuklear reaktion, var den såkaldte Z-knip. Denne indstilling i det enkleste tilfælde består af alle de to elektroder, der har et deuterium (hydrogen-2) miljø eller en blanding af deuterium og tritium, og batterierne af højspændingsimpondens kondensatorer. Ved første øjekast ser det ud til, at det giver dig mulighed for at få et komprimeret plasma, opvarmet til en stor temperatur: præcis, hvad der er nødvendigt for termonuklear reaktion! Men alt viste sig i livet, Alas, langt fra så rosenrødt. Plasma seleen viste sig for at være ustabil: dens mindste bøjning fører til en stigning i magnetfeltet på den ene side og løsner på den anden, de nye kræfter øger bøjningen af \u200b\u200bselen - og hele plasmaet "falder ud" på siden Kammerets væg. Seleen er ustabil ikke kun for bøjningen, den mindste tyndere vil føre til en stigning i denne del af magnetfeltet, som yderligere komprimerer plasmaet, der klemmer det ind i det resterende volumen af \u200b\u200bselen, indtil selen er endelig "transmitteret". Den overførte del har en høj elektrisk modstand, således at strømmen er brudt, forsvinder det magnetiske felt, og hele plasmaet er forsynet.

Princippet om Z-Pinch-operationen er enkel: Den elektriske strøm genererer et ringformet magnetfelt, der interagerer med samme strøm og komprimerer det. Som følge heraf er tætheden og plasmaetemperaturen, gennem hvilken de nuværende strømmer stiger.

Stabiliser Plasma-selen var i stand til at pålægge et kraftigt eksternt magnetfelt på det, parallelt med det og placere i et tykt ledende hus (når plasmaet bevæges, bevæges magnetfeltet, hvilket inducerer en elektrisk strøm i huset, stræben at returnere plasmaet til stedet). Plasmaet ophørte med at blive krøllet og udfordret, men før den termonukleære reaktion i nogen alvorlig skala var stadig langt: Plasmaet vedrører elektroderne og giver dem deres varme.

Moderne arbejde inden for syntese på Z-pince tyder på et andet princip om at skabe termonukleært plasma: Strømmen strømmer gennem wolframplasmarøret, hvilket skaber kraftig røntgen, komprimering og opvarmningskapsel med termonukleært brændstof inde i plasmrarøret, ligesom det sker i termonuklear bombe. Disse værker har imidlertid en rent forskningsmæssig natur (mekanismerne for driften af \u200b\u200batomvåben studeres), og frigivelsen af \u200b\u200benergi i denne proces er stadig millioner af gange mindre end forbruget.

Jo mindre forholdet mellem den store radius af Tormaque Torus (afstande fra midten af \u200b\u200bhele torusen til midten af \u200b\u200btværsnittet af dets rør) til det lille (rør tværsnit), desto større er plasmakonstrykket på samme magnetisk Mark. Reduceret dette forhold, forskere flyttede fra det runde tværsnit af plasmaet og vakuumkammeret til D-formet (i dette tilfælde, at en lille radiuss rolle udfører halvdelen af \u200b\u200bsektionens højde). Alle moderne Tokamaks har form af sektion, der er. Den ultimative sag var den såkaldte "sfæriske tokamak". I sådanne tokamakker har vakuumkammeret og plasmaet næsten sfærisk form, med undtagelse af en smal kanal, der forbinder sfærens poler. Kæmper udføres af magnetiske spoler. Den første sfæriske TOKAMAK, START, syntes kun i 1991, så det er en temmelig ung retning, men det har allerede vist muligheden for at få det samme plasma-tryk med et mindre magnetfelt.

Procoscotron, Stellarator, TOKAMAK

En anden mulighed for at skabe de nødvendige betingelser for reaktionen er de såkaldte åbne magnetiske fælder. Den mest berømte af dem er "Proboscotron": et rør med et langsgående magnetfelt, som forbedres ved dets ender og svækker i midten. Feltet forstørret i enderne skaber en "magnetisk kork" (hvorfra det russiske navn) eller "magnetisk spejl" (engelsk-spejlmaskine), som holder plasmaet fra installationen af \u200b\u200binstallationen gennem enderne. Et sådant fradrag er imidlertid ufuldstændigt, nogle af de ladede partikler, der bevæger sig i henhold til visse baner, viser det sig at kunne gennemgå disse trafikpropper. Og som følge af sammenstødene vil enhver partikel hurtigere eller senere falde på en sådan bane. Derudover var plasmaet i proboscotronen også ustabil: Hvis en lille plasmaafsnit fjernes fra installationsaksen, er der kræfter, der udsender et plasma på kammervæggen. Selv om den grundlæggende ide om proboscotron blev signifikant forbedret (hvilket gjorde det muligt at reducere både plasma ustabiliteten og permeabiliteten af \u200b\u200bpropperne), blev det i praksis ikke engang nærmer sig.

Er det muligt, at plasmaet ikke går igennem "trafikpropper"? Det ser ud til, en åbenbar beslutning - at sammenbruge plasmaet i ringen. Men så er magnetfeltet inde i ringen stærkere end udenfor, og plasmaet har igen tendens til at forlade kameravuren. Vejen ud af denne vanskelige situation syntes også helt indlysende: i stedet for ringen for at lave en "otte", så på et stykke af partiklen vil blive fjernet fra installationsaksen, og på den anden er det at vende tilbage baglæns. Sådan kom forskerne til ideen om den første rallar. Men sådan "otte" kan ikke laves i samme plan, så jeg måtte bruge den tredje dimension, bøjning af magnetfeltet i den anden retning, som også førte til gradvis pleje af partiklerne fra aksen til kammervæggen.

Situationen har ændret sig dramatisk med oprettelsen af \u200b\u200bTOKAMAK-typeindstillinger. Resultaterne opnået på T-3 Tokamak i anden halvdel af 1960'erne var så svimlende for det tidspunkt, hvor vestlige forskere kom til Sovjetunionen med deres måleudstyr for at sikre, at plasmaparametrene alene. Virkeligheden overgik selv deres forventninger.

Disse fantastisk snoet rør er ikke et kunstprojekt, men stellaratorens kammer er buet i form af en kompleks tredimensionel kurve.

I hænderne på inerti

Ud over magnetisk retention er der en fundamentalt forskellig tilgang til termonukleær syntese - inertiel retention. Hvis vi i det første tilfælde forsøger at holde en meget lav koncentrationsplasma i lang tid (koncentrationen af \u200b\u200bmolekyler i luften omkring dig, er hundredtusindvis af gange mere), så i den anden - komprimere plasmaet til en stor tæthed, En størrelsesorden højere end densiteten af \u200b\u200bde mest tungmetaller, der beregner, at reaktionen vil være på tide at gå igennem den korte tid, indtil plasmaet har tid til at flyve fra hinanden.

I begyndelsen af \u200b\u200b1960'erne var det planlagt at anvende en lille kugle af frosset termonukleart brændsel, jævnt bestrålet fra alle sider af en flerhed af laserstråler. Overfladen af \u200b\u200bbolden var at øjeblikkeligt fordampe og jævnt ekspanderende i alle retninger, klemme og opvarme den resterende del af brændstoffet. I praksis var bestrålingen imidlertid ikke ensartet nok. Derudover blev en del af strålingsenergien transmitteret til de indre lag, hvilket fik dem til at blive opvarmet, hvilken kompliceret kompression. Som følge heraf knyttede bolden ujævnt og svagt.

Der er en række moderne konfigurationer af Rallar, og de er alle tæt på Torah. En af de mest almindelige konfigurationer involverer brugen af \u200b\u200bspoler svarende til spolerne af det poloidale felt af tokamaks, og fire-seks-snoet skruer omkring ledningsrumkammeret med en multidirektionsstrøm. Det komplekse magnetfelt, der er skabt med dette, tillader pålideligt at holde plasmaet uden at kræve strømmen af \u200b\u200bden ringformede elektriske strøm. Derudover kan spolerne af et toroidalt felt anvendes i rallaratorerne, som TOKAMAKS. Og skrueledningerne kan være fraværende, men derefter er spolerne af "toroidal" -feltet installeret langs en kompleks tredimensionel kurve. Nylige udviklinger inden for rallaratorer indebærer anvendelse af magnetiske spoler og et vakuumkammer med en meget kompleks form (stærkt "krøllet" torus) beregnet på computeren.

Problemet med ujævnhed blev løst ved væsentligt at ændre konstruktionen af \u200b\u200bmålet. Nu er bolden placeret inde i et specielt lille metalkammer (det hedder "Holraum", fra det. Hohlraum - hulrum) med huller, gennem hvilke laserstråler falder inde. Derudover anvendes krystaller, som konverterer laserstråling af IR-rækken i ultraviolet. Denne UV-stråling absorberes af det fineste lag af Holraum-materialet, som samtidig opvarmer op til en stor temperatur og udstråler inden for blød røntgenstråle. Til gengæld absorberes røntgenstråling af det fineste lag på overfladen af \u200b\u200bbrændstofkapslen (brændstofpære). Det gjorde det muligt at løse problemet med for tidlig opvarmning af de indre lag.

Magten af \u200b\u200blasere var imidlertid utilstrækkelig til at sikre, at en mærkbar del af brændstoffet kan komme til reaktionen. Derudover var lasers effektivitet ret lille, kun ca. 1%. For at syntesen skal være energisk fordelagtig med sådanne lave DGD-lasere, skal næsten alt komprimeret brændstof reagere. Når man forsøger at udskifte lasere til lys eller tunge ioner, som kan genereres fra meget mere effektivitet, stødte forskere også mange problemer: Lyserne er afstødt fra hinanden, hvilket forhindrer dem i at fokusere, og hæmmes i kollisioner med resterende gas I kammeret, og acceleratorer kunne tunge ioner med de ønskede parametre ikke oprettes.

Magnetiske perspektiver.

De fleste forhåbninger på området for termonuklear energi er nu forbundet med TOKAMAKS. Især efter åbningen af \u200b\u200bdem med forbedret retention. TOKAMAK'en er samtidigt og foldet ind i Z-Pin-ringen (plasma flyder ringen elektrisk strøm, der skaber det magnetiske felt, der kræves til dets retention), og sekvensen af \u200b\u200bprøveudtagere indsamlet i ringen og skaber et "bølgepapet" toroidalt magnetfelt. Derudover er det toroide felt af spoler og plasmakortfeltet overlejret af det vinkelrette plan af Torah-feltet, der er skabt af flere separate spoler. Dette er et yderligere felt kaldet poloidalt, forbedrer det magnetiske felt af plasmastrøm (også poloidalt) fra toraens yderside og svækker den indefra. Således er det totale magnetfelt fra alle sider af plasmabøjlen lige, og dens position forbliver stabil. Ændring af dette ekstra felt kan du flytte plasmakorten i vakuumkammeret inden for visse grænser.

En fundamentalt anderledes tilgang til syntese tilbyder et koncept for muon katalyse. Muon er en ustabil elementær partikel med samme ladning som en elektron, men 207 gange en stor masse. Muon kan erstatte elektronen i hydrogenatomet, mens atatens størrelse falder 207 gange. Dette gør det muligt for en hydrogenkernel at nærme sig en anden uden at bruge energi. Men ca. 10 GEV af energi bruges til at modtage en muon, hvilket betyder, at behovet for at producere flere tusind syntese reaktioner til en muison for at opnå energi gavnlig. På grund af muligheden for at "stikke" af muon til helium dannet i reaktionen var det endnu ikke muligt at opnå mere end et par hundrede reaktioner. På billedet - Montering af Weddlestein Z-X Plasma Plasma Institute of Plasma Plasma Institute.

Et vigtigt problem med Tokamakov i lang tid var at skabe en ringformet strøm i plasmaet. For at gøre dette blev det magnetiske kredsløb, hvori den magnetiske strømning, der blev ændret kontinuerligt gennem det centrale hul i TOKAMAK TOKAMAK. Ændringen i den magnetiske flux skaber et vortex elektrisk felt, der ioniserer gas i et vakuumkammer og understøtter strøm i det resulterende plasma. Plasmastrømmen skal dog opretholdes kontinuerligt, hvilket betyder, at magnetstrømmen skal ændres kontinuerligt i en retning. Dette er selvfølgelig umuligt, så den nuværende i Tokamaks lykkedes at opretholde kun en begrænset periode (fra fraktionen af \u200b\u200bet sekund til flere sekunder). Heldigvis blev den såkaldte bootstart-strøm opdaget, som forekommer i et plasma uden et eksternt hvirvelfelt. Derudover blev plasmaopvarmningsmetoder udviklet, samtidig med at den krævede ringformet strøm. Sammen gav dette en potentiel mulighed for, hvor meget langsigtet vedligeholdelse af varmt plasma. I praksis tilhører posten i øjeblikket Tore Supra Tokamak, hvor plasmaet kontinuerligt "brændte" i mere end seks minutter.

Den anden type plasmabehandlingsfaciliteter, som høje forhåbninger er forbundet, er rallaratorer. I løbet af de sidste årtier har designen af \u200b\u200bRallar ændret sig dramatisk. Fra den oprindelige "otte" næsten ingenting tilbage, og disse installationer blev meget tættere på tokamaks. Selvom tidspunktet for at holde rallaratorerne er mindre end Tokamaks (på grund af mindre effektiv H-Fashion), og omkostningerne ved deres konstruktion er højere, er plasmaadfærd i dem mere afslappet, hvilket betyder en højere ressource af første indre væg af vakuumkammeret. Til kommerciel udvikling af termonukleær syntese er denne faktor meget vigtig.

Vælg reaktion

Ved første øjekast er det den mest logiske at bruge ren deuterium i den mest logiske at bruge: Det er relativt billigt og sikkert. Imidlertid reagerer deuterium med deuterium på hundrede gange mindre ivrig end med tritium. Dette betyder, at der til drift af reaktoren på blandingen af \u200b\u200bdeuterium og tritium er en temperatur på 10 keV til drift, og der kræves mere end 50 keV temperaturer i rent deuterium. Og jo højere temperaturen - jo højere tab af energi. Derfor planlægges i det mindste første gang termonukleær energi til at blive bygget på deuterium-tritiumbrændstof. Tritium vil blive udviklet i reaktoren selv på grund af bestråling af lithium hurtige neutroner dannet i den.
"Forkerte" neutroner. I kultfilmen "9 dage af et år", modtog hovedpersonen, der arbejder på termonukleært anlæg, en alvorlig dosis neutronbestråling. Det viste sig imidlertid, at neutroner blev født, ikke som et resultat af synteseaktionen. Dette er ikke en instruktørs fiktion, men en reel effekt observeret i Z-pinch. På tidspunktet for den elektriske strømafbrydelse fører plasmaets induktans til dannelsen af \u200b\u200benorme spændinger - millioner af volt. Separate hydrogenioner, accelerere på dette felt, er i stand til bogstaveligt talt at slå ud neutroner fra elektroderne. I det første blev dette fænomen faktisk taget til det rigtige tegn på strømmen af \u200b\u200btermonuklear reaktion, men den efterfølgende analyse af neutron-energispektret viste, at de har forskellige oprindelser.
Forbedret retentionstilstand. H-Fashion Tokamaka er en sådan tilstand af sit arbejde, når den med høj effekt af yderligere opvarmning tabet af energi plasma falder kraftigt. Tilfældig opdagelse I 1982 er regimet med forbedret tilbageholdelse ikke ringere end opfindelsen af \u200b\u200bTOKAMAK selv. Der er ingen generelt accepteret teori om dette fænomen endnu, men det forhindrer ikke dette i praksis i praksis. Alle moderne TOKAMAKS arbejder i denne tilstand, da det reducerer tabet af mere end to gange. Derefter blev der fundet en lignende tilstand på rallaratorer, hvilket indikerer, at dette er den samlede egenskab af toroidale systemer, men retentionen forbedres kun med ca. 30%.
Plasma opvarmning. Der er tre grundlæggende plasmaopvarmningsmetode til termonukleær temperatur. Ohmisk opvarmning er plasmaopvarmning på grund af elektrisk strøm gennem den. Denne metode er mest effektiv i de første faser, da der med den stigende temperatur af plasmaet reduceres elektrisk modstand. Elektromagnetisk opvarmning bruger elektromagnetiske bølger med en frekvens, der falder sammen med hyppigheden af \u200b\u200brotation omkring de magnetiske kraftledninger af elektroner eller ioner. Ved injektion af hurtige neutrale atomer skabes en strøm af negative ioner, som derefter neutraliseres, drejer til neutrale atomer, der kan passere gennem magnetfeltet til plasmacenteret for at transmittere dets energi der.
Gør denne reaktor? Trithium radioaktive og kraftfulde neutronbestråling fra D-T reaktion skaber induceret radioaktivitet i elementerne i reaktor design. Du skal bruge robotter, som komplicerer arbejdet. Samtidig er opførelsen af \u200b\u200bplasma af almindeligt hydrogen eller deuterium meget tæt på plasmaadfærd fra en blanding af deuterium og tritium. Dette førte til, at i hele historien var kun to termonukleære installationer fuldt ud arbejdet på en blanding af deuterium og tritium: TFTR og Jet Tokamaki. På de andre installationer anvendes selv deuterium ikke altid. Så navnet "Termonuklear" i definitionen af \u200b\u200binstallationen betyder ikke, at termonukleære reaktioner nogensinde faktisk opstod i den (og i dem, hvor de forekommer næsten altid, bruger rent deuterium).
Hybridreaktor. D-T reaktionen giver anledning til 14 Mev neutroner, som endog udarmet uran kan dele. Opdelingen af \u200b\u200ben kerne af uran ledsages af tildelingen af \u200b\u200bca. 200 meV af energien, hvilket er ti gange mere end en gang overstiger den energi, der frigives under syntesen. Så allerede eksisterende Tokamaks kunne blive energisk gavnligt, hvis de var omgivet af en uranskal. Før fissionsreaktorer ville sådanne hybridreaktorer have en fordel i umuligheden af \u200b\u200bat udvikle en uhåndteret kædereaktion i dem. Derudover bør ekstremt intensive neutronfluxer behandle langlivede uranafdelingsprodukter i kortvarig, hvilket væsentligt reducerer problemet med bortskaffelse af affald.

InertialhooDe.

Inertial syntese står også ikke stille. For snesevis af års udvikling af laserteknologi er der opstået udsigter for at øge effektiviteten af \u200b\u200blasere omkring ti gange. Og deres magt i praksis lykkedes at øge hundreder og tusindvis af gange. Arbejdet er i gang over tunge ionacceleratorer med parametre, der er egnede til termonuklear anvendelse. Desuden var begrebet "hurtig tænding" den vigtigste faktor i fremskridt inden for inertialsyntese. Det indebærer brugen af \u200b\u200bto pulser: et klemmer termonukleært brændstof, og den anden opvarmer det med en lille del. Det antages, at reaktionen startede i en lille del af brændstoffet efterfølgende spredes yderligere og dækker alt brændstof. Denne tilgang gør det muligt at reducere energikostnaderne betydeligt og derfor foretage en reaktion, der er gunstig med en mindre andel af reageret brændstof.

TOKAMAKOV PROBLEMER.

På trods af fremskridtene i anlæggene af andre typer er TOKAMAKS i øjeblikket stadig ude af konkurrence: Hvis på to Tokamaks (TEFTR og JET) i 1990'erne blev frigivelsen af \u200b\u200btermonuklear energi faktisk opnået, omtrent lig med omkostningerne ved energi til opvarmning Plasma (lad en sådan tilstand og den varede kun omkring et sekund), så ved installationerne af andre typer, der ikke lykkedes det, at det ikke lykkedes. Selv en simpel stigning i tokamaks størrelse vil tage i muligheden for energisk fordelagtig syntese. Nu i Frankrig bliver den internationale ITER-reaktor bygget, hvilket skal demonstrere den i praksis.

Der er dog nok problemer i Tokamakov. Iter værd at milliarder af dollars, som er uacceptabelt for fremtidige kommercielle reaktorer. Ingen reaktor arbejdede kontinuerligt i endnu flere timer, for ikke at nævne uger og måneder, at det igen er nødvendigt til industriel brug. Hidtil er der ingen tillid til, at materialerne i vakuumkammerets indre væg vil være i stand til at modstå de langsigtede virkninger af plasmaet.

Lav et projekt mindre dyrt kan begrebet TOKAMAK med et stærkt felt. Ved at øge feltet er der to til tre gange planlagt at opnå de ønskede plasmaparametre i en relativt lille installation. På et sådant koncept blev tændingsreaktoren grundlagt, som sammen med italienske kolleger nu begynder at bygge i Trinity nær Moskva (Trinity Institute of Innovative and Thermonuclear Studies). Hvis beregningerne af ingeniørerne er berettiget, så med mange gange mindre i forhold til ITER-priserne i denne reaktor vil kunne få tændingen af \u200b\u200bplasmaet.

Frem til stjernerne!

Produkterne af termonuklear reaktion spildes i forskellige retninger med hastigheder, der udgør tusind kilometer pr. Sekund. Dette gør det muligt at skabe supereffektive raketmotorer. Den specifikke impuls vil være højere end den bedste elektriske proaktive motorer, og energiforbruget kan endda være negativt (teoretisk set er produktionen mulig, snarere end energiforbrug). Desuden er der al mulig grund til at tro på, at den termonukleære missilmotor vil endnu nemmere end jorden reaktor: Der er ikke noget problem med oprettelsen af \u200b\u200bet vakuum, med termisk isolering af superledende magneter, der er ingen begrænsninger på dimensioner mv. Derudover , produktionen af \u200b\u200belmotoren er ønskelig, men det er ikke nødvendigvis nødvendigt nok, så det ikke spiser det for meget.

Elektrostatisk retention

Begrebet elektrostatisk fradrag af ioner er nemmest at forstå på et eksempel på en installation kaldet "Fuss". Dens base er en sfærisk maskeelektrode, hvortil negativt potentiale leveres. Accelereret i en separat accelerator eller feltet af de mest centrale elektrodeioner falder inde i det og holder der med et elektrostatisk felt: Hvis ionen søger at flyve ud, bliver elektrodens felt det tilbage. Ak, sandsynligheden for kollisionen af \u200b\u200bion med et gitter for mange ordrer er højere end sandsynligheden for at komme ind i reaktionen af \u200b\u200bsyntesen, hvilket gør en energisk fordelagtig reaktion umulig. Sådanne installationer blev kun brugt som kilder til neutroner.
I et forsøg på at gøre en sensationel opdagelse søger mange forskere at se syntesen overalt, hvor du kun kan. I pressen har meddelelser gentagne gange opstået om forskellige muligheder for den såkaldte "kolde syntese". Syntesen blev fundet i "imprægneret" af deuterium af metaller, når den elektriske strøm strømmer gennem dem, med elektrolysen af \u200b\u200bde deuteriummættede væsker under dannelsen af \u200b\u200bkavitationsbobler såvel som i andre tilfælde. Imidlertid havde de fleste af disse eksperimenter ikke tilfredsstillende reproducerbarhed i andre laboratorier, og deres resultater kan næsten altid forklares uden brug af syntese.
Fortsætter den "strålende tradition", som begyndte med den "filosofiske sten", og derefter drejer sig til den "evige motor", giver mange moderne svindlere dem nu at købe "Cold Syntheshese Generator", "Cavitational Reactor" og andre "bedst krævende Generatorer ": Om filosofisk Stenen var alle allerede glemt, de tror ikke på den evige motor, men atomsyntese lyder nu ret overbevisende. Men desværre eksisterer sådanne energikilder endnu ikke (og når de er i stand til at skabe, vil det være i alle nyhedsudgivelser). Så ved du: Hvis du bliver tilbudt at købe en enhed, der genererer energi på bekostning af kold nuklear syntese, så forsøger du simpelthen at "blæse"!

Ifølge foreløbige skøn, selv på det moderne teknologiske niveau er det muligt at skabe en termonuklear missilmotor til flyvning til solsystemets planeter (med passende finansiering). Mastering af sådanne motorer i tens gange vil øge hastigheden af \u200b\u200bbemandet flyvninger og vil give mulighed for at have store backup brændstofreserver om bord, hvilket vil give dig mulighed for at flyve til Mars ikke vanskeligere end nu arbejde på ISS. For automatiske stationer vil hastigheden potentielt blive en overkommelig hastighed på 10% af lyshastigheden, hvilket betyder muligheden for at sende forskningsprober til de nærmeste stjerner og modtage videnskabelige data under deres skabere.

Den mest arbejdende overvejede i øjeblikket begrebet den termonukleære missilmotor baseret på inertiel syntese. Samtidig ligger forskellen mellem motoren fra reaktoren i magnetfeltet, som leder de ladede reaktionsprodukter i en retning. Den anden mulighed indebærer brug af en åben fælde, som med vilje svækkes af en af \u200b\u200btrafikpropper. Plasmaet udløber fra det vil skabe reaktiv kraft.

Termonukleær fremtid

Udviklingen af \u200b\u200btermonukleær syntese viste sig at være vanskeligere for mange størrelsesordener end det syntes i begyndelsen. Og selvom mange problemer allerede er blevet løst, er de resterende nok til de næste par årtier af det intense arbejde fra tusindvis af forskere og ingeniører. Men de udsigter, der åbner for os for at omdanne isotoperne af hydrogen og helium, så stor, og den sti, der er lavet, er allerede så vigtig, at den ikke giver mening at stoppe halvvejs. Uanset mange skeptikere taler, er fremtiden helt sikkert bag syntesen.

Atom er et bygningselement af universet. Der er kun omkring hundrede atomer af forskellige typer. De fleste elementer er stabile (for eksempel ilt og nitrogenatmosfære; Carbon, ilt og hydrogen er hovedkomponenterne i vores krop og alle andre levende organismer). Andre elementer er hovedsageligt meget tungt, ustabile, og det betyder, at de spontant desintegreres ved at generere andre elementer. Denne transformation kaldes en nuklear reaktion.

Kukleare reaktioner - transformationer af atomkerner, når de interagerer med elementære partikler, G-Quanta eller med hinanden.

Kernemaskiner er opdelt i to typer: nuklear division og termonukleær syntese.

Den nukleare fissionsreaktion er processen med at splitte the Atomic kernen af \u200b\u200bto (mindre ofte tre) kerner med tætte masser kaldet fragmenter af division. Som et resultat af opdeling kan andre reaktionsprodukter forekomme: lette kerner (hovedsageligt alfa partikler), neutroner og gamma quanta. Divisionen er spontan (spontan) og tvunget.

Spontan (spontan) er divisionen af \u200b\u200bkerner, i hvilken fremgangsmåde der er nogle tilstrækkeligt tung kerner, der blev desintegreret i to fragmenter med omtrent lige store masser.

Spontan division blev først opdaget for naturligt uran. Ligesom enhver anden type radioaktivt henfald er spontan division præget af en halveringstid (divisionsperiode). Halveringstiden for spontane division ændres til forskellige kerner i meget brede grænser (fra 1018 år for 93np237 til flere tiendedele af et sekund til transuranonelementer).

Den tvungen fordeling af kernerne kan skyldes nogen partikler: fotoner, neutroner, protoner, deuterer, B-partikler osv., Hvis den energi, de bidrager til kernen, er tilstrækkelig til at overvinde divisionsbarrieren. For atomenergi er divisionen forårsaget af neutron større betydning. Fissionsreaktionen af \u200b\u200btunge kerner blev fremstillet for første gang i uran U235. For at urankernen kan passe ind i to fragmenter, er aktiveringsenergien rapporteret til den. Denne energi af urankerne modtager, indfanger neutron. Kernen kommer til den ophidsede tilstand, deformeret, "jumperen" forekommer mellem kernens dele og under virkningen af \u200b\u200bafstødningens coulomnom, er kernen opdelt i to fragmenter af den ulige masse. Begge fragmenter af radioaktivt og udsender 2 eller 3 sekundær neutron.

Fig. fire.

Sekundære neutroner absorberes af de nærliggende urankerner, som forårsager deres division. Under passende betingelser kan der forekomme en selvudviklingsproces med massefordeling af kerner, kaldet en kæde atomraktion. Denne reaktion ledsages af udskillelse af kolossal energi. For eksempel tildeles med fuld forbrænding på 1 g uran, 8,28 · 1010 J Energi. Den nukleare reaktion er kendetegnet ved en termisk virkning, som repræsenterer forskellen i masser af hvilende den nukleare reaktion og dannet som et resultat af reaktionen af \u200b\u200bkernerne, dvs. Energieffekten af \u200b\u200ben nuklear reaktion bestemmes hovedsageligt af forskellen mellem de endelige og kilde kerner. Baseret på ækvivalensen af \u200b\u200benergi og masse er det muligt at beregne den energi, der udsendes eller bruges under strømmen af \u200b\u200ben nuklear reaktion, hvis du ved præcis massen af \u200b\u200balle kerner og partikler, der er involveret i reaktionen. Ifølge Einsteins lov:

• ? E \u003d? Mc2
• ? E \u003d (ma + mx - MB - My) C2

hvor MA og MX er masse, henholdsvis målkernen og den bombardende kerne (partikler);

mB og mine masser og dannet som følge af reaktionen af \u200b\u200bkernerne.

Jo mere energi frigives under dannelsen af \u200b\u200bkernen, jo mere stærkere. Kernekommunikationsenergien kaldes den mængde energi, der kræves til dekomponering af atomkernen til komponenterne - nukleoner (protoner og neutroner).

Et eksempel på en uhåndteret kædereaktion af opdeling kan være en eksplosion af en atombombe, en kontrolleret nuklear reaktion udføres i atomreaktorer.

Termonukleær syntese er reaktionen, den omvendte opdeling af atomer, fusionsreaktionen af \u200b\u200blungerne af atomkerner i tungere kerner, der forekommer ved ultrahøjtemperatur og ledsaget af frigivelsen af \u200b\u200benorme mængder energi. Gennemførelsen af \u200b\u200bden kontrollerede termonukleære syntese vil give menneskeheden en ny miljøvenlig og næsten uudtømmelig energikilde, som er baseret på kollisionen af \u200b\u200bhydrogenisotoperkerner, og hydrogen er det mest almindelige stof i universet.

Synteseprocessen kommer kun med en mærkbar intensitet mellem lette kerner med en lille positiv ladning og kun ved høje temperaturer, når den kinetiske energi hos de stødte kerner er tilstrækkelig til at overvinde Coulomb Potential Barrier. Med en uforlignelig går reaktionen mellem tunghydrogenisotoper (deuterium 2H og TIRITY 3H) dannelsen af \u200b\u200bstærkt tilsluttede kerner af helium.

2D + 3T\u003e 4HE (3,5 meV) + 1n (14,1,1 meV)

Disse reaktioner er af største interesse for problemet med kontrolleret termonukleær syntese. Deuterium er indeholdt i havvand. Dens reserver er offentligt tilgængelige og meget høje: Andelen af \u200b\u200bdeuterium tegner sig for ca. 0,016% af det samlede antal hydrogenatomer, der indgår i vandet, mens World Ocean dækker 71% af jordoverfladen. Svaret, der involverer tritium, er mere attraktivt, da det ledsages af en stor energifrigivelse og strømme med en betydelig hastighed. Trithium radioaktiv (halveringstid på 12,5 år) og forekommer ikke i naturen. For at sikre arbejdet i den tilsigtede termiske reaktor, der anvender som et nukleart brændsel tritium, bør muligheden for reproduktion af tritium tilvejebringes.

Reaktionen med den såkaldte månens isotop 3ne har en række fordele sammenlignet med den mest tilgængelige deuterium-tritiumreaktion på jordiske tilstande.

2D + 3HE\u003e 4HE (3,7 meV) + 1p (14,7 meV)

Fordele:

• 1. 3HE er ikke radioaktivt.
• 2. Tus af gange den nedre strøm af neutroner fra reaktionszonen, som skarpt reducerer den inducerede radioaktivitet og nedbrydning af reaktorens strukturelle materialer;
• 3. De resulterende protoner, i modsætning til neutroner, er let fanget og kan bruges til yderligere generering af elektricitet.

Naturlig isotopprævalens i 3He atmosfæren er 0,000137%. De fleste 3He på jorden forblev siden dens formation. Det opløses i mantlen og gradvist kommer ind i atmosfæren. På jorden er det mined i meget små mængder beregnet af flere snesevis af gram om året.

Helium-3 er et biprodukt af reaktioner, der strømmer ind i solen. Som følge heraf er dette værdifulde stof på Månen, som ikke har nogen atmosfære, op til 10 millioner tons (ved minimale estimater - 500 tusind tons). Med termonukleær syntese, når 1 ton af helium-3 med 0,67 tons deuterium kommer ind i reaktionen, frigives energien ækvivalent med forbrændingen af \u200b\u200b15 millioner tons olie (dog ikke den tekniske mulighed for denne reaktion ikke undersøges). Følgelig bør befolkningen i vores planet af Lunar Resource Helium-3 være nok til i det mindste det næste årtusind. Hovedproblemet forbliver virkeligheden af \u200b\u200bheliumproduktion fra månens jord. Indholdet af helium-3 i regolitten er ~ 1 g pr. 100 tons. Derfor bør mindst 100 millioner tons jord genanvendes for at producere tonsvis af denne isotop. Temperaturen, ved hvilken reaktionen af \u200b\u200bden termonukleære syntese er mulig, når værdien på ca. 108 - 109 K. Ved denne temperatur er stoffet i en fuldstændigt ioniseret tilstand, som kaldes plasma. Således antyder konstruktionen af \u200b\u200breaktoren: opnåelse af et plasma opvarmet til temperaturer i hundredvis af millioner af grader; Gemmer en plasmakonfiguration over tid til nukleare reaktioner.

Termonuklear energi har vigtige fordele i forhold til nukleare stationer: Den bruger absolut neradoaktivt deuterium og Helen-3 isotop og radioaktivt tritium, men i mængder af tusindvis af gange mindre end i atomkraft. Og i mulige nødsituationer vil en radioaktiv baggrund nær det termonukleare kraftværk ikke overstige naturlige indikatorer. Samtidig opnås enheden af \u200b\u200bvægten af \u200b\u200btermonukleart brændsel ca. 10 millioner gange mere energi end ved forbrænding af organisk brændstof og ca. 100 gange mere end når uran kernen opdeles. I naturlige forhold strømmer termonukleare reaktioner i stjernens dybder, især i solens indre regioner og tjener som en konstant energikilde, der bestemmer deres stråling. Forbrændingen af \u200b\u200bhydrogen i stjernerne er ved lav hastighed, men stjernens gigantiske størrelser og tæthed sikrer den løbende emission af enorme strøm af energi til milliarder år.

Alle kemiske elementer i vores planet og universet blev generelt dannet som et resultat af termonukleare reaktioner, der forekommer i stjernens kerner. Termonukleare reaktioner i stjernerne fører til en gradvis ændring i den kemiske sammensætning af stjernestoffet, hvilket medfører, at stjernens omstrukturering og dens forfremmelse langs den evolutionære vej. Den første fase af evolutionen slutter med udtømning af hydrogen i de centrale områder af stjernerne. Efter en stigning i temperaturen forårsaget af komprimeringen af \u200b\u200bde centrale lag af stjernen, uden energikilder, er de termiske sygdomsreaktioner af forbrænding af helium effektive, som erstattes af brænding C, O, SI og efterfølgende elementer - op til Fe og Ni. Hvert stadium af Star Evolution svarer til visse termonukleare reaktioner. Den første i kæden af \u200b\u200bsådanne nukleare reaktioner koster hydrogen termonukleære reaktioner. De lækker på to måder afhængigt af den oprindelige temperatur i midten af \u200b\u200bstjernen. Den første måde er hydrogencyklussen, den anden sti er CNO-cyklus.

Hydrogencyklus:

• 1H + 1H \u003d 2D + E + + V +1,44 MeV
• 2D + 1H \u003d 3HE + G +5.49 MEV

I: 3HE + 3HE \u003d 4HE + 21H + 12.86 MEV

eller 3HE + 4HE \u003d 7BE + G + 1,59 MEV

7BE + E- \u003d 7LI + V + 0,862 MEV OR 7BE + 1H \u003d 8B + G +0.137 MEV

II: 7LI + 1H \u003d 2 4HE + 17.348 MEV 8B \u003d 8BE * + E + + V + 15.08MEV

III. 8BE * \u003d 2 4HE + 2.99 MEV

Hydrogencyklussen begynder reaktionen af \u200b\u200bkollisionen af \u200b\u200bto protoner (1H eller P) for at danne deuteriumkernen (2D). Deuterium reagerer med en proton, der danner en lys (Lunar) isotop Helium 3ne med emission af gamma foton (g). Lunar isotop 3 kan reagere to forskellige måder: To kerner 3 gør med en kollisionsform 4 med spaltning af to protoner eller 3ne forbundet fra 4TU og giver 7W. Sidstnævnte fanger igen enten en elektron (E-) eller en proton, og en anden forgrening opstår protonprotonkæde af reaktioner. Som følge heraf kan hydrogencyklussen ende med tre forskellige måder I, II og III. At implementere grenen af \u200b\u200bde to første reaktioner på V. C. Skal udføres to gange, for i dette tilfælde forsvinder to kerner 3 ikke. I grene III udledes især energiske neutrinoer i nedbrydelsen af \u200b\u200bBorbon 8B-kernen med dannelsen af \u200b\u200ben ustabil beryllium-kernel i en ophidset tilstand (8W *), som næsten øjeblikkeligt desintegrerer i to kerner 4. CNO-cyklus er en kombination af tre klip med hinanden eller mere præcist, delvis overlappende cykler: CN, NO I, NO II. Syntesen af \u200b\u200bhelium fra hydrogen i reaktionerne fra denne cyklus fortsætter med deltagelse af katalysatorer, hvis rolle spilles af små urenheder af isotoperne C, N og O i det stellære stof.

Den vigtigste måde at reaktionskn-cyklus på:

• 12c + p \u003d 13n + g +1,95 meV
• 13N \u003d 13c + e + + n +1,37 meV
• 13C + P \u003d 14N + G +7.54 MEV (2,7 · 106 år)
• 14N + p \u003d 15o + G +7.29 MEV (3,2 · 108 år)
• 15o \u003d 15n + e + + n +2.76 MEV (82 sekunder)
• 15N + P \u003d 12C + 4HE +4.96 MEV (1,12 · 105 år)

Essensen af \u200b\u200bdenne cyklus består i en indirekte syntese af B-partikler på fire protoner i deres på hinanden følgende centre, der begynder med 12C.

I reaktionen med protonfangsten er kernen 15N et andet resultat - dannelsen af \u200b\u200bkernen 16O og den nye nej I-cyklus cyklus er født.

Det har nøjagtig samme struktur som CN-cyklus:

• 14N + 1H \u003d 15o + G +7.29 MeV
• 15o \u003d 15n + e + + n +2.76 meV
• 15N + 1H \u003d 16O + G +12.13 MeV
• 16o + 1H \u003d 17F + g +0.60 meV
• 17f \u003d 17o + e + + n +2.76 meV
• 17O + 1H \u003d 14N + 4HE +1.19 MEV

Ingen I-cyklus øger energifrigivelseshastigheden i CN-cyklen, hvilket øger antallet af CN-cykluskatalysatorer.

Den sidste reaktion af denne cyklus kan også have et andet udfald, der genererer en anden NO II-cyklus:

• 15N + 1H \u003d 16O + G +12.13 MeV
• 16o + 1H \u003d 17F + g +0.60 meV
• 17f \u003d 17o + e + + n +2.76 meV
• 17O + 1H \u003d 18F + G +5.61 MEV
• 18O + 1H \u003d 15N + 4HE +3, 98 MeV

Således danner CN, nej I og NO II cykler en tredobbelt CNO-cyklus.

Der er en anden meget langsom fjerde cyklus, af-cyklus, men dens rolle i udviklingen af \u200b\u200benergi er ubetydelig. Denne cyklus er imidlertid meget vigtig, når du forklarer 19F-oprindelse.

• 17O + 1H \u003d 18F + G + 5.61 MEV
• 18f \u003d 18o + E + + H + 1.656 MeV
• 18O + 1H \u003d 19F + G + 7.994 MEV
• 19F + 1H \u003d 16O + 4HE + 8.114 MEV
• 16o + 1H \u003d 17F + g + 0,60 meV
• 17f \u003d 17o + E + + H + 2,76 MeV

Med eksplosiv brænding af hydrogen i overfladelag af stjerner, for eksempel med udbrud af supernovae, kan meget høje temperaturer udvikle sig, og karakteren af \u200b\u200bCNO-cyklusen ændres dramatisk. Det bliver til den såkaldte varme CNO-cyklus, hvor reaktionerne går meget hurtigt og forvirrende.

Kemiske elementer er tungere end 4He begynder at syntetisere først efter den samlede udbrænding af hydrogen i stjernens centrale område:

4HE + 4HE + 4HE\u003e 12C + G + 7.367 MEV

Kulstofforbrændingsreaktioner:

• 12C + 12C \u003d 20NE + 4HE +4,617 MEV
• 12C + 12C \u003d 23NA + 1H -2.241 MeV
• 12C + 12C \u003d 23 mg + 1n +2.599 meV
• 23mg \u003d 23na + e + + n + 8, 51 meV
• 12C + 12C \u003d 24mg + g +13,933 MeV
• 12C + 12C \u003d 16O + 24HE -0,113 MeV
• 24mg + 1h \u003d 25al + g

Når en temperatur er nået 5 · 109 K i stjernerne under betingelser for termodynamisk ligevægt, strømmer en stor mængde forskellige reaktioner, som et resultat af hvilke atomkerne er dannet op til Fe og Ni.

Synteseaktionen er som følger: To eller flere atomkerner er taget, og med brugen af \u200b\u200ben eller anden kraft kommer nærmere så meget, at de kræfter, der virker ved sådanne afstande, råder over kræfterne i Coulomb-afstødningen mellem de samme ladede kerner som følge af som en ny kernen dannes. Det vil have en lidt mindre masse end summen af \u200b\u200bkildekernens masse, og forskellen bliver energi, som kendetegnes under reaktionsprocessen. Mængden af \u200b\u200bfrigivet energi beskriver den kendte formel E \u003d MC². Lysere atomkerner er lettere at reducere den ønskede afstand, så hydrogen er det mest almindelige element i universet - er den bedste brændbare for syntesereaktionen.

Det er blevet fastslået, at en blanding af to hydrogenisotoper, deuterium og tritium kræver mindre end energien til synteseaktionen sammenlignet med den energi, der er tildelt under reaktionen. Selv om en blanding af deuterium og tritium (D-T) er genstand for de fleste syntesestudier, er det under alle omstændigheder den eneste type potentielt brændstof. Andre blandinger kan være lettere i produktionen; Deres respons kan være mere pålideligt at overvåges, eller endnu vigtigere, producere mindre neutroner. Særlig interesse er forårsaget af de såkaldte "forestående" reaktioner, da den vellykkede industrielle anvendelse af et sådant brændstof vil betyde fraværet af langvarig radioaktiv forurening af materialer og reaktorens design, som igen kunne have en Positiv effekt på den offentlige mening og om reaktorens samlede omkostninger, reducerede omkostningerne væsentligt for dets nedlukning. Problemet forbliver, at synteseaktionen ved anvendelse af alternative brændstofarter er meget vanskeligere at opretholde, fordi D-T-reaktionen kun betragtes som det nødvendige første trin.

Deuterium-tritium reaktionsskema

Kontrolleret termonukleær syntese kan anvende forskellige typer af termonukleære reaktioner afhængigt af den anvendte brændstof.

Reaktion af deuterium + tritium (brændstof D-T)

Den nemmeste reaktion er deuterium + tritium:

2 H + 3 H \u003d 4 HE + N ved en energiudgang på 17,6 meV (megaelektronvolt)

Denne reaktion er mest let muligt ud fra moderne teknologier, giver en betydelig energiproduktion, brændstofkomponenter er billige. Manglen på udslip af uønsket neutronstråling.

To kerner: deuterium og tritiumfusion, med dannelsen af \u200b\u200bheliumkernen (alfa partikel) og høj energi neutron.

² + ³He \u003d 4 han +. Ved energiudgang 18,4 meV

Betingelserne for dets præstation er meget mere kompliceret. Helium-3 er desuden en sjælden og ekstremt dyr isotop. På en industriel skala er i øjeblikket ikke produceret. Det kan dog opnås fra tritium opnået igen atomkraftværker.

Kompleksiteten af \u200b\u200bimplementeringen af \u200b\u200bden termonukleære reaktion kan karakteriseres af trikkerheden af \u200b\u200bNTT (temperaturdensitet på fradragstidspunktet). Ifølge denne parameter er D-3He-reaktionen mere kompliceret end D-T.

Reaktion mellem deuteriumkerner (D-D, Monotocol)

Reaktionerne mellem deuteriumkerne er også mulige, de er lidt vanskeligere reaktion med Helium-3:

Som følge heraf forekommer det ud over hovedreaktionen i DD Plasma også:

Disse reaktioner strømmer langsomt parallelt med deuterium + helium-3-reaktionen, og tritium og helium-3 dannet under dem er højst sandsynligt at reagere straks med deuterium.

Andre typer af reaktioner

Nogle andre typer reaktioner er mulige. Valget af brændstof afhænger af mange faktorer - dets tilgængelighed og lave omkostninger, energiudgang, nem at opnå de betingelser, der kræves til reaktionen af \u200b\u200btermalidsyntesen (primært temperaturer), de nødvendige designkarakteristika for reaktoren og så videre.

"Immunitet" reaktioner

Den mest lovende t. N. "Immunerede" reaktioner, som neutronfluxen, der frembringes ved termonukleær syntese (for eksempel i deuterium-tritiumreaktionen), tager en signifikant del af kraften og genererer induceret radioaktivitet i reaktorens design. Deuterium-3-reaktionen er lovende, herunder på grund af manglen på neutronudgang.

Betingelser

Lithium-6 atomreaktion med deuterium 6 Li (D, α) a

TCB er muligt med samtidig udførelse af to kriterier:

• Plasma temperatur:

Style \u003d "Max-Width: 98%; Højde: Auto; Bredde: Auto;" SRC \u003d "/ Billeder / Wiki / Files / 101 / EA2CC6CFD93C3D519E815764DA74047A.png" Border \u003d "0"\u003e

• Overholdelse af Louuson-kriterierne:

Style \u003d "Max-Width: 98%; Højde: Auto; Bredde: Auto;" Src \u003d "/ billeder / wiki / files / 102 / Fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" Border \u003d "0"\u003e (for D-T reaktionen)

hvor - densiteten af \u200b\u200bhøj temperatur plasma, er tidspunktet for opbevaring af plasma i systemet.

Det er fra betydningen af \u200b\u200bdisse to kriterier, hastigheden for at flydende en bestemt termonuklear reaktion er hovedsagelig afhængig.

I øjeblikket er den kontrollerede termonukleære syntese endnu ikke udført i industriel skala. Opførelsen af \u200b\u200ben ITER International Research Reactor er i første fase.

Termonuklear magt og helium-3

Gely-3 reserver på jorden spænder fra 500 kg til 1 ton, men på månen er det i betydelig mængde: op til 10 millioner tons (ved minimale estimater - 500 tusind tons). I øjeblikket udføres den kontrollerede termonukleære reaktion ved syntetisering af deuterium ² og tritium 3H med frigivelsen af \u200b\u200bHelium-4 4 han og den "hurtige" neutron n:

Men den store del (mere end 80%) af de fremhævede kinetiske energi tegner sig for neutronen. Som et resultat af kollisioner af fragmenter med andre atomer omdannes denne energi til termisk. Derudover skaber hurtige neutroner en betydelig mængde radioaktivt affald. I modsætning hertil producerer syntesen af \u200b\u200bdeuterium og helium-3 ³He ikke (næsten) radioaktive produkter:

Hvor p-proton

Dette giver dig mulighed for at bruge enklere og effektive syntese kinetiske konverteringssystemer, såsom en magnetohydrodynamisk generator.

Reaktor designs.

To grundlæggende ordninger for udførelse af kontrolleret termonukleær syntese overvejes.

Undersøgelser af den første type termonukleære reaktorer er signifikant mere udviklet end den anden. I nukleare fysik, med forskning af termonukleær syntese, bruges en magnetfælde til at holde plasma i noget volumen. Den magnetiske fælde er designet til at holde plasmaet fra kontakt med elementerne i den termonukleære reaktor, dvs. Bruges primært som varmeisolatoren. Standardprincippet er baseret på interaktionen af \u200b\u200bladede partikler med et magnetfelt, nemlig på rotationen af \u200b\u200bde ladede partikler omkring magnetfeltlinjerne. Desværre er det magnetiserede plasma ikke særlig stabil og søger at forlade magnetfeltet. For at skabe en effektiv magnetfælde anvendes den højeste told elektromagnet, der forbruger en enorm mængde energi.

Det er muligt at reducere størrelsen af \u200b\u200bden termonukleære reaktor, hvis den anvendes samtidigt tre måder at skabe armonuklear reaktion på.

A. inertialsyntese. Sænk de små kapsler af deuterium-tritiumbrændstof med en laser med en kapacitet på 500 billioner watt: 5. 10 ^ 14 W. Denne kæmpe, en meget kortvarig laserpuls 10 ^ -8 C fører til en eksplosion af brændstofkapsler, som et resultat af hvilket en mini-stjerne er født i fraktionen af \u200b\u200bet sekund. Men termonuklear reaktion når ikke den.

B. Brug samtidig Z-maskine med TOKAMAC.

Z-maskinen virker på anden måde end laseren. Det passerer gennem nettet af de fineste ledninger omkring brændstofkapslen, ladningen af \u200b\u200bstrømmen i Otrillion Watt 5. 10 ^ 11 W.

Derudover forekommer det samme som med en laser: Som et resultat af Z-Impact viser det en stjerne. Under testene på Z-maskinen blev synteseaktionen allerede styret. http://www.sandia.gov/media/z290.htm.Kapsler dækker sølv og forbinder tråden af \u200b\u200bsølv eller grafit. Tændingsprocessen ser sådan ud: Skyd tråden (fastgjort til gruppen af \u200b\u200bsølvkugler, inde i hvilken en blanding af deuterium og tritium) i et vakuumkammer. For at danne med en nedbrydning (udledning) af en lynlås kanal til dem, leveres en plasmastrøm. Samtidig bestråling kapsler og plasma med laserstråling. Og på samme tid eller tidligere tændt TOKAMAK. Brug tre plasmaopvarmningsprocesser samtidigt. Det vil sige, sæt Z-maskinen og laseropvarmning sammen inde i TOKAMAK. Du kan oprette et oscillerende kredsløb fra TOKAMAK-spolerne og organisere resonansen. Så ville han arbejde i økonomisk oscillatorisk tilstand.

Brændstofcyklus

De første generationsreaktorer vil sandsynligvis arbejde på en blanding af deuterium og tritium. Neutroner, der vises i reaktionsprocessen, vil absorbere beskyttelse af reaktoren, og den frigivne varme vil blive anvendt til at opvarme kølemidlet i varmeveksleren, og denne energi vil igen blive brugt til at rotere generatoren.

. .

Reaktionen med Li6 er eksoterm, hvilket giver en lille energi til reaktoren. Reaktionen med LI7 er endotermisk - men forbruger ikke neutroner. I det mindste er nogle LI7-reaktioner nødvendige for at erstatte neutroner tabt i reaktion med andre elementer. De fleste reaktoredesigner bruger de naturlige blandinger af lithiumisotoper.

Dette brændstof har en række mangler:

Reaktionen frembringer en signifikant mængde neutroner, der aktiverer (radioaktivt inficeret) reaktor og varmeveksler. Begivenheder er også forpligtet til at beskytte mod den mulige kilde til radioaktivt tritium.

Kun ca. 20% af syntesenergien er i form af ladede partikler (resterende neutroner), som begrænser muligheden for direkte transformation af syntesenergi til elektricitet. Anvendelsen af \u200b\u200bD-T reaktion afhænger af de eksisterende lithiumreserver, som er signifikant mindre end deuteriumets reserver. Neutronbestråling Under DT-reaktionen er så signifikant, at den største reaktor, der i dag, der bruger dette brændstof, efter den første serie af test på jeten, er blevet så radioaktiv, at det var nødvendigt at tilføje et robot fjernbetjeningssystem for at fuldføre den årlige testcyklus.

Der er i teorien alternativt brændstof, der fratages disse mangler. Men deres brug hindrer den grundlæggende fysiske begrænsning. For at opnå en tilstrækkelig mængde energi fra synteseaktionen er det nødvendigt at bevare et tilstrækkeligt tæt plasma ved en syntesetemperatur (10 8 K) i en vis tid. Dette grundlæggende aspekt af syntesen er beskrevet ved fremstilling af plasma-betegnelse, N, på tidspunktet for opvarmet plasma τ, som er nødvendig for at opnå et ligevægtspunkt. Produktet, nτ, afhænger af typen af \u200b\u200bbrændstof og er funktionen af \u200b\u200bplasma temperatur. Af alle brændstofarter kræver den deuterium-tritiumblanding den laveste værdi af Nτ i det mindste en størrelsesorden, og den laveste reaktionstemperatur er mindst 5 gange. D-T reaktionen er således det nødvendige første skridt, men brugen af \u200b\u200bandre brændstofarter forbliver et vigtigt mål for forskning.

Reaktion af syntese som en industriel kilde til elektricitet

Syntesenergien betragtes af mange forskere som en "naturlig" energikilde i det lange løb. Tilhængere af den kommercielle anvendelse af termonukleære reaktorer til produktion af elektricitet fører følgende argumenter til fordel for

• Næsten uudtømmelige brændstofreserver (hydrogen)
• Brændstof kan udvindes fra havvand på enhver kyst af verden, hvilket gør det umuligt at monopolisere et brændstof en eller gruppe af lande
• Umuligheden af \u200b\u200bukontrollabel synteseaktion
• Manglende forbrændingsprodukter
• Du behøver ikke bruge materialer, der kan bruges til at producere atomvåben, og dermed elimineres tilfælde af sabotage og terrorisme
• Sammenlignet med atomreaktorer produceres en lille mængde radioaktivt affald med en kort halveringstid.
• Det anslås, at timble, fyldt med deuterium, producerer energi svarende til 20 tons kul. Søen på mellemstørrelsen er i stand til at levere ethvert land af energi i hundreder af år. Det skal dog bemærkes, at eksisterende forskningsreaktorer er designet til at opnå en reaktion på direkte deuterium-tritium (DT), hvis brændselscyklus kræver brug af lithium til fremstilling af tritium, mens udsagnene om, at energibesparelsen betyder, at energien vedrører anvendelse af deuterium-deuterium (DD) reaktion i anden generation af reaktorer.
• Ligesom divisionsreaktionen frembringer synteseaktionen ikke atmosfæriske emissioner af kuldioxid, hvilket er hovedbidraget til global opvarmning. Dette er en væsentlig fordel, da brugen af \u200b\u200bbrændbare fossiler til produktion af elektricitet har sin konsekvens, at for eksempel 29 kg CO 2 (en af \u200b\u200bhovedgasserne kan anses for at være årsagen til global opvarmning) pr. Resident af USA om dagen.

Omkostninger ved elektricitet i forhold til traditionelle kilder

Kritikere viser, at spørgsmålet om den økonomiske gennemførlighed af at bruge nuklear syntese til produktion af elektricitet forbliver åben. I samme undersøgelse bestilt i retten til det britiske parlaments videnskab og teknologi er det angivet, at omkostningerne ved elproduktion ved hjælp af den termonukleære reaktor sandsynligvis vil være på toppen af \u200b\u200bspektret af omkostningerne ved traditionelle energikilder. Meget vil afhænge af fremtidig teknologi, markedsstruktur og regulering. Udgifterne til elektricitet afhænger direkte af brugen af \u200b\u200bbrugen, varigheden af \u200b\u200budnyttelsen og omkostningerne ved nedbrydning af reaktoren. Kritikere til kommerciel brug af nuklearsyntesenergi nægter, at kulbrintebrændstof er væsentligt subsidieret af regeringen, både direkte og indirekte, for eksempel brugen af \u200b\u200bvæbnede styrker for at sikre deres uafbrudt forsyning, er krigen i Irak ofte givet som et tvetydigt eksempel på en sådan subsidieringsmetode. Regnskab for sådanne indirekte subsidier er meget vanskelig, og gør en nøjagtig sammenligning af omkostningerne næsten umuligt.

Separat er der et spørgsmål om forskningsomkostninger. Landene i Det Europæiske Fællesskab bruger ca. 200 mio. EUR årligt på forskning, og det forudsiges, at det tager i flere årtier, mens den industrielle anvendelse af nukleare syntese vil blive mulig. Tilhængere af alternative kilder til elektricitet mener, at det ville være mere hensigtsmæssigt at sende disse midler til indførelse af vedvarende energikilder.

Tilgængelighed af kommerciel energi af nuklear syntese

Desværre, på trods af den fælles optimisme (fælles siden 1950'erne, når de første studier begyndte), er betydelige hindringer mellem dagens forståelse af nukleare synteseprocesser, teknologiske evner og praktisk brug af nukleare syntese stadig ikke overvundet, er uklart, hvor meget der kan være økonomisk økonomisk Fordelagtig elproduktion ved anvendelse af termonukleær syntese. Selvom fremskridt i forskning er konstant, står forskerne stadig i nye problemer. Problemet er for eksempel udviklingen af \u200b\u200bet materiale, der er i stand til at modstå neutronbombning, hvilket anslås at være 100 gange mere intens end i traditionelle atomreaktorer.

Skelne mellem følgende faser i studier:

1.Equilibrium eller "Pass" -tilstand (Break-even): Når den samlede energi, der skiller sig ud i synteseprocessen, svarer til den samlede energi af udgifter til start og understøttelse af reaktionen. Dette forhold er markeret med et symbol Q. Reaktionsligevægten er blevet påvist på JET (Joint European Torus) i Storbritannien i 1997. (Efter at have brugt på sin opvarmning 52 MW elektricitet, modtog forskerne kraft med 0,2 MW over det brugte.)

2.Brændende plasma (BURNING PLASMA): Mellemliggende trin, hvor reaktionen hovedsagelig opretholdes af alfa-partikler, som fremstilles under reaktionsprocessen og ikke ekstern opvarmet. Q ≈ 5. Indtil nu er det ikke opnået.

3. Tænding (Tænding): Stabil respons, der understøtter sig selv. Det skal opnås ved store værdier af Q. Hidtil ikke opnået.

Det næste skridt i forskning bør være iter (international termonukleær eksperimentel reaktor), en international termonukleær eksperimentel reaktor. I denne reaktor er det planlagt at studere opførelsen af \u200b\u200bhøj temperatur plasma (flammende plasma med Q ~ 30) og strukturelle materialer til en industriel reaktor. Den sidste fase af forskning vil blive demo: den industrielle reaktor prototype, som vil blive nået med tænding, og den praktiske egnethed af nye materialer er demonstreret. De mest optimistiske prognoser for afslutningen af \u200b\u200bfase demo: 30 år. I betragtning af den omtrentlige tid på konstruktion og idriftsættelse af den industrielle reaktor adskiller den ~ 40 år fra industriel brug af termonuklear energi.

Eksisterende Tokamaki.

I alt blev der bygget omkring 300 Tokamaks i verden. Nedenfor er den største af dem.

• USSR og Rusland
  • T-3 er det første funktionelle apparat.
  • T-4 - en forstørret T-3-version
  • T-7 er en unik installation, hvor for første gang i verden er et relativt stort magnetisk system med en superledende solenoid baseret på niobata af tin afkølet af flydende helium. Hovedopgaven for T-7 var afsluttet: En udsigt til den næste generation af superledende solenoider af termonuklear energi blev fremstillet.
  • T-10 og PLT - Det næste skridt i verdens termonukleære undersøgelser, de er næsten samme størrelse svarende til magt, med samme detektionsfaktor. Og de opnåede resultater er identiske: På begge reaktorer opnås den værdsatte temperatur af termonukleær syntese, og forsinkelsen ifølge kriteriet for Louuson - kun to hundrede gange.
  • T-15 - Dagens reaktor med en superledende magnetventil, hvilket giver et felt på 3,6 T. spænding.
• Libyen
  • TM-4A.
• Europa og Det Forenede Kongerige
  • Jet (eng.) (Joint European Tor) er den største Tocamak i verden, skabt af Euratom-organisationen i Storbritannien. Det bruger en kombineret opvarmning: 20 MW-neutral injektion, 32 MW-ion-cyclotron resonans. Som følge heraf er Louusons kriterium kun 4-5 gange lavere end tændingsniveauet.
  • Tore Supra (Fr.) (Eng.) - Tokamak med superledende spoler, en af \u200b\u200bde største i verden. Beliggende i forskningscentret Kadarash (Frankrig).
• USA
  • TFTR (ENG.) (Test Fusion TOKAMAK reaktor) er den største Tokamak USA (i Princeton University) med yderligere opvarmning ved hurtige neutrale partikler. Et stort resultat opnås: Louuson-kriteriet med en ægte termonukleær temperatur er kun 5,5 gange lavere end tændingsgrænsen. Lukket i 1997.
  • NSTX (engelsk) (nationalt sfærisk torus eksperiment) er sfærisk tokamak (sponamecha), der i øjeblikket arbejder på Princeton University. Det første plasma i reaktoren blev opnået i 1999, to år efter lukningen af \u200b\u200bTFTR.