Термонуклеарна реакција на елементарни честички. Нуклеарна енергија. Термонуклеарна фузија. Контролирана верижна реакција

1. Нуклеарна енергијае област на науката и индустриската технологија во која се развиваат и практично се користат методи и средства за претворање на нуклеарната енергија во топлинска и електрична енергија. Темелите на нуклеарната енергија се нуклеарните централи (НПП). Изворот на енергија во нуклеарните централи се нуклеарните реактори, во кои се јавува контролирана верижна реакција на фисија на јадра на тешки елементи, главно U-235 и Pu-239.

Нуклеарните реактори се од два вида: бавни неутронски реактори и брзи неутронски реактори. Повеќето нуклеарни централи во светот се изградени врз основа на бавни неутронски реактори. Првите реактори изградени во САД (1942), СССР (1946) и други развиени земји беа наменети за производство на плутониум Пу-239 за оружје. Топлината ослободена во нив беше нуспроизвод. Оваа топлина беше отстранета од реакторот со помош на систем за ладење и едноставно беше пуштена во околината.

Механизмот на ослободување на топлина во реакторот е како што следува. Двата фрагменти што се појавуваат за време на фисијата на јадрото на ураниум носат огромна кинетичка енергија од околу 200 MeV. Нивната почетна брзина достигнува 5000 km/s. Движејќи се меѓу ураниум, модератор или структурни елементи, овие фрагменти, судирајќи се со атомите, ја пренесуваат својата енергија на нив и постепено се забавуваат до топлинска брзина. Јадрото на реакторот се загрева. Со зголемување на интензитетот на нуклеарната реакција, можно е да се постигнат поголеми топлински моќи.

Топлината генерирана во реакторот се отстранува со помош на течна или гасовита течност за ладење. Општо земено, реактор за течноста за ладење наликува на котел со парна цевка (водата тече низ цевките внатре во печката и се загрева). Затоа, заедно со концептот на „нуклеарен реактор“, често се користи синонимот „нуклеарен котел“.

На сл. На слика 144 е прикажан дијаграм на нуклеарна централа во реакторот 1. Густината на неутронскиот флукс внатре во работниот реактор достигнува 10 14 честички на секои 1 cm 2 во секунда.

Се прави разлика помеѓу топлинска и електрична моќност на реакторот. Електричната енергија не е повеќе од 30% од топлинската моќност. Првата нуклеарна централа во светот е изградена во 1954 година во СССР во Обнинск. Неговата топлинска моќ е 30 MW, електричната моќност е 5 MW. Активната зона на ураниум-графит бавен неутронски реактор има форма на цилиндар со дијаметар од 1,5 m и висина од 1,7 m. Течноста за ладење е вода. Температурата на водата на влезот на реакторот е + 190°C, на излезот + 280°C, притисок 100 атм.

Оптоварувањето на реакторот е 550 kg ураниум збогатен до 5%. Времетраењето на работа со номинална моќност е 100 дена. Дизајнерското согорување на U-235 е 15%. Реакторот содржи 128 горивни елементи (елементи на гориво). АЕЦ Обнинск е изградена со цел да се развијат технолошки решенија за нуклеарна енергија. Во подоцнежните сериски нуклеарни централи, оптоварувањето и моќноста на реакторите се зголемуваат стотици пати.

2. Бавен неутронски нуклеарен реактор.Како што веќе беше споменато во §21, главната задача во развојот на нуклеарните реактори беше реакторот да може да работи на природен ураниум, т.е. екстрахиран хемиски од руди и содржи природна мешавина на изотопи: U-238 (99,282%), U-235 (0,712%), U-234 (0,006%), или на релативно евтин ниско збогатен ураниум, во кој содржината на изотоп е U-235 или Pu-239 зголемен на 2-5%.

За да се направи ова, мора да се исполнат три услови: прво, масата на фисилен материјал во реакторот (U-235 или Pu-239) не смее да биде ништо помалку од критична за неговата дадена конфигурација. Ова значи дека, во просек, еден неутрон од бројот произведен во секој настан на нуклеарна фисија може да го предизвика следниот настан на фисија. Второ, неутроните треба да се успорат до топлинска брзина, а тоа мора да се направи на таков начин што ќе ги минимизира нивните загуби поради зафаќање на радијација од јадрата на нефисилни материјали. Трето, развијте принципи и создадете средства за контрола на нуклеарна верижна реакција. Иако сите овие услови се меѓусебно поврзани, за секој од нив е можно да се идентификуваат главните начини на нивно спроведување.

А. Постигнувањето на критична маса на фисилен материјал е можно на два начина: едноставно зголемување на масата на ураниум и збогатување ураниум. Поради малата концентрација на фисилен материјал, неговата критична маса во реакторот е многу поголема отколку во атомска бомба. На пример, во нуклеарната централа Обнинск / m cr U-235 е околу 25 кг. Во помодерни реактори со висока моќност, m cr достигнува неколку тони. За да се намалат загубите поради истекување на неутрони од реакторот, неговото јадро е опкружено со неутронски рефлектор. Ова е супстанца со лесни јадра која слабо ги апсорбира неутроните (графит, берилиум).

б. Неутронска умереност. Слика 145 го прикажува енергетскиот спектар на неутроните емитирани од фисилните јадра на U-235. Оската на апсцисата ја покажува кинетичката енергија E на неутроните, а оската на ординатите ја покажува релативната фреквенција ΔN/N на повторување на таквата енергија во конвенционалните единици. Кривата има максимум на E = 0,645 MeV. Сликата покажува дека фисијата на јадрата U-235 произведува претежно брзи неутрони со енергија E > 1 MeV.

Како што беше споменато претходно, ефективниот пресек за фаќање неутрони од јадрата U-235 е максимален за термичките неутрони, кога нивната енергија Е< 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

За да се спречи појава на таква апсорпција, неутроните мора да се отстранат од масата на ураниум, да се забави во модератор кој слабо ги апсорбира неутроните (графит, тешка вода, берилиум) и да се вратат назад во масата на ураниум (дифузна). во тенки цевки од елементи за гориво (горивни прачки) . И прачките за гориво се потопени во каналите на модераторот.

Вообичаено, шипките за гориво се цевки со тенки ѕидови со дијаметар од 15-20 mm направени од легура на циркониум. Нуклеарното гориво се става во шипките за гориво во форма на таблети компресирани од ураниум оксид U0 2. Оксидот не се синтера на високи температури и лесно се отстранува при полнење на шипки за гориво. Во зависност од големината на јадрото на реакторот, должината на шипките за гориво може да достигне 7-8 m Во контејнери се монтираат неколку прачки за гориво, кои се цевки со дијаметар од 10-20 cm или призми. Кога реакторите се полнат, овие контејнери се заменуваат, а нивното расклопување и замена на прачките за гориво се врши во постројката.

Самиот реактор најчесто е цилиндар, низ чија горна основа се прават вертикални канали во шаховска табла. Во овие канали се поставени контејнери со шипки за гориво и контролни прачки на апсорберот.

В. Контрола на нуклеарна верижна реакцијасе врши со користење на прачки направени од материјали кои силно апсорбираат неутрони - кадмиум 48 113 Cd и бор 5 10 V. Вториот често е во форма на карбид B 4 C (точка на топење за кадмиум 321 ° C, за бор 2075 ° C). Нивните апсорпциони пресеци се σ = 20.000 и 4.000 штала, соодветно. Параметрите на апсорберските шипки се пресметуваат така што кога шипките се целосно вметнати, нуклеарна реакција секако не се случува во реакторот. Со постепеното отстранување на прачките, факторот на множење К во јадрото се зголемува и на одредена положба на прачката достигнува единство. Во овој момент реакторот почнува да работи. За време на работата, коефициентот К постепено се намалува поради контаминација на реакторот со фрагменти од фисија. Ова намалување на К се компензира со продолжување на прачките. Во случај на нагло зголемување на интензитетот на реакцијата, има дополнителни прачки. Нивното брзо ослободување во јадрото веднаш ја запира реакцијата.

Контролата на реакторот е олеснета со присуството на одложени неутрони. Нивниот удел за различни изотопи се движи од 0,6 до 0,8%, за U-235 е приближно 0,64%. Просечниот полуживот на фрагментите на фисија кои произведуваат одложени неутрони е T = 9 секунди, просечниот животен век на една генерација одложени неутрони е τ = T/ln2 = 13 s.

При стационарна работа на реакторот, факторот на множење на брзите неутрони е K b = 1. Вкупниот коефициент K = K b + K се разликува од единството по фракцијата на одложените неутрони и може да достигне K = 1 + 0,006. Во втората генерација, по 13 секунди, бројот на неутрони е N = N 0 K 2 = N 0 (1.006)2 = 1.012MN 0. Во десеттата генерација, по 130 секунди, нивниот број ќе биде N 0 K 10 = 1.062 MN 0, што е сè уште далеку од вонредна состојба. Затоа, системот за автоматска контрола, базиран на следење на густината на неутронскиот флукс во јадрото, е сосема способен да ги следи најмалите нијанси во работата на реакторот и да одговори на нив со поместување на контролните шипки.

3. Труење на реакторот- ова е акумулација на радиоактивни производи во него. Акумулацијата на стабилни производи во него се нарекува згурање на реакторот. Во двата случаи, јадрата се акумулираат, интензивно апсорбирајќи неутрони. Пресекот за фаќање на најмоќниот отровник ксенон-135 достигнува 2,6 * 10 6 штала.

Механизмот на формирање на Xe-135 е како што следува. Кога U-235 или Pu-239 се расцепуваат со бавни неутрони, со веројатност од 6%, се добива фрагмент - јадро на телуриум од 52.135 Te. Со период од 0,5 минути, Те-135 претрпува β - распаѓање, претворајќи се во јадрото на изотопот на јод I. Овој изотоп е и β - активен со период од 6,7 часа. Производот на распаѓање на I-135 е ксенонскиот изотоп 54 135 Xe. Со период од T = 9,2 часа, Xe-135 се подложува на β - распаѓање, претворајќи се во практично стабилен изотоп на цезиум 55 135 Cz. (/T= 3*10 6 години).

Други модели на распаѓање произведуваат други штетни јадра, како што е самариум 62.139 Sm. Труењето се случува особено брзо за време на почетниот период на работа на реакторот. Со текот на времето, се воспоставува радиоактивна рамнотежа помеѓу производите на распаѓање. Од овој момент почнува да се зголемува згурањето на реакторот.

Реакторот во кој фисилниот материјал (ураниум), модераторот (графит) и апсорберот (кадмиум) се посебни фази и имаат меѓусебни врски се нарекува хетероген. Ако сите овие елементи во течна или гасовита состојба претставуваат една заедничка фаза, реакторот се нарекува хомоген. За енергетските синџири се градат исклучиво хетерогени реактори.

5. Брзи неутронски реактори.Јадрата на U-235, Pu-239 и U-233 се расцепени од сите неутрони. Затоа, ако го зголемите збогатувањето на ураниум, на пример, со изотоп U-235, тогаш поради зголемувањето на концентрацијата на фисилни јадра, сè поголем дел од неутроните ќе ги расцепат јадрата U-235 без да ја напуштат масата на ураниумот. . При одредена концентрација на фисилни јадра и со доволна маса на ураниум во јадрото, факторот за множење на неутроните достигнува единство дури и без да ги ублажи. Реакторот ќе работи на брзи неутрони (скратено како брза реакција).

Предноста на брзата реакција во однос на бавната реакција (т.е. во однос на реакцијата со бавни неутрони) е тоа што неутроните се користат поефикасно. Како резултат на тоа, се зголемува репродукцијата на нуклеарното гориво. При бавна реакција од 2,5 неутрони, 1 оди и до јадрото U-235, одржувајќи ја реакцијата, приближно 1 оди до јадрото U-238, потоа формира Pu-239 (нуклеарно гориво), а 0,5 неутрони се губат. Едно јадро на „изгорениот“ U-235 произведува приближно 1 јадро Pu-239. При брза реакција, од 2,5 неутрони, 1 се користи и за одржување на реакцијата. Но, помалку од 0,5 неутрони се губат. Затоа, повеќе неутрони влегуваат во јадрата U-238. Како резултат на тоа, повеќе од 1 Пу-239 јадро се формира по едно јадро на „изгорениот“ У-235. Се одвива проширена репродукција на нуклеарно гориво. Создавањето и работењето на брзите неутронски реактори е потешко од бавните неутронски реактори. Прво, волуменот на активната зона нагло се намалува. Ова ја зголемува густината на енергијата, што доведува до зголемување на температурата и ги затегнува барањата за структурни материјали и течноста за ладење. Второ, се зголемуваат барањата за системот за контрола на реакторот, односно за брзината на операциите што ги врши контролниот систем.

6. Изгледи за нуклеарна енергија.Денес, нуклеарните централи кои нормално работат се најчисти од сите извори на енергија. Тие не испуштаат C0 2 и S0 2, како термоцентралите, и затоа не го влошуваат ефектот на стаклена градина и не ги поплавуваат обработливите површини со вода, како хидроцентралите. Имајќи ја предвид можноста за преработка на U-238 во Pu-239 и Th-232 во U-233, резервите на лесно достапно нуклеарно гориво ќе траат стотици години. Употребата на нуклеарни централи ќе заштеди нафта, гас и јаглен за хемиската индустрија. Има две потешкотии со проширувањето на возниот парк на нуклеарната централа. Едниот е објективен, неговата суштина е дека проблемите поврзани со отстранувањето и отстранувањето на отпадното нуклеарно гориво и структурните елементи кои го поминале својот век на реакторот не се целосно решени.

Втората тешкотија е субјективна. Во споредба со термоцентралите и хидроцентралите, сервисирањето на нуклеарните централи бара повисока техничка култура и наметнува огромна одговорност на човекот. Најмало отстапување од технолошката дисциплина може да резултира со трагедија за илјадници луѓе.

7. Фузија. Од кривата на дистрибуција на специфичната енергија на врзување следува дека фузијата на лесните јадра во едно јадро, како и фисијата на тешките јадра, мора да биде придружена со ослободување на огромна количина на енергија. Сите јадра носат ист позитивен полнеж. За да се доближат до растојанието на кое започнува фузијата, треба да се забрзаат две јадра кои содејствуваат едно кон друго. Ова може да се направи на два начина. Прво, со помош на акцелератори. Овој пат е тежок и неефикасен. Второ, едноставно загревање на гасот до потребната температура. Затоа, реакциите на фузија на лесните јадра иницирани со загревање на гас се нарекуваат термонуклеарни реакции. Дозволете ни да ја процениме температурата на гасот деутериум на која започнува термонуклеарната фузија на деутериум + деутериум. 1 2 H+ 1 2 H→ 2 3 He + 0 1 n + 3,27 MeV.

За да се спојат јадрата, тие треба да се соберат на растојание од r = 2*10 -15 m Потенцијалната енергија за време на таквото зближување треба да биде еднаква на кинетичката енергија на двете јадра во системот

центар на маса (1/4πε 0)*(e 2 /r) = 2*(mυ 2 /2) = 2*(3/2)* kT. Температура на гасот T=(1/3K)*(1/4πε 0)*(e 2 /r)=3*10 9 K. Распределбата на енергијата на честичките е блиска до Максвеловата. Затоа, секогаш има „пожешки“ честички, а исто така поради ефектот на тунелот, реакцијата на фузија започнува на пониски температури T ≈ 10 7 K.

Покрај реакцијата, од особен интерес се уште две: деутериум + деутериум и деутериум + тритиум. 2 1 H + 1 2 H+ 1 2 p + 4,03 MeV. (22,3) и 1 2 H + 1 3 H → 2 4 He + 0 1 n +17,59 MeV. (22.4)

Последната реакција ослободува приближно 5 пати повеќе енергија по единица маса отколку фисијата на U-235. Оваа енергија е кинетичка енергија на движењето на неутроните и добиените јадра на хелиум. Под копнени услови, беше можно да се реализира реакција на нуклеарна фузија во форма на неконтролирана експлозија на термонуклеарна водородна бомба.

8. Водородна бомбае конвенционална атомска бомба, чиј нуклеарен полнеж (U-235 или Pu-239) е опкружен со покривка од супстанција која содржи лесни атоми. На пример, литиум деутерид LiD. Високата температура што се јавува при детонирање на атомски полнеж иницира термонуклеарна фузија на светлосни атоми. Ова ослободува дополнителна енергија, зголемувајќи ја моќноста на бомбата. Покрај реакциите (22.1) и (22.3), уште една може да се појави во бомба со ќебе со литиум деутерид. 3 6 Li+ 1 1 p→ 2 4 He + 2 3 He + 4 MeV. (22,5). (22.4). Но, тритиумот е β - активен елемент. Со период од 12 години се претвора во He-3. Затоа, водородните полнења со тритиум имаат ограничен рок на траење и мора редовно да се тестираат. Супстанциите вклучени во термонуклеарната фузија не произведуваат радиоактивни производи. Но, благодарение на интензивниот неутронски флукс, радиоактивноста е индуцирана во јадрата на структурните материјали и околните тела. Затоа, невозможно е да се спроведе „чиста“ реакција на фузија без радиоактивен отпад.

9. Проблемот на контролирана термонуклеарна фузија (U HS)се уште не е решен. Нејзиното решение е многу ветувачко за енергетскиот сектор. Водата на морињата и океаните содржи приближно 0,015% деутериум (според бројот на атоми). На земјата има околу 10-20 кг вода. Ако извлечете деутериум од оваа вода, тогаш енергијата што може да се добие од неа е еквивалентна на 6 * 10 18 К)" тони јаглен, ова е џиновска количина (околу 0,001 Земјина маса). Затоа, деутериумот во морињата и океаните се практично неисцрпен извор на енергија.

Проблемот на CTS се сведува на две задачи. Прво, треба да научите како да создадете висока температура T> 10 7 K во ограничен волумен. Второ, да го одржувате волуменот на облечената плазма на оваа температура за време доволно за нуклеарното да се појави реакција на фузија. И двата од овие проблеми се далеку од решени.

10. Термонуклеарни реакции кај ѕвездите.Според современите концепти, ѕвезда се раѓа од проширени облаци со гас и прашина, кои се состојат главно од водород. Како резултат на гравитациската компресија, облакот станува погуст и почнува да се соблекува, претворајќи се во протоѕвезда. Кога температурата во центарот на протоѕвездата ќе достигне 10 7 К, во неа се возбудуваат термонуклеарни реакции на синтеза на лесни елементи, главно водород. Гравитациската компресија е суспендирана со зголемен гас-кинетички и оптички притисок. Протоѕвезда се претвора во ѕвезда. Постојат два можни циклуси на претворање на водородот во хелиум. Главните реакции што го сочинуваат секој циклус се наведени подолу. Во загради до равенките на реакцијата, означено е просечното време на реакција τ, пресметано со помош на ефективниот пресек на реакцијата за притисоците и температурите што постојат внатре во ѕвездата.

Според современите астрофизички концепти, главниот извор на енергија на Сонцето и другите ѕвезди е термонуклеарната фузија што се случува во нивните длабочини. Под копнени услови се врши при експлозија на хидрогенска бомба. Термонуклеарната фузија е придружена со колосално ослободување на енергија по единица маса на супстанции кои реагираат (околу 10 милиони пати поголемо отколку во хемиските реакции). Затоа, од голем интерес е да се совлада овој процес и да се искористи за да се создаде евтин и еколошки извор на енергија. Сепак, и покрај фактот што големи научни и технички тимови во многу развиени земји се ангажирани во истражување на контролирана термонуклеарна фузија (CTF), сè уште треба да се решат многу сложени проблеми пред да стане реалност индустриското производство на термонуклеарна енергија.

Современите нуклеарни централи кои користат процес на фисија само делумно ги задоволуваат потребите за електрична енергија во светот. Гориво за нив се природните радиоактивни елементи ураниум и ториум, чиишто изобилство и резерви во природата се многу ограничени; затоа, многу земји се соочуваат со проблем да ги увезат. Главната компонента на термонуклеарното гориво е водородниот изотоп деутериум, кој се наоѓа во морската вода. Неговите резерви се јавно достапни и многу големи (светските океани покриваат ~ 71% од површината на Земјата, а деутериумот сочинува околу 0,016% од вкупниот број на атоми на водород што ја сочинуваат водата). Покрај достапноста на гориво, термонуклеарните извори на енергија ги имаат следните важни предности во однос на нуклеарните централи: 1) реакторот UTS содржи многу помалку радиоактивни материјали од реактор за нуклеарна фисија, и затоа последиците од случајно ослободување на радиоактивни производи се помали опасно; 2) термонуклеарните реакции произведуваат помалку долготраен радиоактивен отпад; 3) ТЦБ дозволува директен прием на електрична енергија.

ФИЗИЧКИ ОСНОВИ НА НУКЛЕАРНА фузија

Успешната имплементација на реакцијата на фузија зависи од својствата на користените атомски јадра и од способноста да се добие густа плазма со висока температура, која е неопходна за да се започне реакцијата.

Нуклеарни сили и реакции.

Ослободувањето на енергија за време на нуклеарната фузија се должи на екстремно интензивните атрактивни сили кои дејствуваат внатре во јадрото; Овие сили ги држат заедно протоните и неутроните кои го сочинуваат јадрото. Тие се многу интензивни на растојанија од ~ 10-13 cm и слабеат исклучително брзо со зголемување на растојанието. Покрај овие сили, позитивно наелектризираните протони создаваат електростатички одбивни сили. Опсегот на електростатските сили е многу поголем од оној на нуклеарните сили, така што тие почнуваат да доминираат кога јадрата ќе се отстранат едно од друго.

Како што покажа G. Gamow, веројатноста за реакција помеѓу две лесни јадра кои се приближуваат е пропорционална со , каде д – основа на природни логаритми, З 1 И З 2 – број на протони во јадрата кои содејствуваат, Ве енергијата на нивниот релативен пристап, и К– постојан множител. Енергијата потребна за спроведување на реакција зависи од бројот на протони во секое јадро. Ако е повеќе од три, тогаш оваа енергија е преголема и реакцијата е практично невозможна. Така, со зголемување З 1 и З 2 веројатноста за реакција се намалува.

Веројатноста дека две јадра ќе заемнодејствуваат се карактеризира со „пресек на реакција“, измерен во амбари (1 b = 10 –24 cm 2). Реакцискиот пресек е ефективна површина на пресек на јадрото во кое друго јадро мора да „падне“ за да се случи нивната интеракција. Напречниот пресек за реакција на деутериум со тритиум ја достигнува својата максимална вредност (~5 b) кога честичките во интеракција имаат релативна пристапна енергија од редот на 200 keV. При енергија од 20 keV, пресекот станува помал од 0,1 b.

Од милион забрзани честички кои ја погодуваат целта, не повеќе од една влегува во нуклеарна интеракција. Остатокот ја троши својата енергија на електроните на целните атоми и забавува до брзини со кои реакцијата станува невозможна. Следствено, методот на бомбардирање на цврста цел со забрзани јадра (како што беше случајот во експериментот Кокрофт-Волтон) е несоодветен за контролирана фузија, бидејќи енергијата што се добива во овој случај е многу помала од потрошената енергија.

Фузија горива.

Реакции кои вклучуваат стр, кои играат голема улога во процесите на нуклеарна фузија на Сонцето и другите хомогени ѕвезди, не се од практичен интерес во копнени услови бидејќи имаат премал пресек. За термонуклеарна фузија на земјата, посоодветен тип на гориво, како што е споменато погоре, е деутериумот.

Но, најверојатната реакција се јавува во еднаква мешавина на деутериум и тритиум (мешавина ДТ). За жал, тритиумот е радиоактивен и, поради неговиот краток полуживот (Т 1/2 ~ 12,3 години), практично не се наоѓа во природата. Се произведува вештачки во реактори за фисија, а исто така и како нуспроизвод во реакциите со деутериум. Сепак, отсуството на тритиум во природата не е пречка за употреба на реакцијата на фузија ДТ, бидејќи тритиумот може да се произведе со зрачење на изотоп 6 Li со неутрони произведени за време на синтезата: n+ 6 Li ® 4 Тој + т.

Ако ја опкружувате термонуклеарната комора со слој од 6 Li (природниот литиум содржи 7%), тогаш можете целосно да го репродуцирате потрошниот тритиум. И иако во пракса некои неутрони неизбежно се губат, нивната загуба може лесно да се надомести со внесување во обвивката елемент како што е берилиумот, чие јадро, кога еден брз неутрон ќе го погоди, испушта два.

Принцип на работа на термонуклеарен реактор.

Реакцијата на фузија на светлосни јадра, чија цел е да се добие корисна енергија, се нарекува контролирана термонуклеарна фузија. Се изведува на температури од редот на стотици милиони Келвини. Овој процес досега се спроведуваше само во лаборатории.

Временски и температурни услови.

Добивањето корисна термонуклеарна енергија е можно само ако се исполнети два услови. Прво, смесата наменета за синтеза мора да се загрее до температура на која кинетичката енергија на јадрата обезбедува голема веројатност за нивно спојување при судир. Второ, смесата што реагира мора да биде многу добро термички изолирана (односно, високата температура мора да се одржува доволно долго за да се појават потребниот број реакции и енергијата што се ослободува поради тоа да ја надмине енергијата потрошена за загревање на горивото).

Во квантитативна форма, оваа состојба се изразува на следниов начин. За да се загрее термонуклеарна смеса, треба да се даде енергија на еден кубен сантиметар од нејзиниот волумен П 1 = knT, Каде к– нумерички коефициент, n– густина на смесата (број на јадра на 1 cm3), Т– потребна температура. За да се одржи реакцијата, енергијата што се пренесува на термонуклеарната смеса мора да се одржи за време t. За да може реакторот да биде енергетски профитабилен, неопходно е за тоа време во него да се ослободува повеќе термонуклеарна енергија отколку што била потрошена за греење. Ослободената енергија (исто така на 1 cm3) се изразува на следниов начин:

Каде ѓ(Т) – коефициент во зависност од температурата на смесата и нејзиниот состав, Р– енергија ослободена во еден елементарен чин на синтеза. Потоа услов за енергетска рентабилност П 2 > П 1 ќе ја земе формата

Последната нееднаквост, позната како Lawson критериум, е квантитативен израз на барањата за совршена топлинска изолација. Десната страна - „бројот на Лосон“ - зависи само од температурата и составот на смесата, а колку е поголема, толку построги се барањата за топлинска изолација, т.е. толку е потешко да се создаде реактор. Во регионот на прифатливи температури, Лосоновиот број за чист деутериум е 10 16 s/cm 3, а за DT смеса со еднаква компонента – 2×10 14 s/cm 3 . Така, DT смесата е претпочитано гориво за фузија.

Во согласност со критериумот на Лоусон, кој ја одредува енергетски поволната вредност на производот на густината и времето на затворање, термонуклеарниот реактор треба да користи што е можно поголем nили т. Затоа, истражувањата за контролирана фузија се разидоа во две различни насоки: во првата, истражувачите се обидоа да содржат релативно ретка плазма користејќи магнетно поле доволно долго; во вториот, користејќи ласери за кратко време да се создаде плазма со многу висока густина. Многу повеќе работа е посветена на првиот пристап отколку на вториот.

Магнетна плазма затворање.

За време на реакцијата на фузија, густината на врелиот реагенс мора да остане на ниво што би обезбедило доволно висок принос на корисна енергија по единица волумен при притисок што може да го издржи плазма комората. На пример, за мешавина од деутериум - тритиум на температура од 10 8 K, приносот се одредува со изразот

Ако прифатиме Педнакво на 100 W/cm 3 (што приближно одговара на енергијата ослободена од горивните елементи во реакторите за нуклеарна фисија), потоа густината nтреба да биде прибл. 10 15 јадра/cm 3 и соодветниот притисок nT– приближно 3 MPa. Во овој случај, според критериумот Lawson, времето на задржување мора да биде најмалку 0,1 s. За деутериум-деутериум плазма на температура од 10 9 К

Во овој случај, кога П= 100 W/cm 3, n» 3Х10 15 јадра/cm 3 и притисок од приближно 100 MPa, потребното време на задржување ќе биде повеќе од 1 с. Забележете дека овие густини се само 0,0001 од густината на атмосферскиот воздух, така што комората на реакторот мора да се евакуира до висок вакуум.

Горенаведените проценки на времето на затворање, температурата и густината се типични минимални параметри потребни за работа на реактор за фузија и полесно се постигнуваат во случај на мешавина од деутериум-тритиум. Што се однесува до термонуклеарните реакции што се случуваат при експлозија на хидрогенска бомба и во утробата на ѕвездите, треба да се има на ум дека, поради сосема различни услови, во првиот случај тие се одвиваат многу брзо, а во вториот - исклучително бавно споредено. на процеси во термонуклеарен реактор.

Плазма.

Кога гасот се загрева силно, неговите атоми губат дел или сите електрони, што резултира со формирање на позитивно наелектризирани честички наречени јони и слободни електрони. На температури над милион степени, гасот кој се состои од лесни елементи е целосно јонизиран, т.е. секој негов атом ги губи сите свои електрони. Гасот во јонизирана состојба се нарекува плазма (терминот е воведен од И. Лангмуир). Карактеристиките на плазмата значително се разликуваат од својствата на неутралниот гас. Бидејќи плазмата содржи слободни електрони, плазмата многу добро спроведува електрицитет, а нејзината спроводливост е пропорционална со Т 3/2. Плазмата може да се загрее со поминување на електрична струја низ неа. Спроводливоста на водородната плазма на 10 8 K е иста како онаа на бакар на собна температура. Топлинската спроводливост на плазмата е исто така многу висока.

За да се задржи плазмата, на пример, на температура од 10 8 К, таа мора да биде сигурно термички изолирана. Во принцип, плазмата може да се изолира од ѕидовите на комората со ставање во силно магнетно поле. Ова е обезбедено со силите што се појавуваат кога струите се во интеракција со магнетното поле во плазмата.

Под влијание на магнетно поле, јоните и електроните се движат во спирали по линиите на неговото поле. Премин од една линија на поле во друга е можна за време на судири на честички и кога се применува попречно електрично поле. Во отсуство на електрични полиња, ретка плазма со висока температура, во која судирите се ретки, само бавно ќе се дифузира низ линиите на магнетното поле. Ако линиите на магнетното поле се затворени, давајќи им облик на јамка, тогаш честичките од плазмата ќе се движат по овие линии, држејќи се во областа на јамката. Покрај таквата затворена магнетна конфигурација за затворање на плазмата, предложени се отворени системи (со линии на поле кои се протегаат нанадвор од краевите на комората), во кои честичките остануваат внатре во комората поради магнетните „приклучоци“ што го ограничуваат движењето на честичките. Магнетни приклучоци се создаваат на краевите на комората, каде што, како резултат на постепено зголемување на јачината на полето, се формира стеснет зрак од линии на полето.

Во пракса, магнетното затворање на плазма со доволно висока густина се покажа како далеку од лесно: во него често се појавуваат магнетохидродинамички и кинетички нестабилности.

Магнетохидродинамичките нестабилности се поврзани со свиоци и свиткувања на линиите на магнетното поле. Во овој случај, плазмата може да почне да се движи низ магнетното поле во форма на купчиња, за неколку милионити дел од секундата ќе ја напушти зоната на затворање и ќе се откаже од топлината на ѕидовите на комората. Ваквите нестабилности може да се потиснат со давање на магнетното поле одредена конфигурација.

Кинетичките нестабилности се многу разновидни и тие се проучени подетално. Меѓу нив има и такви кои ги нарушуваат нарачаните процеси, како што е, на пример, протокот на директна електрична струја или проток на честички низ плазмата. Другите кинетичка нестабилност предизвикуваат поголема стапка на попречна дифузија на плазмата во магнетно поле отколку што е предвидена со теоријата на судир за тивка плазма.

Системи со затворена магнетна конфигурација.

Ако на јонизиран спроводлив гас се примени силно електрично поле, во него ќе се појави струја на празнење, а во исто време ќе се појави и магнетно поле што го опкружува. Интеракцијата на магнетното поле со струјата ќе доведе до појава на сили на притисок кои делуваат на наелектризираните честички гас. Ако струјата тече по оската на проводниот плазма кабел, тогаш добиените радијални сили, како гумени ленти, го компресираат кабелот, поместувајќи ја плазма границата подалеку од ѕидовите на комората што ја содржи. Овој феномен, теоретски предвиден од В. Бенет во 1934 година и прв експериментално демонстриран од А. Вер во 1951 година, се нарекува ефект на штипкање. Методот на штипкање се користи за да содржи плазма; Неговата извонредна карактеристика е тоа што гасот се загрева до високи температури од самата електрична струја (омиско загревање). Фундаменталната едноставност на методот доведе до негова употреба во првите обиди да содржи топла плазма, а проучувањето на едноставниот ефект на штипкање, и покрај фактот што подоцна беше заменет со понапредни методи, овозможи подобро разбирање на проблемите. со кои експериментаторите се соочуваат и денес.

Покрај дифузијата на плазмата во радијална насока, се забележува и надолжен нанос и негово излегување низ краевите на плазма кабелот. Загубите преку краевите може да се елиминираат со давање на плазма комората форма на крофна (торус). Во овој случај, се добива тороидална штипка.

За едноставната штипка опишана погоре, сериозен проблем е неговата вродена магнетохидродинамичка нестабилност. Ако се појави мал свиок во плазма филаментот, тогаш густината на линиите на магнетното поле на внатрешната страна на свиокот се зголемува (сл. 1). Линиите на магнетното поле, кои се однесуваат како снопови кои се спротивставуваат на компресија, ќе почнат брзо да се „испакнуваат“, така што свиокот ќе се зголеми додека не се уништи целата структура на плазма кабелот. Како резултат на тоа, плазмата ќе дојде во контакт со ѕидовите на комората и ќе се излади. За да се елиминира овој деструктивен феномен, пред да се помине главната аксијална струја, во комората се создава надолжно магнетно поле, кое заедно со подоцнежно применето кружно поле, го „исправува“ почетниот свиок на плазма колоната (сл. 2). Принципот на стабилизација на плазма колона со аксијално поле е основа за два ветувачки проекти на термонуклеарни реактори - токамак и штипка со превртено магнетно поле.

Отворете ги магнетните конфигурации.

Инерцијално задржување.

Теоретските пресметки покажуваат дека термонуклеарната фузија е можна без употреба на магнетни стапици. За да го направите ова, специјално подготвената цел (топче од деутериум со радиус од околу 1 mm) брзо се компресира до толку високи густини што термонуклеарната реакција има време да заврши пред да испари целта на горивото. Компресијата и загревањето до термонуклеарни температури може да се извршат со ултрамоќни ласерски импулси, рамномерно и истовремено зрачејќи ја топката за гориво од сите страни (сл. 4). Со моменталното испарување на неговите површински слоеви, честичките што излегуваат добиваат многу големи брзини, а топката е подложена на големи сили на притисок. Тие се слични на реактивните сили кои придвижуваат ракета, со единствена разлика што овде овие сили се насочени навнатре, кон центарот на целта. Овој метод може да создаде притисоци од редот на 10 11 MPa и густина 10.000 пати поголема од густината на водата. При таква густина, речиси целата термонуклеарна енергија ќе се ослободи во форма на мала експлозија во време од ~ 10–12 секунди. Микроексплозиите што се случуваат, од кои секоја е еквивалентна на 1-2 кг ТНТ, нема да предизвикаат оштетување на реакторот, а спроведувањето на низа од такви микроексплозии во кратки интервали би овозможило да се реализираат речиси континуирани производство на корисна енергија. За инерцијално затворање, дизајнот на целта за гориво е многу важен. Целта во форма на концентрични сфери направени од тешки и лесни материјали ќе овозможи најефикасно испарување на честичките и, следствено, најголема компресија.

Пресметките покажуваат дека со енергија на ласерско зрачење од редот на мегаџули (10 6 J) и ласерска ефикасност од најмалку 10%, произведената термонуклеарна енергија мора да ја надмине енергијата потрошена за пумпање на ласерот. Термонуклеарни ласерски инсталации се достапни во истражувачки лаборатории во Русија, САД, Западна Европа и Јапонија. Во моментов се проучува можноста за користење тежок јонски зрак наместо ласерски зрак или комбинирање на таков зрак со светлосен зрак. Благодарение на модерната технологија, овој метод на иницирање реакција има предност во однос на ласерскиот метод, бидејќи овозможува да се добие повеќе корисна енергија. Недостаток е тешкотијата да се фокусира зракот на целта.

ЕДИНИЦИ СО МАГНЕТНО ДРЖЕЊЕ

Магнетните методи за затворање на плазмата се изучуваат во Русија, САД, Јапонија и голем број европски земји. Главното внимание се посветува на инсталации од тороидален тип, како што се токамак и пинч со обратно магнетно поле, кои се појавиле како резултат на развојот на поедноставни штипки со стабилизирачко надолжно магнетно поле.

За плазма затворање со користење на тороидално магнетно поле Б јпотребно е да се создадат услови под кои плазмата не се поместува кон ѕидовите на торусот. Ова се постигнува со „извртување“ на линиите на магнетното поле (т.н. „ротациона трансформација“). Ова извртување се врши на два начина. Во првиот метод, струја се пренесува низ плазмата, што доведува до конфигурација на стабилната штипка која веќе беше дискутирана. Магнетно поле на струја Б q Ј - Б q заедно со Б j создава поле за резиме со бараниот навивам. Ако Бј Б q, добиената конфигурација е позната како токамак (кратенка за изразот „ТОРИДАЛНА КОМОРА СО МАГНЕТНИ КАЛЕМИ“). Токамак (слика 5) беше развиен под водство на Л.А. Арсимович во Институтот за атомска енергија именуван по. Курчатов во Москва. На Бј ~ Б q добиваме конфигурација на pinch со обратно магнетно поле.

Во вториот метод, се користат специјални спирални намотки околу тороидална плазма комора за да се обезбеди рамнотежа на ограничената плазма. Струите во овие намотки создаваат сложено магнетно поле, што доведува до извртување на линиите на сила на вкупното поле во внатрешноста на торусот. Таквата инсталација, наречена ѕвездест, беше развиена на Универзитетот Принстон (САД) од Л. Спицер и неговите колеги.

Токамак.

Важен параметар од кој зависи ограничувањето на тороидалната плазма е „маргината на стабилност“ q, еднакви rB j/ Р.Б. q, каде рИ Рсе малите и големите радиуси на тороидалната плазма, соодветно. На ниско ниво qМоже да се развие спирална нестабилност - аналог на нестабилноста на свиткување на директно штипкање. Научниците во Москва експериментално покажаа дека кога q> 1 (т.е. Бј Бп) можноста за појава на нестабилност на завртката е значително намалена. Ова овозможува ефикасно да се користи топлината што ја создава струјата за загревање на плазмата. Како резултат на долгогодишно истражување, карактеристиките на токамаците се значително подобрени, особено поради зголемената униформност на теренот и ефективно чистење на вакуумската комора.

Охрабрувачките резултати добиени во Русија го поттикнаа создавањето на токамаци во многу лаборатории ширум светот, а нивната конфигурација стана предмет на интензивно истражување.

Омското загревање на плазмата во токамак не е доволно за да се изврши реакција на термонуклеарна фузија. Ова се должи на фактот дека кога се загрева плазмата, нејзиниот електричен отпор значително се намалува, и како резултат на тоа, производството на топлина за време на поминувањето на струјата нагло се намалува. Невозможно е да се зголеми струјата во токамак над одредена граница, бидејќи плазма кабелот може да ја изгуби стабилноста и да се фрли на ѕидовите на комората. Затоа, се користат различни дополнителни методи за загревање на плазмата. Најефективни од нив се вбризгување на високоенергетски неутрални атомски зраци и микробранова зрачење. Во првиот случај, јоните забрзани до енергии од 50-200 keV се неутрализираат (за да не се „рефлектира“ назад од магнетното поле кога ќе се внесат во комората) и се инјектираат во плазмата. Овде тие повторно се јонизираат и во процесот на судири ја предаваат својата енергија на плазмата. Во вториот случај, се користи микробранова радијација, чија фреквенција е еднаква на фреквенцијата на јонски циклотрон (фреквенцијата на ротација на јоните во магнетно поле). На оваа фреквенција, густата плазма се однесува како апсолутно црно тело, т.е. целосно ја апсорбира енергијата на инцидентот. Во ЈЕТ токамак на Европската унија, со вбризгување на неутрални честички е добиена плазма со јонска температура од 280 милиони Келвини и време на задржување од 0,85 секунди. Термонуклеарната моќност која достигнува 2 MW е добиена со помош на деутериум-трициумска плазма. Времетраењето на одржувањето на реакцијата е ограничено со појавата на нечистотии поради прскање на ѕидовите на комората: нечистотиите продираат во плазмата и, кога се јонизираат, значително ги зголемуваат загубите на енергија поради зрачење. Во моментов, работата во рамките на програмата JET е фокусирана на истражување на можноста за контролирање на нечистотиите и нивно отстранување т.н. „магнетен пренасочувач“.

Големи токамаци беа создадени и во САД - TFTR, во Русија - T15 и во Јапонија - JT60. Истражувањата извршени во овие и други објекти ги поставија темелите за понатамошна фаза на работа на полето на контролирана термонуклеарна фузија: голем реактор за техничко тестирање е планирано да биде лансиран во 2010 година. Се очекува ова да биде заеднички напор меѓу САД, Русија, Европската унија и Јапонија. исто така видиТОКАМАК.

Стискање на обратно поле (FRP).

POP конфигурацијата се разликува од tokamak по тоа што е Б q~ Б j , но во овој случај насоката на тороидалното поле надвор од плазмата е спротивна на неговата насока внатре во плазма колоната. Џеј Тејлор покажа дека таквиот систем е во состојба со минимална енергија и, и покрај q

Предноста на POP конфигурацијата е што во неа односот на волуметриските густини на енергија на плазмата и магнетното поле (вредност b) е поголем отколку во токамак. Основно е важно b да биде колку што е можно поголем, бидејќи тоа ќе го намали тороидалното поле, а со тоа и ќе ги намали трошоците за намотките што го создаваат и целата потпорна структура. Слабоста на ПОП е што топлинската изолација на овие системи е полоша од онаа на токамаците, а проблемот со одржување на обратно поле не е решен.

Ѕвездениот.

Во ѕвездениот, затвореното тороидално магнетно поле е надредено со поле создадено од специјална завртка намотана околу телото на камерата. Целосното магнетно поле спречува оддалечување на плазмата од центарот и потиснува одредени типови на магнетохидродинамички нестабилности. Самата плазма може да се создаде и загрее со кој било од методите што се користат во токамак.

Главната предност на ѕвездениот е тоа што методот на затворање што се користи во него не е поврзан со присуството на струја во плазмата (како кај токамаците или во инсталациите засновани на ефектот на штипкање), и затоа ѕвездениот може да работи во стационарен режим. Покрај тоа, намотувањето на завртката може да има ефект на „дивертор“, т.е. прочистување на плазмата од нечистотии и отстранување на производите од реакцијата.

Затворањето на плазмата во ѕвездените е опширно проучувано во објекти во Европската унија, Русија, Јапонија и САД. Во ѕвездениот Венделштајн VII во Германија, беше можно да се одржи плазма што не носи струја со температура од повеќе од 5×106 келвини, загревајќи ја со инјектирање атомски зрак со висока енергија.

Неодамнешните теоретски и експериментални студии покажаа дека во повеќето опишани инсталации, а особено во затворени тороидални системи, времето на затворање на плазмата може да се зголеми со зголемување на нејзините радијални димензии и ограниченото магнетно поле. На пример, за токамак се пресметува дека Лосоновиот критериум ќе биде задоволен (па дури и со одредена маргина) при јачина на магнетно поле од ~ 50 x 100 kG и мал радиус на тороидалната комора од прибл. 2 m Ова се параметрите за инсталација за 1000 MW електрична енергија.

Кога се создаваат толку големи инсталации со магнетна плазма затворање, се појавуваат сосема нови технолошки проблеми. За да се создаде магнетно поле од редот од 50 kG во волумен од неколку кубни метри со помош на бакарни калеми што се ладат со вода, ќе биде потребен извор на електрична енергија со капацитет од неколку стотици мегавати. Затоа, очигледно е дека намотките на намотките мора да бидат направени од суперспроводливи материјали, како што се легури на ниобиум со титаниум или калај. Отпорноста на овие материјали на електрична струја во суперспроводлива состојба е нула, и затоа ќе се троши минимална количина електрична енергија за одржување на магнетното поле.

Технологија на реакторот.

Изгледи за термонуклеарно истражување.

Експериментите направени на инсталации од типот на токамак покажаа дека овој систем е многу ветувачки како можна основа за CTS реактор. Најдобри резултати досега се постигнати со токамаците, а постои надеж дека со соодветно зголемување на обемот на инсталациите, ќе може да се имплементира индустриски CTS на нив. Сепак, токамакот не е доволно економичен. За да се отстрани овој недостаток, неопходно е да работи не во пулсен режим, како што е сега, туку во континуиран режим. Но, физичките аспекти на овој проблем сè уште не се доволно проучени. Исто така, потребно е да се развијат технички средства кои би ги подобриле параметрите на плазмата и би ги елиминирале нејзините нестабилности. Со оглед на сето ова, не треба да заборавиме на другите можни, иако помалку развиени, опции за термонуклеарен реактор, на пример, ѕвездест или стискање обратно поле. Состојбата на истражување во оваа област достигна фаза каде што постојат концептуални дизајни на реактори за повеќето системи за магнетно затворање за плазми со висока температура и за некои системи за инерцијално затворање. Пример за индустриски развој на токамак е проектот Овен (САД).

Втората половина на 20 век беше период на брз развој на нуклеарната физика. Стана јасно дека нуклеарните реакции може да се користат за производство на огромна енергија од мали количини на гориво. Поминаа само девет години од експлозијата на првата нуклеарна бомба до првата нуклеарна централа, а кога беше тестирана хидрогенска бомба во 1952 година, имаше предвидувања дека термонуклеарните централи ќе стапат во функција во 1960-тите. За жал, овие надежи не беа оправдани.

Термонуклеарни реакции Од сите термонуклеарни реакции, само четири се од интерес во блиска иднина: деутериум + деутериум (производи - тритиум и протон, ослободена енергија 4,0 MeV), деутериум + деутериум (хелиум-3 и неутрон, 3,3 MeV), деутериум + тритиум (хелиум-4 и неутрон, 17,6 MeV) и деутериум + хелиум-3 (хелиум-4 и протон, 18,2 MeV). Првата и втората реакција се случуваат паралелно со еднаква веројатност. Добиените тритиум и хелиум-3 „горат“ во третата и четвртата реакција

Игор Егоров

Главниот извор на енергија за човештвото денес е согорувањето на јаглен, нафта и гас. Но, нивните залихи се ограничени, а производите од согорување ја загадуваат животната средина. Електрана на јаглен произведува повеќе радиоактивни емисии од нуклеарна централа со иста моќ! Па зошто сè уште не сме се префрлиле на извори на нуклеарна енергија? Постојат многу причини за ова, но главната неодамна беше радиофобијата. И покрај фактот дека електраната на јаглен, дури и при нормална работа, му штети на здравјето на многу повеќе луѓе отколку итни емисии во нуклеарна централа, тоа го прави тивко и незабележано од јавноста. Несреќите во нуклеарните централи веднаш стануваат главна вест во медиумите, предизвикувајќи општа паника (честопати целосно неосновани). Сепак, тоа не значи дека нуклеарната енергија нема објективни проблеми. Радиоактивниот отпад предизвикува многу проблеми: технологиите за работа со него сè уште се исклучително скапи, а идеалната ситуација кога целиот ќе биде целосно рециклиран и искористен е сè уште далеку.

Од сите термонуклеарни реакции, само четири се од интерес во блиска иднина: деутериум + деутериум (производи - тритиум и протон, ослободена енергија 4,0 MeV), деутериум + деутериум (хелиум-3 и неутрон, 3,3 MeV), деутериум + тритиум ( хелиум -4 и неутрон, 17,6 MeV) и деутериум + хелиум-3 (хелиум-4 и протон, 18,2 MeV). Првата и втората реакција се случуваат паралелно со еднаква веројатност. Добиените тритиум и хелиум-3 „горат“ во третата и четвртата реакција.

Од фисија до фузија

Потенцијално решение за овие проблеми е преминот од реактори за фисија на реактори за фузија. Додека типичен реактор за фисија содржи десетици тони радиоактивно гориво, кое се претвора во десетици тони радиоактивен отпад кој содржи широк спектар на радиоактивни изотопи, реактор за фузија користи само стотици грама, максимални килограми, од еден радиоактивен изотоп на водород. тритиум. Покрај тоа што реакцијата бара незначително количество од овој најмалку опасен радиоактивен изотоп, планирано е неговото производство да се изврши директно во електраната со цел да се минимизираат ризиците поврзани со транспортот. Производите за синтеза се стабилни (нерадиоактивни) и нетоксични водород и хелиум. Покрај тоа, за разлика од реакцијата на фисија, термонуклеарната реакција веднаш престанува кога инсталацијата е уништена, без да се создаде опасност од термичка експлозија. Па зошто се уште не е изградена ниту една оперативна термонуклеарна централа? Причината е што наведените предности неизбежно повлекуваат недостатоци: создавањето услови за синтеза се покажа многу потешко отколку што првично се очекуваше.

Лосон критериум

За термонуклеарната реакција да биде енергетски поволна, неопходно е да се обезбеди доволно висока температура на термонуклеарното гориво, доволно висока густина и доволно мали загуби на енергија. Последните нумерички се карактеризираат со таканареченото „време на задржување“, кое е еднакво на односот на топлинската енергија складирана во плазмата со моќта на загубата на енергија (многу луѓе погрешно веруваат дека „времето на задржување“ е времето во кое топла плазма се одржува во инсталацијата, но тоа не е така) . На температура од мешавина од деутериум и тритиум еднаква на 10 keV (приближно 110.000.000 степени), треба да го добиеме производот од бројот на честички на горивото во 1 cm 3 (т.е. концентрација во плазмата) и времето на задржување (во секунди). од најмалку 10 14. Не е важно дали имаме плазма со концентрација од 1014 cm -3 и време на задржување од 1 s, или плазма со концентрација од 10 23 и време на задржување од 1 ns. Овој критериум се нарекува критериум Лоусон.
Покрај Лосоновиот критериум, кој е одговорен за добивање енергетски поволна реакција, постои и критериум за палење на плазмата, кој за реакцијата на деутериум-тритиум е приближно три пати поголем од критериумот Лоусон. „Запалување“ значи дека делот од термонуклеарната енергија што останува во плазмата ќе биде доволна за одржување на потребната температура и повеќе нема да биде потребно дополнително загревање на плазмата.

Z-штипка

Првиот уред во кој беше планирано да се добие контролирана термонуклеарна реакција беше таканаречениот Z-pinch. Во наједноставниот случај, оваа инсталација се состои од само две електроди лоцирани во средина на деутериум (водород-2) или мешавина од деутериум и тритиум и батерија од високонапонски импулсни кондензатори. На прв поглед, се чини дека овозможува да се добие компримирана плазма загреана на огромни температури: токму она што е потребно за термонуклеарна реакција! Сепак, во животот, сè се покажа, за жал, да биде далеку од толку розово. Плазма јажето се покажа како нестабилно: најмалиот свиок доведува до зајакнување на магнетното поле од едната страна и слабеење на другата страна; добиените сили дополнително го зголемуваат свиткувањето на јажето - и целата плазма „паѓа“ на страничниот ѕид на комората. Јажето не само што е нестабилно на свиткување, туку и најмалото негово разредување доведува до зголемување на магнетното поле во овој дел, што ја компресира плазмата уште повеќе, стискајќи ја во преостанатиот волумен на јажето додека јажето конечно не се „исцеди. .“ Компресираниот дел има висок електричен отпор, па струјата се прекинува, магнетното поле исчезнува и целата плазма се распаѓа.

Принципот на работа на Z-pinch е едноставен: електричната струја генерира прстенесто магнетно поле, кое комуницира со истата струја и го компресира. Како резултат на тоа, густината и температурата на плазмата низ која тече струјата се зголемуваат.

Беше можно да се стабилизира плазматскиот пакет со примена на моќно надворешно магнетно поле на него, паралелно со струјата, и ставање во густа спроводлива обвивка (како што се движи плазмата, се движи и магнетното поле, што предизвикува електрична струја во обвивка, со тенденција да ја врати плазмата на своето место). Плазмата престана да се свиткува и штипка, но сè уште беше далеку од термонуклеарна реакција во какви било сериозни размери: плазмата ги допира електродите и им ја дава својата топлина.

Модерната работа на полето на фузија со Z-pinch сугерира уште еден принцип за создавање на фузиона плазма: струја тече низ волфрамовата плазма цевка, која создава моќни рендгенски зраци кои ја компресираат и загреваат капсулата со фузионо гориво сместено во плазма цевката, исто како што тоа го прави во термонуклеарна бомба. Сепак, овие дела се чисто истражувачки по природа (се проучуваат механизмите на работа на нуклеарното оружје), а ослободувањето на енергија во овој процес е сè уште милиони пати помало од потрошувачката.

Колку е помал односот на големиот радиус на токамак торусот (растојанието од центарот на целиот торус до центарот на пресекот на неговата цевка) до малиот (радиусот на напречниот пресек на цевката), поголем притисокот во плазмата може да биде под истото магнетно поле. Со намалување на овој сооднос, научниците се преселиле од кружен пресек на плазмата и вакуумската комора во D-облик (во овој случај, улогата на малиот радиус се игра за половина од висината на пресекот). Сите модерни токамаци ја имаат токму оваа форма на пресек. Ограничувачкиот случај беше таканаречениот „сферичен токамак“. Во таквите токамаци, вакуумската комора и плазмата имаат речиси сферична форма, со исклучок на тесен канал што ги поврзува половите на сферата. Проводниците на магнетните намотки минуваат низ каналот. Првиот сферичен токамак, СТАРТ, се појави дури во 1991 година, така што ова е прилично млад правец, но веќе ја покажа можноста да се добие ист плазма притисок со три пати помало магнетно поле.

Комора од плута, ѕвездест, токамак

Друга опција за создавање услови неопходни за реакција се таканаречените отворени магнетни стапици. Најпозната од нив е „плута ќелија“: цевка со надолжно магнетно поле што се зајакнува на своите краеви и слабее во средината. Зголеменото поле на краевите создава „магнетен приклучок“ (оттука и руското име) или „магнетно огледало“ (англиски - машина за огледало), што ја спречува плазмата да ја напушти инсталацијата низ краевите. Сепак, таквото задржување е нецелосно; некои наелектризирани честички кои се движат по одредени траектории можат да поминат низ овие заглавувања. И како резултат на судири, секоја честичка порано или подоцна ќе падне на таква траекторија. Покрај тоа, плазмата во комората на огледалото исто така се покажа како нестабилна: ако на некое место мал дел од плазмата се оддалечи од оската на инсталацијата, се јавуваат сили што ја исфрлаат плазмата на ѕидот на комората. Иако основната идеја за ќелијата на огледалото беше значително подобрена (што овозможи да се намалат и нестабилноста на плазмата и пропустливоста на огледалата), во пракса не беше можно ни да се пристапи кон параметрите неопходни за енергетски поволна синтеза. .

Дали е можно да се осигураме дека плазмата не излегува низ „приклучоците“? Се чини дека очигледното решение е да се тркала плазмата во прстен. Меѓутоа, тогаш магнетното поле внатре во прстенот е посилно од надвор, а плазмата повторно има тенденција да оди до ѕидот на комората. Излезот од оваа тешка ситуација исто така изгледаше сосема очигледен: наместо прстен, направете „фигура осум“, потоа во еден дел честичката ќе се оддалечи од оската на инсталацијата, а во друга ќе се врати назад. Вака научниците дошле до идејата за првиот ѕвездест. Но, таква „фигура осум“ не може да се направи во една рамнина, па моравме да ја искористиме третата димензија, свиткувајќи го магнетното поле во втората насока, што исто така доведе до постепено движење на честичките од оската до ѕидот на комората.

Ситуацијата драматично се промени со создавањето на инсталации од типот на токамак. Резултатите добиени во токамак Т-3 во втората половина на 1960-тите беа толку зачудувачки за тоа време што западните научници дојдоа во СССР со својата мерна опрема за самите да ги потврдат параметрите на плазмата. Реалноста дури и ги надмина нивните очекувања.

Овие фантастично испреплетени цевки не се уметнички проект, туку ѕвездена комора свиткана во сложена тридимензионална крива.

Во рацете на инерција

Покрај магнетното ограничување, постои фундаментално различен пристап кон термонуклеарната фузија - инерцијално ограничување. Ако во првиот случај се обидуваме да ја задржиме плазмата на многу ниска концентрација долго време (концентрацијата на молекулите во воздухот околу вас е стотици илјади пати поголема), тогаш во вториот случај ја компресираме плазмата на огромна густина, ред на големина поголема од густината на најтешките метали, во очекување дека реакцијата ќе има време да помине за тоа кратко време пред плазмата да има време да се распрсне на страните.

Првично, во 1960-тите, планот беше да се користи мала топка од замрзнато фузио гориво, рамномерно зрачено од сите страни со повеќе ласерски зраци. Површината на топката треба веднаш да испари и, рамномерно да се шири во сите правци, да го компресира и загрее преостанатиот дел од горивото. Меѓутоа, во пракса, зрачењето се покажа недоволно униформно. Покрај тоа, дел од енергијата на зрачењето се пренесувала на внатрешните слоеви, предизвикувајќи нивно загревање, што го отежнувало компресирањето. Како резултат на тоа, топката се компресира нерамномерно и слабо.

Постојат голем број модерни конфигурации на ѕвездени, од кои сите се блиску до торус. Една од најчестите конфигурации вклучува употреба на намотки слични на намотките на полоидното поле на токамаците и четири до шест проводници извртени околу вакуумската комора со повеќенасочна струја. Сложеното магнетно поле создадено на овој начин овозможува плазмата да биде сигурно содржана без да се бара прстенеста електрична струја да тече низ неа. Дополнително, ѕвездените можат да користат и намотки со тороидално поле, како токамаците. И можеби нема спирални проводници, но потоа „тороидалните“ поле намотки се инсталираат по сложена тридимензионална крива. Неодамнешните случувања во областа на ѕвездените вклучуваат употреба на магнетни намотки и вакуумска комора со многу сложена форма (многу „стуткан“ торус), пресметан на компјутер.

Проблемот со нерамномерноста беше решен со значително менување на дизајнот на целта. Сега топката е сместена во специјална мала метална комора (наречена е „holraum“, од германскиот hohlraum - празнина) со дупки низ кои внатре влегуваат ласерски зраци. Покрај тоа, се користат кристали кои го претвораат IR ласерското зрачење во ултравиолетово. Ова УВ зрачење се апсорбира од тенок слој од хохраум материјал, кој се загрева до огромни температури и испушта меки рендгенски зраци. За возврат, зрачењето на Х-зраци се апсорбира со тенок слој на површината на капсулата за гориво (топката со гориво). Ова исто така овозможи да се реши проблемот со предвремено загревање на внатрешните слоеви.

Сепак, моќта на ласерите се покажа како недоволна за да реагира забележлив дел од горивото. Покрај тоа, ефикасноста на ласерите беше многу ниска, само околу 1%. За фузијата да биде енергетски корисна при толку ниска ласерска ефикасност, мораше да реагира скоро целото компримирано гориво. Кога се обидувале да ги заменат ласерите со зраци од лесни или тешки јони, кои можат да се генерираат со многу поголема ефикасност, научниците се соочиле и со многу проблеми: светлосните јони се одбиваат едни со други, што ги спречува да се фокусираат и се забавуваат кога се судираат со преостанатите гас во комората и акцелератори Не беше можно да се создадат тешки јони со потребните параметри.

Магнетни изгледи

Најголем дел од надежта во областа на енергијата на фузија сега лежи во токамаците. Особено откако отворија режим со подобрено задржување. Токамак е и Z-штипка валана во прстен (прстенестата електрична струја тече низ плазмата, создавајќи магнетно поле неопходно за да го содржи), и низа од огледални ќелии собрани во прстен и создавајќи „брановидна“ тороидална магнетна Поле. Покрај тоа, полето нормално на рамнината на торусот, создадено од неколку индивидуални намотки, е надредено на тороидалното поле на намотките и полето на струјата на плазмата. Ова дополнително поле, наречено полоидално, го зајакнува магнетното поле на плазма струјата (исто така полоидално) од надворешната страна на торусот и го ослабува однатре. Така, вкупното магнетно поле на сите страни на плазма јажето се покажува исто, а неговата позиција останува стабилна. Со менување на ова дополнително поле, можно е да се помести плазма снопот во внатрешноста на вакуумската комора во одредени граници.

Фундаментално поинаков пристап кон синтезата нуди концептот на мионска катализа. Мионот е нестабилна елементарна честичка која има ист полнеж како електрон, но 207 пати поголема маса. Мион може да замени електрон во атом на водород, а големината на атомот се намалува за фактор 207. Ова овозможува едно водородно јадро да се приближи до друго без да троши енергија. Но, за да се произведе еден мион, се трошат околу 10 GeV енергија, што значи дека е неопходно да се извршат неколку илјади реакции на фузија по мион за да се добијат енергетски придобивки. Поради можноста мион да се „лепи“ за хелиумот формиран во реакцијата, сè уште не се постигнати повеќе од неколку стотици реакции. Фотографијата го прикажува склопот на ѕвездениот Венделштајн z-x во Институтот за плазма физика Макс Планк.

Важен проблем на токамаците долго време беше потребата да се создаде прстенеста струја во плазмата. За да го направите ова, магнетно коло беше поминато низ централната дупка на токамак торусот, магнетниот тек во кој континуирано се менуваше. Промената на магнетниот тек генерира вителско електрично поле, кое го јонизира гасот во вакуумската комора и ја одржува струјата во добиената плазма. Меѓутоа, струјата во плазмата мора постојано да се одржува, што значи дека магнетниот тек мора постојано да се менува во една насока. Ова, се разбира, е невозможно, па струјата во токамакс можеше да се одржува само ограничено време (од дел од секунда до неколку секунди). За среќа, откриена е таканаречената bootstrap струја, која се јавува во плазма без надворешно вителско поле. Покрај тоа, развиени се методи за загревање на плазмата, истовремено предизвикувајќи ја потребната струја на прстенот во неа. Заедно, ова обезбеди потенцијал за одржување на топла плазма онолку долго колку што сакате. Во пракса, рекордот моментално му припаѓа на Торе Супра токамак, каде што плазмата непрекинато „гореше“ повеќе од шест минути.

Вториот тип на инсталација за затворање плазма, кој ветува многу, се ѕвездените. Во текот на изминатите децении, дизајнот на ѕвездените драматично се промени. Речиси ништо не остана од оригиналната „осумка“, а овие инсталации станаа многу поблиски до токамаците. Иако времето на затворање на ѕвездите е пократко од она на токамаците (поради помалку ефикасниот H-режим), а цената на нивната конструкција е поголема, однесувањето на плазмата во нив е помирно, што значи подолг животен век на првиот внатрешен ѕид на вакуумската комора. За комерцијален развој на термонуклеарната фузија, овој фактор е од големо значење.

Избор на реакција

На прв поглед, најлогично е да се користи чист деутериум како термонуклеарно гориво: тој е релативно евтин и безбеден. Сепак, деутериумот реагира со деутериум сто пати помалку отколку со тритиум. Тоа значи дека за работа на реактор на мешавина од деутериум и тритиум, доволна е температура од 10 keV, а за работа на чист деутериум потребна е температура поголема од 50 keV. И колку е повисока температурата, толку е поголема загубата на енергија. Затоа, барем за првпат се планира термонуклеарна енергија да се гради на гориво деутериум-тритиум. Тритиумот ќе се произведува во самиот реактор поради зрачењето со брзите литиумски неутрони произведени во него.
„Погрешни“ неутрони. Во култниот филм „9 дена од една година“, главниот лик, додека работел на термонуклеарна инсталација, добил сериозна доза на неутронско зрачење. Сепак, подоцна се покажа дека овие неутрони не се произведени како резултат на реакција на фузија. Ова не е изум на режисерот, туку вистински ефект забележан во Z-pinches. Во моментот на прекин на електричната струја, индуктивноста на плазмата доведува до создавање на огромен напон - милиони волти. Индивидуалните водородни јони, забрзани на ова поле, се способни буквално да ги исфрлат неутроните од електродите. На почетокот, овој феномен навистина беше земен како сигурен знак за термонуклеарна реакција, но последователната анализа на спектарот на неутронската енергија покажа дека тие имаат различно потекло.
Подобрен режим на задржување. Режимот H на токамак е начин на негово работење кога, со голема моќност на дополнително загревање, загубите на плазма енергија нагло се намалуваат. Случајното откривање на засилениот режим на затворање во 1982 година е исто толку значајно како и пронајдокот на самиот токамак. Сè уште не постои општо прифатена теорија за овој феномен, но тоа не го спречува истиот да се користи во пракса. Сите модерни токамаци работат во овој режим, бидејќи ги намалува загубите за повеќе од половина. Последователно, сличен режим беше откриен кај ѕвездените, што покажува дека ова е општо својство на тороидалните системи, но затворањето е подобрено само за околу 30% кај нив.
Загревање со плазма. Постојат три главни методи за загревање на плазмата до термонуклеарни температури. Омското загревање е загревање на плазмата поради протокот на електрична струја низ неа. Овој метод е најефикасен во првите фази, бидејќи како што се зголемува температурата, електричниот отпор на плазмата се намалува. Електромагнетното загревање користи електромагнетни бранови со фреквенција што одговара на фреквенцијата на ротација околу линиите на магнетното поле на електроните или јоните. Со вбризгување на брзи неутрални атоми, се создава прилив на негативни јони, кои потоа се неутрализираат, претворајќи се во неутрални атоми кои можат да поминат низ магнетното поле до центарот на плазмата за да ја пренесат својата енергија таму.
Дали се овие реактори? Тритиумот е радиоактивен, а моќното неутронско зрачење од реакцијата D-T создава индуцирана радиоактивност во елементите на дизајнот на реакторот. Мораме да користиме роботи, што ја отежнува работата. Во исто време, однесувањето на плазмата од обичен водород или деутериум е многу блиску до однесувањето на плазмата од мешавина на деутериум и тритиум. Ова доведе до фактот дека низ историјата, само две термонуклеарни инсталации целосно работеа на мешавина од деутериум и тритиум: TFTR и JET tokamaks. На други инсталации, дури и деутериум не се користи секогаш. Значи, името „термонуклеарна“ во дефиницијата за објект воопшто не значи дека во него всушност некогаш се случиле термонуклеарни реакции (а во оние што се случуваат, речиси секогаш се користи чист деутериум).
Хибриден реактор. Реакцијата D-T произведува неутрони од 14 MeV, кои дури можат да го расцепат осиромашениот ураниум. Расцепувањето на едно ураниумско јадро е придружено со ослободување на приближно 200 MeV енергија, што е повеќе од десет пати повеќе од енергијата што се ослободува за време на фузијата. Така, постоечките токамаци би можеле да станат енергетски корисни доколку се опкружени со ураниумска школка. Во споредба со реакторите за фисија, ваквите хибридни реактори би имале предност да спречат во нив да се развие неконтролирана верижна реакција. Покрај тоа, екстремно интензивните неутронски текови треба да ги претворат долготрајните производи од фисија на ураниум во краткотрајни, што значително го намалува проблемот со отстранување на отпадот.

Инерцијални надежи

Инертната фузија исто така не стои. Во текот на децениите на развој на ласерската технологија, се појавија изгледи за зголемување на ефикасноста на ласерите за приближно десет пати. И во пракса, нивната моќ е зголемена стотици и илјадници пати. Се работи и на тешки јонски акцелератори со параметри погодни за термонуклеарна употреба. Покрај тоа, концептот на „брзо палење“ беше критичен фактор во напредокот на инерцијалната фузија. Вклучува употреба на два импулси: едниот го компресира термонуклеарното гориво, а другиот загрева мал дел од него. Се претпоставува дека реакцијата што започнува во мал дел од горивото последователно ќе се прошири понатаму и ќе го покрие целото гориво. Овој пристап овозможува значително да се намалат трошоците за енергија, а со тоа и да се направи реакцијата профитабилна со помал дел од реагираното гориво.

Проблеми со Токамак

И покрај напредокот на инсталациите од други видови, токамаците во моментот сè уште остануваат надвор од конкуренција: ако два токамаки (TFTR и JET) во 1990-тите навистина произведоа ослободување на термонуклеарна енергија приближно еднаква на потрошувачката на енергија за загревање на плазмата (дури и иако таквиот режим траеше само околу една секунда), тогаш ништо слично не можеше да се постигне со други видови инсталации. Дури и едноставното зголемување на големината на токамаците ќе доведе до изводливост за енергетски поволна фузија во нив. Во Франција моментално се гради меѓународниот реактор ИТЕР, кој тоа ќе треба да го докаже на дело.

Сепак, проблеми имаат и токамаците. ITER чини милијарди долари, што е неприфатливо за идните комерцијални реактори. Ниту еден реактор не работел континуирано дури и неколку часа, а камоли со недели и месеци, што повторно е неопходно за индустриски апликации. Сè уште нема сигурност дека материјалите од внатрешниот ѕид на вакуумската комора ќе можат да издржат продолжено изложување на плазма.

Концептот на токамак со силно поле може да го направи проектот поефтин. Со зголемување на полето за два до три пати, се планира да се добијат потребните плазма параметри во релативно мала инсталација. Овој концепт, особено, е основа за реакторот Игнитор, кој заедно со италијанските колеги сега почнува да се гради во ТРИНИТ (Тринити институт за иновации и термонуклеарни истражувања) во близина на Москва. Доколку се остварат пресметките на инженерите, тогаш по цена многукратно помала од ITER, ќе може да се запали плазма во овој реактор.

Напред до ѕвездите!

Производите од термонуклеарна реакција летаат во различни насоки со брзина од илјадници километри во секунда. Ова овозможува да се создадат ултра-ефикасни ракетни мотори. Нивниот специфичен импулс ќе биде поголем од оној на најдобрите електрични млазни мотори, а нивната потрошувачка на енергија може да биде дури и негативна (теоретски, можно е да се генерира, наместо да се троши, енергија). Покрај тоа, постојат сите причини да се верува дека правењето термонуклеарен ракетен мотор ќе биде уште полесно од реактор на земја: нема проблем со создавање вакуум, со топлинска изолација на суперспроводливи магнети, нема ограничувања за димензиите итн. Покрај тоа, пожелно е производството на електрична енергија од моторот, но воопшто не е потребно, доволно е тој да не троши премногу од него.

Електростатско затворање

Концептот на електростатско јонско ограничување најлесно се разбира преку поставување наречено фузор. Се заснова на сферична мрежеста електрода, на која се применува негативен потенцијал. Јоните забрзани во посебен акцелератор или од полето на самата централна електрода паѓаат во него и се задржуваат таму со електростатско поле: ако јон има тенденција да излета надвор, полето на електродата го враќа назад. За жал, веројатноста јон да се судри со мрежа е многу поредоци на големина поголема од веројатноста да влезе во реакција на фузија, што ја прави енергетски поволна реакција невозможна. Ваквите инсталации најдоа примена само како извори на неутрони.
Во обид да направат сензационално откритие, многу научници се трудат да видат синтеза секогаш кога е можно. Имаше бројни извештаи во печатот во врска со различни опции за таканаречената „ладна фузија“. Синтезата е откриена во метали „импрегнирани“ со деутериум кога низ нив тече електрична струја, при електролиза на течности заситени со деутериум, при формирање на кавитациони меури во нив, како и во други случаи. Сепак, повеќето од овие експерименти немале задоволителна репродуктивност во други лаборатории, а нивните резултати речиси секогаш може да се објаснат без употреба на синтеза.
Продолжувајќи ја „славната традиција“ која започна со „филозофскиот камен“, а потоа се претвори во „машина за постојано движење“, многу современи измамници сега нудат да купат од нив „генератор на ладна фузија“, „кавитационен реактор“ и друго „гориво“. -бесплатни генератори“: за филозофското Сите веќе го заборавија каменот, не веруваат во вечно движење, но нуклеарната фузија сега звучи доста убедливо. Но, за жал, во реалноста такви извори на енергија сè уште не постојат (а кога ќе можат да се создадат, тоа ќе го има во сите вести). Затоа, внимавајте: ако ви се понуди да купите уред кој генерира енергија преку ладна нуклеарна фузија, тогаш тие едноставно се обидуваат да ве „измамат“!

Според прелиминарните проценки, дури и со сегашното ниво на технологија, можно е да се создаде термонуклеарен ракетен мотор за лет до планетите на Сончевиот систем (со соодветно финансирање). Совладувањето на технологијата на таквите мотори ќе ја зголеми брзината на летовите со екипаж за десет пати и ќе овозможи да има големи резерви на гориво на бродот, што ќе го отежне летањето до Марс од сегашното работење на ISS. Брзините од 10% од брзината на светлината потенцијално ќе станат достапни за автоматските станици, што значи дека ќе биде можно да се испраќаат истражувачки сонди до блиските ѕвезди и да се добијат научни податоци за време на животот на нивните создавачи.

Концептот на термонуклеарен ракетен мотор заснован на инерцијална фузија во моментов се смета за најразвиен. Разликата помеѓу моторот и реакторот лежи во магнетното поле, кое ги насочува наелектризираните производи на реакцијата во една насока. Втората опција вклучува користење на отворена стапица, во која еден од приклучоците е намерно ослабен. Плазмата што тече од него ќе создаде реактивна сила.

Термонуклеарна иднина

Совладувањето на термонуклеарната фузија се покажа како многу потешки отколку што изгледаше на почетокот. И иако многу проблеми се веќе решени, преостанатите ќе бидат доволни за следните неколку децении напорна работа на илјадници научници и инженери. Но, изгледите што ни ги отвораат трансформациите на изотопи на водород и хелиум се толку големи, а патеката што е тргната е веќе толку значајна што нема смисла да се запре на половина пат. Без разлика што велат бројните скептици, иднината несомнено лежи во синтезата.

Атомот е градежен блок на Универзумот. Има само околу сто различни видови атоми. Повеќето елементи се стабилни (на пример, кислородот и азот во атмосферата; јаглеродот, кислородот и водородот се главните компоненти на нашето тело и сите други живи организми). Другите елементи, главно многу тешки, се нестабилни, што значи дека тие спонтано се распаѓаат и формираат други елементи. Оваа трансформација се нарекува нуклеарна реакција.

Нуклеарните реакции се трансформации на атомски јадра при интеракција со елементарни честички, g-кванти или едни со други.

Нуклеарните реакции се поделени на два вида: нуклеарна фисија и термонуклеарна фузија.

Реакција на нуклеарна фисија е процес на разделување на атомското јадро на две (поретко три) јадра со слични маси, наречени фрагменти на фисија. Како резултат на фисија, може да се појават и други производи на реакција: светлосни јадра (главно алфа честички), неутрони и гама зраци. Поделбата може да биде спонтана (спонтана) и присилна.

Спонтано (спонтано) е нуклеарна фисија, при која некои прилично тешки јадра се распаѓаат на два фрагменти со приближно еднакви маси.

За прв пат беше откриена спонтана фисија за природен ураниум. Како и секој друг вид на радиоактивно распаѓање, спонтаната фисија се карактеризира со полуживот (период на фисија). Полуживотот за спонтана фисија варира за различни јадра во многу широки граници (од 1018 години за 93Np237 до неколку десетини од секундата за трансураниумските елементи).

Присилната фисија на јадрата може да биде предизвикана од било која честичка: фотони, неутрони, протони, деутрони, б-честички итн., доколку енергијата што тие придонесуваат за јадрото е доволна за надминување на бариерата за фисија. За нуклеарната енергија, фисијата предизвикана од неутроните е од поголема важност. Реакцијата на фисија на тешките јадра беше изведена за прв пат на ураниум U235. За да се распадне јадрото на ураниум на два фрагменти, му се дава енергија на активирање. Јадрото на ураниумот ја добива оваа енергија со фаќање на неутрон. Јадрото доаѓа во возбудена состојба, се деформира, се појавува „мост“ помеѓу деловите на јадрото и под влијание на Куломовите одбивни сили јадрото се дели на два фрагменти со нееднаква маса. Двата фрагменти се радиоактивни и испуштаат 2 или 3 секундарни неутрони.

Ориз. 4

Секундарните неутрони се апсорбираат од соседните јадра на ураниум, што предизвикува нивна фисија. Под соодветни услови, може да се случи саморазвивачки процес на масовна нуклеарна фисија, наречен нуклеарна верижна реакција. Оваа реакција е придружена со ослободување на колосална енергија. На пример, со целосно согорување на 1 g ураниум се ослободува 8,28·1010 J енергија. Нуклеарната реакција се карактеризира со термички ефект, што е разлика помеѓу останатите маси на јадрата што влегуваат во нуклеарната реакција и оние што се формираат како резултат на реакцијата, т.е. Енергетскиот ефект на нуклеарната реакција се одредува главно од разликата во масите на крајните и почетните јадра. Врз основа на еквивалентноста на енергијата и масата, можно е да се пресмета енергијата ослободена или потрошена за време на нуклеарна реакција ако точно ја знаеме масата на сите јадра и честички кои учествуваат во реакцијата. Според законот на Ајнштајн:

• ?E=?mс2
• ?E = (mA + mx - mB - my)c2

каде што mA и mx се масите на целното јадро и јадрото кое бомбардира (честичка), соодветно;

mB и my се масите на јадрата настанати како резултат на реакцијата.

Колку повеќе енергија се ослободува за време на формирањето на јадрото, толку е посилно. Нуклеарната врзувачка енергија е количината на енергија потребна за да се разложи јадрото на атомот на неговите составни делови - нуклеони (протони и неутрони).

Пример за неконтролирана верижна реакција на фисија е експлозијата на атомска бомба; контролирана нуклеарна реакција се изведува во нуклеарни реактори.

Термонуклеарната фузија е реакција инверзна на атомската фисија, реакција на фузија на лесни атомски јадра во потешки јадра, која се јавува на ултра високи температури и придружена со ослободување на огромни количини на енергија. Спроведувањето на контролирана термонуклеарна фузија ќе му даде на човештвото нов еколошки и практично неисцрпен извор на енергија, кој се заснова на судир на јадра на водородни изотопи, а водородот е најзастапената супстанција во Универзумот.

Процесот на фузија се случува со забележлив интензитет само помеѓу светлосните јадра кои имаат мал позитивен полнеж и само на високи температури, кога кинетичката енергија на јадрата што се судираат е доволна за да се надмине Кулоновата потенцијална бариера. Реакциите помеѓу тешките изотопи на водород (деутериум 2H и тритиум 3H) се случуваат со неспоредливо поголема брзина со формирање на силно врзани јадра на хелиум.

2D + 3T > 4He (3,5 MeV) + 1n (14,1 MeV)

Овие реакции се од најголем интерес за проблемот со контролирана термонуклеарна фузија. Деутериум се наоѓа во морската вода. Неговите резерви се јавно достапни и многу големи: деутериумот сочинува околу 0,016% од вкупниот број атоми на водород што ја сочинуваат водата, додека светските океани покриваат 71% од површината на Земјата. Реакцијата која вклучува тритиум е поатрактивна бидејќи е придружена со големо ослободување на енергија и продолжува со значителна брзина. Тритиумот е радиоактивен (полуживот 12,5 години) и не се јавува во природата. Следствено, за да се обезбеди работа на предложениот термонуклеарен реактор кој користи тритиум како нуклеарно гориво, мора да се обезбеди можност за репродукција на тритиум.

Реакцијата со таканаречениот лунарен изотоп 3He има голем број на предности во споредба со реакцијата на деутериум-тритиум, која е најостварлива во копнени услови.

2D + 3He > 4He (3,7 MeV) + 1p (14,7 MeV)

Предности:

• 1. 3Тој не е радиоактивен.
• 2. Десетици пати помал неутронски флукс од реакционата зона, што нагло ја намалува индуцираната радиоактивност и деградација на структурните материјали на реакторот;
• 3. Добиените протони, за разлика од неутроните, лесно се заробуваат и можат да се користат за дополнително производство на електрична енергија.

Природното изотопско изобилство на 3He во атмосферата е 0,000137%. Поголемиот дел од 3He на Земјата е зачуван од нејзиното формирање. Се раствора во мантија и постепено влегува во атмосферата. На Земјата се ископува во многу мали количини, во износ од неколку десетици грама годишно.

Хелиум-3 е нуспроизвод на реакциите што се случуваат на Сонцето. Како резултат на тоа, на Месечината, која нема атмосфера, има до 10 милиони тони од оваа вредна супстанција (според минимални проценки - 500 илјади тони). За време на термонуклеарната фузија, кога 1 тон хелиум-3 реагира со 0,67 тони деутериум, се ослободува енергија еднаква на согорувањето на 15 милиони тони нафта (сепак, техничката изводливост на оваа реакција во моментот не е проучена). Следствено, лунарниот ресурс на хелиум-3 треба да биде доволен за населението на нашата планета барем во следниот милениум. Главниот проблем останува реалноста на екстракција на хелиум од лунарната почва. Содржината на хелиум-3 во реголит е ~ 1 g на 100 тони.Затоа, за да се извлече еден тон од овој изотоп, мора да се преработат најмалку 100 милиони тони почва. Температурата на која може да се случи реакцијата на термонуклеарна фузија достигнува вредност од редот од 108 - 109 К. На оваа температура, супстанцијата е во целосно јонизирана состојба, која се нарекува плазма. Така, изградбата на реактор вклучува: добивање на плазма загреана на температури од стотици милиони степени; одржување на конфигурацијата на плазмата со текот на времето за да се појават нуклеарни реакции.

Термонуклеарната енергија има важни предности во однос на нуклеарните централи: користи апсолутно нерадиоактивен деутериум и изотоп на хелиум-3 и радиоактивен тритиум, но во волумени илјадници пати помали отколку во нуклеарната енергија. И во можни итни ситуации, радиоактивната позадина во близина на термонуклеарната централа нема да ги надмине природните индикатори. Во исто време, по единица тежина на термонуклеарното гориво, се добива приближно 10 милиони пати повеќе енергија отколку при согорување на органско гориво и приближно 100 пати повеќе отколку при фисија на јадра на ураниум. Во природни услови, термонуклеарните реакции се случуваат во длабочините на ѕвездите, особено во внатрешните области на Сонцето, и служат како постојан извор на енергија што го одредува нивното зрачење. Согорувањето на водородот во ѕвездите се случува со мала брзина, но огромната големина и густината на ѕвездите обезбедуваат континуирана емисија на огромни струи на енергија за милијарди години.

Сите хемиски елементи на нашата планета и на Универзумот како целина се формирани како резултат на термонуклеарни реакции што се случуваат во јадрата на ѕвездите. Термонуклеарните реакции во ѕвездите доведуваат до постепена промена во хемискиот состав на ѕвездената материја, што предизвикува реструктуирање на ѕвездата и нејзино напредување по еволутивниот пат. Првата фаза од еволуцијата завршува со трошење на водородот во централните области на ѕвездата. Потоа, по зголемувањето на температурата предизвикано од компресија на централните слоеви на ѕвездата, лишени од извори на енергија, ефективни стануваат термонуклеарни реакции на согорување на хелиум, кои се заменуваат со согорување на C, O, Si и последователни елементи - до Fe. и Ни. Секоја фаза од еволуцијата на ѕвездите одговара на одредени термонуклеарни реакции. Први во синџирот на вакви нуклеарни реакции се водородните термонуклеарни реакции. Тие продолжуваат на два начина во зависност од почетната температура во центарот на ѕвездата. Првата патека е водородниот циклус, втората патека е циклусот CNO.

Водороден циклус:

• 1H + 1H = 2D + e+ + v +1,44 MeV
• 2D + 1H = 3He + g +5,49 MeV

I: 3He + 3He = 4He + 21H + 12,86 MeV

или 3He + 4He = 7Be + g + 1,59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 MeV или 7Be + 1H = 8B + g +0,137 MeV

II: 7Li + 1H = 2 4He + 17,348 MeV 8B = 8Be* + e+ + v + 15,08 MeV

III. 8Be* = 2 4He + 2,99 MeV

Водородниот циклус започнува со судир на два протони (1H, или p) за да се формира јадро на деутериум (2D). Деутериумот реагира со протон за да формира светлосен (лунарен) изотоп на хелиум 3He, испуштајќи гама фотон (g). Месечевиот изотоп 3He може да реагира на два различни начини: две јадра 3He се судираат за да формираат 4He со елиминација на два протони, или 3He се комбинира со 4He и дава 7Be. Вториот, пак, фаќа или електрон (е-) или протон и се јавува уште едно разгранување на синџирот на реакции протон-протон. Како резултат на тоа, водородниот циклус може да заврши на три различни начини I, II и III. За спроведување на гранката I, првите две реакции на V. c. мора да се случи двапати, бидејќи во овој случај две 3He јадра исчезнуваат одеднаш. Во гранката III, особено енергични неутрина се емитуваат за време на распаѓањето на 8B јадрото на борот со формирање на нестабилно јадро на берилиум во возбудена состојба (8Be*), кое речиси веднаш се распаѓа на две 4He јадра. Циклусот CNO е збир од три поврзани или, поточно, делумно преклопувачки циклуси: CN, NO I, NO II. Синтезата на хелиум од водород во реакциите на овој циклус се случува со учество на катализатори, чија улога ја играат малите примеси на изотопи C, N и O во ѕвездената материја.

Главниот пат на реакција на циклусот CN е:

• 12C + p = 13N + g +1,95 MeV
• 13N = 13C + e+ + n +1,37 MeV
• 13C + p = 14N + g + 7,54 MeV (2,7 106 години)
• 14N + p = 15O + g +7,29 MeV (3,2 108 години)
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV (82 секунди)
• 15N + p = 12C + 4He +4,96 MeV (1,12 105 години)

Суштината на овој циклус е индиректна синтеза на b честичка од четири протони при нивното последователно заробување од јадрата, почнувајќи од 12C.

Во реакцијата со заробување на протон од јадрото 15N, можен е друг исход - формирање на јадро 16O и се раѓа нов циклус NO I.

Ја има потполно истата структура како циклусот CN:

• 14N + 1H = 15O + g +7,29 MeV
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV
• 15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 14N + 4He +1,19 MeV

Циклусот NO I ја зголемува брзината на ослободување на енергија во циклусот CN, зголемувајќи го бројот на јадрата на катализаторот во циклусот CN.

Последната реакција од овој циклус, исто така, може да има различен исход, што ќе доведе до друг циклус NO II:

• 15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 18F + g +5,61 MeV
• 18O + 1H = 15N + 4He +3,98 MeV

Така, циклусите CN, NO I и NO II формираат троен CNO циклус.

Постои уште еден многу бавен четврти циклус, циклусот OF, но неговата улога во производството на енергија е занемарлива. Сепак, овој циклус е многу важен во објаснувањето на потеклото на 19F.

• 17O + 1H = 18F + g + 5,61 MeV
• 18F = 18O + e+ + n + 1,656 MeV
• 18O + 1H = 19F + g + 7,994 MeV
• 19F + 1H = 16O + 4He + 8,114 MeV
• 16O + 1H = 17F + g + 0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n + 2,76 MeV

За време на експлозивното согорување на водород во површинските слоеви на ѕвездите, на пример, за време на експлозии на супернова, може да се развијат многу високи температури, а природата на циклусот CNO драматично се менува. Се претвора во таканаречениот жежок CNO циклус, во кој реакциите се многу брзи и збунувачки.

Хемиските елементи потешки од 4He почнуваат да се синтетизираат само по целосно согорување на водород во централниот регион на ѕвездата:

4He + 4He + 4He > 12C + g + 7,367 MeV

Реакции на согорување на јаглерод:

• 12C + 12C = 20Ne + 4He +4,617 MeV
• 12C + 12C = 23Na + 1H -2,241 MeV
• 12C + 12C = 23Mg + 1n +2,599 MeV
• 23Mg = 23Na + e+ + n + 8,51 MeV
• 12C + 12C = 24Mg + g +13,933 MeV
• 12C + 12C = 16O + 24He -0,113 MeV
• 24Mg + 1H = 25Al + g

Кога температурата ќе достигне 5·109 K во ѕвездите во услови на термодинамичка рамнотежа, се случуваат голем број различни реакции, што резултира со формирање на атомски јадра до Fe и Ni.

Реакцијата на фузија е како што следува: се земаат две или повеќе атомски јадра и, со помош на одредена сила, се спојуваат толку блиску што силите што дејствуваат на такви растојанија преовладуваат над силите на Кулоновото одбивање помеѓу еднакво наелектризираните јадра, што резултира со формирање на ново јадро. Ќе има малку помала маса од збирот на масите на првобитните јадра, а разликата станува енергијата што се ослободува за време на реакцијата. Количината на ослободена енергија е опишана со добро познатата формула E=mc². Полесните атомски јадра полесно се спојуваат до посакуваното растојание, така што водородот - најзастапениот елемент во Универзумот - е најдоброто гориво за реакцијата на фузија.

Откриено е дека мешавина од два изотопи на водород, деутериум и тритиум, бара најмала количина на енергија за реакцијата на фузија во споредба со енергијата ослободена за време на реакцијата. Сепак, иако деутериум-тритиум (D-T) е предмет на повеќето истражувања за фузија, тој во никој случај не е единственото потенцијално гориво. Други мешавини може да бидат полесни за производство; нивната реакција може да биде посигурно контролирана или, уште поважно, да произведе помалку неутрони. Од особен интерес се таканаречените реакции „без неутрони“, бидејќи успешната индустриска употреба на такво гориво ќе значи отсуство на долгорочна радиоактивна контаминација на материјалите и дизајнот на реакторот, што, пак, може да има позитивно влијание врз јавноста. мислење и севкупните трошоци за работа на реакторот, со што значително се намалуваат трошоците за неговото деактивирање. Останува проблемот што синтезните реакции со користење на алтернативни горива се многу потешки за одржување, така што реакцијата D-T се смета само за неопходен прв чекор.

Шема на реакцијата на деутериум-тритиум

Контролираната фузија може да користи различни видови реакции на фузија во зависност од видот на употребеното гориво.

Реакција на деутериум + тритиум (гориво D-T)

Најлесно изводлива реакција е деутериум + тритиум:

2 H + 3 H = 4 He + n на излезна енергија од 17,6 MeV (мегаелектронволт)

Оваа реакција е најлесно изводлива од гледна точка на современи технологии, обезбедува значителен принос на енергија, а компонентите за гориво се евтини. Неговиот недостаток е ослободувањето на несаканото неутронско зрачење.

Две јадра: деутериум и тритиум се спојуваат за да формираат јадро на хелиум (алфа честичка) и високоенергетски неутрон.

²H + ³Тој = 4 Тој + . со излезна енергија од 18,4 MeV

Условите за негово постигнување се многу покомплицирани. Хелиум-3 е исто така редок и екстремно скап изотоп. Во моментов не се произведува на индустриско ниво. Сепак, може да се добие од тритиум, кој пак се произведува во нуклеарните централи.

Комплексноста на спроведувањето на термонуклеарна реакција може да се карактеризира со тројниот производ nTt (густина по температура според времето на затворање). Според овој параметар, реакцијата D-3He е приближно 100 пати посложена од реакцијата D-T.

Реакција помеѓу јадрата на деутериум (D-D, монопропелант)

Можни се и реакции помеѓу јадрата на деутериум, тие се малку потешки од реакциите кои вклучуваат хелиум-3:

Како резултат на тоа, покрај главната реакција во ДД плазмата, се случува и следново:

Овие реакции се одвиваат бавно паралелно со реакцијата на деутериум + хелиум-3, а тритиумот и хелиум-3 формирани за време на нив веројатно веднаш ќе реагираат со деутериум.

Други видови на реакции

Можни се и други видови реакции. Изборот на гориво зависи од многу фактори - неговата достапност и ниска цена, излезна енергија, леснотија на постигнување на условите потребни за реакција на термонуклеарната фузија (првенствено температура), потребните дизајнерски карактеристики на реакторот итн.

Реакции „без неутрони“.

Најмногу ветуваат т.н. Реакции „без неутрони“, бидејќи неутронскиот флукс генериран со термонуклеарна фузија (на пример, во реакцијата на деутериум-тритиум) носи значителен дел од моќноста и генерира индуцирана радиоактивност во дизајнот на реакторот. Реакцијата деутериум-хелиум-3 е ветувачка поради недостатокот на принос на неутрони.

Услови

Нуклеарна реакција на литиум-6 со деутериум 6 Li(d,α)α

TCB е возможен ако се исполнети два критериуми истовремено:

• Температура на плазмата:

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

• Усогласеност со критериумот на Лоусон:

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

каде е густината на плазмата со висока температура, е времето на задржување на плазмата во системот.

Од вредноста на овие два критериуми главно зависи стапката на појава на одредена термонуклеарна реакција.

Во моментов, контролираната термонуклеарна фузија сè уште не е спроведена на индустриско ниво. Изградбата на меѓународниот истражувачки реактор ИТЕР е во рана фаза.

Енергија на фузија и хелиум-3

Резервите на хелиум-3 на Земјата се движат од 500 кг до 1 тон, но на Месечината се наоѓаат во значителни количини: до 10 милиони тони (според минималните проценки - 500 илјади тони). Во моментов, контролирана термонуклеарна реакција се изведува со синтеза на деутериум ²H и тритиум ³H со ослободување на хелиум-4 4 He и „брзиот“ неутрон n:

Сепак, поголемиот дел (повеќе од 80%) од ослободената кинетичка енергија доаѓа од неутронот. Како резултат на судири на фрагменти со други атоми, оваа енергија се претвора во топлинска енергија. Покрај тоа, брзите неутрони создаваат значителни количини на радиоактивен отпад. Спротивно на тоа, синтезата на деутериум и хелиум-3³ Тој не произведува (речиси) радиоактивни производи:

Каде што p е протон

Ова овозможува користење на поедноставни и поефикасни системи за конвертирање на кинетичката синтеза реакција, како што е магнетохидродинамичен генератор.

Дизајни на реактори

Разгледани се две основни шеми за спроведување на контролирана термонуклеарна фузија.

Истражувањето на првиот тип термонуклеарен реактор е значително поразвиено отколку на вториот. Во нуклеарната физика, кога се проучува термонуклеарната фузија, се користи магнетна стапица за да содржи плазма во одреден волумен. Магнетната стапица е дизајнирана да ја одржува плазмата од контакт со елементите на термонуклеарниот реактор, т.е. се користи првенствено како топлински изолатор. Принципот на затворање се заснова на интеракцијата на наелектризираните честички со магнетното поле, имено на ротацијата на наелектризираните честички околу линиите на магнетното поле. За жал, магнетизираната плазма е многу нестабилна и има тенденција да го напушти магнетното поле. Затоа, за да се создаде ефективна магнетна стапица, се користат најмоќните електромагнети, кои трошат огромна количина на енергија.

Можно е да се намали големината на реактор за фузија ако користи три методи за создавање реакција на фузија истовремено.

А. Инерцијална синтеза. Зрачете ситни капсули гориво од деутериум-тритиум со ласер од 500 трилиони вати:5. 10^14 В. Овој огромен, многу краток ласерски пулс од 10^-8 секунди предизвикува експлозија на капсулите за гориво, што резултира со раѓање на мини-ѕвезда за дел од секундата. Но, на него не може да се постигне термонуклеарна реакција.

Б. Истовремено користете ја Z-машината со Токамак.

Z-Machine работи поинаку од ласерот. Поминува низ мрежа од ситни жици што ја опкружуваат капсулата за гориво, полнење со моќност од половина трилион вати 5,10^11 вати.

Следно, приближно истото се случува како и со ласерот: како резултат на ударот Z, се формира ѕвезда. За време на тестовите на Z-Machine, веќе беше можно да се започне реакција на фузија. http://www.sandia.gov/media/z290.htmПокријте ги капсулите со сребро и поврзете ги со сребрена или графитна нишка. Процесот на палење изгледа вака: Снимајте филамент (прикачен на група сребрени топчиња што содржат мешавина од деутериум и тритиум) во вакуумска комора. За време на дефект (празнење), формирајте молња канал низ нив и снабдувајте струја низ плазмата. Истовремено зрачете ги капсулите и плазмата со ласерско зрачење. И во исто време или порано вклучете го Токамак. користете три процеси на загревање со плазма истовремено. Односно, ставете ги Z-машината и ласерското греење заедно во внатрешноста на Токамак. Можеби е можно да се создаде осцилаторно коло од Токамак калеми и да се организира резонанца. Тогаш би работел во економичен осцилаторен режим.

Циклус на гориво

Реакторите од првата генерација најверојатно ќе работат на мешавина од деутериум и тритиум. Неутроните кои се појавуваат за време на реакцијата ќе бидат апсорбирани од заштитата на реакторот, а создадената топлина ќе се користи за загревање на течноста за ладење во разменувачот на топлина, а оваа енергија, пак, ќе се користи за ротирање на генераторот.

. .

Реакцијата со Li6 е егзотермна, обезбедувајќи малку енергија за реакторот. Реакцијата со Li7 е ендотермична - но не троши неутрони. Најмалку некои реакции на Li7 се неопходни за да се заменат неутроните изгубени во реакциите со други елементи. Повеќето дизајни на реактори користат природни мешавини на изотопи на литиум.

Ова гориво има голем број на недостатоци:

Реакцијата произведува значителен број на неутрони, кои го активираат (радиоактивно контаминираат) реакторот и разменувачот на топлина. Потребни се и мерки за заштита од можен извор на радиоактивен тритиум.

Само околу 20% од енергијата на фузија е во форма на наелектризирани честички (останатиот дел се неутрони), што ја ограничува можноста за директно претворање на енергијата на фузија во електрична енергија. Употребата на реакцијата D-T зависи од достапните резерви на литиум, кои се значително помали од резервите на деутериум. Изложеноста на неутроните за време на реакцијата D-T е толку значајна што по првата серија на тестови во JET, најголемиот реактор досега со користење на ова гориво, реакторот стана толку радиоактивен што мораше да се додаде роботски систем за далечинско одржување за да се заврши годишниот тест циклус.

Теоретски, постојат алтернативни видови на гориво кои ги немаат овие недостатоци. Но, нивната употреба е попречена од фундаментално физичко ограничување. За да се добие доволно енергија од реакцијата на фузија, потребно е одредено време да се одржи доволно густа плазма на температура на фузија (10 8 К). Овој фундаментален аспект на фузијата е опишан со производот на густината на плазмата, n, и времето на задржување на загреаната плазма, τ, потребно за да се достигне точката на рамнотежа. Производот, nτ, зависи од видот на горивото и е во функција на плазма температурата. Од сите видови гориво, мешавината на деутериум-тритиум бара најниска вредност nτ за најмалку ред на големина и најниска температура на реакцијата за најмалку 5 пати. Така, реакцијата D-T е неопходен прв чекор, но употребата на други горива останува важна истражувачка цел.

Реакција на фузија како индустриски извор на електрична енергија

Енергијата на фузија се смета од многу истражувачи како „природен“ извор на енергија на долг рок. Застапниците на комерцијалната употреба на реактори за фузија за производство на електрична енергија ги наведуваат следните аргументи во нивна корист:

• Практично неисцрпни резерви на гориво (водород)
• Горивото може да се извлече од морската вода на кој било брег на светот, што го оневозможува монополизирањето на горивото за една или група земји.
• Неможност за неконтролирана реакција на фузија
• Нема производи за согорување
• Нема потреба да се користат материјали кои можат да се користат за производство на нуклеарно оружје, со што се елиминираат случаите на саботажа и тероризам
• Во споредба со нуклеарните реактори, се произведуваат занемарливи количини на радиоактивен отпад со краток полуживот.
• Напрсток исполнет со деутериум се проценува дека произведува енергија еквивалентна на 20 тони јаглен. Езеро со средна големина може да обезбеди енергија на секоја земја стотици години. Сепак, треба да се забележи дека постоечките истражувачки реактори се дизајнирани да постигнат директна реакција деутериум-тритиум (ДТ), чиј циклус на гориво бара употреба на литиум за производство на тритиум, додека тврдењата за неисцрпна енергија се однесуваат на употребата на деутериум- реакција на деутериум (ДД) во втората генерација на реактори.
• Исто како реакцијата на фисија, реакцијата на фузија не произведува атмосферски емисии на јаглерод диоксид, што е главен придонесувач за глобалното затоплување. Ова е значајна предност, бидејќи употребата на фосилни горива за производство на електрична енергија резултира со, на пример, САД да произведуваат 29 kg CO 2 (еден од главните гасови што може да се смета за причина за глобалното затоплување) по жител на САД дневно. .

Трошоци за електрична енергија во споредба со традиционалните извори

Критичарите истакнуваат дека економската изводливост за користење на нуклеарна фузија за производство на електрична енергија останува отворено прашање. Истата студија нарачана од Канцеларијата за наука и технологија на британскиот парламент покажува дека трошоците за производство на електрична енергија со помош на реактор за фузија веројатно ќе бидат на повисокиот крај од спектарот на трошоци на конвенционалните извори на енергија. Многу ќе зависи од идната технологија, структурата на пазарот и регулативата. Цената на електричната енергија директно зависи од ефикасноста на користењето, времетраењето на работата и трошоците за деактивирање на реакторот. Критичарите на комерцијалната употреба на енергијата за нуклеарна фузија негираат дека јаглеводородните горива се во голема мера субвенционирани од владата, и директно и индиректно, како на пример преку употреба на војската за да се обезбеди непречено снабдување; војната во Ирак често се наведува како контроверзен пример за овој вид на субвенционирање. Сметководството за таквите индиректни субвенции е многу сложено и прави точни споредби на трошоците речиси невозможни.

Посебно прашање е цената на истражувањето. Земјите од Европската заедница трошат околу 200 милиони евра годишно за истражување, а се предвидува дека ќе бидат потребни уште неколку децении пред да биде возможна индустриската употреба на нуклеарна фузија. Застапниците на алтернативните извори на електрична енергија сметаат дека посоодветно би било овие средства да се искористат за воведување на обновливи извори на електрична енергија.

Достапност на комерцијална фузија енергија

За жал, и покрај широкиот оптимизам (од 1950-тите, кога започна првото истражување), сè уште не се надминати значајните пречки помеѓу денешното разбирање на процесите на нуклеарна фузија, технолошките способности и практичната употреба на нуклеарната фузија, не е јасно дури и до кој степен има може да биде Економски е профитабилно да се произведува електрична енергија користејќи термонуклеарна фузија. Иако напредокот во истражувањето е постојан, истражувачите се соочуваат со нови предизвици одвреме-навреме. На пример, предизвикот е да се развие материјал кој може да издржи неутронско бомбардирање, што се проценува дека е 100 пати поинтензивно од традиционалните нуклеарни реактори.

Во истражувањето се разликуваат следниве фази:

1.Рамнотежа или режим на „поминување“.(Break-even): кога вкупната енергија ослободена за време на процесот на синтеза е еднаква на вкупната енергија потрошена за започнување и одржување на реакцијата. Оваа врска е означена со симболот Q. Реакциската рамнотежа беше демонстрирана во JET (Joint European Torus) во ОК во 1997 година. (Откако потрошиле 52 MW електрична енергија за да ја загреат, научниците добиле излезна моќност која била за 0,2 MW поголема од потрошената.)

2.Запалена плазма(Плазма што гори): средна фаза во која реакцијата ќе биде поддржана првенствено од алфа честички кои се создаваат за време на реакцијата, наместо со надворешно загревање. П ≈ 5. Сè уште не е постигнато.

3. Палење(Запалување): стабилна реакција која се одржува. Треба да се постигне со големи вредности на Q. Сè уште не е постигнато.

Следниот чекор во истражувањето треба да биде ITER (Меѓународен термонуклеарен експериментален реактор), Меѓународниот термонуклеарен експериментален реактор. Во овој реактор се планира да се проучи однесувањето на високотемпературната плазма (запалена плазма со Q ~ 30) и структурните материјали за индустриски реактор. Последната фаза од истражувањето ќе биде ДЕМО: прототип на индустриски реактор во кој ќе се постигне палење и ќе се покаже практичната соодветност на новите материјали. Најоптимистичка прогноза за завршување на ДЕМО фазата: 30 години. Со оглед на проценетото време за изградба и пуштање во употреба на индустриски реактор, нè делат ~ 40 години од индустриска употреба на термонуклеарна енергија.

Постојни токамаци

Вкупно во светот се изградени околу 300 токамаци. Најголемите од нив се наведени подолу.

• СССР и Русија
  • Т-3 е првиот функционален уред.
  • Т-4 - зголемена верзија на Т-3
  • Т-7 е единствена инсталација во која за прв пат во светот е имплементиран релативно голем магнетен систем со суперспроводлив соленоид базиран на калај ниобат ладен со течен хелиум. Главната задача на Т-7 беше завршена: беше подготвена изгледите за следната генерација на суперспроводливи соленоиди за термонуклеарна енергија.
  • Т-10 и PLT се следниот чекор во светските термонуклеарни истражувања, тие се речиси со иста големина, еднаква моќност, со ист фактор на затворање. И добиените резултати се идентични: двата реактори ја постигнаа саканата температура на термонуклеарната фузија, а заостанувањето според критериумот Лоусон е само двесте пати.
  • Т-15 е реактор на денешницата со суперспроводлив соленоид кој дава јачина на полето од 3,6 Тесла.
• Либија
  • ТМ-4А
• Европа и ОК
  • JET (англиски) (Joint Europeus Tor) е најголемиот токамак во светот, создаден од организацијата Евроатом во ОК. Користи комбинирано греење: 20 MW - неутрално вбризгување, 32 MW - јонска циклотрон резонанца. Како резултат на тоа, критериумот Лосон е само 4-5 пати помал од нивото на палење.
  • Торе Супра (француски) (англиски) - токамак со суперспроводливи намотки, еден од најголемите во светот. Се наоѓа во истражувачкиот центар Кадараш (Франција).
• САД
  • TFTR (англиски) (Test Fusion Tokamak Reactor) - најголемиот токамак во САД (на Универзитетот Принстон) со дополнително загревање со брзи неутрални честички. Постигнат е висок резултат: критериумот Лосон при вистинска термонуклеарна температура е само 5,5 пати помал од прагот на палење. Затворено 1997 година
  • NSTX (англиски) (National Spherical Torus Experiment) е топчест токамак (сферомак) кој моментално работи на Универзитетот Принстон. Првата плазма во реакторот беше произведена во 1999 година, две години по затворањето на TFTR.