» »

Kontrolirana termonuklearna fuzija: još uvijek na horizontu. Kontrolisana termonuklearna fuzija je nadrilekarstvo Kontrolisana fuzija
21.08.2020

Da li je kontrolisana termonuklearna fuzija moguća u zemaljskim uslovima?

Ideja o korištenju termonuklearne fuzije u industrijske svrhe iznesena je prije 60 godina, 1950. godine. Ideja se činila jednostavnom. Četiri atoma vodika spajaju se u jedan atom helijuma, oslobađajući ogromnu količinu energije i bez zračenja. Na Zemlji ima puno vodonika, što znači da će biti moguće imati puno čiste energije. Ubrzo se ova ideja ostvarila, samo ne u industrijske, već u vojne svrhe - stvorena je hidrogenska bomba. Činilo se da ima malo toga da se uradi – da se proces uspori da ne postane eksplozivan, već da se odvija kontrolisanom brzinom. Činilo se da je problem rješiv. O nadolazećem energetskom izobilju pisalo je u školskim udžbenicima, pričalo se u medijima, snimani su popularni filmovi.

Započelo je izgradnjom tokomaksa - toroidnih instalacija za magnetno držanje plazme kako bi se postigli uslovi neophodni za odvijanje kontrolisane termonuklearne fuzije (slika 1, http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA %E0%EC% E0%EA).

Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka (prema najkonzervativnijim procjenama, to je koštalo 150 milijardi dolara). Ali do danas nijedan od izgrađenih tokamaka nije prikladan za industrijske svrhe. Glavni problem je što je prstenasti plazma filament s parametrima dovoljnim za nastanak termonuklearnih reakcija kratkog vijeka. Nedavno se na internetu pojavila još jedna „ohrabrujuća“ poruka (http://science.compulenta.ru/268602): „Japanski naučnici postavili su novi rekord u fizici plazme – uspjeli su zadržati plazmu u tokamaku JT-60 za 28,6 sekundi. Ovo je skoro dvostruko više od rekorda iz 2004. od 16,5 sekundi." Ovakva "umirujuća" poruka, kada je u pitanju upotreba termonuklearne fuzije u industrijske svrhe, može se shvatiti samo kao sprdnja. "Naučnici dođu na posao, uključe reaktor, reakcija se dešava brzo, izgleda, isključe ga, pa sjede i razmišljaju. Šta je razlog? Ali, nažalost, rezultat je negativan. Kontrolisani termonuklearni reaktor nije stvoreno.Još 30...40 godina i obećanja naučnika će se ispuniti.Ali hoće li biti?60 godina nema rezultata.Zašto bi se dobio za 30...40 godina,a ne za tri godine? " (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). Currently Heard ITER- projekat međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora. Projektovanje reaktora je završeno, odabrano je mjesto za njegovu izgradnju - na jugu Francuske. Projekat izgradnje ITER-a uključuje Kinu, Japan, Južnu Koreju, Rusiju, SAD, zemlje EU i Indiju. Cijena projekta je prvobitno procijenjena na 12 milijardi dolara. U julu 2010. godine, zbog promjena u dizajnu i veće cijene materijala, cijena izgradnje međunarodnog termonuklearnog reaktora ITER je prilagođena i povećana na 15 milijardi eura. Planirani rok isporuke reaktora je 2015. Šta se može očekivati ​​od sljedećeg tokamaka, iako vrlo velikog? Ali na kraju krajeva, na Suncu se kontinuirano odvija neeksplozivna termonuklearna reakcija!


Priča sa tokamacima me podsjeća na priču sa vječnim motorima. Svaki sljedeći izumitelj vječnog motora čeka da on proradi. I on ne radi. Ali izumitelji vječnih motora ne poznaju jedan od osnovnih zakona fizike - zakon održanja energije. Možda ni kreatori tokamaka nešto ne znaju? Da, vjerovatno jeste. Oni ne znaju svojstva nedavno otkrivene strukture kosmosovog vakuuma (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Ipak, bolje je dati riječ autoru otkrića A.V. Rykov:

"Astrofizika je nakon 1998. potvrdila da Univerzum ima skrivenu (bez zračenja) "tamnu" energiju i materiju. Otkriće vakuumske strukture omogućava razumijevanje ovih "tamnih" suština Univerzuma. "energije. Vakumska struktura ima elektromagnetnu karaktera i formirana je od kristalne rešetke sa elementarnim naelektrisanjem u svojim čvorovima veličine (+.-)1,602176462e -19 kulona i fluksove magnetske indukcije povezane sa naelektrisanjem, veličinom F \u003d 4,8032042e -18 Weber. Mreža s veličinom elementa 1.3987631e -15 m obavlja funkciju "tamne" energije, tok magnetne indukcije obavlja funkciju "tamne" materije.

Korak vakuumske strukture 37832 manji od radijusa atoma vodika, što objašnjava nemogućnost zaštite gravitacije i drugih sličnih akcija (uklanjanje električne napetosti sa naboja strukture). On je nepomičan i čvrsto povezan sa vakuumom Univerzuma, u kojem se svetlost širi prema Maksvelu. Malenost strukture osigurava njeno prisustvo i prodor u sve objekte i uređaje koje su napravili ljudi. Ovaj prodor postoji i u eksperimentalnim instalacijama tipa Tokamak. U modernim instalacijama sa magnetnim zamkama deuterijuma ili tricijuma plazme, potpuno penetrirajuća struktura vakuuma uništava magnetnu izolaciju i oslobađa plazmu iz nje. To je razlog neuspjeha pokušaja dobivanja termonuklearne energije na Zemlji. Na Suncu su sve termonuklearne reakcije ograničene u svemiru gravitacijom sa gravitacionim ubrzanjima od 273 m/sec2, što je nemoguće na Zemlji."

Od sebe mogu samo da dodam da je temperatura u centru Sunca oko 15 miliona stepeni, a pritisak i gustina su takođe neuporedivi sa onim što se može obezbediti na Zemlji.

Tvrdoglava želja za ovladavanjem termonuklearnom energijom je posljedica gigantskih energetskih potreba industrije, a zapravo i cjelokupne infrastrukture naše civilizacije. U međuvremenu, odavno je došlo vrijeme kada je bilo moguće i potrebno preći sa starih tehnologija koje troše energiju na nove tehnologije zasnovane na idejama bionike. I kada bi, ako ne prije 60 godina, nego prije 20-30 godina, sredstva uložena u to vrijeme u stvaranje tokamaka bila usmjerena na razvoj tehnologija za uštedu energije, naša planeta se ne bi suočila s problemima energetske gladi i ekološka katastrofa.

1. Pripremio projekat "Astrogalaksija" 2. Objava projekta, 05.10.2011. 3. Autor članka L.M. Toptunov za projekat "Astrogalaksija"

“Rekli smo da ćemo staviti Sunce u kutiju. Ideja je odlična. Ali problem je što ne znamo kako da napravimo ovu kutiju" - Pierre Gilles de Gennes, laureat nobelova nagrada na fizici 1991.

Iako postoji dosta teških elemenata potrebnih za nuklearne reakcije na Zemlji i u svemiru općenito, postoji mnogo lakih elemenata za termonuklearne reakcije i na Zemlji i u svemiru. Stoga je ideja da se termonuklearna energija koristi za dobrobit čovječanstva došla gotovo odmah uz razumijevanje procesa koji su u njenoj osnovi - ovo je obećavalo zaista neograničene mogućnosti, budući da su rezerve termonuklearnog goriva na Zemlji trebale biti dovoljne za desetine hiljada godina da se dođi.

Već 1951. godine pojavila su se dva glavna pravca u razvoju termonuklearnih reaktora: Andrej Saharov i Igor Tamm razvili su arhitekturu tokamaka u kojoj je radna komora bila torus, dok je Lyman Spitzer predložio arhitekturu složenijeg dizajna u obliku koji najviše podsjeća na obrnutu Möbiusovu traku ne samo jednom, već nekoliko puta.

Jednostavnost temeljnog dizajna tokamaka omogućila je dugo vremena razvoj ovog smjera poboljšanjem karakteristika konvencionalnih i supravodljivih magneta, kao i postupnim povećanjem veličine reaktora. Ali s povećanjem parametara plazme, postupno su se počeli pojavljivati ​​problemi s njenim nestabilnim ponašanjem, što je usporilo proces.

Složenost dizajna stelatora u potpunosti je dovela do činjenice da je nakon prvih eksperimenata 50-ih godina razvoj ovog smjera dugo stao. Nedavno je dobio novi dah s pojavom modernih kompjuterski potpomognutih sistema projektovanja, što je omogućilo da se Wendelstein 7-X stelator dizajnira sa parametrima i preciznošću dizajna neophodnim za njegov rad.

Fizika procesa i problemi u njegovoj implementaciji

Atomi željeza imaju maksimalnu energiju vezivanja po nukleonu – to jest mjera energije koja se mora potrošiti da se atom podijeli na sastavne neutrone i protone, podijeljenu s njihovim ukupnim brojem. Svi atomi sa manjom i većom masom imaju ovaj indikator ispod željeza:

Istovremeno, u reakcijama termonuklearne fuzije lakih atoma, do željeza, oslobađa se energija, a masa rezultirajućeg atoma postaje nešto manja od zbira masa početnih atoma za iznos koji odgovara energiji oslobođenoj prema na formulu E = mc² (tzv. defekt mase). Na isti način, energija se oslobađa tokom reakcija nuklearne fisije atoma težih od željeza.

Prilikom fuzijskih reakcija atoma oslobađa se ogromna energija, ali da bismo tu energiju izvukli, prvo moramo uložiti određeni napor da savladamo odbojne sile između atomskih jezgara koje su pozitivno nabijene (da bi se savladala Kulonova barijera). Nakon što smo uspjeli približiti par atoma potrebnoj udaljenosti, u igru ​​stupa jaka nuklearna sila koja veže neutrone i protone. Za svaku vrstu goriva, Kulonova barijera za pokretanje reakcije je različita kao i optimalna temperatura reakcije:

U ovom slučaju, prve termonuklearne reakcije atoma počinju da se bilježe mnogo prije nego što prosječna temperatura tvari dostigne ovu barijeru zbog činjenice da je kinetička energija atoma podložna Maxwellovoj raspodjeli:

Ali reakcija na relativno niskoj temperaturi (reda nekoliko miliona °C) je izuzetno spora. Tako recimo u centru temperatura dostiže 14 miliona °C, ali specifična snaga termonuklearne reakcije u takvim uslovima je samo 276,5 W/m³, a Suncu je potrebno nekoliko milijardi godina da u potpunosti potroši svoje gorivo. Takvi uvjeti su neprihvatljivi za termonuklearni reaktor, jer ćemo uz tako nizak nivo oslobađanja energije neminovno potrošiti više na zagrijavanje i kompresiju termonuklearnog goriva nego što ćemo dobiti od reakcije zauzvrat.

Kako temperatura goriva raste, sve veći udio atoma počinje imati energiju koja prelazi Kulonovu barijeru, a efikasnost reakcije raste, dostižući svoj vrhunac. Daljnjim povećanjem temperature, brzina reakcije ponovo počinje opadati, već zbog činjenice da kinetička energija atoma postaje prevelika i oni "klize" jedni pored drugih, nesposobni da zadrže snažnu nuklearnu interakciju.

Tako je prilično brzo dobijeno rješenje kako dobiti energiju iz kontrolirane termonuklearne reakcije, ali se realizacija ovog zadatka otegla pola stoljeća i još nije završena. Razlog za to leži u zaista suludim uslovima u kojima se pokazalo da je potrebno postaviti termonuklearno gorivo - za pozitivan prinos iz reakcije, njegova temperatura je morala biti nekoliko desetina miliona °C.

Nijedan zid nije mogao fizički izdržati takvu temperaturu, ali je ovaj problem gotovo odmah doveo do njegovog rješenja: budući da je tvar zagrijana na takve temperature vruća plazma (potpuno ionizirani plin) koja je pozitivno nabijena, pokazalo se da rješenje leži na površini. - samo smo morali da tako zagrejanu plazmu postavimo u jako magnetno polje koje će fuziono gorivo držati na sigurnoj udaljenosti od zidova.

Napredak u njegovoj implementaciji

Istraživanje na ovu temu ide u nekoliko smjerova odjednom:

  1. korištenjem supravodljivih magneta, naučnici pokušavaju smanjiti energiju potrebnu za paljenje i održavanje reakcije;
  2. uz pomoć novih generacija superprovodnika povećava se indukcija magnetnog polja unutar reaktora, što omogućava održavanje plazme veće gustine i temperature, što povećava specifičnu snagu reaktora po jedinici zapremine;
  3. istraživanje vruće plazme i napredak u kompjuterskoj tehnologiji omogućavaju bolju kontrolu tokova plazme, čime se fuzioni reaktori približavaju njihovim teorijskim granicama efikasnosti;
  4. napredak u prethodnoj oblasti nam takođe omogućava da plazmu duže zadržimo stabilnom, što povećava efikasnost reaktora zbog činjenice da ne moramo toliko često ponovo zagrevati plazmu.

Uprkos svim poteškoćama i problemima koji su bili na putu kontrolisane termonuklearne reakcije, ova priča se već bliži svom finalu. U energetskom sektoru uobičajeno je da se za izračunavanje efikasnosti goriva koristi indikator EROEI - povrat energije na uloženu energiju (omjer energije utrošene u proizvodnju goriva i količine energije koju dobijemo iz njega kao rezultat). I dok EROEI uglja nastavlja da raste, ovaj pokazatelj za naftu i gas dostigao je vrhunac sredinom prošlog veka i sada stalno opada zbog činjenice da se nova nalazišta ovih goriva nalaze na sve udaljenijim mestima i na sve većim dubinama. :

Istovremeno, takođe ne možemo povećati proizvodnju uglja iz razloga što je dobijanje energije iz njega veoma prljav proces i bukvalno trenutno oduzima živote ljudima od raznih plućnih bolesti. Na ovaj ili onaj način, sada smo na pragu zapadanja ere fosilnih goriva – a to nisu mahinacije ekologa, već banalne ekonomske kalkulacije kada se gleda u budućnost. Istovremeno, EROI eksperimentalnih termonuklearnih reaktora, koji se takođe pojavio sredinom prošlog veka, stalno je rastao i 2007. dostigao psihološku barijeru od jedne - odnosno ove godine je čovečanstvo po prvi put uspelo da dobije više energije kroz termonuklearnu reakciju nego što je utrošeno na njeno sprovođenje. I unatoč činjenici da će implementacija reaktora, eksperimenti s njim i izrada već prve demonstracione termonuklearne elektrane DEMO na temelju iskustva stečenog tijekom implementacije ITER-a oduzeti dosta vremena. Više nema sumnje da naša budućnost leži iza ovakvih reaktora.

Kritika istraživanja

Glavna kritika istraživanja u oblasti fuzijskih reaktora temelji se na činjenici da su istraživanja izuzetno spora. I istina je – od prvih eksperimenata do proizvodnje termonuklearne reakcije bez rentabilnosti, trebalo nam je čak 66 godina. Ali srž problema je u tome što finansiranje takvih istraživanja nikada nije dostiglo potrebnu razinu - evo primjera procjene američke Uprave za energetska istraživanja i razvoj o nivou finansiranja projekta fuzijskog reaktora i vremenu njegovog završetka :

Kao što možete vidjeti iz ovog grafikona, nije iznenađujuće da još uvijek nemamo komercijalne fuzijske reaktore koji proizvode električnu energiju, ali da smo u ovom trenutku uopće uspjeli postići bilo kakav pozitivan izlaz energije iz eksperimentalnih reaktora.

U jesen 1981. najveći naučnici iz 27 zemalja svijeta došli su u Moskvu na Evropsku konferenciju o kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji i fizici plazme. Glavni ishod konferencije je jednoglasni zaključak da je nauka danas blizu konačnog rješenja "problema stoljeća" - kontrolisane termonuklearne fuzije (CTF). Ova priča je pripremljena na osnovu razgovora sa vodećim naučnicima.

Mnogi stručnjaci se danas pitaju da li bi termonuklearna elektrana već mogla da radi da istraživanja o termonuklearnoj fuziji nisu dugo bila tajna? Ako naučnici i inženjeri različite zemlje Od samog početka postojala je prilika za udruživanje snaga? I iako na ovo pitanje niko sa potpunom sigurnošću ne može odgovoriti, svima je jasno da bi put do "energetskog Eldorada" bio znatno kraći.

Zašto sve nije ispalo onako kako su to tražile potrebe ljudi? O ovom pitanju nije se direktno raspravljalo na posljednjoj naučnoj konferenciji o fuziji. Međutim, on je implicitno posjedovao mnoge. Jer iskren odgovor na njega može pomoći da se izbjegnu mnoge greške u budućnosti.

Vratimo se nakratko istoriji – samo nekoliko datuma i činjenica. Krajem 1930-ih otkrivena je lančana reakcija nuklearne fisije u kojoj se oslobađa ogromna količina energije. Ajme, oni su je u prvi mah koristili ne za potrebe energije. U avgustu 1945. Sjedinjene Države bacile su atomske bombe na japanske gradove Hirošimu i Nagasaki. Sovjetski Savez je bio prisiljen da stvori vlastito atomsko oružje. Testiran je 1949. Ali već 1954. godine u našoj zemlji puštena je u rad prva nuklearna elektrana na svijetu, čime je otvorena era miroljubive upotrebe nuklearne energije... Slična priča i s termonuklearom. Mogućnost dobijanja energije fuzijom jezgara teoretski je dokazana krajem 30-ih godina (inače, energija se pri fuziji oslobađa oko stotinu puta više nego pri fisiji!). I opet, prvo je stvoreno termonuklearno oružje. Rad na termonuklearnom oružju ne samo da je odvlačio pažnju od mirnog istraživanja termonukleara, već je razdvajao naučnike iz različitih zemalja poput praznog zida: nije bilo razmjene informacija, rezultata istraživanja, ideja. Neko je morao napraviti prvi korak naprijed. A 1956. godine, na inicijativu sovjetske vlade, izvještaj akademika I. V. Kurchatova, koji je pročitao u engleskom gradu Harwellu, postavio je temelje za redovnu razmjenu naučnih informacija kako bi se otvorio put za mirno korištenje termonuklearne energije zajedničkim naporima naučnika iz različitih zemalja. Godinu dana kasnije, sovjetski naučnici su sa svojim stranim kolegama podijelili ideju koja je odredila opći smjer napada na TCB. Naziv instalacija zasnovanih na ovoj ideji, "Tokamak", sada je uvršten u sve naučne rečnike sveta, baš kao, recimo, reč "satelit".

Uglavnom o ovim instalacijama - današnjim liderima u rešavanju problema kontrolisane fuzije, o projektima novih "Tokamaka" govorilo se na poslednjem, moskovskom, forumu naučnika iz različitih zemalja.

Sama ideja nuklearne fuzije izgleda jednostavna. Potrebno je natjerati jezgre da se konvergiraju na udaljenosti od oko 10 milijarditih dijelova milimetra i spoje, sintetiziraju u jedno jezgro. U procesu fuzije oslobađa se višak energije. U principu, svi elementi početka periodnog sistema mogu se sintetizirati. Međutim, najlakše (tačnije, relativno lake) fuzijske reakcije mogu ići između jezgri izotopa vodika - deuterija i tricija. Ali za to je potrebno zagrijati mješavinu ovih jezgara na 100 miliona stepeni Celzijusa. A za reakciju fuzije na čistom deuteriju, čak i više - do milijardu!

Tu leži glavna poteškoća. Zagrijati tvar na takve temperature je sam po sebi fantastičan zadatak! Čak iu utrobi sunca "hladnije" - ne više od 20 miliona stepeni. Već na nekoliko hiljada stepeni, materija postaje plazma - haos elektrona i jezgara, koji jure okolo i sudaraju se velikim brzinama unutar komore. I ovaj haos postaje sve aktivniji kako temperatura raste. Koja ga uzda može držati na desetinama miliona stepeni? Na Suncu, ovo je gigantska gravitaciona sila. A na Zemlji, u veštačkoj instalaciji?.. Podmuklost plazme je i u tome što zbog svoje visoke toplotne provodljivosti momentalno predaje energiju zidovima komore i hladi se. Kao što je slavni sovjetski fizičar profesor D. Frank-Kamensky umjesno primijetio, zagrijavanje plazme u zatvorenoj posudi na milione stupnjeva je isto kao ključanje vode u čaši ... iz leda!

Dakle, glavni zadatak je zagrijati plazmu na potrebnu temperaturu i spriječiti je da dodiruje zidove onoliko dugo koliko je potrebno kako bi imala vremena da reaguje sa dovoljnim brojem jezgri deuterija i tricijuma i došlo je do reakcije sa oslobađanjem ogromna energija.

Rješenje ovog problema je ideja koja najbolje funkcionira u "Tokamak" instalacijama. (Ova riječ je nastala od prvih slogova naziva instalacije "TOROIDALNA KAMERA SA MAGNETSKIM POLJEM") Iz školske fizike je poznato da se nabijena čestica ne može kretati preko linije magnetnog polja. U jednoličnom magnetskom polju, čestice se kreću duž linija sile, okrećući se oko njih. Dakle, ako se stvori sistem zatvorenih linija magnetnog polja, onda je u principu moguće uz pomoć ovih linija održati plazmu u određenom ograničenom volumenu. Slikovito rečeno, nevidljivi "dlanovi" magnetnih polja u stanju su zadržati supersolarnu toplinu! "Tokamak" je trebalo da postane pouzdana uzda za čestice, "izbezumljene" od neverovatne, fantastične vrućine.

Šta je strukturno "Tokamak"? Izvana izgleda kao veliki transformator sa željeznim zatvorenim jezgrom i namotom kroz koji prolazi vrlo jaka struja. Umjesto sekundarnog namota transformatora, nalazi se šuplja toroidna komora koja podsjeća na veliki bagel. Unutar ove komore ostvaruje se prelazak materije u stanje plazme. Plazma se zagrijava na potrebnu temperaturu jakim električnim pražnjenjem, snažnim mikrovalnim strujama i drugim metodama. A jako magnetno polje sabija plazmu u gustu prstenastu nit.

Kada se upoznate sa dijagramom Tokamaka, zadivljeni ste njegovom jednostavnošću - čini se da čak iu školskom udžbeniku daju složenije sheme. Ugrubo govoreći, ovako je, ako na kratko zaboravimo na pravi uređaj, na dizajn koji zahtijeva jedinstvene materijale; zaboravite na onu nezamislivo vruću supstancu koja je ukroćena u "krofni". Tako je već u prvim eksperimentima postalo jasno da plazma ne želi da prepozna magnetne zidove. Na neshvatljiv način uspeva da iscuri pre nego što se zagreje na potrebnu temperaturu. Fizičari su tražili način da suzbiju nestabilnost plazme, preradili instalaciju, podigli temperaturu i... opet je plazma našla novi način da pobegne iz magnetnog zatočeništva! To je kao putovanje u planinu: ide se na još jedan težak vrh, ali sa njegove visine se oku otvaraju novi prevoji, klisure, ponori, koje treba savladati na putu do cilja...

Za tri decenije pređen je veći deo teškog puta. Svaka od njegovih faza nisu dani ili mjeseci, već godine upornih, najsloženijih eksperimenata, proračuna, desetine razočaravajućih neuspjeha i briljantnih uspjeha. I za svaki problem koji je trebalo riješiti, mogla se primijeniti riječ "prvi put".

Na primjer, po prvi put je bilo potrebno naučiti kako stvoriti superjako magnetsko polje u prilično velikim komorama. I polje unutra najviši stepen simetrično. Sa odstupanjem simetrije od čak i delić milimetra, plazma je nastojala da se probije do zidova komore i ohladi.

Postojao je i period kada se plazma pouzdano držala magnetsko polje, nije želeo da se zagreje iznad svega nekoliko miliona stepeni. Na kraju se pokazalo da su za sve krive zanemarljivo male nečistoće teških elemenata u plazmi. Ali kako su dospeli pred kameru? Postojala je pretpostavka - isparavaju s površine metala. od kojih su napravljeni zidovi komore. Kao rezultat toga, elektroni plazme se usporavaju električno polje ovi elementi gube energiju, što dovodi do smanjenja temperature... Bilo je potrebno mnogo godina da se shvati i, što je najvažnije, otkloni ovaj uzrok.

Šta je sa problemom takozvanog prvog zida reaktora? Zamislite, milioni stepeni su u komori iza ovog zida! Ne isparava trenutno jer je, kao što znamo, plazma "omotana" nevidljivim magnetnim poljem. Ali moćni tokovi neutrona padaju na zid iznutra! Materijal zida mora biti izuzetno otporan da se ne bi urušio pod dejstvom visokih temperatura i neutrona, a da pri tome bude što „transparentniji“ u odnosu na iste neutrone! Uostalom, oni su ti koji iz komore izvlače samu energiju termonuklearne fuzije koju namjeravamo dalje pretvoriti u toplinu i električnu energiju. ako zid nije "providan", željena energija će ostati unutar "krofne". To su paradoksalni zahtjevi koje mora ispuniti materijal prvog zida reaktora. To je kao da zid od cigle pravite providnim za artiljerijske granate. Precizno smo je gađali sa milion granata, ali je netaknuta - ni jedne rupe.

Stvaranje moćnih magnetnih polja oduzima lavovski dio energije koju troši Tokamak, a za sada je potrebno više nego što daje. Kako smanjiti energetske apetite?

Jedno rješenje problema je supravodljivost. Poznato je da na temperaturama blizu apsolutne nule, električni otpor neki provodnici postaju beskonačno mali. Struja, jednom lansirana u prsten takvog provodnika, može u njemu cirkulirati koliko god se želi, gotovo bez gubitaka. Kako bi praktično proučili mogućnost korištenja supravodljivosti u Tokamacima, naučnici Instituta za atomsku energiju nazvanog po I. V. Kurchatovu izgradili su instalaciju Tokamak-7, čiji su magnetni namotaji napravljeni od supravodljivih materijala. Bilo je to jedinstveno iskustvo prvenstveno za inženjere i naučnike o materijalima. Činjenica je da najjača magnetna polja u Tokamaku postaju neprijatelji supravodljivosti i uništavaju je. Ovdje je bilo potrebno stvoriti i testirati vrlo posebne magnetski otporne supravodljive legure. U poređenju sa konvencionalnim magnetnim sistemom, supravodljivi namotaji T-7 omogućili su smanjenje potrošnje energije iz mreže za oko 100 puta!

U Institutu za atomsku energiju 1975. godine puštena je u rad instalacija Tokamak-10. Na ovoj instalaciji je bilo moguće dobiti plazmu sa rekordnom temperaturom za to vrijeme - 15 miliona stepeni Celzijusa! Ovdje su se prvi put pojavili pouzdani znaci da je termonuklearna reakcija "zapaljena" u komori, makar i sa prvim varnicama. Da, varnica može zapaliti vatru. Međutim, ni sto pojedinačnih iskri još nije lomača. Termonuklearne varnice su ugašene. Ali već svojom pojavom uvjerili su fizičare širom svijeta u ispravnost odabranog puta.

Sada se u Institutu za atomsku energiju gradi nova instalacija - "Tokamak-15". Zapremina plazma "krofne" u njemu će biti oko pet puta veća nego u T-10. Zašto je ovo potrebno? Činjenica je da se povećanjem volumena komore povećava broj čestica, a time i vjerojatnost njihovih sudara, koji izazivaju reakciju. Plazma u T-15 će se zagrijati na 70-80 miliona stepeni - to je već vrlo blizu potrebnom. Namotaji magnetnih zavojnica T-15 će biti supravodljivi. To će značajno smanjiti potrošnju energije.

Eksperimenti na T-15 i drugim "Tokamacima", kako se naučnici nadaju, trebali bi konačno potvrditi izvodljivost samoodržive reakcije fuzije. Ako sve prođe kako treba, ostaje da se napravi posljednji korak na putu do termonuklearnih elektrana. U ovoj posljednjoj fazi treba dobiti odgovor na pitanje: šta i kako treba učiniti da bi se prikupila toplinska energija neutrona i, nakon što je pretvorila u električnu, poslala u fabrike, gradove, sela.

Ovladavanje energijom nuklearne fuzije, ovladavanje zaista neiscrpnim izvorom energije je grandiozan zadatak. Napredak čitavog čovječanstva zavisi od uspjeha njegovog rješenja. Stoga je ovaj problem bolje rješavati zajednički, uz pomoć svih zemalja koje imaju za to potrebne naučne i tehničke mogućnosti. Posebno je važno udružiti napore u sadašnjoj fazi istraživanja, najvažnijoj i, možda, najtežoj fazi, koja zahtijeva ogromne materijalne troškove.

Godine 1978., na sastanku Međunarodne agencije za atomsku energiju u Beču, govorio je šef sovjetskog termonuklearnog programa, akademik E. P. Velihov, koji je u ime sovjetske vlade predložio da stručnjaci iz vodećih zemalja zajednički osmisle i izgrade veliku demonstraciju tokamak reaktor. Značaj ovog govora, kao i govora I. V. Kurčatova iz 1956. godine, teško se može precijeniti. Ovo je korak ka novoj fazi miroljubive saradnje u oblasti termonukleara. Prijedlog je prihvaćen, a učesnici u izgradnji prvog međunarodnog termonuklearnog reaktora bili su SSSR, SAD, Japan i deset najrazvijenijih zemalja zapadne Evrope. INTOR - ovo je ime budućem reaktoru dato prvim slovima engleskog imena - International Tokamak Reactor.

Kako će izgledati INTOR?

Izvana će ličiti na svoje prethodnike iz porodice Tokamak - T-10, T-15 i njihove strane kolege, razlikuju se od njih u velikim veličinama. Volumen plazme u INTOR-u bit će oko 5 puta veći nego u tokamacima trenutne generacije, a kao što već znamo, to povećava vjerovatnoću paljenja termonuklearne reakcije. Za 5-6 sekundi, plazma će se zagrijati na temperaturu iznad 100 miliona stepeni. Unutar 100 sekundi u komori će se odigrati termonuklearna reakcija, oslobađajući energiju jednaku onoj u nuklearnim reaktorima srednje snage danas - oko 600 MW. (Poređenja radi, da podsjetim da je snaga prve nuklearne elektrane bila 5 MW.) Tada će reakcija biti prekinuta kako bi se iz komore uklonili produkti sagorijevanja (uglavnom jezgra helijuma) koji zagađuju komoru. Zatim će se ponovo ubrizgati porcija termonuklearnog goriva i ciklus će se ponoviti.

Možda je glavna karakteristika INTOR-a to. da će se ovdje po prvi put izvršiti ozbiljna ispitivanja i elemenata sistema koji omogućavaju praktično korištenje energije termonuklearne fuzije. Takvi sistemi se nazivaju "ćebad" (od engleske riječi blanket - ćebe.) U najjednostavnijem slučaju, pokrivač je šuplja ljuska koja okružuje reaktor, unutar koje cirkulira tekućina - recimo, ista voda. Neutrone koji se rađaju tokom reakcije i nose energiju termonuklearne fuzije tečnost će apsorbovati i dati joj svoju energiju, zagrijavajući je. A onda prema uobičajenoj shemi, kao u termo ili nuklearnim elektranama: voda se zagrijavajući pretvara u paru, koja pokreće turbinu s električnim generatorom.

Pokrivač INTOR bi trebao pomoći u rješavanju još jednog važnog problema.

Već smo rekli da će u početku termonuklearni reaktori raditi na mješavini deuterija i tritijuma - za takvu mješavinu potrebna je niža temperatura paljenja nego za čisti deuterij. Postavlja se pitanje kakva je situacija sa resursima ovog goriva? Što se deuterijuma tiče. onda je dostupan u izobilju morska voda, ceo okean, nedovoljan za jedan vek. Gde se može nabaviti tricijum? U prirodi. kao što znate, izuzetno je mali.

Nuklearna fizika je i ovdje predložila izlaz. Tritij je moguće vještački dobiti iz drugog hemijskog elementa, koji je sasvim dovoljan na zemlji - litijuma, zračenjem neutronima. I ovo je veoma važno, to se može uraditi u istom termonuklearnom reaktoru. Upravo je to druga važna funkcija pokrivača: litijum koji se nalazi u njemu biće prerađen u tricijum.

Dakle, u teoriji, reaktor ne bi trebao samo stvarati energiju, već i sam sebi osigurati gorivo, kao što se sada, inače, događa u nuklearnim elektranama na brze neutrone.

Napad na problem kontrolisane nuklearne fuzije sada se odvija na širokom frontu. Posljednjih godina ohrabrujući rezultati su postignuti iu drugim područjima istraživanja. Posebno se mogu nazvati takve opcije kao što je "laserska fuzija", kada se termonuklearno gorivo zagrijava sa svih strana snažnim laserskim zrakama. Ili "elektronski termonuklearni". gdje umjesto laserskih zraka rade moćni snopovi elektronskih zraka.

Još je rano govoriti o tome kako će se ove ideje implementirati u praksi. "Tokamaci" su naučnike približili više nego bilo ko drugi rešavanju problema kontrolisane fuzije. I upravo u tom smjeru danas su koncentrirani glavni napori i sredstva koja se približavaju ovladavanju praktički neiscrpnim izvorom energije.

Trenutna verzija stranice još nije provjerena

Trenutnu verziju stranice još nisu pregledali iskusni saradnici i može se značajno razlikovati od one recenzirane 4. juna 2018.; provjere su potrebne.

Kontrolisana termonuklearna fuzija (TCB) - sinteza težih atomskih jezgara iz lakših radi dobivanja energije, koja se, za razliku od eksplozivne termonuklearne fuzije (koja se koristi u termonuklearnim eksplozivnim uređajima), kontrolira. Kontrolirana termonuklearna fuzija razlikuje se od tradicionalne nuklearne energije po tome što potonja koristi reakciju raspada, tijekom koje se lakša jezgra dobivaju iz teških jezgara. U glavnim nuklearnim reakcijama koje se planiraju koristiti za kontroliranu termonuklearnu fuziju koristit će se deuterijum (2 H) i tricij (3 H), a u daljoj budućnosti helijum-3 (3 He) i bor-11 (11 B) . [ ]

Po prvi put, problem kontrolirane termonuklearne fuzije u Sovjetskom Savezu formulirao je i predložio neko konstruktivno rješenje za njega sovjetski fizičar Oleg Lavrentijev.

Istorijski gledano, pitanje kontrolisane termonuklearne fuzije na globalnom nivou pojavilo se sredinom 20. veka.

Atomska jezgra se sastoje od dvije vrste nukleona, protona i neutrona. Drži ih takozvana jaka sila. U ovom slučaju, energija vezivanja svakog nukleona sa ostalima zavisi od ukupnog broja nukleona u jezgru, kao što je prikazano na grafikonu. Iz grafikona se vidi da za laka jezgra sa povećanjem broja nukleona energija vezivanja raste, dok za teška opada. Ako se nukleoni dodaju lakim jezgrama ili se nukleoni uklone iz teških atoma, tada će se ova razlika u energiji vezivanja isticati kao razlika između cijene reakcije i kinetičke energije oslobođenih čestica. Kinetička energija (energija kretanja) čestica pretvara se u toplotno kretanje atoma nakon sudara čestica sa atomima. Dakle, nuklearna energija se manifestira u obliku topline. [ ]

Promjena sastava jezgre naziva se nuklearna transformacija ili nuklearna reakcija. Nuklearna reakcija s povećanjem broja nukleona u jezgri naziva se termonuklearna reakcija ili nuklearna fuzija. Nuklearna reakcija sa smanjenjem broja nukleona u jezgri - nuklearni raspad ili nuklearna fisija. [ ]

Utvrđeno je da mješavina dva izotopa, deuterija i tritijuma, zahtijeva manje energije za reakciju fuzije u odnosu na energiju koja se oslobađa tokom reakcije. Međutim, iako je mješavina deuterija i tritijuma (D-T) predmet većine istraživanja fuzije, ona nikako nije jedino potencijalno gorivo. Druge mješavine mogu biti lakše za proizvodnju; njihova reakcija se može bolje kontrolirati, ili što je još važnije, proizvesti manje neutrona. Od posebnog interesa su takozvane reakcije bez neutrona, jer će uspješna industrijska upotreba takvog goriva značiti izostanak dugotrajne radioaktivne kontaminacije materijala i dizajna reaktora, što bi, zauzvrat, moglo pozitivno utjecati na javno mnijenje i cjelokupno troškovi rada reaktora, značajno smanjujući troškove razgradnje i odlaganja. Problem ostaje što je reakciju fuzije korištenjem alternativnih goriva mnogo teže održavati, pa se DT reakcija smatra samo neophodnim prvim korakom. [ ]

Može se koristiti kontrolirana termonuklearna fuzija različite vrste termonuklearne reakcije u zavisnosti od vrste goriva koje se koristi. [ ]

Reakcija koja je izvodljiva na najnižoj temperaturi je deuterijum + tricij:

Ova reakcija daje značajno oslobađanje energije. Nedostaci - visoka cijena tritijuma, izlaz neželjenog neutronskog zračenja. [ ]

Mnogo je teže, na granici mogućeg, izvesti reakciju deuterijum + helijum-3

Uslovi za postizanje toga su mnogo komplikovaniji. Helijum-3 je takođe redak i izuzetno skup izotop. Trenutno se ne proizvodi u industrijskim razmjerima [ ] . Međutim, može se dobiti iz tritijuma, koji se dobiva u nuklearnim elektranama; ili minirano na mjesecu.

Složenost provođenja termonuklearne reakcije može se okarakterizirati trostrukim proizvodom ntτ (gustina po temperaturi po vremenu zadržavanja). Prema ovom parametru, reakcija D-3 He je oko 100 puta teža od D-T.

Moguće su i reakcije između jezgri deuterijuma, one su malo teže od reakcija koje uključuju helijum-3:

Ove reakcije se sporo odvijaju paralelno sa reakcijom deuterijum + helijum-3, a tricijum i helijum-3 koji nastaju tokom njih će vrlo verovatno odmah reagovati sa deuterijumom.

Moguće je i nekoliko drugih vrsta reakcija. Izbor goriva zavisi od mnogih faktora - njegove dostupnosti i niske cene, prinosa energije, lakoće postizanja uslova potrebnih za reakciju fuzije (prvenstveno temperature), potrebnih projektnih karakteristika reaktora itd.

Najperspektivnije su takozvane reakcije bez neutrona, budući da tok neutrona nastao termonuklearnom fuzijom (na primjer, u reakciji deuterijum-tricij) odnosi značajan dio snage i stvara induciranu radioaktivnost u konstrukciji reaktora. Reakcija deuterijum + helijum-3 obećava, između ostalog, zbog nedostatka prinosa neutrona (ali reakcija deuterijum-deuterijum proizvodi tricijum, koji može da stupi u interakciju sa deuterijem, kao rezultat termonuklearne fuzije „bez neutrona“ nije ).

Postoje dvije osnovne sheme za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije, čiji je razvoj trenutno u toku (2017.):

Prvi tip termonuklearnog reaktora je mnogo bolje razvijen i proučen od drugog.

Termonuklearni reaktor je mnogo sigurniji od nuklearnog reaktora u smislu radijacije. Prije svega, količina radioaktivnih tvari u njemu je relativno mala. Energija koja se može osloboditi kao rezultat bilo koje nesreće je također mala i ne može dovesti do uništenja reaktora. Istovremeno, u dizajnu reaktora postoji nekoliko prirodnih barijera koje sprečavaju širenje radioaktivnih supstanci. Na primjer, vakuumska komora i omotač kriostata moraju biti zapečaćeni, inače reaktor jednostavno ne može raditi. Međutim, pri projektovanju ITER-a velika pažnja je posvećena radijacijskoj sigurnosti kako tokom normalnog rada tako i prilikom mogućih nesreća.

Kako bi se spriječilo širenje tritijuma i prašine ako izađu izvan vakumske komore i kriostata, potreban je poseban ventilacijski sistem za održavanje sniženog tlaka u reaktorskoj zgradi. Dakle, neće doći do curenja vazduha iz zgrade, osim kroz ventilacione filtere.

U izgradnji reaktora, na primjer ITER-a, gdje je to moguće, koristit će se materijali koji su već testirani u nuklearnoj energiji. Zbog toga će indukovana radioaktivnost biti relativno mala. Konkretno, čak i u slučaju kvara rashladnih sistema, prirodna konvekcija će biti dovoljna za hlađenje vakuumske komore i drugih strukturnih elemenata. je egzotermna i daje malo energije reaktoru. Reakcija sa 7 Li je endotermna - ali ne troši neutrone. Potrebno je najmanje nekih 7 Li reakcija da bi se neutroni izgubljeni u reakcijama zamijenili drugim elementima. Većina dizajna reaktora koristi prirodne mješavine izotopa litijuma.

U teoriji postoje alternativna goriva koja nemaju ove nedostatke. Ali njihovu upotrebu ometa fundamentalno fizičko ograničenje. Da biste dobili dovoljno energije iz reakcije fuzije, potrebno je određeno vrijeme držati dovoljno gustu plazmu na temperaturi fuzije (10 8 K). Ovaj fundamentalni aspekt sinteze opisuje se proizvodom gustine plazme n za vrijeme održavanja zagrijane plazme τ , koje je potrebno za postizanje ravnotežne tačke. Posao nτ ovisi o vrsti goriva i funkcija je temperature plazme. Od svih vrsta goriva, mješavina deuterijuma i tricijuma zahtijeva najnižu vrijednost nτ najmanje za red veličine, a najniža temperatura reakcije najmanje 5 puta. Dakle, D-T reakcija je neophodan prvi korak, ali upotreba drugih goriva ostaje važan cilj istraživanja. [ ]

Energiju fuzije mnogi istraživači smatraju "prirodnim" dugoročnim izvorom energije. Zagovornici komercijalne upotrebe fuzijskih reaktora za proizvodnju električne energije navode sljedeće argumente u svoju korist:

Kritičari ističu da ostaje otvoreno pitanje isplativosti nuklearne fuzije u proizvodnji električne energije za opće namjene. Ista studija, koju je naručio Biro za nauku i tehnologiju britanskog parlamenta, ukazuje da će cijena proizvodnje električne energije korištenjem fuzijskog reaktora vjerovatno biti na vrhu spektra troškova za konvencionalne izvore energije. Mnogo će zavisiti od tehnologije koja će biti dostupna u budućnosti, strukture i regulacije tržišta. Cena električne energije direktno zavisi od efikasnosti korišćenja, trajanja rada i troškova zbrinjavanja reaktora.

Unatoč raširenom optimizmu (od ranih studija 1950-ih), značajne prepreke između današnjeg razumijevanja procesa nuklearne fuzije, tehnoloških mogućnosti i praktične upotrebe nuklearne fuzije još uvijek nisu prevladane. Nije jasno ni koliko isplativa može biti proizvodnja električne energije termonuklearnom fuzijom. Iako postoji stalan napredak u istraživanju, istraživači se stalno suočavaju s novim izazovima. Na primjer, izazov je razviti materijal koji može izdržati neutronsko bombardiranje, za koje se procjenjuje da je 100 puta intenzivnije nego u konvencionalnim nuklearnim reaktorima. Ozbiljnost problema pogoršava činjenica da presjek interakcije neutrona s jezgrama prestaje ovisiti o broju protona i neutrona s povećanjem energije i teži poprečnom presjeku atomskog jezgra - a za neutrone od 14 MeV jednostavno postoji ne postoji izotop s dovoljno malim poprečnim presjekom interakcije. To zahtijeva vrlo čestu zamjenu. dizajni D-T- i D-D-reaktora i smanjuje njegovu isplativost toliko da se troškovi dizajna reaktora iz savremeni materijali za ove dvije vrste, ispada da je više od cijene energije proizvedene na njima. Postoje tri vrste rješenja [ ] :

Nuspojave D-D reakcije(3%) u sintezi D-He komplikuje izradu isplativih konstrukcija za reaktor, iako su one moguće na savremenom tehnološkom nivou.

Sljedeći korak u istraživanju trebao bi biti (Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor, ITER). Na ovom reaktoru je planirano proučavanje ponašanja visokotemperaturne plazme (plamteće plazme sa Q~ 30) i konstrukcijski materijali za industrijski reaktor.

Završna faza istraživanja bit će DEMO: prototip industrijskog reaktora koji će postići paljenje i pokazati praktičnu prikladnost novih materijala. Najoptimističnije prognoze za završetak DEMO faze: 30 godina. Nakon DEMO-a, može početi projektovanje i izgradnja komercijalnih termonuklearnih reaktora (konvencionalno nazvanih TNPP - termonuklearne elektrane). Izgradnja TNPP-a možda neće početi do 2045. godine.

Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka. Najveći od njih su navedeni u nastavku.

Po prvi put je problem kontrolirane termonuklearne fuzije u Sovjetskom Savezu formulirao i predložio neko konstruktivno rješenje za njega sovjetski fizičar O. A. Lavrentijev. Pored njega, značajan doprinos rješavanju problema dali su i izvanredni fizičari kao što su A. D. Saharov i I. E. Tamm, kao i L. A. Artsimovich, koji je od 1951. godine vodio sovjetski program o kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji.

Istorijski gledano, pitanje kontrolisane termonuklearne fuzije na globalnom nivou pojavilo se sredinom 20. veka. Poznato je da je I. V. Kurchatov 1956. godine dao prijedlog za saradnju atomskih naučnika iz različitih zemalja u rješavanju ovog naučnog problema. To se dogodilo tokom posjete britanskom nuklearnom centru "Harwell" ( engleski) .

Vrste reakcija

Reakcija fuzije je sljedeća: dva ili više atomskih jezgara, kao rezultat primjene određene sile, približe se toliko da sile koje djeluju na takvim udaljenostima prevladaju nad Kulonovskim silama odbijanja između jednako nabijenih jezgara, zbog čega formira se novo jezgro. Prilikom stvaranja novog jezgra oslobađa se velika energija snažne interakcije. Prema poznatoj formuli E=mc², oslobađanjem energije, sistem nukleona će izgubiti dio svoje mase. Atomska jezgra, koja imaju mali električni naboj, lakše se dovode do željene udaljenosti, pa su teški izotopi vodika jedni od najbolji pogledi gorivo za reakciju fuzije.

Utvrđeno je da mješavina dva izotopa, deuterija i tritijuma, zahtijeva najmanje energije za reakciju fuzije u poređenju s energijom koja se oslobađa tokom reakcije. Međutim, iako je mješavina deuterija i tritijuma (D-T) predmet većine istraživanja fuzije, ona nikako nije jedino potencijalno gorivo. Druge mješavine mogu biti lakše za proizvodnju; njihova reakcija se može bolje kontrolirati, ili što je još važnije, proizvesti manje neutrona. Od posebnog interesa su takozvane reakcije bez neutrona, jer će uspješna industrijska upotreba takvog goriva značiti izostanak dugotrajne radioaktivne kontaminacije materijala i dizajna reaktora, što bi, zauzvrat, moglo pozitivno utjecati na javno mnijenje i cjelokupno troškovi rada reaktora, značajno smanjujući troškove razgradnje i odlaganja. Ostaje problem što je reakciju fuzije korištenjem alternativnih goriva mnogo teže održavati, jer D-T reakcija smatra samo neophodnim prvim korakom.

Kontrolirana termonuklearna fuzija može koristiti različite vrste termonuklearnih reakcija ovisno o vrsti goriva koje se koristi.

Reakcija deuterijuma + tricija (D-T gorivo)

Najlakše izvediva reakcija je deuterijum + tricij:

2 H + 3 H = 4 He + n za izlaznu energiju od 17,6 MeV (MeV).

Takva reakcija se najlakše provodi sa stanovišta modernih tehnologija, daje značajan prinos energije, a komponente goriva su jeftine. Nedostatak je oslobađanje neželjenog neutronskog zračenja.

Dva jezgra: deuterijum i tricijum spajaju se u jezgro helija (alfa česticu) i neutron visoke energije:

Tokamak (TOroidalna komora sa magnetnim zavojnicama) je toroidalno postrojenje za zadržavanje magnetne plazme. Plazmu ne drže zidovi komore, koji nisu u stanju da izdrže njenu temperaturu, već posebno stvoreno magnetsko polje. Karakteristika tokamaka je upotreba električna struja teče kroz plazmu kako bi stvorio toroidno polje neophodno za ravnotežu plazme.

Reakcija deuterijum + helijum-3

Mnogo je teže, na granici mogućeg, izvesti reakciju deuterijum + helijum-3

2 H + 3 He = 4 He + pri izlaznoj energiji od 18,4 MeV.

Uslovi za postizanje toga su mnogo komplikovaniji. Helijum-3 je takođe redak i izuzetno skup izotop. Trenutno se ne proizvodi u industrijskom obimu. Međutim, može se dobiti iz tritijuma, dobivenog u nuklearnim elektranama; ili minirano na mjesecu.

Složenost provođenja termonuklearne reakcije može se okarakterizirati trostrukim proizvodom ntτ (gustina po temperaturi po vremenu zadržavanja). Prema ovom parametru, reakcija D-3 He je oko 100 puta teža od D-T.

Reakcija između jezgri deuterijuma (D-D, monopropelant)

Pored glavne reakcije u DD-plazmi, javljaju se i sljedeće:

Ove reakcije se sporo odvijaju paralelno sa reakcijom deuterijum + helijum-3, a tricijum i helijum-3 koji nastaju tokom njih će vrlo verovatno odmah reagovati sa deuterijumom.

Druge vrste reakcija

Moguće je i nekoliko drugih vrsta reakcija. Izbor goriva zavisi od mnogih faktora - njegove dostupnosti i niske cene, prinosa energije, lakoće postizanja uslova potrebnih za reakciju fuzije (prvenstveno temperature), potrebnih projektnih karakteristika reaktora itd.

Reakcije "bez neutrona".

Najperspektivnije su takozvane reakcije bez neutrona, budući da tok neutrona nastao termonuklearnom fuzijom (na primjer, u reakciji deuterijum-tricij) odnosi značajan dio snage i stvara induciranu radioaktivnost u konstrukciji reaktora. Reakcija deuterijum + helijum-3 je obećavajuća, takođe zbog nedostatka prinosa neutrona.

Reakcije na lakom vodoniku

D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).

Međutim, u ovom slučaju većina (više od 80%) oslobođene kinetičke energije pada upravo na neutron. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ova energija se pretvara u toplinsku energiju. Osim toga, brzi neutroni stvaraju značajnu količinu radioaktivnog otpada. Nasuprot tome, fuzija deuterija i helija-3 ne proizvodi gotovo nikakve radioaktivne produkte:

D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), gdje je p proton.

Ovo omogućava jednostavnije i efikasnije sisteme konverzije kinetičkih reakcija fuzije kao što je magnetohidrodinamički generator.

Projekti reaktora

Postoje dvije glavne sheme za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije, čiji je razvoj trenutno u toku (2012):

Prvi tip termonuklearnog reaktora je mnogo bolje razvijen i proučen od drugog.

Radijaciona sigurnost

Termonuklearni reaktor je mnogo sigurniji od nuklearnog reaktora u smislu radijacije. Prije svega, količina radioaktivnih tvari u njemu je relativno mala. Energija koja se može osloboditi kao rezultat bilo koje nesreće je također mala i ne može dovesti do uništenja reaktora. Istovremeno, u dizajnu reaktora postoji nekoliko prirodnih barijera koje sprečavaju širenje radioaktivnih supstanci. Na primjer, vakuumska komora i omotač kriostata moraju biti zapečaćeni, inače reaktor jednostavno ne može raditi. Međutim, prilikom projektovanja ITER-a velika pažnja je posvećena radijacijskoj sigurnosti kako tokom normalnog rada tako i prilikom mogućih nesreća.

Postoji nekoliko izvora moguće radioaktivne kontaminacije:

  • radioaktivni izotop vodonika je tricijum;
  • indukovana radioaktivnost u materijalima instalacije kao rezultat neutronskog zračenja;
  • radioaktivna prašina nastala kao rezultat udara plazme na prvi zid;
  • proizvodi radioaktivne korozije koji se mogu formirati u rashladnom sistemu.

Kako bi se spriječilo širenje tritijuma i prašine ako izađu izvan vakumske komore i kriostata, potreban je poseban ventilacijski sistem za održavanje sniženog tlaka u reaktorskoj zgradi. Dakle, neće doći do curenja vazduha iz zgrade, osim kroz ventilacione filtere.

U izgradnji reaktora, ITER, na primjer, gdje je to moguće, koristit će se materijali koji su već testirani u nuklearnoj energiji. Zbog toga će indukovana radioaktivnost biti relativno mala. Konkretno, čak i u slučaju kvara rashladnih sistema, prirodna konvekcija će biti dovoljna za hlađenje vakuumske komore i drugih strukturnih elemenata.

Procjene pokazuju da čak i u slučaju nesreće, radioaktivna ispuštanja neće predstavljati opasnost za javnost i neće zahtijevati evakuaciju.

Ciklus goriva

Reaktori prve generacije će najvjerovatnije raditi na mješavini deuterija i tricijuma. Neutrone koji se pojavljuju tokom reakcije apsorbira reaktorski štit, a oslobođena toplina će se koristiti za zagrijavanje rashladnog sredstva u izmjenjivaču topline, a ova energija će se, zauzvrat, koristiti za rotaciju generatora.

. .

Reakcija fuzije kao industrijski izvor energije

Energiju fuzije mnogi istraživači (posebno Christopher Llewellyn-Smith) smatraju "prirodnim" izvorom energije na dugi rok. Zagovornici komercijalne upotrebe fuzijskih reaktora za proizvodnju električne energije navode sljedeće argumente u svoju korist:

Cijena električne energije u odnosu na tradicionalne izvore

Kritičari ističu da ostaje otvoreno pitanje isplativosti nuklearne fuzije u proizvodnji električne energije za opću upotrebu. Ista studija, koju je naručio Biro za nauku i tehnologiju britanskog parlamenta, ukazuje da će cijena proizvodnje električne energije korištenjem fuzijskog reaktora vjerovatno biti na vrhu spektra troškova za konvencionalne izvore energije. Mnogo će zavisiti od tehnologije koja će biti dostupna u budućnosti, strukture i regulacije tržišta. Cena električne energije direktno zavisi od efikasnosti korišćenja, trajanja rada i troškova zbrinjavanja reaktora.

Tu je i pitanje cijene istraživanja. Zemlje EU godišnje troše oko 200 miliona eura na istraživanja, a predviđa se da će proći još nekoliko decenija prije nego što postane moguća industrijska upotreba nuklearne fuzije. Pobornici alternativnih nenuklearnih izvora električne energije smatraju da bi ta sredstva bilo primjerenije usmjeriti na uvođenje obnovljivih izvora električne energije.

Dostupnost komercijalne fuzijske energije

Unatoč raširenom optimizmu (od ranih studija 1950-ih), značajne prepreke između današnjeg razumijevanja procesa nuklearne fuzije, tehnoloških mogućnosti i praktične upotrebe nuklearne fuzije još uvijek nisu prevladane. Nije jasno ni koliko isplativa može biti proizvodnja električne energije termonuklearnom fuzijom. Iako postoji stalan napredak u istraživanju, istraživači se stalno suočavaju s novim izazovima. Na primjer, izazov je razviti materijal koji može izdržati neutronsko bombardiranje, za koje se procjenjuje da je 100 puta intenzivnije nego u konvencionalnim nuklearnim reaktorima. Ozbiljnost problema pogoršava činjenica da presjek interakcije neutrona s jezgrama prestaje ovisiti o broju protona i neutrona s povećanjem energije i teži poprečnom presjeku atomskog jezgra - a za neutrone od 14 MeV jednostavno postoji ne postoji izotop s dovoljno malim poprečnim presjekom interakcije. To zahtijeva vrlo čestu zamjenu dizajna D-T i D-D reaktora i smanjuje njegovu isplativost do te mjere da je cijena modernih dizajna reaktora za ova dva tipa veća od cijene energije proizvedene na njima. Moguća su tri tipa rješenja:

  1. Odbijanje čiste nuklearne fuzije i njeno korištenje kao izvora neutrona za fisiju uranijuma ili torija.
  2. Odbijanje D-T i D-D sinteze u korist drugih reakcija sinteze (na primjer, D-He).
  3. Oštro smanjenje troškova konstrukcijskih materijala ili razvoj procesa za njihov oporavak nakon zračenja. Potrebna su i ogromna ulaganja u nauku o materijalima, ali su izgledi neizvjesni.

Sporedne reakcije D-D (3%) tokom sinteze D-He komplikuju izradu isplativih dizajna reaktora, ali nisu nemoguće na trenutnom tehnološkom nivou.

Postoje sljedeće faze istraživanja:

1. Ravnotežni ili "prolazni" način rada(Pauza): kada je ukupna energija oslobođena tokom procesa fuzije jednaka ukupnoj energiji utrošenoj za pokretanje i održavanje reakcije. Ovaj odnos je označen simbolom Q.

2. Blazing Plasma(Sagorevanje plazme): Međufaza u kojoj će reakcija biti podržana uglavnom alfa česticama koje nastaju tokom reakcije, a ne vanjskim zagrijavanjem. Q ≈ 5. Do sada (2012) nije dostignuto.

3. Paljenje(Paljenje): stabilna samoodrživa reakcija. Mora se postići pri visokim vrijednostima Q. Do sada nije postignuto.

Sljedeći korak u istraživanju trebao bi biti Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor (ITER). Na ovom reaktoru je planirano proučavanje ponašanja visokotemperaturne plazme (plamteće plazme sa Q~ 30) i konstrukcijski materijali za industrijski reaktor.

Završna faza istraživanja bit će DEMO: prototip industrijskog reaktora koji će postići paljenje i pokazati praktičnu prikladnost novih materijala. Najoptimističnije prognoze za završetak DEMO faze: 30 godina. Uzimajući u obzir okvirno vrijeme za izgradnju i puštanje u rad industrijskog reaktora, od industrijske upotrebe termonuklearne energije dijeli nas oko 40 godina.

Postojeći tokamaci

Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka. Najveći od njih su navedeni u nastavku.

  • SSSR i Rusija
    • T-3 je prvi funkcionalni aparat.
    • T-4 - uvećana verzija T-3
    • T-7 je jedinstvena instalacija, u kojoj je prvi put u svijetu implementiran relativno veliki magnetni sistem sa supravodljivim solenoidom na bazi kalajnog niobata, hlađen tečnim helijumom. Glavni zadatak T-7 je završen: pripremljena je perspektiva za sljedeću generaciju supravodljivih solenoida termonuklearne energetike.
    • T-10 i PLT su sljedeći korak u svijetu istraživanja fuzije, gotovo su iste veličine, jednake snage, sa istim faktorom ograničenja. I dobijeni rezultati su identični: željena temperatura termonuklearne fuzije je dostignuta u oba reaktora, a zaostajanje prema Lawsonovom kriteriju je samo dvjesto puta.
    • T-15 je današnji reaktor sa supravodljivim solenoidom koji daje polje od 3,6 T.
  • Libija
    • TM-4A

Linkovi

  • E.P. Velikhov; S.V. Mirnov Kontrolisana termonuklearna fuzija ulazi u cilj (PDF). Troitsk institut za inovacije i termonuklearna istraživanja. Ruski istraživački centar "Kurčatov institut".. ac.ru. - Popularna izjava o problemu. Arhivirano iz originala 5. februara 2012. Pristupljeno 8. avgusta 2007.
  • C. Llewellyn-Smith. Na putu do termonuklearne energije. Materijali sa predavanja održanog 17. maja 2009. na FIAN-u.
  • U Sjedinjenim Državama će se održati grandiozni eksperiment termonuklearne fuzije.

vidi takođe

Bilješke

  1. Bondarenko B. D. "Uloga O. A. Lavrentijeva u postavljanju pitanja i pokretanju istraživanja kontrolirane termonuklearne fuzije u SSSR-u" // UFN 171 , 886 (2001).
  2. Recenzija A. D. Saharova, objavljena u odjeljku „Iz Arhive predsjednika Ruska Federacija". UFN 171 , 902 (2001), str.
  3. Naučna zajednica fizičara SSSR-a. 1950-1960-e. Dokumenti, memoari, istraživanja/ Sastavili i uredili P. V. Vizgin i A. V. Kessenikh. - St. Petersburg. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 str. - 1000 primjeraka.
  4. Rana američka termonuklearna municija koristila je i prirodni litijum deuterid, koji sadrži uglavnom izotop litijuma sa masenim brojem 7. On takođe služi kao izvor tricijuma, ali za to neutroni koji učestvuju u reakciji moraju imati energiju od 10 MeV i viši.
  5. Termonuklearne elektrane bezneutronskog ciklusa (npr. D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) sa MHD generatorom na visokotemperaturnoj plazmi;
  6. E. P. Velikhov, S. V. Putvinski Termonuklearni reaktor. Fornit (22. oktobar 1999.). - Izvještaj od 22.10.1999., sačinjen u okviru Energetskog centra Svjetske federacije naučnika. Arhivirano iz originala 5. februara 2012. Pristupljeno 16. januara 2011.
  7. (engleski) Napomena: Nuclear Fusion, 2003
  8. EFDA | Evropski sporazum o razvoju fuzije
  9. Tore Supra
  10. Tokamak fuzijski testni reaktor
  11. Princeton Plasma Physics Laboratory Overview
  12. MIT Plasma Science & Fusion Center: istraživanje>alkator>
  13. Početna stranica - Fusion Web stranica
  14. Istraživanje fuzijske plazme
  15. Veštačko sunce
  16. Termonuklear je izašao iz nule - Novine. Ru
  17. Informacije o filmu "Spider-Man 2" ("Spider-Man 2") - Kino "Kosmos"


Slični članci:
Kategorije
Popularno