Riadená termonukleárna fúzia: stále „hneď za rohom. Riadená termonukleárna fúzia - šarlatánstvo Riadená fúzia

21.08.2020

Je možná riadená termonukleárna fúzia v podmienkach Zeme?

Myšlienka využitia termonukleárnej fúzie na priemyselné účely bola vyjadrená pred 60 rokmi v roku 1950. Myšlienka sa zdala jednoduchá. Štyri atómy vodíka sa spoja do jedného atómu hélia, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie a žiadne žiarenie. Na Zemi je veľa vodíka, čo znamená, že bude možné mať veľa čistej energie. Čoskoro sa táto myšlienka splnila, len nie na priemyselné, ale na vojenské účely - bola vytvorená vodíková bomba. Zdalo sa, že zostáva urobiť málo – spomaliť proces, aby nebol výbušný, ale postupoval riadenou rýchlosťou. Problém sa zdal riešiteľný. O prichádzajúcej energetickej hojnosti sa písalo v školských učebniciach, hovorilo sa o nej v médiách, natáčali sa obľúbené filmy.

Začalo sa s výstavbou tokomakov – toroidných inštalácií na magnetické obmedzenie plazmy s cieľom dosiahnuť podmienky potrebné na riadenú termonukleárnu fúziu (obr. 1, http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA% E0%EC% E0%EA).

Celkovo bolo na svete vyrobených asi 300 tokamakov (podľa najkonzervatívnejších odhadov to stálo 150 miliárd dolárov). No dodnes žiadny z postavených tokamakov nie je vhodný na priemyselné účely. Hlavným problémom je, že prstencová plazmová šnúra s parametrami dostatočnými na uskutočnenie termonukleárnych reakcií je krátkodobá. Nedávno sa na internete objavila ďalšia „povzbudivá“ správa (http://science.compulenta.ru/268602): „Japonskí vedci vytvorili nový rekord vo fyzike plazmy – dokázali udržať plazmu v tokamaku JT-60 28.6. Toto číslo je takmer dvojnásobkom rekordu z roku 2004, ktorý bol 16,5 sekundy.“ Takéto „povzbudivé“ posolstvo, pokiaľ ide o využitie jadrovej syntézy na priemyselné účely, možno vnímať len ako výsmech. "Vedci prídu do práce, zapnú reaktor, reakcia nastane rýchlo, zdá sa, že ho vypnú, sedia a premýšľajú. Aký je dôvod? Čo robiť ďalej? A tak celé desaťročia bezvýsledne... A prešla dlhá cesta a veľa sa urobilo pre dosiahnutie konečného cieľa.No bohužiaľ výsledok je negatívny.Nevytvoril sa riadený termonukleárny reaktor.Ešte 30...40 rokov a sľuby vedcov sa naplnia . Budú? 60 rokov bez výsledku. Prečo by sa to malo stať o 30...40 rokov a nie o tri roky?" (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). Aktuálne v správach ITER- projekt medzinárodného experimentálneho termonukleárneho reaktora. Návrh reaktora bol dokončený a bolo vybrané miesto na jeho výstavbu – na juhu Francúzska. Projekt výstavby ITER zahŕňa Čínu, Japonsko, Južnú Kóreu, Rusko, USA, krajiny EÚ a Indiu. Náklady na projekt sa pôvodne odhadovali na 12 miliárd dolárov. V júli 2010 sa v dôsledku zmien v konštrukcii a rastúcich nákladov na materiál upravili náklady na výstavbu medzinárodného termonukleárneho reaktora ITER a zvýšili sa na 15 miliárd eur. Plánovaný termín dokončenia reaktora je rok 2015. Čo môžete očakávať od ďalšieho tokamaku, aj keď veľmi veľkého? Ale na Slnku nepretržite prebieha nevýbušná termonukleárna reakcia!

Príbeh s tokamakmi mi pripomína príbeh s perpetum mobile. Každý ďalší vynálezca perpetum mobile čaká, kým začne fungovať. Ale nejde to. Lenže vynálezcovia strojov na večnosť nepoznajú jeden zo základných fyzikálnych zákonov – zákon zachovania energie. Možno ani tvorcovia tokamakov niečo nevedia? Áno, to je asi pravda. Nepoznajú vlastnosti nedávno objavenej štruktúry vákua vesmíru (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Je však lepšie dať slovo autorovi objavu A.V. Rykov:

"Astrofyzici po roku 1998 potvrdili, že vesmír ukrýva (bez žiarenia) "tmavú" energiu a hmotu. Objav štruktúry vákua umožňuje pochopiť tieto "temné" entity vesmíru. Základom tohto tvrdenia je nerozlučné spojenie medzi gravitáciou a antigravitáciou, ktorá je zodpovedná za „tmavú“ „energiu. Štruktúra vákua je elektromagnetickej povahy a je tvorená kryštálovou mriežkou s elementárnymi nábojmi v uzloch veľkosti (+.-)1,602176462е -19 coulombovské a magnetické indukčné toky spojené s nábojmi, magnitúda Ф=4,8032042е -18 Weber. Mriežka s veľkosťou prvku 1,3987631е -15 m plní funkciu „tmavej“ energie, tok magnetickej indukcie plní funkciu „tmavej“ hmoty.

Nastupuje vákuová štruktúra 37832 menší ako polomer atómu vodíka, čo vysvetľuje nemožnosť tienenia gravitácie a iných podobných akcií (odstránenie elektrického napätia z nábojov konštrukcie). Je nehybne a pevne spojená s vákuom Vesmíru, v ktorom sa podľa Maxwella šíri svetlo. Malosť konštrukcie zabezpečuje jej prítomnosť a prenikanie do akýchkoľvek predmetov a zariadení vyrobených ľuďmi. Tento prienik existuje aj v experimentálnych inštaláciách typu Tokamak. V moderných inštaláciách s magnetickými pascami deutériovej alebo tríciovej plazmy, všadeprítomná vákuová štruktúra ničí magnetickú izoláciu a uvoľňuje z nej plazmu. To je dôvod neúspechu pokusov o získanie termonukleárnej energie na Zemi. Na Slnku sú všetky termonukleárne reakcie vo vesmíre obmedzené gravitáciou s gravitačným zrýchlením 273 m/s2, čo je na Zemi nemožné."

Za seba len dodám, že teplota v strede Slnka je asi 15 miliónov stupňov a tlak a hustota tiež nie sú porovnateľné s tým, čo sa dá poskytnúť na Zemi.

Pretrvávajúca túžba zvládnuť termonukleárnu energetiku je spôsobená gigantickými energetickými potrebami priemyslu a vlastne celej infraštruktúry našej civilizácie. Medzitým už dávno dozrel moment, kedy bolo možné a potrebné prejsť od starých energeticky náročných technológií k novým technológiám založeným na myšlienkach bioniky. A keby, aj keď nie pred 60 rokmi, ale aspoň pred 20-30 rokmi, boli prostriedky investované v tomto období do výroby tokamakov nasmerované na vývoj technológií šetriacich energiu, naša planéta by nemusela čeliť problémom. hladu po energii a ekologickej katastrofy.

1. Spracoval projekt Astrogalaxy 2. Zverejnenie projektu, 5. októbra 2011 3. Autor článku L.M. Toptunov za projekt "Astrogalaxy"

„Povedali sme si, že Slnko vložíme do krabice. Myšlienka je skvelá. Problém je však v tom, že nevieme, ako vytvoriť túto škatuľu“ - Pierre Gilles de Gennes, laureát nobelová cena vo fyzike 1991.

Zatiaľ čo pre jadrové reakcie na Zemi a vo vesmíre vo všeobecnosti existuje pomerne málo ťažkých prvkov, na termonukleárne reakcie na Zemi aj vo vesmíre existuje veľa ľahkých prvkov. Preto myšlienka využitia termonukleárnej energie v prospech ľudstva prišla takmer okamžite s pochopením procesov, ktoré sú jej základom – to sľubovalo skutočne neobmedzené možnosti, keďže zásoby termonukleárneho paliva na Zemi mali stačiť pre desiatky tisíc ľudí. rokov.

Už v roku 1951 sa objavili dva hlavné smery vývoja termonukleárnych reaktorov: Andrei Sacharov a Igor Tamm vyvinuli architektúru tokamaku, v ktorej pracovnou komorou bol torus, zatiaľ čo Lyman Spitzer navrhol architektúru zložitejšieho dizajnu, čo najviac pripomína obrátený pás Mobius nie raz, ale niekoľkokrát.

Jednoduchosť základnej konštrukcie tokamaku umožnila vývoj tohto smeru na dlhú dobu zvyšovaním charakteristík konvenčných a supravodivých magnetov, ako aj postupným zväčšovaním veľkosti reaktora. Ale s nárastom parametrov plazmy sa postupne začali objavovať problémy s jej nestabilným správaním, čo proces spomaľovalo.

Zložitosť dizajnu stellator úplne viedla k tomu, že po prvých experimentoch v 50. rokoch sa vývoj tohto smeru na dlhú dobu zastavil. Nový dych dostal celkom nedávno s príchodom moderných počítačovo podporovaných konštrukčných systémov, ktoré umožnili skonštruovať stellator Wendelstein 7-X s parametrami a konštrukčnou presnosťou potrebnou na jeho prevádzku.

Fyzika procesu a problémy pri jeho realizácii

Atómy železa majú maximálnu väzbovú energiu na nukleón - to je miera energie, ktorá sa musí vynaložiť na rozdelenie atómu na neutróny a protóny, ktoré ho tvoria, delená ich celkovým počtom. Všetky atómy s nižšou a vyššou hmotnosťou majú tento indikátor pod železom:

V tomto prípade sa pri termonukleárnych reakciách fúzie ľahkých atómov až po železo uvoľňuje energia a hmotnosť výsledného atómu je o niečo menšia ako súčet hmotností počiatočných atómov o množstvo, ktoré koreluje s uvoľnenou energiou. podľa vzorca E = mc² (tzv. hromadný defekt). Rovnakým spôsobom sa energia uvoľňuje pri reakciách jadrového štiepenia atómov ťažších ako železo.

Pri reakciách atómovej fúzie sa uvoľňuje obrovská energia, ale aby sme túto energiu mohli extrahovať, musíme najprv vynaložiť určité úsilie na prekonanie odpudivých síl medzi atómovými jadrami, ktoré sú kladne nabité (prekonať Coulombovu bariéru). Po tom, čo sa nám podarilo zblížiť pár atómov na požadovanú vzdialenosť, prichádza na rad silná jadrová interakcia, ktorá viaže neutróny a protóny. Pre každý typ paliva je Coulombova bariéra pre začiatok reakcie iná, rovnako ako optimálna reakčná teplota je iná:

V tomto prípade sa prvé termonukleárne reakcie atómov začínajú zaznamenávať dlho predtým, ako priemerná teplota látky dosiahne túto bariéru, pretože kinetická energia atómov podlieha Maxwellovmu rozdeleniu:

Ale reakcia pri relatívne nízkej teplote (rádovo niekoľko miliónov °C) prebieha extrémne pomaly. Povedzme teda, že v strede dosiahne teplota 14 miliónov °C, ale špecifický výkon termonukleárnej reakcie v takýchto podmienkach je len 276,5 W/m³ a Slnku trvá niekoľko miliárd rokov, kým úplne spotrebuje svoje palivo. Takéto podmienky sú pre termonukleárny reaktor neprijateľné, pretože pri takej nízkej úrovni uvoľňovania energie nevyhnutne vynaložíme viac na ohrev a stlačenie termojadrového paliva, ako získame spätnou reakciou.

Keď sa teplota paliva zvyšuje, čoraz väčší podiel atómov začína mať energiu presahujúcu Coulombovu bariéru a účinnosť reakcie sa zvyšuje a dosahuje svoj vrchol. S ďalším zvýšením teploty začne rýchlosť reakcie opäť klesať v dôsledku toho, že kinetická energia atómov je príliš vysoká a navzájom sa „prestrelia“, pričom ich silná jadrová interakcia nedokáže udržať pohromade.

Riešenie, ako získať energiu z riadenej termonukleárnej reakcie, sa teda podarilo získať pomerne rýchlo, no realizácia tejto úlohy sa vliekla už pol storočia a dodnes nie je dokončená. Dôvodom sú skutočne šialené podmienky, v ktorých sa ukázalo ako nevyhnutné umiestniť termojadrové palivo - pre kladný výťažok z reakcie musela byť jeho teplota niekoľko desiatok miliónov °C.

Žiadna stena fyzicky nevydržala takú teplotu, ale tento problém takmer okamžite viedol k jeho riešeniu: keďže látka zahriata na takéto teploty je horúca plazma (plne ionizovaný plyn), ktorá je kladne nabitá, ukázalo sa, že riešenie je na povrchu - len sme museli takto zohriatu plazmu umiestniť do silného magnetického poľa, ktoré udrží termonukleárne palivo v bezpečnej vzdialenosti od stien.

Pokrok smerom k jeho implementácii

Výskum na túto tému sa uberá niekoľkými smermi naraz:

Pomocou supravodivých magnetov sa vedci snažia znížiť energiu vynaloženú na zapálenie a udržanie reakcie;
pomocou nových generácií supravodičov sa vo vnútri reaktora zvyšuje indukcia magnetického poľa, čo umožňuje udržať plazmu s vyššími hustotami a teplotami, čím sa zvyšuje merný výkon reaktorov na jednotku objemu;
výskum horúcej plazmy a pokroky vo výpočtovej technike umožňujú lepšiu kontrolu tokov plazmy, čím sa fúzne reaktory približujú k ich teoretickým limitom účinnosti;
Pokrok v predchádzajúcej oblasti nám tiež umožňuje dlhšie udržiavať plazmu v stabilnom stave, čo zvyšuje účinnosť reaktora vďaka tomu, že plazmu nemusíme tak často prihrievať.

Napriek všetkým ťažkostiam a problémom, ktoré ležali na ceste k riadenej termonukleárnej reakcii, sa tento príbeh už blíži ku koncu. V energetike je zvykom používať na výpočet palivovej účinnosti ukazovateľ EROEI - energetická návratnosť investícií do energie (pomer energie vynaloženej na výrobu paliva k množstvu energie, ktorú z neho v konečnom dôsledku získame). A zatiaľ čo EROEI uhlia naďalej rastie, tento ukazovateľ pre ropu a plyn dosiahol svoj vrchol v polovici minulého storočia a v súčasnosti neustále klesá, pretože nové ložiská týchto palív sa nachádzajú na čoraz neprístupnejších miestach a vôbec. väčšie hĺbky:

Zároveň nemôžeme zvýšiť produkciu uhlia z toho dôvodu, že získavanie energie z neho je veľmi špinavý proces a doslova berie životy ľudí práve teraz na rôzne pľúcne choroby. Tak či onak, teraz stojíme na prahu konca éry fosílnych palív – a to nie sú machinácie environmentalistov, ale banálne ekonomické kalkulácie pri pohľade do budúcnosti. Zároveň EROI experimentálnych termonukleárnych reaktorov, ktoré sa objavili aj v polovici minulého storočia, neustále rástli a v roku 2007 dosiahli psychologickú bariéru jedného – teda v tomto roku sa ľudstvu prvýkrát podarilo získať viac energie prostredníctvom termonukleárnej reakcie, než vynaložil na jej realizáciu. A to aj napriek tomu, že realizácia reaktora, experimenty s ním a výroba prvej demonštračnej termonukleárnej elektrárne DEMO na základe skúseností získaných pri realizácii ITERu zaberie ešte veľa času. Už niet pochýb o tom, že naša budúcnosť spočíva v takýchto reaktoroch.

Kritika výskumu

Hlavnou kritikou výskumu fúznych reaktorov je, že výskum postupuje extrémne pomaly. A je to pravda – od prvých experimentov až po vytvorenie rovnovážnej termonukleárnej reakcie nám to trvalo až 66 rokov. Jadrom problému je však to, že financovanie takéhoto výskumu nikdy nedosiahlo požadovanú úroveň – tu je príklad odhadov US Energy Research and Development Administration o úrovni financovania projektu fúzneho reaktora a čase jeho dokončenia:

Ako vidno z tohto grafu, je prekvapujúce nielen to, že stále nemáme komerčné termonukleárne reaktory, ktoré by vyrábali elektrinu, ale aj to, že sme v súčasnosti dokázali dosiahnuť akýkoľvek pozitívny energetický výstup z experimentálnych reaktorov.

Na jeseň roku 1981 prišli do Moskvy poprední vedci z 27 krajín na Európsku konferenciu o riadenej termonukleárnej fúzii a fyzike plazmy. Hlavným výsledkom konferencie je jednomyseľný záver, že veda je dnes blízko ku konečnému riešeniu „problému storočia“ – riadenej termonukleárnej fúzie (CTF). Tento príbeh bol pripravený na základe rozhovorov s poprednými vedcami.

Mnohí odborníci sa dnes pýtajú, či už mohla fungovať termonukleárna elektráreň, keby výskum termonukleárnej fúzie nebol dlho utajovaný? Ak vedci a inžinieri rozdielne krajiny Bola tu možnosť spojiť sily už od začiatku? A hoci na túto otázku nemôže nikto s úplnou istotou odpovedať kladne, každému je jasné, že cesta k „energetickému Eldorádu“ by bola oveľa kratšia.

Prečo všetko nefungovalo tak, ako si to vyžadujú potreby ľudí? O tejto problematike sa na poslednej vedeckej konferencii o fúzii priamo nehovorilo. V zákulisí ich však vlastnil veľa. Pretože úprimná odpoveď na ňu vám môže pomôcť vyhnúť sa mnohým chybám v budúcnosti.

Vráťme sa v krátkosti do histórie – len pár dátumov a faktov. Koncom 30. rokov bola objavená reťazová reakcia jadrového štiepenia, pri ktorej sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Žiaľ, nevyužívali ho primárne na energetické potreby. V auguste 1945 Spojené štáty zhodili atómové bomby na japonské mestá Hirošima a Nagasaki. Sovietsky zväz bol nútený vytvoriť vlastné atómové zbrane. Bol testovaný v roku 1949. Ale už v roku 1954 bola u nás uvedená do prevádzky prvá jadrová elektráreň na svete, ktorá otvorila éru mierového využívania jadrovej energie... Podobný príbeh s termonukleárnou fúziou. Možnosť získavania energie z fúzie jadier bola teoreticky dokázaná koncom 30. rokov (mimochodom, fúzia uvoľňuje približne stokrát viac energie ako štiepenie!). A opäť boli najskôr vytvorené termonukleárne zbrane. Práca na termonukleárnych zbraniach nielenže odvádzala pozornosť od pokojného výskumu termonukleárnej fúzie, ale oddeľovala vedcov z rôznych krajín ako prázdna stena: žiadna výmena informácií, výsledkov výskumu, nápadov. Niekto musel urobiť prvý krok vpred. A v roku 1956 z iniciatívy sovietskej vlády správa akademika I.V.Kurčatova, ktorú čítal v anglickom meste Harwell, znamenala začiatok pravidelnej výmeny vedeckých informácií, aby sa spoločným úsilím vedcov z r. rôznych krajinách, pripraviť cestu pre mierové využívanie termonukleárnej energie. O rok neskôr sa sovietski vedci podelili so svojimi zahraničnými kolegami o myšlienku, ktorá určila všeobecný smer útoku na TCB. Názov inštalácií založených na tejto myšlienke „Tokamak“ sa teraz dostal do všetkých vedeckých slovníkov sveta rovnakým spôsobom ako napríklad slovo „satelit“.

Hlavne o týchto inštaláciách - o dnešných lídroch v riešení problému CTS, o projektoch nových "Tokamakov" sa diskutovalo na poslednom moskovskom fóre vedcov z rôznych krajín.

Samotná myšlienka termonukleárnej fúzie sa zdá byť jednoduchá. Je potrebné prinútiť jadrá, aby sa zblížili na vzdialenosť asi 10 miliardtín milimetra a spojili sa, syntetizovali do jedného jadra. Počas procesu fúzie sa uvoľňuje prebytočná energia. V zásade je možné syntetizovať všetky prvky na začiatku periodickej tabuľky. Najľahšie (presnejšie, relatívne ľahko) fúzne reakcie však môžu prebiehať medzi jadrami izotopov vodíka – deutériom a tríciom. Aby ste to však urobili, musíte zmes týchto jadier zahriať na 100 miliónov stupňov Celzia. A pri fúznej reakcii na čistom deutériu ešte viac – až miliarda!

Toto je hlavná ťažkosť. Zahrievanie látky na takéto teploty je samo o sebe fantastická úloha! Dokonca aj v hĺbke slnka je „chladnejšie“ - nie viac ako 20 miliónov stupňov. Už pri niekoľkých tisícoch stupňov sa látka stáva plazmou - chaosom elektrónov a jadier, ktoré sa rútia a zrážajú sa obrovskou rýchlosťou vo vnútri komory. A tento chaos sa stáva aktívnejším, keď teplota stúpa. Aký druh opraty to dokáže udržať pri desiatkach miliónov stupňov? Na Slnku je to obrovská gravitačná sila. A na Zemi, v umelej inštalácii?.. Zákernosť plazmy je aj v tom, že vďaka vysokej tepelnej vodivosti okamžite odovzdá svoju energiu stenám komory a ochladí sa. Ako výstižne poznamenal známy sovietsky fyzik profesor D. Frank-Kamensky, ohrev plazmy v uzavretej nádobe na milióny stupňov je to isté, ako varenie vody v pohári... z ľadu!

Hlavnou úlohou je teda zahriať plazmu na požadovanú teplotu a nedovoliť jej dotýkať sa stien tak dlho, kým zreaguje dostatočný počet jadier deutéria a trícia a dôjde k reakcii, pri ktorej sa uvoľní obrovská energia.

Riešením tohto problému je myšlienka, ktorá najlepšie funguje v inštaláciách Tokamaku. (Toto slovo je vytvorené z prvých slabík názvu inštalácie „TORoidálna KOMORA s MAGNETICKÝM POĽOM“) Zo školskej fyziky je známe, že nabitá častica sa nemôže pohybovať cez siločiaru magnetického poľa. V rovnomernom magnetickom poli sa častice pohybujú pozdĺž siločiar a otáčajú sa okolo nich. Preto, ak vytvoríte systém uzavretých magnetických siločiar, potom v zásade s ich pomocou môžete plazmu obsiahnuť v určitom obmedzenom objeme. Obrazne povedané, neviditeľné „dlane“ magnetických polí sú schopné udržať supersolárne teplo! "Tokamak" sa mal stať spoľahlivou oťažou pre častice, "zúrivé" z neuveriteľného, fantastického tepla.

Čo je to štrukturálne Tokamak? Vonkajšie to vyzerá ako veľký transformátor s uzavretým železným jadrom a vinutím, cez ktoré prechádza veľmi silný prúd. Namiesto sekundárneho vinutia transformátora je tu dutá toroidná komora pripomínajúca veľkú šišku. Vo vnútri tejto komory sa dosiahne prechod látky do plazmového stavu. Plazma sa ohrieva na požadovanú teplotu silným elektrickým výbojom, výkonnými ultravysokofrekvenčnými prúdmi a inými metódami. A silné magnetické pole stláča plazmu do hustej prstencovej šnúry.

Keď sa zoznámite so schémou zapojenia Tokamaku, žasnete nad jej jednoduchosťou – zdá sa, že aj v školskej učebnici dávajú zložitejšie schémy. Zhruba takto to je, ak na chvíľu zabudnete na skutočné zariadenie, na dizajn, ktorý si vyžaduje jedinečné materiály; zabudnite na tú nepredstaviteľne horúcu látku, ktorá je skrotená v „šiške“. Takže už pri prvých experimentoch sa ukázalo, že plazma nechce rozpoznať magnetické steny. Nepochopiteľne stihne vytiecť skôr, ako sa zahreje na požadovanú teplotu. Fyzici hľadali prostriedok na potlačenie nestability plazmy, prerábali inštaláciu, zvýšili teplotu a... opäť plazma našla nový spôsob, ako uniknúť z magnetického zajatia! Je to ako cestovanie v horách: dosiahli ste ďalší náročný vrchol, ale z jeho výšky môžete vidieť nové priesmyky, rokliny a priepasti, ktoré musíte prekonať na ceste k svojmu cieľu...

Za tri desaťročia prešli väčšinu náročnej cesty. Každá jeho etapa nie sú dni alebo mesiace, ale roky vytrvalých, zložitých experimentov, výpočtov, desiatky sklamaní zlyhaní a skvelých úspechov. A slovo „prvýkrát“ by sa dalo použiť na každý problém, ktorý bolo potrebné vyriešiť.

Prvýkrát sme sa napríklad museli naučiť, ako vytvoriť super silné magnetické pole v dosť veľkých komorách. Navyše, pole v najvyšší stupeň symetrické. Keď sa symetria odchýlila len o zlomok milimetra, plazma sa snažila preraziť k stenám komory a ochladiť sa.

Bolo tiež obdobie, keď plazma spoľahlivo obsahovala magnetické pole, nechcel zahriať nad len niekoľko miliónov stupňov. Nakoniec sa ukázalo, že za všetko môžu zanedbateľné nečistoty ťažkých prvkov v plazme. Ako sa však dostali do kamery? Vznikol predpoklad - odparujú sa z povrchu kovu. z ktorých sú zhotovené steny komory. Výsledkom je spomalenie plazmových elektrónov elektrické pole tieto prvky strácajú energiu, čo vedie k poklesu teploty... Trvalo veľa rokov, kým sme tento dôvod pochopili a hlavne odstránili.

Ako je to s problémom takzvanej prvej steny reaktora? Predstavte si, že v komore za touto stenou sú milióny stupňov! Nevyparí sa okamžite, pretože, ako vieme, plazma je „obalená“ v neviditeľnom magnetickom poli. Ale silné prúdy neutrónov dopadajú na stenu zvnútra! Materiál steny musí byť extrémne odolný, aby sa nezničil vplyvom vysokých teplôt a neutrónov, a zároveň musí byť čo najviac „transparentný“ voči tým istým neutrónom! Veď práve oni odoberajú z komory samotnú energiu termonukleárnej fúzie, ktorú mienime ďalej premieňať na teplo a elektrinu. stena nebude „priehľadná“, požadovaná energia zostane vo vnútri „šišky“. To sú paradoxné požiadavky, ktoré musí spĺňať materiál prvej steny reaktora. Je to rovnaké ako urobiť tehlovú stenu priehľadnou pre delostrelecké granáty. Presne sme ju vystrelili miliónom nábojov, ale bola neporušená – ani jedna diera.

Vytváranie silných magnetických polí berie leví podiel energie spotrebovanej Tokamakom a zatiaľ viac berie ako vydáva. Ako znížiť chuť do jedla?

Jedným z riešení problému je supravodivosť. Je známe, že pri teplotách blízkych absolútnej nule, elektrický odpor niektoré vodiče sa stávajú nekonečne malé. Prúd, ktorý sa raz spustí do kruhu takého vodiča, môže v ňom cirkulovať tak dlho, ako si želáte, takmer bez straty. Pre praktické štúdium možnosti využitia supravodivosti v Tokamakoch postavili vedci z Ústavu atómovej energie I. V. Kurčatova inštaláciu Tokamak-7, ktorej magnetické cievky sú vyrobené zo supravodivých materiálov. Bola to jedinečná skúsenosť predovšetkým pre inžinierov a materiálových vedcov. Faktom je, že najsilnejšie magnetické polia v Tokamaku sa stávajú nepriateľmi supravodivosti a ničia ju. Tu bolo potrebné vytvoriť a otestovať úplne špeciálne magneticky odolné supravodivé zliatiny. V porovnaní s konvenčným magnetickým systémom umožnili supravodivé vinutia T-7 znížiť spotrebu energie zo siete asi 100-krát!

V roku 1975 bola v Ústave atómovej energie spustená inštalácia Tokamaku-10. Touto inštaláciou sa podarilo získať plazmu s na tú dobu rekordnou teplotou – 15 miliónov stupňov Celzia! Tu sa po prvý raz objavili spoľahlivé známky toho, že v komore „vznietila“ termonukleárna reakcia aj s prvými iskrami. Áno, iskra môže zapáliť oheň. Ani stovka jednotlivých iskier však nie je vatra. Termonukleárne iskry zhasli. Ale už svojim vzhľadom presvedčili fyzikov na celom svete o správnosti zvolenej cesty.

Teraz nová inštalácia- "Tokamak-15" - sa stavia v Ústave pre atómovú energiu. Objem plazmovej „šišky“ v nej bude približne päťkrát väčší ako v T-10. Prečo je to potrebné? Faktom je, že so zväčšujúcim sa objemom komory sa zvyšuje počet častíc, a teda aj pravdepodobnosť ich zrážok, ktoré spôsobujú reakciu. Plazma v T-15 sa zahreje na 70-80 miliónov stupňov - to je už veľmi blízko tomu, čo je potrebné. Vinutia magnetických cievok T-15 budú supravodivé. Tým sa výrazne zníži spotreba energie.

Vedci dúfajú, že experimenty na T-15 a ďalších Tokamakoch by mali konečne potvrdiť uskutočniteľnosť samostatnej fúznej reakcie. Ak všetko pôjde dobre, tak ostáva už len urobiť posledný krok na ceste k termonukleárnym elektrárňam. V tejto poslednej fáze by sa mala dostať odpoveď na otázku: čo a ako treba urobiť na zber termálna energia neutróny a premenou na elektrinu ju posielajú do tovární v mestách a dedinách.

Zvládnuť energiu jadrovej fúzie, zvládnuť skutočne nevyčerpateľný zdroj energie je obrovská úloha. Pokrok celého ľudstva závisí od úspechu jeho riešenia. Preto je lepšie tento problém riešiť spoločne, úsilím všetkých krajín, ktoré na to majú potrebné vedecké a technické kapacity. Je obzvlášť dôležité spojiť sily v súčasnej fáze výskumu - najzodpovednejšej a možno aj najťažšej fáze, ktorá si vyžaduje obrovské materiálové náklady.

V roku 1978 na stretnutí Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu vo Viedni vystúpil v mene sovietskej vlády vedúci sovietskeho termonukleárneho programu akademik E.P. Velikhov a pozval odborníkov z popredných krajín, aby spoločne navrhli a postavili veľký demonštračný tokamakový reaktor. . Význam tohto prejavu, podobne ako prejav I. V. Kurčatova v roku 1956, je ťažké preceňovať. Ide o krok smerom k novej etape mierovej spolupráce v oblasti jadrovej syntézy. Návrh bol prijatý a medzi účastníkmi výstavby prvého medzinárodného termonukleárneho reaktora v histórii boli ZSSR, USA, Japonsko a desať najvyspelejších krajín západnej Európy. INTOR – tak sa nazýva budúci reaktor podľa prvých písmen anglického názvu – International Tokamak Reactor.

Ako bude INTOR vyzerať?

Navonok sa bude podobať svojim predchodcom z rodiny Tokamak - T-10, T-15 a ich zahraničným náprotivkom, líšia sa od nich väčšími rozmermi. Objem plazmy v INTOR bude približne 5-krát väčší ako v súčasnej generácii Tokamakov a ako už vieme, zvyšuje sa tým pravdepodobnosť vzplanutia termonukleárnej reakcie. Za 5-6 sekúnd sa plazma zahreje na teplotu nad 100 miliónov stupňov. Počas 100 sekúnd prebehne v komore termonukleárna reakcia, pri ktorej sa uvoľní energia rovnajúca sa tej, ktorú dnes dávajú jadrové reaktory stredného výkonu – asi 600 MW. (Pre porovnanie pripomeniem, že výkon prvej jadrovej elektrárne bol 5 MW.) Reakcia sa potom preruší, aby sa z komory odstránili splodiny horenia (hlavne jadrá hélia), ktoré komoru kontaminujú. Potom sa opäť vstrekne časť termonukleárneho paliva a cyklus sa zopakuje.

Možno je to hlavnou črtou INTOR. že sa po prvý raz uskutočnia seriózne testy na prvkoch systémov, ktoré umožňujú prakticky využiť energiu termonukleárnej fúzie. Systémy tohto druhu sa nazývajú „prikrývky“ (z anglického slova prikrývka – prikrývka). V najjednoduchšom prípade je prikrývka dutá škrupina obklopujúca reaktor, v ktorej cirkuluje kvapalina – povedzme voda. Neutróny vznikajúce počas reakcie a nesúce energiu termonukleárnej fúzie budú absorbované kvapalinou a dajú jej energiu, pričom ju zohrejú. A potom podľa obvyklej schémy, ako v tepelných alebo jadrových elektrárňach: voda sa pri zahriatí mení na paru, ktorá poháňa turbínu s elektrickým generátorom.

Prikrývka INTOR by mala pomôcť vyriešiť ďalší dôležitý problém.

Už sme povedali, že najskôr budú termonukleárne reaktory pracovať so zmesou deutéria a trícia – pre takúto zmes je potrebná nižšia teplota vznietenia ako pre čisté deutérium. Vzniká otázka: aká je situácia so zdrojmi tohto paliva? Čo sa týka deutéria. potom je k dispozícii v hojnosti v morská voda, celý oceán, dosť na viac ako jedno storočie. Kde môžem získať trícium? V prírode. ako viete, je toho veľmi málo.

Aj tu navrhovala jadrová fyzika východisko. Trícium je možné získať umelo z iného chemického prvku, ktorý je na Zemi pomerne hojný – lítia, jeho ožiarením neutrónmi. A to je veľmi dôležité, dá sa to urobiť v tom istom termonukleárnom reaktore. Toto je druhá dôležitá funkcia prikrývky: lítium v nej umiestnené sa spracuje na trícium.

Reaktor by teda teoreticky mal nielen vyrábať energiu, ale aj zabezpečovať palivo, ako sa to teraz deje, mimochodom, v jadrových elektrárňach s rýchlymi neutrónmi.

Útok na problém riadenej jadrovej fúzie sa teraz odohráva na širokom fronte. V posledných rokoch sa dosiahli povzbudivé výsledky aj v iných oblastiach výskumu. Možno menovať najmä také možnosti ako „laserové termonukleárne“, keď termonukleárne palivo ohrievajú zo všetkých strán silné laserové lúče. Alebo „elektronická fúzia“. kde namiesto laserových lúčov pracujú výkonné lúče elektrónov.

Je priskoro hovoriť o tom, ako budú tieto nápady prakticky realizované. Tokamaky priniesli vedcom najbližšie k vyriešeniu problému CTS. A práve v tomto smere sa dnes sústreďuje hlavné úsilie a prostriedky, ktoré nás približujú k zvládnutiu prakticky nevyčerpateľného zdroja energie.

Aktuálna verzia stránky ešte nebola overená

Aktuálna verzia stránky ešte nebola overená skúsenými účastníkmi a môže sa výrazne líšiť od verzie overenej 4. júna 2018; sú potrebné kontroly.

Riadená termonukleárna fúzia (TCB) - syntéza ťažších atómových jadier z ľahších za účelom získania energie, ktorá je na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (využívanej v termonukleárnych výbušných zariadeniach) v prírode riadená. Riadená termonukleárna fúzia sa od tradičnej jadrovej energie líši tým, že využíva rozpadovú reakciu, počas ktorej sa z ťažkých jadier vyrábajú ľahšie jadrá. Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú využiť na realizáciu riadenej termonukleárnej fúzie, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a z dlhodobého hľadiska hélium-3 (3He) a bór-11 (11B). [ ]

Prvýkrát problém riadenej termonukleárnej fúzie v Sovietskom zväze sformuloval a navrhol preň nejaké konštruktívne riešenie sovietsky fyzik Oleg Lavrentyev.

Historicky problematika riadenej termonukleárnej fúzie na globálnej úrovni vznikla v polovici 20. storočia.

Atómové jadrá sa skladajú z dvoch typov nukleónov – protónov a neutrónov. Pohromade ich drží takzvaná silná interakcia. V tomto prípade väzbová energia každého nukleónu s ostatnými závisí od celkového počtu nukleónov v jadre, ako je znázornené na grafe. Z grafu vyplýva, že pre ľahké jadrá so zvyšujúcim sa počtom nukleónov väzbová energia narastá, kým pre ťažké jadrá klesá. Ak pridáte nukleóny k ľahkým jadrám alebo odstránite nukleóny z ťažkých atómov, potom sa tento rozdiel vo väzbovej energii uvoľní ako rozdiel medzi cenou reakcie a kinetickou energiou uvoľnených častíc. Kinetická energia (energia pohybu) častíc sa po zrážke častíc s atómami premieňa na tepelný pohyb atómov. Jadrová energia sa teda prejavuje vo forme tepla. [ ]

Zmena v zložení jadra sa nazýva jadrová transformácia alebo jadrová reakcia. Jadrová reakcia so zvýšením počtu nukleónov v jadre sa nazýva termonukleárna reakcia alebo jadrová fúzia. Jadrová reakcia s poklesom počtu nukleónov v jadre - jadrový rozpad alebo jadrové štiepenie. [ ]

Zistilo sa, že zmes dvoch izotopov, deutéria a trícia, vyžaduje na fúznu reakciu menej energie v porovnaní s energiou uvoľnenou počas reakcie. Napriek tomu, že deutérium-trícium (D-T) je predmetom väčšiny fúznych výskumov, nie je ani zďaleka jediným potenciálnym palivom. Iné zmesi sa môžu vyrábať jednoduchšie; ich reakciu možno spoľahlivejšie riadiť, alebo, čo je dôležitejšie, produkovať menej neutrónov. Mimoriadne zaujímavé sú takzvané „bezutrónové“ reakcie, pretože úspešné priemyselné využitie takéhoto paliva bude znamenať absenciu dlhodobej rádioaktívnej kontaminácie materiálov a konštrukcie reaktora, čo by zase mohlo mať pozitívny vplyv. o verejnej mienke a o celkových nákladoch na prevádzku reaktora, čím sa výrazne znížia náklady na vyraďovanie a likvidáciu. Problémom zostáva, že syntézne reakcie využívajúce alternatívne palivá sú oveľa náročnejšie na údržbu, takže D-T reakcia sa považuje len za nevyhnutný prvý krok. [ ]

Môže sa použiť riadená fúzia rôzne druhy termonukleárne reakcie v závislosti od druhu použitého paliva. [ ]

Reakcia možná pri najnižšej teplote je deutérium + trícium:

Táto reakcia produkuje významný energetický výdaj. Nevýhody - vysoká cena trícia, uvoľňovanie nežiaduceho neutrónového žiarenia. [ ]

Je oveľa ťažšie, na hranici možného, uskutočniť reakciu deutérium + hélium-3

Podmienky na jeho dosiahnutie sú oveľa komplikovanejšie. Hélium-3 je tiež vzácny a extrémne drahý izotop. V súčasnosti sa nevyrába v priemyselnom meradle [ ]. Dá sa však získať z trícia, ktoré sa zase vyrába v jadrových elektrárňach; alebo vyťažené na Mesiaci.

Zložitosť uskutočňovania termonukleárnej reakcie môže byť charakterizovaná trojitým produktom nTτ (hustota na teplotu a retenčný čas). Podľa tohto parametra je reakcia D-3He približne 100-krát zložitejšia ako D-T.

Reakcie medzi jadrami deutéria sú tiež možné, sú o niečo ťažšie ako reakcie zahŕňajúce hélium-3:

Tieto reakcie prebiehajú pomaly paralelne s reakciou deutérium + hélium-3 a počas nich vznikajúce trícium a hélium-3 pravdepodobne okamžite zreagujú s deutériom.

Možné sú aj niektoré iné typy reakcií. Výber paliva závisí od mnohých faktorov - jeho dostupnosti a lacnosti, energetického výkonu, jednoduchosti dosiahnutia podmienok potrebných pre termonukleárnu fúznu reakciu (predovšetkým teploty), potrebných konštrukčných vlastností reaktora atď.

Najsľubnejšie sú takzvané „bezutrónové“ reakcie, pretože tok neutrónov generovaný termonukleárnou fúziou (napríklad pri reakcii deutérium-trícium) odnáša značnú časť energie a vytvára indukovanú rádioaktivitu v konštrukcii reaktora. . Reakcia deutéria + hélium-3 je sľubná vzhľadom na nedostatočný výťažok neutrónov (ale pri reakcii deutérium-deutérium vzniká trícium, ktoré môže interagovať s deutériom; výsledkom je, že neexistuje termonukleárny reaktor bez „neutrónov“).

Existujú dva obvodové schémy implementácia riadenej termonukleárnej fúzie, ktorej vývoj v súčasnosti prebieha (2017):

Prvý typ termonukleárnych reaktorov je oveľa lepšie vyvinutý a preštudovaný ako druhý.

Fúzny reaktor je z hľadiska žiarenia oveľa bezpečnejší ako jadrový reaktor. Po prvé, množstvo rádioaktívnych látok v ňom obsiahnutých je relatívne malé. Energia, ktorá sa môže uvoľniť v dôsledku akejkoľvek havárie, je tiež malá a nemôže viesť k zničeniu reaktora. Konštrukcia reaktora má zároveň niekoľko prirodzených bariér, ktoré bránia šíreniu rádioaktívnych látok. Napríklad vákuová komora a plášť kryostatu musia byť utesnené, inak reaktor jednoducho nebude môcť fungovať. Pri projektovaní ITER sa však veľká pozornosť venovala radiačnej bezpečnosti ako počas bežnej prevádzky, tak aj pri prípadných haváriách.

Aby sa zabránilo šíreniu trícia a prachu, ak opustia vákuovú komoru a kryostat, je potrebný špeciálny ventilačný systém, ktorý musí udržiavať znížený tlak v budove reaktora. Z budovy teda nebude dochádzať k úniku vzduchu okrem vetracích filtrov.

Pri výstavbe reaktora, akým je ITER, sa všade, kde je to možné, použijú materiály, ktoré už boli testované v jadrovej energetike. Vďaka tomu bude indukovaná rádioaktivita relatívne malá. Najmä aj v prípade poruchy chladiacich systémov bude prirodzená konvekcia postačovať na chladenie vákuovej komory a iných konštrukčných prvkov. je exotermická a poskytuje reaktoru len málo energie. Reakcia so 7 Li je endotermická – nespotrebováva však neutróny. Aspoň niektoré reakcie 7 Li sú potrebné na nahradenie neutrónov stratených v reakciách s inými prvkami. Väčšina návrhov reaktorov využíva prírodné zmesi izotopov lítia.

Teoreticky existujú alternatívne palivá, ktoré tieto nevýhody nemajú. Ich použitie ale bráni zásadné fyzické obmedzenie. Na získanie dostatočného množstva energie z fúznej reakcie je potrebné po určitú dobu udržiavať dostatočne hustú plazmu pri teplote fúzie (10 8 K). Tento základný aspekt fúzie je opísaný produktom hustoty plazmy n po dobu trvania obsahu zohriatej plazmy τ, ktorá je potrebná na dosiahnutie rovnovážneho bodu. Práca nτ závisí od typu paliva a je funkciou teploty plazmy. Zmes deutéria a trícia vyžaduje zo všetkých druhov paliva najnižšiu hodnotu nτ aspoň o jeden rád a najnižšiu reakčnú teplotu aspoň 5-krát. Reakcia D-T je teda nevyhnutným prvým krokom, ale použitie iných palív zostáva dôležitým cieľom výskumu. [ ]

Energia jadrovej syntézy je mnohými výskumníkmi považovaná za „prírodný“ zdroj energie z dlhodobého hľadiska. Zástancovia komerčného využitia fúznych reaktorov na výrobu elektriny uvádzajú vo svoj prospech tieto argumenty:

Kritici poukazujú na to, že otvorenou otázkou zostáva nákladová efektívnosť jadrovej syntézy pri výrobe elektriny na všeobecné účely. Rovnaká štúdia, ktorú si objednal Úrad pre vedu a technológiu britského parlamentu, naznačuje, že náklady na výrobu elektriny pomocou fúzneho reaktora budú pravdepodobne na vyššom konci nákladového spektra tradičných zdrojov energie. Veľa bude závisieť od budúcej dostupnej technológie, štruktúry trhu a regulácie. Náklady na elektrickú energiu priamo závisia od účinnosti využívania, trvania prevádzky a nákladov na likvidáciu reaktora.

Napriek rozšírenému optimizmu (od začiatku výskumu v 50. rokoch 20. storočia) sa doteraz nepodarilo prekonať významné prekážky medzi súčasným chápaním procesov jadrovej fúzie, technologickými možnosťami a praktickým využitím jadrovej fúzie. Nie je ani jasné, aká nákladovo efektívna môže byť výroba elektriny pomocou jadrovej fúzie. Hoci výskum neustále napreduje, výskumníci sa neustále stretávajú s novými problémami. Výzvou je napríklad vývoj materiálu, ktorý dokáže odolať bombardovaniu neutrónmi, ktoré je podľa odhadov 100-krát intenzívnejšie ako v tradičných jadrových reaktoroch. Závažnosť problému zhoršuje skutočnosť, že prierez pre interakciu neutrónov s jadrami s rastúcou energiou prestáva závisieť od počtu protónov a neutrónov a smeruje k prierezu atómového jadra - a pre neutróny energie 14 MeV jednoducho neexistuje izotop s dostatočne malým interakčným prierezom. To si vyžaduje veľmi častú výmenu. vzory D-T- a D-D reaktora a znižuje jeho ziskovosť natoľko, že náklady na návrhy reaktorov z moderné materiály pre tieto dva typy sa ukazuje, že je to viac ako cena nimi vyrobenej energie. Existujú tri možné riešenia [ ] :

Vedľajšie účinky reakcie D-D(3%) pri syntéze D-He komplikujú výrobu cenovo výhodných návrhov reaktora, hoci sú možné na modernej technologickej úrovni.

Ďalším krokom vo výskume by mal byť (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). V tomto reaktore sa plánuje študovať správanie vysokoteplotnej plazmy (plamiaca plazma s Q~ 30) a konštrukčné materiály pre priemyselný reaktor.

Záverečnou fázou výskumu bude DEMO: prototyp priemyselného reaktora, v ktorom sa dosiahne zapálenie a demonštruje sa praktickosť nových materiálov. Najoptimistickejšia prognóza dokončenia DEMO fázy: 30 rokov. Po DEMO sa môže začať projektovanie a výstavba komerčných termonukleárnych reaktorov (bežne nazývaných TNPP – termonukleárne elektrárne). Výstavba jadrovej elektrárne sa môže začať najskôr v roku 2045.

Celkovo bolo na svete vyrobených asi 300 tokamakov. Najväčšie z nich sú uvedené nižšie.

Prvýkrát problém riadenej termonukleárnej fúzie v Sovietskom zväze sformuloval a navrhol preň nejaké konštruktívne riešenie sovietsky fyzik O. A. Lavrentyev. Okrem neho významným spôsobom prispeli k riešeniu problému takí vynikajúci fyzici ako A. D. Sacharov a I. E. Tamm, ako aj L. A. Artsimovič, ktorý od roku 1951 viedol sovietsky program riadenej termonukleárnej fúzie.

Historicky problematika riadenej termonukleárnej fúzie na globálnej úrovni vznikla v polovici 20. storočia. Je známe, že v roku 1956 I. V. Kurchatov predložil návrh na spoluprácu medzi jadrovými vedcami z rôznych krajín pri riešení tohto vedeckého problému. Stalo sa to počas návštevy Britského jadrového centra Harwell ( Angličtina) .

Typy reakcií

Fúzna reakcia je nasledovná: dve alebo viac atómových jadier sa v dôsledku pôsobenia určitej sily priblíži k sebe, takže sily pôsobiace v takých vzdialenostiach prevažujú nad Coulombovými odpudzovacími silami medzi podobne nabitými jadrami, čo vedie k tvorba nového jadra. Pri vytvorení nového jadra sa uvoľní veľké množstvo silnej interakčnej energie. Podľa známeho vzorca E=mc² po uvoľnení energie systém nukleónov stratí časť svojej hmoty. Atómové jadrá, ktoré majú malý elektrický náboj, sa ľahšie dostávajú do požadovanej vzdialenosti, preto sú ťažké izotopy vodíka jedným z najlepšie výhľady palivo pre syntéznu reakciu.

Zistilo sa, že zmes dvoch izotopov, deutéria a trícia, vyžaduje na fúznu reakciu najmenej energie v porovnaní s energiou uvoľnenou počas reakcie. Napriek tomu, že deutérium-trícium (D-T) je predmetom väčšiny fúznych výskumov, nie je ani zďaleka jediným potenciálnym palivom. Iné zmesi sa môžu vyrábať jednoduchšie; ich reakciu možno spoľahlivejšie riadiť, alebo, čo je dôležitejšie, produkovať menej neutrónov. Mimoriadne zaujímavé sú takzvané „bezutrónové“ reakcie, pretože úspešné priemyselné využitie takéhoto paliva bude znamenať absenciu dlhodobej rádioaktívnej kontaminácie materiálov a konštrukcie reaktora, čo by zase mohlo mať pozitívny vplyv. o verejnej mienke a o celkových nákladoch na prevádzku reaktora, čím sa výrazne znížia náklady na vyraďovanie a likvidáciu. Problémom zostáva, že syntézne reakcie využívajúce alternatívne palivá sa oveľa ťažšie udržiavajú, pretože D-T reakcia sa považuje len za nevyhnutný prvý krok.

Riadená fúzia môže využívať rôzne typy fúznych reakcií v závislosti od typu použitého paliva.

Reakcia deutérium + trícium (palivo D-T)

Najľahšie uskutočniteľná reakcia je deutérium + trícium:

2 H + 3 H = 4 He + n s energetickým výstupom 17,6 MeV (megaelektrónvolt).

Táto reakcia je z hľadiska moderných technológií najjednoduchšie realizovateľná, poskytuje značný energetický výťažok a komponenty paliva sú lacné. Nevýhodou je uvoľňovanie nežiaduceho neutrónového žiarenia.

Dve jadrá: deutérium a trícium sa spájajú a vytvárajú jadro hélia (častica alfa) a vysokoenergetický neutrón:

Tokamak (TORoidálna komora s magnetickými cievkami) - toroidná inštalácia na magnetické zadržiavanie plazmy. Plazma je držaná nie stenami komory, ktoré nie sú schopné odolať jej teplote, ale špeciálne vytvoreným magnetickým poľom. Zvláštnosťou tokamaku je využitie elektrický prúd, prúdiaci cez plazmu, aby sa vytvorilo toroidné pole potrebné pre rovnováhu plazmy.

Reakcia deutérium + hélium-3

Je oveľa ťažšie, na hranici možného, uskutočniť reakciu deutérium + hélium-3

2 H + 3 He = 4 He + s energetickým výdajom 18,4 MeV.

Podmienky na jeho dosiahnutie sú oveľa komplikovanejšie. Hélium-3 je tiež vzácny a extrémne drahý izotop. V súčasnosti sa nevyrába v priemyselnom meradle. Dá sa však získať z trícia, ktoré sa zase vyrába v jadrových elektrárňach; alebo vyťažené na Mesiaci.

Reakcia medzi jadrami deutéria (D-D, monopropelant)

Okrem hlavnej reakcie sa v DD plazme vyskytuje aj toto:

Tieto reakcie prebiehajú pomaly paralelne s reakciou deutérium + hélium-3 a počas nich vznikajúce trícium a hélium-3 pravdepodobne okamžite zreagujú s deutériom.

Iné typy reakcií

Reakcie „bez neutrónov“.

Reakcie na ľahký vodík

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

Väčšina (viac ako 80 %) uvoľnenej kinetickej energie však pochádza z neutrónu. V dôsledku zrážok úlomkov s inými atómami sa táto energia premieňa na tepelnú energiu. Rýchle neutróny navyše vytvárajú značné množstvo rádioaktívneho odpadu. Naproti tomu pri syntéze deutéria a hélia-3 nevznikajú takmer žiadne rádioaktívne produkty:

D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), kde p je protón.

To umožňuje použitie jednoduchších a efektívnejších systémov na konverziu kinetickej fúznej reakcie, ako je magnetohydrodynamický generátor.

Návrhy reaktorov

Existujú dve základné schémy implementácie riadenej termonukleárnej fúzie, ktorých vývoj v súčasnosti prebieha (2012):

Prvý typ termonukleárnych reaktorov je oveľa lepšie vyvinutý a preštudovaný ako druhý.

Radiačná bezpečnosť

Existuje niekoľko zdrojov možnej rádioaktívnej kontaminácie:

rádioaktívny izotop vodíka - trícium;
indukovaná rádioaktivita v inštalačných materiáloch v dôsledku ožiarenia neutrónmi;
rádioaktívny prach vytvorený v dôsledku pôsobenia plazmy na prvú stenu;
rádioaktívne produkty korózie, ktoré sa môžu vytvárať v chladiacom systéme.

Aby sa zabránilo šíreniu trícia a prachu, ak opustia vákuovú komoru a kryostat, je potrebný špeciálny ventilačný systém na udržanie zníženého tlaku v budove reaktora. Z budovy teda nebude dochádzať k úniku vzduchu okrem vetracích filtrov.

Pri stavbe reaktora, napríklad ITER, sa všade, kde to bude možné, použijú materiály, ktoré už boli testované v jadrovej energetike. Vďaka tomu bude indukovaná rádioaktivita relatívne malá. Najmä aj v prípade poruchy chladiacich systémov bude prirodzená konvekcia postačovať na chladenie vákuovej komory a iných konštrukčných prvkov.

Odhady ukazujú, že ani v prípade havárie nebudú rádioaktívne emisie predstavovať nebezpečenstvo pre obyvateľstvo a nevyvolajú potrebu evakuácie.

Palivový cyklus

Reaktory prvej generácie budú s najväčšou pravdepodobnosťou pracovať na zmesi deutéria a trícia. Neutróny, ktoré vznikajú počas reakcie, budú absorbované štítom reaktora a vzniknuté teplo sa použije na ohrev chladiva vo výmenníku tepla a táto energia sa zase využije na otáčanie generátora.

. .

Fúzna reakcia ako priemyselný zdroj elektriny

Energiu jadrovej syntézy považujú mnohí výskumníci (najmä Christopher Llewellyn-Smith) za „prirodzený“ zdroj energie z dlhodobého hľadiska. Zástancovia komerčného využitia fúznych reaktorov na výrobu elektriny uvádzajú vo svoj prospech tieto argumenty:

Náklady na elektrickú energiu v porovnaní s tradičnými zdrojmi

Samostatnou otázkou sú náklady na výskum. Krajiny EÚ vynakladajú ročne približne 200 miliónov eur na výskum a predpokladá sa, že potrvá ešte niekoľko desaťročí, kým bude možné priemyselné využitie jadrovej fúzie. Zástancovia alternatívnych nejadrových zdrojov elektriny sa domnievajú, že by bolo vhodnejšie použiť tieto prostriedky na zavedenie obnoviteľných zdrojov elektriny.

Dostupnosť komerčnej energie jadrovej syntézy

Napriek rozšírenému optimizmu (od začiatku výskumu v 50. rokoch 20. storočia) sa doteraz nepodarilo prekonať významné prekážky medzi súčasným chápaním procesov jadrovej fúzie, technologickými možnosťami a praktickým využitím jadrovej fúzie. Nie je ani jasné, aká nákladovo efektívna môže byť výroba elektriny pomocou jadrovej fúzie. Hoci výskum neustále napreduje, výskumníci sa neustále stretávajú s novými problémami. Výzvou je napríklad vývoj materiálu, ktorý dokáže odolať bombardovaniu neutrónmi, ktoré je podľa odhadov 100-krát intenzívnejšie ako v tradičných jadrových reaktoroch. Závažnosť problému zhoršuje skutočnosť, že prierez pre interakciu neutrónov s jadrami s rastúcou energiou prestáva závisieť od počtu protónov a neutrónov a smeruje k prierezu atómového jadra - a pre neutróny energie 14 MeV jednoducho neexistuje izotop s dostatočne malým interakčným prierezom. To si vyžaduje veľmi častú výmenu konštrukcií reaktorov D-T a D-D a znižuje to ich rentabilitu natoľko, že náklady na konštrukcie reaktorov vyrobené z moderných materiálov pre tieto dva typy sú vyššie ako náklady na energiu nimi vyrobenú. Sú možné tri typy riešení:

Odmietnutie čistej jadrovej fúzie a jej využitie ako zdroja neutrónov na štiepenie uránu alebo tória.
Odmietnutie syntézy D-T a D-D v prospech iných syntéznych reakcií (napríklad D-He).
Prudké zníženie nákladov na konštrukčné materiály alebo vývoj procesov na ich obnovu po ožiarení. Potrebné sú aj obrovské investície do materiálovej vedy, ale vyhliadky sú neisté.

Vedľajšie reakcie D-D (3%) pri syntéze D-He komplikujú výrobu cenovo výhodných návrhov reaktora, ale nie sú na súčasnej technologickej úrovni nemožné.

Rozlišujú sa tieto fázy výskumu:

1. Rovnovážny alebo „prechodový“ režim(Break-even): keď sa celková energia uvoľnená v procese fúzie rovná celkovej energii vynaloženej na spustenie a udržiavanie reakcie. Tento pomer je označený symbolom Q.

2. Žiarivá plazma(horiaca plazma): Medzistupeň, v ktorom bude reakcia primárne podporovaná časticami alfa, ktoré vznikajú počas reakcie, a nie vonkajším zahrievaním. Q ≈ 5. Stále (2012) nedosiahnuté.

3. Zapaľovanie(Ignition): stabilná, sebestačná reakcia. Malo by sa dosiahnuť pri vysokých hodnotách Q. Stále nedosiahnuté.

Ďalším krokom vo výskume by mal byť medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor (ITER). V tomto reaktore sa plánuje študovať správanie vysokoteplotnej plazmy (plamiaca plazma s Q~ 30) a konštrukčné materiály pre priemyselný reaktor.

Záverečnou fázou výskumu bude DEMO: prototyp priemyselného reaktora, v ktorom sa dosiahne zapálenie a demonštruje sa praktickosť nových materiálov. Najoptimistickejšia prognóza dokončenia DEMO fázy: 30 rokov. Vzhľadom na odhadovaný čas výstavby a uvedenia priemyselného reaktora do prevádzky nás od priemyselného využitia termonukleárnej energie delí približne 40 rokov.

Existujúce tokamaky

Celkovo bolo na svete vyrobených asi 300 tokamakov. Najväčšie z nich sú uvedené nižšie.

ZSSR a Rusko
- T-3 je prvé funkčné zariadenie.
- T-4 - zväčšená verzia T-3
- T-7 je unikátna inštalácia, v ktorej je prvýkrát na svete implementovaný pomerne veľký magnetický systém so supravodivým solenoidom na báze cíničitanu chladeného tekutým héliom. Hlavná úloha T-7 bola dokončená: bola pripravená perspektíva ďalšej generácie supravodivých solenoidov pre termonukleárnu energiu.
- T-10 a PLT sú ďalším krokom vo svetovom termonukleárnom výskume, majú takmer rovnakú veľkosť, rovnaký výkon, s rovnakým faktorom zadržania. A získané výsledky sú identické: oba reaktory dosiahli požadovanú teplotu termonukleárnej fúzie a oneskorenie podľa Lawsonovho kritéria je len dvestonásobné.
- T-15 je súčasný reaktor so supravodivým solenoidom, ktorý dáva silu poľa 3,6 Tesla.

Líbya
- TM-4A

Odkazy

E.P. Velikhov; S.V. Mirnov Riadená termonukleárna fúzia dosahuje domáci úsek (PDF). Inštitút inovácií a termonukleárneho výskumu Trinity. Ruské vedecké centrum "Kurčatov inštitút".. ac.ru. - Populárna prezentácia problému. Archivované z originálu 5. februára 2012. Získané 8. augusta 2007.
K. Llewellyn-Smith. Na ceste k termonukleárnej energii. Materiály z prednášky 17. mája 2009 na FIAN.
V USA sa uskutoční veľký experiment termonukleárnej fúzie.

pozri tiež

Poznámky

Bondarenko B. D. „Úloha O. A. Lavrentieva pri nastolení otázky a iniciovaní výskumu riadenej termonukleárnej fúzie v ZSSR“ // UFN 171 , 886 (2001).
Recenzia A.D. Sacharova, uverejnená v sekcii „Z archívu prezidenta Ruská federácia" UFN 171 902 (2001), str.
Vedecká obec fyzikov ZSSR. 50. – 60. roky 20. storočia. Dokumenty, spomienky, výskum/ Zostavili a upravili P. V. Vizgin a A. V. Kessenich. - St. Petersburg. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 s. - 1000 kópií.
Skorá termonukleárna munícia USA používala aj prírodný deuterid lítia, ktorý obsahuje hlavne izotop lítia s hmotnostným číslom 7. Slúži aj ako zdroj trícia, ale na to musia mať neutróny zapojené do reakcie energiu 10 MeV resp. vyššie.
Termojadrové elektrárne bez neutrónového cyklu (napríklad D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) s generátorom MHD využívajúcim vysokoteplotnú plazmu;
E. P. Velikhov, S. V. Putvinskij Fúzny reaktor. Fornit (22. októbra 1999). - Správa z 22.10.1999, vypracovaná v rámci Energetického centra Svetovej federácie vedcov. Archivované z originálu 5. februára 2012. Získané 16. januára 2011.
(anglicky) Postnote: Nuclear Fusion, 2003
EFDA | Európska dohoda o rozvoji jadrovej syntézy
Tore Supra
Tokamak Fusion Test Reactor
Prehľad laboratória fyziky plazmy v Princetone
MIT Plazma Science & Fusion Center: research>alcator>
Domov – webová stránka Fusion
Výskum fúznej plazmy
Umelé slnko-中安在线-anglicky
Termonukleárny reaktor vyšiel z nuly - Noviny. Ru
Informácie o filme "Spider-Man 2" - Kino "Cosmos"

Jadrová technológia
Strojárstvo
Materiály
Jadrová energia
Nukleárna medicína
Jadrová zbraň

Energia
štruktúrou podľa produktov a odvetví

Elektroenergetika:
elektriny

Tradičné

Termálne elektrárne	Kondenzačná elektráreň (CPS) Elektráreň na kombinovanú výrobu tepla a elektriny (CHP)
Vodná energia	Vodná elektráreň (HPP) Prečerpávacia elektráreň (PSPP)
Jadrový	Jadrová elektráreň (JE) Plávajúca jadrová elektráreň (FNPP)

Alternatívne

Geotermálne	Geotermálne elektrárne (GeoTES)
Vodná energia	Malé vodné elektrárne (MVE) Prílivové elektrárne (TPP) Vlnové elektrárne Osmotické elektrárne
Sila vetra	Veterné elektrárne (WPP)
Solárne	Solárne elektrárne (SPP)
Vodík	Vodíkové elektrárne Elektrárne na palivové články
Bioenergia	Bioelektrárne (BioTES)
Malý	Dieselové elektrárne Plynové piestové elektrárne Nízkoenergetické jednotky s plynovou turbínou Benzínové elektrárne

Podobné články: