Kontrollü termonükleer füzyon: hala ufukta. Kontrollü termonükleer füzyon bir şarlatanlıktır Kontrollü füzyon

21.08.2020

Dünya koşullarında kontrollü termonükleer füzyon mümkün mü?

Termonükleer füzyonu endüstriyel amaçlar için kullanma fikri bundan 60 yıl önce 1950'de ortaya atıldı. Fikir basit görünüyordu. Dört hidrojen atomu, bir helyum atomunda birleşerek muazzam miktarda enerji açığa çıkarır ve radyasyon içermez. Yeryüzünde çok fazla hidrojen var, bu da çok fazla temiz enerjiye sahip olmanın mümkün olacağı anlamına geliyor. Kısa süre sonra bu fikir gerçekleşti, yalnızca endüstriyel amaçlar için değil, askeri amaçlar için - bir hidrojen bombası yaratıldı. Yapılacak çok az şey varmış gibi görünüyordu - süreci yavaşlatmak, böylece patlayıcı hale gelmesin, ancak kontrollü bir hızda ilerledi. Sorun çözülebilir gibiydi. Yaklaşan enerji bolluğu okul ders kitaplarına yazıldı, medyada konuşuldu ve popüler filmler çekildi.

Kontrollü termonükleer füzyonun devam etmesi için gerekli koşulları elde etmek amacıyla tokomaks - manyetik plazma hapsi için toroidal kurulumların inşasıyla başladı (Şekil 1, http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA %E0%EC% E0%EA).

Dünyada toplamda yaklaşık 300 tokamak inşa edildi (en muhafazakar tahminlere göre, bu 150 milyar dolara mal oldu). Ancak bugüne kadar yapılan tokamakların hiçbiri endüstriyel kullanıma uygun değil. Ana sorun, termonükleer reaksiyonların meydana gelmesi için yeterli parametrelere sahip dairesel bir plazma filamentinin kısa ömürlü olmasıdır. Son zamanlarda internette başka bir "cesaret verici" mesaj çıktı (http://science.compulenta.ru/268602): "Japon bilim adamları plazma fiziğinde yeni bir rekor kırdılar - plazmayı JT-60 tokamak'ta tutmayı başardılar. 28.6 saniye Bu rakam, 2004 yılındaki 16.5 saniyelik rekorun neredeyse iki katı." Termonükleer füzyonun endüstriyel amaçlar için kullanılması söz konusu olduğunda böyle bir "güven verici" mesaj ancak alay konusu olarak alınabilir. "Bilim adamları işe geliyor, reaktörü çalıştırıyor, reaksiyon hızlı oluyor, sanki kapatıyorlar ve oturup düşünüyorlar. Sebebi ne? Ama maalesef sonuç olumsuz. Kontrollü bir termonükleer reaktör henüz çalışmadı. 30...40 yıl daha bilim adamlarının vaatleri yerine gelecek ama 60 yıl sonuç yok neden 30...40 yılda alınsın da 3 yılda değil? " (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). Şu anda duyulan İTER- uluslararası bir deneysel termonükleer reaktör projesi. Reaktörün tasarımı tamamlandı, inşası için Fransa'nın güneyinde bir yer seçildi. ITER inşaat projesinde Çin, Japonya, Güney Kore, Rusya, ABD, AB ülkeleri ve Hindistan yer alıyor. Projenin maliyeti başlangıçta 12 milyar dolar olarak tahmin ediliyordu. Temmuz 2010'da, tasarımdaki değişiklikler ve daha yüksek malzeme maliyetleri nedeniyle, uluslararası termonükleer reaktör ITER'nin yapım maliyeti ayarlandı ve 15 milyar avroya çıkarıldı. Reaktörün planlanan teslim tarihi 2015'tir. Çok büyük de olsa bir sonraki tokamaktan ne beklenebilir? Ama sonuçta, Güneş'te sürekli olarak patlayıcı olmayan bir termonükleer reaksiyon gerçekleştiriliyor!

Tokamakların hikayesi bana sürekli hareket makinelerinin hikayesini hatırlatıyor. Sürekli hareket makinesinin sonraki her mucidi, hemen hemen çalışmasını bekliyor. Ve çalışmıyor. Ancak sürekli hareket makinelerinin mucitleri, fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu yasasını bilmiyorlar. Belki de tokamakların yaratıcıları da bir şeyler bilmiyorlar? Evet, muhtemelen öyledir. Kozmos boşluğunun yakın zamanda keşfedilen yapısının özelliklerini bilmiyorlar (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Ancak sözü keşfin yazarı A.V.'ye vermek daha iyidir. Rykov:

"Astrofizik 1998'den sonra Evren'in (radyasyon olmadan) "karanlık" enerji ve maddeyi gizlediğini doğruladı. karakter ve büyüklük düğümlerinde temel yüklere sahip bir kristal kafes tarafından oluşturulur. (+.-)1.602176462е -19 Coulomb ve yüklerle ilişkili manyetik indüksiyon akıları, büyüklük F \u003d 4.8032042e -18 Weber. Öğe boyutuna sahip ızgara 1.3987631e -15 m "karanlık" enerjinin işlevini yerine getirir, manyetik indüksiyon akışı "karanlık" maddenin işlevini yerine getirir.

Vakum yapısı adımı 37832 yerçekimini ve diğer benzer eylemleri korumanın imkansızlığını açıklayan hidrojen atomunun yarıçapından daha az (elektrik gerilimini yapının yüklerinden çıkarmak). Maxwell'e göre ışığın yayıldığı Evrenin boşluğuyla hareketsiz ve katı bir şekilde bağlantılıdır. Yapının küçüklüğü, varlığını ve insanlar tarafından yapılan herhangi bir nesneye ve cihaza nüfuz etmesini sağlar. Bu penetrasyon, Tokamak tipi deneysel kurulumlarda da mevcuttur. Manyetik döteryum veya trityum plazma tuzaklarına sahip modern kurulumlarda, vakumun tamamen nüfuz eden yapısı manyetik izolasyonu yok eder ve plazmayı ondan serbest bırakır. Dünya üzerinde termonükleer enerji elde etme girişimlerinin başarısız olmasının nedeni budur. Güneş'te, tüm termonükleer reaksiyonlar, Dünya'da imkansız olan 273 m/sn 2'lik yerçekimi ivmeleriyle yerçekimi ile uzayda sınırlıdır."

Kendi adıma sadece şunu ekleyebilirim ki, Güneş'in merkezindeki sıcaklık yaklaşık 15 milyon derece ve basınç ve yoğunluk da Dünya'da sağlanabileceklerle kıyaslanamaz.

Termonükleer enerjide ustalaşma konusundaki inatçı arzu, endüstrinin ve aslında medeniyetimizin tüm altyapısının devasa enerji ihtiyaçlarından kaynaklanmaktadır. Bu arada, eski enerji tüketen teknolojilerden biyonik fikirlerine dayanan yeni teknolojilere geçmenin mümkün ve gerekli olduğu zamanlar çoktan geldi. Ve eğer 60 yıl önce olmasa da en az 20-30 yıl önce, bu süre zarfında tokamakların yaratılmasına yatırılan fonlar enerji tasarrufu sağlayan teknolojilerin geliştirilmesine yönlendirilseydi, gezegenimiz enerji açlığı sorunlarıyla karşı karşıya kalmazdı. ve çevre felaketi.

1. "Astrogalaxy" projesi tarafından hazırlanmıştır 2. Projenin yayınlanması, 5 Ekim 2011 3. Makalenin yazarı L.M. Toptunov "Astrogalaxy" projesi için

“Güneşi bir kutuya koyalım dedik. Fikir harika. Ancak sorun şu ki, bu kutuyu nasıl oluşturacağımızı bilmiyoruz" - Pierre Gilles de Gennes, ödüllü Nobel Ödülü 1991 yılında fizikte.

Dünya'da ve genel olarak uzayda nükleer reaksiyonlar için gerekli olan epeyce ağır element varken, hem Dünya'da hem de uzayda termonükleer reaksiyonlar için çok sayıda hafif element vardır. Bu nedenle, termonükleer enerjiyi insanlığın yararına kullanma fikri, altında yatan süreçlerin anlaşılmasıyla neredeyse anında ortaya çıktı - bu, gerçekten sınırsız olasılıklar vaat ediyordu, çünkü Dünya'daki termonükleer yakıt rezervlerinin on binlerce yıl boyunca yeterli olması gerekiyordu. Gelmek.

Daha 1951'de, termonükleer reaktörlerin geliştirilmesinde iki ana yön ortaya çıktı: Andrei Sakharov ve Igor Tamm, çalışma odasının bir simit olduğu tokamak mimarisini geliştirirken, Lyman Spitzer, en çok anımsatan şekilde daha karmaşık bir tasarıma sahip bir mimari önerdi. Möbius şeridini sadece bir kez değil, birkaç kez tersine çevirdi.

Tokamak'ın temel tasarımının basitliği, geleneksel ve süper iletken mıknatısların özelliklerini iyileştirerek ve reaktörün boyutunu kademeli olarak artırarak uzun süre bu yönü geliştirmeye izin verdi. Ancak plazma parametrelerindeki artışla birlikte, yavaş yavaş kararsız davranışıyla ilgili sorunlar ortaya çıkmaya başladı ve bu da süreci yavaşlattı.

Yıldız tasarımının karmaşıklığı, 50'li yıllardaki ilk deneylerden sonra bu yönün gelişiminin uzun süre durmasına tamamen yol açtı. Wendelstein 7-X stellator'ı çalışması için gerekli parametreler ve tasarım doğruluğu ile tasarlamayı mümkün kılan modern bilgisayar destekli tasarım sistemlerinin ortaya çıkmasıyla oldukça yakın bir zamanda yeni bir soluk aldı.

Sürecin fiziği ve uygulanmasındaki sorunlar

Demir atomları, nükleon başına maksimum bağlanma enerjisine sahiptir - yani, bir atomu oluşturan nötronlara ve protonlara bölmek için harcanması gereken enerjinin toplam sayılarına bölünmesiyle elde edilen bir ölçüdür. Giderek daha az kütleye sahip olan tüm atomlar, demirin altında bu göstergeye sahiptir:

Aynı zamanda, demire kadar hafif atomların termonükleer füzyon reaksiyonlarında enerji açığa çıkar ve ortaya çıkan atomun kütlesi, serbest bırakılan enerjiye karşılık gelen bir miktarda ilk atomların kütlelerinin toplamından biraz daha az olur. E = mc² formülüne (sözde kütle kusuru). Aynı şekilde demirden daha ağır atomların nükleer fisyon reaksiyonları sırasında da enerji açığa çıkar.

Atomların füzyon reaksiyonları sırasında çok büyük bir enerji açığa çıkar, ancak bu enerjiyi elde etmek için öncelikle pozitif yüklü atom çekirdekleri arasındaki itici kuvvetlerin üstesinden gelmek için (Coulomb engelini aşmak için) belirli bir çaba göstermemiz gerekir. Bir çift atomu gerekli mesafeye yaklaştırmayı başardıktan sonra, nötronları ve protonları bağlayan güçlü nükleer kuvvet devreye giriyor. Her yakıt türü için, reaksiyonu başlatmak için Coulomb bariyeri ve optimum reaksiyon sıcaklığı farklıdır:

Bu durumda, atomların kinetik enerjisinin Maxwell dağılımına tabi olması nedeniyle, atomların ilk termonükleer reaksiyonları, maddenin ortalama sıcaklığı bu engele ulaşmadan çok önce kaydedilmeye başlar:

Ancak nispeten düşük bir sıcaklıkta (birkaç milyon ° C mertebesinde) reaksiyon son derece yavaştır. Diyelim ki merkezde sıcaklık 14 milyon ° C'ye ulaşıyor, ancak bu koşullar altında bir termonükleer reaksiyonun özgül gücü yalnızca 276,5 W / m³ ve Güneş'in yakıtını tamamen tüketmesi için birkaç milyar yıla ihtiyacı var. Bu tür koşullar bir termonükleer reaktör için kabul edilemez, çünkü bu kadar düşük bir enerji salınımı ile, termonükleer yakıtı ısıtmak ve sıkıştırmak için reaksiyondan karşılığında alacağımızdan kaçınılmaz olarak daha fazlasını harcayacağız.

Yakıtın sıcaklığı yükseldikçe, artan oranda atom, Coulomb bariyerini aşan enerjiye sahip olmaya başlar ve reaksiyonun etkinliği artarak zirveye ulaşır. Sıcaklıkta daha fazla bir artışla, reaksiyon hızı, zaten atomların kinetik enerjisinin çok büyük olması ve güçlü nükleer etkileşime tutunamayarak birbirlerinin yanından "kayması" nedeniyle tekrar düşmeye başlar.

Böylece kontrollü bir termonükleer reaksiyondan nasıl enerji elde edileceğinin çözümü oldukça hızlı bir şekilde elde edildi, ancak bu görevin uygulanması yarım asır sürdü ve henüz tamamlanmadı. Bunun nedeni, termonükleer yakıt yerleştirmenin gerekli olduğu gerçekten çılgın koşullarda yatıyor - reaksiyondan pozitif bir verim elde etmek için sıcaklığının birkaç on milyonlarca °C olması gerekiyordu.

Hiçbir duvar fiziksel olarak böyle bir sıcaklığa dayanamaz, ancak bu sorun neredeyse anında çözümüne yol açtı: bu tür sıcaklıklara ısıtılan madde, pozitif yüklü sıcak bir plazma (tamamen iyonize gaz) olduğundan, çözeltinin yüzeyde olduğu ortaya çıktı. - Füzyon yakıtını duvarlardan güvenli bir mesafede tutacak böylesine ısıtılmış bir plazmayı güçlü bir manyetik alana yerleştirmemiz gerekiyordu.

uygulanmasına yönelik ilerleme

Bu konuyla ilgili araştırma aynı anda birkaç yöne gidiyor:

bilim adamları, süper iletken mıknatıslar kullanarak, reaksiyonu tutuşturmak ve sürdürmek için gereken enerjiyi azaltmaya çalışıyorlar;
yeni nesil süper iletkenler sayesinde, reaktör içindeki manyetik alanın indüksiyonu artar, bu da plazmanın daha yüksek yoğunluk ve sıcaklıkta tutulmasını mümkün kılar, bu da reaktörlerin birim hacim başına özgül gücünü artırır;
sıcak plazma araştırması ve bilgisayar teknolojisindeki ilerlemeler, plazma akışlarının daha iyi kontrol edilmesini sağlayarak füzyon reaktörlerini teorik verimlilik sınırlarına yaklaştırıyor;
Önceki alandaki ilerleme aynı zamanda plazmayı daha uzun süre stabil tutmamızı sağlar, bu da plazmayı eskisi kadar sık tekrar ısıtmamıza gerek kalmaması nedeniyle reaktörün verimliliğini artırır.

Kontrollü bir termonükleer reaksiyona giden yolda ortaya çıkan tüm zorluklara ve sorunlara rağmen, bu hikaye şimdiden finaline yaklaşıyor. Enerji sektöründe, yakıt verimliliğini hesaplamak için EROEI göstergesini - enerji yatırımının enerji getirisini (yakıt üretiminde harcanan enerjinin, sonuç olarak ondan aldığımız enerji miktarına oranı) kullanmak gelenekseldir. Ve kömürün EROEI'si artmaya devam ederken, petrol ve gaz için bu gösterge geçen yüzyılın ortalarında zirve yaptı ve bu yakıtların yeni yataklarının giderek daha uzak yerlerde ve daha derinlerde yer alması nedeniyle şimdi istikrarlı bir şekilde düşüyor. :

Aynı zamanda kömürden enerji elde etmek çok kirli bir süreç olduğundan ve çeşitli akciğer hastalıklarından şu an tam anlamıyla insanların canını aldığından kömür üretimini de artıramıyoruz. Öyle ya da böyle, artık fosil yakıtlar çağının düşüşünün eşiğindeyiz - ve bunlar çevrecilerin entrikaları değil, geleceğe bakıldığında banal ekonomik hesaplamalar. Aynı zamanda, geçen yüzyılın ortalarında da ortaya çıkan deneysel termonükleer reaktörlerin EROI'si istikrarlı bir şekilde büyüdü ve 2007'de birinin psikolojik engeline ulaştı - yani bu yıl, insanlık ilk kez elde etmeyi başardı. bir termonükleer reaksiyon yoluyla, uygulanması için harcadığından daha fazla enerji. Ve reaktörün uygulanması, onunla deneyler yapılması ve ITER'nin uygulanması sırasında kazanılan deneyime dayalı olarak zaten ilk gösteri termonükleer enerji santrali DEMO'nun üretilmesi çok zaman alacaktır. Artık hiç şüphe yok ki geleceğimiz bu tür reaktörlerin arkasında yatıyor.

Araştırma eleştirisi

Füzyon reaktörleri alanındaki araştırmalara yönelik temel eleştiri, araştırmaların son derece yavaş olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Ve doğru - ilk deneylerden başa baş bir termonükleer reaksiyonun üretimine kadar, 66 yıl kadar sürdü. Ancak buradaki sorunun özü, bu tür araştırmalar için finansmanın hiçbir zaman gerekli düzeye ulaşmamış olmasıdır - burada ABD Enerji Araştırma ve Geliştirme İdaresi'nin bir füzyon reaktörü projesi için finansman düzeyi ve tamamlanma süresine ilişkin tahminlerine bir örnek verilmiştir. :

Bu grafikten de görebileceğiniz gibi, halen elektrik üreten ticari füzyon reaktörlerimizin olmaması, ancak şu anda deneysel reaktörlerden herhangi bir pozitif enerji çıkışı elde edebilmemiz şaşırtıcı değil.

1981 sonbaharında, dünyanın 27 ülkesinden en büyük bilim adamları, Avrupa Kontrollü Termonükleer Füzyon ve Plazma Fiziği Konferansı için Moskova'ya geldi. Konferansın ana sonucu, bilimin bugün "yüzyılın sorunu" - kontrollü termonükleer füzyon (CTF) - nihai çözümüne yakın olduğu oybirliğiyle varılmasıdır. Önde gelen bilim insanlarıyla yapılan görüşmelere dayanarak bu hikaye hazırlandı.

Bugün pek çok uzman, termonükleer füzyon araştırmaları uzun süre gizli tutulmasaydı, bir termonükleer enerji santralinin halihazırda çalışır durumda olup olamayacağını merak ediyor. Bilim adamları ve mühendisler ise Farklı ülkeler En başından beri güçlerini birleştirmek için bir fırsat vardı? Ve hiç kimse bu soruya tam bir kesinlikle cevap veremese de, "Eldorado'nun enerjisine" giden yolun çok daha kısa olacağı herkes için açıktır.

Neden her şey insanların ihtiyaçlarının gerektirdiği gibi olmadı? Füzyonla ilgili son bilimsel konferansta bu konu doğrudan tartışılmadı. Ancak, dolaylı olarak birçok kişiye sahipti. Çünkü dürüst bir cevap, gelecekte birçok hatadan kaçınmaya yardımcı olabilir.

Kısaca tarihe dönelim - sadece birkaç tarih ve gerçek. 1930'ların sonunda, büyük miktarda enerjinin açığa çıktığı bir nükleer fisyon zincirleme reaksiyonu keşfedildi. Ne yazık ki, ilk etapta enerji ihtiyaçları için hiç kullanmadılar. Ağustos 1945'te Amerika Birleşik Devletleri, Japonya'nın Hiroşima ve Nagazaki şehirlerine atom bombası attı. Sovyetler Birliği kendi atom silahlarını yaratmak zorunda kaldı. 1949'da test edildi. Ama zaten 1954'te, nükleer enerjinin barışçıl kullanımı çağını açan, dünyanın ilk nükleer santrali ülkemizde faaliyete geçti ... Füzyonla benzer bir hikaye. Çekirdeklerin füzyonundan enerji elde etme olasılığı teorik olarak 30'ların sonunda kanıtlandı (bu arada, füzyon sırasında enerji fisyondan yaklaşık yüz kat daha fazla salınır!). Ve yine, önce termonükleer silahlar yaratıldı. Termonükleer silahlar üzerindeki çalışmalar, yalnızca barışçıl termonükleer araştırmalardan uzaklaşmakla kalmadı, aynı zamanda farklı ülkelerden bilim adamlarını boş bir duvar gibi ayırdı: bilgi, araştırma sonuçları, fikir alışverişi yoktu. Birinin ileriye doğru ilk adımı atması gerekiyordu. Ve 1956'da, Sovyet hükümetinin girişimiyle, Akademisyen I. V. Kurchatov'un İngiltere'nin Harwell şehrinde okuduğu raporu, barışçıl kullanımının önünü açmak için düzenli bilimsel bilgi alışverişinin temelini attı. farklı ülkelerden bilim adamlarının ortak çabalarıyla termonükleer enerji. Bir yıl sonra, Sovyet bilim adamları yabancı meslektaşlarıyla TCB'ye yapılan saldırının genel yönünü belirleyen bir fikri paylaştılar. Bu düşünceden hareketle kurulan enstalasyonların adı "Tokamak", tıpkı "uydu" kelimesi gibi artık dünyadaki tüm bilimsel sözlüklerde yer almaktadır.

Temelde bu kurulumlar hakkında - kontrollü füzyon sorununu çözmede bugünün liderleri, yeni "Tokamaks" projeleri hakkında en son Moskova'da farklı ülkelerden bilim adamlarının forumunda tartışıldı.

Nükleer füzyon fikri basit görünüyor. Çekirdekleri bir milimetrenin yaklaşık 10 milyarda biri kadar bir mesafede yakınsamaya ve birleştirmeye, tek bir çekirdekte sentezlemeye zorlamak gerekir. Füzyon sürecinde, fazla enerji açığa çıkar. Prensip olarak, periyodik tablonun başlangıcındaki tüm elementler sentezlenebilir. Bununla birlikte, en kolay (daha kesin olarak, nispeten kolay) füzyon reaksiyonları, hidrojen izotoplarının çekirdekleri - döteryum ve trityum arasında gerçekleşebilir. Ancak bunun için bu çekirdeklerin karışımını 100 milyon santigrat dereceye ısıtmak gerekiyor. Ve saf döteryum üzerindeki füzyon reaksiyonu için daha da fazlası - bir milyara kadar!

Esas zorluk burada yatmaktadır. Bir maddeyi bu sıcaklıklara ısıtmak başlı başına harika bir iştir! Güneşin bağırsaklarında bile "daha soğuk" - 20 milyon dereceden fazla değil. Daha şimdiden birkaç bin derecede, madde bir plazma haline gelir - odanın içinde büyük hızlarda dolaşan ve çarpışan elektronlar ve çekirdeklerden oluşan bir kaos. Ve bu kaos, sıcaklık yükseldikçe daha aktif hale geliyor. Onu on milyonlarca derecede hangi dizgin tutabilir? Güneş'te bu devasa bir yerçekimi kuvvetidir. Ya Dünya'da, yapay bir enstalasyonda?.. Plazmanın sinsiliği de, yüksek ısıl iletkenliği nedeniyle enerjisini anında odanın duvarlarına verip soğumasında yatmaktadır. Tanınmış Sovyet fizikçi Profesör D. Frank-Kamensky'nin yerinde bir şekilde belirttiği gibi, kapalı bir kapta plazmayı milyonlarca dereceye ısıtmak, bir bardakta su kaynatmakla aynıdır ... buzdan!

Bu nedenle asıl görev, plazmayı gerekli sıcaklığa kadar ısıtmak ve yeterli sayıda döteryum ve trityum çekirdeği ile reaksiyona girecek zamana sahip olmak için gerektiği kadar duvarlara temas etmesini önlemek ve salınmasıyla bir reaksiyon meydana getirmektir. muazzam enerji.

Bu sorunun çözümü ise "Tokamak" enstalasyonlarında en çok işe yarayan fikirdir. (Bu kelime, "MANYETİK ALANLI TOROIDAL KAMERA" enstalasyonunun adının ilk hecelerinden oluşturulmuştur.) Okul fiziğinden, yüklü bir parçacığın manyetik alan çizgisini geçemeyeceği bilinmektedir. Düzgün bir manyetik alanda, parçacıklar etraflarında dönerek kuvvet çizgileri boyunca hareket eder. Bu nedenle, kapalı manyetik alan çizgilerinden oluşan bir sistem oluşturulursa, prensipte bu çizgiler yardımıyla plazmayı belirli bir sınırlı hacimde tutmak mümkündür. Mecazi olarak konuşursak, manyetik alanların görünmez "avuç içleri" süper güneş ısısını tutabilir! "Tokamak", inanılmaz, fantastik ısıdan "çıldıran" parçacıklar için güvenilir bir dizgin olacaktı.

Yapısal olarak "Tokamak" nedir? Dıştan, demir kapalı bir çekirdeğe ve içinden çok güçlü bir akımın geçtiği bir sargıya sahip büyük bir transformatöre benziyor. Transformatörün sekonder sargısı yerine büyük bir simidi andıran içi boş toroidal hazne bulunmaktadır. Bu odanın içinde maddenin plazma haline geçişi sağlanır. Plazma, güçlü bir elektrik deşarjı, güçlü mikrodalga akımları ve diğer yöntemlerle gerekli sıcaklığa ısıtılır. Ve güçlü bir manyetik alan, plazmayı yoğun bir halka şeklindeki filamana sıkıştırır.

Tokamak devre şemasıyla tanıştığınızda, basitliğine hayran kalacaksınız - öyle görünüyor ki bir okul ders kitabında bile daha karmaşık şemalar veriyorlar. Kabaca söylemek gerekirse, gerçek cihazı, benzersiz malzemeler gerektiren tasarımı bir süreliğine unutursak; "çörek" içinde evcilleştirilen o hayal edilemeyecek kadar sıcak maddeyi unutun. Yani daha ilk deneylerde plazmanın manyetik duvarları tanımak istemediği anlaşıldı. Anlaşılmaz bir şekilde, gerekli sıcaklığa ısıtılmadan dışarı sızmayı başarır. Fizikçiler, plazmanın kararsızlığını bastırmanın, tesisatı yeniden işlemenin, sıcaklığı yükseltmenin bir yolunu arıyorlardı ve ... yine, plazma manyetik esaretten kaçmak için yeni bir yol buldu! Dağlarda bir yolculuk gibidir: Başka bir zor zirveye çıkılır, ancak zirvesinden hedefe giden yolda aşılması gereken yeni geçitler, geçitler, uçurumlar göze açılır ...

Otuz yıldır zorlu yolların çoğu aşıldı. Aşamalarının her biri günler veya aylar değil, yıllarca süren ısrarlı, en karmaşık deneyler, hesaplamalar, düzinelerce hayal kırıklığı yaratan başarısızlıklar ve parlak başarılardır. Ve çözülmesi gereken her sorun için "ilk defa" sözcüğü kullanılabilirdi.

Örneğin, ilk kez, oldukça büyük odalarda süper güçlü bir manyetik alanın nasıl oluşturulacağını öğrenmek gerekiyordu. Ayrıca, alan oldukça simetriktir. Plazma, milimetrenin küçük bir kısmında bile simetri sapmasıyla, odanın duvarlarını kırmaya ve soğumaya çalıştı.

Ayrıca plazmanın güvenilir bir şekilde tutulduğu bir dönem de vardı. manyetik alan, sadece birkaç milyon derecenin üzerinde ısınmak istemedi. Sonunda, plazmadaki ihmal edilebilecek kadar küçük ağır element safsızlıklarının her şeyin sorumlusu olduğu ortaya çıktı. Ama kameraya nasıl girdiler? Bir varsayım vardı - metal yüzeyinden buharlaşıyorlar. oda duvarlarının yapıldığı yer. Sonuç olarak, plazma elektronları yavaşlar Elektrik alanı bu elementler enerjilerini kaybeder, bu da sıcaklığın düşmesine neden olur ... Bu nedeni anlamak ve en önemlisi ortadan kaldırmak uzun yıllar aldı.

Peki ya reaktörün sözde birinci duvarı sorunu? Düşünün, bu duvarın arkasındaki odada milyonlarca derece var! Anında buharlaşmaz çünkü bildiğimiz gibi plazma görünmez bir manyetik alan tarafından "sarılır". Ancak güçlü nötron akışları, içeriden duvara düşer! Duvar malzemesi, yüksek sıcaklıkların ve nötronların etkisi altında çökmemek için son derece dayanıklı olmalı, aynı zamanda aynı nötronlara göre mümkün olduğunca "şeffaf" olmalıdır! Ne de olsa, ısı ve elektriğe daha fazla dönüştürmeyi planladığımız termonükleer füzyon enerjisini odadan çıkaranlar onlardır. duvar "şeffaf" değilse, istenen enerji "çörek" içinde kalacaktır. Bunlar, reaktörün birinci duvarının malzemesinin karşılaması gereken paradoksal gereksinimlerdir. Top mermilerine şeffaf bir tuğla duvar yapmak gibi. Onu bir milyon mermiyle isabetli bir şekilde vurduk, ama sağlam - tek bir delik değil.

Güçlü manyetik alanların yaratılması, Tokamak'ın tükettiği enerjiden aslan payını alır ve şimdiye kadar verdiğinden fazlasını alır. Enerji iştahı nasıl azaltılır?

Soruna bir çözüm süperiletkenliktir. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, elektrik direnci bazı iletkenler sonsuz küçülür. Böyle bir iletkenin halkasına bir kez başlatılan akım, içinde neredeyse kayıpsız olarak istenildiği kadar dolaşabilir. Tokamaks'ta süper iletkenlik kullanma olasılığını pratik olarak incelemek için Atom Enerjisi Enstitüsü'nden bilim adamları I. V. Kurchatov, manyetik bobinleri süper iletken malzemelerden yapılmış Tokamak-7 kurulumunu inşa ettiler. Öncelikle mühendisler ve malzeme bilimcileri için eşsiz bir deneyimdi. Gerçek şu ki, Tokamak'taki en güçlü manyetik alanlar süperiletkenliğe düşman olur ve onu yok eder. Burada çok özel manyetik dirençli süper iletken alaşımları oluşturmak ve test etmek gerekliydi. Geleneksel bir manyetik sistemle karşılaştırıldığında, T-7'nin süper iletken sargıları, ağdan tüketilen gücü yaklaşık 100 kat azaltmayı mümkün kıldı!

1975 yılında Atom Enerjisi Enstitüsü'nde Tokamak-10 tesisi işletmeye açıldı. Bu kurulumda, o zaman için rekor bir sıcaklıkta plazma elde etmek mümkündü - 15 milyon santigrat derece! Burada, ilk kez, yalnızca ilk kıvılcımlarla bile olsa, haznede bir termonükleer reaksiyonun "ateşlendiğine" dair güvenilir işaretler ortaya çıktı. Evet, bir kıvılcım ateşi yakabilir. Bununla birlikte, yüzlerce bireysel kıvılcım bile henüz şenlik ateşi değildir. Termonükleer kıvılcımlar söndürüldü. Ancak görünüşleriyle, dünyanın dört bir yanındaki fizikçileri seçilen yolun doğruluğuna ikna ettiler.

Şimdi Atom Enerjisi Enstitüsü'nde yeni bir kurulum - "Tokamak-15" - inşa ediliyor. İçindeki plazma "çörek" hacmi, T-10'dakinden yaklaşık beş kat daha fazla olacaktır. Bu neden gerekli? Gerçek şu ki, odanın hacmindeki bir artışla, parçacıkların sayısı ve sonuç olarak, reaksiyona neden olan çarpışma olasılıkları artar. T-15'teki plazma 70-80 milyon dereceye kadar ısınacak - bu zaten gerekene çok yakın. T-15'in manyetik bobinlerinin sargıları süper iletken olacaktır. Bu, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltacaktır.

Bilim adamlarının umduğu gibi, T-15 ve diğer "Tokamaklar" üzerinde yapılan deneyler, sonunda kendi kendini idame ettiren bir füzyon reaksiyonunun uygulanabilirliğini doğrulamalıdır. Her şey yolunda giderse, termonükleer enerji santrallerine giden yolda son adımı atmaya devam ediyor. Bu son aşamada nötronların termal enerjisini toplamak ve elektriğe dönüştürerek fabrikalara, şehirlere, köylere göndermek için ne ve nasıl yapılmalı sorusuna cevap aranmalıdır.

Nükleer füzyon enerjisine hakim olmak, gerçekten tükenmez bir enerji kaynağına hakim olmak görkemli bir iştir. Tüm insanlığın ilerlemesi, çözümünün başarısına bağlıdır. Bu nedenle, bunun için gerekli bilimsel ve teknik yeteneklere sahip tüm ülkelerin yardımıyla bu sorunu ortaklaşa çözmek daha iyidir. Büyük malzeme maliyetleri gerektiren en önemli ve belki de en zor aşama olan araştırmanın mevcut aşamasında çabaları birleştirmek özellikle önemlidir.

1978'de Viyana'da, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı'nın bir toplantısında, Sovyet termonükleer programının başkanı Akademisyen E.P. Velikhov konuştu ve Sovyet hükümeti adına önde gelen ülkelerden uzmanların ortaklaşa büyük bir gösteri tasarlamasını ve inşa etmesini önerdi. tokamak reaktörü. Bu konuşmanın yanı sıra I. V. Kurchatov'un 1956'daki konuşmasının önemi fazla tahmin edilemez. Bu, füzyon alanında barışçıl işbirliğinin yeni bir aşamasına doğru atılmış bir adımdır. Teklif kabul edildi ve ilk uluslararası termonükleer reaktörün inşasına katılanlar arasında SSCB, ABD, Japonya ve Batı Avrupa'nın en gelişmiş on ülkesi vardı. INTOR - bu isim, gelecekteki reaktöre İngilizce adının ilk harfleri olan Uluslararası Tokamak Reaktörü ile verildi.

INTOR neye benzeyecek?

Dıştan, Tokamak ailesinden öncekilere - T-10, T-15 ve onların yabancı meslektaşlarına benzeyecek, onlardan büyük boyutlarda farklı olacak. INTOR'daki plazma hacmi, mevcut nesil Tokamak'lardan yaklaşık 5 kat daha fazla olacak ve zaten bildiğimiz gibi, bu, bir termonükleer reaksiyonun tutuşma olasılığını artırıyor. 5-6 saniye içinde plazma 100 milyon derecenin üzerinde bir sıcaklığa ısıtılacak. 100 saniye içinde, haznede bir termonükleer reaksiyon gerçekleşecek ve günümüzün orta güçlü nükleer reaktörlerininkine eşit enerji açığa çıkaracak - yaklaşık 600 MW. (Karşılaştırma için ilk nükleer santralin gücünün 5 MW olduğunu hatırlatayım.) Daha sonra odayı kirleten yanma ürünlerini (esas olarak helyum çekirdeklerini) odadan uzaklaştırmak için reaksiyona ara verilecektir. Daha sonra termonükleer yakıtın bir kısmı tekrar enjekte edilecek ve döngü tekrarlanacaktır.

INTOR'un belki de ana özelliği budur. burada ilk kez termonükleer füzyon enerjisinin pratik olarak kullanılmasını mümkün kılan ciddi testler ve sistem unsurları yapılacak. Bu tür sistemlere "battaniye" denir (İngilizce battaniye kelimesinden - bir battaniye.) En basit durumda, bir battaniye, reaktörü çevreleyen, içinde bir sıvının - örneğin aynı suyun - dolaştığı içi boş bir kabuktur. Reaksiyon sırasında doğan ve termonükleer füzyon enerjisini taşıyan nötronlar, sıvı tarafından emilecek ve sıvıyı ısıtarak enerjisini verecektir. Ve sonra, termik veya nükleer santrallerde olduğu gibi olağan şemaya göre: su ısınır, bir elektrik jeneratörü ile bir türbini harekete geçiren buhara dönüşür.

Battaniye INTOR, başka bir önemli sorunun çözülmesine yardımcı olmalıdır.

İlk başta termonükleer reaktörlerin bir döteryum ve trityum karışımı üzerinde çalışacağını zaten söylemiştik - böyle bir karışım için, tutuşma sıcaklığının saf döteryumdan daha düşük olması gerekir. Şu soru ortaya çıkıyor: Bu yakıtın kaynaklarıyla ilgili durum nedir? Döteryuma gelince. o zaman bolca bulunur deniz suyu, bütün bir okyanus, bir yüzyıl için yeterli değil. Trityumu nereden alabilirsin? Doğada. bildiğiniz gibi, son derece küçüktür.

Nükleer fizik burada da bir çıkış yolu önerdi. Yeryüzünde oldukça yeterli olan başka bir kimyasal element olan lityumu nötronlarla ışınlayarak yapay olarak trityum elde etmek mümkündür. Ve bu çok önemli, aynı termonükleer reaktörde yapılabilir. Battaniyenin ikinci önemli işlevi de tam olarak budur: İçine konulan lityum, trityuma işlenecektir.

Bu nedenle, teorik olarak, reaktör yalnızca enerji üretmemeli, aynı zamanda şu anda hızlı nötron nükleer santrallerinde olduğu gibi kendisine yakıt sağlamalıdır.

Kontrollü nükleer füzyon sorununa yönelik saldırı şimdi geniş bir cephede gerçekleşiyor. Son yıllarda diğer araştırma alanlarında da cesaret verici sonuçlar elde edilmiştir. Özellikle, termonükleer yakıt güçlü lazer ışınlarıyla her taraftan ısıtıldığında, bu tür seçenekler "lazer füzyonu" olarak adlandırılabilir. Veya "elektronik termonükleer". lazer ışınları yerine güçlü elektron ışınlarının çalıştığı yer.

Bu fikirlerin pratikte nasıl uygulanacağı hakkında konuşmak için henüz çok erken. "Tokamaks", bilim adamlarını kontrollü füzyon sorununu çözmeye herkesten daha fazla yaklaştırdı. Ve bugün, neredeyse tükenmez bir enerji kaynağında ustalaşmaya yaklaşan ana çabalar ve araçlar bu yönde yoğunlaşıyor.

Sayfanın mevcut sürümü henüz kontrol edilmedi

Sayfanın mevcut sürümü henüz deneyimli katkıda bulunanlar tarafından incelenmemiştir ve 4 Haziran 2018'de incelenenden önemli ölçüde farklı olabilir; kontroller gereklidir.

Kontrollü termonükleer füzyon (TCB) - patlayıcı termonükleer füzyonun aksine (termonükleer patlayıcı cihazlarda kullanılan) kontrol edilen enerji elde etmek için daha hafif olanlardan daha ağır atom çekirdeklerinin sentezi. Kontrollü termonükleer füzyon, geleneksel nükleer enerjiden farklıdır, çünkü ikincisi, ağır çekirdeklerden daha hafif çekirdeklerin elde edildiği bir bozunma reaksiyonu kullanır. Kontrollü termonükleer füzyon için kullanılması planlanan ana nükleer reaksiyonlarda döteryum (2 H) ve trityum (3 H), daha uzak bir gelecekte helyum-3 (3 He) ve boron-11 (11) kullanılacaktır. B) . [ ]

İlk kez, Sovyetler Birliği'ndeki kontrollü termonükleer füzyon sorunu, Sovyet fizikçisi Oleg Lavrentiev tarafından formüle edildi ve yapıcı bir çözüm önerdi.

Tarihsel olarak, küresel düzeyde kontrollü termonükleer füzyon sorunu 20. yüzyılın ortalarında ortaya çıktı.

Atom çekirdeği iki tür nükleondan, protonlardan ve nötronlardan oluşur. Sözde güçlü etkileşim tarafından bir arada tutulurlar. Bu durumda, her bir nükleonun diğerleriyle bağlanma enerjisi, grafikte gösterildiği gibi, çekirdekteki toplam nükleon sayısına bağlıdır. Grafikten nükleon sayısının artmasıyla hafif çekirdeklerde bağlanma enerjisinin arttığı, ağır çekirdeklerde ise azaldığı görülmektedir. Hafif çekirdeklere nükleonlar eklenirse veya ağır atomlardan nükleonlar çıkarılırsa, bağlanma enerjisindeki bu fark, reaksiyonun maliyeti ile salınan parçacıkların kinetik enerjisi arasındaki fark olarak göze çarpacaktır. Parçacıkların kinetik enerjisi (hareket enerjisi), parçacıkların atomlarla çarpışmasından sonra atomların termal hareketine dönüştürülür. Böylece nükleer enerji kendini ısı şeklinde gösterir. [ ]

Çekirdeğin bileşimindeki değişikliğe nükleer dönüşüm veya nükleer reaksiyon denir. Çekirdekteki nükleon sayısının arttığı bir nükleer reaksiyona termonükleer reaksiyon veya nükleer füzyon denir. Çekirdekteki nükleon sayısında azalma olan bir nükleer reaksiyon - nükleer bozunma veya nükleer fisyon. [ ]

İki izotop, döteryum ve trityum karışımının, reaksiyon sırasında salınan enerjiye kıyasla füzyon reaksiyonu için daha az enerji gerektirdiği bulunmuştur. Bununla birlikte, döteryum ve trityum (D-T) karışımı çoğu füzyon araştırmasının konusu olsa da, kesinlikle tek potansiyel yakıt değildir. Diğer karışımların üretimi daha kolay olabilir; reaksiyonları daha iyi kontrol edilebilir veya daha da önemlisi daha az nötron üretir. "Nötronsuz" olarak adlandırılan reaksiyonlar özellikle ilgi çekicidir, çünkü bu tür yakıtların endüstriyel olarak başarılı bir şekilde kullanılması, malzemelerin ve reaktör tasarımının uzun vadeli radyoaktif kirlenmesinin olmaması anlamına gelir ve bu da kamuoyunu ve genel olarak olumlu bir şekilde etkileyebilir. işletmeden çıkarma ve bertaraf etme maliyetlerini önemli ölçüde azaltan reaktörün işletme maliyeti. Sorun, alternatif yakıtlar kullanan füzyon reaksiyonunun sürdürülmesinin çok daha zor olmasıdır, bu nedenle D-T reaksiyonu yalnızca gerekli bir ilk adım olarak kabul edilir. [ ]

Kontrollü termonükleer füzyon kullanabilir Farklı türde kullanılan yakıtın türüne bağlı olarak termonükleer reaksiyonlar. [ ]

En düşük sıcaklıkta mümkün olan reaksiyon döteryum + trityumdur:

Bu reaksiyon önemli bir enerji salınımı sağlar. Dezavantajlar - trityumun yüksek fiyatı, istenmeyen nötron radyasyonunun çıkışı. [ ]

Döteryum + helyum-3 reaksiyonunu mümkün olanın sınırında gerçekleştirmek çok daha zordur.

Bunu başarmanın koşulları çok daha karmaşıktır. Helyum-3 ayrıca nadir ve son derece pahalı bir izotoptur. Şu anda endüstriyel ölçekte üretilmiyor [ ] . Ancak nükleer santrallerde sırasıyla elde edilen trityumdan elde edilebilir; veya ayda mayınlı.

Bir termonükleer reaksiyon yürütmenin karmaşıklığı, üçlü ürün ile karakterize edilebilir. ntτ (tutma süresi başına sıcaklık başına yoğunluk). Bu parametreye göre D- 3 He reaksiyonu, D-T reaksiyonundan yaklaşık 100 kat daha zordur.

Döteryum çekirdekleri arasındaki reaksiyonlar da mümkündür, bunlar helyum-3 içeren reaksiyonlardan biraz daha zordur:

Bu reaksiyonlar yavaş yavaş döteryum + helyum-3 reaksiyonuna paralel olarak ilerler ve bunlar sırasında oluşan trityum ve helyum-3'ün hemen döteryum ile reaksiyona girmesi çok muhtemeldir.

Birkaç başka reaksiyon türü de mümkündür. Yakıt seçimi birçok faktöre bağlıdır - mevcudiyeti ve düşük maliyeti, enerji verimi, füzyon reaksiyonu için gerekli koşulları sağlama kolaylığı (öncelikle sıcaklık), reaktörün gerekli tasarım özellikleri, vb.

Termonükleer füzyon tarafından üretilen nötron akışı (örneğin, döteryum-trityum reaksiyonunda) gücün önemli bir bölümünü taşıdığından ve reaktör tasarımında indüklenmiş radyoaktivite ürettiğinden, en umut verici olan "nötronsuz" reaksiyonlardır. Döteryum + helyum-3 reaksiyonu, diğer şeylerin yanı sıra, nötron veriminin olmaması nedeniyle umut vericidir (ancak döteryum-döteryum reaksiyonu, "nötronsuz" bir termonükleer füzyonun bir sonucu olarak döteryum ile etkileşime girebilen trityum üretir. ).

Geliştirilmesi şu anda devam eden (2017) kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması için iki ana plan vardır:

Birinci tip termonükleer reaktör, ikincisinden çok daha iyi geliştirilmiş ve çalışılmıştır.

Bir termonükleer reaktör, radyasyon açısından bir nükleer reaktörden çok daha güvenlidir. Her şeyden önce, içindeki radyoaktif madde miktarı nispeten azdır. Herhangi bir kaza sonucunda açığa çıkabilecek enerji de küçüktür ve reaktörün tahrip olmasına yol açamaz. Aynı zamanda, reaktörün tasarımında radyoaktif maddelerin yayılmasını önleyen birkaç doğal engel vardır. Örneğin, kriyostatın vakum odası ve kabuğu kapatılmalıdır, aksi takdirde reaktör basitçe çalışamaz. Ancak ITER tasarlanırken hem normal çalışma sırasında hem de olası kazalar sırasında radyasyon güvenliğine çok dikkat edildi.

Trityum ve tozun vakum odasının ve kriyostatın ötesine geçmesi durumunda yayılmasını önlemek için, reaktör binasında düşük bir basıncı korumak için özel bir havalandırma sistemine ihtiyaç vardır. Bu nedenle havalandırma filtreleri dışında binadan hava kaçağı olmayacaktır.

Bir reaktörün yapımında, örneğin ITER'de, mümkün olduğunda, halihazırda nükleer enerjide test edilmiş malzemeler kullanılacaktır. Bu nedenle, indüklenen radyoaktivite nispeten küçük olacaktır. Özellikle soğutma sistemlerinin arızalanması durumunda bile, vakum odasını ve diğer yapısal elemanları soğutmak için doğal konveksiyon yeterli olacaktır. ekzotermiktir ve reaktöre çok az enerji sağlar. 7 Li ile reaksiyon endotermiktir - ancak nötron tüketmez. Diğer elementlerle reaksiyonlarda kaybolan nötronları değiştirmek için en azından 7 Li reaksiyonu gereklidir. Çoğu reaktör tasarımı, lityum izotopların doğal karışımlarını kullanır.

Teorik olarak bu dezavantajlara sahip olmayan alternatif yakıtlar vardır. Ancak kullanımları, temel bir fiziksel sınırlama tarafından engellenmektedir. Füzyon reaksiyonundan yeterli enerji elde etmek için, yeterince yoğun bir plazmayı belirli bir süre füzyon sıcaklığında (10 8 K) tutmak gerekir. Sentezin bu temel yönü, plazma yoğunluğunun ürünü ile tanımlanır. N denge noktasına ulaşmak için gerekli olan ısıtılmış plazma τ'nın bakım süresi için. İş Nτ yakıtın türüne bağlıdır ve plazma sıcaklığının bir fonksiyonudur. Tüm yakıt türleri arasında döteryum-trityum karışımı en düşük değeri gerektirir Nτ en az bir büyüklük sırası ve en düşük reaksiyon sıcaklığı en az 5 kat. Bu nedenle, D-T reaksiyonu gerekli bir ilk adımdır, ancak diğer yakıtların kullanımı önemli bir araştırma hedefi olmaya devam etmektedir. [ ]

Füzyon enerjisi, birçok araştırmacı tarafından uzun vadede "doğal" bir enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Güç üretimi için füzyon reaktörlerinin ticari kullanımının savunucuları, aşağıdaki argümanları kendi lehlerine yaparlar:

Eleştirmenler, genel amaçlar için elektrik üretiminde nükleer füzyonun maliyet etkinliği sorununun açık kaldığına işaret ediyor. İngiliz Parlamentosu Bilim ve Teknoloji Bürosu tarafından yaptırılan aynı çalışma, bir füzyon reaktörü kullanarak elektrik üretme maliyetinin, geleneksel enerji kaynakları için maliyet yelpazesinin en üstünde olabileceğini gösteriyor. Çoğu, gelecekte mevcut teknolojiye, pazarın yapısına ve düzenlemesine bağlı olacaktır. Elektriğin maliyeti doğrudan kullanım verimliliğine, işletme süresine ve reaktörün bertaraf maliyetine bağlıdır.

Yaygın iyimserliğe rağmen (1950'lerin ilk çalışmalarından beri), günümüzün nükleer füzyon süreçleri anlayışı, teknolojik olanaklar ve nükleer füzyonun pratik kullanımı arasındaki önemli engeller henüz aşılmadı. Termonükleer füzyon kullanarak elektrik üretiminin ne kadar uygun maliyetli olabileceği bile net değil. Araştırmada sürekli ilerleme olsa da, araştırmacılar sürekli olarak yeni zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Örneğin, zorluk, geleneksel nükleer reaktörlerden 100 kat daha yoğun olduğu tahmin edilen nötron bombardımanına dayanabilecek bir malzeme geliştirmektir. Sorunun ciddiyeti, nötronların çekirdeklerle etkileşim kesitinin, artan enerjili proton ve nötron sayısına bağlı olmayı bırakması ve atom çekirdeğinin kesitine yönelmesi ve 14 MeV nötronlar için basitçe orada olması gerçeğiyle daha da kötüleşiyor. yeterince küçük bir etkileşim kesitine sahip bir izotop yoktur. Bu, çok sık değiştirmeyi gerektirir. D-T tasarımları- ve D-D-reaktörü ve karlılığını o kadar düşürür ki, reaktör tasarımlarının maliyeti modern malzemeler bu iki tür için üzerlerinde üretilen enerjinin maliyetinden daha fazla olduğu ortaya çıkıyor. Üç tür çözüm vardır [ ] :

Yan etkiler D-D reaksiyonları D-He sentezindeki (%3), modern teknolojik düzeyde mümkün olmasına rağmen, reaktör için uygun maliyetli yapıların üretimini zorlaştırmaktadır.

Araştırmada bir sonraki adım (Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör, ITER) olmalıdır. Bu reaktörde, yüksek sıcaklıktaki plazmanın (alevli plazma) davranışının incelenmesi planlanmaktadır. Q~ 30) ve endüstriyel bir reaktör için yapısal malzemeler.

Araştırmanın son aşaması DEMO olacak: tutuşmayı sağlayacak ve yeni malzemelerin pratik uygunluğunu gösterecek bir prototip endüstriyel reaktör. DEMO aşamasının tamamlanması için en iyimser tahminler: 30 yıl. DEMO'nun ardından, ticari termonükleer reaktörlerin (geleneksel olarak TNPP - termonükleer enerji santralleri olarak adlandırılır) tasarımı ve inşası başlayabilir. TNPP'nin inşaatı 2045'e kadar başlamayabilir.

Dünyada toplamda yaklaşık 300 tokamak inşa edildi. Bunların en büyüğü aşağıda listelenmiştir.

İlk kez, Sovyetler Birliği'ndeki kontrollü termonükleer füzyon sorunu, Sovyet fizikçisi O. A. Lavrentiev tarafından formüle edildi ve yapıcı bir çözüm önerdi. Ona ek olarak, A. D. Sakharov ve I. E. Tamm gibi seçkin fizikçiler ve 1951'den beri Sovyet kontrollü termonükleer füzyon programına başkanlık eden L. A. Artsimovich, sorunun çözülmesine önemli katkılarda bulundu.

Tarihsel olarak, küresel düzeyde kontrollü termonükleer füzyon sorunu 20. yüzyılın ortalarında ortaya çıktı. 1956'da I. V. Kurchatov'un bu bilimsel sorunun çözümünde farklı ülkelerden atom bilimcilerinin işbirliği için bir teklifte bulunduğu bilinmektedir. Bu, İngiliz nükleer merkezi "Harwell" ziyareti sırasında oldu ( İngilizce) .

reaksiyon türleri

Füzyon reaksiyonu şu şekildedir: iki veya daha fazla atom çekirdeği, belirli bir kuvvetin uygulanması sonucunda, o kadar yakınlaşırlar ki, bu mesafelerde etki eden kuvvetler, eşit yüklü çekirdekler arasındaki Coulomb itme kuvvetlerine üstün gelir ve bunun sonucunda yeni bir çekirdek oluşur. Yeni bir çekirdek oluştururken, büyük bir güçlü etkileşim enerjisi açığa çıkacaktır. İyi bilinen formüle göre E=mc² , enerjiyi serbest bıraktıktan sonra, nükleon sistemi kütlesinin bir kısmını kaybedecektir. Küçük bir elektrik yüküne sahip olan atom çekirdeklerinin istenilen mesafeye getirilmesi daha kolaydır, bu nedenle hidrojenin ağır izotopları en çok kullanılan izotoplardan biridir. en iyi görüşler füzyon reaksiyonu için yakıt.

İki izotop karışımının, döteryum ve trityumun, reaksiyon sırasında salınan enerjiye kıyasla bir füzyon reaksiyonu için en az enerjiyi gerektirdiği bulunmuştur. Bununla birlikte, döteryum ve trityum (D-T) karışımı çoğu füzyon araştırmasının konusu olsa da, kesinlikle tek potansiyel yakıt değildir. Diğer karışımların üretimi daha kolay olabilir; reaksiyonları daha iyi kontrol edilebilir veya daha da önemlisi daha az nötron üretir. "Nötronsuz" olarak adlandırılan reaksiyonlar özellikle ilgi çekicidir, çünkü bu tür yakıtların endüstriyel olarak başarılı bir şekilde kullanılması, malzemelerin ve reaktör tasarımının uzun vadeli radyoaktif kirlenmesinin olmaması anlamına gelir ve bu da kamuoyunu ve genel olarak olumlu bir şekilde etkileyebilir. işletmeden çıkarma ve bertaraf etme maliyetlerini önemli ölçüde azaltan reaktörün işletme maliyeti. Sorun, alternatif yakıtlar kullanan füzyon reaksiyonunun sürdürülmesinin çok daha zor olmasıdır, bu nedenle D-T reaksiyonu yalnızca gerekli bir ilk adım olarak kabul edilir.

Kontrollü termonükleer füzyon, kullanılan yakıtın türüne bağlı olarak çeşitli tiplerde termonükleer reaksiyonlar kullanabilir.

Döteryum + Trityum Reaksiyonu (D-T Yakıtı)

En kolay uygulanan reaksiyon döteryum + trityumdur:

17,6 MeV (MeV) enerji çıkışı için 2 H + 3 H = 4 He + n.

Böyle bir reaksiyon, modern teknolojiler açısından en kolay şekilde uygulanır, önemli bir enerji verimi sağlar ve yakıt bileşenleri ucuzdur. Dezavantajı, istenmeyen nötron radyasyonunun salınmasıdır.

İki çekirdek: döteryum ve trityum birleşerek bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı) ve yüksek enerjili bir nötron oluşturur:

Tokamak (Manyetik Bobinli TOroidal Oda), manyetik plazma hapsi için toroidal bir tesistir. Plazma, sıcaklığına dayanamayan odanın duvarları tarafından değil, özel olarak oluşturulmuş bir manyetik alan tarafından tutulur. Tokamak'ın bir özelliği de kullanımıdır. elektrik akımı plazma dengesi için gerekli toroidal alanı oluşturmak için plazma boyunca akar.

Reaksiyon döteryum + helyum-3

Döteryum + helyum-3 reaksiyonunu mümkün olanın sınırında gerçekleştirmek çok daha zordur.

18,4 MeV enerji çıkışında 2 H + 3 He = 4 He +.

Bunu başarmanın koşulları çok daha karmaşıktır. Helyum-3 ayrıca nadir ve son derece pahalı bir izotoptur. Şu anda endüstriyel ölçekte üretilmemektedir. Bununla birlikte, nükleer santrallerde elde edilen trityumdan elde edilebilir; veya ayda mayınlı.

Döteryum çekirdekleri arasındaki reaksiyon (DD, monopropellant)

DD-plazmadaki ana reaksiyona ek olarak, aşağıdakiler de meydana gelir:

Bu reaksiyonlar yavaş yavaş döteryum + helyum-3 reaksiyonuna paralel olarak ilerler ve bunlar sırasında oluşan trityum ve helyum-3'ün hemen döteryum ile reaksiyona girmesi çok muhtemeldir.

Diğer reaksiyon türleri

"Nötronsuz" reaksiyonlar

Hafif hidrojen üzerindeki reaksiyonlar

D + T → 4 O (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).

Bununla birlikte, bu durumda, serbest bırakılan kinetik enerjinin çoğu (% 80'den fazlası) tam olarak nötronun üzerine düşer. Parçacıkların diğer atomlarla çarpışması sonucunda bu enerji ısı enerjisine dönüşür. Ek olarak, hızlı nötronlar önemli miktarda radyoaktif atık oluşturur. Buna karşılık, döteryum ve helyum-3'ün füzyonu neredeyse hiç radyoaktif ürün üretmez:

D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), burada p bir protondur.

Bu, manyetohidrodinamik jeneratör gibi daha basit ve daha verimli füzyon kinetik reaksiyon dönüştürme sistemlerine izin verir.

reaktör tasarımları

Geliştirilmesi şu anda devam eden (2012) kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması için iki ana plan vardır:

Birinci tip termonükleer reaktör, ikincisinden çok daha iyi geliştirilmiş ve çalışılmıştır.

radyasyon güvenliği

Bir termonükleer reaktör, radyasyon açısından bir nükleer reaktörden çok daha güvenlidir. Her şeyden önce, içindeki radyoaktif madde miktarı nispeten azdır. Herhangi bir kaza sonucunda açığa çıkabilecek enerji de küçüktür ve reaktörün tahrip olmasına yol açamaz. Aynı zamanda, reaktörün tasarımında radyoaktif maddelerin yayılmasını önleyen birkaç doğal engel vardır. Örneğin, kriyostatın vakum odası ve kabuğu kapatılmalıdır, aksi takdirde reaktör basitçe çalışamaz. Ancak ITER tasarımı sırasında hem normal çalışma sırasında hem de olası kazalar sırasında radyasyon güvenliğine büyük önem verilmiştir.

Muhtemel radyoaktif kirlenmenin birkaç kaynağı vardır:

hidrojenin radyoaktif izotopu trityumdur;
nötron ışınlamasının bir sonucu olarak tesisin malzemelerinde indüklenen radyoaktivite;
birinci duvarda plazma etkisinin sonucu olarak oluşan radyoaktif toz;
soğutma sisteminde oluşabilen radyoaktif korozyon ürünleri.

Örneğin ITER gibi bir reaktörün inşasında, mümkün olduğunda, halihazırda nükleer enerjide test edilmiş malzemeler kullanılacaktır. Bu nedenle, indüklenen radyoaktivite nispeten küçük olacaktır. Özellikle soğutma sistemlerinin arızalanması durumunda bile, vakum odasını ve diğer yapısal elemanları soğutmak için doğal konveksiyon yeterli olacaktır.

Tahminler, bir kaza durumunda bile radyoaktif salınımların halk için tehlike oluşturmayacağını ve tahliyeyi gerektirmeyeceğini gösteriyor.

yakıt döngüsü

İlk nesil reaktörler büyük ihtimalle döteryum ve trityum karışımıyla çalışacak. Reaksiyon sırasında ortaya çıkan nötronlar, reaktör kalkanı tarafından emilecek ve açığa çıkan ısı, ısı eşanjöründeki soğutucuyu ısıtmak için kullanılacak ve bu enerji de jeneratörü döndürmek için kullanılacaktır.

. .

Endüstriyel bir güç kaynağı olarak füzyon reaksiyonu

Füzyon enerjisi, birçok araştırmacı (özellikle Christopher Llewellyn-Smith) tarafından uzun vadede "doğal" bir enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Güç üretimi için füzyon reaktörlerinin ticari kullanımının savunucuları, aşağıdaki argümanları kendi lehlerine yaparlar:

Geleneksel kaynaklara kıyasla elektrik maliyeti

Eleştirmenler, genel kullanım için elektrik üretiminde nükleer füzyonun maliyet etkinliği sorununun açık kaldığına işaret ediyor. İngiliz Parlamentosu Bilim ve Teknoloji Bürosu tarafından yaptırılan aynı çalışma, bir füzyon reaktörü kullanarak elektrik üretme maliyetinin, geleneksel enerji kaynakları için maliyet yelpazesinin en üstünde olabileceğini gösteriyor. Çoğu, gelecekte mevcut teknolojiye, pazarın yapısına ve düzenlemesine bağlı olacaktır. Elektriğin maliyeti doğrudan kullanım verimliliğine, işletme süresine ve reaktörün bertaraf maliyetine bağlıdır.

Araştırmanın maliyeti sorunu da var. AB ülkeleri araştırmaya yılda yaklaşık 200 milyon avro harcıyor ve nükleer füzyonun endüstriyel kullanımının mümkün hale gelmesinin birkaç on yıl daha süreceği tahmin ediliyor. Alternatif nükleer olmayan elektrik kaynaklarının destekçileri, bu fonların yenilenebilir elektrik kaynaklarının tanıtımına yönlendirilmesinin daha uygun olacağına inanıyor.

Ticari füzyon enerjisinin mevcudiyeti

Yaygın iyimserliğe rağmen (1950'lerin ilk çalışmalarından beri), günümüzün nükleer füzyon süreçleri anlayışı, teknolojik olanaklar ve nükleer füzyonun pratik kullanımı arasındaki önemli engeller henüz aşılmadı. Termonükleer füzyon kullanarak elektrik üretiminin ne kadar uygun maliyetli olabileceği bile net değil. Araştırmada sürekli ilerleme olsa da, araştırmacılar sürekli olarak yeni zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Örneğin, zorluk, geleneksel nükleer reaktörlerden 100 kat daha yoğun olduğu tahmin edilen nötron bombardımanına dayanabilecek bir malzeme geliştirmektir. Sorunun ciddiyeti, nötronların çekirdeklerle etkileşim kesitinin, artan enerjili proton ve nötron sayısına bağlı olmayı bırakması ve atom çekirdeğinin kesitine yönelmesi ve 14 MeV nötronlar için basitçe orada olması gerçeğiyle daha da kötüleşiyor. yeterince küçük bir etkileşim kesitine sahip bir izotop yoktur. Bu, D-T ve D-D reaktör tasarımlarının çok sık değiştirilmesini gerektirmekte ve karlılığını öyle bir azaltmaktadır ki, bu iki tip için modern reaktör tasarımlarının maliyeti, üzerlerinde üretilen enerjinin maliyetinden daha fazladır. Üç tür çözüm mümkündür:

Saf nükleer füzyonun reddedilmesi ve bunun uranyum veya toryumun bölünmesi için bir nötron kaynağı olarak kullanılması.
Diğer sentez reaksiyonları lehine D-T ve D-D sentezinin reddi (örneğin, D-He).
Yapısal malzemelerin maliyetinde keskin bir azalma veya ışınlamadan sonra geri kazanımı için süreçlerin geliştirilmesi. Malzeme bilimine de büyük yatırımlar gerekiyor, ancak beklentiler belirsiz.

D-He'nin sentezi sırasındaki yan reaksiyonlar D-D (%3), reaktör için uygun maliyetli tasarımların üretimini zorlaştırmaktadır, ancak mevcut teknolojik düzeyde imkansız değildir.

Aşağıdaki araştırma aşamaları vardır:

1. Denge veya "geçiş" modu(Başabaş): Füzyon işlemi sırasında salınan toplam enerjinin, reaksiyonu başlatmak ve sürdürmek için harcanan toplam enerjiye eşit olduğu zaman. Bu oran sembolü ile işaretlenmiştir. Q.

2. yanan plazma(Yanan Plazma): Reaksiyonun, harici ısıtma ile değil, esas olarak reaksiyon sırasında üretilen alfa parçacıkları tarafından destekleneceği bir ara aşama. Q ≈ 5. Şimdiye kadar (2012) ulaşılmadı.

3. Ateşleme(Ateşleme): kararlı, kendi kendini idame ettiren reaksiyon. Yüksek değerlerde elde edilmelidir Q. Şimdiye kadar ulaşılamadı.

Araştırmadaki bir sonraki adım, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör (ITER) olmalıdır. Bu reaktörde, yüksek sıcaklıktaki plazmanın (alevli plazma) davranışının incelenmesi planlanmaktadır. Q~ 30) ve endüstriyel bir reaktör için yapısal malzemeler.

Araştırmanın son aşaması DEMO olacak: tutuşmayı sağlayacak ve yeni malzemelerin pratik uygunluğunu gösterecek bir prototip endüstriyel reaktör. DEMO aşamasının tamamlanması için en iyimser tahminler: 30 yıl. Bir endüstriyel reaktörün inşası ve devreye alınması için yaklaşık süre dikkate alındığında, termonükleer enerjinin endüstriyel kullanımından yaklaşık 40 yıl uzaktayız.

Mevcut tokamaklar

Dünyada toplamda yaklaşık 300 tokamak inşa edildi. Bunların en büyüğü aşağıda listelenmiştir.

SSCB ve Rusya
- T-3, ilk işlevsel aparattır.
- T-4 - T-3'ün büyütülmüş bir versiyonu
- T-7, dünyada ilk kez, sıvı helyumla soğutulan, kalay niyobat bazlı süper iletken bir solenoid ile nispeten büyük bir manyetik sistemin uygulandığı benzersiz bir kurulumdur. T-7'nin ana görevi tamamlandı: termonükleer enerji mühendisliğinin yeni nesil süper iletken solenoidleri için beklenti hazırlandı.
- T-10 ve PLT, füzyon araştırması dünyasında bir sonraki adımdır, neredeyse aynı boyutta, eşit güçte ve aynı sınırlama faktörüne sahiptir. Ve elde edilen sonuçlar aynıdır: imrenilen termonükleer füzyon sıcaklığına her iki reaktörde ulaşılmıştır ve Lawson kriterine göre gecikme sadece iki yüz kattır.
- T-15, 3,6 T'lik bir alan veren süper iletken solenoidli günümüzün reaktörüdür.

Libya
- TM-4A

Bağlantılar

E.P. Velikhov; S.V. Mirnov Kontrollü termonükleer füzyon bitiş çizgisine giriyor (PDF). Troitsk İnovasyon ve Termonükleer Araştırma Enstitüsü. Rus Araştırma Merkezi "Kurchatov Enstitüsü".. ac.ru - Problemin Popüler Bildirimi. 5 Şubat 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Ağustos 2007.
C. Llewellyn-Smith. Termonükleer enerji yolunda. 17 Mayıs 2009'da FIAN'da verilen bir dersin materyalleri.
Amerika Birleşik Devletleri'nde termonükleer füzyon üzerine görkemli bir deney yapılacak.

Ayrıca bakınız

notlar

Bondarenko B. D. "O. A. Lavrentiev'in soruyu sorma ve SSCB'de kontrollü termonükleer füzyon araştırmasını başlatmadaki rolü" // UFN 171 , 886 (2001).
"Rusya Federasyonu Cumhurbaşkanı Arşivinden" bölümünde yayınlanan A. D. Sakharov'un incelemesi. UFN 171 , 902 (2001), s.908.
SSCB fizikçilerinin bilimsel topluluğu. 1950'ler-1960'lar. Belgeler, anılar, araştırmalar/ P. V. Vizgin ve A. V. Kessenikh tarafından derlenmiş ve düzenlenmiştir. Petersburg. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 s. - 1000 kopya.
Erken dönem ABD termonükleer cephaneleri, esas olarak kütle numarası 7 olan bir lityum izotop içeren doğal lityum deuterit de kullanıyordu. Aynı zamanda bir trityum kaynağı olarak da hizmet ediyor, ancak bunun için reaksiyona katılan nötronların 10 MeV enerjiye sahip olması ve daha yüksek.
Yüksek sıcaklık plazmasında bir MHD jeneratörü ile nötronsuz bir döngünün (örneğin, D + 3 He → p + 4 He + 18.353 MeV) termonükleer enerji santralleri;
E. P. Velikhov, S. V. Putvinsky Termonükleer reaktör. Fornit (22 Ekim 1999). - Dünya Bilim Adamları Federasyonu Enerji Merkezi çerçevesinde hazırlanan 22.10.1999 tarihli rapor. 5 Şubat 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 16 Ocak 2011.
(İngilizce) Son not: Nükleer Füzyon, 2003
EFDA | Avrupa Füzyon Geliştirme Anlaşması
Supra'yı yırttı
Tokamak Füzyon Test Reaktörü
Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarına Genel Bakış
MIT Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi: araştırma>alcator>
Ana Sayfa - Füzyon Web Sitesi
Füzyon Plazma Araştırması
Yapay Güneş
Termonükleer sıfırdan çıktı - Gazete. ru
"Örümcek Adam 2" ("Örümcek Adam 2") filmi hakkında bilgiler - Sinema "Kozmos"

nükleer teknolojiler
Mühendislik
malzemeler
Nükleer güç
nükleer Tıp
Nükleer silah

Enerji
ürün ve sektörlere göre yapı

Enerji endüstrisi:
elektrik

Geleneksel

termal enerji santralleri	Yoğuşmalı enerji santrali (CPP) Kombine ısı ve enerji santrali (CHP)
hidroelektrik	Hidroelektrik santral (HES) Pompaj depolamalı elektrik santrali (PSPP)
atomik	Nükleer enerji santrali (NPP) Yüzer nükleer enerji santrali (FNPP)

Alternatif

jeotermal	Jeotermal enerji santralleri (GeoTPP)
hidroelektrik	Küçük Hidroelektrik Santraller (SHPP'ler) Gelgit Enerji Santralleri (TPP'ler) Dalga Enerji Santralleri Ozmotik Enerji Santralleri
Rüzgar gücü	Rüzgar enerjisi santralleri (RES)
Güneş	Güneş enerjisi santralleri (GES)
Hidrojen	Hidrojen santralleri Yakıt pili santralleri
biyoenerji	Biyoenerji santralleri (BioTES)
malaya	dizel enerji santralleri Gazla çalışan enerji santralleri Küçük gaz türbinli enerji santralleri Benzinli enerji santralleri

Benzer makaleler: