Възможен ли е контролиран термоядрен синтез при земни условия? Контролиран термоядрен синтез: все още „точно зад ъгъла“ Контролиран термоядрен синтез

Физиката, въпреки че е вид наука за околния свят, все още е доста далеч от ежедневието, тоест е далеч от интересите на обикновените хора. Необичайните хора се концентрират във физиката. Ако погледнете биографиите на „великите физици“, които бяха напълно потопени в проблемите на космоса, можете да видите, че някои от тях са били клиенти на психиатри, други избягват това, въпреки че имаха странно поведение. Тези „велики физици“ обаче са предимно теоретици, космолози, математици, общото им определение е . Има голяма общност от физици и доста психически нормални хора, но това са безделници, любители на „сладкия живот“, свикнали да „режат“ държавните пари, обещавайки на държавата разнообразни блага, „отнети от природата“, като й въздействат с различни безумни теории, разработени преди това от „британски учени“.
Има много области на дейност на тези физици, които са задънени във физически смисъл, но са полезни в паричен смисъл. Една от тези области на дейност на бюджетните „резачи“ е създаването на термоядрен реактор.
Разбира се, историята на създаването на термоядрени реактори започва под формата на напълно научни проекти.
През 1949 г. е изпробвана съветска атомна бомба, копие на американската. Но съветските стратези искаха нещо още по-силно и по-ужасно за своите врагове.
В началото на 20 век теоретиците решиха, че най-ефективният източник на енергия са термоядрените реакции, които според тях осигуряват енергията на звездите, включително Слънцето. . Термоядрените реакции възникват само при слънчеви изригвания, по време на експлозии на нови и свръхнови звезди.
Сахаров вярваше в термоядрения синтез и работеше върху това, което смяташе, че ще бъде термоядрена бомба. В действителност той създава по-мощна атомна бомба, като добавя към нейния състав тритий и литий-6 деутерид...
Термоядреният синтез не проработи, но силата на експлозията на бомбата на Сахаров задоволи както военните стратези, така и физиците. Бомбата е обявена за водородна, а версията, че е термоядрена, започва да се разпространява като мит. Тайна! Кой ще проверява!
Много физици вярваха във възможността за неконтролиран термоядрен синтез на Земята, така че идеята за генериране на енергия с помощта на контролирана термоядрена реакция получи публичност в пресата и финансова подкрепа.
Сахаров решава, че е възможно да се взривят малки водородни бомби в издръжлив подземен бункер и да се използва генерираната топлина. Той, разбираемо, не се интересуваше от факта, че получаването на тритий няма да изплати енергийно и икономически получената по този начин енергия.
В същото време някой си сержант Олег Лаврентиев в писмо до Сталин предлага плазмата да се държи вътре в камерата електростатично. Берия обсъжда писмото на Лаврентиев с Там и Сахаров, които заявяват, че е по-добре да се използва магнитно поле за ограничаване на плазмата.
Курчатов възложи на Арцимович да ръководи работата по контролиран термоядрен синтез.

Арцимович откри това, което знае всеки, който някога е виждал мълния, тоест той откри, че мощните разряди на ток в деутерия създават тънка нишка. Шнурът пулсираше, свиваше се и се отпускаше... На шнура, наречен като че ли научно щипка, с втората вълна на тока се появиха възли, те бяха източниците на неутрони. () Бяха излъчени и мощни рентгенови лъчи.

Следва историята на токамаците. От петдесетте години на 20-ти век до началото на 3-то хилядолетие са направени почти три дузини от тях. Размерът им, естествено, и цената им се увеличиха с надеждата, че следващият токамак най-накрая ще произвежда не само неутрони, но и хелий, тоест термоядреният синтез най-накрая ще се осъществи... Но напразно. Хелий никога не е открит в описаните експерименти, тоест не е имало термоядрена реакция.

Ако преди 1961 г. експериментите с токамаци все още могат да се считат за научни, то по-късните „експерименти“ са чиста загуба на бюджет.
През 1961 г. академик B.P. Константинов каза на Арцимович в призива „Защо няма да бъде построена термоядрена електроцентрала нито през 1980 г., нито през 2000 г.“, че дейността му е не само безполезна, но и вредна.
Константинов обясни, че реакцията на деутерий с деутерий не може да бъде заменена с реакция на деутерий с тритий. Тритий не съществува в природата, първо трябва да бъде произведен в ядрени реактори. По време на реакцията на деутерий с тритий бързите неутрони бързо отнемат енергия, унищожавайки всичко по пътя си, никакви камери не могат да издържат на това, те бързо ще бъдат унищожени и плазмата, която не може да бъде стабилна, ще пробие стените и ще замърси заобикаляща среда, предимно стотици килограми радиоактивен тритий.

Разбира се, никой не послуша Константинов и други като него. Около „термоядрения синтез“ се сформира огромна международна мафия от „резачи на бюджета“, които са строили, строят и ще продължат да строят своите безполезни „термоядрени реактори“. Теоретично законодателите могат да ги спрат, но законодателите могат да направят нещо, и то теоретично само в собствените си страни, а научната мафия е международна. Но дори в някои страни политиците идват на власт само за да правят пари, така че мафията лесно ги купува и в това няма светло петно, както в много други области на „научната“ дейност.

Преглеждания на публикация: 1751

Контролиран термоядрен синтез - най-интересно физически процес, което (все още на теория) може да освободи света от енергийната зависимост от изкопаемите горива. Процесът се основава на синтеза на атомни ядра от по-леки към по-тежки с освобождаване на енергия. За разлика от друга употреба на атома - освобождаването на енергия от него в ядрени реактори, докато се разпада - синтезът на хартия практически няма да остави радиоактивни странични продукти.

Термоядрените реактори имитират ядрения процес вътре в слънцето, разбиват по-леките атоми и ги превръщат в по-тежки, освобождавайки огромни количества енергия по пътя. На Слънцето този процес се задвижва от гравитацията. На Земята инженерите се опитват да пресъздадат условията за ядрен синтез, използвайки изключително високи температури - от порядъка на 150 милиона градуса - но имат проблеми с задържането на плазмата, необходима за сливане на атоми.

Едно от изградените решения е представено от ITER, известен преди като Международен термоядрен експериментален реактор, който се изгражда от 2010 г. в Карадачес, Франция. Първите експерименти, първоначално планирани за 2018 г., бяха отложени за 2025 г.

Само преди няколко дни съобщихме, че първият

Термоядрена реакция- Това е реакцията на сливане на леки ядра в по-тежки.

За неговото прилагане е необходимо първоначалните нуклони или леки ядра да се доближат до разстояния, равни или по-малки от радиуса на сферата на действие на ядрените сили на привличане (т.е. до разстояния от 10 -15 m). Това взаимно приближаване на ядрата се предотвратява от силите на отблъскване на Кулон, действащи между положително заредените ядра. За да се осъществи реакция на синтез, е необходимо вещество с висока плътност да се нагрее до свръхвисоки температури (от порядъка на стотици милиони келвини), така че кинетичната енергия на топлинното движение на ядрата да е достатъчна, за да преодолее кулоновия отблъскващи сили. При такива температури материята съществува под формата на плазма. Тъй като синтезът може да се случи само при много високи температури, реакциите на ядрен синтез се наричат ​​термоядрени реакции (от гръцки. термо„топлина, топлина“).

Термоядрените реакции освобождават огромна енергия. Например, в реакцията на синтез на деутерий с образуването на хелий

\(~^2_1D + \ ^2_1D \до \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

Отделя се 3,2 MeV енергия. В реакцията на синтез на деутерий с образуването на тритий

\(~^2_1D + \ ^2_1D \до \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

Отделя се 4,0 MeV енергия и при реакцията

\(~^2_1D + \ ^3_1T \до \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

Отделя се 17,6 MeV енергия.

Ориз. 1. Схема на реакцията деутерий-тритий

Понастоящем се извършва контролирана термоядрена реакция чрез синтеза на деутерий \(~^2H\) и тритий \(~^3H\). Запасите от деутерий трябва да стигнат за милиони години, а лесно добитите запаси от литий (за производство на тритий) са достатъчни, за да задоволят нуждите за стотици години.

По време на тази реакция обаче по-голямата част (повече от 80%) от освободената кинетична енергия идва от неутрона. В резултат на сблъсъци на фрагменти с други атоми, тази енергия се превръща в топлинна енергия. Освен това бързите неутрони създават значително количество радиоактивни отпадъци.

Следователно най-обещаващите са реакциите „без неутрони“, например деутерий + хелий-3.

\(~D + \ ^3He \до \ ^4He + p\)

Тази реакция няма изход на неутрони, което отнема значителна част от мощността и генерира индуцирана радиоактивност в конструкцията на реактора. Освен това запасите от хелий-3 на Земята варират от 500 кг до 1 тон, но на Луната той се намира в значителни количества: до 10 милиона тона (според минимални оценки - 500 хиляди тона). В същото време той може лесно да бъде произведен на Земята от литий-6, който е широко разпространен в природата, като се използват съществуващи реактори за ядрено делене.

Термоядрени оръжия

На Земята първата термоядрена реакция е извършена по време на експлозията на водородна бомба на 12 август 1953 г. на полигона в Семипалатинск. „Нейният баща“ беше академик Андрей Дмитриевич Сахаров, три пъти удостоен със званието Герой Социалистически трудза разработване на термоядрени оръжия. Високата температура, необходима за започване на термоядрена реакция във водородна бомба, се получава в резултат на експлозията на включената в състава й атомна бомба, която играе ролята на детонатор. Термоядрени реакции, протичащи по време на експлозия водородни бомби, са неконтролируеми.

Ориз. 2. Водородна бомба

Вижте също

Контролирани термоядрени реакции

Ако в земни условия беше възможно да се извършват лесно контролирани термоядрени реакции, човечеството би получило практически неизчерпаем източник на енергия, тъй като запасите от водород на Земята са огромни. Големи технически трудности обаче пречат на осъществяването на енергийно изгодни контролирани термоядрени реакции. На първо място е необходимо да се създадат температури от порядъка на 10 8 K. Такива свръхвисоки температури могат да бъдат получени чрез създаване на електрически разряди с голяма мощност в плазмата.

Токамак

Този метод се използва в инсталации тип "Токамак" (ТОРИОДАЛНА КАМЕРА с Магнитни бобини), създаден за първи път в Института за атомна енергия на името на. И. В. Курчатова. В такива инсталации плазмата се създава в тороидална камера, която е вторичната намотка на мощен импулсен трансформатор. Неговата първична намотка е свързана към банка от кондензатори с много голям капацитет. Камерата е пълна с деутерий. Когато батерия от кондензатори се разрежда през първичната намотка в тороидална камера, се възбужда вихрово електрическо поле, което предизвиква йонизация на деутерий и появата на мощен импулс в него електрически ток, което води до силно нагряване на газа и образуване на високотемпературна плазма, в която може да възникне термоядрена реакция.

Ориз. 3. Принципна схема на работа на реактора

Основната трудност е да се задържи плазмата вътре в камерата за 0,1-1 s без контакт със стените на камерата, тъй като няма материали, които да издържат на толкова високи температури. Тази трудност може да бъде частично преодоляна с помощта на тороидално магнитно поле, в което се намира камерата. Под въздействието на магнитни сили плазмата се усуква във въже и като че ли „виси“ на индукционните линии на магнитното поле, без да докосва стените на камерата.

Началото на съвременната ера в изучаването на възможностите за термоядрен синтез трябва да се счита за 1969 г., когато в руската инсталация Токамак Т3 в плазма с обем около 1 m 3 е достигната температура от 3 M°C. След това учени от цял ​​свят признаха дизайна на токамак като най-обещаващия за задържане на магнитна плазма. В рамките на няколко години беше взето смело решение за създаване на JET (Joint European Torus) инсталация със значително по-голям обем на плазмата (100 m 3). Работният цикъл на уреда е приблизително 1 минута, тъй като тороидалните му намотки са изработени от мед и се нагряват бързо. Тази инсталация започва работа през 1983 г. и остава най-големият токамак в света, осигуряващ нагряване на плазмата до температура от 150 M°C.

Ориз. 4. Проектиране на JET реактор

През 2006 г. представители на Русия, Южна Корея, Китай, Япония, Индия, Европейския съюз и САЩ подписаха в Париж споразумение за започване на работа по изграждането на първия международен експериментален реактор токамак (ITER). Магнитните бобини на реактора ITER ще се основават на свръхпроводящи материали (които по принцип позволяват непрекъсната работа, докато се поддържа ток в плазмата), така че дизайнерите се надяват да осигурят гарантиран работен цикъл от поне 10 минути.

Ориз. 5. Проектиране на реактор ITER.

Реакторът ще бъде построен близо до град Кадараш, разположен на 60 километра от Марсилия в южната част на Франция. Работата по подготовката на строителната площадка ще започне следващата пролет. Строителството на самия реактор е планирано да започне през 2009 г.

Строителството ще продължи десет години, работата по реактора се очаква да се извършва в продължение на двадесет години. Общата стойност на проекта е приблизително 10 милиарда долара. Четиридесет процента от разходите ще бъдат поети от Европейския съюз, шестдесет процента ще бъдат разпределени по равно между останалите участници в проекта.

Вижте също

  1. Международен експериментален термоядрен реактор
  2. Нова инсталация за стартиране на термоядрен синтез: 25.01.2010 г

Лазерен синтез (LSF)

Друг начин за постигане на тази цел е лазерният термоядрен синтез. Същността на този метод е следната. Замразена смес от деутерий и тритий, приготвена под формата на топки с диаметър по-малък от 1 mm, се облъчва равномерно от всички страни с мощен лазерно лъчение. Това води до нагряване и изпаряване на веществото от повърхността на топките. В този случай налягането вътре в топките се увеличава до стойности от порядъка на 10 15 Pa. Под въздействието на такова налягане се получава увеличаване на плътността и силно нагряване на веществото в централната част на топките и започва термоядрена реакция.

За разлика от магнитното задържане на плазмата, при лазерното задържане времето на задържане (т.е. животът на плазма с висока плътност и температура, което определя продължителността на термоядрените реакции) е 10–10 - 10–11 s, така че LTS може да бъде само извършва се в импулсен режим. Предложението за използване на лазери за термоядрен синтез беше направено за първи път във Физическия институт. П. Н. Лебедев от Академията на науките на СССР през 1961 г. от Н. Г. Басов и О. Н. Крохин.

В Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор в Калифорния беше завършено изграждането на най-мощния лазерен комплекс в света (май 2009 г.). Наричаше се Националното съоръжение за запалване на САЩ (NIF). Строежът продължи 12 години. За лазерния комплекс са похарчени 3,5 милиарда долара.

Ориз. 7. Принципна схема на УЛС

NIF се основава на 192 мощни лазера, които ще бъдат насочени едновременно към милиметрова сферична цел (около 150 микрограма термоядрено гориво - смес от деутерий и тритий; в бъдеще радиоактивният тритий може да бъде заменен с лек изотоп на хелий-3 ). В резултат на това температурата на мишената ще достигне 100 милиона градуса, а налягането вътре в топката ще бъде 100 милиарда пъти по-високо от налягането на земната атмосфера.

Вижте също

  1. Контролиран термоядрен синтез: TOKAMAKI срещу лазерен синтез 16.05.2009 г.

Предимства на синтеза

Привържениците на използването на термоядрени реактори за производство на електричество цитират следните аргументи в своя полза:

  • практически неизчерпаеми запаси от гориво (водород). Например количеството въглища, необходимо за работа на топлоелектрическа централа с мощност 1 GW, е 10 000 тона на ден (десет вагона), а термоядрена централа със същата мощност ще консумира само около 1 килограм смес на ден. д + T . Едно средно голямо езеро може да осигури на всяка страна енергия за стотици години. Това прави невъзможно една или група страни да монополизират горивото;
  • липса на продукти от горенето;
  • не е необходимо да се използват материали, които могат да се използват за производство на ядрени оръжия, като по този начин се елиминират случаите на саботаж и тероризъм;
  • в сравнение с ядрените реактори се произвеждат малко количество радиоактивни отпадъци с кратък период на полуразпад;
  • термоядрената реакция не произвежда атмосферни емисии на въглероден диоксид, който е основен фактор за глобалното затопляне.

Защо създаването на термоядрени инсталации отне толкова време?

1. Дълго време се смяташе, че проблемът с практическото използване на енергията от термоядрен синтез не изисква спешни решения и действия, тъй като през 80-те години на миналия век източниците на изкопаеми горива изглеждаха неизчерпаеми, а екологичните проблеми и изменението на климата не засягаше обществеността. Въз основа на оценките на Геоложката служба на САЩ (2009 г.) растежът на глобалното производство на петрол ще продължи не повече от следващите 20 години (други експерти прогнозират, че пикът на производството ще бъде достигнат след 5-10 години), след което обемът на произведеният петрол ще започне да намалява с около 3% годишно. Перспективите за производството на природен газ не изглеждат много по-добри. Обикновено се казва, че ще имаме достатъчно въглища за още 200 години, но тази прогноза се базира на запазване на съществуващото ниво на производство и потребление. Междувременно потреблението на въглища се увеличава с 4,5% годишно, което незабавно намалява споменатия период от 200 години до само 50 години! От казаното става ясно, че сега трябва да се подготвим за края ера на използване на изкопаеми горива. 2. Термоядрена инсталация не може да бъде създадена и демонстрирана в малки размери. Научно-техническите възможности и предимства на термоядрените инсталации могат да бъдат тествани и демонстрирани само за достатъчно дълго време. големи гари, като споменатия реактор ITER. Обществото просто не беше готово да финансира такива големи проекти, докато нямаше достатъчно увереност в успеха.

„Казахме, че ще поставим Слънцето в кутия. Идеята е супер. Но проблемът е, че не знаем как да създадем тази кутия” – Пиер Жил дьо Жен, лауреат Нобелова наградапо физика 1991г.

Въпреки че има доста тежки елементи, необходими за ядрени реакции на Земята и в космоса като цяло, има много леки елементи за термоядрени реакции както на Земята, така и в космоса. Следователно идеята за използване на термоядрена енергия в полза на човечеството дойде почти веднага с разбирането на процесите, които са в основата й - това обещаваше наистина неограничени възможности, тъй като запасите от термоядрено гориво на Земята трябваше да са достатъчни за десетки хиляди години напред.

Още през 1951 г. се появяват две основни посоки за разработване на термоядрени реактори: Андрей Сахаров и Игор Там разработиха архитектура на токамак, в която работната камера беше тор, докато Лиман Спицер предложи архитектура с по-сложен дизайн по форма, която най-много напомня на обърната лента на Мьобиус не веднъж, а няколко пъти.

Простотата на фундаменталния дизайн на токамака позволи развитието на тази посока за дълго време чрез увеличаване на характеристиките на конвенционалните и свръхпроводящи магнити, както и чрез постепенно увеличаване на размера на реактора. Но с увеличаване на параметрите на плазмата постепенно започнаха да се появяват проблеми с нейното нестабилно поведение, което забави процеса.

Сложността на дизайна на стелатора напълно доведе до факта, че след първите експерименти през 50-те години развитието на тази посока спря за дълго време. Той получи нов живот съвсем наскоро с появата на модерни системикомпютърно проектиране, което направи възможно проектирането на стелатора Wendelstein 7-X с параметрите и проектната точност, необходими за неговата работа.

Физика на процеса и проблеми при осъществяването му

Атомите на желязото имат максимална енергия на свързване на нуклон - това е мярка за енергията, която трябва да се изразходва, за да се раздели атом на съставните му неутрони и протони, разделена на общия им брой. Всички атоми с по-ниска и по-висока маса имат този показател под желязото:

В този случай при термоядрени реакции на сливане на леки атоми до желязо се освобождава енергия и масата на получения атом става малко по-малка от сумата на масите на първоначалните атоми с количество, което корелира с освободената енергия по формулата E = mc² (така наречения масов дефект). По същия начин се освобождава енергия по време на реакции на ядрено делене на атоми, по-тежки от желязото.

По време на реакции на синтез на атоми се отделя огромна енергия, но за да извлечем тази енергия, първо трябва да положим известно усилие за преодоляване на отблъскващите сили между атомните ядра, които са положително заредени (преодоляване на Кулонова бариера). След като сме успели да съберем една двойка атоми на необходимото разстояние, влиза в действие силното ядрено взаимодействие, което свързва неутроните и протоните. За всеки вид гориво Кулоновата бариера за началото на реакцията е различна, както е различна оптималната реакционна температура:

В този случай първите термоядрени реакции на атомите започват да се записват много преди средната температура на веществото да достигне тази бариера поради факта, че кинетичната енергия на атомите е обект на разпределението на Максуел:

Но реакцията при относително ниска температура (от порядъка на няколко милиона °C) протича изключително бавно. Да кажем, че в центъра температурата достига 14 милиона °C, но специфичната мощност на термоядрената реакция при такива условия е само 276,5 W/m³ и на Слънцето са необходими няколко милиарда години, за да изразходва напълно своето гориво. Такива условия са неприемливи за термоядрен реактор, тъй като при такова ниско ниво на освобождаване на енергия ние неизбежно ще изразходваме повече за отопление и компресиране на термоядрено гориво, отколкото ще получим от реакцията в замяна.

С повишаването на температурата на горивото все по-голяма част от атомите започват да имат енергия, превишаваща кулоновата бариера и ефективността на реакцията се увеличава, достигайки своя връх. С по-нататъшно повишаване на температурата, скоростта на реакцията започва да пада отново поради факта, че кинетичната енергия на атомите става твърде висока и те се „превишават“ един друг, неспособни да бъдат задържани заедно чрез силно ядрено взаимодействие.

По този начин решението за това как да се получи енергия от контролирана термоядрена реакция беше получено доста бързо, но изпълнението на тази задача се проточи половин век и все още не е завършено. Причината за това се крие в наистина безумните условия, в които се оказа необходимо да се постави термоядреното гориво - за положителен добив от реакцията температурата му трябваше да бъде няколко десетки милиона °C.

Никакви стени физически не могат да издържат на такава температура, но този проблем почти веднага доведе до неговото решение: тъй като вещество, нагрято до такива температури, е гореща плазма (напълно йонизиран газ), която е положително заредена, решението се оказа на повърхността - просто трябваше да поставим такава нагрята плазма в силно магнитно поле, което да държи термоядреното гориво на безопасно разстояние от стените.

Напредък към прилагането му

Изследванията по тази тема вървят в няколко посоки едновременно:

  1. Използвайки свръхпроводящи магнити, учените се опитват да намалят енергията, изразходвана за запалване и поддържане на реакцията;
  2. с помощта на нови поколения свръхпроводници се увеличава индукцията на магнитното поле вътре в реактора, което прави възможно задържането на плазмата с повече висока производителностплътност и температура, което увеличава специфичната мощност на реакторите на единица обем;
  3. изследванията на горещата плазма и напредъкът в изчислителната технология позволяват по-добър контрол на плазмените потоци, като по този начин доближават термоядрените реактори до техните теоретични граници на ефективност;
  4. Напредъкът в предишната област също ни позволява да поддържаме плазмата в стабилно състояние по-дълго, което повишава ефективността на реактора поради факта, че не е необходимо да загряваме плазмата толкова често.

Въпреки всички трудности и проблеми, които стоят по пътя към контролирана термоядрена реакция, тази история вече наближава своя край. В енергийната индустрия е обичайно да се използва индикаторът EROEI - енергийна възвръщаемост на инвестицията в енергия (съотношението на енергията, изразходвана за производството на гориво, към количеството енергия, което в крайна сметка получаваме от него) за изчисляване на горивната ефективност. И докато EROEI на въглищата продължава да расте, този показател за нефта и газа достигна своя връх в средата на миналия век и сега непрекъснато пада поради факта, че новите находища на тези горива се намират на все по-недостъпни места и винаги по-големи дълбочини:

В същото време ние също не можем да увеличим производството на въглища поради причината, че получаването на енергия от тях е много мръсен процес и буквално отнема живота на хората в момента от различни белодробни заболявания. По един или друг начин сега стоим на прага на края на ерата на изкопаемите горива - и това не са машинациите на еколозите, а банални икономически изчисления, когато гледаме в бъдещето. В същото време EROI на експерименталните термоядрени реактори, които също се появиха в средата на миналия век, нарастваше стабилно и през 2007 г. достигна психологическата бариера от единица - тоест тази година за първи път човечеството успя да получи повече енергия чрез термоядрена реакция, отколкото изразходва за нейното изпълнение. И въпреки факта, че внедряването на реактора, експериментите с него и производството на първата демонстрационна термоядрена електроцентрала DEMO въз основа на опита, натрупан по време на изпълнението на ITER, все още ще отнеме много време. Вече няма никакво съмнение, че нашето бъдеще е в такива реактори.

Критика на изследванията

Основната критика към изследванията на термоядрените реактори е, че изследванията протичат изключително бавно. И това е вярно - от първите експерименти до получаването на рентабилна термоядрена реакция ни отне цели 66 години. Но същността на проблема тук е, че финансирането на такива изследвания никога не е достигнало необходимото ниво - ето пример за оценките на Администрацията за енергийни изследвания и развитие на САЩ за нивото на финансиране за проекта за термоядрен реактор и времето на неговото завършване:

Както може да се види от тази графика, изненадващо е не само, че все още нямаме комерсиални термоядрени реактори, които да произвеждат електричество, но и че в момента сме успели да постигнем положителен добив на енергия от експериментални реактори.

За първи път проблемът за контролирания термоядрен синтез в Съветския съюз е формулиран и е предложено някакво конструктивно решение за него от съветския физик О. А. Лаврентиев. В допълнение към него важен принос за решаването на проблема са направили такива изключителни физици като А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм, както и Л. А. Арцимович, който от 1951 г. ръководи съветската програма за контролиран термоядрен синтез.

Исторически въпросът за контролирания термоядрен синтез на глобално ниво възниква в средата на 20 век. Известно е, че И. В. Курчатов през 1956 г. прави предложение за сътрудничество между ядрени учени различни странипри разрешаването на това научен проблем. Това се случи по време на посещение в британския ядрен център Харуел ( Английски) .

Видове реакции

Реакцията на синтез е следната: две или повече атомни ядра, в резултат на прилагането на определена сила, се приближават едно до друго, така че силите, действащи на такива разстояния, преобладават над силите на отблъскване на Кулон между еднакво заредени ядра, което води до образуване на ново ядро. Когато се създаде ново ядро, ще се освободи голямо количество силна енергия на взаимодействие. Според известната формула E=mc², след като освободи енергия, системата от нуклони ще загуби част от масата си. Атомни ядра, които имат малък електрически заряд, е по-лесно да се доведе до желаното разстояние, така че тежките изотопи на водорода са едно от най-добрите горива за реакции на синтез.

Установено е, че смес от два изотопа, деутерий и тритий, изисква най-малко енергия за реакция на синтез в сравнение с енергията, освободена по време на реакцията. Въпреки това, въпреки че деутерий-тритий (D-T) е обект на повечето изследвания на термоядрен синтез, той в никакъв случай не е единственото потенциално гориво. Други смеси могат да бъдат по-лесни за производство; тяхната реакция може да бъде по-надеждно контролирана или, което е по-важно, да произвеждат по-малко неутрони. Така наречените „безнеутронни“ реакции са от особен интерес, тъй като успешното промишлено използване на такова гориво ще означава липса на дългосрочно радиоактивно замърсяване на материалите и дизайна на реактора, което от своя страна може да има положително въздействие върху общественото мнение и върху общите разходи за експлоатация на реактора, значително намаляване на разходите за извеждане от експлоатация и погребване. Проблемът остава, че реакциите на синтез, използващи алтернативни горива, са много по-трудни за поддържане, тъй като D-T реакциясе счита само за необходима първа стъпка.

Контролираният синтез може да използва различни видове реакции на синтез в зависимост от вида на използваното гориво.

Реакция на деутерий + тритий (D-T гориво)

Най-лесно осъществимата реакция е деутерий + тритий:

2 H + 3 H = 4 He + n с изходна енергия от 17,6 MeV (мегаелектронволт).

Тази реакция е най-лесно осъществима от гледна точка модерни технологии, дава значителна енергийна мощност, горивните компоненти са евтини. Недостатъкът е освобождаването на нежелано неутронно лъчение.

Две ядра: деутерий и тритий се сливат, за да образуват хелиево ядро ​​(алфа частица) и високоенергиен неутрон:

Токамак (TORoidal Chamber with Magnetic Coils) - тороидална инсталация за магнитно задържане на плазмата. Плазмата се задържа не от стените на камерата, които не могат да издържат на нейната температура, а от специално създадено магнитно поле. Специална характеристика на токамака е използването на електрически ток, протичащ през плазмата, за създаване на тороидално поле, необходимо за равновесие на плазмата.

Реакция деутерий + хелий-3

Много по-трудно е, на границата на възможното, да се извърши реакцията на деутерий + хелий-3

2 H + 3 He = 4 He + с изходна енергия от 18,4 MeV.

Условията за постигането му са много по-сложни. Хелий-3 също е рядък и изключително скъп изотоп. В момента не се произвежда в индустриален мащаб. Въпреки това, той може да бъде получен от тритий, който се произвежда на свой ред в атомни електроцентрали; или добивани на Луната.

Сложността на провеждането на термоядрена реакция може да се характеризира с тройния продукт nTτ (плътност за температура за време на задържане). Според този параметър реакцията D-3He е приблизително 100 пъти по-сложна от D-T.

Реакция между ядра на деутерий (D-D, монопропелант)

В допълнение към основната реакция, в DD плазмата се случва и следното:

Тези реакции протичат бавно успоредно с реакцията деутерий + хелий-3 и образуваните по време на тях тритий и хелий-3 е вероятно веднага да реагират с деутерий.

Други видове реакции

Възможни са и други видове реакции. Изборът на гориво зависи от много фактори - неговата наличност и евтиност, енергийна мощност, лекота на постигане на условията, необходими за реакцията на термоядрен синтез (предимно температура), необходимите конструктивни характеристики на реактора и др.

"Безнеутронни" реакции

Най-обещаващите са така наречените реакции без неутрони, тъй като неутронният поток, генериран от термоядрен синтез (например при реакцията деутерий-тритий), отнема значителна част от мощността и генерира индуцирана радиоактивност в конструкцията на реактора. . Реакцията на деутерий + хелий-3 е обещаваща поради липсата на добив на неутрони.

Реакции с лек водород

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

По-голямата част (повече от 80%) от освободената кинетична енергия обаче идва от неутрона. В резултат на сблъсъци на фрагменти с други атоми, тази енергия се превръща в топлинна енергия. Освен това бързите неутрони създават значителни количества радиоактивни отпадъци. Обратно, синтезът на деутерий и хелий-3 не произвежда почти никакви радиоактивни продукти:

D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), където p е протон.

Това позволява използването на по-прости и ефективни системитрансформации на реакция на кинетичен синтез, като например магнитохидродинамичен генератор.

Конструкции на реактори

Има две основни схеми за осъществяване на контролиран термоядрен синтез, чието развитие продължава в момента (2012 г.):

Първият тип термоядрени реактори е много по-добре развит и проучен от втория.

Радиационна безопасност

Термоядреният реактор е много по-безопасен от ядрения реактор по отношение на радиацията. На първо място, количеството радиоактивни вещества, съдържащи се в него, е относително малко. Енергията, която може да се отдели при всяка авария, също е малка и не може да доведе до разрушаване на реактора. В същото време конструкцията на реактора има няколко естествени бариери, които предотвратяват разпространението на радиоактивни вещества. Например, вакуумната камера и обвивката на криостата трябва да бъдат запечатани, в противен случай реакторът просто няма да може да работи. По време на проектирането на ITER обаче голямо внимание беше обърнато на радиационната безопасност както по време на нормална работа, така и при възможни аварии.

Има няколко източника на възможно радиоактивно замърсяване:

  • радиоактивен изотоп на водорода - тритий;
  • индуцирана радиоактивност в инсталационни материали в резултат на неутронно облъчване;
  • радиоактивен прах, образуван в резултат на действието на плазмата върху първата стена;
  • радиоактивни корозионни продукти, които могат да се образуват в охладителната система.

За да се предотврати разпространението на тритий и прах, ако те напуснат вакуумната камера и криостата, е необходима специална вентилационна система за поддържане на понижено налягане в сградата на реактора. Следователно няма да има изтичане на въздух от сградата, освен през вентилационните филтри.

При изграждането на реактор, ITER например, материали, които вече са тествани в ядрената енергетика, ще бъдат използвани, когато е възможно. Поради това индуцираната радиоактивност ще бъде относително малка. По-специално, дори в случай на повреда на охладителните системи, естествената конвекция ще бъде достатъчна за охлаждане на вакуумната камера и други структурни елементи.

Разчетите показват, че дори при авария радиоактивните емисии няма да представляват опасност за населението и няма да налагат евакуация.

Горивен цикъл

Реакторите от първо поколение най-вероятно ще работят със смес от деутерий и тритий. Неутроните, които се произвеждат по време на реакцията, ще бъдат абсорбирани от щита на реактора и генерираната топлина ще се използва за загряване на охлаждащата течност в топлообменника, а тази енергия от своя страна ще се използва за въртене на генератора.

. .

Реакцията на термоядрен синтез като промишлен източник на електричество

Енергията от термоядрения синтез се счита от много изследователи (по-специално Кристофър Луелин-Смит) за "естествен" източник на енергия в дългосрочен план. Привържениците на търговската употреба на термоядрени реактори за производство на електроенергия цитират следните аргументи в своя полза:

Цената на електроенергията в сравнение с традиционните източници

Критиците посочват, че въпросът за рентабилността на ядрения синтез при производството на електроенергия в общи целиостава отворено. Същото проучване, поръчано от Службата за наука и технологии на британския парламент, показва, че разходите за генериране на електроенергия с помощта на термоядрени реактори вероятно ще бъдат в по-високия край на спектъра на разходите на традиционните енергийни източници. Много ще зависи от бъдещата налична технология, пазарна структура и регулиране. Разходите за електроенергия пряко зависят от ефективността на използване, продължителността на работа и разходите за обезвреждане на реактора.

Отделен въпрос е цената на изследването. Страните от ЕС изразходват около 200 милиона евро годишно за изследвания и се прогнозира, че ще отнеме още няколко десетилетия, докато промишленото използване на ядрения синтез стане възможно. Привържениците на алтернативните неядрени източници на електроенергия смятат, че би било по-целесъобразно тези средства да се използват за въвеждане на възобновяеми източници на електроенергия.

Наличие на търговска термоядрена енергия

Въпреки широко разпространения оптимизъм (от ранните изследвания през 50-те години на миналия век), значителните пречки между настоящото разбиране на процесите на ядрен синтез, технологичните възможности и практическото използване на ядрения синтез все още не са преодолени. Дори не е ясно колко рентабилно може да бъде производството на електричество чрез ядрен синтез. Въпреки че има постоянен напредък в изследванията, изследователите постоянно се сблъскват с нови проблеми. Например, предизвикателството е разработването на материал, който може да издържи на неутронна бомбардировка, която се оценява на 100 пъти по-интензивна, отколкото в традиционните ядрени реактори. Сериозността на проблема се утежнява от факта, че напречното сечение за взаимодействие на неутрони с ядра с нарастваща енергия престава да зависи от броя на протоните и неутроните и клони към напречното сечение атомно ядро- а за неутрони с енергия 14 MeV просто няма изотоп с достатъчно малко напречно сечение на взаимодействие. Това налага много честа подмяна. проекти D-Tи D-D реактор и намалява неговата рентабилност толкова много, че цената на конструкциите на реактори, направени от съвременни материали за тези два типа, се оказва повече от цената на произведената от тях енергия. Има три възможни решения:

  1. Отказ от чист ядрен синтез и използването му като източник на неутрони за делене на уран или торий.
  2. Отказ от Д-Т и D-D синтезв полза на други реакции на синтез (например D-He).
  3. Рязко намаляване на разходите за структурни материали или разработване на процеси за тяхното възстановяване след облъчване. Необходими са също огромни инвестиции в науката за материалите, но перспективите са несигурни.

Странични ефекти реакции D-D(3%) по време на синтеза на D-He усложняват производството на рентабилни конструкции за реактора, но не са невъзможни на сегашното технологично ниво.

Разграничават се следните етапи на изследването:

1. Равновесен или “пропускащ” режим(Безопасност): когато общата енергия, освободена в процеса на синтез, е равна на общата енергия, изразходвана за стартиране и поддържане на реакцията. Това съотношение е отбелязано със символа Q.

2. Пламтяща плазма(Горяща плазма): Междинен етап, в който реакцията ще се поддържа основно от алфа частици, които се произвеждат по време на реакцията, а не от външно нагряване. Q ≈ 5. Все още (2012) не е постигнато.

3. Запалване(Запалване): стабилна, самоподдържаща се реакция. Трябва да се постигне при високи стойности Q. Все още не е постигнато.

Следващата стъпка в изследванията трябва да бъде Международният термоядрен експериментален реактор (ITER). В този реактор се планира да се изследва поведението на високотемпературна плазма (пламтяща плазма с Q~ 30) и структурни материали за промишлен реактор.

Последната фаза на изследването ще бъде DEMO: прототип на индустриален реактор, в който ще бъде постигнато запалване и ще бъде демонстрирана практичността на новите материали. Най-оптимистичната прогноза за завършване на DEMO фазата: 30 години. Като се има предвид очакваното време за изграждане и пускане в експлоатация на промишлен реактор, от промишленото използване на термоядрената енергия ни делят ~40 години.

Съществуващи токамаци

Общо в света са построени около 300 токамака. Най-големите от тях са изброени по-долу.

  • СССР и Русия
    • T-3 е първото функционално устройство.
    • Т-4 - уголемена версия на Т-3
    • Т-7 е уникална инсталация, в която за първи път в света е внедрена сравнително голяма магнитна система със свръхпроводящ соленоид на базата на калаен ниобат, охлаждан с течен хелий. Основната задача на Т-7 беше изпълнена: беше подготвена перспективата за следващото поколение свръхпроводящи соленоиди за термоядрена енергия.
    • T-10 и PLT са следващата стъпка в световните термоядрени изследвания, те са почти еднакви по размер, еднаква мощност, със същия коефициент на ограничаване. И получените резултати са идентични: и двата реактора постигнаха желаната температура на термоядрен синтез, а изоставането според критерия на Лоусън е само двеста пъти.
    • Т-15 е съвременен реактор със свръхпроводящ соленоид, даващ сила на полето от 3,6 тесла.
  • Либия
    • TM-4A

Връзки

  • Е.П. Велихов; С.В. МирновКонтролираният термоядрен синтез достига началния участък (PDF). Тринити институт за иновации и термоядрени изследвания. Руски научен център "Курчатовски институт".. ac.ru. - Популярно представяне на проблема.. Архивиран от оригинала на 5 февруари 2012 г. Посетен на 8 август 2007 г.
  • К. Луелин-Смит.По пътя към термоядрената енергия. Материали от лекция, изнесена на 17 май 2009 г. във ФИАН.
  • В САЩ ще бъде извършен грандиозен експеримент по термоядрен синтез.

Вижте също

Бележки

  1. Бондаренко Б. Д. „Ролята на О. А. Лаврентиев в повдигането на въпроса и започването на изследвания за контролиран термоядрен синтез в СССР” // UFN 171 , 886 (2001).
  2. Рецензия на А. Д. Сахаров, публикувана в раздела „Из архива на президента Руска федерация" UFN 171 , 902 (2001), стр. 908.
  3. Научната общност на физиците на СССР. 1950-1960-те години. Документи, спомени, изследвания/ Съставител и редакция на П. В. Визгин и А. В. Кесенич. - Санкт Петербург. : RGHA, 2005. - Т. I. - С. 23. - 720 с. - 1000 бр.
  4. Ранните американски термоядрени боеприпаси също използват естествен литиев деутерид, който съдържа главно изотоп на литий с масово число 7. Той също така служи като източник на тритий, но за това неутроните, участващи в реакцията, трябва да имат енергия от 10 MeV или по-висок.
  5. Термоядрени електроцентрали без неутронен цикъл (например D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) с MHD генератор, използващ високотемпературна плазма;
  6. Е. П. Велихов, С. В. ПутвинскиТермичен реактор. Fornit (22 октомври 1999 г.). - Доклад от 22.10.1999 г., извършен в рамките на Енергийния център на Световната федерация на учените. Архивиран от оригинала на 5 февруари 2012 г. Посетен на 16 януари 2011 г.
  7. (Английски) Дописка: Ядрен синтез, 2003 г
  8. EFDA | Европейско споразумение за развитие на термоядрен синтез
  9. Торе Супра
  10. Токамак термоядрен тестов реактор
  11. Преглед на лабораторията по физика на плазмата в Принстън
  12. MIT Plasma Science & Fusion Center: изследвания>alcator>
  13. Начало - Уебсайт на Fusion
  14. Изследване на термоядрена плазма
  15. Изкуственото слънце-中安在线-английски
  16. Термоядреният реактор излезе от нулата – Вестник. Ru
  17. Информация за филма "Спайдърмен 2" - Кино "Космос"