Възможен ли е контролиран термоядрен синтез при земни условия? Контролиран термоядрен синтез: все още "на хоризонта" Контролиран термоядрен синтез

Физиката, въпреки че е като че ли наука за околния свят, все още е доста далеч от обикновеното, тоест далеч от интересите на обикновените хора. Необичайните хора се концентрират във физиката. Ако погледнете биографиите на „великите физици“, изцяло потопени в проблемите на космоса, можете да видите, че някои от тях са били клиенти на психиатри, други са избягвали това, въпреки че са имали странно поведение. Тези "велики физици" обаче са предимно теоретици, космолози, математици, общото им определение е . В голямата общност на физиците има и съвсем психически нормални хора, но това са безделници, любители на „сладкия живот“, които са се приспособили да „режат“ държавните пари, обещавайки на държавата различни облаги, „изтъркани от тях“. природата”, като я въздейства с различни луди теории, разработени преди това от „британски учени”.
Има много области на дейност на тези задънени физици във физически смисъл, но полезни в паричен смисъл. Една от тези области на дейност на "трионите" на бюджета е създаването на термоядрен реактор.
Разбира се, историята на създаването на термоядрени реактори започва под формата на доста научни проекти.
През 1949 г. е изпробвана съветска атомна бомба, копие на американската. Но съветските стратези искаха нещо още по-силно и страшно за враговете.
Теоретиците в началото на 20 век решиха, че най-ефективният източник на енергия са термоядрените реакции, които според тях осигуряват енергията на звездите, включително Слънцето. . Термоядрените реакции протичат само при изригвания на Слънцето, при експлозии на нови и свръхнови звезди.
Сахаров вярваше в термоядрения синтез и работеше върху това, което смяташе, че ще бъде термоядрена бомба. Всъщност той създаде по-мощна атомна бомба, като добави тритий и литий-6 деутерид към нейния състав ...
Термоядреният синтез не се получи, но силата на експлозията на бомбата Сахаров устройваше както военните стратези, така и физиците. Бомбата е обявена за водородна и като мит започва да се разпространява версията, че е термоядрена. Тайна! Кой ще проверява!
Много физици вярваха във възможността за неконтролиран термоядрен синтез на Земята, така че идеята за получаване 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 отделената топлина. Той, разбира се, не се интересуваше от факта, че производството на тритий енергийно и икономически няма да изплати енергията, получена по този начин.
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 казват, че би било по-добре да се използва магнитно поле за ограничаване на плазмата.
Курчатов инструктира Арцимович да ръководи работата по контролиран термоядрен синтез.

Арцимович откри това, което знае всеки, който някога е виждал мълния, тоест той откри, че мощните токови разряди в деутерия създават тънък шнур. Връвта пулсираше, свиваше се и се отпускаше... На връвта, наречена научно като щипка, по време на втората вълна на тока се появиха възли, които бяха източниците на неутрони. () Бяха излъчени и мощни рентгенови лъчи.

Следва историята на токамаците. От петдесетте години на ХХ век до началото на III хилядолетие са направени почти три дузини от тях. Техните размери, естествено, и цената им се увеличиха с надеждата, че следващият токамак най-накрая ще произвежда не само неутрони, но и хелий, тоест най-накрая ще се реализира термоядрен синтез ... Но напразно. Хелий никога не е бил открит в описаните експерименти, тоест не е имало термоядрена реакция и не.

Ако преди 1961 г. експериментите с токамаци все още могат да се смятат за научни, то по-късните „експерименти“ са чисто „орязване“ на бюджета.
През 1961 г. академик B.P. Константинов каза на Арцимович в призива си „Защо термоядрената централа няма да бъде построена 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 се произведе в ядрени реактори. При 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 стабилизирана, ще пробие стените и ще замърси околен свят, предимно стотици килограми радиоактивен тритий.

Разбира се, никой не започна да слуша Константинов и други като него. Около „термоядрен синтез“ се е сформирала огромна международна мафия от „бюджетни триони“, 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, докато 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 светлина, както и в много други области на „научната“ дейност.

Преглеждания на публикация: 1751

Контролираният термоядрен синтез е най-интересен физически процес, което (засега 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 ядра с освобождаване на енергия. За разлика от друга употреба на атома - освобождаването на енергия от него в ядрени реактори по време на процеса на разпадане - синтезът на хартия практически няма да остави радиоактивни странични продукти.

Термоядрените реактори имитират ядрения процес в слънцето, като притискат по-леките атоми заедно и ги превръщат в по-тежки, освобождавайки огромни количества енергия по пътя. На Слънцето този процес се задвижва от силата на гравитацията. На Земята инженерите се опитват да пресъздадат условията за синтез, използвайки изключително високи температури - от порядъка на 150 милиона градуса - но им е трудно да задържат 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 Карадас, Франция. Първите експерименти, първоначално планирани за 2018 г., бяха отложени за 2025 г.

Само преди няколко дни съобщихме, че първият

термоядрена реакцияе реакция на сливане на леки ядра в по-тежки.

За осъществяването му е необходимо първоначалните нуклони или леки ядра да се приближават едно до друго на разстояния, равни или по-малки от радиуса на сферата на действие на ядрените сили на привличане (т.е. до разстояния 10 -15 m). Такова взаимно сближаване на ядрата се предотвратява от кулоновите сили на отблъскване, 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 отблъскването на Кулон 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. therme„топлина, топлина“).

Термоядрените реакции освобождават огромна енергия. Например при 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 запасите от лесно добиван литий (за получаване на тритий) са напълно достатъчни, за да задоволят нуждите за стотици години.

Но при тази реакция по-голямата част (повече от 80%) от освободената кинетична енергия се пада именно на 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 "безнеутронните" реакции, например деутерий + хелий-3.

\(~D + \ ^3He \до \ ^4He + p\)

При тази реакция липсва добив 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 е в значителни количества: до 10 милиона тона (по минимални оценки - 500 хиляди тона). В същото време той може лесно да бъде получен 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, който три пъти беше удостоен със званието Герой Социалистически трудза разработване на термоядрени оръжия. Високата температура, необходима за започване на термоядрена реакция във водородна бомба, е получена в резултат на експлозията на атомна бомба, включена в нейния състав, 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 беше възможно да се извършват лесно контролирани термоядрени реакции в земни условия, човечеството би получило почти 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 от типа "Токамак" (ТОРиодална камера с Магнитни бобини), създаден за първи път в Института по атомна енергия. 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 много голяма кондензаторна батерия. Камерата е пълна с деутерий. Когато батерията от кондензатори се разрежда през първичната намотка в тороидалната камера, се възбужда вихрово електрическо поле, което предизвиква йонизация на деутерия 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 действието на магнитни сили плазмата се усуква във въже и като че ли "виси" на линиите на индукция на магнитното поле, без да докосва стените на камерата.

За начало на съвременната ера в изследването на възможностите за термоядрен синтез трябва да се счита 1969 г., когато в руската инсталация Токамак Т3 в плазма от 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. Няколко години по-късно е взето смело решение да се създаде JET съоръжение (Joint European Torus) с много по-голям обем на плазмата (100 m3). Работният цикъл на уреда е приблизително 1 минута, тъй като тороидалните му намотки са изработени от мед и се нагряват бързо. Това съоръжение 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 реактор JET

През 2006 г. представители на Русия, Южна Корея, Китай, Япония, Индия, Европейския съюз и Съединените щати подписаха споразумение в Париж за началото на работата по изграждането на първия международен термоядрен експериментален реактор (International Tokamak Experimental Reactor - ITER ). Магнитните бобини на реактора ITER ще бъдат базирани на свръхпроводящи материали (което по принцип позволява непрекъсната работа, при условие че токът в плазмата се поддържа), така че конструкторите се надяват да осигурят гарантиран работен цикъл от поне 10 минути.

Ориз. 5. Проектиране на реактора ITER.

Реакторът ще бъде построен близо до град Кадараш, разположен на 60 километра от Марсилия в Южна Франция. Работата по подготовката на площадката 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 извърши в рамките 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 паднат по равно на останалите участници в проекта.

Вижте също

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

Лазерен термоядрен синтез (ULS)

Друг начин за постигане на тази цел е лазерният 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 действието 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; следователно, LTS може да се извършва само в импулсен режим. Предложението за използване на лазери за термоядрен синтез беше направено за първи път във Физическия институт. П. Н. Лебедев Академия на науките на СССР през 1961 г. Н. Г. Басов и О. Н. Крохин.

Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор" в Калифорния завърши (май 2009 г.) изграждането на най-мощния лазерен комплекс в света. Наричаха го „Националната запалителна инсталация“ (US National Ignition Facility, NIF). Строежът продължи 12 години. За лазерния комплекс са похарчени 3,5 милиарда долара.

Ориз. 7. Принципна схема на ULS

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 целевата температура ще достигне 100 милиона градуса, докато налягането вътре в топката ще бъде 100 милиарда пъти по-високо от налягането на земната атмосфера.

Вижте също

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

Ползи от синтеза

Привържениците на използването на термоядрени реактори за генериране на електричество изтъкват следните аргументи в своя полза:

  • практически неизчерпаеми запаси от гориво (водород). Например количеството въглища, необходимо за работата на 1 GW топлоелектрическа централа, е 10 000 тона на ден (десет железопътни вагона), а термоядрена централа със същата мощност ще консумира само около 1 килограм от сместа на ден. д + T . Едно средно голямо езеро е в състояние 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 незначително количество радиоактивни отпадъци с кратък период на полуразпад;
  • реакцията на синтез 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 термоядрената енергия не изисква спешни решения и действия, тъй като през 80-те години на миналия век източниците на изкопаеми горива изглеждаха неизчерпаеми, а проблемите на околната среда и изменението на климата го направиха не засяга обществеността. Въз основа на оценки на Геоложката служба на САЩ (2009 г.) растежът на световното 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 произведения петрол ще започне да намалява със скорост от около 3% годишно. Перспективите за добива на природен газ не изглеждат много по-добри. Обикновено се казва, че ще имаме достатъчно каменни въглища за още 200 години, но тази прогноза се основава на запазване на сегашното ниво на производство и потребление. Междувременно потреблението на въглища вече се увеличава с 4,5% годишно, което веднага намалява споменатия период от 200 години до само 50 години! От казаното става ясно, че още сега трябва да се подготвим за края ери на изкопаеми горива. 2. Термоядрена инсталация не може да бъде създадена и демонстрирана в малък мащаб. Научно-техническите възможности и предимствата на термоядрените инсталации могат да бъдат тествани и демонстрирани само в достатъчен мащаб. 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 през 1991 г.

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 термоядрената енергия в полза на човечеството дойде почти веднага с разбирането на процесите, които стоят в основата й - това обещаваше наистина неограничени възможности, тъй като запасите от термоядрено гориво на Земята трябваше да са достатъчни за десетки хиляди години, за да идвам.

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

Простотата на фундаменталния дизайн на токамака позволи дълго време да се развива тази посока чрез подобряване 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. То получи нов дъх 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-малка и по-голяма маса имат този показател под желязото:

В този случай при реакции на термоядрен синтез 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, съответстващо на освободената енергия съгласно 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 реакциите на синтез на атомите 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 (за да преодолеем Кулоновата бариера). След като успеем да доближим двойка атоми на необходимото разстояние, се включва силната ядрена сила, която свързва неутроните и протоните. За всеки тип гориво кулоновата бариера за започване на реакцията е различна, както и 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) е изключително бавна. Да кажем, че в центъра температурата достига 14 милиона ° C, но специфичната мощност на термоядрена реакция при такива условия е само 276,5 W / m³, а Слънцето се нуждае от 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.

Тъй като температурата на горивото се повишава, все по-голяма част от атомите започват да имат енергия, която надвишава кулоновата бариера, и ефективността на реакцията нараства, достигайки своя връх. С по-нататъшно повишаване на температурата скоростта на реакцията започва отново да пада, вече поради факта, че кинетичната енергия на атомите става твърде голяма и те „скачат“ един покрай друг, неспособни да задържат силното ядрено взаимодействие.

По този начин решението 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 не могат физически да издържат на такава температура, но този проблем почти веднага доведе до неговото решение: тъй като веществото, нагрято до такива температури, е гореща плазма (напълно йонизиран газ), която е положително заредена, разтворът се оказа, че лежи 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. чрез използване на свръхпроводящи магнити учените се опитват да намалят енергията, необходима 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 поддържането на плазмата с повече високи ставкиплътност и температура, което увеличава специфичната мощност на реакторите на единица обем;
  3. изследванията на горещата плазма и напредъкът в компютърните технологии 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 отново плазмата толкова често.

Въпреки всички трудности и проблеми, които стоят по пътя към контролирана термоядрена реакция, тази история вече наближава своя финал. В енергийния сектор е обичайно да се използва индикаторът EROEI - енергийна възвръщаемост на инвестициите в енергия (съотношението на енергията, изразходвана за производството на гориво, към количеството енергия, което получаваме от него като резултат) 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-трудни места и на все 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 сме на прага на залеза на ерата на изкопаемите горива - и това не са машинации на еколозите, а банални икономически изчисления, когато се гледа в бъдещето. В същото време EROI на експерименталните термоядрени реактори, които също се появиха в средата на миналия век, непрекъснато нарастваше 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 вече първата демонстрационна термоядрена електроцентрала DEMO въз основа на опита, натрупан по време на внедряването на ITER, ще отнеме много време. Вече няма никакво съмнение, че нашето бъдеще е зад такива реактори.

Изследователска критика

Основната критика към изследванията в областта на термоядрените реактори се основава на факта, че изследванията са изключително бавни. И това е вярно – от първите експерименти до получаването на рентабилна термоядрена реакция ни отне цели 66 години. Но същината на проблема тук е, че финансирането за такива изследвания никога не е достигнало необходимото ниво - ето пример за оценки на Администрацията за енергийни изследвания и развитие на САЩ относно нивото на финансиране за проект за термоядрени реактори и времето, което ще бъде завършен:

Както можете да видите от тази графика, не е изненадващо, че все още нямаме комерсиални термоядрени реактори, които да произвеждат електричество, но че в момента изобщо сме успели да постигнем някакво положително производство на енергия от експериментални реактори.

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

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 атомните учени различни странипри справяне с това научен проблем. Това стана по време на посещение в британския ядрен център "Харуел" ( Английски) .

Видове реакции

Реакцията на термоядрения синтез е следната: две или повече атомни ядра, в резултат на прилагането на определена сила, се сближават толкова много, че силите, действащи на такива разстояния, преобладават над силите на отблъскване на Кулон между еднакво заредени ядра, в резултат на което образува се ново ядро. При създаването на ново ядро ​​ще се освободи голяма енергия на силно 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 донесе на правилното разстояние, така че тежките изотопи на водорода са едно от най-добрите горива за реакция на термоядрен 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 смес от деутерий и тритий (D-T) е обект на повечето изследвания на термоядрен синтез, тя в никакъв случай не е единственото потенциално гориво. Други смеси могат да бъдат по-лесни за производство; тяхната реакция може да бъде по-добре контролирана или, което е по-важно, да произвеждат по-малко неутрони. От особен интерес са така наречените "безнеутронни" реакции, 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 повлияе положително на общественото мнение и като цяло разходи за експлоатация на реактора, което значително намалява разходите за извеждане от експлоатация и погребване. Проблемът остава, че реакцията на термоядрен синтез с алтернативни горива е много по-трудна за поддържане, т.к D-T реакциясчита само за необходима първа стъпка.

Контролираният термоядрен синтез може да използва различни видове термоядрени реакции 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 за изходна енергия от 17,6 MeV (MeV).

Такава реакция се реализира най-лесно от гледна точка на съвременните технологии, дава значителен добив на енергия, а 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) е тороидално съоръжение за задържане на магнитна плазма. Плазмата се задържа не от стените на камерата, които не могат да издържат на нейната температура, а от специално създадено магнитно поле. Характеристика на токамака е използването на електрически ток, протичащ през плазмата, за създаване на тороидално поле, необходимо за плазменото равновесие.

Реакция деутерий + хелий-3

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

2 H + 3 He = 4 He + при 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, получен 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-3 He е около 100 пъти по-трудна от D-T.

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

В допълнение към основната реакция в DD-плазмата се появяват и следните:

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

Други видове реакции

Възможни са и няколко други вида реакции. Изборът на гориво зависи от много фактори - неговата наличност и ниска цена, добив на енергия, 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 "безнеутронни" реакции, 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 деутерий + хелий-3 е обещаваща, също поради липсата на добив на неутрони.

Реакции с лек водород

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

Но в този случай по-голямата част (повече от 80%) от освободената кинетична енергия се пада точно на 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. Обратно, сливането 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 по-прости и ефективни системитрансформации на реакция на кинетичен синтез като магнитохидродинамичен генератор.

Конструкции на реактори

Съществуват две основни схеми за осъществяване на контролиран термоядрен синтез, чиято разработка продължава в момента (2012 г.):

Първият тип термоядрен реактор е много по-добре разработен 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 в него е сравнително 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 в 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 не 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:

  • радиоактивният изотоп на водорода е тритий;
  • индуцирана радиоактивност в материалите на инсталацията в резултат на неутронно облъчване;
  • радиоактивен прах, генериран в резултат на плазмено въздействие 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 излязат извън 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, където е възможно, ще се използват вече тествани в ядрената енергетика материали. 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.

Прогнозите показват, че дори в случай на авария радиоактивните изхвърляния 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 появяват по време на реакцията, ще бъдат абсорбирани от щита на реактора, а отделената 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 енергия

Енергията на термоядрения синтез се счита от много изследователи (по-специално Кристофър Луелин-Смит) за "естествен" източник на енергия в дългосрочен план. Поддръжниците на търговската употреба на термоядрени реактори за производство на електроенергия привеждат 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 Бюрото за наука и технологии на британския парламент, показва, че разходите за генериране на електроенергия с помощта на термоядрени реактори вероятно ще бъдат на върха на спектъра на разходите за традиционни енергийни източници. Много ще зависи от наличната в бъдеще технология, структурата и регулирането на пазара. Цената на електроенергията зависи пряко от ефективността на използване, продължителността на работа и разходите за обезвреждане на реактора.

Съществува и въпросът за цената на изследването. Страните от ЕС харчат около 200 милиона евро годишно за изследвания и се прогнозира, че ще отнеме още няколко десетилетия, преди промишленото използване на ядрения синтез да стане възможно. Привържениците на алтернативните неядрени източници на електроенергия смятат, че би било по-целесъобразно тези средства да бъдат насочени към въвеждането на възобновяеми източници на електроенергия.

Наличие на търговска термоядрена енергия

Въпреки широко разпространения оптимизъм (от ранните проучвания през 50-те години на миналия век), значителните пречки между днешното 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 електроенергия чрез термоядрен синтез. Въпреки че има постоянен напредък в изследванията, изследователите постоянно се сблъскват с нови предизвикателства. Например, предизвикателството е да се разработи материал, който може да издържи на неутронна бомбардировка, която се оценява на 100 пъти по-интензивна от конвенционалните ядрени реактори. Сериозността на проблема се влошава от факта, че напречното сечение на взаимодействието на неутроните с ядрата престава да зависи от броя на протоните и неутроните с нарастваща енергия и клони към напречното сечение атомно ядро- а за 14 MeV неутрони просто няма изотоп с достатъчно малко напречно сечение на взаимодействие. Това налага много честа подмяна. проекти D-Tи D-D реактор и намалява рентабилността му толкова много, че цената на конструкциите на реактори, изработени от съвременни материали за тези два типа, се оказва повече от цената на енергията, произведена върху тях. Възможни са три вида решения:

  1. Отхвърляне на чистия ядрен синтез и използването му като източник на неутрони за делене на уран или торий.
  2. Отхвърляне на D-T и D-D синтезв полза на други реакции на синтез (напр. D-He).
  3. Рязко намаляване на цената на структурните 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 D-D реакции(3%) при синтеза на D-He усложняват производството на рентабилни конструкции за реактора, но не са невъзможни при сегашното технологично ниво.

Има следните етапи на изследване:

1. Равновесен или "проходен" режим(Безопасност): когато общата енергия, освободена по време на 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 главно от алфа частици, които се произвеждат по време на реакцията, а не от външно нагряване. Q ≈ 5. До момента (2012) не е достигнато.

3. Запалване(Запалване): стабилна самоподдържаща се реакция. Трябва да се постигне при високи стойности Q. Досега 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, който ще постигне запалване и ще демонстрира практическата пригодност на нови материали. Най-оптимистичните прогнози за завършване на DEMO фазата: 30 години. Като се вземе предвид приблизителното време за изграждане и пускане в експлоатация на промишлен реактор, от индустриалното 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
    • Т-3 е първият функционален апарат.
    • Т-4 - увеличена 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 на термоядрената енергетика.
    • T-10 и PLT са следващата стъпка в света на изследванията на термоядрения синтез, те са с почти същия размер, еднаква мощност, със същия коефициент на ограничаване. И получените резултати са идентични: желаната температура на термоядрен синтез е достигната и в двата реактора, а изоставането според критерия на Лоусън е само двеста пъти.
    • T-15 е днешният реактор със свръхпроводящ соленоид, който дава поле от 3,6 T.
  • Либия
    • TM-4A

Връзки

  • Е.П. Велихов; С.В. МирновКонтролираният термоядрен синтез влиза във финалната линия (PDF). Троицки институт за иновации и термоядрени изследвания. Руски изследователски център "Курчатовски институт".. ac.ru. - Popular Statement of the Problem Архивиран от оригинала на 5 февруари 2012 г. Посетен на 8 август 2007 г.
  • C. Llewellyn-Smith.По пътя към термоядрената енергия. Материали от лекция, изнесена на 17 май 2009 г. във ФИАН.
  • В САЩ ще се проведе грандиозен експеримент по термоядрен синтез.

Вижте също

Бележки

  1. Бондаренко Б. Д. „Ролята на О. А. Лаврентиев в поставянето 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, мемоари, изследвания/ Съставител и редакция на П. В. Визгин и А. В. Кесених. - Санкт Петербург. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 с. - 1000 бр.
  4. Ранните американски термоядрени боеприпаси също използват естествен литиев деутерид, който съдържа основно литиев изотоп 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 и по-висока .
  5. Термоядрени електроцентрали на безнеутронен цикъл (например D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) с MHD генератор върху високотемпературна плазма;
  6. Е. П. Велихов, С. В. ПутвинскиТермоядрен реактор. Fornit (22 октомври 1999 г.). - Доклад от 22.10.1999 г., изготвен 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
  16. Термоядрената излезе от нулата - Вестник. Ru
  17. Информация за филма "Спайдърмен 2" ("Spider-Man 2") - Кино "Космос"