Fizika, iako je svojevrsna znanost o svijetu koji nas okružuje, ipak je prilično daleko od svakodnevnog života, odnosno daleko je od interesa običnih ljudi. Neobični ljudi koncentriraju se na fiziku. Ako pogledate biografije “velikih fizičara” koji su bili potpuno uronjeni u probleme svemira, možete vidjeti da su neki od njih bili klijenti psihijatara, drugi su to izbjegavali, iako su imali čudno ponašanje. Međutim, ti “veliki fizičari” uglavnom su teoretičari, kozmolozi, matematičari, njihova opća definicija je . Postoji velika zajednica fizičara i prilično mentalno normalni ljudi, ali to su lijenčine, ljubitelji „slatkog života“, navikli „rezati“ državni novac, obećavajući državi raznorazne dobrobiti „otete od prirode“ utječući na nju raznim ludim teorijama koje su prethodno razvili „britanski znanstvenici“.
Postoje mnoga područja djelovanja ovih fizičara koja su slijepa u fizičkom smislu, ali su korisna u monetarnom smislu. Jedno od tih područja aktivnosti za proračunske "rezače" je stvaranje termonuklearnog reaktora.
Naravno, povijest stvaranja termonuklearnih reaktora započela je u obliku potpuno znanstvenih projekata.
Godine 1949. testirana je sovjetska atomska bomba, kopija američke. Ali sovjetski su stratezi željeli nešto još jače i strašnije za svoje neprijatelje.
Početkom 20. stoljeća teoretičari su zaključili da su najučinkovitiji izvor energije termonuklearne reakcije, koje, po njihovom mišljenju, daju energiju zvijezda, uključujući i Sunce. . Termonuklearne reakcije događaju se samo u Sunčevim bakljama, tijekom eksplozija novih i supernovih zvijezda.
Saharov je vjerovao u termonuklearnu fuziju i radio je na onome za što je vjerovao da će biti termonuklearna bomba. U stvarnosti je stvorio jaču atomsku bombu dodavši u njen sastav tricij i litij-6 deuterid...
Termonuklearna fuzija nije uspjela, ali je snaga eksplozije Saharovljeve bombe zadovoljila i vojne stratege i fizičare. Bomba je proglašena vodikovom, a verzija da je termonuklearna počela se širiti kao mit. Tajna! Tko će provjeriti!
Mnogi fizičari vjerovali su u mogućnost nekontrolirane termonuklearne fuzije na Zemlji, pa je ideja o stvaranju energije pomoću kontrolirane termonuklearne reakcije dobila publicitet u tisku i financijsku potporu.
Saharov je odlučio da je moguće eksplodirati male hidrogenske bombe u izdržljivom podzemnom bunkeru i iskoristiti generiranu toplinu. Njega, razumljivo, nije zanimalo što dobivanje tricija ne bi energetski i ekonomski vratilo tako dobivenu energiju.
U isto vrijeme izvjesni narednik Oleg Lavrentyev je u pismu Staljinu predložio da se plazma unutar komore drži elektrostatski. Beria je razgovarao o Lavrentijevljevom pismu s Tammom i Saharovim, koji su izjavili da je bolje koristiti magnetsko polje za ograničavanje plazme.
Kurchatov je dodijelio Artsimovichu da vodi rad na kontroliranoj termonuklearnoj fuziji.
Artsimovich je otkrio ono što znaju svi koji su ikada vidjeli munje, odnosno otkrio je da snažna pražnjenja struje u deuteriju stvaraju tanku nit. Žica je pulsirala, sabijala se i otpuštala... Na žici, označenoj kao da je znanstveno stegnuto, s drugim valom struje, pojavili su se čvorovi, bili su izvori neutrona. () Također su emitirane snažne X-zrake.
Slijedi povijest tokamaka. Od pedesetih godina 20. stoljeća do početka 3. tisućljeća napravljeno ih je gotovo tri desetine. Njihova veličina, naravno, i cijena su porasli u nadi da će sljedeći tokamak konačno proizvoditi ne samo neutrone, već i helij, odnosno da će se konačno ostvariti termonuklearna fuzija... Ali uzalud. U opisanim pokusima helij nikada nije detektiran, odnosno nije došlo do termonuklearne reakcije.
Ako se prije 1961. eksperimenti s tokamacima još uvijek mogu smatrati znanstvenim, onda su kasniji "eksperimenti" čisto rasipanje budžeta.
Godine 1961. akademik B.P. Konstantinov je Artsimovichu u apelu "Zašto se termonuklearna elektrana neće izgraditi ni 1980. ni 2000. godine" rekao da njegove aktivnosti nisu samo beskorisne, već i štetne.
Konstantinov je objasnio da se reakcija deuterija s deuterijem ne može zamijeniti reakcijom deuterija s tricijem. Tricij ne postoji u prirodi, prvo se mora proizvesti u nuklearnim reaktorima. Tijekom reakcije deuterija s tricijem, brzi neutroni brzo odnose energiju uništavajući sve što im se nađe na putu, nijedna komora to ne može izdržati, brzo će se uništiti, a plazma koja se ne može učiniti stabilnom probiti će zidove i zagaditi okoliš, prvenstveno stotine kilograma radioaktivnog tricija.
Naravno, Konstantinova i njemu slične nitko nije slušao. Oko “termonuklearne fuzije” stvorila se ogromna međunarodna mafija “rezača proračuna” koji su gradili, grade i gradit će svoje bezvrijedne “termonuklearne reaktore”. Teoretski, zakonodavci ih mogu zaustaviti, ali zakonodavci mogu nešto učiniti, i to teoretski, samo u svojim zemljama, a znanstvena mafija je međunarodna. Ali čak iu nekim zemljama političari dolaze na vlast samo kako bi zaradili, pa ih mafija lako kupi i tu, kao ni u mnogim drugim područjima “znanstvenog” djelovanja, nema svijetle točke.
Broj pregleda posta: 1.751
Kontrolirana termonuklearna fuzija - najzanimljivije fizički proces, koji bi (još uvijek u teoriji) mogao osloboditi svijet energetske ovisnosti o fosilnim gorivima. Proces se temelji na sintezi atomskih jezgri iz lakših u teže uz oslobađanje energije. Za razliku od druge upotrebe atoma - oslobađanja energije iz njega u nuklearnim reaktorima dok se raspada - fuzija na papiru neće ostaviti gotovo nikakve radioaktivne nusprodukte.
Fuzijski reaktori oponašaju nuklearni proces unutar sunca, razbijaju lakše atome i pretvaraju ih u teže, oslobađajući pritom ogromne količine energije. Na Suncu ovaj proces pokreće gravitacija. Na Zemlji inženjeri pokušavaju ponovno stvoriti uvjete za nuklearnu fuziju koristeći ekstremno visoke temperature - reda veličine 150 milijuna stupnjeva - ali imaju problema sa zadržavanjem plazme potrebne za spajanje atoma.
Jedno od izgrađenih rješenja predstavlja ITER, ranije poznat kao Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor, koji se gradi od 2010. u Caradachesu u Francuskoj. Prvi eksperimenti, prvotno planirani za 2018. godinu, odgođeni su za 2025. godinu.
Prije samo nekoliko dana izvijestili smo da je prvi
Termonuklearna reakcija- To je reakcija fuzije lakih jezgri u teže.
Za njegovu provedbu potrebno je da se izvorni nukleoni ili lake jezgre približe na udaljenosti jednake ili manje od polumjera sfere djelovanja nuklearnih privlačnih sila (tj. na udaljenosti od 10 -15 m). Ovo međusobno približavanje jezgri sprječavaju Coulombove odbojne sile koje djeluju između pozitivno nabijenih jezgri. Da bi došlo do reakcije fuzije, potrebno je zagrijati tvar velike gustoće na ultravisoke temperature (reda stotine milijuna Kelvina) tako da kinetička energija toplinskog gibanja jezgri bude dovoljna da svlada Coulombovu odbojne sile. Na takvim temperaturama materija postoji u obliku plazme. Budući da se fuzija može dogoditi samo pri vrlo visokim temperaturama, reakcije nuklearne fuzije nazivaju se termonuklearne reakcije (od grč. termo"toplina, toplina").
Termonuklearne reakcije oslobađaju ogromnu energiju. Na primjer, u reakciji sinteze deuterija s stvaranjem helija
\(~^2_1D + \ ^2_1D \do \ ^3_2He + \ ^1_0n\)
Oslobađa se 3,2 MeV energije. U reakciji sinteze deuterija uz nastajanje tricija
\(~^2_1D + \ ^2_1D \do \ ^3_1T + \ ^1_1p\)
Oslobađa se 4,0 MeV energije, a u reakciji
\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)
Oslobađa se 17,6 MeV energije.
Riža. 1. Shema reakcije deuterij-tricij
Trenutno se kontrolirana termonuklearna reakcija izvodi sintezom deuterija \(~^2H\) i tricija \(~^3H\). Rezerve deuterija trebale bi trajati milijunima godina, a rezerve litija koje se lako iskopaju (za proizvodnju tricija) dovoljne su za podmirivanje potreba za stotine godina.
Međutim, tijekom ove reakcije većina (više od 80%) oslobođene kinetičke energije dolazi od neutrona. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ova energija se pretvara u toplinsku energiju. Osim toga, brzi neutroni stvaraju značajnu količinu radioaktivnog otpada.
Stoga najviše obećavaju reakcije "bez neutrona", na primjer, deuterij + helij-3.
\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)
Ova reakcija nema izlaz neutrona, što uklanja značajan dio snage i stvara induciranu radioaktivnost u dizajnu reaktora. Osim toga, rezerve helija-3 na Zemlji kreću se od 500 kg do 1 tone, ali na Mjesecu se nalazi u značajnim količinama: do 10 milijuna tona (prema minimalnim procjenama - 500 tisuća tona). Istodobno, može se lako proizvesti na Zemlji iz litija-6, koji je široko rasprostranjen u prirodi, koristeći postojeće nuklearne fisijske reaktore.
Termonuklearno oružje
Na Zemlji je prva termonuklearna reakcija izvedena tijekom eksplozije hidrogenske bombe 12. kolovoza 1953. na poligonu Semipalatinsk. “Njen otac” bio je akademik Andrej Dmitrijevič Saharov, koji je tri puta dobio titulu heroja. Socijalistički rad za razvoj termonuklearnog oružja. Visoka temperatura potrebna za početak termonuklearne reakcije u hidrogenskoj bombi dobivena je kao rezultat eksplozije atomske bombe uključene u njen sastav, koja je imala ulogu detonatora. Termonuklearne reakcije koje se javljaju tijekom eksplozija hidrogenske bombe, ne mogu se kontrolirati.
Riža. 2. Hidrogenska bomba
vidi također
Kontrolirane termonuklearne reakcije
Kada bi u zemaljskim uvjetima bilo moguće izvoditi lako kontrolirane termonuklearne reakcije, čovječanstvo bi dobilo praktički neiscrpan izvor energije, budući da su rezerve vodika na Zemlji goleme. Međutim, velike tehničke poteškoće stoje na putu provedbi energetski povoljnih kontroliranih termonuklearnih reakcija. Prije svega, potrebno je stvoriti temperature reda veličine 10 8 K. Takve ultravisoke temperature mogu se dobiti stvaranjem električnih izboja velike snage u plazmi.
Tokamak
Ova metoda se koristi u instalacijama tipa "Tokamak" (TORIODALNA KOMORA s Magnetske zavojnice), prvi put stvoren u Institutu za atomsku energiju nazvan. I. V. Kurchatova. U takvim instalacijama plazma se stvara u toroidalnoj komori, koja je sekundarni namot snažnog pulsnog transformatora. Njegov primarni namot spojen je na skup kondenzatora vrlo velikog kapaciteta. Komora je ispunjena deuterijem. Kada se baterija kondenzatora isprazni kroz primarni namot u toroidalnoj komori, pobuđuje se vrtložno električno polje koje uzrokuje ionizaciju deuterija i pojavu snažnog pulsa u njemu električna struja, što dovodi do jakog zagrijavanja plina i stvaranja visokotemperaturne plazme, u kojoj može doći do termonuklearne reakcije.
Riža. 3. Shematski prikaz rada reaktora
Glavna poteškoća je zadržati plazmu unutar komore 0,1-1 s bez njenog kontakta sa stijenkama komore, budući da ne postoje materijali koji mogu izdržati tako visoke temperature. Ova se poteškoća može djelomično prevladati uz pomoć toroidalnog magnetskog polja u kojem se kamera nalazi. Pod utjecajem magnetskih sila, plazma se uvija u konopac i, takoreći, "visi" na linijama indukcije magnetskog polja, ne dodirujući zidove komore.
Početkom moderne ere u proučavanju mogućnosti termonuklearne fuzije treba smatrati 1969. godinu, kada je na ruskom postrojenju Tokamak T3 postignuta temperatura od 3 M°C u plazmi volumena oko 1 m 3 . Nakon toga, znanstvenici diljem svijeta prepoznali su dizajn tokamaka kao najperspektivniji za zadržavanje magnetske plazme. U roku od nekoliko godina donesena je hrabra odluka da se napravi JET (Joint European Torus) instalacija sa znatno većim volumenom plazme (100 m 3 ). Radni ciklus jedinice je otprilike 1 minuta, budući da su toroidalne zavojnice izrađene od bakra i brzo se zagrijavaju. Ovo postrojenje počelo je s radom 1983. godine i ostaje najveći tokamak na svijetu, osiguravajući zagrijavanje plazme na temperaturu od 150 M°C.
Riža. 4. Dizajn JET reaktora
Godine 2006. predstavnici Rusije, Južne Koreje, Kine, Japana, Indije, Europske unije i Sjedinjenih Država potpisali su u Parizu sporazum o početku radova na izgradnji prvog međunarodnog eksperimentalnog reaktora tokamak (ITER). Magnetske zavojnice reaktora ITER temeljit će se na supravodljivim materijalima (koji, u načelu, omogućuju kontinuirani rad sve dok se struja održava u plazmi), pa se dizajneri nadaju da će osigurati zajamčeni radni ciklus od najmanje 10 minuta.
Riža. 5. Dizajn reaktora ITER.
Reaktor će se graditi u blizini grada Cadarache, koji se nalazi 60 kilometara od Marseillea na jugu Francuske. Radovi na pripremi gradilišta započet će sljedećeg proljeća. Izgradnja samog reaktora trebala bi početi 2009. godine.
Izgradnja će trajati deset godina, a radovi na reaktoru predviđeni su za dvadeset godina. Ukupni trošak projekta je oko 10 milijardi dolara. Četrdeset posto troškova snosit će Europska unija, a šezdeset posto u jednakim će udjelima podijeliti ostali sudionici projekta.
vidi također
- Međunarodni eksperimentalni fuzijski reaktor
- Nova instalacija za pokretanje termonuklearne fuzije: 25.01.2010
Laserska fuzija (LSF)
Drugi način za postizanje ovog cilja je laserska termonuklearna fuzija. Suština ove metode je sljedeća. Smrznuta smjesa deuterija i tricija, pripremljena u obliku kuglica promjera manjeg od 1 mm, ravnomjerno se obasjava sa svih strana snažnim lasersko zračenje. To dovodi do zagrijavanja i isparavanja tvari s površine kuglica. U ovom slučaju, pritisak unutar kuglica raste na vrijednosti reda veličine 10 15 Pa. Pod utjecajem takvog tlaka dolazi do povećanja gustoće i jakog zagrijavanja tvari u središnjem dijelu kuglica i započinje termonuklearna reakcija.
Za razliku od magnetskog zadržavanja plazme, u laserskom ograničenju vrijeme zadržavanja (tj. životni vijek plazme visoke gustoće i temperature, koji određuje trajanje termonuklearnih reakcija) je 10–10 - 10–11 s, tako da LTS može biti samo provodi se u pulsnom načinu rada. Prijedlozi za korištenje lasera za termonuklearnu fuziju prvi su put izneseni na Fizikalnom institutu. P. N. Lebedeva s Akademije znanosti SSSR-a 1961. N. G. Basov i O. N. Krokhin.
U Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore u Kaliforniji dovršena je izgradnja najsnažnijeg laserskog kompleksa na svijetu (svibanj 2009.). Nazvan je US National Ignition Facility (NIF). Gradnja je trajala 12 godina. Na laserski kompleks potrošeno je 3,5 milijarde dolara.
Riža. 7. Shematski dijagram ULS-a
NIF se temelji na 192 snažna lasera, koji će biti istovremeno usmjereni na milimetarsku sferičnu metu (oko 150 mikrograma termonuklearnog goriva – mješavine deuterija i tricija; u budućnosti se radioaktivni tricij može zamijeniti lakim izotopom helija-3 ). Kao rezultat toga, temperatura mete dosegnut će 100 milijuna stupnjeva, dok će tlak unutar lopte biti 100 milijardi puta veći od tlaka zemljine atmosfere.
vidi također
- Kontrolirana termonuklearna fuzija: TOKAMAKI protiv laserske fuzije 16.05.2009.
Prednosti sinteze
Zagovornici korištenja fuzijskih reaktora za proizvodnju električne energije navode sljedeće argumente u svoju korist:
- praktički neiscrpne rezerve goriva (vodika). Primjerice, količina ugljena potrebna za rad termoelektrane snage 1 GW je 10.000 tona dnevno (deset vagona), a termonuklearna elektrana iste snage trošit će samo oko 1 kilogram mješavine dnevno. D + T . Jezero srednje veličine može svakoj zemlji opskrbljivati energijom stotinama godina. To onemogućuje jednoj ili skupini zemalja da monopoliziraju gorivo;
- odsutnost proizvoda izgaranja;
- nema potrebe za korištenjem materijala koji se mogu koristiti za proizvodnju nuklearnog oružja, čime se eliminiraju slučajevi sabotaže i terorizma;
- u usporedbi s nuklearnim reaktorima, proizvodi se mala količina radioaktivnog otpada s kratkim vremenom poluraspada;
- reakcija fuzije ne proizvodi atmosferske emisije ugljičnog dioksida, što je veliki doprinos globalnom zatopljenju.
Zašto je stvaranje termonuklearnih instalacija trajalo toliko dugo?
1. Dugo se vremena smatralo da problem praktične uporabe energije termonuklearne fuzije ne zahtijeva hitne odluke i radnje, budući da su se još 80-ih godina prošlog stoljeća izvori fosilnih goriva činili neiscrpnim, a ekološki problemi i klimatske promjene nije se ticao javnosti. Na temelju procjena Američkog geološkog instituta (2009.), rast globalne proizvodnje nafte nastavit će se najviše sljedećih 20 godina (drugi stručnjaci predviđaju da će vrhunac proizvodnje biti dostignut za 5-10 godina), nakon čega će se obujam proizvedena nafta počet će se smanjivati po stopi od oko 3% godišnje. Izgledi za proizvodnju prirodnog plina ne izgledaju puno bolje. Obično se kaže da ćemo imati dovoljno ugljena za još 200 godina, no ta se prognoza temelji na zadržavanju postojeće razine proizvodnje i potrošnje. U međuvremenu, potrošnja ugljena sada raste za 4,5% godišnje, što odmah smanjuje spomenuto razdoblje od 200 godina na samo 50 godina! Iz rečenog je jasno da se sada moramo pripremiti za kraj doba korištenja fosilnih goriva. 2. Termonuklearna instalacija ne može se stvoriti i demonstrirati u malim veličinama. Znanstvene i tehničke mogućnosti i prednosti termonuklearnih instalacija mogu se testirati i demonstrirati samo dovoljno dugo. velike postaje, poput spomenutog reaktora ITER. Društvo jednostavno nije bilo spremno financirati tako velike projekte sve dok nije bilo dovoljno povjerenja u uspjeh.“Rekli smo da ćemo staviti Sunce u kutiju. Ideja je super. Ali problem je što ne znamo kako stvoriti ovu kutiju” - Pierre Gilles de Gennes, laureat Nobelova nagrada doktorirao fiziku 1991.
Dok postoji dosta teških elemenata potrebnih za nuklearne reakcije na Zemlji i općenito u svemiru, postoji mnogo lakih elemenata za termonuklearne reakcije i na Zemlji i u svemiru. Stoga je ideja o korištenju termonuklearne energije za dobrobit čovječanstva došla gotovo odmah s razumijevanjem procesa na kojima se temelji - to je obećavalo doista neograničene mogućnosti, budući da su rezerve termonuklearnog goriva na Zemlji trebale biti dovoljne za desetke tisuća godine koje dolaze.
Već 1951. pojavila su se dva glavna pravca razvoja termonuklearnih reaktora: Andrej Saharov i Igor Tamm razvili su arhitekturu tokamaka u kojoj je radna komora bila torus, dok je Lyman Spitzer predložio arhitekturu složenijeg dizajna po obliku koji najviše podsjeća na obrnuta Mobiusova traka ne jednom, nego nekoliko puta.
Jednostavnost temeljnog dizajna tokamaka omogućila je razvoj ovog smjera dugo vremena povećanjem karakteristika konvencionalnih i supravodljivih magneta, kao i postupnim povećanjem veličine reaktora. Ali s povećanjem parametara plazme postupno su se počeli javljati problemi s njezinim nestabilnim ponašanjem, što je usporilo proces.
Složenost dizajna stelatora u potpunosti je dovela do činjenice da je nakon prvih eksperimenata 50-ih godina razvoj ovog smjera dugo zaustavljen. Nedavno je dobio novi život s pojavom moderni sustavi računalno potpomognuto projektiranje, što je omogućilo projektiranje stelatora Wendelstein 7-X s parametrima i projektnom točnošću potrebnim za njegov rad.
Fizika procesa i problemi u njegovoj provedbi
Atomi željeza imaju maksimalnu energiju vezanja po nukleonu - to jest, mjeru energije koja se mora potrošiti da se atom razdvoji na sastavne neutrone i protone, podijeljena njihovim ukupnim brojem. Svi atomi manje i veće mase imaju ovaj pokazatelj ispod željeza:
U ovom slučaju, u termonuklearnim reakcijama fuzije lakih atoma do željeza, energija se oslobađa, a masa rezultirajućeg atoma postaje nešto manja od zbroja masa početnih atoma za iznos koji korelira s oslobođenom energijom prema formuli E = mc² (tzv. defekt mase). Na isti način, energija se oslobađa tijekom reakcija nuklearne fisije atoma težih od željeza.
Tijekom reakcija atomske fuzije oslobađa se ogromna energija, no da bi se ta energija izvukla potrebno je prvo uložiti određeni napor da se svladaju sile odbijanja između atomskih jezgri koje su pozitivno nabijene (svladati Coulombova barijera). Nakon što smo uspjeli spojiti par atoma na potrebnu udaljenost, na scenu stupa jaka nuklearna interakcija koja veže neutrone i protone. Za svaku vrstu goriva Coulombova barijera za početak reakcije je različita, kao što je različita i optimalna reakcijska temperatura:
U ovom slučaju, prve termonuklearne reakcije atoma počinju se bilježiti mnogo prije nego što prosječna temperatura tvari dosegne ovu barijeru zbog činjenice da je kinetička energija atoma podložna Maxwellovoj distribuciji:
Ali reakcija na relativno niskoj temperaturi (reda nekoliko milijuna °C) odvija se izuzetno sporo. Tako recimo u središtu temperatura doseže 14 milijuna °C, ali je specifična snaga termonuklearne reakcije u takvim uvjetima samo 276,5 W/m³, a Suncu treba nekoliko milijardi godina da potpuno potroši svoje gorivo. Takvi uvjeti su neprihvatljivi za termonuklearni reaktor, budući da ćemo pri tako niskoj razini oslobađanja energije neizbježno potrošiti više na zagrijavanje i komprimiranje termonuklearnog goriva nego što ćemo dobiti reakcijom zauzvrat.
Kako se temperatura goriva povećava, sve veći udio atoma počinje imati energiju koja premašuje Coulombovu barijeru i učinkovitost reakcije raste, dosežući svoj vrhunac. S daljnjim povećanjem temperature, brzina reakcije ponovno počinje padati zbog činjenice da kinetička energija atoma postaje previsoka i oni se međusobno "nadmašuju", ne mogući se držati zajedno snažnom nuklearnom interakcijom.
Tako je vrlo brzo dobiveno rješenje kako dobiti energiju kontroliranom termonuklearnom reakcijom, no provedba tog zadatka otegla se na pola stoljeća i još nije dovršena. Razlog tome leži u doista suludim uvjetima u koje se pokazalo potrebnim smjestiti termonuklearno gorivo - za pozitivan prinos reakcije njegova je temperatura morala biti nekoliko desetaka milijuna °C.
Nijedna stijenka fizički nije mogla izdržati takvu temperaturu, ali ovaj problem je gotovo odmah doveo do rješenja: budući da je tvar zagrijana na takve temperature vruća plazma (potpuno ionizirani plin) koja je pozitivno nabijena, pokazalo se da je rješenje na površini - samo smo morali staviti tako zagrijanu plazmu u jako magnetsko polje, koje će termonuklearno gorivo držati na sigurnoj udaljenosti od stijenki.
Napredak prema njegovoj provedbi
Istraživanje ove teme ide u nekoliko smjerova odjednom:
- Korištenjem supravodljivih magneta znanstvenici pokušavaju smanjiti energiju utrošenu na paljenje i održavanje reakcije;
- uz pomoć novih generacija supravodiča, povećava se indukcija magnetskog polja unutar reaktora, što omogućuje zadržavanje plazme s više visoke performanse gustoća i temperatura, što povećava specifičnu snagu reaktora po jedinici volumena;
- istraživanje vruće plazme i napredak računalne tehnologije omogućuju bolju kontrolu protoka plazme, čime se fuzijski reaktori približavaju njihovim teoretskim granicama učinkovitosti;
- Napredak u prethodnom području također nam omogućuje da plazmu duže održavamo u stabilnom stanju, što povećava učinkovitost reaktora zbog činjenice da plazmu ne moramo toliko često ponovno zagrijavati.
Unatoč svim poteškoćama i problemima koji se nalaze na putu do kontrolirane termonuklearne reakcije, ova se priča već bliži kraju. U energetici je za izračun učinkovitosti goriva uobičajeno koristiti pokazatelj EROEI - energetski povrat investicije u energiju (omjer energije utrošene u proizvodnji goriva i količine energije koju iz njega u konačnici dobijemo). I dok EROEI ugljena i dalje raste, ovaj pokazatelj za naftu i plin dosegao je svoj vrhunac sredinom prošlog stoljeća, a sada je u stalnom padu zbog činjenice da se nova nalazišta ovih energenata nalaze na sve nepristupačnijim mjestima i na ikad veće dubine:
Istodobno, također ne možemo povećati proizvodnju ugljena iz razloga što je dobivanje energije iz njega vrlo prljav proces i doslovno uzima živote ljudi u ovom trenutku od raznih plućnih bolesti. Na ovaj ili onaj način, sada stojimo na pragu kraja ere fosilnih goriva - i to nisu spletke ekologa, već banalne ekonomske računice kada se gleda u budućnost. Istodobno, EROI eksperimentalnih termonuklearnih reaktora, koji su se također pojavili sredinom prošlog stoljeća, stalno je rastao i 2007. dosegao psihološku barijeru od jedan – odnosno ove je godine čovječanstvo prvi put uspjelo dobiti više energije kroz termonuklearnu reakciju nego što je potrošio na njezinu provedbu. I unatoč činjenici da će implementacija reaktora, eksperimenti s njim i proizvodnja prve pokazne termonuklearne elektrane DEMO na temelju iskustva stečenog tijekom implementacije ITER-a još uvijek trebati puno vremena. Više nema sumnje da je naša budućnost u takvim reaktorima.
Kritika istraživanja
Glavna kritika istraživanja fuzijskog reaktora je da se istraživanje odvija izuzetno sporo. I to je istina - od prvih eksperimenata do proizvodnje termonuklearne reakcije koja je bila rentabilnosti trebalo nam je čak 66 godina. No srž problema ovdje je u tome što financiranje takvih istraživanja nikada nije dosegnulo potrebnu razinu - evo primjera procjene američke Uprave za istraživanje i razvoj energije o razini financiranja projekta fuzijskog reaktora i vremenu njegova završetka:
Kao što se može vidjeti iz ovog grafikona, iznenađujuće je ne samo da još uvijek nemamo komercijalne termonuklearne reaktore koji proizvode električnu energiju, već da smo u ovom trenutku uspjeli postići bilo kakvu pozitivnu izlaznu energiju iz eksperimentalnih reaktora.
Prvi put je problem kontrolirane termonuklearne fuzije u Sovjetskom Savezu formulirao i za njega predložio neko konstruktivno rješenje sovjetski fizičar O. A. Lavrentjev. Osim njega, važan doprinos rješenju problema dali su tako izvrsni fizičari kao što su A. D. Saharov i I. E. Tamm, kao i L. A. Artsimovich, koji je bio na čelu sovjetskog programa kontrolirane termonuklearne fuzije od 1951. godine.
Povijesno gledano, pitanje kontrolirane termonuklearne fuzije na globalnoj razini pojavilo se sredinom 20. stoljeća. Poznato je da je I.V. Kurchatov 1956. godine dao prijedlog za suradnju nuklearnih znanstvenika različite zemlje u rješavanju ovoga znanstveni problem. To se dogodilo tijekom posjeta britanskom nuklearnom centru Harwell ( Engleski) .
Vrste reakcija
Reakcija fuzije je sljedeća: dvije ili više atomskih jezgri, kao rezultat primjene određene sile, približavaju se jedna drugoj tako da sile koje djeluju na takvim udaljenostima prevladavaju nad Coulombovim silama odbijanja između jednako nabijenih jezgri, što rezultira formiranje nove jezgre. Kada se stvori nova jezgra, oslobodit će se velika količina snažne interakcijske energije. Prema poznatoj formuli E=mc², oslobađanjem energije sustav nukleona će izgubiti dio svoje mase. Atomske jezgre koje imaju mali električno punjenje, lakše je dovesti do željene udaljenosti, pa su teški izotopi vodika jedno od najboljih goriva za fuzijske reakcije.
Utvrđeno je da mješavina dvaju izotopa, deuterija i tricija, zahtijeva najmanje energije za reakciju fuzije u usporedbi s energijom koja se oslobađa tijekom reakcije. Međutim, iako je deuterij-tricij (D-T) predmet većine istraživanja fuzije, on nipošto nije jedino potencijalno gorivo. Druge smjese mogu biti lakše proizvesti; njihova se reakcija može pouzdanije kontrolirati ili, što je još važnije, proizvoditi manje neutrona. Takozvane reakcije "bez neutrona" od posebnog su interesa, budući da će uspješna industrijska uporaba takvog goriva značiti odsutnost dugotrajne radioaktivne kontaminacije materijala i dizajna reaktora, što bi zauzvrat moglo imati pozitivan učinak na javno mnijenje i na ukupne troškove rada reaktora, značajno smanjujući troškove razgradnje i zbrinjavanja. Problem ostaje što je reakcije sinteze korištenjem alternativnih goriva mnogo teže održavati jer D-T reakcija smatra samo nužnim prvim korakom.
Kontrolirana fuzija može koristiti različite vrste reakcija fuzije ovisno o vrsti goriva koje se koristi.
Reakcija deuterija + tricija (D-T gorivo)
Najlakše izvediva reakcija je deuterij + tricij:
2 H + 3 H = 4 He + n s izlaznom energijom od 17,6 MeV (megaelektronvolt).
Ova reakcija je najlakše izvediva sa stajališta moderne tehnologije, daje značajan učinak energije, komponente goriva su jeftine. Nedostatak je oslobađanje neželjenog neutronskog zračenja.
Dvije jezgre: deuterij i tricij spajaju se u jezgru helija (alfa česticu) i neutron visoke energije:
Tokamak (TORoidal Chamber with Magnetic Coils) - toroidalna instalacija za zadržavanje magnetske plazme. Plazmu ne drže zidovi komore, koji nisu u stanju izdržati njezinu temperaturu, već posebno stvoreno magnetsko polje. Posebna značajka tokamaka je korištenje električne struje koja teče kroz plazmu za stvaranje toroidalnog polja potrebnog za ravnotežu plazme.
Reakcija deuterij + helij-3
Mnogo je teže, na granici mogućeg, izvesti reakciju deuterij + helij-3
2 H + 3 He = 4 He + s izlaznom energijom od 18,4 MeV.Uvjeti za njegovo postizanje mnogo su kompliciraniji. Helij-3 je također rijedak i izuzetno skup izotop. Trenutno se ne proizvodi u industrijskim razmjerima. Međutim, može se dobiti iz tricija, koji se pak proizvodi u nuklearnim elektranama; ili minirano na Mjesecu.
Složenost izvođenja termonuklearne reakcije može se okarakterizirati trostrukim produktom nTτ (gustoća po temperaturi po vremenu zadržavanja). Prema ovom parametru reakcija D-3He je otprilike 100 puta složenija od D-T.
Reakcija između jezgri deuterija (D-D, monopropelent)
Uz glavnu reakciju u DD plazmi događa se i sljedeće:
Ove reakcije odvijaju se polako paralelno s reakcijom deuterija + helija-3, a tricij i helij-3 koji nastanu tijekom njih vjerojatno će odmah reagirati s deuterijem.
Ostale vrste reakcija
Moguće su i neke druge vrste reakcija. Izbor goriva ovisi o mnogim čimbenicima - njegovoj dostupnosti i jeftinosti, izlaznoj energiji, lakoći postizanja uvjeta potrebnih za reakciju termonuklearne fuzije (prvenstveno temperaturi), potrebnim karakteristikama dizajna reaktora itd.
Reakcije "bez neutrona".
Najviše obećavaju takozvane reakcije "bez neutrona", budući da tok neutrona generiran termonuklearnom fuzijom (na primjer, u reakciji deuterij-tricij) odnosi značajan dio snage i stvara induciranu radioaktivnost u dizajnu reaktora. . Reakcija deuterij + helij-3 je obećavajuća zbog nedostatka prinosa neutrona.
Reakcije na lakom vodiku
D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).
Međutim, većina (više od 80%) oslobođene kinetičke energije dolazi od neutrona. Kao rezultat sudara fragmenata s drugim atomima, ova energija se pretvara u toplinsku energiju. Osim toga, brzi neutroni stvaraju značajne količine radioaktivnog otpada. Nasuprot tome, sinteza deuterija i helija-3 ne proizvodi gotovo nikakve radioaktivne proizvode:
D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), gdje je p proton.
To omogućuje korištenje jednostavnijih i učinkoviti sustavi transformacije kinetičke reakcije fuzije, kao što je magnetohidrodinamički generator.
Projekti reaktora
Postoje dvije osnovne sheme za provedbu kontrolirane termonuklearne fuzije, čiji je razvoj trenutno u tijeku (2012.):
Prva vrsta termonuklearnih reaktora mnogo je bolje razvijena i proučena od druge.
Radijacijska sigurnost
Fuzijski reaktor je mnogo sigurniji od nuklearnog reaktora u smislu zračenja. Prije svega, količina radioaktivnih tvari sadržanih u njemu je relativno mala. Energija koja se može osloboditi kao posljedica bilo kakve nesreće također je mala i ne može dovesti do uništenja reaktora. U isto vrijeme, dizajn reaktora ima nekoliko prirodnih barijera koje sprječavaju širenje radioaktivnih tvari. Na primjer, vakuumska komora i ljuska kriostata moraju biti zapečaćeni, inače reaktor jednostavno neće moći raditi. Međutim, tijekom projektiranja ITER-a velika je pažnja posvećena sigurnosti od zračenja kako tijekom normalnog rada tako i tijekom mogućih nesreća.
Postoji nekoliko izvora moguće radioaktivne kontaminacije:
- radioaktivni izotop vodika - tricij;
- inducirana radioaktivnost u instalacijskim materijalima kao rezultat neutronskog zračenja;
- radioaktivna prašina nastala kao posljedica djelovanja plazme na prvi zid;
- proizvodi radioaktivne korozije koji mogu nastati u rashladnom sustavu.
Kako bi se spriječilo širenje tricija i prašine ako napuste vakuumsku komoru i kriostat, potreban je poseban ventilacijski sustav za održavanje sniženog tlaka u zgradi reaktora. Stoga neće biti curenja zraka iz zgrade osim kroz ventilacijske filtre.
Prilikom izgradnje reaktora, primjerice ITER-a, koristit će se materijali koji su već ispitani u nuklearnoj energiji gdje god je to moguće. Zbog toga će inducirana radioaktivnost biti relativno mala. Konkretno, čak i u slučaju kvara rashladnih sustava, prirodna konvekcija bit će dovoljna za hlađenje vakuumske komore i drugih strukturnih elemenata.
Procjene pokazuju da ni u slučaju nesreće radioaktivne emisije neće predstavljati opasnost za stanovništvo i neće uzrokovati potrebu za evakuacijom.
Ciklus goriva
Reaktori prve generacije najvjerojatnije će raditi na mješavini deuterija i tricija. Neutrone koji nastanu tijekom reakcije apsorbirat će štit reaktora, a stvorena toplina koristit će se za zagrijavanje rashladne tekućine u izmjenjivaču topline, a ta će se energija zauzvrat koristiti za rotaciju generatora.
. .Fuzijska reakcija kao industrijski izvor električne energije
Energiju fuzije mnogi istraživači (osobito Christopher Llewellyn-Smith) smatraju dugoročno "prirodnim" izvorom energije. Zagovornici komercijalne uporabe fuzijskih reaktora za proizvodnju električne energije navode sljedeće argumente u svoju korist:
Cijena električne energije u usporedbi s tradicionalnim izvorima
Kritičari ističu da je pitanje isplativosti nuklearne fuzije u proizvodnji električne energije u zajednički ciljevi ostaje otvorena. Ista studija, koju je naručio Ured za znanost i tehnologiju britanskog parlamenta, pokazuje da će troškovi proizvodnje električne energije pomoću fuzijskog reaktora vjerojatno biti na višem kraju spektra troškova tradicionalnih izvora energije. Mnogo će ovisiti o budućoj dostupnoj tehnologiji, tržišnoj strukturi i regulaciji. Trošak električne energije izravno ovisi o učinkovitosti korištenja, trajanju rada i troškovima zbrinjavanja reaktora.
Posebno je pitanje cijena istraživanja. Zemlje EU troše oko 200 milijuna eura godišnje na istraživanja, a predviđa se da će proći još nekoliko desetljeća dok industrijska uporaba nuklearne fuzije ne postane moguća. Zagovornici alternativnih nenuklearnih izvora električne energije smatraju da bi ta sredstva bilo primjerenije iskoristiti za uvođenje obnovljivih izvora električne energije.
Dostupnost komercijalne fuzijske energije
Unatoč široko rasprostranjenom optimizmu (od ranih istraživanja 1950-ih), značajne prepreke između trenutnog razumijevanja procesa nuklearne fuzije, tehnoloških mogućnosti i praktične uporabe nuklearne fuzije još nisu prevladane. Nije čak ni jasno koliko može biti isplativa proizvodnja električne energije pomoću nuklearne fuzije. Iako postoji stalni napredak u istraživanju, istraživači se stalno suočavaju s novim problemima. Na primjer, izazov je razviti materijal koji može izdržati neutronsko bombardiranje, za koje se procjenjuje da je 100 puta jače nego u tradicionalnim nuklearnim reaktorima. Ozbiljnost problema pogoršava činjenica da presjek interakcije neutrona s jezgrama s povećanjem energije prestaje ovisiti o broju protona i neutrona i teži presjeku atomska jezgra- a za neutrone energije 14 MeV jednostavno ne postoji izotop s dovoljno malim presjekom interakcije. To zahtijeva vrlo čestu zamjenu. dizajnira D-T i D-D reaktor i toliko smanjuje njegovu profitabilnost da se trošak dizajna reaktora izrađenih od suvremenih materijala za ove dvije vrste pokaže većim od troška energije koju oni proizvode. Postoje tri vrste mogućih rješenja:
- Odbijanje čiste nuklearne fuzije i njezina uporaba kao izvora neutrona za fisiju urana ili torija.
- Odbijanje D-T i D-D sinteza u korist drugih reakcija sinteze (na primjer D-He).
- Oštro smanjenje troškova konstrukcijskih materijala ili razvoj procesa za njihovu obnovu nakon zračenja. Potrebna su i velika ulaganja u znanost o materijalima, ali izgledi su neizvjesni.
Nuspojave reakcije D-D(3%) tijekom sinteze D-He kompliciraju proizvodnju isplativih dizajna reaktora, ali nisu nemogući na trenutnoj tehnološkoj razini.
Razlikuju se sljedeće faze istraživanja:
1. Ravnotežni ili "prolazni" način(Braka rentabilnosti): kada je ukupna energija oslobođena u procesu fuzije jednaka ukupnoj energiji utrošenoj na pokretanje i održavanje reakcije. Ovaj omjer je označen simbolom Q.
2. Plamena plazma(Burning Plasma): Međufaza u kojoj će reakciju prvenstveno podržavati alfa čestice koje nastaju tijekom reakcije, a ne vanjskim zagrijavanjem. Q ≈ 5. Ipak (2012) nije postignuto.
3. Paljenje(Paljenje): stabilan, samoodrživ odgovor. Treba se postići pri visokim vrijednostima Q. Još uvijek nije postignuto.
Sljedeći korak u istraživanju trebao bi biti Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor (ITER). Na ovom reaktoru planira se proučavati ponašanje visokotemperaturne plazme (plamena plazma s Q~ 30) i strukturni materijali za industrijski reaktor.
Završna faza istraživanja bit će DEMO: prototip industrijskog reaktora u kojem će se postići paljenje i demonstrirati praktičnost novih materijala. Najoptimističnija prognoza za završetak DEMO faze: 30 godina. S obzirom na procijenjeno vrijeme izgradnje i puštanja u pogon industrijskog reaktora, od industrijske uporabe termonuklearne energije dijeli nas ~40 godina.
Postojeći tokamaci
Ukupno je u svijetu izgrađeno oko 300 tokamaka. Najveći od njih navedeni su u nastavku.
- SSSR i Rusija
- T-3 je prvi funkcionalni uređaj.
- T-4 - uvećana verzija T-3
- T-7 je jedinstvena instalacija u kojoj je po prvi put u svijetu implementiran relativno veliki magnetski sustav sa supravodljivim solenoidom na bazi kositrenog niobata hlađenog tekućim helijem. Glavni zadatak T-7 je završen: pripremljena je perspektiva za sljedeću generaciju supravodljivih solenoida za termonuklearnu energiju.
- T-10 i PLT su sljedeći korak u svjetskim termonuklearnim istraživanjima, gotovo su iste veličine, jednake snage, s istim faktorom ograničenja. A dobiveni rezultati su identični: oba reaktora postigla su željenu temperaturu termonuklearne fuzije, a zaostatak prema Lawsonovom kriteriju iznosi samo dvjesto puta.
- T-15 je reaktor današnjice sa supravodljivim solenoidom koji daje jakost polja od 3,6 Tesla.
- Libija
- TM-4A
Linkovi
- E.P. Velihov; S.V. Mirnov Kontrolirana termonuklearna fuzija stiže do cilja (PDF). Trinity Institute of Innovation and Thermonuclear Research. Ruski znanstveni centar "Kurčatov institut".. ac.ru. - Popularno predstavljanje problema.. Arhivirano iz originala 05.02.2012. Preuzeto 08.08.2007.
- K. Llewellyn-Smith. Na putu prema termonuklearnoj energiji. Materijali predavanja održanog 17. svibnja 2009. na FIAN-u.
- U SAD-u će se izvesti veliki eksperiment termonuklearne fuzije.
vidi također
Bilješke
- Bondarenko B. D. “Uloga O. A. Lavrentieva u postavljanju pitanja i pokretanju istraživanja kontrolirane termonuklearne fuzije u SSSR-u” // UFN 171 , 886 (2001).
- Recenzija A. D. Saharova, objavljena u odjeljku „Iz arhive predsjednika Ruska Federacija" UFN 171 , 902 (2001), str. 908.
- Znanstvena zajednica fizičara SSSR-a. 1950-ih-1960-ih godina. Dokumenti, sjećanja, istraživanja/ Sastavili i uredili P. V. Vizgin i A. V. Kessenich. - St. Petersburg. : RGHA, 2005. - T. I. - P. 23. - 720 str. - 1000 primjeraka.
- Rano američko termonuklearno streljivo također je koristilo prirodni litijev deuterid, koji uglavnom sadrži izotop litija s masenim brojem 7. Također služi kao izvor tricija, ali za to neutroni uključeni u reakciju moraju imati energiju od 10 MeV ili viši.
- Termonuklearne elektrane bez neutronskog ciklusa (na primjer, D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) s MHD generatorom koji koristi visokotemperaturnu plazmu;
- E. P. Velihov, S. V. Putvinski Fuzijski reaktor. Fornit (22. listopada 1999.). - Izvješće od 22.10.1999., urađeno u okviru Energetskog centra Svjetske federacije znanstvenika. Arhivirano iz izvornika 5. veljače 2012. Preuzeto 16. siječnja 2011.
- (engleski) Postnote: Nuklearna fuzija, 2003
- EFDA | Europski sporazum o razvoju fuzije
- Tore Supra
- Tokamak fuzijski testni reaktor
- Pregled Laboratorija za fiziku plazme u Princetonu
- MIT Plasma Science & Fusion Center: istraživanje>alkator>
- Početna stranica - Fusion web stranica
- Istraživanje fuzijske plazme
- Umjetno sunce-中安在线-engleski
- Termonuklearni reaktor izašao iz nule - Novine. Ru
- Informacije o filmu "Spider-Man 2" - Kino "Kosmos"
| Nuklearna tehnologija | |
|---|---|
| Inženjering | |
| Materijali | |
| Nuklearna elektrana | |
| Nuklearna medicina | |
| Nuklearno oružje | |
| energija struktura po proizvodima i djelatnostima |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektroprivreda: struja |
| |||||||||||||||||||||||||
