Η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη και οι προοπτικές της. Ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη

«Είπαμε ότι θα βάλουμε τον Ήλιο σε ένα κουτί. Η ιδέα είναι υπέροχη. Αλλά το πρόβλημα είναι ότι δεν ξέρουμε πώς να δημιουργήσουμε αυτό το κουτί» - Pierre Gilles de Gennes, βραβευμένος βραβείο Νόμπελστη Φυσική 1991.

Ενώ υπάρχουν αρκετά βαριά στοιχεία που απαιτούνται για τις πυρηνικές αντιδράσεις στη Γη και στο διάστημα γενικά, υπάρχουν πολλά ελαφρά στοιχεία για θερμοπυρηνικές αντιδράσεις τόσο στη Γη όσο και στο διάστημα. Ως εκ τούτου, η ιδέα της χρήσης της θερμοπυρηνικής ενέργειας προς όφελος της ανθρωπότητας ήρθε σχεδόν αμέσως με την κατανόηση των διεργασιών που τη διέπουν - αυτό υποσχόταν πραγματικά απεριόριστες δυνατότητες, αφού τα αποθέματα θερμοπυρηνικού καυσίμου στη Γη θα έπρεπε να ήταν αρκετά για δεκάδες χιλιάδες τα επόμενα χρόνια.

Ήδη το 1951, εμφανίστηκαν δύο κύριες κατευθύνσεις για την ανάπτυξη των θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων: οι Andrei Sakharov και Igor Tamm ανέπτυξαν μια αρχιτεκτονική tokamak στην οποία ο θάλαμος εργασίας ήταν ένας τόρος, ενώ ο Lyman Spitzer πρότεινε μια αρχιτεκτονική με πιο περίπλοκο σχεδιασμό σε σχήμα που θυμίζει περισσότερο ανεστραμμένη λωρίδα Mobius όχι μία, αλλά πολλές φορές.

Η απλότητα του θεμελιώδους σχεδιασμού του tokamak επέτρεψε την ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης για μεγάλο χρονικό διάστημα αυξάνοντας τα χαρακτηριστικά των συμβατικών και υπεραγώγιμων μαγνητών, καθώς και αυξάνοντας σταδιακά το μέγεθος του αντιδραστήρα. Αλλά με την αύξηση των παραμέτρων του πλάσματος, σταδιακά άρχισαν να εμφανίζονται προβλήματα με την ασταθή συμπεριφορά του, γεγονός που επιβράδυνε τη διαδικασία.

Η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού του stellator οδήγησε πλήρως στο γεγονός ότι μετά τα πρώτα πειράματα στη δεκαετία του '50, η ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης σταμάτησε για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έλαβε νέα πνοή πολύ πρόσφατα με την έλευση του σύγχρονα συστήματασχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή, η οποία κατέστησε δυνατή τη σχεδίαση του stellator Wendelstein 7-X με τις παραμέτρους και την ακρίβεια σχεδιασμού που απαιτούνται για τη λειτουργία του.

Φυσική της διαδικασίας και προβλήματα στην εφαρμογή της

Τα άτομα σιδήρου έχουν μέγιστη ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο - δηλαδή, ένα μέτρο της ενέργειας που πρέπει να δαπανηθεί για να χωριστεί ένα άτομο στα συστατικά του νετρόνια και πρωτόνια, διαιρούμενο με τον συνολικό αριθμό τους. Όλα τα άτομα με μικρότερη και μεγαλύτερη μάζα έχουν αυτόν τον δείκτη κάτω από τον σίδηρο:

Σε αυτή την περίπτωση, στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις της σύντηξης ελαφρών ατόμων μέχρι σιδήρου, απελευθερώνεται ενέργεια και η μάζα του ατόμου που προκύπτει γίνεται ελαφρώς μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των αρχικών ατόμων κατά ποσότητα που συσχετίζεται με την ενέργεια που απελευθερώνεται. σύμφωνα με τον τύπο E = mc² (το λεγόμενο ελάττωμα μάζας). Με τον ίδιο τρόπο, απελευθερώνεται ενέργεια κατά τις αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης ατόμων βαρύτερων από τον σίδηρο.

Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων σύντηξης ατόμων, απελευθερώνεται τεράστια ενέργεια, αλλά για να εξαχθεί αυτή η ενέργεια, πρέπει πρώτα να καταβάλουμε μια ορισμένη προσπάθεια για να ξεπεράσουμε τις απωστικές δυνάμεις μεταξύ ατομικών πυρήνων που είναι θετικά φορτισμένοι (ξεπερνώντας το φράγμα Coulomb). Αφού καταφέραμε να φέρουμε ένα ζεύγος ατόμων μαζί στην απαιτούμενη απόσταση, μπαίνει στο παιχνίδι η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, η οποία δεσμεύει νετρόνια και πρωτόνια. Για κάθε τύπο καυσίμου, το φράγμα Coulomb για την έναρξη μιας αντίδρασης είναι διαφορετικό, όπως και η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης είναι διαφορετική:

Σε αυτή την περίπτωση, οι πρώτες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις των ατόμων αρχίζουν να καταγράφονται πολύ πριν φτάσουν μέση θερμοκρασίαουσίες αυτού του φραγμού λόγω του γεγονότος ότι η κινητική ενέργεια των ατόμων υπόκειται στην κατανομή Maxwell:

Όμως η αντίδραση σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (της τάξης των πολλών εκατομμυρίων °C) προχωρά εξαιρετικά αργά. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι στο κέντρο η θερμοκρασία φτάνει τους 14 εκατομμύρια °C, αλλά η ειδική ισχύς της θερμοπυρηνικής αντίδρασης σε τέτοιες συνθήκες είναι μόνο 276,5 W/m³ και ο Ήλιος χρειάζεται αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια για να καταναλώσει πλήρως το καύσιμο του. Τέτοιες συνθήκες είναι απαράδεκτες για έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, αφού σε τόσο χαμηλό επίπεδο απελευθέρωσης ενέργειας αναπόφευκτα θα ξοδέψουμε περισσότερα για τη θέρμανση και τη συμπίεση θερμοπυρηνικού καυσίμου από όσα θα λάβουμε από την αντίδραση ως αντάλλαγμα.

Καθώς η θερμοκρασία του καυσίμου αυξάνεται, ένα αυξανόμενο ποσοστό ατόμων αρχίζει να έχει ενέργεια που υπερβαίνει το φράγμα Coulomb και η αποτελεσματικότητα της αντίδρασης αυξάνεται, φτάνοντας στο αποκορύφωμά της. Με μια περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, ο ρυθμός αντίδρασης αρχίζει να μειώνεται ξανά λόγω του γεγονότος ότι η κινητική ενέργεια των ατόμων γίνεται πολύ υψηλή και «υπερκαλύπτουν» το ένα το άλλο, μη μπορώντας να συγκρατηθούν μαζί με ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση.

Έτσι, η λύση για τον τρόπο απόκτησης ενέργειας από μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση λήφθηκε αρκετά γρήγορα, αλλά η υλοποίηση αυτού του έργου κράτησε για μισό αιώνα και δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί. Ο λόγος για αυτό έγκειται στις πραγματικά τρελές συνθήκες στις οποίες αποδείχθηκε ότι ήταν απαραίτητο να τοποθετηθεί το θερμοπυρηνικό καύσιμο - για μια θετική απόδοση από την αντίδραση, η θερμοκρασία του έπρεπε να είναι αρκετές δεκάδες εκατομμύρια °C.

Κανένας τοίχος δεν μπορούσε φυσικά να αντέξει μια τέτοια θερμοκρασία, αλλά αυτό το πρόβλημα οδήγησε σχεδόν αμέσως στη λύση του: καθώς μια ουσία που θερμαίνεται σε τέτοιες θερμοκρασίες είναι ένα καυτό πλάσμα (πλήρως ιονισμένο αέριο) το οποίο είναι θετικά φορτισμένο, η λύση αποδείχθηκε ότι ήταν στην επιφάνεια - έπρεπε απλώς να τοποθετήσουμε ένα τόσο θερμαινόμενο πλάσμα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο θα κρατήσει το θερμοπυρηνικό καύσιμο σε ασφαλή απόσταση από τους τοίχους.

Πρόοδος προς την εφαρμογή του

Η έρευνα για αυτό το θέμα πηγαίνει σε πολλές κατευθύνσεις ταυτόχρονα:

1. Χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι επιστήμονες προσπαθούν να μειώσουν την ενέργεια που δαπανάται για την ανάφλεξη και τη διατήρηση της αντίδρασης.
2. με τη βοήθεια νέων γενιών υπεραγωγών, η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αυξάνεται, γεγονός που καθιστά δυνατή τη συγκράτηση πλάσματος με υψηλότερες πυκνότητες και θερμοκρασίες, γεγονός που αυξάνεται πυκνότητα ισχύοςαντιδραστήρες ανά μονάδα του όγκου τους·
3. Η έρευνα για το ζεστό πλάσμα και η πρόοδος στην τεχνολογία υπολογιστών επιτρέπουν καλύτερο έλεγχο των ροών πλάσματος, φέρνοντας έτσι αντιδραστήρες σύντηξηςστα θεωρητικά όρια της αποτελεσματικότητάς τους·
4. Η πρόοδος στην προηγούμενη περιοχή μας επιτρέπει επίσης να διατηρήσουμε το πλάσμα σε σταθερή κατάσταση περισσότερο, γεγονός που αυξάνει την απόδοση του αντιδραστήρα λόγω του γεγονότος ότι δεν χρειάζεται να ξαναθερμαίνουμε το πλάσμα τόσο συχνά.

Παρά τις δυσκολίες και τα προβλήματα που βρισκόταν στο δρόμο για μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση, αυτή η ιστορία πλησιάζει ήδη στο τέλος της. Στην ενεργειακή βιομηχανία, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται ο δείκτης EROEI - απόδοση ενέργειας στην επένδυση ενέργειας (ο λόγος της ενέργειας που δαπανάται για την παραγωγή καυσίμου προς την ποσότητα ενέργειας που λαμβάνουμε τελικά από αυτό) για τον υπολογισμό της απόδοσης καυσίμου. Και ενώ το EROEI του άνθρακα συνεχίζει να αυξάνεται, αυτός ο δείκτης για το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο έφτασε στο αποκορύφωμά του στα μέσα του περασμένου αιώνα και τώρα μειώνεται σταθερά λόγω του γεγονότος ότι νέα κοιτάσματα αυτών των καυσίμων βρίσκονται σε όλο και πιο δυσπρόσιτα μέρη και πάντα μεγαλύτερα βάθη:

Ταυτόχρονα, δεν μπορούμε επίσης να αυξήσουμε την παραγωγή άνθρακα για το λόγο ότι η απόκτηση ενέργειας από αυτόν είναι μια πολύ βρώμικη διαδικασία και κυριολεκτικά αφαιρεί τις ζωές ανθρώπων αυτή τη στιγμή. διάφορες ασθένειεςπνεύμονες. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, βρισκόμαστε τώρα στο κατώφλι του τέλους της εποχής των ορυκτών καυσίμων - και αυτό δεν είναι μηχανορραφίες των περιβαλλοντολόγων, αλλά κοινότοποι οικονομικοί υπολογισμοί όταν κοιτάμε το μέλλον. Ταυτόχρονα, το EROI των πειραματικών θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων, που εμφανίστηκαν επίσης στα μέσα του περασμένου αιώνα, αυξανόταν σταθερά και το 2007 έφτασε στο ψυχολογικό φράγμα του ενός -δηλαδή φέτος για πρώτη φορά η ανθρωπότητα κατάφερε να αποκτήσει περισσότερη ενέργεια μέσω μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης από ό,τι ξόδεψε για την εφαρμογή της. Και παρά το γεγονός ότι η υλοποίηση του αντιδραστήρα, τα πειράματα με αυτόν και η παραγωγή του πρώτου επίδειξης θερμοπυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής DEMO με βάση την εμπειρία που αποκτήθηκε κατά την εφαρμογή του ITER θα πάρει ακόμα πολύ χρόνο. Δεν υπάρχει πλέον καμία αμφιβολία ότι το μέλλον μας βρίσκεται σε τέτοιους αντιδραστήρες.

Κριτική της έρευνας

Η κύρια κριτική της έρευνας σε αντιδραστήρες σύντηξης είναι ότι η έρευνα προχωρά εξαιρετικά αργά. Και είναι αλήθεια - από τα πρώτα πειράματα μέχρι την παραγωγή μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης νεκρού σημείου, μας πήρε 66 χρόνια. Αλλά η ουσία του προβλήματος εδώ είναι ότι η χρηματοδότηση για μια τέτοια έρευνα δεν έφτασε ποτέ στο απαιτούμενο επίπεδο - εδώ είναι ένα παράδειγμα των εκτιμήσεων της Υπηρεσίας Ενεργειακής Έρευνας και Ανάπτυξης των ΗΠΑ για το επίπεδο χρηματοδότησης για το έργο του αντιδραστήρα σύντηξης και τον χρόνο ολοκλήρωσής του:

Όπως φαίνεται από αυτό το γράφημα, προκαλεί έκπληξη όχι μόνο το γεγονός ότι δεν έχουμε ακόμα εμπορικούς θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά και το ότι μπορέσαμε να επιτύχουμε οποιαδήποτε θετική παραγωγή ενέργειας από πειραματικούς αντιδραστήρες αυτή τη στιγμή.

Από τέσσερις κύριες πηγές πυρηνική ενέργειαΠρος το παρόν, μόνο δύο έχουν τεθεί σε βιομηχανική εφαρμογή: η ενέργεια της ραδιενεργής διάσπασης χρησιμοποιείται σε πηγές ρεύματος και η αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η τρίτη πηγή πυρηνικής ενέργειας - ο αφανισμός των στοιχειωδών σωματιδίων - δεν έχει φύγει ακόμη από τη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας. Η τέταρτη πηγή είναι ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη,είναι στην ημερήσια διάταξη. Αν και αυτή η πηγή είναι λιγότερο δυναμική από την τρίτη, υπερβαίνει σημαντικά τη δεύτερη.

Η θερμοπυρηνική σύντηξη σε εργαστηριακές συνθήκες είναι αρκετά απλή, αλλά η αναπαραγωγή ενέργειας δεν έχει ακόμη επιτευχθεί. Ωστόσο, οι εργασίες προς αυτή την κατεύθυνση βρίσκονται σε εξέλιξη και αναπτύσσονται ραδιοχημικές τεχνικές, πρώτα απ 'όλα, τεχνολογίες για την παραγωγή καυσίμου τριτίου για εγκαταστάσεις CTS.

Αυτό το κεφάλαιο εξετάζει ορισμένες ραδιοχημικές πτυχές της θερμοπυρηνικής σύντηξης και συζητά τις προοπτικές χρήσης εγκαταστάσεων για ελεγχόμενη σύντηξη στην πυρηνική ενέργεια.

Ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη- η αντίδραση της σύντηξης ελαφρών ατομικών πυρήνων σε βαρύτερους πυρήνες, που συμβαίνει σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και συνοδεύεται από απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας. Σε αντίθεση με την εκρηκτική θερμοπυρηνική σύντηξη (που χρησιμοποιείται σε βόμβα υδρογόνου), είναι ελεγχόμενη. Στις κύριες πυρηνικές αντιδράσεις που σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης, θα χρησιμοποιηθούν -H και 3 H και μακροπρόθεσμα, 3 He και "B".

Οι ελπίδες για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη συνδέονται με δύο περιστάσεις: i) πιστεύεται ότι υπάρχουν αστέρια λόγω μιας σταθερής θερμοπυρηνικής αντίδρασης και 2) η ανεξέλεγκτη θερμοπυρηνική διαδικασία πραγματοποιήθηκε πολύ απλά με την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου. Δεν φαίνεται να υπάρχει κανένα θεμελιώδες εμπόδιο για τη διατήρηση μιας ελεγχόμενης αντίδρασης πυρηνικής σύντηξης. Ωστόσο, οι εντατικές προσπάθειες εφαρμογής CTS σε εργαστηριακές συνθήκες με απόκτηση ενεργειακών κερδών κατέληξαν σε πλήρη αποτυχία.

Ωστόσο, το CVT θεωρείται πλέον ως μια σημαντική τεχνολογική λύση που στοχεύει στην αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων στην παραγωγή ενέργειας. Η παγκόσμια ζήτηση για ενέργεια, που απαιτεί αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και εξάντληση των μη ανανεώσιμων πρώτων υλών, διεγείρει την αναζήτηση νέων λύσεων.

Οι θερμοπυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σύντηξη ελαφρών ατομικών πυρήνων. Napoimeo:

Η αντίδραση σύντηξης των πυρήνων τριτίου και δευτερίου είναι πολλά υποσχόμενη για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, καθώς η διατομή της είναι αρκετά μεγάλη ακόμη και σε χαμηλές ενέργειες. Αυτή η αντίδραση παρέχει ειδική θερμογόνο δύναμη 3,5-11 J/g. Η κύρια αντίδραση D+T=n+a έχει τη μεγαλύτερη διατομή ο τ αχ=5 αχυρώνα σε συντονισμό σε ενέργεια δευτερονίου E pSh x= 0,108 MeV, σε σύγκριση με τις αντιδράσεις D+D=n+3He a,„ a *=0.i05 αχυρώνα; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T περί ταχ = 0,09 αχυρώνα; E max = 2,0 MeV, καθώς και με την αντίδραση 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotah= 0,4 MeV. Η τελευταία αντίδραση απελευθερώνει 18,4 MeV. Στην αντίδραση (3) το άθροισμα των ενεργειών ρ+αίση με 17,6 MeV, η ενέργεια των νετρονίων που προκύπτουν;„=14,1 MeV; και η ενέργεια των σωματιδίων άλφα που προκύπτουν είναι 3,5 MeV. Αν στις αντιδράσεις T(d,n)a και:) He(d,p)a οι συντονισμοί είναι αρκετά στενοί, τότε στις αντιδράσεις D(d,n)3He και D(d,p)T υπάρχουν πολύ ευρείες συντονισμούς με διατομές μεγάλων τιμών στην περιοχή από 1 έως 10 MeV και γραμμική αύξηση από 0,1 MeV σε 1 MeV.

Σχόλιο. Τα προβλήματα με το εύκολο στην ανάφλεξη καύσιμο DT είναι ότι το τρίτιο δεν εμφανίζεται φυσικά και πρέπει να παράγεται από λίθιο στην κουβέρτα αναπαραγωγής του αντιδραστήρα σύντηξης. Το τρίτιο είναι ραδιενεργό (Ti/ 2 =12,6 έτη), το σύστημα αντιδραστήρα DT περιέχει από 10 έως 10 kg τρίτιο. Το 80% της ενέργειας στην αντίδραση DT απελευθερώνεται με νετρόνια 14 MeV, τα οποία επάγουν τεχνητή ραδιενέργεια στις δομές του αντιδραστήρα και προκαλούν βλάβη από την ακτινοβολία.

Στο Σχ. Το σχήμα 1 δείχνει τις ενεργειακές εξαρτήσεις των διατομών της αντίδρασης (1 - h). Τα γραφήματα για τις διατομές των αντιδράσεων (1) και (2) είναι πρακτικά τα ίδια - καθώς αυξάνεται η ενέργεια, αυξάνεται η διατομή και σε υψηλές ενέργειες η πιθανότητα της αντίδρασης τείνει σε σταθερή τιμή. Η διατομή της αντίδρασης (3) αρχικά αυξάνεται, φτάνει το μέγιστο των 10 αχυρώνα σε ενέργειες της τάξης των 90 MeV και στη συνέχεια μειώνεται με την αύξηση της ενέργειας.

Ρύζι. 1. Διατομές ορισμένων θερμοπυρηνικών αντιδράσεων ως συνάρτηση της σωματιδιακής ενέργειας στο σύστημα κέντρου μάζας: 1 - πυρηνική αντίδραση (3). 2 - αντιδράσεις (1) και (2).

Λόγω της μεγάλης διατομής σκέδασης κατά τον βομβαρδισμό πυρήνων τριτίου με επιταχυνόμενα δευτερόνια, το ενεργειακό ισοζύγιο της διαδικασίας θερμοπυρηνικής σύντηξης στην αντίδραση D - T μπορεί να είναι αρνητικό, επειδή Ξοδεύεται περισσότερη ενέργεια για την επιτάχυνση των δευτερονίων από αυτή που απελευθερώνεται κατά τη σύντηξη. Ένα θετικό ενεργειακό ισοζύγιο είναι δυνατό εάν τα βομβαρδιστικά σωματίδια, μετά από μια ελαστική σύγκρουση, μπορέσουν να συμμετάσχουν ξανά στην αντίδραση. Για να ξεπεραστεί η ηλεκτρική απώθηση, οι πυρήνες πρέπει να έχουν υψηλή κινητική ενέργεια. Αυτές οι συνθήκες μπορούν να δημιουργηθούν σε πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας, στο οποίο τα άτομα ή τα μόρια βρίσκονται σε πλήρως ιονισμένη κατάσταση. Για παράδειγμα, η αντίδραση D-T αρχίζει να συμβαίνει μόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 100 8 Κ. Μόνο σε τέτοιες θερμοκρασίες απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα όγκου και ανά μονάδα χρόνου από ό,τι δαπανάται. Εφόσον μία αντίδραση σύντηξης D-T αντιπροσωπεύει ~105 συνηθισμένες πυρηνικές συγκρούσεις, η Το πρόβλημα Το CTS αποτελείται από την επίλυση δύο προβλημάτων: τη θέρμανση μιας ουσίας στις απαιτούμενες θερμοκρασίες και τη διατήρησή της για αρκετό χρόνο για να «κάψει» ένα αξιοσημείωτο μέρος του θερμοπυρηνικού καυσίμου.

Πιστεύεται ότι η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη μπορεί να πραγματοποιηθεί εάν πληρούται το κριτήριο Lawson (m>10'4 s cm-3, όπου Π -πυκνότητα πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, t - χρόνος κατακράτησης του στο σύστημα).

Όταν πληρούται αυτό το κριτήριο, η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του CTS υπερβαίνει την ενέργεια που εισάγεται στο σύστημα.

Το πλάσμα πρέπει να διατηρείται εντός ενός δεδομένου όγκου, αφού στον ελεύθερο χώρο το πλάσμα διαστέλλεται αμέσως. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, το πλάσμα δεν μπορεί να τοποθετηθεί σε δεξαμενή από καμία

υλικό. Για να συγκρατηθεί το πλάσμα, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένα μαγνητικό πεδίο υψηλής έντασης, το οποίο δημιουργείται με τη χρήση υπεραγώγιμων μαγνητών.

Ρύζι. 2. Σχηματικό διάγραμμα ενός tokamak.

Εάν δεν θέσετε τον στόχο να αποκτήσετε ενεργειακό κέρδος, τότε σε εργαστηριακές συνθήκες είναι αρκετά απλό να εφαρμόσετε το CTS. Για να γίνει αυτό, αρκεί να χαμηλώσετε μια αμπούλα δευτεριδίου λιθίου στο κανάλι οποιουδήποτε αργού αντιδραστήρα που λειτουργεί με την αντίδραση σχάσης του ουρανίου (μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λίθιο με φυσική ισοτοπική σύνθεση (7% 6 Li), αλλά είναι καλύτερα εάν είναι εμπλουτισμένο με το σταθερό ισότοπο 6 Li). Υπό την επίδραση των θερμικών νετρονίων, συμβαίνει η ακόλουθη πυρηνική αντίδραση:

Ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, εμφανίζονται «καυτά» άτομα τριτίου. Η ενέργεια του ατόμου της ανάκρουσης του τριτίου (~3 MeV) είναι αρκετή για να συμβεί η αλληλεπίδραση του τριτίου με το δευτέριο που υπάρχει στο LiD:

Αυτή η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη για ενεργειακούς σκοπούς: το ενεργειακό κόστος για τη διαδικασία υπερβαίνει την ενέργεια που απελευθερώνεται. Επομένως, πρέπει να αναζητήσουμε άλλες επιλογές για την εφαρμογή του CTS, επιλογές που παρέχουν μεγάλο ενεργειακό κέρδος.

Προσπαθούν να εφαρμόσουν CTS με ενεργειακό κέρδος είτε σε σχεδόν ακίνητο (t>1 s, tg>βλέπε "Ω, ή σε παλμικά συστήματα (t*io -8 s, n>u 22 cm*w). Στην πρώτη (tokamak, stellarator, mirror trap κ.λπ.), ο περιορισμός πλάσματος και η θερμομόνωση πραγματοποιούνται σε μαγνητικά πεδία διαφόρων διαμορφώσεων. Στα παλμικά συστήματα, το πλάσμα δημιουργείται ακτινοβολώντας έναν στερεό στόχο (κόκκους ενός μείγματος δευτερίου και τριτίου) με εστιασμένη ακτινοβολία από ένα ισχυρό λέιζερ ή δέσμες ηλεκτρονίων: όταν μια δέσμη μικρών στερεών στόχων χτυπά την εστία, μια διαδοχική σειρά θερμοπυρηνικών μικροεκρήξεων λαμβάνει χώρα.

Μεταξύ των διάφορων θαλάμων για περιορισμό πλάσματος, ένας θάλαμος με σπειροειδή διαμόρφωση είναι πολλά υποσχόμενος. Σε αυτή την περίπτωση, το πλάσμα δημιουργείται μέσα σε ένα δακτυλιοειδές θάλαμο χρησιμοποιώντας μια εκκένωση δακτυλίου χωρίς ηλεκτρόδιο. Σε ένα tokamak, το ρεύμα που προκαλείται στο πλάσμα είναι σαν μια δευτερεύουσα περιέλιξη ενός μετασχηματιστή. Το μαγνητικό πεδίο, που συγκρατεί το πλάσμα, δημιουργείται τόσο λόγω του ρεύματος που διαρρέει την περιέλιξη γύρω από τον θάλαμο όσο και λόγω του ρεύματος που προκαλείται στο πλάσμα. Για να ληφθεί ένα σταθερό πλάσμα, χρησιμοποιείται ένα εξωτερικό διαμήκη μαγνητικό πεδίο.

Ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή για την παραγωγή ενέργειας μέσω αντιδράσεων σύντηξης ελαφρών ατομικών πυρήνων που συμβαίνουν στο πλάσμα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (> 10 8 K). Η κύρια απαίτηση που πρέπει να ικανοποιεί ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα

Οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις υπεραντιστάθμισαν το ενεργειακό κόστος από εξωτερικές πηγές για τη διατήρηση της αντίδρασης.

Ρύζι. η. Κύρια συστατικά ενός αντιδραστήρα για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη.

Ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας τύπου TO-CAMAK (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) αποτελείται από έναν θάλαμο κενού που σχηματίζει ένα κανάλι όπου κυκλοφορεί το πλάσμα, μαγνήτες που δημιουργούν ένα πεδίο και συστήματα θέρμανσης πλάσματος. Σε αυτό συνδέονται αντλίες κενού που αντλούν συνεχώς αέρια έξω από το κανάλι, ένα σύστημα παροχής καυσίμου καθώς καίγεται και ένας εκτροπέας - ένα σύστημα μέσω του οποίου η ενέργεια που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης αφαιρείται από τον αντιδραστήρα. Το τοροειδές πλάσμα βρίσκεται σε κέλυφος κενού. α-Τα σωματίδια που σχηματίζονται στο πλάσμα ως αποτέλεσμα της θερμοπυρηνικής σύντηξης και βρίσκονται σε αυτό αυξάνουν τη θερμοκρασία του. Τα νετρόνια διεισδύουν μέσω του τοιχώματος του θαλάμου κενού στη ζώνη της κουβέρτας που περιέχει υγρό λίθιο ή μια ένωση λιθίου εμπλουτισμένη σε 6 Li. Όταν αλληλεπιδρά με το λίθιο, η κινητική ενέργεια των νετρονίων μετατρέπεται σε θερμότητα και ταυτόχρονα παράγεται τρίτιο. Η κουβέρτα τοποθετείται σε ένα ειδικό κέλυφος, το οποίο προστατεύει τον μαγνήτη από τη διαφυγή νετρονίων, την ακτινοβολία y και τις ροές θερμότητας.

Σε εγκαταστάσεις τύπου tokamak, το πλάσμα δημιουργείται μέσα σε ένα δακτυλιοειδές θάλαμο χρησιμοποιώντας μια εκκένωση δακτυλίου χωρίς ηλεκτρόδιο. Για το σκοπό αυτό, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα στον θρόμβο πλάσματος και ταυτόχρονα αναπτύσσει το δικό του μαγνητικό πεδίο - ο ίδιος ο θρόμβος του πλάσματος γίνεται μαγνήτης. Τώρα, χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο συγκεκριμένης διαμόρφωσης, είναι δυνατό να αναρτηθεί το σύννεφο πλάσματος στο κέντρο του θαλάμου, χωρίς να του επιτρέψετε να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα.

Εκτροπέας - ένα σύνολο συσκευών (ειδικά πολοειδή μαγνητικά πηνία, πάνελ σε επαφή με το πλάσμα - εξουδετερωτές πλάσματος), με τη βοήθεια των οποίων η περιοχή άμεσης επαφής του τοιχώματος με το πλάσμα αφαιρείται στο μέγιστο από το κύριο ζεστό πλάσμα. Χρησιμοποιείται για την αφαίρεση θερμότητας από το πλάσμα με τη μορφή ρεύματος φορτισμένων σωματιδίων και για την άντληση προϊόντων αντίδρασης που εξουδετερώνονται στις πλάκες εκτροπέα: ήλιο και πρωτίιο. Καθαρίζει το πλάσμα από ρύπους που παρεμβαίνουν στην αντίδραση σύνθεσης.

Ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας χαρακτηρίζεται από συντελεστή ενίσχυσης ισχύος ίσο με τον λόγο της θερμικής ισχύος του αντιδραστήρα προς το κόστος ισχύος της παραγωγής του. Η θερμική ισχύς του αντιδραστήρα αθροίζεται:

• - από την ισχύ που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης στο πλάσμα.
• - από την ισχύ που εισάγεται στο πλάσμα για τη διατήρηση της θερμοκρασίας καύσης της θερμοπυρηνικής αντίδρασης ή του σταθερού ρεύματος στο πλάσμα.
• - από την ισχύ που απελευθερώνεται στην κουβέρτα - ένα κέλυφος που περιβάλλει το πλάσμα στο οποίο χρησιμοποιείται η ενέργεια των θερμοπυρηνικών νετρονίων και το οποίο χρησιμεύει για την προστασία των μαγνητικών πηνίων από την έκθεση στην ακτινοβολία. Κουβέρτα αντιδραστήρα σύντηξης - ένα από τα κύρια μέρη ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, ένα ειδικό κέλυφος που περιβάλλει το πλάσμα στο οποίο συμβαίνουν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις και το οποίο χρησιμεύει για τη χρήση της ενέργειας των θερμοπυρηνικών νετρονίων.

Η κουβέρτα καλύπτει τον δακτύλιο του πλάσματος από όλες τις πλευρές και οι κύριοι φορείς ενέργειας που παράγονται κατά τη σύντηξη D-T - νετρόνια 14 MeV - την απελευθερώνουν στην κουβέρτα θερμαίνοντάς την. Η κουβέρτα περιέχει εναλλάκτες θερμότητας μέσω των οποίων διέρχεται νερό. Όταν το tokamak είναι λειτουργεί, περιέχει Σε ένα εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής, ο ατμός περιστρέφει έναν ατμοστρόβιλο και περιστρέφει έναν ρότορα γεννήτριας.

Το κύριο καθήκον της κουβέρτας είναι η συλλογή ενέργειας, η μετατροπή της σε θερμότητα και η μεταφορά της σε συστήματα παραγωγής ενέργειας, καθώς και η προστασία των χειριστών και περιβάλλοναπό ιονίζουσα ακτινοβολία που δημιουργείται από θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα. Πίσω από την κουβέρτα σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα υπάρχει ένα στρώμα προστασίας από την ακτινοβολία, οι λειτουργίες του οποίου είναι να αποδυναμώσει περαιτέρω τη ροή των νετρονίων και των y-quanta που σχηματίζονται κατά τις αντιδράσεις με την ύλη για να διασφαλιστεί η λειτουργικότητα του ηλεκτρομαγνητικού συστήματος. Ακολουθεί βιολογική προστασία, την οποία μπορεί να ακολουθήσει το προσωπικό του εργοστασίου.

Ένας «ενεργός» εκτροφέας κουβερτών έχει σχεδιαστεί για να παράγει ένα από τα συστατικά του θερμοπυρηνικού καυσίμου. Στους αντιδραστήρες που καταναλώνουν τρίτιο, τα υλικά αναπαραγωγής (ενώσεις λιθίου) περιλαμβάνονται στην κουβέρτα για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική παραγωγή τριτίου.

Όταν λειτουργεί ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας με χρήση καυσίμου δευτερίου-τριτίου, είναι απαραίτητο να ανανεωθεί η ποσότητα του καυσίμου (D+T) στον αντιδραστήρα και να αφαιρεθεί το 4He από το πλάσμα. Ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων στο πλάσμα, το τρίτιο καίγεται και το κύριο μέρος της ενέργειας σύντηξης μεταφέρεται στα νετρόνια, για τα οποία το πλάσμα είναι διαφανές. Αυτό οδηγεί στην ανάγκη να τοποθετηθεί μια ειδική ζώνη μεταξύ του πλάσματος και του ηλεκτρομαγνητικού συστήματος, στην οποία αναπαράγεται το καμένο τρίτιο και απορροφάται ο κύριος όγκος των ενεργειών νετρονίων. Αυτή η ζώνη ονομάζεται κουβέρτα αναπαραγωγής. Αναπαράγει τρίτιο που καίγεται στο πλάσμα.

Το τρίτιο στην κουβέρτα μπορεί να παραχθεί με ακτινοβολία λιθίου με ροές νετρονίων μέσω πυρηνικών αντιδράσεων: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV και 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.

Κατά την παραγωγή τριτίου από λίθιο, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι το φυσικό λίθιο αποτελείται από δύο ισότοπα: 6 Li (7,52%) και 7 Li (92,48%). Η διατομή θερμικής απορρόφησης νετρονίων του καθαρού 6 Li 0 = 945 αχυρώνα και η διατομή ενεργοποίησης για την αντίδραση (p, p) είναι 0,028 barn. Για το φυσικό λίθιο, η διατομή για την απομάκρυνση των νετρονίων που σχηματίζονται κατά τη διάσπαση του ουρανίου είναι ίση με 1,01 αχυρώνα και η διατομή για την απορρόφηση των θερμικών νετρονίων είναι a = 70,4 αχυρώνα.

Τα ενεργειακά φάσματα της ακτινοβολίας y κατά τη δέσμευση με ακτινοβολία θερμικών νετρονίων 6 Li χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες τιμές: η μέση ενέργεια των y-κβαντών που εκπέμπεται ανά απορροφημένο νετρόνιο, στην περιοχή ενέργειας 6^-7 MeV = 0,51 MeV, στην ενέργεια εύρος 7-r8 MeV - 0 ,94 MeV. Ολική Ενέργεια

Σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα που τροφοδοτείται από καύσιμο D-T, ως αποτέλεσμα της αντίδρασης:

Η ακτινοβολία y ανά σύλληψη νετρονίου είναι 1,45 MeV. Για 7 Li, η διατομή απορρόφησης είναι 0,047 barn και η διατομή ενεργοποίησης είναι 0,033 barn (σε ενέργειες νετρονίων πάνω από 2,8 MeV). Η διατομή για την αφαίρεση νετρονίων σχάσης LiH φυσικής σύστασης = 1,34 αχυρώνα, μεταλλικό Li - 1,57 αχυρώνα, LiF - 2,43 αχυρώνα.

Σχηματίζονται θερμοπυρηνικά νετρόνια, τα οποία, αφήνοντας τον όγκο του πλάσματος, εισέρχονται στην περιοχή κάλυψης που περιέχει λίθιο και βηρύλλιο, όπου συμβαίνουν οι ακόλουθες αντιδράσεις:

Έτσι, ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας θα καίει δευτέριο και λίθιο και ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων θα σχηματιστεί το αδρανές αέριο ήλιο.

Στο Αντιδράσεις D-TΤο τρίτιο καίγεται στο πλάσμα και παράγεται ένα νετρόνιο με ενέργεια 14,1 MeV. Στην κουβέρτα είναι απαραίτητο αυτό το νετρόνιο να δημιουργήσει τουλάχιστον ένα άτομο τριτίου για να καλύψει τις απώλειές του στο πλάσμα. Ρυθμός αναπαραγωγής τριτίου Προς την("η ποσότητα τριτίου που σχηματίζεται στην κουβέρτα ανά προσπίπτον θερμοπυρηνικό νετρόνιο) εξαρτάται από το φάσμα των νετρονίων στην κουβέρτα, το μέγεθος της απορρόφησης και της διαρροής των νετρονίων. Με 0% κάλυψη πλάσματος από την κουβέρτα, η τιμή k> 1,05.

Ρύζι. Εικ. 4. Εξάρτηση της διατομής των πυρηνικών αντιδράσεων σχηματισμού τριτίου από την ενέργεια νετρονίων: 1 - αντίδραση 6 Li(n,t)'»He, 2 - αντίδραση 7 Li(n,n',0 4 He.

Ο πυρήνας 6 Li έχει πολύ μεγάλη διατομή απορρόφησης για τα θερμικά νετρόνια με το σχηματισμό τριτίου (953 αχυρώνα στα 0,025 eV). Σε χαμηλές ενέργειες, η διατομή απορρόφησης νετρονίων στο Li ακολουθεί το νόμο (l/u) και στην περίπτωση του φυσικού λιθίου φτάνει σε τιμή 71 barn για τα θερμικά νετρόνια. Για 7 Li, η διατομή για την αλληλεπίδραση με τα νετρόνια είναι μόνο 0,045 αχυρώνα. Επομένως, για να αυξηθεί η παραγωγικότητα του δημιουργού, το φυσικό λίθιο θα πρέπει να εμπλουτιστεί στο ισότοπο 6 Li. Ωστόσο, μια αύξηση της περιεκτικότητας σε 6 Li σε ένα μείγμα ισοτόπων έχει μικρή επίδραση στον συντελεστή αναπαραγωγής τριτίου: υπάρχει αύξηση 5% με αύξηση του εμπλουτισμού του ισοτόπου 6 Li στο 50% στο μείγμα. Στην αντίδραση 6 Li(n, T) "Όλα τα επιβραδυνόμενα νετρόνια δεν θα απορροφηθούν. Εκτός από την ισχυρή απορρόφηση στη θερμική περιοχή, υπάρχει μια μικρή απορρόφηση (

Η εξάρτηση της διατομής για την αντίδραση 6 Li(n,T) 4 He από την ενέργεια νετρονίων φαίνεται στο Σχ. 7. Όπως είναι τυπικό για πολλές άλλες πυρηνικές αντιδράσεις, η διατομή της αντίδρασης 6 Li(n,f) 4 He μειώνεται καθώς αυξάνεται η ενέργεια νετρονίων (με εξαίρεση τον συντονισμό σε ενέργεια 0,25 MeV).

Η αντίδραση με το σχηματισμό τριτίου στο ισότοπο Li συμβαίνει με γρήγορα νετρόνια σε ενέργεια >2,8 MeV. Σε αυτή την αντίδραση

παράγεται τρίτιο και δεν υπάρχει απώλεια νετρονίων.

Η πυρηνική αντίδραση σε 6 Li δεν μπορεί να παράγει διογκωμένη παραγωγή τριτίου και αντισταθμίζει μόνο το καμένο τρίτιο

Η αντίδραση στο α11 έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ενός πυρήνα τριτίου για κάθε απορροφούμενο νετρόνιο και την αναγέννηση αυτού του νετρονίου, το οποίο στη συνέχεια απορροφάται κατά την επιβράδυνση και παράγει έναν άλλο πυρήνα τριτίου.

Σχόλιο. Στο φυσικό Li, ο ρυθμός αναπαραγωγής τριτίου είναι Προς την"2. Για Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2.0; 0,95; 1.1; 1,05 και i.6, αντίστοιχα. Το λιωμένο αλάτι LiF (66%) + BeF 2 (34%) ονομάζεται flyb ( FLiBe), η χρήση του είναι προτιμότερη λόγω συνθηκών ασφαλείας και μείωσης των απωλειών τριτίου.

Δεδομένου ότι δεν συμμετέχει κάθε νετρόνιο της αντίδρασης D-T στο σχηματισμό ενός ατόμου τριτίου, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιαστούν τα πρωτεύοντα νετρόνια (14,1 MeV) χρησιμοποιώντας την αντίδραση (n, 2n) ή (n, sn) σε στοιχεία που έχουν αρκετά μεγάλη διασταύρωση τμήμα για την αλληλεπίδραση ταχέων νετρονίων, για παράδειγμα, σε Be, Pb, Mo, Nb και πολλά άλλα υλικά με Ζ> 25. Για το κατώφλι του βηρυλλίου (n, 2 Π)αντιδράσεις 2,5 MeV; στα 14 MeV 0=0,45 αχυρώνα. Ως αποτέλεσμα, σε κουβέρτες εκδόσεις με υγρό ή κεραμικό λίθιο (LiA10 2) είναι δυνατό να επιτευχθεί Προς την* 1.1+1.2. Στην περίπτωση που περιβάλλεται ο θάλαμος του αντιδραστήρα με κάλυμμα ουρανίου, ο πολλαπλασιασμός των νετρονίων μπορεί να αυξηθεί σημαντικά λόγω των αντιδράσεων σχάσης και των αντιδράσεων (n, 2n), (n, zl).

Σημείωση 1. Η επαγόμενη δραστηριότητα του λιθίου κατά την ακτινοβολία με νετρόνια πρακτικά απουσιάζει, καθώς το προκύπτον ραδιενεργό ισότοπο 8 Li (ακτινοβολία cr με ενέργεια 12,7 MeV και /-ακτινοβολία με ενέργεια ~6 MeV) έχει πολύ μικρό μισό -ζωή - 0,875 s. Χαμηλή ενεργοποίηση λιθίου και μικρή περίοδοςΟι χρόνοι ημιζωής διευκολύνουν τη βιολογική προστασία της εγκατάστασης.

Σημείωση 2. Η δραστηριότητα του τριτίου που περιέχεται στην κουβέρτα ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα DT είναι ~*10 6 Ci, επομένως η χρήση καυσίμου DT δεν αποκλείει τη θεωρητική πιθανότητα ατυχήματος σε κλίμακα πολλών τοις εκατό του Τσερνομπίλ (το έκδοση ήταν 510 7 Ci). Η απελευθέρωση τριτίου με το σχηματισμό T 2 0 μπορεί να οδηγήσει σε ραδιενεργές καταρροές, την είσοδο τριτίου σε υπόγεια ύδατα, δεξαμενές, ζωντανοί οργανισμοί, φυτά με συσσώρευση, τελικά, σε προϊόντα διατροφής.

Η επιλογή του υλικού και η συνολική κατάσταση του εκτροφέα είναι ένα σοβαρό πρόβλημα. Το υλικό αναπαραγωγής πρέπει να εξασφαλίζει υψηλό ποσοστό μετατροπής λιθίου σε τρίτιο και εύκολη εξαγωγή του τελευταίου για μετέπειτα μεταφορά στο σύστημα προετοιμασίας καυσίμου.

Οι κύριες λειτουργίες της κουβέρτας αναπαραγωγής περιλαμβάνουν: σχηματισμό θαλάμου πλάσματος. παραγωγή τριτίου με συντελεστή k>i; μετατροπή της κινητικής ενέργειας νετρονίων σε θερμότητα. ανάκτηση της θερμότητας που παράγεται στην κουβέρτα κατά τη λειτουργία ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα. ακτινοπροστασία του ηλεκτρομαγνητικού συστήματος· βιολογική προστασία από την ακτινοβολία.

Ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που χρησιμοποιεί καύσιμο D-T, ανάλογα με το υλικό κάλυψης, μπορεί να είναι «καθαρός» ή υβριδικός. Η κουβέρτα ενός «καθαρού» θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα περιέχει Li, στο οποίο παράγεται τρίτιο υπό την επίδραση νετρονίων και η θερμοπυρηνική αντίδραση ενισχύεται από 17,6 MeV σε 22,4

MeV. Στην κουβέρτα ενός υβριδικού («ενεργού») θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, όχι μόνο παράγεται τρίτιο, αλλά υπάρχουν και ζώνες στις οποίες τοποθετούνται απόβλητα 2 39Pi και παράγονται 2 39Pi. Σε αυτή την περίπτωση, μια ενέργεια ίση με 140 MeV ανά νετρόνιο απελευθερώνεται στην κουβέρτα. Η ενεργειακή απόδοση ενός υβριδικού αντιδραστήρα σύντηξης είναι έξι φορές υψηλότερη από αυτή ενός καθαρού αντιδραστήρα. Ταυτόχρονα, επιτυγχάνεται καλύτερη απορρόφηση των θερμοπυρηνικών νετρονίων, γεγονός που αυξάνει την ασφάλεια της εγκατάστασης. Ωστόσο, η παρουσία σχάσιμων ραδιενεργών ουσιών δημιουργεί ένα περιβάλλον ακτινοβολίας παρόμοιο με αυτό που υπάρχει στους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης.

Ρύζι. 5.

Υπάρχουν δύο έννοιες καθαρής κουβέρτας αναπαραγωγής που βασίζονται στη χρήση υγρών υλικών αναπαραγωγής τριτίου ή στη χρήση στερεών υλικών που περιέχουν λίθιο. Οι επιλογές σχεδιασμού για κουβέρτες σχετίζονται με τον τύπο του ψυκτικού που επιλέγεται (υγρό μέταλλο, υγρό αλάτι, αέριο, οργανικό, νερό) και την κατηγορία των πιθανών δομικών υλικών.

Στην υγρή έκδοση της κουβέρτας, το λίθιο είναι το ψυκτικό και το τρίτιο είναι το αναπαραγωγικό υλικό. Το τμήμα κουβέρτας αποτελείται από τον πρώτο τοίχο, μια ζώνη αναπαραγωγής (λιωμένο άλας λιθίου, έναν ανακλαστήρα (χάλυβας ή βολφράμιο) και ένα στοιχείο προστασίας από το φως (για παράδειγμα, υδρίδιο τιτανίου). Το κύριο χαρακτηριστικό μιας αυτοψυκτικής κουβέρτας λιθίου είναι η απουσία ενός επιπλέον πολλαπλασιαστή μεσολαβητή και νετρονίων Σε μια κουβέρτα με υγρό βελτιωτή μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα ακόλουθα άλατα: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Μεταξύ των παραπάνω αλάτων, το Li 2 BeF 4 έχει το χαμηλότερο ιξώδες, αλλά το υψηλότερο Twl. Prospect Pb-Li eutectic και FLiNaBe Melt, που λειτουργεί και ως αυτοψύκτη. Οι πολλαπλασιαστές νετρονίων σε μια τέτοια συσκευή αναπαραγωγής είναι σφαιρικοί κόκκοι Be με διάμετρο 2 mm.

Σε μια κουβέρτα με συμπαγή αναπαραγωγέα, τα κεραμικά που περιέχουν λίθιο χρησιμοποιούνται ως υλικό αναπαραγωγής και το βηρύλλιο χρησιμεύει ως πολλαπλασιαστής νετρονίων. Η σύνθεση μιας τέτοιας κουβέρτας περιλαμβάνει στοιχεία όπως ο πρώτος τοίχος με συλλέκτες ψυκτικού. ζώνη αναπαραγωγής νετρονίων· ζώνη παραγωγής τριτίου· κανάλια ψύξης για ζώνες αναπαραγωγής και αναπαραγωγής τριτίου. προστασία σιδήρου-νερού? Στοιχεία στερέωσης κουβέρτας. γραμμές παροχής και εκκένωσης ψυκτικού και αερίου μεταφοράς τριτίου. Τα δομικά υλικά είναι κράματα βαναδίου και χάλυβας κατηγορίας φερριτικού ή φερριτικού-μαρτενσιτικού. Η ακτινοπροστασία είναι κατασκευασμένη από χαλύβδινα φύλλα. Το ψυκτικό που χρησιμοποιείται είναι αέριο ήλιο υπό πίεση yMPa με θερμοκρασία εισόδου 300 0 και θερμοκρασία ψυκτικού εξόδου 650 0.

Η ραδιοχημική αποστολή είναι η απομόνωση, ο καθαρισμός και η επιστροφή του τριτίου στον κύκλο του καυσίμου. Σε αυτή την περίπτωση, η επιλογή λειτουργικών υλικών για συστήματα αναγέννησης εξαρτημάτων καυσίμου (υλικά αναπαραγωγής) είναι σημαντική. Το υλικό αναπαραγωγής πρέπει να διασφαλίζει την απομάκρυνση της θερμοπυρηνικής ενέργειας σύντηξης, την παραγωγή τριτίου και την αποτελεσματική εξαγωγή του για μετέπειτα καθαρισμό και μετατροπή σε καύσιμο αντιδραστήρα. Για το σκοπό αυτό απαιτείται ένα υλικό με υψηλή θερμοκρασία, ακτινοβολία και μηχανική αντοχή. Δεν είναι λιγότερο σημαντικά τα χαρακτηριστικά διάχυσης του υλικού, τα οποία εξασφαλίζουν υψηλή κινητικότητα του τριτίου και, κατά συνέπεια, καλή απόδοση της εξαγωγής τριτίου από το υλικό αναπαραγωγής σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες.

Οι ουσίες εργασίας της κουβέρτας μπορεί να είναι: κεραμικά Li 4 Si0 4 (ή Li 2 Ti0 3) - ένα αναπαραγωγικό υλικό και βηρύλλιο - ένας πολλαπλασιαστής νετρονίων. Τόσο ο εκτροφέας όσο και το βηρύλλιο χρησιμοποιούνται με τη μορφή ενός στρώματος μονοδιασπαρμένων βότσαλων (κόκκοι με σχήμα κοντά στο σφαιρικό). Οι διάμετροι των κόκκων Li 4 Si0 4 και Li 2 Ti0 3 ποικίλλουν σε εύρος 0,2-10,6 mm και περίπου 8 mm, αντίστοιχα, και οι κόκκοι βηρυλλίου έχουν διάμετρο 1 mm. Το μερίδιο του ενεργού όγκου του στρώματος κόκκων είναι 63%. Για την αναπαραγωγή τριτίου, ο κεραμικός κτηνοτρόφος εμπλουτίζεται με το ισότοπο 6 Li. Τυπικό επίπεδο εμπλουτισμού 6 Li: 40% για το Li 4 Si0 4 και 70% για το Li 2 Ti0 3.

Επί του παρόντος, το μετατιτανικό λίθιο 1L 2 TIu 3 θεωρείται το πιο πολλά υποσχόμενο λόγω του σχετικά υψηλού ρυθμού απελευθέρωσης τριτίου σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (από 200 έως 400 0), ακτινοβολίας και χημικής αντοχής. Αποδείχθηκε ότι οι κόκκοι τιτανικού λιθίου, εμπλουτισμένοι σε 96% 6 Li υπό συνθήκες έντονης ακτινοβολίας νετρονίων και θερμικών επιδράσεων, καθιστούν δυνατή την παραγωγή λιθίου με σχεδόν σταθερό ρυθμό για δύο χρόνια. Το τρίτιο εξάγεται από κεραμικά ακτινοβολημένα με νετρόνια με προγραμματισμένη θέρμανση του υλικού αναπαραγωγής σε λειτουργία συνεχούς άντλησης.

Υποτίθεται ότι στην πυρηνική βιομηχανία, οι εγκαταστάσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τρεις τομείς:

• - υβριδικοί αντιδραστήρες στους οποίους η κουβέρτα περιέχει σχάσιμα νουκλεΐδια (ουράνιο, πλουτώνιο), η σχάση των οποίων ελέγχεται από μια ισχυρή ροή νετρονίων υψηλής ενέργειας (14 MeV).
• - εκκινητές καύσης σε ηλεκτροπυρηνικούς υποκρίσιμους αντιδραστήρες.
• - μεταστοιχείωση επικίνδυνων για το περιβάλλον ραδιονουκλεϊδίων μεγάλης διάρκειας ζωής με σκοπό τη διάθεση ραδιενεργών αποβλήτων.

Η υψηλή ενέργεια των θερμοπυρηνικών νετρονίων παρέχει μεγάλες ευκαιρίες για τον διαχωρισμό ενεργειακών ομάδων νετρονίων για την καύση ενός συγκεκριμένου ραδιονουκλιδίου στην περιοχή συντονισμού των διατομών.

Ο δεύτερος τρόπος απελευθέρωσης της πυρηνικής ενέργειας σχετίζεται με τις αντιδράσεις σύντηξης. Όταν οι ελαφροί πυρήνες συγχωνεύονται και σχηματίζουν έναν νέο πυρήνα, ένας μεγάλος αριθμός απόενέργεια. Αυτό μπορεί να φανεί από την καμπύλη της ειδικής ενέργειας δέσμευσης έναντι του αριθμού μάζας Α (βλ. μάθημα Νο. 39).

Μέχρι τους πυρήνες με μαζικό αριθμό περίπου 60, η ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων αυξάνεται με την αύξηση του Α. Επομένως, η σύνθεση οποιουδήποτε πυρήνα με Α< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц. Реакции слияния легких ядер носят название θερμοπυρηνικές αντιδράσεις,δεδομένου ότι μπορούν να εμφανιστούν μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Για να εισέλθουν δύο πυρήνες σε μια αντίδραση σύντηξης, πρέπει να βρίσκονται εντός του εύρους δράσης πυρηνικές δυνάμειςπερίπου 2·10–15 m, ξεπερνώντας την ηλεκτρική απώθηση των θετικών τους φορτίων. Για αυτό, η μέση κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων πρέπει να υπερβαίνει τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης Coulomb. Ο υπολογισμός της θερμοκρασίας T που απαιτείται για αυτό οδηγεί σε μια τιμή της τάξης των 10 8 – 10 9 K. Αυτή είναι μια εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η ουσία βρίσκεται σε πλήρως ιονισμένη κατάσταση, η οποία ονομάζεται πλάσμα αίματος. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις ανά νουκλεόνιο είναι αρκετές φορές υψηλότερη από την ειδική ενέργεια που απελευθερώνεται στις αλυσιδωτές αντιδράσεις της πυρηνικής σχάσης. Για παράδειγμα, στην αντίδραση σύντηξης πυρήνων δευτερίου και τριτίου

Απελευθερώνεται 3,5 MeV/νουκλεόνιο. Συνολικά, αυτή η αντίδραση απελευθερώνει 17,6 MeV. Αυτή είναι μια από τις πιο υποσχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Εκτέλεση ελεγχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσειςθα δώσει στην ανθρωπότητα μια νέα φιλική προς το περιβάλλον και πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ωστόσο, η απόκτηση εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών και ο περιορισμός του θερμαινόμενου πλάσματος σε ένα δισεκατομμύριο βαθμούς αντιπροσωπεύει το πιο δύσκολο επιστημονικό και τεχνικό έργο στην πορεία προς την εφαρμογή της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Σε αυτό το στάδιο ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας, ήταν δυνατή μόνο η εφαρμογή ανεξέλεγκτη αντίδραση σύντηξηςσε μια βόμβα υδρογόνου. Η υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται για την πυρηνική σύντηξη επιτυγχάνεται εδώ με την έκρηξη μιας συμβατικής βόμβας ουρανίου ή πλουτωνίου.

Σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, η αντίδραση σύντηξης πρέπει να συμβαίνει αργά και πρέπει να είναι δυνατός ο έλεγχος της. Η μελέτη των αντιδράσεων που συμβαίνουν σε πλάσμα δευτερίου υψηλής θερμοκρασίας είναι θεωρητική βάσηλήψη τεχνητών ελεγχόμενων θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Η κύρια δυσκολία είναι η διατήρηση των απαραίτητων συνθηκών για την επίτευξη μιας αυτοσυντηρούμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης. Για μια τέτοια αντίδραση, είναι απαραίτητο ο ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας στο σύστημα όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση να μην είναι μικρότερος από τον ρυθμό απομάκρυνσης ενέργειας από το σύστημα. Σε θερμοκρασίες της τάξης των 10 8 K, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο πλάσμα του δευτερίου έχουν αξιοσημείωτη ένταση και συνοδεύονται από απελευθέρωση υψηλής ενέργειας.

Πώς να χρησιμοποιήσετε πρακτικά την εκλυόμενη ενέργεια; Κατά τη σύνθεση του δευτερίου με το τρίτιο, το κύριο μέρος της εκλυόμενης ενέργειας (περίπου 80%) εκδηλώνεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας νετρονίων. Εάν αυτά τα νετρόνια επιβραδυνθούν έξω από μια μαγνητική παγίδα, μπορεί να ληφθεί θερμότητα και στη συνέχεια να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης σύντηξης στο δευτέριο, περίπου τα 2/3 της εκλυόμενης ενέργειας μεταφέρονται από φορτισμένα σωματίδια - προϊόντα αντίδρασης και μόνο το 1/3 της ενέργειας - από νετρόνια. Και η κινητική ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων μπορεί να μετατραπεί άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια.

Πώς να διατηρήσετε το πλάσμα σε κάποιο είδος εγκατάστασης - έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα - και να το θερμάνετε έτσι ώστε να ξεκινήσει η διαδικασία σύντηξης; Οι απώλειες ενέργειας στο πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας σχετίζονται κυρίως με την απώλεια θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων της συσκευής. Το πλάσμα πρέπει να απομονώνεται από τους τοίχους. Για το σκοπό αυτό, ισχυρή μαγνητικά πεδία(μαγνητική θερμομόνωση πλάσματος). Εάν ένα μεγάλο ηλεκτρικό ρεύμα περάσει μέσα από μια στήλη πλάσματος προς την κατεύθυνση του άξονά του, τότε στο μαγνητικό πεδίο αυτού του ρεύματος προκύπτουν δυνάμεις που συμπιέζουν το πλάσμα σε ένα καλώδιο πλάσματος που χωρίζεται από τα τοιχώματα. Η διατήρηση του πλάσματος χωριστά από τα τοιχώματα και η καταπολέμηση διαφόρων αστάθειας του πλάσματος είναι εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα, η λύση των οποίων θα πρέπει να οδηγήσει στην πρακτική εφαρμογή ελεγχόμενων θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.

Οι φυσικοί αναζητούν επίμονα τρόπους για να συλλάβουν την ενέργεια των αντιδράσεων θερμοπυρηνικής σύντηξης. Ήδη, τέτοιες αντιδράσεις υλοποιούνται σε διάφορες θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις, αλλά η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτές δεν δικαιολογεί ακόμη το κόστος χρήματος και εργασίας. Με άλλα λόγια, οι υπάρχοντες αντιδραστήρες σύντηξης δεν είναι ακόμη οικονομικά βιώσιμοι. Μεταξύ των διαφόρων προγραμμάτων θερμοπυρηνικής έρευνας, το πρόγραμμα που βασίζεται σε αντιδραστήρες tokamak θεωρείται σήμερα το πιο υποσχόμενο. Οι πρώτες μελέτες για τις ηλεκτρικές εκκενώσεις δακτυλίου σε ένα ισχυρό διαμήκη μαγνητικό πεδίο ξεκίνησαν το 1955 υπό την ηγεσία των Σοβιετικών φυσικών I.N. Golovin και N.A. Yavlinsky. Η σπειροειδής εγκατάσταση που κατασκεύασαν ήταν αρκετά μεγάλη ακόμη και για τα σύγχρονα πρότυπα: σχεδιάστηκε για εκκενώσεις με ένταση ρεύματος έως και 250 kA. Ο I.N. Golovin πρότεινε το όνομα "tokamak" (θάλαμος ρεύματος, μαγνητικό πηνίο) για τέτοιες εγκαταστάσεις. Αυτό το όνομα χρησιμοποιείται από φυσικούς σε όλο τον κόσμο.

Μέχρι το 1968, η έρευνα tokamak αναπτύχθηκε κυρίως στη Σοβιετική Ένωση. Υπάρχουν πλέον περισσότερες από 50 εγκαταστάσεις τύπου tokamak στον κόσμο.

Δομή των αστεριών

Οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις παίζουν εξαιρετικά σημαντικός ρόλοςστην εξέλιξη του Σύμπαντος. Η ενέργεια ακτινοβολίας του Ήλιου και των άστρων είναι θερμοπυρηνικής προέλευσης. Μέχρι το 1939, διαπιστώθηκε ότι η πηγή της αστρικής ενέργειας είναι η θερμοπυρηνική σύντηξη που συμβαίνει στα έντερα των αστεριών. Τα περισσότερα αστέρια ακτινοβολούν επειδή στον πυρήνα τους τέσσερα πρωτόνια συνδυάζονται μέσω μιας σειράς ενδιάμεσων βημάτων σε ένα σωματίδιο άλφα. Αυτός ο μετασχηματισμός μπορεί να συμβεί με δύο κύριους τρόπους, που ονομάζεται κύκλος πρωτονίου-πρωτονίου ή p-p, και ο κύκλος άνθρακα-αζώτου ή CN. Στα αστέρια χαμηλής μάζας, η απελευθέρωση ενέργειας παρέχεται κυρίως από τον πρώτο κύκλο, στα βαριά αστέρια - από τον δεύτερο. Η παροχή πυρηνικού καυσίμου σε ένα αστέρι είναι περιορισμένη και δαπανάται συνεχώς για ακτινοβολία. Η διαδικασία της θερμοπυρηνικής σύντηξης, η οποία απελευθερώνει ενέργεια και αλλάζει τη σύνθεση της ύλης του άστρου, σε συνδυασμό με τη βαρύτητα, η οποία τείνει να συμπιέζει το αστέρι και επίσης απελευθερώνει ενέργεια, καθώς και ακτινοβολία από την επιφάνεια, η οποία παρασύρει την απελευθερωμένη ενέργεια, το κύριο κινητήριες δυνάμειςαστρική εξέλιξη.

Ένα αστέρι ξεκινά τη ζωή του ως ένα κρύο, σπάνιο νέφος διαστρικού αερίου, συμπιεσμένο υπό τη δική του βαρύτητα και σταδιακά παίρνει το σχήμα μιας μπάλας. Όταν συμπιέζεται, η βαρυτική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και η θερμοκρασία του αντικειμένου αυξάνεται. Όταν η θερμοκρασία στο κέντρο φτάσει τα 15-20 εκατομμύρια Κ, αρχίζουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις και η συμπίεση σταματά. Το αντικείμενο γίνεται ένα πλήρες αστέρι. Το πρώτο στάδιο της ζωής ενός αστεριού είναι παρόμοιο με το ηλιακό - κυριαρχείται από αντιδράσεις του κύκλου του υδρογόνου. Παραμένει σε αυτή την κατάσταση για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του μέχρι να εξαντληθούν τα αποθέματα καυσίμου στον πυρήνα του. Όταν όλο το υδρογόνο στο κέντρο του άστρου μετατρέπεται σε ήλιο, σχηματίζεται ένας πυρήνας ηλίου και η θερμοπυρηνική καύση υδρογόνου συνεχίζεται στην περιφέρειά του.

Εξέλιξη ενός αστέρα κατηγορίας G χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του Ήλιου

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η δομή του αστεριού αρχίζει να αλλάζει. Η φωτεινότητά του αυξάνεται, τα εξωτερικά του στρώματα διαστέλλονται και η θερμοκρασία της επιφάνειάς του μειώνεται - το αστέρι γίνεται κόκκινος γίγαντας. Όταν η συσσωρευμένη μάζα του πυρήνα του ηλίου γίνεται σημαντική, δεν μπορεί να υποστηρίξει το βάρος του και αρχίζει να συρρικνώνεται. Εάν το αστέρι είναι αρκετά μεγάλο, η αυξανόμενη θερμοκρασία μπορεί να προκαλέσει περαιτέρω θερμοπυρηνικό μετασχηματισμό του ηλίου σε βαρύτερα στοιχεία (ήλιο σε άνθρακα, άνθρακα σε οξυγόνο, οξυγόνο σε πυρίτιο και, τέλος, πυρίτιο σε σίδηρο).

Η μελέτη της αστρικής εξέλιξης είναι αδύνατη με την παρατήρηση μόνο ενός αστέρα - πολλές αλλαγές στα αστέρια συμβαίνουν πολύ αργά για να γίνουν αντιληπτές ακόμη και μετά από πολλούς αιώνες. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες μελετούν πολλά αστέρια, καθένα από τα οποία βρίσκεται σε ένα ορισμένο στάδιο κύκλος ζωής. Τις τελευταίες δεκαετίες, ευρέως διαδεδομένο

στην αστροφυσική έλαβε μοντελοποίηση της δομής των άστρων χρησιμοποιώντας τεχνολογία υπολογιστών.

Ερωτήσεις για την ενίσχυση του θέματος που μελετήθηκε

1 Ποια αντίδραση ονομάζεται θερμοπυρηνική;

2 Κάτω από ποιες συνθήκες εμφανίζεται;

3 Ποιες είναι οι προοπτικές για τη χρήση της θερμοπυρηνικής ενέργειας;

4 Τι ρόλο παίζει η θερμοπυρηνική σύντηξη στην εξέλιξη των άστρων;

Η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη είναι μια ενδιαφέρουσα φυσική διαδικασία που (ακόμη θεωρητικά) μπορεί να σώσει τον κόσμο από την ενεργειακή εξάρτηση από πηγές ορυκτών καυσίμων. Η διαδικασία βασίζεται στη σύνθεση ατομικών πυρήνων από ελαφρύτερους σε βαρύτερους με την απελευθέρωση ενέργειας. Σε αντίθεση με μια άλλη χρήση του ατόμου - απελευθερώνοντας ενέργεια από αυτό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες καθώς διασπάται - η σύντηξη στο χαρτί δεν θα αφήσει ουσιαστικά ραδιενεργά υποπροϊόντα.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης μιμούνται την πυρηνική διαδικασία μέσα στον ήλιο, συνθλίβοντας ελαφρύτερα άτομα μεταξύ τους και μετατρέποντάς τα σε βαρύτερα, απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας στην πορεία. Στον Ήλιο, αυτή η διαδικασία καθοδηγείται από τη βαρύτητα. Στη Γη, οι μηχανικοί προσπαθούν να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες για την πυρηνική σύντηξη χρησιμοποιώντας εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες -της τάξης των 150 εκατομμυρίων βαθμών- αλλά αντιμετωπίζουν πρόβλημα να περιέχουν το πλάσμα που απαιτείται για τη σύντηξη ατόμων.

Μία από τις λύσεις που κατασκευάστηκαν αντιπροσωπεύεται από τον ITER, παλαιότερα γνωστό ως International Thermonuclear Experimental Reactor, ο οποίος βρίσκεται υπό κατασκευή από το 2010 στο Caradaches της Γαλλίας. Τα πρώτα πειράματα, που είχαν αρχικά προγραμματιστεί για το 2018, αναβλήθηκαν για το 2025.

Μόλις πριν λίγες μέρες αναφέραμε ότι το πρώτο

θερμοπυρηνική σύντηξη, η αντίδραση της σύντηξης ελαφρών ατομικών πυρήνων σε βαρύτερους πυρήνες, που συμβαίνει σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και συνοδεύεται από την απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας. Η πυρηνική σύντηξη είναι μια αντίδραση αντίστροφη της ατομικής σχάσης: στην τελευταία, η ενέργεια απελευθερώνεται λόγω της διάσπασης των βαρέων πυρήνων σε ελαφρύτερους. δείτε επίσηςΣΧΑΣΗ ΠΥΡΗΝΩΝ; ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες αστροφυσικές αντιλήψεις, η κύρια πηγή ενέργειας του Ήλιου και άλλων άστρων είναι η θερμοπυρηνική σύντηξη που συμβαίνει στα βάθη τους. Υπό επίγειες συνθήκες, πραγματοποιείται κατά την έκρηξη βόμβας υδρογόνου. Η θερμοπυρηνική σύντηξη συνοδεύεται από μια κολοσσιαία απελευθέρωση ενέργειας ανά μονάδα μάζας αντιδρώντων ουσιών (περίπου 10 εκατομμύρια φορές περισσότερο από χημικές αντιδράσεις). Ως εκ τούτου, έχει μεγάλο ενδιαφέρον να κυριαρχήσετε αυτή τη διαδικασία και να τη χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε μια φθηνή και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι μεγάλες επιστημονικές και τεχνικές ομάδες ασχολούνται με έρευνα για την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF) σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες, υπάρχουν ακόμη πολλά σύνθετα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν πριν γίνει πραγματικότητα η βιομηχανική παραγωγή θερμοπυρηνικής ενέργειας.

Οι σύγχρονοι πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν τη διαδικασία σχάσης ικανοποιούν μόνο εν μέρει τις παγκόσμιες ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας. Το καύσιμο για αυτούς είναι τα φυσικά ραδιενεργά στοιχεία ουράνιο και θόριο, η αφθονία και τα αποθέματα των οποίων στη φύση είναι πολύ περιορισμένα. Ως εκ τούτου, πολλές χώρες αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της εισαγωγής τους. Το κύριο συστατικό του θερμοπυρηνικού καυσίμου είναι το ισότοπο υδρογόνου δευτερίου, το οποίο περιέχεται στο θαλασσινό νερό. Τα αποθέματά του είναι δημόσια διαθέσιμα και πολύ μεγάλα (οι ωκεανοί του κόσμου καλύπτουν το ~ 71% της επιφάνειας της Γης και το δευτέριο αντιπροσωπεύει περίπου το 0,016% του συνολικού αριθμού ατόμων υδρογόνου που αποτελούν το νερό). Εκτός από τη διαθεσιμότητα καυσίμου, οι θερμοπυρηνικές πηγές ενέργειας έχουν τα ακόλουθα σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των πυρηνικών σταθμών: 1) ο αντιδραστήρας UTS περιέχει πολύ λιγότερα ραδιενεργά υλικά από έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης και επομένως οι συνέπειες μιας τυχαίας απελευθέρωσης ραδιενεργών προϊόντων είναι λιγότερες επικίνδυνος; 2) κατά τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, σχηματίζονται λιγότερες μακρόβιες ουσίες ραδιενεργά απόβλητα; 3) Το TCB επιτρέπει την άμεση λήψη ηλεκτρικής ενέργειας.

Artsimovich L.A. Ελεγχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Μ., 1963
Θερμικοί και πυρηνικοί σταθμοί(βιβλίο 1, ενότητα 6, βιβλίο 3, ενότητα 8). Μ., 1989

Βρείτε το "NUCLEAR fusion" στο