Ποια είναι η δυσκολία της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Θερμοπυρηνική ενέργεια: κατάσταση και προοπτικές

1. Εισαγωγή

3. Προβλήματα ελέγχου θερμοπυρηνικής σύντηξης

3.1 Οικονομικά προβλήματα

3.2 Ιατρικά προβλήματα

4. Συμπέρασμα

5. Παραπομπές

1. Εισαγωγή

Το πρόβλημα της διαχείρισης θερμοπυρηνική σύντηξη- ένα από τα πιο σημαντικά καθήκοντα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα.

Ο ανθρώπινος πολιτισμός δεν μπορεί να υπάρξει, πόσο μάλλον να αναπτυχθεί, χωρίς ενέργεια. Όλοι καταλαβαίνουν καλά ότι οι ανεπτυγμένες πηγές ενέργειας, δυστυχώς, μπορεί σύντομα να εξαντληθούν. Σύμφωνα με το Παγκόσμιο Συμβούλιο Ενέργειας, υπάρχουν 30 χρόνια αποδεδειγμένα αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων στη Γη.

Σήμερα οι κύριες πηγές ενέργειας είναι το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και ο άνθρακας.

Σύμφωνα με τους ειδικούς, τα αποθέματα αυτών των ορυκτών εξαντλούνται. Δεν έχουν απομείνει σχεδόν καθόλου εξερευνημένα, εκμεταλλεύσιμα κοιτάσματα πετρελαίου και τα εγγόνια μας μπορεί ήδη να αντιμετωπίζουν ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα ελλείψεων ενέργειας.

Οι πιο πλούσιοι σε καύσιμα πυρηνικοί σταθμοί θα μπορούσαν, φυσικά, να προμηθεύουν την ανθρωπότητα με ηλεκτρική ενέργεια για εκατοντάδες χρόνια.

Αντικείμενο μελέτης: Προβλήματα ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Αντικείμενο μελέτης: Θερμοπυρηνική σύντηξη.

Σκοπός έρευνας: Επίλυση του προβλήματος του ελέγχου της θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Στόχοι της έρευνας:

· Μελετήστε τα είδη των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.

· Εξετάστε όλες τις πιθανές επιλογές για τη μεταφορά της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια θερμοπυρηνική αντίδραση, σε άντρα.

· Να προτείνετε μια θεωρία για τη μετατροπή της ενέργειας σε ηλεκτρική.

Ιστορικό γεγονός:

Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση ή τη σύντηξη των ατομικών πυρήνων. Οποιαδήποτε ενέργεια - φυσική, χημική ή πυρηνική - εκδηλώνεται με την ικανότητά της να εκτελεί έργο, να εκπέμπει θερμότητα ή ακτινοβολία. Η ενέργεια σε οποιοδήποτε σύστημα διατηρείται πάντα, αλλά μπορεί να μεταφερθεί σε άλλο σύστημα ή να αλλάξει μορφή.

ΚατόρθωμαΟι συνθήκες για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη παρεμποδίζονται από διάφορα κύρια προβλήματα:

· Αρχικά, πρέπει να θερμάνετε το αέριο σε πολύ υψηλή θερμοκρασία.

· Δεύτερον, είναι απαραίτητος ο έλεγχος του αριθμού των αντιδρώντων πυρήνων για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα.

· Τρίτον, η ποσότητα της ενέργειας που απελευθερώνεται πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή που δαπανήθηκε για τη θέρμανση και τον περιορισμό της πυκνότητας του αερίου.

· Το επόμενο πρόβλημα είναι η αποθήκευση αυτής της ενέργειας και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια

2. Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο

Ποια είναι η πηγή της ηλιακής ενέργειας; Ποια είναι η φύση των διεργασιών που παράγουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας; Πόσο καιρό θα συνεχίσει να λάμπει ο ήλιος;

Οι πρώτες προσπάθειες απάντησης σε αυτά τα ερωτήματα έγιναν από αστρονόμους στα μέσα του 19ου αιώνα, αφού οι φυσικοί διατύπωσαν το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Ο Robert Mayer πρότεινε ότι ο Ήλιος λάμπει λόγω του συνεχούς βομβαρδισμού της επιφάνειας από μετεωρίτες και μετεωρικά σωματίδια. Αυτή η υπόθεση απορρίφθηκε, καθώς ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι για να διατηρηθεί η φωτεινότητα του Ήλιου στο σημερινό επίπεδο, είναι απαραίτητο να πέφτουν πάνω του 2∙10 15 kg κάθε δευτερόλεπτο μετεωρική ύλη. Κατά τη διάρκεια ενός έτους αυτό θα ανέλθει σε 6∙10 22 kg, και κατά τη διάρκεια ζωής του Ήλιου, πάνω από 5 δισεκατομμύρια χρόνια – 3∙10 32 kg. Ηλιακή μάζα Μ

= 2∙10 30 kg, επομένως, σε διάστημα πέντε δισεκατομμυρίων ετών, η ύλη 150 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου θα έπρεπε να έχει πέσει στον Ήλιο.

Η δεύτερη υπόθεση εκφράστηκε από τους Helmholtz και Kelvin επίσης στα μέσα του 19ου αιώνα. Πρότειναν ότι ο Ήλιος ακτινοβολεί λόγω συμπίεσης κατά 60–70 μέτρα ετησίως. Λόγος συμπίεσης - αμοιβαία έλξησωματίδια του Ήλιου, γι' αυτό και αυτή η υπόθεση ονομάζεται συστολή. Εάν κάνουμε έναν υπολογισμό σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τότε η ηλικία του Ήλιου δεν θα είναι μεγαλύτερη από 20 εκατομμύρια χρόνια, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τα σύγχρονα δεδομένα που προέκυψαν από την ανάλυση της ραδιενεργής αποσύνθεσης στοιχείων σε γεωλογικά δείγματα του εδάφους της Γης και του εδάφους. το φεγγάρι.

Η τρίτη υπόθεση σχετικά με πιθανές πηγές ηλιακής ενέργειας εκφράστηκε από τον James Jeans στις αρχές του εικοστού αιώνα. Πρότεινε ότι τα βάθη του Ήλιου περιέχουν βαριά ραδιενεργά στοιχεία που διασπώνται αυθόρμητα και εκπέμπουν ενέργεια. Για παράδειγμα, η μετατροπή του ουρανίου σε θόριο και στη συνέχεια σε μόλυβδο συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας. Η μεταγενέστερη ανάλυση αυτής της υπόθεσης έδειξε επίσης την ασυνέπειά της. ένα αστέρι που αποτελείται μόνο από ουράνιο δεν θα απελευθερώνει αρκετή ενέργεια για να παράγει την παρατηρούμενη φωτεινότητα του Ήλιου. Επιπλέον, υπάρχουν αστέρια των οποίων η φωτεινότητα είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από αυτή του αστέρα μας. Είναι απίθανο αυτά τα αστέρια να έχουν επίσης μεγαλύτερα αποθέματα ραδιενεργού υλικού.

Η πιο πιθανή υπόθεση αποδείχθηκε ότι ήταν η υπόθεση της σύνθεσης στοιχείων ως αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων στα έντερα των αστεριών.

Το 1935, ο Hans Bethe υπέθεσε ότι η πηγή ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να είναι η θερμοπυρηνική αντίδραση μετατροπής του υδρογόνου σε ήλιο. Ήταν για αυτό που η Bethe έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1967.

Η χημική σύσταση του Ήλιου είναι περίπου ίδια με αυτή των περισσότερων άλλων αστέρων. Περίπου 75% είναι υδρογόνο, 25% ήλιο και λιγότερο από 1% είναι όλα τα άλλα χημικά στοιχεία (κυρίως άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κ.λπ.). Αμέσως μετά τη γέννηση του Σύμπαντος, δεν υπήρχαν καθόλου «βαριά» στοιχεία. Όλοι αυτοί, δηλ. Στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο, ακόμη και πολλά σωματίδια άλφα, σχηματίστηκαν κατά την «καύση» του υδρογόνου στα αστέρια κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η χαρακτηριστική διάρκεια ζωής ενός αστεριού όπως ο Ήλιος είναι δέκα δισεκατομμύρια χρόνια.

Η κύρια πηγή ενέργειας είναι ο κύκλος πρωτονίου-πρωτονίου - μια πολύ αργή αντίδραση (χαρακτηριστικός χρόνος 7,9∙10 9 χρόνια), καθώς οφείλεται σε ασθενή αλληλεπίδραση. Η ουσία του είναι ότι ένας πυρήνας ηλίου σχηματίζεται από τέσσερα πρωτόνια. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται ένα ζεύγος ποζιτρονίων και ένα ζεύγος νετρίνων, καθώς και 26,7 MeV ενέργειας. Ο αριθμός των νετρίνων που εκπέμπει ο Ήλιος ανά δευτερόλεπτο καθορίζεται μόνο από τη φωτεινότητα του Ήλιου. Δεδομένου ότι 2 νετρίνα γεννιούνται όταν απελευθερώνονται 26,7 MeV, ο ρυθμός εκπομπής νετρίνων είναι: 1,8∙10 38 νετρίνα/s. Μια άμεση δοκιμή αυτής της θεωρίας είναι η παρατήρηση των ηλιακών νετρίνων. Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας (βόριο) ανιχνεύονται σε πειράματα χλωρίου-αργού (πειράματα Davis) και δείχνουν σταθερά έλλειψη νετρίνων σε σύγκριση με τη θεωρητική τιμή για το τυπικό μοντέλο του Ήλιου. Τα νετρίνα χαμηλής ενέργειας που προκύπτουν απευθείας στην αντίδραση pp καταγράφονται σε πειράματα γαλλίου-γερμανίου (GALLEX στο Gran Sasso (Ιταλία - Γερμανία) και SAGE στο Baksan (Ρωσία - ΗΠΑ)). «λείπουν» και αυτοί.

Σύμφωνα με ορισμένες υποθέσεις, εάν τα νετρίνα έχουν μάζα ηρεμίας διαφορετική από το μηδέν, είναι δυνατές ταλαντώσεις (μετασχηματισμοί) διαφορετικών τύπων νετρίνων (φαινόμενο Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων: νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυονίων). . Επειδή Δεδομένου ότι άλλα νετρίνα έχουν πολύ μικρότερες διατομές για αλληλεπίδραση με την ύλη από τα ηλεκτρόνια, το παρατηρούμενο έλλειμμα μπορεί να εξηγηθεί χωρίς να αλλάξει το τυπικό μοντέλο του Ήλιου, που χτίστηκε με βάση ολόκληρο το σύνολο των αστρονομικών δεδομένων.

Κάθε δευτερόλεπτο, ο Ήλιος επεξεργάζεται περίπου 600 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου. Τα αποθέματα πυρηνικών καυσίμων θα διαρκέσουν για άλλα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, μετά τα οποία θα μετατραπούν σταδιακά σε λευκό νάνο.

Τα κεντρικά μέρη του Ήλιου θα συστέλλονται, θα θερμαίνονται και η θερμότητα που μεταφέρεται στο εξωτερικό κέλυφος θα οδηγήσει σε διαστολή του σε μεγέθη τερατώδη σε σύγκριση με τα σύγχρονα: ο Ήλιος θα διαστέλλεται τόσο πολύ που θα απορροφήσει τον Ερμή, την Αφροδίτη και θα καταναλώσει». καύσιμο» εκατό φορές πιο γρήγορα από ό,τι σήμερα. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του μεγέθους του Ήλιου. το αστέρι μας θα γίνει ένας κόκκινος γίγαντας, το μέγεθος του οποίου είναι συγκρίσιμο με την απόσταση από τη Γη στον Ήλιο!

Φυσικά, θα γνωρίζουμε εκ των προτέρων ένα τέτοιο γεγονός, καθώς η μετάβαση σε ένα νέο στάδιο θα διαρκέσει περίπου 100-200 εκατομμύρια χρόνια. Όταν η θερμοκρασία του κεντρικού τμήματος του Ήλιου φτάσει τους 100.000.000 Κ, το ήλιο θα αρχίσει να καίγεται, μετατρέποντας σε βαριά στοιχεία και ο Ήλιος θα εισέλθει στο στάδιο των πολύπλοκων κύκλων συμπίεσης και διαστολής. Στο τελευταίο στάδιο, το αστέρι μας θα χάσει το εξωτερικό του κέλυφος, ο κεντρικός πυρήνας θα έχει απίστευτα υψηλή πυκνότητα και μέγεθος, όπως αυτό της Γης. Θα περάσουν μερικά ακόμη δισεκατομμύρια χρόνια και ο Ήλιος θα κρυώσει, μετατρέποντας σε λευκό νάνο.

3. Προβλήματα ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης

Ερευνητές από όλες τις ανεπτυγμένες χώρες εναποθέτουν τις ελπίδες τους για την υπέρβαση της επερχόμενης ενεργειακής κρίσης σε μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση. Μια τέτοια αντίδραση -η σύνθεση ηλίου από δευτέριο και τρίτιο- λαμβάνει χώρα στον Ήλιο εδώ και εκατομμύρια χρόνια και υπό γήινες συνθήκες προσπαθούν να την πραγματοποιήσουν εδώ και πενήντα χρόνια σε γιγάντιες και πανάκριβες εγκαταστάσεις λέιζερ, tokamaks. (μια συσκευή για τη διεξαγωγή αντιδράσεων θερμοπυρηνικής σύντηξης σε καυτό πλάσμα) και αστεριστές (κλειστή μαγνητική παγίδα για τον περιορισμό του πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας). Ωστόσο, υπάρχουν άλλοι τρόποι για να λυθεί αυτό το δύσκολο πρόβλημα, και αντί για τεράστια tokamaks, θα είναι πιθανώς δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας αρκετά συμπαγής και φθηνός επιταχυντής - ένας επιταχυντής δέσμης σύγκρουσης - για τη διεξαγωγή θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Το Tokamak απαιτεί πολύ μικρές ποσότητες λιθίου και δευτερίου για να λειτουργήσει. Για παράδειγμα, ένας αντιδραστήρας με ηλεκτρική ισχύ 1 GW καίει περίπου 100 kg δευτερίου και 300 kg λιθίου ετησίως. Αν υποθέσουμε ότι όλοι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης θα παράγουν 10 τρισ. kWh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως, δηλαδή την ίδια ποσότητα που παράγουν όλα τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας της Γης σήμερα, τότε τα παγκόσμια αποθέματα δευτερίου και λιθίου είναι αρκετά για να εφοδιάσουν την ανθρωπότητα με ενέργεια για πολλά εκατομμύρια χρόνια.

Εκτός από τη σύντηξη δευτερίου και λιθίου, η αμιγώς ηλιακή σύντηξη είναι δυνατή όταν συνδυάζονται δύο άτομα δευτερίου. Εάν αυτή η αντίδραση κατακτηθεί, τα ενεργειακά προβλήματα θα λυθούν αμέσως και για πάντα.

Σε οποιαδήποτε από τις γνωστές παραλλαγές της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης (CTF), οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις δεν μπορούν να εισέλθουν στη λειτουργία της ανεξέλεγκτης αύξησης της ισχύος, επομένως, τέτοιοι αντιδραστήρες δεν είναι εγγενώς ασφαλείς.

Σίβκοβα Όλγα Ντμίτριεβνα

Αυτή η εργασία κατέλαβε την 3η θέση στο περιφερειακό εκπαιδευτικό ίδρυμα

Κατεβάστε:

Προεπισκόπηση:

Δημοτικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα

Μέση τιμή ολοκληρωμένο σχολείο №175

Συνοικία Λένινσκι του Ν. Νόβγκοροντ

Προβλήματα θερμοπυρηνικής σύντηξης

Συμπλήρωσε: Sivkova Olga Dmitrievna

Μαθητής της τάξης 11 «Α», σχολείο Νο 175

Επιστημονικός Σύμβουλος:

Kirzhaeva D. G.

Νίζνι Νόβγκοροντ

έτος 2013.

Εισαγωγή 3

2. Ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη 8

3. Πλεονεκτήματα της θερμοπυρηνικής σύντηξης 10

4. Προβλήματα θερμοπυρηνικής σύντηξης 12

4.1 Οικολογικά προβλήματα 15

4.2 Ιατρικά προβλήματα 16

5. Θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις 18

6. Προοπτικές για την ανάπτυξη της θερμοπυρηνικής σύντηξης 23

Συμπέρασμα 26

Λογοτεχνία 27

Εισαγωγή

Σύμφωνα με διάφορες προβλέψεις, οι κύριες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας στον πλανήτη θα εξαντληθούν σε 50-100 χρόνια. Η ανθρωπότητα θα εξαντλήσει τα αποθέματα πετρελαίου της σε 40 χρόνια, τα αποθέματα φυσικού αερίου το πολύ σε 80 χρόνια και τα αποθέματα ουρανίου σε 80-100 χρόνια. Τα αποθέματα άνθρακα μπορεί να διαρκέσουν για 400 χρόνια, αλλά η χρήση αυτού του οργανικού καυσίμου, και ως το κύριο, θέτει τον πλανήτη στο χείλος της περιβαλλοντικής καταστροφής. Αν δεν σταματήσει σήμερα μια τέτοια ανελέητη ατμοσφαιρική ρύπανση, οι αιώνες αποκλείονται. Που σημαίνει εναλλακτική πηγήΧρειαζόμαστε ενέργεια για το άμεσο μέλλον.

Και υπάρχει μια τέτοια πηγή. Αυτή είναι η θερμοπυρηνική ενέργεια, η οποία χρησιμοποιεί απολύτως μη ραδιενεργό δευτέριο και ραδιενεργό τρίτιο, αλλά σε όγκους χιλιάδες φορές μικρότερους από ό,τι στην πυρηνική ενέργεια. Και αυτή η πηγή είναι πρακτικά ανεξάντλητη, βασίζεται στη σύγκρουση πυρήνων υδρογόνου και το υδρογόνο είναι η πιο κοινή ουσία στο Σύμπαν.

Ένα από τα πιο σημαντικά καθήκοντα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σε αυτόν τον τομέα είναιπρόβλημα ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Ο ανθρώπινος πολιτισμός δεν μπορεί να υπάρξει, πόσο μάλλον να αναπτυχθεί, χωρίς ενέργεια. Όλοι καταλαβαίνουν καλά ότι οι ανεπτυγμένες πηγές ενέργειας, δυστυχώς, μπορεί σύντομα να εξαντληθούν. Σύμφωνα με το Παγκόσμιο Συμβούλιο Ενέργειας, υπάρχουν 30 χρόνια αποδεδειγμένα αποθέματα καυσίμων υδρογονανθράκων στη Γη.

Σήμερα οι κύριες πηγές ενέργειας είναι το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και ο άνθρακας.

Σύμφωνα με τους ειδικούς, τα αποθέματα αυτών των ορυκτών εξαντλούνται. Δεν έχουν απομείνει σχεδόν καθόλου εξερευνημένα, εκμεταλλεύσιμα κοιτάσματα πετρελαίου και τα εγγόνια μας μπορεί ήδη να αντιμετωπίζουν ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα ελλείψεων ενέργειας.

Οι πιο πλούσιοι σε καύσιμα πυρηνικοί σταθμοί θα μπορούσαν, φυσικά, να προμηθεύουν την ανθρωπότητα με ηλεκτρική ενέργεια για εκατοντάδες χρόνια.

Αντικείμενο μελέτης:Προβλήματα ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη.

Αντικείμενο μελέτης:Θερμοπυρηνική σύντηξη.

Σκοπός έρευνας:Επίλυση του προβλήματος του ελέγχου της θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Στόχοι της έρευνας:

• Μελετήστε τα είδη των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.
• Εξετάστε όλες τις πιθανές επιλογές για τη μεταφορά της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης σε ένα άτομο.
• Να προτείνετε μια θεωρία για τη μετατροπή της ενέργειας σε ηλεκτρική.

Ιστορικό γεγονός:

Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση ή τη σύντηξη των ατομικών πυρήνων. Οποιαδήποτε ενέργεια - φυσική, χημική ή πυρηνική - εκδηλώνεται με την ικανότητά της να εκτελεί έργο, να εκπέμπει θερμότητα ή ακτινοβολία. Η ενέργεια σε οποιοδήποτε σύστημα διατηρείται πάντα, αλλά μπορεί να μεταφερθεί σε άλλο σύστημα ή να αλλάξει μορφή.

Κατόρθωμα Οι συνθήκες για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη παρεμποδίζονται από διάφορα κύρια προβλήματα:

• Πρώτα, πρέπει να θερμάνετε το αέριο σε πολύ υψηλή θερμοκρασία.
• Δεύτερον, είναι απαραίτητος ο έλεγχος του αριθμού των αντιδρώντων πυρήνων για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα.
• Τρίτον, η ποσότητα της ενέργειας που απελευθερώνεται πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή που δαπανήθηκε για τη θέρμανση και να περιορίσει την πυκνότητα του αερίου.
• Το επόμενο πρόβλημα είναι η αποθήκευση αυτής της ενέργειας και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια.

1. Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο

Ποια είναι η πηγή της ηλιακής ενέργειας; Ποια είναι η φύση των διεργασιών που παράγουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας; Πόσο καιρό θα συνεχίσει να λάμπει ο ήλιος;

Οι πρώτες προσπάθειες απάντησης σε αυτά τα ερωτήματα έγιναν από αστρονόμους στα μέσα του 19ου αιώνα, αφού οι φυσικοί διατύπωσαν το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Ο Robert Mayer πρότεινε ότι ο Ήλιος λάμπει λόγω του συνεχούς βομβαρδισμού της επιφάνειας από μετεωρίτες και μετεωρικά σωματίδια. Η υπόθεση αυτή απορρίφθηκε, αφού ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι για να διατηρηθεί η φωτεινότητα του Ήλιου στο σημερινό επίπεδο, είναι απαραίτητο να πέφτουν 2∙10 πάνω του κάθε δευτερόλεπτο. 15 κιλά μετεωρικού υλικού. Κατά τη διάρκεια ενός έτους αυτό θα ανέλθει σε 6∙10 22 kg, και κατά τη διάρκεια της ύπαρξης του Ήλιου, πάνω από 5 δισεκατομμύρια χρόνια - 3∙10 32 κιλό. Ηλιακή μάζα Μ = 2∙10 30 kg, άρα σε πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, η ύλη 150 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου θα έπρεπε να είχε πέσει στον Ήλιο.

Η δεύτερη υπόθεση εκφράστηκε από τους Helmholtz και Kelvin επίσης στα μέσα του 19ου αιώνα. Πρότειναν ότι ο Ήλιος ακτινοβολεί λόγω συμπίεσης κατά 60–70 μέτρα ετησίως. Ο λόγος της συμπίεσης είναι η αμοιβαία έλξη των σωματιδίων του Ήλιου, γι' αυτό και αυτή η υπόθεση ονομάστηκεσυσταλτικός . Εάν κάνουμε έναν υπολογισμό σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τότε η ηλικία του Ήλιου δεν θα είναι μεγαλύτερη από 20 εκατομμύρια χρόνια, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τα σύγχρονα δεδομένα που προέκυψαν από την ανάλυση της ραδιενεργής αποσύνθεσης στοιχείων σε γεωλογικά δείγματα του εδάφους της Γης και του εδάφους. το φεγγάρι.

Η τρίτη υπόθεση σχετικά με πιθανές πηγές ηλιακής ενέργειας εκφράστηκε από τον James Jeans στις αρχές του εικοστού αιώνα. Πρότεινε ότι τα βάθη του Ήλιου περιέχουν βαριά ραδιενεργά στοιχεία που διασπώνται αυθόρμητα και εκπέμπουν ενέργεια. Για παράδειγμα, η μετατροπή του ουρανίου σε θόριο και στη συνέχεια σε μόλυβδο συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας. Η μεταγενέστερη ανάλυση αυτής της υπόθεσης έδειξε επίσης την ασυνέπειά της. ένα αστέρι που αποτελείται μόνο από ουράνιο δεν θα απελευθερώνει αρκετή ενέργεια για να παράγει την παρατηρούμενη φωτεινότητα του Ήλιου. Επιπλέον, υπάρχουν αστέρια των οποίων η φωτεινότητα είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από αυτή του αστέρα μας. Είναι απίθανο αυτά τα αστέρια να έχουν επίσης μεγαλύτερα αποθέματα ραδιενεργού υλικού.

Η πιο πιθανή υπόθεση αποδείχθηκε ότι ήταν η υπόθεση της σύνθεσης στοιχείων ως αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων στα έντερα των αστεριών.

Το 1935, ο Hans Bethe υπέθεσε ότι η πηγή ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να είναι η θερμοπυρηνική αντίδραση μετατροπής του υδρογόνου σε ήλιο. Ήταν για αυτό που η Bethe έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1967.

Η χημική σύσταση του Ήλιου είναι περίπου ίδια με αυτή των περισσότερων άλλων αστέρων. Περίπου 75% είναι υδρογόνο, 25% ήλιο και λιγότερο από 1% είναι όλα τα άλλα χημικά στοιχεία (κυρίως άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κ.λπ.). Αμέσως μετά τη γέννηση του Σύμπαντος, δεν υπήρχαν καθόλου «βαριά» στοιχεία. Όλοι αυτοί, δηλ. Στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο, ακόμη και πολλά σωματίδια άλφα, σχηματίστηκαν κατά την «καύση» του υδρογόνου στα αστέρια κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η χαρακτηριστική διάρκεια ζωής ενός αστεριού όπως ο Ήλιος είναι δέκα δισεκατομμύρια χρόνια.

Η κύρια πηγή ενέργειας είναικύκλος πρωτονίου-πρωτονίου – πολύ αργή αντίδραση (χαρακτηριστικός χρόνος 7,9∙10 9 χρόνια), καθώς οφείλεται σε αδύναμη αλληλεπίδραση. Η ουσία του είναι ότι ένας πυρήνας ηλίου σχηματίζεται από τέσσερα πρωτόνια. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται ένα ζεύγος ποζιτρονίων και ένα ζεύγος νετρίνων, καθώς και 26,7 MeV ενέργειας. Ο αριθμός των νετρίνων που εκπέμπει ο Ήλιος ανά δευτερόλεπτο καθορίζεται μόνο από τη φωτεινότητα του Ήλιου. Δεδομένου ότι 2 νετρίνα γεννιούνται όταν απελευθερώνονται 26,7 MeV, ο ρυθμός εκπομπής νετρίνων είναι: 1,8∙10 38 νετρίνο/α. Μια άμεση δοκιμή αυτής της θεωρίας είναι η παρατήρηση των ηλιακών νετρίνων. Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας (βόριο) ανιχνεύονται σε πειράματα χλωρίου-αργού (πειράματα Davis) και δείχνουν σταθερά έλλειψη νετρίνων σε σύγκριση με τη θεωρητική τιμή για το τυπικό μοντέλο του Ήλιου. Τα νετρίνα χαμηλής ενέργειας που προκύπτουν απευθείας στην αντίδραση pp καταγράφονται σε πειράματα γαλλίου-γερμανίου (GALLEX στο Gran Sasso (Ιταλία - Γερμανία) και SAGE στο Baksan (Ρωσία - ΗΠΑ)). «λείπουν» και αυτοί.

Σύμφωνα με ορισμένες υποθέσεις, εάν τα νετρίνα έχουν μάζα ηρεμίας διαφορετική από το μηδέν, είναι δυνατές ταλαντώσεις (μετασχηματισμοί) διαφορετικών τύπων νετρίνων (φαινόμενο Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων: νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυονίων). . Επειδή Δεδομένου ότι άλλα νετρίνα έχουν πολύ μικρότερες διατομές για αλληλεπίδραση με την ύλη από τα ηλεκτρόνια, το παρατηρούμενο έλλειμμα μπορεί να εξηγηθεί χωρίς να αλλάξει το τυπικό μοντέλο του Ήλιου, που χτίστηκε με βάση ολόκληρο το σύνολο των αστρονομικών δεδομένων.

Κάθε δευτερόλεπτο, ο Ήλιος επεξεργάζεται περίπου 600 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου. Τα αποθέματα πυρηνικών καυσίμων θα διαρκέσουν για άλλα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, μετά τα οποία θα μετατραπούν σταδιακά σε λευκό νάνο.

Τα κεντρικά μέρη του Ήλιου θα συστέλλονται, θα θερμαίνονται και η θερμότητα που μεταφέρεται στο εξωτερικό κέλυφος θα οδηγήσει σε διαστολή του σε μεγέθη τερατώδη σε σύγκριση με τα σύγχρονα: ο Ήλιος θα διαστέλλεται τόσο πολύ που θα απορροφήσει τον Ερμή, την Αφροδίτη και θα καταναλώσει». καύσιμο» εκατό φορές πιο γρήγορα από ό,τι σήμερα. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του μεγέθους του Ήλιου. το αστέρι μας θα γίνει ένας κόκκινος γίγαντας, το μέγεθος του οποίου είναι συγκρίσιμο με την απόσταση από τη Γη στον Ήλιο!

Φυσικά, θα γνωρίζουμε εκ των προτέρων ένα τέτοιο γεγονός, καθώς η μετάβαση σε ένα νέο στάδιο θα διαρκέσει περίπου 100-200 εκατομμύρια χρόνια. Όταν η θερμοκρασία του κεντρικού τμήματος του Ήλιου φτάσει τους 100.000.000 Κ, το ήλιο θα αρχίσει να καίγεται, μετατρέποντας σε βαριά στοιχεία και ο Ήλιος θα εισέλθει στο στάδιο των πολύπλοκων κύκλων συμπίεσης και διαστολής. Στο τελευταίο στάδιο, το αστέρι μας θα χάσει το εξωτερικό του κέλυφος, ο κεντρικός πυρήνας θα έχει απίστευτα υψηλή πυκνότητα και μέγεθος, όπως αυτό της Γης. Θα περάσουν μερικά ακόμη δισεκατομμύρια χρόνια και ο Ήλιος θα κρυώσει, μετατρέποντας σε λευκό νάνο.

2. Ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη.

Η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF) είναι η σύνθεση βαρύτερων ατομικών πυρήνων από ελαφρύτερους προκειμένου να ληφθεί ενέργεια, η οποία, σε αντίθεση με την εκρηκτική θερμοπυρηνική σύντηξη (που χρησιμοποιείται στα θερμοπυρηνικά όπλα), είναι ελεγχόμενης φύσης. Η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη διαφέρει από την παραδοσιακή πυρηνική ενέργεια στο ότι η τελευταία χρησιμοποιεί μια αντίδραση διάσπασης, κατά την οποία παράγονται ελαφρύτεροι πυρήνες από βαρείς πυρήνες. Οι κύριες πυρηνικές αντιδράσεις που σχεδιάζονται να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης θα χρησιμοποιούν δευτέριο ( 2 Η) και τρίτιο (3 H), και μακροπρόθεσμα ήλιο-3 ( 3 He) και βόριο-11 (11 B).

Η ελεγχόμενη σύντηξη μπορεί να χρησιμοποιεί διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων σύντηξης ανάλογα με τον τύπο του καυσίμου που χρησιμοποιείται.

Το δευτέριο είναι ένα θερμοπυρηνικό καύσιμο. 2 D 1, τρίτιο 3 T 1 και 6 Li 3 . Το κύριο πυρηνικό καύσιμο αυτού του τύπου είναι το δευτέριο. 6 Λι 3 χρησιμεύει ως πρώτη ύλη για την παραγωγή δευτερογενούς θερμοπυρηνικού καυσίμου –τρίτιο.

Τρίτιο 3 Τ 1 - υπερβαρύ υδρογόνο 3 Ν 1 – λαμβάνεται με ακτινοβολία φυσικού Li ( 7,52% 6 Li 3 ) νετρόνια και σωματίδια άλφα ( 4 α 2 - πυρήνες ατόμων ηλίου 4 Όχι 2 ). Το δευτέριο αναμεμειγμένο με τρίτιο και 6 Li 3 (με τη μορφή LiD και LiТ ). Όταν πραγματοποιούνται αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης σε καύσιμα, συμβαίνουν αντιδράσεις σύντηξης πυρήνων ηλίου (σε θερμοκρασίες δεκάδων έως εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών). Τα εκπεμπόμενα νετρόνια απορροφώνται από τους πυρήνες 6 Λι 3 , σε αυτή την περίπτωση σχηματίζεται επιπλέον ποσότητα τριτίου σύμφωνα με την αντίδραση: 6 Li 3 + 1 p 0 = 3 T 1 + 4 He 2 ( στην αντίδραση του αθροίσματος μαζών αριθμών 6+1=3+4 και άθροισμα χρεώσεων 3+0=1+2 πρέπει να είναι το ίδιο και στις δύο πλευρές της εξίσωσης). Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης σύντηξης, δύο πυρήνες δευτερίου (βαρύ υδρογόνο) παράγουν έναν πυρήνα τριτίου (υπερβαρύ υδρογόνο) και ένα πρωτόνιο (πυρήνα ενός κανονικού ατόμου υδρογόνου): 2 D 1 + 2 D 1 = 3 T 1 + 1 P 1; Η αντίδραση μπορεί να προχωρήσει σε διαφορετική διαδρομή, με το σχηματισμό ενός πυρήνα ισοτόπου ηλίου 3 He 2 και νετρόνιο 1 n 0: 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 n 0. Το τρίτιο αντιδρά με το δευτέριο, εμφανίζονται ξανά νετρόνια με τα οποία μπορούν να αλληλεπιδράσουν 6 Li 3: 2 D 1 + 3 T 1 = 4 He 2 + 1 n 0 και τα λοιπά. Η θερμογόνος δύναμη του θερμοπυρηνικού καυσίμου είναι 5-6 φορές υψηλότερη από αυτή των σχάσιμων υλικών. Τα αποθέματα δευτερίου στην υδρόσφαιρα είναι της τάξης του 10 13 τ . Ωστόσο, επί του παρόντος, πραγματοποιούνται πρακτικά μόνο ανεξέλεγκτες αντιδράσεις (έκρηξη), διεξάγεται ευρεία έρευνα για μεθόδους υλοποίησης μιας ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης, η οποία κατ 'αρχήν καθιστά δυνατή την παροχή ενέργειας στην ανθρωπότητα για σχεδόν απεριόριστο χρονικό διάστημα.

3.Πλεονεκτήματα της θερμοπυρηνικής σύντηξης

Ποια πλεονεκτήματα έχει η θερμοπυρηνική σύντηξη σε σχέση με τις αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης, που μας επιτρέπουν να ελπίζουμε στη μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη της θερμοπυρηνικής ενέργειας; Η κύρια και θεμελιώδης διαφορά είναι η απουσία μακρόβιου ραδιενεργά απόβλητα, που είναι τυπικά για τους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης. Και παρόλο που κατά τη λειτουργία ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα το πρώτο τοίχωμα ενεργοποιείται από νετρόνια, η επιλογή των κατάλληλων δομικών υλικών χαμηλής ενεργοποίησης ανοίγει τη θεμελιώδη δυνατότητα δημιουργίας ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα στον οποίο η επαγόμενη δραστηριότητα του πρώτου τοιχώματος θα μειωθεί πλήρως. ασφαλές επίπεδο τριάντα χρόνια μετά τη διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα. Αυτό σημαίνει ότι ένας εξαντλημένος αντιδραστήρας θα χρειαστεί να φουσκώσει μόνο για 30 χρόνια, μετά τα οποία τα υλικά μπορούν να ανακυκλωθούν και να χρησιμοποιηθούν σε έναν νέο αντιδραστήρα σύνθεσης. Αυτή η κατάσταση είναι θεμελιωδώς διαφορετική από τους αντιδραστήρες σχάσης, οι οποίοι παράγουν ραδιενεργά απόβλητα που απαιτούν επανεπεξεργασία και αποθήκευση για δεκάδες χιλιάδες χρόνια. Εκτός από τη χαμηλή ραδιενέργεια, η θερμοπυρηνική ενέργεια έχει τεράστια, πρακτικά ανεξάντλητα αποθέματα καυσίμων και άλλων απαραίτητων υλικών, επαρκή για την παραγωγή ενέργειας για πολλές εκατοντάδες, αν όχι χιλιάδες χρόνια.

Αυτά τα πλεονεκτήματα ήταν που ώθησαν τις μεγάλες πυρηνικές χώρες να ξεκινήσουν μεγάλης κλίμακας έρευνα για την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη στα μέσα της δεκαετίας του '50. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, οι πρώτες επιτυχημένες δοκιμές βομβών υδρογόνου είχαν ήδη πραγματοποιηθεί στη Σοβιετική Ένωση και τις Ηνωμένες Πολιτείες, οι οποίες επιβεβαίωσαν τη θεμελιώδη δυνατότητα χρήσης της ενέργειας πυρηνικής σύντηξης σε επίγειες συνθήκες. Από την αρχή έγινε σαφές ότι η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη δεν είχε στρατιωτική εφαρμογή. Η έρευνα αποχαρακτηρίστηκε το 1956 και έκτοτε διεξάγεται στο πλαίσιο της ευρείας διεθνούς συνεργασίας. Η βόμβα υδρογόνου δημιουργήθηκε σε λίγα μόλις χρόνια και εκείνη την εποχή φαινόταν ότι ο στόχος ήταν κοντά και ότι οι πρώτες μεγάλες πειραματικές εγκαταστάσεις, που κατασκευάστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του '50, θα παρήγαγαν θερμοπυρηνικό πλάσμα. Ωστόσο, χρειάστηκαν περισσότερα από 40 χρόνια έρευνας για να δημιουργηθούν συνθήκες υπό τις οποίες η απελευθέρωση της θερμοπυρηνικής ενέργειας είναι συγκρίσιμη με τη θερμαντική ισχύ του αντιδρώντος μείγματος. Το 1997, η μεγαλύτερη θερμοπυρηνική εγκατάσταση, η ευρωπαϊκή TOKAMAK (JET), έλαβε 16 MW θερμοπυρηνικής ισχύος και πλησίασε αυτό το όριο.

Ποιος ήταν ο λόγος αυτής της καθυστέρησης; Αποδείχθηκε ότι για να επιτευχθεί ο στόχος, οι φυσικοί και οι μηχανικοί έπρεπε να λύσουν πολλά προβλήματα για τα οποία δεν είχαν ιδέα στην αρχή του ταξιδιού. Κατά τη διάρκεια αυτών των 40 ετών, δημιουργήθηκε η επιστήμη της φυσικής του πλάσματος, η οποία κατέστησε δυνατή την κατανόηση και την περιγραφή των πολύπλοκων φυσικών διεργασιών που συμβαίνουν στο αντιδρών μίγμα. Οι μηχανικοί χρειάζονταν να λύσουν εξίσου πολύπλοκα προβλήματα, συμπεριλαμβανομένης της εκμάθησης πώς να δημιουργούν βαθιά κενά σε μεγάλους όγκους, την επιλογή και τη δοκιμή κατάλληλων δομικών υλικών, την ανάπτυξη μεγάλων υπεραγώγιμων μαγνητών, ισχυρών λέιζερ και πηγών ακτίνων Χ, την ανάπτυξη συστημάτων παλμικής ισχύος ικανών να δημιουργούν ισχυρές δέσμες σωματιδίων , αναπτύξτε μεθόδους για θέρμανση του μείγματος υψηλής συχνότητας και πολλά άλλα.

4. Προβλήματα ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης

Ερευνητές από όλες τις ανεπτυγμένες χώρες εναποθέτουν τις ελπίδες τους για την υπέρβαση της επερχόμενης ενεργειακής κρίσης σε μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση. Μια τέτοια αντίδραση -η σύνθεση ηλίου από δευτέριο και τρίτιο- λαμβάνει χώρα στον Ήλιο εδώ και εκατομμύρια χρόνια και υπό γήινες συνθήκες προσπαθούν να την πραγματοποιήσουν εδώ και πενήντα χρόνια σε γιγάντιες και πανάκριβες εγκαταστάσεις λέιζερ, tokamaks. (μια συσκευή για τη διεξαγωγή αντιδράσεων θερμοπυρηνικής σύντηξης σε καυτό πλάσμα) και αστεριστές (κλειστή μαγνητική παγίδα για τον περιορισμό του πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας). Ωστόσο, υπάρχουν άλλοι τρόποι για να λυθεί αυτό το δύσκολο πρόβλημα, και αντί για τεράστια tokamaks, θα είναι πιθανώς δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας αρκετά συμπαγής και φθηνός επιταχυντής - ένας επιταχυντής δέσμης σύγκρουσης - για τη διεξαγωγή θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Το Tokamak απαιτεί πολύ μικρές ποσότητες λιθίου και δευτερίου για να λειτουργήσει. Για παράδειγμα, ένας αντιδραστήρας με ηλεκτρική ισχύ 1 GW καίει περίπου 100 kg δευτερίου και 300 kg λιθίου ετησίως. Αν υποθέσουμε ότι όλοι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης θα παράγουν 10 τρισ. kWh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως, δηλαδή την ίδια ποσότητα που παράγουν όλα τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας της Γης σήμερα, τότε τα παγκόσμια αποθέματα δευτερίου και λιθίου είναι αρκετά για να εφοδιάσουν την ανθρωπότητα με ενέργεια για πολλά εκατομμύρια χρόνια.

Εκτός από τη σύντηξη δευτερίου και λιθίου, η αμιγώς ηλιακή σύντηξη είναι δυνατή όταν συνδυάζονται δύο άτομα δευτερίου. Εάν αυτή η αντίδραση κατακτηθεί, τα ενεργειακά προβλήματα θα λυθούν αμέσως και για πάντα.

Σε οποιαδήποτε από τις γνωστές παραλλαγές της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης (CTF), οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις δεν μπορούν να εισέλθουν στη λειτουργία της ανεξέλεγκτης αύξησης της ισχύος, επομένως, τέτοιοι αντιδραστήρες δεν είναι εγγενώς ασφαλείς.

Από φυσική άποψη, το πρόβλημα διατυπώνεται απλά. Για να πραγματοποιηθεί μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση πυρηνικής σύντηξης, είναι απαραίτητο και αρκετό να πληρούνται δύο προϋποθέσεις.

1. Η ενέργεια των πυρήνων που συμμετέχουν στην αντίδραση πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 keV. Για να συμβεί η πυρηνική σύντηξη, οι πυρήνες που εμπλέκονται στην αντίδραση πρέπει να εισέλθουν στο πεδίο πυρηνικές δυνάμεις, το εύρος των οποίων είναι 10-12-10-13 cm. Ωστόσο, οι ατομικοί πυρήνες έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και τα όμοια φορτία απωθούνται. Στο όριο της δράσης των πυρηνικών δυνάμεων, η ενέργεια απώθησης Coulomb είναι της τάξης των 10 keV. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, οι πυρήνες κατά τη σύγκρουση πρέπει να έχουν κινητική ενέργεια τουλάχιστον όχι μικρότερη από αυτή την τιμή.
2. Το γινόμενο της συγκέντρωσης των αντιδρώντων πυρήνων και του χρόνου συγκράτησης κατά τον οποίο διατηρούν την καθορισμένη ενέργεια πρέπει να είναι τουλάχιστον 1014 s.cm-3. Αυτή η συνθήκη - το λεγόμενο κριτήριο Lawson - καθορίζει το όριο του ενεργειακού οφέλους της αντίδρασης. Προκειμένου η ενέργεια που απελευθερώνεται στην αντίδραση σύντηξης να καλύψει τουλάχιστον το ενεργειακό κόστος της έναρξης της αντίδρασης, οι ατομικοί πυρήνες πρέπει να υποστούν πολλές συγκρούσεις. Σε κάθε σύγκρουση στην οποία λαμβάνει χώρα μια αντίδραση σύντηξης μεταξύ δευτερίου (D) και τριτίου (Τ), απελευθερώνονται 17,6 MeV ενέργειας, δηλαδή περίπου 3,10-12 J. Εάν, για παράδειγμα, δαπανηθούν 10 MJ ενέργειας στην ανάφλεξη, τότε το Η αντίδραση θα είναι ασύμφορη εάν τουλάχιστον 3.1018 συμμετέχουν σε αυτήν ατμός D-T. Και για αυτό, ένα αρκετά πυκνό πλάσμα υψηλής ενέργειας πρέπει να διατηρηθεί στον αντιδραστήρα για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτή η συνθήκη εκφράζεται με το κριτήριο Lawson.

Εάν και οι δύο απαιτήσεις μπορούν να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα, το πρόβλημα της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης θα λυθεί.

Ωστόσο, η τεχνική υλοποίηση αυτού του φυσικού προβλήματος αντιμετωπίζει τεράστιες δυσκολίες. Εξάλλου, μια ενέργεια 10 keV είναι μια θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών. Μια ουσία μπορεί να διατηρηθεί σε αυτή τη θερμοκρασία μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου στο κενό, απομονώνοντάς την από τα τοιχώματα της εγκατάστασης.

Αλλά υπάρχει μια άλλη μέθοδος επίλυσης αυτού του προβλήματος - ψυχρή σύντηξη. Τι είναι μια ψυχρή θερμοπυρηνική αντίδραση Είναι ένα ανάλογο μιας «θερμής» θερμοπυρηνικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου.

Στη φύση, υπάρχουν τουλάχιστον δύο τρόποι αλλαγής της ύλης μέσα σε μια διάσταση του συνεχούς. Μπορείτε να βράσετε νερό σε φωτιά, δηλ. θερμικά ή σε φούρνο μικροκυμάτων, δηλ. συχνότητα. Το αποτέλεσμα είναι το ίδιο - το νερό βράζει, η μόνη διαφορά είναι ότι η μέθοδος συχνότητας είναι ταχύτερη. Η επίτευξη εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών χρησιμοποιείται επίσης για τη διάσπαση του πυρήνα ενός ατόμου. Η θερμική μέθοδος παράγει μια ανεξέλεγκτη πυρηνική αντίδραση. Η ενέργεια ενός ψυχρού θερμοπυρηνικού είναι η ενέργεια της μεταβατικής κατάστασης. Μία από τις κύριες προϋποθέσεις για το σχεδιασμό ενός αντιδραστήρα για τη διεξαγωγή ψυχρής θερμοπυρηνικής αντίδρασης είναι η κατάσταση του πυραμιδικού κρυσταλλικού του σχήματος. Μια άλλη σημαντική προϋπόθεση είναι η παρουσία περιστρεφόμενων μαγνητικών πεδίων και πεδίων στρέψης. Η τομή των πεδίων συμβαίνει στο σημείο ασταθούς ισορροπίας του πυρήνα του υδρογόνου.

Οι επιστήμονες Ruzi Taleyarkhan από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, ο Richard Lahey από το Πολυτεχνείο. Ο Rensilira και ο ακαδημαϊκός Robert Nigmatulin κατέγραψαν μια ψυχρή θερμοπυρηνική αντίδραση σε εργαστηριακές συνθήκες.

Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα ποτήρι με υγρή ακετόνη μεγέθους δύο έως τριών ποτηριών. Τα ηχητικά κύματα μεταδίδονταν έντονα μέσω του υγρού, παράγοντας ένα φαινόμενο γνωστό στη φυσική ως ακουστική σπηλαίωση, που οδηγεί σε ηχοφωταύγεια. Κατά τη διάρκεια της σπηλαίωσης, στο υγρό εμφανίστηκαν μικρές φυσαλίδες, οι οποίες αυξήθηκαν στα δύο χιλιοστά σε διάμετρο και εξερράγησαν. Οι εκρήξεις συνοδεύονταν από λάμψεις φωτός και απελευθέρωση ενέργειας δηλ. η θερμοκρασία μέσα στις φυσαλίδες τη στιγμή της έκρηξης έφτασε τους 10 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν και η απελευθερωμένη ενέργεια, σύμφωνα με τους πειραματιστές, είναι αρκετή για να πραγματοποιήσει τη θερμοπυρηνική σύντηξη.

«Τεχνικά», η ουσία της αντίδρασης είναι ότι ως αποτέλεσμα του συνδυασμού δύο ατόμων δευτερίου, σχηματίζεται ένα τρίτο - ένα ισότοπο υδρογόνου, γνωστό ως τρίτιο, και ένα νετρόνιο, που χαρακτηρίζεται από μια κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας.

4.1 Οικονομικά προβλήματα

Κατά τη δημιουργία ενός TCB, θεωρείται ότι θα είναι μια μεγάλη εγκατάσταση εξοπλισμένη με ισχυρούς υπολογιστές. Θα είναι μια ολόκληρη μικρή πόλη. Αλλά σε περίπτωση ατυχήματος ή βλάβης εξοπλισμού, η λειτουργία του σταθμού θα διακοπεί.

Αυτό δεν προβλέπεται, για παράδειγμα, σε σύγχρονους σχεδιασμούς πυρηνικών σταθμών. Πιστεύεται ότι το κύριο πράγμα είναι να τα κατασκευάσουμε και αυτό που συμβαίνει μετά δεν είναι σημαντικό.

Αν όμως αποτύχει 1 σταθμός, πολλές πόλεις θα μείνουν χωρίς ρεύμα. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στο παράδειγμα των πυρηνικών σταθμών στην Αρμενία. Η απομάκρυνση των ραδιενεργών αποβλήτων έχει γίνει πολύ δαπανηρή. Μετά από αίτημα των πρασίνων έκλεισε το πυρηνικό εργοστάσιο. Ο πληθυσμός έμεινε χωρίς ρεύμα, ο εξοπλισμός του εργοστασίου ήταν φθαρμένος και τα χρήματα που διέθεσαν διεθνείς οργανισμοί για την αποκατάσταση σπαταλήθηκαν.

Σοβαρό οικονομικό πρόβλημα είναι η απορρύπανση εγκαταλελειμμένων εγκαταστάσεων παραγωγής όπου γινόταν επεξεργασία ουρανίου. Για παράδειγμα, «η πόλη Ακτάου έχει το δικό της μικρό «Τσέρνομπιλ». Βρίσκεται στην επικράτεια του χημικού-υδρομεταλλουργικού εργοστασίου (KhMZ). Η ακτινοβολία υποβάθρου γάμμα στο εργαστήριο επεξεργασίας ουρανίου (HMC) σε ορισμένα σημεία φτάνει τα 11.000 μικρο- roentgens ανά ώρα, μέσο επίπεδοφόντο - 200 microroentgen (Το συνηθισμένο φυσικό υπόβαθρο είναι από 10 έως 25 microroentgen ανά ώρα). Μετά τη διακοπή λειτουργίας του εργοστασίου, δεν πραγματοποιήθηκε καμία απολύμανση εδώ. Ένα σημαντικό μέρος του εξοπλισμού, περίπου δεκαπέντε χιλιάδες τόνοι, έχει ήδη αμετάκλητη ραδιενέργεια. Ταυτόχρονα, τέτοια επικίνδυνα αντικείμενα αποθηκεύονται κάτω ύπαιθρο, φυλάσσονται ελάχιστα και απομακρύνονται συνεχώς από το έδαφος του KhGMZ.

Επομένως, καθώς δεν υπάρχουν αιώνιες παραγωγές, λόγω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών, το TTS μπορεί να κλείσει και τότε αντικείμενα και μέταλλα από την επιχείρηση θα καταλήξουν στην αγορά και ο τοπικός πληθυσμός θα υποφέρει.

Το σύστημα ψύξης του UTS θα χρησιμοποιεί νερό. Αλλά σύμφωνα με περιβαλλοντολόγους, αν πάρουμε στατιστικά στοιχεία από πυρηνικούς σταθμούς, το νερό από αυτές τις δεξαμενές δεν είναι κατάλληλο για πόσιμο.

Σύμφωνα με τους ειδικούς, η δεξαμενή είναι γεμάτη βαριά μέταλλα(συγκεκριμένα, θόριο-232), και σε ορισμένα σημεία το επίπεδο της ακτινοβολίας γάμμα φθάνει τα 50 - 60 μικρορεντογόνα ανά ώρα.

Δηλαδή τώρα, κατά την κατασκευή πυρηνικού σταθμού, δεν προβλέπονται μέσα που θα επέστρεφαν την περιοχή στην αρχική της κατάσταση. Και μετά το κλείσιμο της επιχείρησης, κανείς δεν ξέρει πώς να θάψει τα συσσωρευμένα απόβλητα και να καθαρίσει την πρώην επιχείρηση.

4.2 Ιατρικά προβλήματα

Οι επιβλαβείς επιπτώσεις του CTS περιλαμβάνουν την παραγωγή μεταλλαγμένων ιών και βακτηρίων που παράγουν επιβλαβείς ουσίες. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για ιούς και βακτήρια που βρίσκονται στο ανθρώπινο σώμα. Εμφάνιση κακοήθεις όγκουςκαι ο καρκίνος, πιθανότατα θα είναι μια κοινή ασθένεια μεταξύ των κατοίκων των χωριών που ζουν κοντά στο UTS. Οι κάτοικοι υποφέρουν πάντα περισσότερο γιατί δεν έχουν μέσα προστασίας. Τα δοσίμετρα είναι ακριβά και τα φάρμακα δεν είναι διαθέσιμα. Τα απόβλητα από το CTS θα απορρίπτονται σε ποτάμια, θα εξαερίζονται στον αέρα ή θα αντλούνται σε υπόγεια στρώματα, κάτι που συμβαίνει τώρα στους πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Εκτός από τη βλάβη που εμφανίζεται αμέσως μετά την έκθεση σε υψηλές δόσεις, η ιονίζουσα ακτινοβολία προκαλεί μακροπρόθεσμες συνέπειες. Κυρίως καρκινογένεση και γενετικές διαταραχές που μπορεί να εμφανιστούν με οποιαδήποτε δόση και τύπο ακτινοβολίας (εφάπαξ, χρόνια, τοπική).

Σύμφωνα με αναφορές γιατρών που κατέγραψαν ασθένειες εργαζομένων σε πυρηνικά εργοστάσια, τα καρδιαγγειακά νοσήματα (καρδιακές προσβολές) έρχονται πρώτα και μετά ο καρκίνος. Ο καρδιακός μυς γίνεται πιο λεπτός υπό την επίδραση της ακτινοβολίας, γίνεται πλαδαρός και λιγότερο δυνατός. Υπάρχουν εντελώς ακατανόητες ασθένειες. Για παράδειγμα, ηπατική ανεπάρκεια. Αλλά γιατί συμβαίνει αυτό, κανείς από τους γιατρούς δεν γνωρίζει ακόμα. Εάν ραδιενεργές ουσίες εισέλθουν στην αναπνευστική οδό κατά τη διάρκεια ενός ατυχήματος, οι γιατροί κόβουν τον κατεστραμμένο ιστό του πνεύμονα και της τραχείας και το άτομο με αναπηρία περπατά με μια φορητή συσκευή για την αναπνοή

5. Θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις

Οι επιστήμονες στη χώρα μας και στις πιο ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου μελετούν εδώ και πολλά χρόνια το πρόβλημα της χρήσης θερμοπυρηνικών αντιδράσεων για ενεργειακούς σκοπούς. Έχουν δημιουργηθεί μοναδικές θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις - οι πιο περίπλοκες τεχνικές συσκευές, σχεδιασμένο για να μελετήσει τη δυνατότητα απόκτησης κολοσσιαίας ενέργειας, η οποία απελευθερώνεται μέχρι στιγμής μόνο κατά την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου. Οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν πώς να ελέγχουν την πορεία μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης - την αντίδραση βαρέων πυρήνων υδρογόνου (δευτέριο και τρίτιο) που συνδυάζονται για να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου σε υψηλές θερμοκρασίες - προκειμένου να χρησιμοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται για ειρηνικούς σκοπούς, προς όφελος των ανθρώπων .

Ένα λίτρο νερό της βρύσης περιέχει πολύ λίγο δευτέριο. Αλλά αν αυτό το δευτέριο συλλέγεται και χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε μια θερμοπυρηνική εγκατάσταση, τότε μπορείτε να πάρετε τόση ενέργεια όσο από την καύση σχεδόν 300 κιλών πετρελαίου. Και για να παρέχεται η ενέργεια που λαμβάνεται τώρα με την καύση συμβατικού καυσίμου που παράγεται ετησίως, θα ήταν απαραίτητο να εξαχθεί το δευτέριο από το νερό που περιέχεται σε έναν κύβο με πλευρά μόλις 160 μέτρων. Μόνο ο ποταμός Βόλγας μεταφέρει ετησίως περίπου 60.000 τέτοια κυβικά μέτρα νερού στην Κασπία Θάλασσα.

Για να συμβεί μια θερμοπυρηνική αντίδραση, πρέπει να πληρούνται αρκετές προϋποθέσεις. Έτσι, η θερμοκρασία στη ζώνη όπου συνδυάζονται βαρείς πυρήνες υδρογόνου θα πρέπει να είναι περίπου 100 εκατομμύρια βαθμούς. Σε μια τόσο τεράστια θερμοκρασία, δεν μιλάμε πλέον για αέριο, αλλά για πλάσμα. Το πλάσμα είναι μια κατάσταση ύλης όταν, σε υψηλές θερμοκρασίες αερίων, τα ουδέτερα άτομα χάνουν τα ηλεκτρόνια τους και μετατρέπονται σε θετικά ιόντα. Με άλλα λόγια, το πλάσμα είναι ένα μείγμα ελεύθερα κινούμενων θετικών ιόντων και ηλεκτρονίων. Η δεύτερη προϋπόθεση είναι η ανάγκη διατήρησης μιας πυκνότητας πλάσματος στη ζώνη αντίδρασης τουλάχιστον 100 χιλιάδων δισεκατομμυρίων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό. Και τέλος, το κύριο και πιο δύσκολο είναι να διατηρήσουμε την πρόοδο της θερμοπυρηνικής αντίδρασης τουλάχιστον για ένα δευτερόλεπτο.

Ο θάλαμος εργασίας μιας θερμοπυρηνικής εγκατάστασης είναι σπειροειδής, παρόμοιος με ένα τεράστιο κοίλο ντόνατ. Γεμίζεται με ένα μείγμα δευτερίου και τριτίου. Μέσα στον ίδιο τον θάλαμο, δημιουργείται ένα πηνίο πλάσματος - ένας αγωγός μέσω του οποίου διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα περίπου 20 εκατομμυρίων αμπέρ.
Το ηλεκτρικό ρεύμα εκτελεί τρεις σημαντικές λειτουργίες. Πρώτον, δημιουργεί πλάσμα. Δεύτερον, το θερμαίνει έως και εκατό εκατομμύρια βαθμούς. Και τέλος, το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον εαυτό του, δηλαδή περιβάλλει το πλάσμα με μαγνητικές γραμμές δύναμης. Κατ' αρχήν, οι γραμμές δύναμης γύρω από το πλάσμα πρέπει να το κρατούν αιωρούμενο και να εμποδίζουν το πλάσμα να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου.Ωστόσο, η διατήρηση του πλάσματος σε αιώρηση δεν είναι τόσο απλή. Οι ηλεκτρικές δυνάμεις παραμορφώνουν τον αγωγό πλάσματος, ο οποίος δεν έχει την αντοχή ενός μεταλλικού αγωγού. Λυγίζει, χτυπά στο τοίχωμα του θαλάμου και του εκπέμπει τη θερμική του ενέργεια. Για να αποφευχθεί αυτό, τοποθετούνται πηνία στην κορυφή του δακτυλιοειδούς θαλάμου, δημιουργώντας ένα διαμήκη μαγνητικό πεδίο στον θάλαμο, ωθώντας τον αγωγό πλάσματος μακριά από τα τοιχώματα. Μόνο αυτό αποδεικνύεται ότι δεν είναι αρκετό, αφού ο αγωγός πλάσματος με ρεύμα τείνει να τεντώνεται και να αυξάνει τη διάμετρό του. Το μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται αυτόματα, χωρίς ξένους, έχει επίσης σχεδιαστεί για να εμποδίζει τη διαστολή του αγωγού πλάσματος. εξωτερικές δυνάμεις. Ο αγωγός πλάσματος τοποθετείται μαζί με τον δακτυλιοειδές θάλαμο σε έναν άλλο μεγαλύτερο θάλαμο κατασκευασμένο από μη μαγνητικό υλικό, συνήθως χαλκό. Μόλις ο αγωγός πλάσματος επιχειρήσει να αποκλίνει από τη θέση ισορροπίας, εμφανίζεται ένα επαγόμενο ρεύμα στο χάλκινο κέλυφος, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, στην αντίθετη κατεύθυνση από το ρεύμα στο πλάσμα. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται μια αντίθετη δύναμη, που απωθεί το πλάσμα από τα τοιχώματα του θαλάμου.
Προτάθηκε το 1949 από τον A.D. να κρατήσει το πλάσμα από την επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου μέσω ενός μαγνητικού πεδίου. Ζαχάρωφ, και λίγο αργότερα ο Αμερικανός J. Spitzer.

Στη φυσική, συνηθίζεται να δίνουμε ονόματα σε κάθε νέο τύπο πειραματικής εγκατάστασης. Μια δομή με τέτοιο σύστημα περιέλιξης ονομάζεται tokamak - συντομογραφία για "τοροειδής θάλαμος και μαγνητικό πηνίο".

Στη δεκαετία του 1970, η ΕΣΣΔ κατασκεύασε ένα θερμοπυρηνικό εργοστάσιο που ονομάζεται Tokamak-10. Αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Ατομικής Ενέργειας που πήρε το όνομά του. I.V. Κουρτσάτοβα. Χρησιμοποιώντας αυτήν την εγκατάσταση, αποκτήσαμε θερμοκρασία αγωγού πλάσματος 10 εκατομμυρίων βαθμών, πυκνότητα πλάσματος τουλάχιστον 100 χιλιάδων δισεκατομμυρίων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και χρόνο κατακράτησης πλάσματος κοντά στα 0,5 δευτερόλεπτα. Η μεγαλύτερη εγκατάσταση στη χώρα μας σήμερα, το Tokamak-15, κατασκευάστηκε επίσης στη Μόσχα επιστημονικό κέντρο«Ινστιτούτο Κουρτσάτοφ».

Όλες οι δημιουργημένες θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις μέχρι στιγμής καταναλώνουν ενέργεια μόνο για να θερμάνουν το πλάσμα και να δημιουργήσουν μαγνητικά πεδία. Η θερμοπυρηνική εγκατάσταση του μέλλοντος θα πρέπει, αντίθετα, να απελευθερώνει τόση ενέργεια που ένα μικρό μέρος της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διατήρηση της θερμοπυρηνικής αντίδρασης, δηλαδή τη θέρμανση του πλάσματος, τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων και την τροφοδοσία πολλών βοηθητικών συσκευών και οργάνων, και το κύριο μέρος μπορεί να δοθεί για κατανάλωση στο ηλεκτρικό δίκτυο.

Το 1997, στο Ηνωμένο Βασίλειο, το JET tokamak πέτυχε μια αντιστοίχιση μεταξύ της ενέργειας εισόδου και εξόδου. Αν και αυτό, φυσικά, δεν αρκεί για να αυτοσυντηρηθεί η διαδικασία: χάνεται έως και το 80 τοις εκατό της ενέργειας που λαμβάνεται. Για να λειτουργήσει ο αντιδραστήρας, είναι απαραίτητο να παράγει πέντε φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που δαπανάται για τη θέρμανση του πλάσματος και τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων.
Το 1986, οι χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, μαζί με την ΕΣΣΔ, τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία, αποφάσισαν να αναπτύξουν από κοινού και να κατασκευάσουν έως το 2010 ένα αρκετά μεγάλο tokamak ικανό να παράγει ενέργεια όχι μόνο για την υποστήριξη της θερμοπυρηνικής σύντηξης στο πλάσμα, αλλά και για την παραγωγή χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Αυτός ο αντιδραστήρας ονομαζόταν ITER, συντομογραφία του «διεθνούς θερμοπυρηνικού πειραματικού αντιδραστήρα». Μέχρι το 1998, ήταν δυνατό να ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί σχεδιασμού, αλλά λόγω της αμερικανικής άρνησης, χρειάστηκε να γίνουν αλλαγές στον σχεδιασμό του αντιδραστήρα για να μειωθεί το κόστος του.

Μπορείτε να αφήσετε τα σωματίδια να κινηθούν Φυσικά, και δώστε στην κάμερα ένα σχήμα που ακολουθεί την τροχιά τους. Η κάμερα έχει τότε μια μάλλον παράξενη εμφάνιση. Επαναλαμβάνει το σχήμα ενός νήματος πλάσματος που προκύπτει στο μαγνητικό πεδίο εξωτερικών πηνίων σύνθετης διαμόρφωσης. Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από εξωτερικά πηνία πολύ πιο σύνθετης διαμόρφωσης από ότι σε ένα tokamak. Οι συσκευές αυτού του είδους ονομάζονται stellarators. Το Uragan-3M torsatron κατασκευάστηκε στη χώρα μας. Αυτός ο πειραματικός αστεριστής έχει σχεδιαστεί για να περιέχει πλάσμα που θερμαίνεται στους δέκα εκατομμύρια βαθμούς.

Επί του παρόντος, τα tokamaks έχουν άλλους σοβαρούς ανταγωνιστές που χρησιμοποιούν αδρανειακή θερμοπυρηνική σύντηξη. Σε αυτή την περίπτωση, πολλά χιλιοστόγραμμα ενός μείγματος δευτερίου-τριτίου περικλείονται σε μια κάψουλα με διάμετρο 1-2 χιλιοστά. Η παλμική ακτινοβολία από πολλές δεκάδες ισχυρά λέιζερ εστιάζεται στην κάψουλα. Ως αποτέλεσμα, η κάψουλα εξατμίζεται αμέσως. Πρέπει να βάλετε 2 MJ ενέργειας στην ακτινοβολία σε 5–10 νανοδευτερόλεπτα. Τότε η ελαφριά πίεση θα συμπιέσει το μείγμα σε τέτοιο βαθμό ώστε να μπορεί να συμβεί μια αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την έκρηξη, ισοδύναμη σε ισχύ με την έκρηξη εκατό κιλών TNT, θα μετατραπεί σε μια πιο βολική μορφή - για παράδειγμα, σε ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η κατασκευή αστερικών και εγκαταστάσεων αδρανειακής σύντηξης αντιμετωπίζει επίσης σοβαρές τεχνικές δυσκολίες. Πιθανώς, πρακτική χρήσηΗ θερμοπυρηνική ενέργεια δεν είναι θέμα του εγγύς μέλλοντος.

6. Προοπτικές για την ανάπτυξη της θερμοπυρηνικής σύντηξης

Ένα σημαντικό καθήκον για την πυρηνική βιομηχανία μακροπρόθεσμα είναι να κυριαρχήσει στις τεχνολογίες ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης ως τη βάση της βιομηχανίας ενέργειας του μέλλοντος. Επί του παρόντος, σε όλο τον κόσμο λαμβάνονται στρατηγικές αποφάσεις για την ανάπτυξη και ανάπτυξη νέων πηγών ενέργειας. Η ανάγκη ανάπτυξης τέτοιων πηγών συνδέεται με την αναμενόμενη έλλειψη παραγωγής ενέργειας και τους περιορισμένους πόρους καυσίμων. Μία από τις πιο υποσχόμενες καινοτόμες πηγές ενέργειας είναι η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF). Η ενέργεια σύντηξης απελευθερώνεται όταν οι πυρήνες των βαρέων ισοτόπων υδρογόνου συντήκονται μεταξύ τους. Το καύσιμο για έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα είναι νερό και λίθιο, τα αποθέματα των οποίων είναι πρακτικά απεριόριστα. Σε επίγειες συνθήκες, η εφαρμογή του CTS αντιπροσωπεύει ένα σύνθετο επιστημονικό και τεχνολογικό πρόβλημα που σχετίζεται με τη λήψη θερμοκρασίας της ουσίας άνω των 100 εκατομμυρίων βαθμών και τη θερμική μόνωση της περιοχής σύνθεσης από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα.

Το Fusion είναι ένα μακροπρόθεσμο έργο, με μια εμπορική εγκατάσταση που αναμένεται να κατασκευαστεί έως το 2040-2050. Το πιο πιθανό σενάριο για τον έλεγχο της θερμοπυρηνικής ενέργειας περιλαμβάνει την εφαρμογή τριών σταδίων:
- Κατοχή των τρόπων μακροπρόθεσμης καύσης των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.
- επίδειξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
- δημιουργία βιομηχανικών θερμοπυρηνικών σταθμών.

Ως μέρος του διεθνούς έργου ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), αναμένεται να καταδείξει την τεχνική σκοπιμότητα του περιορισμού πλάσματος και της παραγωγής ενέργειας.Ο κύριος προγραμματικός στόχος του έργου ITER είναι να καταδείξει την επιστημονική και τεχνική δυνατότητα απόκτησης ενέργειας μέσω αντιδράσεων σύνθεσης (σύντηξης) ισοτόπων υδρογόνου - δευτερίου και τριτίου. Η σχεδιαστική θερμοπυρηνική ισχύς του αντιδραστήρα ITER θα είναι περίπου 500 MW σε θερμοκρασία πλάσματος 100 εκατομμυρίων βαθμών.
Το Νοέμβριο του 2006, όλοι οι συμμετέχοντες στο έργο ITER - η Ευρωπαϊκή Ένωση, η Ρωσία, η Ιαπωνία, οι ΗΠΑ, η Κίνα, η Κορέα και η Ινδία - υπέγραψαν Συμφωνίες για τη δημιουργία του Διεθνούς Οργανισμού ITER για την Ενέργεια Σύντηξης για την από κοινού υλοποίηση του έργου ITER. Η φάση κατασκευής του αντιδραστήρα ξεκίνησε το 2007.

Η συμμετοχή της Ρωσίας στο έργο ITER συνίσταται στην ανάπτυξη, κατασκευή και παράδοση στο εργοτάξιο του αντιδραστήρα (Cadarache, Γαλλία) του κύριου τεχνολογικός εξοπλισμόςκαι συνεισφορά σε μετρητά, που γενικά ανέρχεται σε περίπου 10% του συνολικού κόστους κατασκευής του αντιδραστήρα. Οι ΗΠΑ, η Κίνα, η Ινδία, η Κορέα και η Ιαπωνία έχουν το ίδιο μερίδιο συνεισφοράς.
Οδικός χάρτης για τον έλεγχο της ενέργειας της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης

2000 (σύγχρονο επίπεδο):
Προβλήματα προς επίλυση: επίτευξη ισότητας κόστους και παραγωγής ενέργειας
Η τελευταία γενιά tokamaks επέτρεψε να πλησιάσει η εφαρμογή της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής καύσης με μεγάλη απελευθέρωση ενέργειας.
Η ισχύς των αντιδράσεων θερμοπυρηνικής σύντηξης έφτασε το επίπεδο των 17 MW (εγκατάσταση JET, ΕΕ), το οποίο είναι συγκρίσιμο με την ισχύ που επενδύεται στο πλάσμα.
2020:

Προβλήματα που επιλύθηκαν στο έργο ITER: μακροπρόθεσμη αντίδραση, ανάπτυξη και ενοποίηση θερμοπυρηνικών τεχνολογιών.

Ο στόχος του έργου ITER είναι η επίτευξη ελεγχόμενης ανάφλεξης μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης και η μακροχρόνια καύση της με δεκαπλάσια υπέρβαση της θερμοπυρηνικής ισχύος έναντι της ισχύος για την έναρξη της αντίδρασης σύντηξης Q³10.

2030:
Πρόβλημα προς επίλυση: κατασκευή σταθμού επίδειξης DEMO (DTE)
Η επιλογή των βέλτιστων υλικών και τεχνολογιών για OFC, ο σχεδιασμός, η κατασκευή και οι δοκιμές εκκίνησης ενός πειραματικού θερμοπυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής ολοκληρώθηκαν στο πλαίσιο του έργου DEMO, ολοκληρώθηκε ο εννοιολογικός σχεδιασμός του PFC.
2050
Εργασίες προς επίλυση: σχεδιασμός και κατασκευή PTE, ολοκλήρωση δοκιμών τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο DEMO.
Δημιουργία βιομηχανικού ενεργειακού σταθμού με υψηλό περιθώριο ασφαλείας και αποδεκτούς οικονομικούς δείκτες ενεργειακού κόστους.
Η ανθρωπότητα θα πάρει στα χέρια της μια ανεξάντλητη, περιβαλλοντικά και οικονομικά αποδεκτή πηγή ενέργειας.Το έργο του θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα βασίζεται σε συστήματα περιορισμού μαγνητικού πλάσματος τύπου Tokamak, τα οποία αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στην ΕΣΣΔ. Το 1968, επιτεύχθηκε θερμοκρασία πλάσματος 10 εκατομμυρίων βαθμών στο T-3 tokamak. Από τότε, οι εγκαταστάσεις Tokamak έχουν γίνει ηγετική κατεύθυνση στην έρευνα για τη θερμοπυρηνική σύντηξη σε όλες τις χώρες.

Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται στη Ρωσία τα tokamaks T-10 και T-15 (RRC "Institute Kurchatov"), T-11M (Κρατικό Επιστημονικό Κέντρο FSUE της Ρωσικής Ομοσπονδίας TRINITI, Troitsk, περιοχή της Μόσχας), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Φυσικό - Τεχνικό Ινστιτούτο με το όνομα A.F. Ioffe, Αγία Πετρούπολη, RAS) και το L-2 stellarator (Institute of General Physics, Moscow, RAS).

συμπέρασμα

Με βάση την έρευνα που διεξήχθη, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι ο πιο ορθολογικός, φιλικός προς το περιβάλλον και φθηνός τρόπος παραγωγής ενέργειας· όσον αφορά την ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας, είναι ασύγκριτη με φυσικές πηγέςχρησιμοποιείται σήμερα από τον άνθρωπο. Φυσικά, η διαδικασία της κατάκτησης της θερμοπυρηνικής σύντηξης θα έλυνε πολλά από τα προβλήματα της ανθρωπότητας, τόσο στο παρόν όσο και στο μέλλον.

Στο μέλλον, η θερμοπυρηνική σύντηξη θα επιτρέψει την υπέρβαση μιας άλλης «κρίσης της ανθρωπότητας», δηλαδή του υπερπληθυσμού της Γης. Δεν είναι μυστικό ότι η ανάπτυξη του επίγειου πολιτισμού συνεπάγεται συνεχή και βιώσιμη αύξηση του πληθυσμού του πλανήτη, επομένως το ζήτημα της ανάπτυξης «νέων εδαφών», με άλλα λόγια, ο αποικισμός γειτονικών πλανητών του ηλιακού συστήματος για τη δημιουργία μόνιμων οικισμών, είναι θέμα του πολύ κοντινού μέλλοντος.

Βιβλιογραφία

1. A. P. Baskakov. Θερμική μηχανική / - M.: Energoatomizdat, 1991
2. V. I. Krutov. Θερμική μηχανική / - M.: Mashinostroenie, 1986
3. K. V. Tikhomirov. Μηχανική θερμότητας, παροχή θερμότητας και αερίου και εξαερισμός - M.: Stroyizdat, 1991
4. V. P. Preobrazhensky. Θερμικές μετρήσεις και όργανα - Μ.: Energia, 1978
5. Jeffrey P. Freidberg. Plasma Physics and Fusion Energy/ - Cambridge University Press, 2007.
6. http://www.college.ru./astronomy- Αστρονομία
7. http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Θερμοπυρηνική σύντηξη στον Ήλιο - μια νέα έκδοσηΒλαντιμίρ Βλάσοφ

Προεπισκόπηση:

Για να χρησιμοποιήσετε προεπισκοπήσεις παρουσίασης, δημιουργήστε έναν λογαριασμό Google και συνδεθείτε σε αυτόν: https://accounts.google.com

Λεζάντες διαφάνειας:

ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

ΕΝΝΟΙΑ Πρόκειται για ένα είδος πυρηνικής αντίδρασης κατά την οποία ελαφροί ατομικοί πυρήνες συνδυάζονται σε βαρύτερους λόγω της κινητικής ενέργειας της θερμικής τους κίνησης.

ΛΗΨΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΜΕ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΤΟΥ HE 4

ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΣΤΟΝ ΗΛΙΟ

ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΗ σύντηξη

ΤΟΡΟΕΙΔΙΚΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ Πηνία (TOKAMAK)

Η ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΗΣ σύντηξης

1

Παρά τις δηλώσεις γεμάτες απόλυτη εμπιστοσύνη από αρκετά έγκυρους ξένους εμπειρογνώμονες σχετικά με την επικείμενη χρήση ενέργειας που μπορεί επιτέλους να ληφθεί από θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, όλα δεν είναι τόσο αισιόδοξα. Η θερμοπυρηνική ενέργεια, φαινομενικά τόσο κατανοητή και προσβάσιμη, απέχει στην πραγματικότητα ακόμη πολύ από την ευρεία και διαδεδομένη εφαρμογή στην πράξη. Πρόσφατα, ρόδινα μηνύματα επανεμφανίστηκαν στο Διαδίκτυο, διαβεβαιώνοντας το ευρύ κοινό ότι «δεν υπάρχουν ουσιαστικά τεχνικά εμπόδια στη δημιουργία ενός αντιδραστήρα σύντηξης στο εγγύς μέλλον». Αλλά τέτοια σιγουριά υπήρχε πριν. Φαινόταν σαν ένα πολλά υποσχόμενο και επιλύσιμο πρόβλημα. Όμως έχουν περάσει δεκάδες χρόνια και το κάρο, όπως λένε, είναι ακόμα εκεί. Μια εξαιρετικά αποδοτική φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας εξακολουθεί να παραμένει πέρα ​​από τον έλεγχο της ανθρωπότητας. Όπως και πριν, αυτό είναι ένα πολλά υποσχόμενο θέμα έρευνας και ανάπτυξης, το οποίο κάποια μέρα θα κορυφωθεί σε ένα επιτυχημένο έργο - και τότε η ενέργεια θα έρθει σε εμάς σαν από κέρας. Αλλά το γεγονός είναι ότι μια τόσο μεγάλη πρόοδος προς τα εμπρός, που μοιάζει περισσότερο με τον χρόνο, σε κάνει να σκεφτείς πολύ σοβαρά και να αξιολογήσεις την τρέχουσα κατάσταση. Τι γίνεται αν υποτιμήσουμε κάποιους σημαντικούς παράγοντες, μην λάβουμε υπόψη τη σημασία και τον ρόλο οποιωνδήποτε παραμέτρων. Άλλωστε, ακόμη και στο Ηλιακό Σύστημα υπάρχει ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που δεν έχει τεθεί σε λειτουργία. Αυτός είναι ο πλανήτης Δίας. Η έλλειψη μάζας και βαρυτικής συμπίεσης δεν επέτρεψε σε αυτόν τον εκπρόσωπο των γιγάντιων πλανητών να φτάσει την απαιτούμενη ισχύ και να γίνει ένας άλλος Ήλιος στο Ηλιακό Σύστημα. Αποδεικνύεται ότι όπως για τα συμβατικά πυρηνικά καύσιμα υπάρχει μια κρίσιμη μάζα που είναι απαραίτητη για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, έτσι και σε αυτή την περίπτωση υπάρχουν περιοριστικές παράμετροι. Και εάν, για να παρακαμφθούν με κάποιο τρόπο οι περιορισμοί στην ελάχιστη απαιτούμενη μάζα κατά τη χρήση παραδοσιακού πυρηνικού φορτίου, χρησιμοποιείται συμπίεση του υλικού κατά την έκρηξη, τότε στην περίπτωση δημιουργίας θερμοπυρηνικών εγκαταστάσεων χρειάζονται και ορισμένες μη τυποποιημένες λύσεις.

Το πρόβλημα είναι ότι το πλάσμα όχι μόνο πρέπει να λαμβάνεται, αλλά και να διατηρείται. Χρειαζόμαστε σταθερότητα στη λειτουργία του θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα που δημιουργείται. Αυτό όμως είναι μεγάλο πρόβλημα.

Φυσικά, κανείς δεν θα διαφωνήσει για τα οφέλη της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Αυτός είναι ένας σχεδόν απεριόριστος πόρος για την απόκτηση ενέργειας. Αλλά ο διευθυντής του ρωσικού πρακτορείου ITER (μιλάμε για τον διεθνή πειραματικό θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα) δικαίως σημείωσε ότι πριν από περισσότερα από 10 χρόνια οι ΗΠΑ και η Αγγλία έλαβαν ενέργεια από θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις, αλλά η παραγωγή του απείχε πολύ από την επενδυμένη ισχύ. Το μέγιστο ήταν ακόμη λιγότερο από 70%. Αλλά το σύγχρονο έργο (ITER) περιλαμβάνει την απόκτηση 10 φορές μεγαλύτερης ισχύος σε σύγκριση με την επένδυση. Ως εκ τούτου, δηλώσεις ότι το έργο είναι τεχνικά πολύπλοκο και ότι θα γίνουν προσαρμογές σε αυτό, καθώς και, φυσικά, στις ημερομηνίες έναρξης του αντιδραστήρα και, κατά συνέπεια, στην επιστροφή της επένδυσης στα κράτη που επένδυσαν σε αυτήν την ανάπτυξη , είναι πολύ ανησυχητικά.

Έτσι, τίθεται το ερώτημα πόσο δικαιολογημένη είναι η προσπάθεια αντικατάστασης της ισχυρής βαρύτητας που συγκρατεί το πλάσμα σε φυσικούς θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες (άστρα). μαγνητικά πεδία- το αποτέλεσμα της δημιουργίας της ανθρώπινης μηχανικής; Το πλεονέκτημα της θερμοπυρηνικής σύντηξης - η απελευθέρωση ενέργειας είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την απελευθέρωση θερμότητας που συμβαίνει, για παράδειγμα, κατά την καύση συμβατικού καυσίμου - - αυτό είναι, ταυτόχρονα, που αποτελεί εμπόδιο για την επιτυχή συγκράτηση του απελευθέρωση ενέργειας. Αυτό που λύνεται εύκολα από ένα επαρκές επίπεδο βαρύτητας γίνεται ένα απίστευτα δύσκολο πρόβλημα για μηχανικούς και επιστήμονες. Γι' αυτό είναι τόσο δύσκολο να μοιραστούμε την αισιοδοξία σχετικά με τις άμεσες προοπτικές για τη θερμοπυρηνική ενέργεια. Υπάρχει πολύ μεγαλύτερη πιθανότητα χρήσης ενός φυσικού θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα - του Ήλιου. Αυτή η ενέργεια θα διαρκέσει για τουλάχιστον άλλα 5 δισεκατομμύρια χρόνια. Και λόγω αυτού, θα λειτουργήσουν φωτοκύτταρα, θερμοστοιχεία και ακόμη και ορισμένοι λέβητες ατμού, για τους οποίους το νερό θα θερμαινόταν χρησιμοποιώντας φακούς ή σφαιρικούς καθρέφτες.

Βιβλιογραφικός σύνδεσμος

Silaev I.V., Radchenko T.I. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΓΙΑ ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΗ σύντηξη // International Journal of Applied and Fundamental Research. – 2014. – Αρ. 1. – Σ. 37-38;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4539 (ημερομηνία πρόσβασης: 19/09/2019). Φέρνουμε στην προσοχή σας περιοδικά που εκδίδονται από τον εκδοτικό οίκο "Ακαδημία Φυσικών Επιστημών"

Yu.N. Ντνεστρόφσκι - Διδάκτωρ Φυσικής Επιστημών, Καθηγητής, Ινστιτούτο Πυρηνικής Σύντηξης,
RRC "Ινστιτούτο Kurchatov", Μόσχα, Ρωσία
Υλικά του Διεθνούς Συνεδρίου
«ΤΟ ΔΡΟΜΟ ΠΡΟΣ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ – ΕΠΙΣΤΗΜΗ, ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ, ΟΝΕΙΡΑ ΚΑΙ ΕΛΠΙΔΕΣ»
26–28 Νοεμβρίου 2007 Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Μαθηματικών με το όνομά του. M.V. Keldysh RAS, Μόσχα

Μπορεί η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF) να λύσει το ενεργειακό πρόβλημα μακροπρόθεσμα; Πόσο μεγάλο μέρος της διαδρομής για την απόκτηση του CTS έχει ήδη ολοκληρωθεί και πόσα απομένουν ακόμη; Ποιες προκλήσεις περιμένουν; Αυτά τα προβλήματα συζητούνται σε αυτό το άρθρο.

1. Φυσικές προϋποθέσεις για CTS

Προτείνεται η χρήση αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης ελαφρών πυρήνων για την παραγωγή ενέργειας. Μεταξύ πολλών αντιδράσεων αυτού του τύπου, η πιο εύκολα εκτελούμενη αντίδραση είναι η σύντηξη πυρήνων δευτερίου και τριτίου

Εδώ, ο σταθερός πυρήνας ηλίου (σωματίδιο άλφα) συμβολίζεται, Ν είναι το νετρόνιο και η ενέργεια των σωματιδίων μετά την αντίδραση συμβολίζεται σε αγκύλες, . Σε αυτή την αντίδραση, η ενέργεια που απελευθερώνεται ανά σωματίδιο με τη μάζα ενός νετρονίου είναι περίπου 3,5 MeV. Αυτή είναι περίπου 3-4 φορές η ενέργεια ανά σωματίδιο που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση του ουρανίου.

Ποια προβλήματα προκύπτουν κατά την προσπάθεια υλοποίησης της αντίδρασης (1) για την παραγωγή ενέργειας;

Το κύριο πρόβλημα είναι ότι το τρίτιο δεν υπάρχει στη φύση. Είναι ραδιενεργό, ο χρόνος ημιζωής του είναι περίπου 12 χρόνια, επομένως, αν ήταν κάποτε σε μεγάλες ποσότητες στη Γη, τότε δεν έχει απομείνει τίποτα από αυτό εδώ και πολύ καιρό. Η ποσότητα τριτίου που παράγεται στη Γη λόγω της φυσικής ραδιενέργειας ή της κοσμικής ακτινοβολίας είναι αμελητέα. Μια μικρή ποσότητα τριτίου παράγεται σε αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα ουρανίου. Σε έναν από τους αντιδραστήρες στον Καναδά, έχει οργανωθεί η συλλογή τέτοιου τριτίου, αλλά η παραγωγή του στους αντιδραστήρες είναι πολύ αργή και η παραγωγή αποδεικνύεται πολύ ακριβή.

Έτσι, η παραγωγή ενέργειας σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα με βάση την αντίδραση (1) πρέπει να συνοδεύεται από την ταυτόχρονη παραγωγή τριτίου στον ίδιο αντιδραστήρα. Θα συζητήσουμε πώς μπορεί να γίνει αυτό παρακάτω.

Και τα δύο σωματίδια, οι πυρήνες του δευτερίου και του τριτίου, που συμμετέχουν στην αντίδραση (1), έχουν θετικό φορτίο και επομένως απωθούν το ένα το άλλο με τη δύναμη Coulomb. Για να ξεπεραστεί αυτή η δύναμη, τα σωματίδια πρέπει να έχουν μεγαλύτερη ενέργεια. Η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης (1), , από τη θερμοκρασία του μίγματος τριτίου-δευτερίου φαίνεται στο Σχ. 1 σε διπλή λογαριθμική κλίμακα.

Μπορεί να φανεί ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η πιθανότητα αντίδρασης (1) αυξάνεται γρήγορα. Ο αποδεκτός ρυθμός αντίδρασης για τον αντιδραστήρα επιτυγχάνεται σε θερμοκρασία Τ > 10 keV. Αν λάβουμε υπόψη ότι οι μοίρες, τότε η θερμοκρασία στον αντιδραστήρα θα πρέπει να ξεπεράσει τους 100 εκατομμύρια βαθμούς. Όλα τα άτομα μιας ουσίας σε μια τέτοια θερμοκρασία πρέπει να ιονίζονται και η ίδια η ουσία σε αυτή την κατάσταση συνήθως ονομάζεται πλάσμα. Ας θυμηθούμε ότι σύμφωνα με σύγχρονες εκτιμήσεις, η θερμοκρασία στο κέντρο του Ήλιου φτάνει «μόνο» τους 20 εκατομμύρια βαθμούς.

Υπάρχουν και άλλες αντιδράσεις σύντηξης που είναι, καταρχήν, κατάλληλες για την παραγωγή θερμοπυρηνικής ενέργειας. Εδώ σημειώνουμε μόνο δύο αντιδράσεις που συζητούνται ευρέως στη βιβλιογραφία:

Εδώ είναι ένα ισότοπο του πυρήνα του ηλίου με μάζα 3, το p είναι ένα πρωτόνιο (πυρήνας υδρογόνου). Η αντίδραση (2) είναι καλή γιατί υπάρχει τόσο καύσιμο (δευτέριο) για αυτό στη Γη όσο θέλετε. Τεχνολογία για τον διαχωρισμό του δευτερίου από θαλασσινό νερόαποδεδειγμένα και σχετικά φθηνά. Δυστυχώς, ο ρυθμός αυτής της αντίδρασης είναι αισθητά χαμηλότερος από τον ρυθμό αντίδρασης (1) (βλ. Εικ. 1), επομένως η αντίδραση (2) απαιτεί θερμοκρασία περίπου 500 εκατομμυρίων βαθμών.

Η αντίδραση (3) προκαλεί επί του παρόντος μεγάλο ενθουσιασμό στους ανθρώπους που συμμετέχουν σε διαστημικές πτήσεις. Είναι γνωστό ότι υπάρχει πολύ αυτό το ισότοπο στη Σελήνη, επομένως η πιθανότητα μεταφοράς του στη Γη συζητείται ως ένα από τα καθήκοντα προτεραιότητας της αστροναυτικής. Δυστυχώς, ο ρυθμός αυτής της αντίδρασης (Εικ. 1) είναι επίσης αισθητά χαμηλότερος· οι ρυθμοί αντίδρασης (1) και οι απαιτούμενες θερμοκρασίες για αυτήν την αντίδραση είναι επίσης στο επίπεδο των 500 εκατομμυρίων βαθμών.

Για να περιέχει πλάσμα με θερμοκρασία περίπου 100 - 500 εκατομμύρια βαθμούς, προτάθηκε η χρήση μαγνητικού πεδίου (I.E. Tamm, A.D. Sakharov). Οι πιο ελπιδοφόρες τώρα φαίνεται να είναι οι εγκαταστάσεις στις οποίες το πλάσμα έχει το σχήμα ενός τόρου (ντόνατ). Συμβολίζουμε τη μεγάλη ακτίνα αυτού του τόρου με R, και μικρού διαμέσου ένα. Για την καταστολή ασταθών κινήσεων πλάσματος, εκτός από το σπειροειδές (διαμήκη) μαγνητικό πεδίο B 0, απαιτείται επίσης ένα εγκάρσιο (πολοειδές) πεδίο. Υπάρχουν δύο τύποι εγκαταστάσεων στις οποίες εφαρμόζεται μια τέτοια μαγνητική διαμόρφωση. Σε εγκαταστάσεις τύπου tokamak, δημιουργείται ένα πολοειδές πεδίο από ένα διαμήκη ρεύμα Ι που ρέει στο πλάσμα προς την κατεύθυνση του πεδίου. Σε εγκαταστάσεις τύπου stellarator, το πολοειδή πεδίο δημιουργείται από εξωτερικές ελικοειδείς περιελίξεις που μεταφέρουν ρεύμα. Κάθε μία από αυτές τις ρυθμίσεις έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Σε ένα tokamak, το ρεύμα πρέπει να είμαι συνεπής με το πεδίο. Το stellarator είναι τεχνικά πιο περίπλοκο. Σήμερα, οι εγκαταστάσεις τύπου tokamak είναι πιο προηγμένες. Παρόλο που υπάρχουν επίσης μεγάλοι, επιτυχώς λειτουργούντες stellarators.

2. Προϋποθέσεις για τον αντιδραστήρα tokamak

Θα αναφέρουμε εδώ μόνο δύο απαραίτητες συνθήκες που καθορίζουν το "παράθυρο" στο χώρο των παραμέτρων πλάσματος ενός αντιδραστήρα tokamak. Υπάρχουν, φυσικά, πολλές άλλες συνθήκες που μειώνουν αυτό το «παράθυρο», αλλά εξακολουθούν να μην είναι τόσο σημαντικές.

1). Προκειμένου ο αντιδραστήρας να είναι εμπορικά βιώσιμος (όχι πολύ μεγάλος), πυκνότητα ισχύοςΤο P της εκλυόμενης ενέργειας πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο

Εδώ n 1 και n 2 είναι οι πυκνότητες του δευτερίου και του τριτίου - η ενέργεια που απελευθερώνεται σε μια πράξη αντίδρασης (1). Η συνθήκη (4) περιορίζει τις πυκνότητες n 1 και n 2 από κάτω.

2). Για να είναι ένα πλάσμα σταθερό, η πίεση του πλάσματος πρέπει να είναι αισθητά μικρότερη από την πίεση του διαμήκους μαγνητικού πεδίου. Για ένα πλάσμα με λογική γεωμετρία, αυτή η συνθήκη έχει τη μορφή

Για ένα δεδομένο μαγνητικό πεδίο, αυτή η συνθήκη περιορίζει την πυκνότητα και τη θερμοκρασία του πλάσματος από πάνω. Εάν για να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση είναι απαραίτητο να αυξηθεί η θερμοκρασία (για παράδειγμα, από την αντίδραση (1) για να μεταβείτε στις αντιδράσεις (2) ή (3)), τότε για να εκπληρώσετε την προϋπόθεση (5) είναι απαραίτητο να αυξήσετε το μαγνητικό πεδίο .

Τι μαγνητικό πεδίο θα χρειαστεί για την εφαρμογή του CTS; Ας εξετάσουμε πρώτα μια αντίδραση του τύπου (1). Για απλότητα, υποθέτουμε ότι n 1 = n 2 = n /2, όπου n είναι η πυκνότητα πλάσματος. Στη συνέχεια σε θερμοκρασία συνθήκη (1) δίνει

Χρησιμοποιώντας τη συνθήκη (5), βρίσκουμε το κατώτερο όριο για το μαγνητικό πεδίο

Στη σπειροειδή γεωμετρία, το διαμήκη μαγνητικό πεδίο μειώνεται κατά 1/r καθώς απομακρύνεται από τον κύριο άξονα του δακτύλου. Το πεδίο είναι το πεδίο στο κέντρο του μεσημβρινού τμήματος του πλάσματος. Στο εσωτερικό περίγραμμα του τόρου το πεδίο θα είναι μεγαλύτερο. Με αναλογία διαστάσεων

R/ ένα~ 3 το μαγνητικό πεδίο μέσα στα πηνία του σπειροειδούς πεδίου αποδεικνύεται 2 φορές μεγαλύτερο. Έτσι, για να πληρούνται οι προϋποθέσεις (4-5), τα πηνία διαμήκους πεδίου πρέπει να είναι κατασκευασμένα από υλικό ικανό να λειτουργεί σε μαγνητικό πεδίο της τάξης των 13-14 Tesla.

Για τη σταθερή λειτουργία ενός αντιδραστήρα tokamak, οι αγωγοί στα πηνία πρέπει να είναι κατασκευασμένοι από υπεραγώγιμο υλικό. Μερικές ιδιότητες των σύγχρονων υπεραγωγών φαίνονται στο Σχ. 2.

Επί του παρόντος, πολλά tokamaks με υπεραγώγιμες περιελίξεις έχουν κατασκευαστεί στον κόσμο. Το πρώτο tokamak αυτού του τύπου (T-7 tokamak), που κατασκευάστηκε στην ΕΣΣΔ τη δεκαετία του εβδομήντα, χρησιμοποίησε νιόβιο-τιτάνιο (NbTi) ως υπεραγωγό. Το ίδιο υλικό χρησιμοποιήθηκε στο μεγάλο γαλλικό tokamak Tore Supra (μέσα της δεκαετίας του '80). Από το Σχ. 2 είναι σαφές ότι στη θερμοκρασία του υγρού ηλίου, το μαγνητικό πεδίο σε ένα tokamak με έναν τέτοιο υπεραγωγό μπορεί να φτάσει τις τιμές των 4 Tesla. Για τον διεθνή αντιδραστήρα tokamak ITER αποφασίστηκε η χρήση υπεραγωγού νιοβίου-κασσιτέρου με μεγαλύτερες δυνατότητες, αλλά και πιο σύνθετη τεχνολογία. Αυτός ο υπεραγωγός χρησιμοποιείται στο ρωσικό εργοστάσιο T-15, το οποίο ξεκίνησε το 1989. Από το σχήμα 2 είναι σαφές ότι στο ITER, σε θερμοκρασία ηλίου της τάξης μεγέθους, το μαγνητικό πεδίο στο πλάσμα μπορεί να φτάσει τις απαιτούμενες τιμές πεδίου των 6 Tesla με μεγάλο περιθώριο.

Για τις αντιδράσεις (2) και (3), οι συνθήκες (4)-(5) αποδεικνύονται πολύ πιο αυστηρές. Για να ικανοποιηθεί η συνθήκη (4), η θερμοκρασία πλάσματος Τ στον αντιδραστήρα πρέπει να είναι 4 φορές υψηλότερη και η πυκνότητα πλάσματος n πρέπει να είναι 2 φορές υψηλότερη από ό,τι σε έναν αντιδραστήρα με βάση την αντίδραση (1). Ως αποτέλεσμα, η πίεση του πλάσματος αυξάνεται κατά 8 φορές και το απαιτούμενο μαγνητικό πεδίο κατά 2,8 φορές. Αυτό σημαίνει ότι το μαγνητικό πεδίο σε έναν υπεραγωγό πρέπει να φτάσει τις τιμές των 30 Tesla. Μέχρι στιγμής κανείς δεν έχει δουλέψει με τέτοιους τομείς μεγάλο όγκοσε στατική λειτουργία. Το σχήμα 2 δείχνει ότι υπάρχει ελπίδα στο μέλλον να δημιουργηθεί ένας υπεραγωγός για ένα τέτοιο πεδίο. Ωστόσο, επί του παρόντος, οι συνθήκες (4)-(5) για αντιδράσεις τύπου (2)-(3) σε μια εγκατάσταση tokamak δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν.

3. Παραγωγή τριτίου

Σε έναν αντιδραστήρα tokamak, ο θάλαμος πλάσματος πρέπει να περιβάλλεται από ένα παχύ στρώμα υλικών που προστατεύουν τις περιελίξεις του σπειροειδούς πεδίου από την καταστροφή της υπεραγωγιμότητας από τα νετρόνια. Αυτό το στρώμα, πάχους περίπου ενός μέτρου, ονομάζεται κουβέρτα. Εδώ, στην κουβέρτα, πρέπει να αφαιρεθεί η θερμότητα που παράγεται από τα νετρόνια κατά το φρενάρισμα. Σε αυτή την περίπτωση, μέρος των νετρονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τριτίου μέσα στην κουβέρτα. Η πιο κατάλληλη πυρηνική αντίδραση για μια τέτοια διαδικασία είναι η ακόλουθη αντίδραση, η οποία απελευθερώνει ενέργεια

Εδώ είναι ένα ισότοπο λιθίου με μάζα 6. Δεδομένου ότι το νετρόνιο είναι ένα ουδέτερο σωματίδιο, δεν υπάρχει φράγμα Coulomb και η αντίδραση (8) μπορεί να συμβεί σε ενέργεια νετρονίου αισθητά μικρότερη από 1 MeV. Για αποτελεσματική παραγωγή τριτίου, ο αριθμός των αντιδράσεων του τύπου (8) πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος και για αυτό ο αριθμός των αντιδρώντων νετρονίων πρέπει να είναι μεγάλος. Για να αυξηθεί ο αριθμός των νετρονίων, τα υλικά στα οποία συμβαίνουν αντιδράσεις πολλαπλασιασμού νετρονίων πρέπει να βρίσκονται εδώ στην κουβέρτα. Δεδομένου ότι η ενέργεια των πρωτογενών νετρονίων που παράγεται στην αντίδραση (1) είναι υψηλή (14 MeV) και η αντίδραση (8) απαιτεί νετρόνια με χαμηλή ενέργεια, τότε, κατ' αρχήν, ο αριθμός των νετρονίων στην κουβέρτα μπορεί να αυξηθεί κατά 10-15 φορές και, ως εκ τούτου, κλείστε το ισοζύγιο τριτίου: για κάθε ενέργεια αντίδρασης (1) λάβετε μία ή περισσότερες δράσεις αντίδρασης (8). Είναι δυνατόν να επιτευχθεί αυτή η ισορροπία στην πράξη; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα απαιτεί λεπτομερή πειράματα και υπολογισμούς. Ο αντιδραστήρας ITER δεν απαιτείται να εφοδιαστεί με καύσιμο, αλλά θα πραγματοποιηθούν πειράματα σε αυτόν για να διευκρινιστεί το πρόβλημα της ισορροπίας του τριτίου.

Πόσο τρίτιο απαιτείται για τη λειτουργία του αντιδραστήρα; Απλές εκτιμήσεις δείχνουν ότι ένας αντιδραστήρας με θερμική ισχύ 3 GW (ηλεκτρική ισχύς της τάξης του 1 GW) θα απαιτούσε 150 κιλά τριτίου ετησίως. Αυτό είναι περίπου μία φορά λιγότερο από το βάρος του μαζούτ που απαιτείται για την ετήσια λειτουργία ενός θερμοηλεκτρικού σταθμού ίδιας ισχύος.

Δυνάμει του (8), το κύριο «καύσιμο» για τον αντιδραστήρα είναι το ισότοπο λιθίου. Υπάρχει πολύ στη φύση; Το φυσικό λίθιο περιέχει δύο ισότοπα

Μπορεί να φανεί ότι η περιεκτικότητα σε ισότοπα στο φυσικό λίθιο είναι αρκετά υψηλή. Τα αποθέματα λιθίου στη Γη στο τρέχον επίπεδο κατανάλωσης ενέργειας θα διαρκέσουν για αρκετές χιλιάδες χρόνια και στον ωκεανό - για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Οι εκτιμήσεις που βασίζονται στους τύπους (8)-(9) δείχνουν ότι το φυσικό λίθιο πρέπει να εξορύσσεται 50-100 φορές περισσότερο από το τρίτιο που απαιτείται. Έτσι, ένας αντιδραστήρας με την ικανότητα που συζητήθηκε θα απαιτεί 15 τόνους φυσικού λιθίου ετησίως. Αυτό είναι 10 5 φορές λιγότερο από το μαζούτ που απαιτείται για έναν θερμοηλεκτρικό σταθμό. Αν και απαιτείται σημαντική ενέργεια για τον διαχωρισμό ισοτόπων στο φυσικό λίθιο, η πρόσθετη ενέργεια που απελευθερώνεται στην αντίδραση (8) μπορεί να αντισταθμίσει αυτό το κόστος.

4. Σύντομο ιστορικό της έρευνας για το CTS

Ιστορικά, η πρώτη μελέτη για το CTS στη χώρα μας θεωρείται η μυστική Έκθεση των I.E. Tamm και A.D. Sakharov, που κυκλοφόρησε τον Μάρτιο-Απρίλιο του 1950. Εκδόθηκε αργότερα το 1958. Η έκθεση περιείχε μια επισκόπηση των κύριων ιδεών για τον περιορισμό του θερμού πλάσματος από ένα μαγνητικό πεδίο σε μια σπειροειδή εγκατάσταση και μια εκτίμηση του μεγέθους ενός αντιδραστήρα σύντηξης. Παραδόξως, το υπό κατασκευή ITER tokamak είναι κοντά στις παραμέτρους του με τις προβλέψεις της ιστορικής Έκθεσης.

Τα πειράματα με ζεστό πλάσμα ξεκίνησαν στην ΕΣΣΔ στις αρχές της δεκαετίας του '50. Στην αρχή αυτές ήταν μικρές εγκαταστάσεις ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ, ευθεία και τοροειδή, αλλά ήδη στα μέσα της δεκαετίας, η κοινή δουλειά πειραματιστών και θεωρητικών οδήγησε σε εγκαταστάσεις που ονομάστηκαν «τοκαμάκ». Από χρόνο σε χρόνο, το μέγεθος και η πολυπλοκότητα των εγκαταστάσεων αυξανόταν και το 1962 κυκλοφόρησε η εγκατάσταση T-3 με διαστάσεις R = 100 cm, a = 20 cm και μαγνητικό πεδίο έως και τέσσερις Tesla. Η εμπειρία που έχει συσσωρευτεί πάνω από μιάμιση δεκαετία έχει δείξει ότι σε μια εγκατάσταση με μεταλλικό θάλαμο, καλά καθαρισμένους τοίχους και υψηλό κενό (έως mmHg), είναι δυνατό να ληφθεί καθαρό, σταθερό πλάσμα με υψηλή θερμοκρασίαηλεκτρόνια. Ο L.A. Artsimovich ανέφερε σχετικά με αυτά τα αποτελέσματα στο Διεθνές Συνέδριοστη Φυσική του Πλάσματος και στο CTS το 1968 στο Νοβοσιμπίρσκ. Μετά από αυτό, η κατεύθυνση των tokamaks αναγνωρίστηκε από την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα και εγκαταστάσεις αυτού του τύπου άρχισαν να κατασκευάζονται σε πολλές χώρες.

Τα tokamak της επόμενης, δεύτερης γενιάς (T-10 στην ΕΣΣΔ και PLT στις ΗΠΑ) άρχισαν να εργάζονται με πλάσμα το 1975. Έδειξαν ότι οι ελπίδες που γεννήθηκαν από την πρώτη γενιά tokamaks επιβεβαιώθηκαν. Και σε τοκάμακες με μεγάλα μεγέθηΜπορεί να λειτουργήσει με σταθερό και ζεστό πλάσμα. Ωστόσο, ακόμη και τότε έγινε σαφές ότι ήταν αδύνατο να δημιουργηθεί ένας μικρός αντιδραστήρας και το μέγεθος του πλάσματος έπρεπε να αυξηθεί.

Ο σχεδιασμός των tokamaks τρίτης γενιάς κράτησε περίπου πέντε χρόνια και η κατασκευή τους ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του εβδομήντα. Την επόμενη δεκαετία τέθηκαν διαδοχικά σε λειτουργία και μέχρι το 1989 λειτουργούσαν 7 μεγάλα tokamak: TFTR και DIII - D στις ΗΠΑ, JET (το μεγαλύτερο) στην ενωμένη Ευρώπη, ASDEX - U στη Γερμανία, TORE - SUPRA στη Γαλλία. , JT 60-U στην Ιαπωνία και T-15 στην ΕΣΣΔ. Αυτές οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιήθηκαν για να ληφθεί η θερμοκρασία και η πυκνότητα του πλάσματος που απαιτούνται για τον αντιδραστήρα. Βέβαια μέχρι στιγμής έχουν ληφθεί ξεχωριστά, ξεχωριστά για θερμοκρασία και ξεχωριστά για πυκνότητα. Οι εγκαταστάσεις TFTR και JET επέτρεψαν τη δυνατότητα εργασίας με τρίτιο και για πρώτη φορά ελήφθη αξιοσημείωτη θερμοπυρηνική ισχύς P DT (σύμφωνα με την αντίδραση (1)), συγκρίσιμη με την εξωτερική ισχύ που εισάγεται στο πλάσμα P aux. Η μέγιστη ισχύς P DT στην εγκατάσταση JET σε πειράματα το 1997 έφτασε τα 16 MW με ισχύ P aux της τάξης των 25 MW. τμήμα εγκατάστασης JET και εσωτερική όψηη κάμερα φαίνεται στο Σχ. 3 α, β. Εδώ, για σύγκριση, εμφανίζεται το μέγεθος ενός ατόμου.

Στις αρχές της δεκαετίας του '80, η κοινή εργασία μιας διεθνούς ομάδας επιστημόνων (Ρωσία, ΗΠΑ, Ευρώπη, Ιαπωνία) άρχισε να σχεδιάζει την επόμενη (τέταρτη) γενιά tokamak - τον αντιδραστήρα INTOR. Σε αυτό το στάδιο, το καθήκον ήταν να επανεξεταστούν τα «σημεία συμφόρησης» της μελλοντικής εγκατάστασης χωρίς να δημιουργηθεί ένα πλήρες έργο. Ωστόσο, στα μέσα της δεκαετίας του '80 έγινε σαφές ότι έπρεπε να τεθεί ένα πιο ολοκληρωμένο έργο, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας ενός έργου. Με παρότρυνση του E.P. Velikhov, μετά από μακρές διαπραγματεύσεις σε επίπεδο κρατικών ηγετών (M.S. Gorbachev και R. Reagan), υπογράφηκε συμφωνία το 1988 και ξεκίνησαν οι εργασίες για το έργο του αντιδραστήρα ITER tokamak. Οι εργασίες έγιναν σε τρία στάδια με διαλείμματα και, συνολικά, διήρκεσαν 13 χρόνια. Η διπλωματική ιστορία του ίδιου του έργου ITER είναι δραματική, έχει οδηγήσει πολλές φορές σε αδιέξοδα και αξίζει μια ξεχωριστή περιγραφή (βλ., για παράδειγμα, το βιβλίο). Επισήμως, το έργο ολοκληρώθηκε τον Ιούλιο του 2000, αλλά έπρεπε ακόμη να επιλεγεί μια τοποθεσία για την κατασκευή και να αναπτυχθεί μια Συμφωνία Κατασκευής και ο Χάρτης του ITER. Όλα μαζί χρειάστηκαν σχεδόν 6 χρόνια και τελικά, τον Νοέμβριο του 2006, υπογράφηκε η Συμφωνία για την κατασκευή του ITER στη Νότια Γαλλία. Η ίδια η κατασκευή αναμένεται να διαρκέσει περίπου 10 χρόνια. Έτσι, από την έναρξη των διαπραγματεύσεων μέχρι την παραγωγή του πρώτου πλάσματος στον θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα ITER, θα περάσουν περίπου 30 χρόνια. Αυτό είναι ήδη συγκρίσιμο με την ενεργό ζωή ενός ατόμου. Αυτές είναι οι πραγματικότητες της προόδου.

Όσον αφορά τις γραμμικές του διαστάσεις, το ITER είναι περίπου διπλάσιο από την εγκατάσταση JET. Σύμφωνα με το έργο, το μαγνητικό πεδίο σε αυτό = 5,8 Tesla, και το ρεύμα I = 12-14 MA. Υποτίθεται ότι η θερμοπυρηνική ισχύς θα φτάσει την τιμή που εισάγεται στο πλάσμα για θέρμανση, η οποία θα είναι της τάξης του 10.

5. Ανάπτυξη μέσων θέρμανσης πλάσματος.

Παράλληλα με την αύξηση του μεγέθους του tokamak, αναπτύχθηκε η τεχνολογία για θέρμανση πλάσματος. Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται τρία διάφορες μεθόδουςθέρμανση:

1. Ωμική θέρμανση του πλάσματος από ρεύμα που ρέει μέσα από αυτό.
2. Θέρμανση με δέσμες θερμών ουδέτερων σωματιδίων δευτερίου ή τριτίου.
3. Θέρμανση με ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων.

Η ωμική θέρμανση του πλάσματος σε ένα tokamak είναι πάντα παρούσα, αλλά δεν αρκεί να θερμανθεί σε θερμοπυρηνικές θερμοκρασίες της τάξης των 10 - 15 keV (100 - 150 εκατομμύρια μοίρες). Το γεγονός είναι ότι καθώς τα ηλεκτρόνια θερμαίνονται, η αντίσταση του πλάσματος πέφτει γρήγορα (αντίστροφα ανάλογη), επομένως, σε σταθερό ρεύμα, πέφτει και η επενδυμένη ισχύς. Ως παράδειγμα, επισημαίνουμε ότι στην εγκατάσταση JET, με ρεύμα 3-4 MA είναι δυνατή η θέρμανση του πλάσματος μόνο στα ~ 2 – 3 keV. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση του πλάσματος είναι τόσο χαμηλή που ένα ρεύμα πολλών εκατομμυρίων αμπέρ (MA) διατηρείται σε τάση 0,1 – 0,2 V.

Οι εγχυτήρες θερμής ουδέτερης δέσμης εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στην αμερικανική εγκατάσταση PLT το 1976-77 και από τότε έχουν προχωρήσει πολύ στην τεχνολογική ανάπτυξη. Τώρα ένας τυπικός εγχυτήρας έχει μια δέσμη σωματιδίων με ενέργεια 80 - 150 keV και ισχύ έως 3 - 5 MW. Σε μια μεγάλη εγκατάσταση, συνήθως εγκαθίστανται έως και 10 - 15 μπεκ διαφορετικής ισχύος. Η συνολική ισχύς των δεσμών που συλλαμβάνονται από το πλάσμα φτάνει τα 25 – 30 MW. Αυτό είναι συγκρίσιμο με την ισχύ ενός μικρού θερμοηλεκτρικού σταθμού. Προβλέπεται η εγκατάσταση μπεκ ψεκασμού με ενέργεια σωματιδίων έως 1 MeV και συνολική ισχύ έως 50 MW στο ITER. Δεν υπάρχουν ακόμη τέτοια πακέτα, αλλά βρίσκεται σε εξέλιξη εντατική ανάπτυξη. Στη συμφωνία ITER, η Ιαπωνία ανέλαβε την ευθύνη για αυτές τις εξελίξεις.

Πιστεύεται τώρα ότι η θέρμανση του πλάσματος με ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι αποτελεσματική σε τρεις περιοχές συχνοτήτων:

• θέρμανση ηλεκτρονίων στη συχνότητα κυκλοτρονίων τους f ~ 170 GHz.
• θέρμανση ιόντων και ηλεκτρονίων στη συχνότητα ιόντων κυκλοτρονίων f ~ 100 MHz.
• θέρμανση σε ενδιάμεση (κατώτερη υβριδική) συχνότητα f ~ 5 GHz.

Για τις δύο τελευταίες περιοχές συχνοτήτων, ισχυρές πηγές ακτινοβολίας υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό και το κύριο πρόβλημα εδώ είναι η σωστή αντιστοίχιση των πηγών (κεραιών) με το πλάσμα για τη μείωση των επιπτώσεων της ανάκλασης των κυμάτων. Σε έναν αριθμό μεγάλες εγκαταστάσειςΛόγω της υψηλής ικανότητας των πειραματιστών, κατέστη δυνατή η εισαγωγή ισχύος έως και 10 MW στο πλάσμα με αυτόν τον τρόπο.

Για το πρώτο, υψηλότερο εύρος συχνοτήτων, το πρόβλημα αρχικά ήταν η ανάπτυξη ισχυρών πηγών ακτινοβολίας με μήκος κύματος l ~ 2 mm. Ο πρωτοπόρος εδώ ήταν το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής Νίζνι Νόβγκοροντ. Πάνω από μισό αιώνα εστιασμένης εργασίας, ήταν δυνατή η δημιουργία πηγών ακτινοβολίας (γυροτόνια) με ισχύ έως και 1 MW σε ακίνητη λειτουργία. Αυτές είναι οι συσκευές που θα εγκατασταθούν στο ITER. Στα γυροτόνια, η τεχνολογία έχει μεταφερθεί σε μια μορφή τέχνης. Ο συντονιστής στον οποίο τα κύματα διεγείρονται από μια δέσμη ηλεκτρονίων έχει διαστάσεις της τάξης των 20 cm και το απαιτούμενο μήκος κύματος είναι 10 φορές μικρότερο. Επομένως, είναι απαραίτητο να επενδύσετε συντονισμένα έως και 95% της ισχύος σε μια πολύ υψηλή χωρική αρμονική και όχι περισσότερο από 5% σε όλες τις άλλες μαζί. Σε ένα από τα γυροτόνια για το ITER, μια αρμονική με αριθμούς (αριθμός κόμβων) σε ακτίνα = 25 και γωνία = 10 χρησιμοποιείται ως τέτοια επιλεγμένη αρμονική. Για την έξοδο ακτινοβολίας από το γυροτρόνιο, ένας πολυκρυσταλλικός δίσκος διαμαντιού πάχους 1,85 mm και ως παράθυρο χρησιμοποιείται διάμετρος 106 mm. Έτσι, για να λυθεί το πρόβλημα της θέρμανσης με πλάσμα, ήταν απαραίτητο να αναπτυχθεί η παραγωγή γιγάντων τεχνητών διαμαντιών.

6. Διαγνωστικά

Σε θερμοκρασία πλάσματος 100 εκατομμυρίων βαθμών, καμία συσκευή μέτρησης δεν μπορεί να εισαχθεί στο πλάσμα. Θα εξατμιστεί χωρίς να έχει χρόνο να μεταδώσει εύλογες πληροφορίες. Επομένως, όλες οι μετρήσεις είναι έμμεσες. Τα ρεύματα, τα πεδία και τα σωματίδια εκτός του πλάσματος μετρώνται και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα, ερμηνεύονται τα καταγεγραμμένα σήματα.

Τι πραγματικά μετριέται;

Πρώτα απ 'όλα, αυτά είναι ρεύματα και τάσεις στα κυκλώματα που περιβάλλουν το πλάσμα. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία έξω από το πλάσμα μετρώνται χρησιμοποιώντας τοπικούς ανιχνευτές. Ο αριθμός τέτοιων ανιχνευτών μπορεί να φτάσει αρκετές εκατοντάδες. Από αυτές τις μετρήσεις, λύνοντας αντίστροφα προβλήματα, είναι δυνατή η ανακατασκευή του σχήματος του πλάσματος, της θέσης του στον θάλαμο και του μεγέθους του ρεύματος.

Τόσο η ενεργητική όσο και η παθητική μέθοδος χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του πλάσματος. Με τον όρο ενεργή εννοούμε μια μέθοδο κατά την οποία κάποια ακτινοβολία (για παράδειγμα, μια δέσμη λέιζερ ή μια δέσμη ουδέτερων σωματιδίων) εγχέεται στο πλάσμα και μετράται η σκεδαζόμενη ακτινοβολία, η οποία μεταφέρει πληροφορίες για τις παραμέτρους του πλάσματος. Μία από τις δυσκολίες του προβλήματος είναι ότι, κατά κανόνα, μόνο ένα μικρό κλάσμα της εγχυόμενης ακτινοβολίας διασκορπίζεται. Έτσι, όταν χρησιμοποιείται ένα λέιζερ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας ηλεκτρονίων, μόνο 10 -10 της ενέργειας του παλμού λέιζερ διαχέεται. Όταν χρησιμοποιείται μια δέσμη ουδέτερων για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των ιόντων, μετράται η ένταση, το σχήμα και η θέση των οπτικών γραμμών που εμφανίζονται όταν τα ιόντα του πλάσματος επαναφορτίζονται στα ουδέτερα της δέσμης. Η ένταση αυτών των γραμμών είναι πολύ χαμηλή και απαιτούνται φασματόμετρα υψηλής ευαισθησίας για την ανάλυση του σχήματός τους.

Οι παθητικές μέθοδοι αναφέρονται σε μεθόδους που μετρούν την ακτινοβολία που εκπέμπεται συνεχώς από ένα πλάσμα. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μετριέται σε διάφορες περιοχές συχνοτήτων ή τις ροές και τα φάσματα των ουδέτερων σωματιδίων που διαφεύγουν. Αυτό περιλαμβάνει μετρήσεις σκληρών και μαλακών ακτίνων Χ, υπεριώδους ακτινοβολίας, μετρήσεις στην οπτική, στο υπέρυθρο και στο ραδιόφωνο φάσμα. Τόσο οι μετρήσεις των φασμάτων όσο και οι θέσεις και τα σχήματα των μεμονωμένων γραμμών είναι ενδιαφέρουσες. Ο αριθμός των χωρικών καναλιών σε μεμονωμένα διαγνωστικά φτάνει τις αρκετές εκατοντάδες. Η συχνότητα εγγραφής του σήματος φτάνει αρκετά MHz. Κάθε εγκατάσταση που σέβεται τον εαυτό του έχει ένα σετ 25-30 διαγνωστικών. Στον αντιδραστήρα ITER tokamak, μόνο στο αρχικό στάδιο σχεδιάζεται να υπάρχουν αρκετές δεκάδες παθητικά και ενεργά διαγνωστικά.

7. Μαθηματικά μοντέλα πλάσματος

Τα προβλήματα της μαθηματικής μοντελοποίησης του πλάσματος μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε δύο ομάδες. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει εργασίες ερμηνείας ενός πειράματος. Συνήθως είναι λανθασμένες και απαιτούν την ανάπτυξη μεθόδων τακτοποίησης. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα εργασιών από αυτήν την ομάδα.

1. Ανακατασκευή του ορίου του πλάσματος από μαγνητικές (probe) μετρήσεις πεδίων εκτός πλάσματος. Αυτό το πρόβλημα οδηγεί σε ολοκληρωτικές εξισώσεις Fredholm πρώτου είδους ή σε έντονα εκφυλισμένα γραμμικά αλγεβρικά συστήματα.
2. Επεξεργασία μετρήσεων χορδών. Εδώ ερχόμαστε σε ολοκληρωτικές εξισώσεις του πρώτου είδους μικτού τύπου Volterra-Fredholm.
3. Επεξεργασία μετρήσεων φασματικών γραμμών. Εδώ είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι συναρτήσεις υλικού και ερχόμαστε πάλι στις ολοκληρωτικές εξισώσεις Fredholm του πρώτου είδους.
4. Επεξεργασία θορυβωδών σημάτων χρόνου. Εδώ χρησιμοποιούνται διάφορες φασματικές αποσυνθέσεις (Fourier, wavelet) και υπολογισμοί συσχετισμών διαφόρων τάξεων.
5. Ανάλυση φασμάτων σωματιδίων. Εδώ έχουμε να κάνουμε με μη γραμμικές ολοκληρωτικές εξισώσεις πρώτου είδους.

Οι παρακάτω εικόνες απεικονίζουν μερικά από τα παραπάνω παραδείγματα. Το σχήμα 4 δείχνει τη χρονική συμπεριφορά των μαλακών σημάτων ακτίνων Χ στην εγκατάσταση MAST (Αγγλία), μετρημένη κατά μήκος χορδών με ευθυγραμμισμένους ανιχνευτές.

Τα εγκατεστημένα διαγνωστικά καταγράφουν πάνω από 100 τέτοια σήματα. Οι έντονες κορυφές στις καμπύλες αντιστοιχούν σε γρήγορες εσωτερικές κινήσεις («διαταραχές») του πλάσματος. Η δισδιάστατη δομή τέτοιων κινήσεων μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τομογραφική επεξεργασία μεγάλου αριθμού σημάτων.

Το σχήμα 5 δείχνει τη χωρική κατανομή της πίεσης ηλεκτρονίων για δύο παλμούς από την ίδια διάταξη MAST.

Τα φάσματα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας της δέσμης λέιζερ μετρώνται σε 300 σημεία κατά μήκος της ακτίνας. Κάθε σημείο στο Σχ. 5 είναι το αποτέλεσμα πολύπλοκης επεξεργασίας του ενεργειακού φάσματος των φωτονίων που καταγράφεται από ανιχνευτές. Δεδομένου ότι μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας της δέσμης λέιζερ διαχέεται, ο αριθμός των φωτονίων στο φάσμα είναι μικρός και η αποκατάσταση της θερμοκρασίας σε όλο το εύρος του φάσματος αποδεικνύεται εσφαλμένη εργασία.

Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει τα πραγματικά προβλήματα των διαδικασιών μοντελοποίησης που συμβαίνουν στο πλάσμα. Το ζεστό πλάσμα σε ένα tokamak έχει μεγάλο αριθμό χαρακτηριστικών χρόνων, τα άκρα των οποίων διαφέρουν κατά 12 τάξεις μεγέθους. Επομένως, η προσδοκία ότι μπορούν να δημιουργηθούν μοντέλα που περιέχουν «όλες» τις διαδικασίες στο πλάσμα μπορεί να δημιουργηθεί μάταια. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιείτε μοντέλα που ισχύουν μόνο σε μια αρκετά στενή ζώνη χαρακτηριστικών χρόνων.

Τα κύρια μοντέλα περιλαμβάνουν:

• Γυροκινητική περιγραφή του πλάσματος.Εδώ, η άγνωστη είναι η συνάρτηση κατανομής ιόντων, η οποία εξαρτάται από έξι μεταβλητές: τρεις χωρικές συντεταγμένες στη σπειροειδή γεωμετρία, τη διαμήκη και εγκάρσια ταχύτητα και χρόνο. Για την περιγραφή των ηλεκτρονίων σε τέτοια μοντέλα, χρησιμοποιούνται μέθοδοι υπολογισμού του μέσου όρου. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, έχουν αναπτυχθεί γιγάντιοι κώδικες σε πολλά ξένα κέντρα. Ο υπολογισμός τους απαιτεί πολύ χρόνο σε υπερυπολογιστές. Δεν υπάρχουν τέτοιοι κωδικοί στη Ρωσία τώρα· στον υπόλοιπο κόσμο υπάρχουν περίπου μια ντουζίνα από αυτούς. Επί του παρόντος, οι γυροκινητικοί κώδικες περιγράφουν διεργασίες πλάσματος στο χρονικό εύρος των 10 -5 -10 -2 sec. Αυτές περιλαμβάνουν την ανάπτυξη αστάθειας και τη συμπεριφορά των αναταράξεων του πλάσματος. Δυστυχώς, αυτοί οι κωδικοί δεν παρέχουν ακόμη μια λογική εικόνα της μεταφοράς στο πλάσμα. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων υπολογισμού με το πείραμα βρίσκεται ακόμη στα αρχικά της στάδια.
• Μαγνητοϋδροδυναμική (MHD) περιγραφή του πλάσματος.Σε αυτόν τον τομέα, ορισμένα κέντρα έχουν δημιουργήσει κωδικούς για γραμμικά τρισδιάστατα μοντέλα. Χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της σταθερότητας του πλάσματος. Κατά κανόνα αναζητούνται τα όρια αστάθειας στο χώρο των παραμέτρων και το μέγεθος των προσαυξήσεων. Οι μη γραμμικοί κώδικες αναπτύσσονται παράλληλα.

Σημειώστε ότι τις τελευταίες 2 δεκαετίες, η στάση των φυσικών για τις αστάθειες του πλάσματος έχει αλλάξει αισθητά. Στις δεκαετίες του '50 και του '60, οι αστάθειες του πλάσματος ανακαλύπτονταν «σχεδόν κάθε μέρα». Αλλά με την πάροδο του χρόνου, έγινε σαφές ότι μόνο μερικά από αυτά οδηγούν σε μερική ή πλήρη καταστροφή του πλάσματος, ενώ τα υπόλοιπα αυξάνουν (ή δεν αυξάνουν) μόνο τη μεταφορά ενέργειας και σωματιδίων. Η πιο επικίνδυνη αστάθεια, που οδηγεί σε πλήρη καταστροφή του πλάσματος, ονομάζεται «αστάθεια στασιμότητας» ή απλά «στάσιμο». Είναι μη γραμμικό και αναπτύσσεται στην περίπτωση που πιο στοιχειώδεις γραμμικοί τρόποι MHD που σχετίζονται με μεμονωμένες επιφάνειες συντονισμού τέμνονται στο χώρο και, ως εκ τούτου, καταστρέφουν τις μαγνητικές επιφάνειες. Οι προσπάθειες να περιγραφεί η διαδικασία στάσιμος έχουν οδηγήσει στη δημιουργία μη γραμμικών κωδίκων. Δυστυχώς, κανένα από αυτά δεν είναι ακόμη ικανό να περιγράψει την εικόνα της καταστροφής του πλάσματος.

Στα πειράματα πλάσματος σήμερα, εκτός από τις αστάθειες στασιμότητας, ένας μικρός αριθμός αστάθειας θεωρείται επικίνδυνος. Εδώ θα αναφέρουμε μόνο δύο από αυτά. Αυτή είναι η λεγόμενη λειτουργία RWM, που σχετίζεται με την πεπερασμένη αγωγιμότητα των τοιχωμάτων του θαλάμου και την απόσβεση των ρευμάτων σταθεροποίησης του πλάσματος σε αυτό, και η λειτουργία NTM, που σχετίζεται με το σχηματισμό μαγνητικών νησίδων σε συντονισμένες μαγνητικές επιφάνειες. Μέχρι σήμερα, έχουν δημιουργηθεί αρκετοί τρισδιάστατοι κώδικες MHD στη σπειροειδή γεωμετρία για τη μελέτη αυτών των τύπων διαταραχών. Υπάρχει ενεργή αναζήτηση μεθόδων για την καταστολή αυτών των αστάθειας, όπως π.χ πρώιμο στάδιο, και στο στάδιο των αναπτυγμένων αναταράξεων.

• Περιγραφή μεταφοράς στο πλάσμα, θερμική αγωγιμότητα και διάχυση.Πριν από περίπου σαράντα χρόνια, δημιουργήθηκε η κλασική (βασισμένη σε συγκρούσεις ζευγαρωμένων σωματιδίων) θεωρία μεταφοράς σε δακτυλιοειδές πλάσμα. Αυτή η θεωρία ονομάστηκε «νεοκλασική». Ωστόσο, ήδη στα τέλη της δεκαετίας του '60, τα πειράματα έδειξαν ότι η μεταφορά ενέργειας και σωματιδίων στο πλάσμα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη νεοκλασική (κατά 1 - 2 τάξεις μεγέθους). Σε αυτή τη βάση, η κανονική μεταφορά στο πειραματικό πλάσμα ονομάζεται «ανώμαλη».

Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για να περιγραφεί η ανώμαλη μεταφορά μέσω της ανάπτυξης τυρβωδών κυττάρων στο πλάσμα. Ο συνήθης τρόπος, που υιοθετήθηκε την τελευταία δεκαετία σε πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, είναι ο εξής. Θεωρείται ότι η κύρια αιτία που καθορίζει την ανώμαλη μεταφορά είναι αστάθειες τύπου μετατόπισης που σχετίζονται με διαβαθμίσεις θερμοκρασίας ιόντων και ηλεκτρονίων ή με την παρουσία παγιδευμένων σωματιδίων στη σπειροειδή γεωμετρία του πλάσματος. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών που χρησιμοποιούν τέτοιους κωδικούς οδηγούν στην ακόλουθη εικόνα. Εάν οι διαβαθμίσεις θερμοκρασίας υπερβούν μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, τότε η αναπτυσσόμενη αστάθεια οδηγεί σε στροβιλισμό του πλάσματος και απότομη αύξηση των ροών ενέργειας. Υποτίθεται ότι αυτές οι ροές αυξάνονται αναλογικά με την απόσταση (σε κάποια μέτρηση) μεταξύ των πειραματικών και των κρίσιμων κλίσεων. Κατά μήκος αυτής της διαδρομής, πολλά μοντέλα μεταφοράς έχουν κατασκευαστεί την τελευταία δεκαετία για να περιγράψουν τη μεταφορά ενέργειας στο πλάσμα tokamak. Ωστόσο, οι προσπάθειες σύγκρισης υπολογισμών που χρησιμοποιούν αυτά τα μοντέλα με πείραμα δεν οδηγούν πάντα σε επιτυχία. Για να περιγράψουμε τα πειράματα, πρέπει να υποθέσουμε ότι σε διαφορετικούς τρόπους εκφόρτισης και σε διαφορετικά χωρικά σημεία της διατομής του πλάσματος κύριος ρόλοςΔιάφορες αστάθειες παίζουν ρόλο στη μεταφορά. Ως αποτέλεσμα, η πρόβλεψη δεν είναι πάντα αξιόπιστη.

Το θέμα περιπλέκεται περαιτέρω από το γεγονός ότι κατά το τελευταίο τέταρτο του αιώνα έχουν ανακαλυφθεί πολλά σημάδια «αυτοοργάνωσης» του πλάσματος. Ένα παράδειγμα τέτοιου αποτελέσματος φαίνεται στο Σχ. 6 α, β.

Το σχήμα 6α δείχνει τα προφίλ πυκνότητας πλάσματος n(r) για δύο εκκενώσεις της εγκατάστασης MAST με τα ίδια ρεύματα και μαγνητικά πεδία, αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς παροχής αερίου δευτερίου για τη διατήρηση της πυκνότητας. Εδώ το r είναι η απόσταση από τον κεντρικό άξονα του τόρου. Μπορεί να φανεί ότι τα προφίλ πυκνότητας ποικίλλουν πολύ σε σχήμα. Στο Σχ. 6β, για τους ίδιους παλμούς, φαίνονται προφίλ πίεσης ηλεκτρονίων, κανονικοποιημένα στο σημείο – προφίλ θερμοκρασίας ηλεκτρονίου. Μπορεί να φανεί ότι τα "φτερά" των προφίλ πίεσης συμπίπτουν καλά. Από αυτό προκύπτει ότι τα προφίλ θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων είναι, σαν να λέγαμε, «ρυθμισμένα» ώστε τα προφίλ πίεσης να είναι ίδια. Αυτό όμως σημαίνει ότι οι συντελεστές μεταφοράς είναι «ρυθμισμένοι», δηλαδή δεν είναι συναρτήσεις τοπικών παραμέτρων πλάσματος. Αυτή η εικόνα στο σύνολό της ονομάζεται αυτοοργάνωση. Η απόκλιση μεταξύ των προφίλ πίεσης στο κεντρικό τμήμα εξηγείται από την παρουσία περιοδικών ταλαντώσεων MHD στην κεντρική ζώνη της εκκένωσης με μεγαλύτερη πυκνότητα. Τα προφίλ πίεσης στα φτερά είναι τα ίδια, παρά αυτή τη μη σταθερότητα.

Η εργασία μας προϋποθέτει ότι το αποτέλεσμα της αυτοοργάνωσης καθορίζεται από την ταυτόχρονη δράση πολλών αστάθειας. Είναι αδύνατο να ξεχωρίσουμε την κύρια αστάθεια μεταξύ τους, επομένως η περιγραφή της μεταφοράς θα πρέπει να συσχετιστεί με ορισμένες μεταβλητές αρχές που πραγματοποιούνται στο πλάσμα λόγω των διεργασιών διάχυσης. Ως τέτοια αρχή, προτείνεται να χρησιμοποιηθεί η αρχή της ελάχιστης μαγνητικής ενέργειας που προτείνεται από τον Kadomtsev. Αυτή η αρχή μας επιτρέπει να αναγνωρίσουμε ορισμένα ειδικά προφίλ ρεύματος και πίεσης, τα οποία συνήθως ονομάζονται κανονικά. Στα μοντέλα μεταφοράς παίζουν τον ίδιο ρόλο με τις κρίσιμες κλίσεις. Τα μοντέλα που κατασκευάζονται κατά μήκος αυτής της διαδρομής καθιστούν δυνατή την εύλογη περιγραφή των πειραματικών προφίλ θερμοκρασίας και πυκνότητας πλάσματος σε διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας ενός tokamak.

8. Η πορεία προς το μέλλον. Ελπίδες και όνειρα.

Για περισσότερο από μισό αιώνα έρευνας για το ζεστό πλάσμα, έχει περάσει ένα σημαντικό μέρος της διαδρομής προς έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα. Επί του παρόντος, η πιο ελπιδοφόρα είναι η χρήση εγκαταστάσεων τύπου tokamak για το σκοπό αυτό. Παράλληλα, αν και με καθυστέρηση 10-15 ετών, αναπτύσσεται η κατεύθυνση των stellarators. Επί του παρόντος είναι αδύνατο να πούμε ποια από αυτές τις εγκαταστάσεις θα είναι τελικά πιο κατάλληλη για έναν εμπορικό αντιδραστήρα. Αυτό μπορεί να αποφασιστεί μόνο στο μέλλον.

Η πρόοδος στην έρευνα CTS από τη δεκαετία του 1960 φαίνεται στο Σχ. 7 σε διπλή λογαριθμική κλίμακα.

Το πεδίο της φυσικής του πλάσματος άνθισε από την επιθυμία να εμφιαλωθεί ένα αστέρι. Τις τελευταίες δεκαετίες, το πεδίο έχει αναπτυχθεί σε αμέτρητες κατευθύνσεις, από την αστροφυσική έως τον διαστημικό καιρό και τη νανοτεχνολογία.

Καθώς η γενική κατανόησή μας για το πλάσμα έχει αυξηθεί, αυξάνει και η ικανότητά μας να διατηρούμε τις συνθήκες σύντηξης για περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο. Νωρίτερα φέτος, ένας νέος υπεραγώγιμος αντιδραστήρας σύντηξης στην Κίνα μπόρεσε να περιέχει πλάσμα στους 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου για 102 δευτερόλεπτα ρεκόρ. Το Wendelstein X-7 Stellarator, το οποίο πέταξε για πρώτη φορά στη Γερμανία το περασμένο φθινόπωρο, αναμένεται να είναι σε θέση να σπάσει αυτό το ρεκόρ και να κρατήσει το πλάσμα για έως και 30 λεπτά κάθε φορά.

Η πρόσφατη ενημέρωση του NSTX-U φαίνεται μέτρια σε σύγκριση με αυτά τα τέρατα: το πείραμα μπορεί τώρα να κρατήσει πλάσμα για πέντε δευτερόλεπτα αντί για ένα. Αλλά αυτό είναι επίσης ένα σημαντικό ορόσημο.

«Η δημιουργία ενός πλάσματος σύντηξης που διαρκεί μόνο πέντε δευτερόλεπτα μπορεί να μην φαίνεται πολύ μεγάλη διαδικασία, αλλά στη φυσική του πλάσματος, πέντε δευτερόλεπτα μπορούν να συγκριθούν με τη φυσική του σταθερής κατάστασης», λέει ο Myers, αναφερόμενος στις συνθήκες υπό τις οποίες το πλάσμα είναι σταθερό. Ο απώτερος στόχος είναι να επιτευχθεί μια σταθερή κατάσταση «καύσης πλάσματος» που μπορεί να πραγματοποιήσει τη σύντηξη από μόνη της με λίγη εξωτερική εισροή ενέργειας. Κανένα πείραμα δεν το έχει πετύχει ακόμη αυτό.

Το NSTX-U θα επιτρέψει στους ερευνητές του Πρίνστον να καλύψουν μερικά από τα κενά μεταξύ αυτού που είναι γνωστό από τη φυσική του πλάσματος τώρα και αυτού που θα χρειαστεί για τη δημιουργία μιας πιλοτικής μονάδας ικανής να επιτύχει καύση σε σταθερή κατάσταση και να παράγει καθαρό ηλεκτρισμό.

Από τη μία πλευρά, για να βρούμε καλύτερα υλικά συγκράτησης, πρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει μεταξύ του πλάσματος σύντηξης και των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα. Το Princeton διερευνά τη δυνατότητα αντικατάστασης των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα του (από άνθρακα γραφίτη) με έναν «τοίχο» από υγρό λίθιο προκειμένου να μειωθεί η μακροπρόθεσμη διάβρωση.

Επιπλέον, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι εάν η σύνθεση βοηθάει στην καταπολέμηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη, πρέπει να βιαστούν. Το NSTX-U θα βοηθήσει τους φυσικούς να αποφασίσουν αν θα συνεχίσουν να αναπτύσσουν το σφαιρικό σχέδιο tokamak. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες tokamak είναι λιγότερο σε σχήμα μήλου και περισσότερο σε σχήμα ντόνατ, σε σχήμα ντόνατ και σε σχήμα τόρου. Ασυνήθιστο σχήμαΟ σφαιρικός δακτύλιος σάς επιτρέπει να χρησιμοποιείτε πιο αποτελεσματικά το μαγνητικό πεδίο των πηνίων σας.

«Μακροπρόθεσμα, θα θέλαμε να καταλάβουμε πώς να βελτιστοποιήσουμε τη διαμόρφωση ενός από αυτά τα μηχανήματα», λέει ο Martin Greenwald, αναπληρωτής διευθυντής του Κέντρου Επιστήμης Πλάσματος και Σύντηξης στο . "Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να ξέρετε πώς η απόδοση του μηχανήματος εξαρτάται από πράγματα που μπορείτε να ελέγξετε, όπως το σχήμα."

Ο Myers μισεί να εκτιμά πόσο μακριά είμαστε από την εμπορικά εφικτή ενέργεια σύντηξης, και είναι κατανοητός. Άλλωστε, δεκαετίες αδυσώπητης αισιοδοξίας έχουν βλάψει σοβαρά τη φήμη του κλάδου και ενίσχυσαν την ιδέα ότι η σύντηξη είναι ένα όνειρο. Με όλες τις επιπτώσεις στη χρηματοδότηση.

Σε ένα σημαντικό πλήγμα στο πρόγραμμα σύντηξης του MIT, οι ομοσπονδιακοί παρείχαν υποστήριξη για το Alcator C-Mid tokamak, το οποίο παράγει ένα από τα πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία στον κόσμο και επιδεικνύει πλάσμα σύντηξης στις υψηλότερες πιέσεις. Το μεγαλύτερο μέρος της αναμενόμενης έρευνας NSTX-U θα εξαρτηθεί από τη συνεχιζόμενη ομοσπονδιακή υποστήριξη, η οποία είπε ο Myers είναι «έναν χρόνο μακριά».

Ο καθένας πρέπει να ξοδέψει προσεκτικά τα ερευνητικά του δολάρια και ορισμένα προγράμματα σύντηξης έχουν ήδη καεί με απίστευτα ποσά. Πάρτε, για παράδειγμα, τον ITER, έναν τεράστιο υπεραγώγιμο αντιδραστήρα σύντηξης που κατασκευάζεται αυτή τη στιγμή στη Γαλλία. Πότε ξεκίνησε το 2005; Διεθνής συνεργασία, χρεώθηκε ως έργο 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων, διάρκειας 10 ετών. Μετά από αρκετά χρόνια αποτυχίας, το τίμημα έχει αυξηθεί στα 40 δισεκατομμύρια δολάρια. Σύμφωνα με τις πιο αισιόδοξες εκτιμήσεις, η εγκατάσταση θα ολοκληρωθεί έως το 2030.

Και εκεί που το ITER φαίνεται έτοιμο να διογκωθεί σαν όγκος μέχρι να εξαντληθούν οι πόροι και να σκοτώσει τον οικοδεσπότη του, το απογυμνωμένο πρόγραμμα σύντηξης του MIT δείχνει πώς μπορεί να γίνει με πολύ μικρότερο προϋπολογισμό. Το περασμένο καλοκαίρι, μια ομάδα μεταπτυχιακών φοιτητών του MIT παρουσίασε σχέδια για τον ARC, έναν αντιδραστήρα σύντηξης χαμηλού κόστους που θα χρησιμοποιούσε νέα υπεραγώγιμα υλικά υψηλής θερμοκρασίας για να παράγει την ίδια ποσότητα ενέργειας με το ITER, μόνο με μια πολύ μικρότερη συσκευή.

«Η πρόκληση για τη σύντηξη είναι να βρεθεί μια τεχνική διαδρομή που να την κάνει οικονομικά ελκυστική, κάτι που σκοπεύουμε να κάνουμε στο εγγύς μέλλον», λέει ο Greenwald, σημειώνοντας ότι η ιδέα του ARC επιδιώκεται επί του παρόντος από την Energy Initiative στο MIT. - Πιστεύουμε ότι αν η σύνθεση είναι σημαντική για παγκόσμια υπερθέρμανση, πρέπει να κινηθούμε πιο γρήγορα».

«Η σύντηξη υπόσχεται να είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας—αυτός είναι ουσιαστικά ο απώτερος στόχος μας», λέει ο Robert Rosner, φυσικός πλάσματος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και συνιδρυτής του Ινστιτούτου Ενεργειακής Πολιτικής. «Ταυτόχρονα, υπάρχει ένα σημαντικό ερώτημα: πόσα είμαστε διατεθειμένοι να ξοδέψουμε αυτή τη στιγμή. Εάν μειώσουμε τη χρηματοδότηση σε σημείο που η επόμενη γενιά έξυπνων παιδιών να μην θέλει καθόλου να το κάνει αυτό, μπορεί να βγούμε από αυτήν την επιχείρηση εντελώς».