Zagadnienia kontroli syntezy termojądrowej (TF). International Journal of Applied and Fundamental Research Problemy tworzenia instalacji termojądrowych

Opracowano nową technikę skutecznego spowalniania uciekających elektronów poprzez wprowadzenie do reaktora „ciężkich” jonów, takich jak neon lub argon.

Funkcjonalny reaktor termojądrowy to wciąż marzenie, ale po wielu badaniach i eksperymentach może ostatecznie stać się rzeczywistością, aby odblokować nieograniczone dostawy czystej energii. Problemy, jakie stoją przed naukowcami przy uzyskiwaniu syntezy jądrowej, są niewątpliwie poważne i naprawdę złożone, ale wszystko można przezwyciężyć. I wygląda na to, że jeden z głównych problemów został rozwiązany.

Fuzja jądrowa nie jest procesem wymyślonym przez ludzkość, ale istnieje w naturze od samego początku; proces ten napędza nasze Słońce. Głęboko w naszej macierzystej gwieździe atomy wodoru łączą się, tworząc hel, który jest impulsem tego procesu. Fuzja jądrowa uwalnia ogromne ilości energii, ale wymaga ogromnych kosztów, aby wytworzyć niezwykle wysokie ciśnienie i temperaturę, które są trudne do odtworzenia na Ziemi w kontrolowany sposób.

W zeszłym roku naukowcy z MIT przybliżyli nas do syntezy termojądrowej, poddając plazmę działaniu odpowiedniego ciśnienia, ale teraz dwóch badaczy z Uniwersytetu Chalmers odkryło kolejny element układanki.

Jednym z problemów, na jakie natknęli się inżynierowie, są uciekające elektrony. Te niezwykle wysokoenergetyczne elektrony mogą nagle i nieoczekiwanie przyspieszyć do bardzo dużych prędkości, co może bez ostrzeżenia zniszczyć ścianę reaktora.

Doktoranci Linnea Heschlow i Ole Emberose opracowali nową technikę skutecznego spowalniania uciekających elektronów poprzez wprowadzenie do reaktora „ciężkich” jonów, takich jak neon lub argon. W rezultacie wysoko naładowane elektrony uderzające w jądra tych jonów zwalniają i stają się znacznie łatwiejsze do kontrolowania.

„Kiedy uda nam się skutecznie spowolnić uciekające elektrony, będziemy o krok bliżej do funkcjonalnego reaktora termojądrowego” – mówi Linnea Heschlow.

Naukowcy stworzyli model, który może skutecznie przewidywać energię i zachowanie elektronów. Korzystając z matematycznego modelowania plazmy, fizycy mogą teraz skutecznie kontrolować prędkość ucieczki elektronów bez przerywania procesu syntezy.

„Wiele osób uważa, że to się sprawdzi, ale łatwiej jest polecieć na Marsa niż dokonać fuzji” – mówi Linnea Heschlow: „Można powiedzieć, że próbujemy zgromadzić gwiazdy tu, na Ziemi, a to może zająć trochę czasu czas. Do pomyślnego połączenia się tu, na Ziemi, potrzebne są niewiarygodnie wysokie temperatury, wyższe niż w środku Słońca. Mam więc nadzieję, że to wszystko kwestia czasu.

na podstawie materiałów z newatlas.com, tłumaczenie

3. Zagadnienia kontrolowanej syntezy termojądrowej

Naukowcy ze wszystkich krajów rozwiniętych pokładają nadzieje w przezwyciężeniu nadchodzącego kryzysu energetycznego w kontrolowanej reakcji termojądrowej. Taka reakcja - synteza helu z deuteru i trytu - zachodzi na Słońcu od milionów lat, a w warunkach ziemskich od pięćdziesięciu lat próbują ją przeprowadzić w gigantycznych i bardzo drogich instalacjach laserowych, tokamakach (urządzenie do przeprowadzania reakcji syntezy termojądrowej w gorącej plazmie) i stellaratory (zamknięta pułapka magnetyczna do zamykania plazmy wysokotemperaturowej). Istnieją jednak inne sposoby rozwiązania tego trudnego problemu i zamiast ogromnych tokamaków prawdopodobnie uda się zastosować w miarę kompaktowy i niedrogi zderzacz – akcelerator wiązki zderzającej – do przeprowadzenia syntezy termojądrowej.

Tokamak do działania potrzebuje bardzo małych ilości litu i deuteru. Przykładowo reaktor o mocy elektrycznej 1 GW spala rocznie około 100 kg deuteru i 300 kg litu. Jeśli założymy, że wszystkie elektrownie termojądrowe wyprodukują 10 bilionów. kWh energii elektrycznej rocznie, czyli tyle samo, ile produkują dziś wszystkie elektrownie na Ziemi, wówczas światowe rezerwy deuteru i litu wystarczą, aby zapewnić ludzkości energię na wiele milionów lat.

Oprócz fuzji deuteru i litu możliwa jest czysto słoneczna fuzja, gdy łączą się dwa atomy deuteru. Jeśli opanujemy tę reakcję, problemy energetyczne zostaną rozwiązane natychmiast i na zawsze.

W żadnym ze znanych wariantów kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF) reakcje termojądrowe nie mogą wejść w tryb niekontrolowanego wzrostu mocy, dlatego takie reaktory nie są z natury bezpieczne.

Z fizycznego punktu widzenia problem jest sformułowany prosto. Aby przeprowadzić samopodtrzymującą się reakcję syntezy jądrowej, konieczne i wystarczające jest spełnienie dwóch warunków.

1. Energia jąder biorących udział w reakcji musi wynosić co najmniej 10 keV. Aby doszło do syntezy jądrowej, jądra biorące udział w reakcji muszą wpaść w pole sił jądrowych, których promień wynosi 10-12-10-13 cm. Jednakże jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i podobne ładunki odpychają się. Na granicy działania sił jądrowych energia odpychania Coulomba jest rzędu 10 keV. Aby pokonać tę barierę, jądra podczas zderzenia muszą mieć energię kinetyczną co najmniej nie mniejszą niż ta wartość.

2. Iloczyn stężenia reagujących zarodków i czasu przebywania, w którym zachowują one określoną energię, musi wynosić co najmniej 1014 s.cm-3. Warunek ten – tzw. kryterium Lawsona – wyznacza granicę korzyści energetycznej reakcji. Aby energia wyzwolona w reakcji termojądrowej chociaż pokryła koszty energetyczne zapoczątkowania reakcji, jądra atomowe muszą przejść wiele zderzeń. W każdym zderzeniu, w którym zachodzi reakcja termojądrowa pomiędzy deuterem (D) i trytem (T), uwalnia się 17,6 MeV energii, czyli około 3,10-12 J. Jeżeli na zapłon zużyto np. 10 MJ energii, to reakcja będzie nieopłacalna, jeśli weźmie w niej udział co najmniej 3,1018 par D-T. W tym celu dość gęstą plazmę wysokoenergetyczną należy przechowywać w reaktorze przez dość długi czas. Warunek ten wyraża kryterium Lawsona.

Jeżeli uda się spełnić oba wymagania jednocześnie, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej zostanie rozwiązany.

Jednak techniczna realizacja tego problemu fizycznego napotyka ogromne trudności. W końcu energia 10 keV to temperatura 100 milionów stopni. Substancję w tej temperaturze można przetrzymać nawet przez ułamek sekundy w próżni, izolując ją od ścianek instalacji.

Ale istnieje inna metoda rozwiązania tego problemu - zimna fuzja. Co to jest zimna reakcja termojądrowa? Jest to analogia „gorącej” reakcji termojądrowej zachodzącej w temperaturze pokojowej.

W przyrodzie istnieją co najmniej dwa sposoby zmiany materii w jednym wymiarze kontinuum. Można zagotować wodę na ogniu, tj. termicznie lub w kuchence mikrofalowej, tj. częstotliwość. Wynik jest taki sam - woda wrze, jedyną różnicą jest to, że metoda częstotliwościowa jest szybsza. Osiągnięcie bardzo wysokich temperatur wykorzystuje się również do rozszczepienia jądra atomu. Metoda termiczna powoduje niekontrolowaną reakcję jądrową. Energia zimnego termojądrowego jest energią stanu przejściowego. Jednym z głównych warunków zaprojektowania reaktora do prowadzenia zimnej reakcji termojądrowej jest warunek jego piramidalnego kształtu krystalicznego. Kolejnym ważnym warunkiem jest obecność wirujących pól magnetycznych i skrętnych. Przecięcie pól następuje w punkcie niestabilnej równowagi jądra wodoru.

Naukowcy Ruzi Taleyarkhan z Oak Ridge National Laboratory i Richard Lahey z Politechniki. Rensilira i akademik Robert Nigmatulin zarejestrowali w warunkach laboratoryjnych zimną reakcję termojądrową.

Grupa użyła zlewki z ciekłym acetonem wielkości dwóch do trzech szklanek. Fale dźwiękowe były intensywnie przepuszczane przez ciecz, wywołując efekt znany w fizyce jako kawitacja akustyczna, którego efektem jest sonoluminescencja. Podczas kawitacji w cieczy pojawiły się małe pęcherzyki, które zwiększyły się do dwóch milimetrów średnicy i eksplodowały. Wybuchy towarzyszyły rozbłyskom światła i wyzwoleniu energii, tj. temperatura wewnątrz bąbelków w momencie eksplozji osiągnęła 10 milionów stopni Kelvina, a uwolniona energia, zdaniem eksperymentatorów, wystarczy do przeprowadzenia syntezy termojądrowej.

„Technicznie” istota reakcji polega na tym, że w wyniku połączenia dwóch atomów deuteru powstaje trzeci - izotop wodoru, zwany trytem, i neutron, charakteryzujący się kolosalną ilością energii.

Prąd w stanie nadprzewodzącym wynosi zero, dlatego do utrzymania pola magnetycznego zostanie zużyta minimalna ilość energii elektrycznej. 8. Ultraszybkie systemy. Kontrolowana fuzja termojądrowa z zamknięciem inercyjnym Trudności związane z magnetycznym zamknięciem plazmy można w zasadzie obejść, jeśli paliwo jądrowe będzie spalane w niezwykle krótkim czasie, gdy...

Za rok 2004. Kolejne negocjacje w sprawie tego projektu odbędą się w maju 2004 roku w Wiedniu. Budowa reaktora rozpocznie się w 2006 r., a jego uruchomienie planowane jest na 2014 r. Zasada działania Fuzja termojądrowa* to tania i przyjazna dla środowiska metoda wytwarzania energii. Od miliardów lat na Słońcu zachodzi niekontrolowana fuzja termojądrowa - hel powstaje z ciężkiego izotopu wodoru, deuteru. W której...

Eksperymentalnym reaktorem termojądrowym kieruje E.P. Stany Zjednoczone, wydając 15 miliardów dolarów, opuściły ten projekt, pozostałe 15 miliardów wydały już międzynarodowe organizacje naukowe. 2. Problemy techniczne, środowiskowe i medyczne. Podczas eksploatacji instalacji kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF). Powstają wiązki neutronów i promieniowanie gamma, a także powstają...

Energia i jaka jakość będzie potrzebna, aby wyzwolona energia wystarczyła na pokrycie kosztów rozpoczęcia procesu wyzwolenia energii. Zagadnienie to omówimy poniżej w powiązaniu z problematyką syntezy termojądrowej. O jakości energii lasera W najprostszych przypadkach ograniczenia w przetwarzaniu energii niskiej jakości na energię wysokiej jakości są oczywiste. Podam kilka przykładów z...

Pomimo pełnych absolutnej pewności wypowiedzi dość autorytatywnych ekspertów zagranicznych co do rychłego wykorzystania energii, którą w końcu będzie można pozyskać z reaktorów termojądrowych, nie wszystko napawa optymizmem. Energetyka termojądrowa, pozornie tak zrozumiała i dostępna, w rzeczywistości jest jeszcze daleka od powszechnego i powszechnego wdrożenia w praktyce. Ostatnio w Internecie ponownie pojawiły się różowe komunikaty, zapewniające opinię publiczną, że „nie ma już praktycznie żadnych przeszkód technicznych, aby w najbliższej przyszłości powstać reaktor termojądrowy”. Ale taka pewność istniała już wcześniej. Wydawało się to bardzo obiecującym i możliwym do rozwiązania problemem. Ale minęło kilkadziesiąt lat, a wózek, jak mówią, nadal tam jest. Wysoce wydajne, przyjazne dla środowiska źródło energii wciąż pozostaje poza kontrolą ludzkości. Tak jak poprzednio, jest to obiecujący przedmiot badań i rozwoju, który kiedyś zakończy się sukcesem projektu – a wtedy energia przyjdzie do nas jak z róg obfitości. Ale faktem jest, że tak długi postęp do przodu, bardziej jak odmierzanie czasu, zmusza do bardzo poważnego myślenia i oceny obecnej sytuacji. A co jeśli nie docenimy niektórych istotnych czynników, nie weźmiemy pod uwagę znaczenia i roli jakichkolwiek parametrów. W końcu nawet w Układzie Słonecznym znajduje się reaktor termojądrowy, który nie został uruchomiony. To jest planeta Jowisz. Brak masy i kompresji grawitacyjnej nie pozwolił temu przedstawicielowi planet-olbrzymów osiągnąć wymaganej mocy i stać się kolejnym Słońcem w Układzie Słonecznym. Okazuje się, że tak jak w przypadku konwencjonalnego paliwa jądrowego istnieje masa krytyczna niezbędna do zajścia reakcji łańcuchowej, tak i w tym przypadku istnieją parametry ograniczające. A jeśli, aby w jakiś sposób ominąć ograniczenia dotyczące minimalnej wymaganej masy przy zastosowaniu tradycyjnego ładunku jądrowego, stosuje się kompresję materiału podczas wybuchu, to w przypadku tworzenia instalacji termojądrowych potrzebne są również pewne niestandardowe rozwiązania.

Problem w tym, że osocze trzeba nie tylko pozyskać, ale także zatrzymać. Potrzebujemy stabilności w pracy powstającego reaktora termojądrowego. Ale to jest duży problem.

Oczywiście nikt nie będzie się spierał o korzyściach płynących z syntezy termojądrowej. Jest to niemal nieograniczone źródło pozyskiwania energii. Ale dyrektor rosyjskiej agencji ITER (mówimy o międzynarodowym eksperymentalnym reaktorze termojądrowym) słusznie zauważył, że ponad 10 lat temu USA i Anglia otrzymywały energię z instalacji termojądrowych, ale jej moc wyjściowa była daleka od zainwestowanej mocy. Maksymalna wartość wyniosła nawet niecałe 70%. Ale nowoczesny projekt (ITER) zakłada uzyskanie 10 razy większej mocy w porównaniu z inwestycją. Dlatego też stwierdzenia, że projekt jest skomplikowany technicznie i że zostaną w nim wprowadzone korekty, a także oczywiście daty uruchomienia reaktora, a co za tym idzie zwrot inwestycji państwom, które zainwestowały w tę rozbudowę , są bardzo niepokojące.

Powstaje zatem pytanie, na ile uzasadniona jest próba zastąpienia potężnej grawitacji utrzymującej plazmę w naturalnych reaktorach termojądrowych (gwiazdach) polami magnetycznymi – będącego efektem powstania inżynierii ludzkiej? Zaleta syntezy termojądrowej – uwolnienie energii jest miliony razy większe niż wydzielanie ciepła, które ma miejsce na przykład podczas spalania paliwa konwencjonalnego – to jest jednocześnie przeszkodą w skutecznym ograniczeniu emisji uwolnienie energii. To, co można łatwo rozwiązać przy wystarczającym poziomie grawitacji, staje się niezwykle trudnym problemem dla inżynierów i naukowców. Dlatego tak trudno podzielać optymizm co do bezpośrednich perspektyw energetyki termojądrowej. Znacznie większa jest szansa na wykorzystanie naturalnego reaktora termojądrowego – Słońca. Energia ta wystarczy na co najmniej kolejne 5 miliardów lat. Dzięki niemu sprawdzą się fotokomórki, termoelementy, a nawet niektóre kotły parowe, dla których woda będzie podgrzewana za pomocą soczewek lub zwierciadeł sferycznych.

Link bibliograficzny

Silaev I.V., Radchenko T.I. PROBLEMY TWORZENIA INSTALACJI DO fusion termojądrowej // International Journal of Applied and Fundamental Research. – 2014. – nr 1. – s. 37-38;
Adres URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4539 (data dostępu: 19.09.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Nauk Przyrodniczych”

Sivkova Olga Dmitrievna

Praca ta zajęła 3 miejsce w regionalnej placówce oświatowej

Pobierać:

Zapowiedź:

Miejska placówka oświatowa

Gimnazjum nr 175

Dzielnica Leninskiego w N. Nowogrodzie

Zagadnienia syntezy termojądrowej

Ukończyła: Sivkova Olga Dmitrievna

Uczeń klasy 11 „A” szkoły nr 175

Doradca naukowy:

Kirzhaeva D. G.

Niżny Nowogród

rok 2013.

Wprowadzenie 3

2. Kontrolowana fuzja termojądrowa 8

3. Zalety syntezy termojądrowej 10

4. Zagadnienia syntezy termojądrowej 12

4.1 Kwestie środowiskowe 15

4.2 Problemy zdrowotne 16

5. Instalacje termojądrowe 18

6. Perspektywy rozwoju syntezy termojądrowej 23

Wniosek 26

Literatura 27

Wstęp

Według różnych prognoz główne źródła energii elektrycznej na planecie wyczerpią się za 50–100 lat. Ludzkość wyczerpie swoje rezerwy ropy za 40 lat, rezerwy gazu za maksymalnie 80 lat, a uranu za 80-100 lat. Zasoby węgla mogą wystarczyć na 400 lat, ale wykorzystanie tego paliwa organicznego, jako głównego, stawia planetę na krawędzi katastrofy ekologicznej. Jeśli dzisiaj nie powstrzyma się tak bezlitosnego zanieczyszczania powietrza, stulecia nie będą wchodzić w rachubę. Oznacza to, że w najbliższej przyszłości potrzebujemy alternatywnego źródła energii.

I istnieje takie źródło. Jest to energia termojądrowa, która wykorzystuje całkowicie nieradioaktywny deuter i radioaktywny tryt, ale w ilościach tysiące razy mniejszych niż w energii jądrowej. A to źródło jest praktycznie niewyczerpane, opiera się na zderzeniach jąder wodoru, a wodór jest najpowszechniejszą substancją we Wszechświecie.

Jednym z najważniejszych zadań stojących przed ludzkością w tym obszarze jestproblem kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Cywilizacja ludzka nie może istnieć, a tym bardziej rozwijać się, bez energii. Wszyscy doskonale rozumieją, że rozwinięte źródła energii, niestety, wkrótce mogą się wyczerpać. Według Światowej Rady Energetycznej na Ziemi pozostały potwierdzone zasoby paliw węglowodorowych na 30 lat.

Obecnie głównymi źródłami energii są ropa naftowa, gaz i węgiel.

Według ekspertów zasoby tych minerałów się wyczerpują. Nie ma już prawie żadnych zbadanych, nadających się do eksploatacji pól naftowych, a nasze wnuki mogą już stanąć przed bardzo poważnym problemem niedoborów energii.

Najbardziej bogate w paliwo elektrownie jądrowe mogłyby oczywiście dostarczać ludzkości energię elektryczną przez setki lat.

Przedmiot badań: Problemy kontrolowana fuzja termojądrowa.

Przedmiot badań:Fuzja termojądrowa.

Cel badania:Rozwiązać problem kontroli syntezy termojądrowej;

Cele badań:

Poznaj rodzaje reakcji termojądrowych.
Rozważ wszystkie możliwe opcje przekazywania człowiekowi energii uwolnionej podczas reakcji termojądrowej.
Zaproponuj teorię dotyczącą przemiany energii w energię elektryczną.

Fakt w tle:

Energia jądrowa uwalniana jest podczas rozpadu lub syntezy jąder atomowych. Każda energia - fizyczna, chemiczna czy nuklearna - objawia się zdolnością do wykonywania pracy, wydzielania ciepła lub promieniowania. Energia w dowolnym systemie jest zawsze zachowywana, ale można ją przenieść do innego systemu lub zmienić jej formę.

Osiągnięcie Warunki kontrolowanej syntezy termojądrowej utrudnia kilka głównych problemów:

Najpierw musisz podgrzać gaz do bardzo wysokiej temperatury.
Po drugie, konieczne jest kontrolowanie liczby reagujących jąder w odpowiednio długim czasie.
Po trzecie, ilość uwolnionej energii musi być większa niż ilość zużyta na ogrzewanie i ograniczenie gęstości gazu.
Kolejnym problemem jest magazynowanie tej energii i przekształcanie jej w energię elektryczną.

1. Reakcje termojądrowe na Słońcu

Jakie jest źródło energii słonecznej? Jaka jest natura procesów, w wyniku których powstają ogromne ilości energii? Jak długo będzie jeszcze świecić słońce?

Pierwsze próby odpowiedzi na te pytania astronomowie podjęli już w połowie XIX wieku, po sformułowaniu przez fizyków prawa zachowania energii.

Robert Mayer zasugerował, że Słońce świeci dzięki ciągłemu bombardowaniu powierzchni przez meteoryty i cząstki meteorytów. Hipotezę tę odrzucono, gdyż z prostych obliczeń wynika, że aby utrzymać jasność Słońca na obecnym poziomie, konieczne jest, aby co sekundę spadało na nie 2∙10. 15 kg materiału meteorycznego. W ciągu roku będzie to wynosić 6∙10 22 kg, a podczas istnienia Słońca ponad 5 miliardów lat - 3∙10 32 kg. Masa Słońca M = 2∙10 30 kg, zatem w ciągu pięciu miliardów lat materia o masie 150 mas Słońca powinna spaść na Słońce.

Drugą hipotezę sformułowali Helmholtz i Kelvin także w połowie XIX wieku. Zasugerowali, że Słońce promieniuje w wyniku kompresji o 60–70 metrów rocznie. Powodem kompresji jest wzajemne przyciąganie się cząstek Słońca, dlatego nazwano tę hipotezę skurczowy . Jeśli dokonamy obliczeń zgodnie z tą hipotezą, wówczas wiek Słońca wyniesie nie więcej niż 20 milionów lat, co jest sprzeczne ze współczesnymi danymi uzyskanymi z analizy rozpadu radioaktywnego pierwiastków w próbkach geologicznych gleby ziemskiej i gleby Księżyc.

Trzecią hipotezę dotyczącą możliwych źródeł energii słonecznej sformułował na początku XX wieku James Jeans. Zasugerował, że głębiny Słońca zawierają ciężkie pierwiastki radioaktywne, które samoistnie rozpadają się i emitują energię. Na przykład przemianie uranu w tor, a następnie w ołów towarzyszy uwolnienie energii. Późniejsza analiza tej hipotezy również wykazała jej niespójność; gwiazda składająca się wyłącznie z uranu nie uwolniłaby wystarczającej ilości energii, aby wytworzyć obserwowaną jasność Słońca. Ponadto istnieją gwiazdy, których jasność jest wielokrotnie większa niż nasza gwiazda. Jest mało prawdopodobne, aby gwiazdy te miały także większe zasoby materiału radioaktywnego.

Najbardziej prawdopodobną hipotezą okazała się hipoteza syntezy pierwiastków w wyniku reakcji jądrowych zachodzących we wnętrzach gwiazd.

W 1935 roku Hans Bethe postawił hipotezę, że źródłem energii słonecznej może być reakcja termojądrowa polegająca na przemianie wodoru w hel. Za to właśnie Bethe otrzymała w 1967 roku Nagrodę Nobla.

Skład chemiczny Słońca jest mniej więcej taki sam jak większości innych gwiazd. Około 75% to wodór, 25% to hel, a mniej niż 1% to wszystkie inne pierwiastki chemiczne (głównie węgiel, tlen, azot itp.). Zaraz po narodzinach Wszechświata nie było w ogóle „ciężkich” pierwiastków. Wszystkie, tj. pierwiastki cięższe od helu, a nawet wiele cząstek alfa, powstały podczas „spalania” wodoru w gwiazdach podczas syntezy termojądrowej. Charakterystyczny czas życia gwiazdy takiej jak Słońce wynosi dziesięć miliardów lat.

Głównym źródłem energii jestcykl proton-proton – bardzo powolna reakcja (czas charakterystyczny 7,9∙10 9 lat), ponieważ wynika to ze słabej interakcji. Jego istotą jest to, że jądro helu składa się z czterech protonów. W tym przypadku uwalniana jest para pozytonów i para neutrin, a także energia 26,7 MeV. O liczbie neutrin emitowanych przez Słońce na sekundę decyduje jedynie jasność Słońca. Ponieważ przy uwolnieniu 26,7 MeV rodzą się 2 neutrina, współczynnik emisji neutrin wynosi: 1,8∙10 38 neutrino/s. Bezpośrednim testem tej teorii jest obserwacja neutrin słonecznych. Neutrina wysokoenergetyczne (borowe) są wykrywane w eksperymentach chlorowo-argonowych (eksperymenty Davisa) i konsekwentnie wykazują brak neutrin w porównaniu z wartością teoretyczną dla standardowego modelu Słońca. Neutrina niskoenergetyczne powstające bezpośrednio w reakcji pp rejestrowane są w eksperymentach galowo-germanowych (GALLEX w Gran Sasso (Włochy – Niemcy) i SAGE w Baksan (Rosja – USA)); ich też „brakuje”.

Według niektórych założeń, jeśli neutrina mają masę spoczynkową różną od zera, możliwe są oscylacje (przekształcenia) różnych typów neutrin (efekt Michejewa – Smirnowa – Wolfensteina) (istnieją trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe). . Ponieważ Ponieważ inne neutrina mają znacznie mniejsze przekroje oddziaływania z materią niż elektrony, zaobserwowany deficyt można wyjaśnić bez zmiany standardowego modelu Słońca, zbudowanego na podstawie całego zestawu danych astronomicznych.

Co sekundę Słońce przetwarza około 600 milionów ton wodoru. Zasoby paliwa jądrowego wystarczą na kolejne pięć miliardów lat, po czym stopniowo zamieni się w białego karła.

Centralne części Słońca skurczą się, nagrzeją, a ciepło przekazane do zewnętrznej powłoki doprowadzi do jego ekspansji do rozmiarów monstrualnych w porównaniu do współczesnych: Słońce rozszerzy się tak bardzo, że pochłonie Merkurego, Wenus i pochłonie „ paliwa” sto razy szybciej niż obecnie. Doprowadzi to do wzrostu rozmiaru Słońca; nasza gwiazda stanie się czerwonym olbrzymem, którego wielkość jest porównywalna z odległością Ziemi od Słońca!

Będziemy oczywiście świadomi takiego zdarzenia z wyprzedzeniem, ponieważ przejście do nowego etapu zajmie około 100-200 milionów lat. Kiedy temperatura w centralnej części Słońca osiągnie 100 000 000 K, hel zacznie się palić, zamieniając się w ciężkie pierwiastki, a Słońce wejdzie w fazę złożonych cykli kompresji i ekspansji. Na ostatnim etapie nasza gwiazda straci swoją zewnętrzną powłokę, rdzeń centralny będzie miał niewiarygodnie dużą gęstość i rozmiar, podobnie jak Ziemia. Minie jeszcze kilka miliardów lat, a Słońce ostygnie i zamieni się w białego karła.

2. Kontrolowana fuzja termojądrowa.

Kontrolowana fuzja termojądrowa (CTF) to synteza cięższych jąder atomowych z lżejszych w celu uzyskania energii, która w przeciwieństwie do wybuchowej syntezy termojądrowej (stosowanej w broni termojądrowej) ma charakter kontrolowany. Kontrolowana fuzja termojądrowa różni się od tradycyjnej energii jądrowej tym, że w tej ostatniej wykorzystuje się reakcję rozpadu, podczas której z ciężkich jąder powstają lżejsze jądra. W głównych reakcjach jądrowych planowanych do osiągnięcia kontrolowanej syntezy termojądrowej będzie wykorzystywany deuter ( 2H) i tryt (3 H), a w dłuższej perspektywie hel-3 ( 3 He) i bor-11 (11 B).

Kontrolowana fuzja może wykorzystywać różne rodzaje reakcji syntezy, w zależności od rodzaju użytego paliwa.

Deuter jest paliwem termojądrowym. 2 D 1, tryt 3 T 1 i 6 Li 3 . Podstawowym paliwem jądrowym tego typu jest deuter. 6 Li 3 służy jako surowiec do produkcji wtórnego paliwa termojądrowego – tryt.

Tryt 3 T 1 - superciężki wodór 3 N 1 – otrzymywany przez napromienianie naturalnego Li ( 7,52% 6 Li 3 ) neutrony i cząstki alfa ( 4 a 2 - jądra atomów helu 4 Nie 2 ). Deuter zmieszany z trytem i 6 Li 3 (w postaci LiD i LiT ). Kiedy w paliwie przeprowadzane są reakcje syntezy jądrowej, zachodzą reakcje syntezy jąder helu (w temperaturach od dziesiątek do setek milionów stopni). Emitowane neutrony są absorbowane przez jądra 6 Li 3 , w tym przypadku powstaje dodatkowa ilość trytu zgodnie z reakcją: 6 Li 3 + 1 p 0 = 3 T 1 + 4 He 2 ( w reakcji sumy liczb masowych 6+1=3+4 i suma ładunków 3+0=1+2 musi być taki sam po obu stronach równania). W wyniku reakcji syntezy dwóch jąder deuteru (ciężkiego wodoru) powstaje jedno jądro trytu (superciężki wodór) i proton (jądro normalnego atomu wodoru): 2 re 1 + 2 re 1 = 3 T 1 + 1 P 1; Reakcja może przebiegać inną drogą, z utworzeniem jądra izotopowego helu 3 He 2 i neutron 1 n 0: 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 n 0. Tryt reaguje z deuterem, ponownie pojawiają się neutrony, z którymi mogą oddziaływać 6 Li 3: 2 re 1 + 3 T 1 = 4 He 2 + 1 n 0 itp. Wartość opałowa paliwa termojądrowego jest 5–6 razy wyższa niż materiałów rozszczepialnych. Zasoby deuteru w hydrosferze są rzędu 10 13 t . Jednak obecnie praktycznie przeprowadzane są tylko reakcje niekontrolowane (eksplozja), prowadzone są powszechne poszukiwania metod realizacji kontrolowanej reakcji termojądrowej, która w zasadzie umożliwia zaopatrzenie ludzkości w energię na niemal nieograniczony czas.

3.Zalety syntezy termojądrowej

Jakie zalety ma synteza termojądrowa w stosunku do reakcji rozszczepienia jądrowego, które pozwalają mieć nadzieję na rozwój energii termojądrowej na dużą skalę? Główną i zasadniczą różnicą jest brak długożyciowych odpadów radioaktywnych, co jest typowe dla reaktorów rozszczepienia jądrowego. I chociaż podczas pracy reaktora termojądrowego pierwsza ściana jest aktywowana przez neutrony, to dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych o niskiej aktywacji otwiera zasadniczą możliwość stworzenia reaktora termojądrowego, w którym indukowana aktywność pierwszej ściany spadnie do całkowicie bezpiecznego poziomu trzydzieści lat po wyłączeniu reaktora. Oznacza to, że wyeksploatowany reaktor będzie musiał zostać zawieszony jedynie na 30 lat, po czym materiały będą mogły zostać poddane recyklingowi i wykorzystane w nowym reaktorze do syntezy. Sytuacja ta zasadniczo różni się od sytuacji w reaktorach rozszczepialnych, w których powstają odpady radioaktywne wymagające ponownego przetworzenia i składowania przez dziesiątki tysięcy lat. Oprócz niskiej radioaktywności energia termojądrowa posiada ogromne, praktycznie niewyczerpane rezerwy paliwa i innych niezbędnych materiałów, wystarczające do wytworzenia energii przez wiele setek, jeśli nie tysięcy lat.

To właśnie te zalety skłoniły największe kraje nuklearne do rozpoczęcia w połowie lat 50. zakrojonych na szeroką skalę badań nad kontrolowaną syntezą termojądrową. Do tego czasu w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych przeprowadzono już pierwsze udane testy bomb wodorowych, które potwierdziły zasadniczą możliwość wykorzystania energii termojądrowej w warunkach lądowych. Od samego początku stało się jasne, że kontrolowana synteza termojądrowa nie ma zastosowania wojskowego. Badania odtajniono w 1956 roku i od tego czasu są prowadzone w ramach szeroko zakrojonej współpracy międzynarodowej. Bomba wodorowa powstała zaledwie w kilka lat i wtedy wydawało się, że cel jest już blisko i że pierwsze duże obiekty eksperymentalne, zbudowane pod koniec lat 50., będą produkować plazmę termojądrową. Jednak stworzenie warunków, w których uwolnienie energii termojądrowej jest porównywalne z mocą cieplną reagującej mieszaniny, zajęło ponad 40 lat badań. W 1997 roku największa instalacja termojądrowa, europejska TOKAMAK (JET), otrzymała 16 MW mocy termojądrowej i zbliżyła się do tego progu.

Jaki był powód tego opóźnienia? Okazało się, że aby osiągnąć cel, fizycy i inżynierowie musieli rozwiązać wiele problemów, o których na początku podróży nie mieli pojęcia. W ciągu tych 40 lat powstała nauka o fizyce plazmy, która pozwoliła zrozumieć i opisać złożone procesy fizyczne zachodzące w reagującej mieszaninie. Inżynierowie musieli rozwiązać równie złożone problemy, w tym nauczyć się wytwarzania głębokiej próżni w dużych objętościach, wybrać i przetestować odpowiednie materiały konstrukcyjne, opracować duże magnesy nadprzewodzące, potężne lasery i źródła promieniowania rentgenowskiego, opracować impulsowe systemy zasilania zdolne do tworzenia potężnych wiązek cząstek , opracować metody ogrzewania mieszaniny z wysoką częstotliwością i wiele więcej.

4. Zagadnienia kontrolowanej syntezy termojądrowej

Z fizycznego punktu widzenia problem jest sformułowany prosto. Aby przeprowadzić samopodtrzymującą się reakcję syntezy jądrowej, konieczne i wystarczające jest spełnienie dwóch warunków.

Energia jąder biorących udział w reakcji musi wynosić co najmniej 10 keV. Aby doszło do syntezy jądrowej, jądra biorące udział w reakcji muszą wpaść w pole sił jądrowych, których promień wynosi 10-12-10-13 cm. Jednakże jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i podobne ładunki odpychają się. Na granicy działania sił jądrowych energia odpychania Coulomba jest rzędu 10 keV. Aby pokonać tę barierę, jądra podczas zderzenia muszą mieć energię kinetyczną co najmniej nie mniejszą niż ta wartość.
Iloczyn stężenia reagujących zarodków i czasu retencji, podczas którego zachowują one określoną energię, musi wynosić co najmniej 1014 s.cm-3. Warunek ten – tzw. kryterium Lawsona – wyznacza granicę korzyści energetycznej reakcji. Aby energia wyzwolona w reakcji termojądrowej chociaż pokryła koszty energetyczne zapoczątkowania reakcji, jądra atomowe muszą przejść wiele zderzeń. W każdym zderzeniu, w którym zachodzi reakcja termojądrowa pomiędzy deuterem (D) i trytem (T), uwalnia się 17,6 MeV energii, czyli około 3,10-12 J. Jeżeli na zapłon zużyto np. 10 MJ energii, to reakcja będzie nieopłacalna, jeśli weźmie w niej udział co najmniej 3,1018 par D-T. W tym celu dość gęstą plazmę wysokoenergetyczną należy przechowywać w reaktorze przez dość długi czas. Warunek ten wyraża kryterium Lawsona.

Jeżeli uda się spełnić oba wymagania jednocześnie, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej zostanie rozwiązany.

4.1 Problemy gospodarcze

Tworząc TCB zakłada się, że będzie to duża instalacja wyposażona w wydajne komputery. To będzie całe małe miasto. Jednak w razie wypadku lub awarii sprzętu funkcjonowanie stacji zostanie zakłócone.

Nie jest to przewidziane np. w projektach nowoczesnych elektrowni jądrowych. Uważa się, że najważniejsze jest ich zbudowanie, a to, co stanie się później, nie jest ważne.

Ale jeśli 1 stacja ulegnie awarii, wiele miast pozostanie bez prądu. Można to zaobserwować na przykładzie elektrowni jądrowych w Armenii. Usuwanie odpadów radioaktywnych stało się bardzo drogie. Na wniosek zielonych zamknięto elektrownię atomową. Ludność została pozbawiona prądu, wyposażenie elektrowni uległo zużyciu, a pieniądze przeznaczone przez organizacje międzynarodowe na renowację zostały zmarnowane.

Poważnym problemem ekonomicznym jest odkażanie opuszczonych zakładów produkcyjnych, w których przetwarzano uran. Na przykład „miasto Aktau ma swój mały „Czarnobyl”. Znajduje się ono na terenie zakładów chemiczno-hydrometalurgicznych (KHMP). Promieniowanie tła gamma w warsztacie obróbki uranu (HMC) osiąga w niektórych miejscach poziom 11 000 mikro-. rentgenów na godzinę, średni poziom tła wynosi 200 mikroroentgenów (zwykle naturalne tło wynosi od 10 do 25 mikroroentgenów na godzinę). Po zatrzymaniu instalacji nie przeprowadzono tu w ogóle żadnej dekontaminacji znacznej części sprzętu, około piętnastu tysięcy ton ma już nieusuwalną radioaktywność. Jednocześnie takie niebezpieczne przedmioty są przechowywane na świeżym powietrzu, słabo strzeżone i stale wywożone z terytorium KhGMZ.

Ponieważ zatem nie ma wiecznych produkcji, w związku z pojawieniem się nowych technologii TTS może zostać zamknięty, a wówczas przedmioty i metale z przedsiębiorstwa trafią na rynek, a lokalna ludność ucierpi.

Układ chłodzenia UTS będzie korzystał z wody. Jednak zdaniem ekologów, jeśli weźmiemy pod uwagę statystyki elektrowni jądrowych, woda z tych zbiorników nie nadaje się do picia.

Zdaniem ekspertów zbiornik jest pełen metali ciężkich (w szczególności toru-232), a w niektórych miejscach poziom promieniowania gamma sięga 50–60 mikroroentgenów na godzinę.

Oznacza to, że obecnie podczas budowy elektrowni jądrowej nie przewidziano środków, które przywróciłyby teren do pierwotnego stanu. A po zamknięciu przedsiębiorstwa nikt nie wie, jak zakopać nagromadzone śmieci i posprzątać dawne przedsiębiorstwo.

4.2 Problemy medyczne

Szkodliwe skutki CTS obejmują wytwarzanie mutantów wirusów i bakterii wytwarzających szkodliwe substancje. Dotyczy to szczególnie wirusów i bakterii występujących w organizmie człowieka. Pojawienie się nowotworów złośliwych i nowotworów będzie najprawdopodobniej częstą chorobą wśród mieszkańców wsi zamieszkujących okolice UTS. Mieszkańcy zawsze cierpią bardziej, ponieważ nie mają środków ochrony. Dozymetry są drogie, a leki niedostępne. Odpady z CTS będą wyrzucane do rzek, wypuszczane do atmosfery lub wpompowywane do warstw podziemnych, tak jak ma to obecnie miejsce w elektrowniach jądrowych.

Oprócz szkód, które pojawiają się wkrótce po ekspozycji na duże dawki, promieniowanie jonizujące powoduje długotrwałe konsekwencje. Głównie karcynogeneza i zaburzenia genetyczne, które mogą wystąpić przy każdej dawce i rodzaju promieniowania (jednorazowe, przewlekłe, miejscowe).

Według doniesień lekarzy, którzy odnotowali choroby pracowników elektrowni jądrowych, w pierwszej kolejności pojawiają się choroby układu krążenia (zawały serca), a dopiero potem nowotwory. Mięsień sercowy pod wpływem promieniowania staje się cieńszy, zwiotczały i słabszy. Istnieją choroby całkowicie niezrozumiałe. Na przykład niewydolność wątroby. Ale dlaczego tak się dzieje, żaden z lekarzy wciąż nie wie. Jeżeli podczas wypadku do dróg oddechowych przedostaną się substancje radioaktywne, lekarze wycinają uszkodzoną tkankę płuc i tchawicy, a osoba niepełnosprawna chodzi z przenośnym aparatem do oddychania

5. Instalacje termojądrowe

Naukowcy w naszym kraju i najbardziej rozwiniętych krajach świata od wielu lat zajmują się problemem wykorzystania reakcji termojądrowych do celów energetycznych. Powstały unikalne instalacje termojądrowe – wysoce złożone urządzenia techniczne przeznaczone do badania możliwości uzyskania kolosalnej energii, która dotychczas uwalniana jest jedynie podczas wybuchu bomby wodorowej. Naukowcy chcą nauczyć się kontrolować przebieg reakcji termojądrowej – reakcji ciężkich jąder wodoru (deuteru i trytu) łączących się w wysokich temperaturach z utworzeniem jąder helu – aby uwolnioną energię wykorzystać na cele pokojowe, z korzyścią dla ludzi .

Litr wody z kranu zawiera bardzo mało deuteru. Jeśli jednak ten deuter zostanie zebrany i wykorzystany jako paliwo w instalacji termojądrowej, wówczas można uzyskać tyle energii, ile ze spalenia prawie 300 kilogramów ropy. A żeby zapewnić energię, którą obecnie uzyskujemy ze spalania konwencjonalnego paliwa produkowanego rocznie, należałoby wydobyć deuter z wody zawartej w sześcianie o boku zaledwie 160 metrów. Sama Wołga niesie rocznie do Morza Kaspijskiego około 60 000 takich metrów sześciennych wody.

Aby doszło do reakcji termojądrowej, musi zostać spełnionych kilka warunków. Zatem temperatura w strefie, w której łączą się ciężkie jądra wodoru, powinna wynosić około 100 milionów stopni. Przy tak ogromnej temperaturze nie mówimy już o gazie, ale o plazmie. Plazma to stan materii, w którym w wysokich temperaturach gazu neutralne atomy tracą swoje elektrony i zamieniają się w jony dodatnie. Innymi słowy, plazma jest mieszaniną swobodnie poruszających się jonów dodatnich i elektronów. Drugim warunkiem jest konieczność utrzymania w strefie reakcji gęstości plazmy na poziomie co najmniej 100 miliardów cząstek na centymetr sześcienny. I wreszcie najważniejszą i najtrudniejszą rzeczą jest utrzymanie postępu reakcji termojądrowej przynajmniej przez co najmniej jedną sekundę.

Komora robocza instalacji termojądrowej ma kształt toroidalny, przypominający ogromny wydrążony pączek. Wypełniony jest mieszaniną deuteru i trytu. Wewnątrz samej komory powstaje cewka plazmowa - przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny o natężeniu około 20 milionów amperów.
Prąd elektryczny spełnia trzy ważne funkcje. Po pierwsze, tworzy plazmę. Po drugie, podgrzewa go do stu milionów stopni. I wreszcie prąd wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, to znaczy otacza plazmę liniami magnetycznymi siły. W zasadzie linie sił wokół plazmy powinny utrzymywać ją w zawieszeniu i zapobiegać kontaktowi plazmy ze ściankami komory. Jednakże utrzymanie plazmy w zawieszeniu nie jest takie proste. Siły elektryczne odkształcają przewodnik plazmowy, który nie ma wytrzymałości przewodnika metalowego. Ugina się, uderza w ścianę komory i oddaje jej energię cieplną. Aby temu zapobiec, na górze komory toroidalnej umieszcza się cewki, które wytwarzają w komorze podłużne pole magnetyczne, wypychając przewodnik plazmowy od ścianek. Tylko to okazuje się niewystarczające, ponieważ przewodnik plazmowy pod wpływem prądu ma tendencję do rozciągania się i zwiększania swojej średnicy. Pole magnetyczne, które powstaje automatycznie, bez zewnętrznych sił zewnętrznych, ma również na celu zapobieganie rozszerzaniu się przewodnika plazmowego. Przewodnik plazmowy umieszczony jest wraz z komorą toroidalną w innej, większej komorze wykonanej z materiału niemagnetycznego, najczęściej miedzi. Gdy tylko przewodnik plazmowy spróbuje odchylić się od położenia równowagi, w miedzianej powłoce pojawia się prąd indukowany, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, w kierunku przeciwnym do prądu w plazmie. W rezultacie pojawia się siła przeciwna, odpychająca plazmę od ścian komory.
W 1949 roku A.D. zaproponowało zapobieganie kontaktowi plazmy ze ścianami komory za pomocą pola magnetycznego. Sacharow, a nieco później Amerykanin J. Spitzer.

W fizyce zwyczajem jest nadawanie nazw każdemu nowemu typowi układu eksperymentalnego. Konstrukcja z takim układem uzwojeń nazywana jest tokamakiem – skrót od „komora toroidalna i cewka magnetyczna”.

W latach 70. ZSRR zbudował elektrownię termojądrową o nazwie Tokamak-10. Został opracowany w Instytucie Energii Atomowej im. I.V. Kurczatowa. Dzięki tej instalacji uzyskaliśmy temperaturę przewodnika plazmowego wynoszącą 10 milionów stopni, gęstość plazmy co najmniej 100 miliardów cząstek na centymetr sześcienny i czas retencji plazmy bliski 0,5 sekundy. Największa dziś instalacja w naszym kraju, Tokamak-15, została również zbudowana w moskiewskim ośrodku naukowym Instytut Kurczatowa.

Wszystkie powstałe dotychczas instalacje termojądrowe zużywają energię jedynie do ogrzania plazmy i wytworzenia pól magnetycznych. Przeciwnie, instalacja termojądrowa przyszłości powinna uwalniać tyle energii, aby niewielka jej część mogła zostać wykorzystana do podtrzymania reakcji termojądrowej, czyli podgrzewania plazmy, wytwarzania pól magnetycznych oraz zasilania wielu urządzeń i instrumentów pomocniczych, a także główną część można przekazać do zużycia w sieci elektrycznej.

W 1997 r. w Wielkiej Brytanii tokamak JET osiągnął zgodność energii wejściowej i wyjściowej. Chociaż to oczywiście nie wystarczy, aby proces był samowystarczalny: do 80 procent otrzymanej energii traci się. Aby reaktor mógł działać, konieczne jest wytworzenie pięciokrotnie większej ilości energii, niż zużywa się na ogrzewanie plazmy i wytwarzanie pól magnetycznych.
W 1986 roku kraje Unii Europejskiej wraz z ZSRR, USA i Japonią podjęły decyzję o wspólnym opracowaniu i zbudowaniu do 2010 roku wystarczająco dużego tokamaka zdolnego do wytwarzania energii nie tylko do wspomagania syntezy termojądrowej w plazmie, ale także do wytwarzania użyteczną energię elektryczną. Reaktor ten nazwano ITER, co jest skrótem od „międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego”. Do 1998 r. możliwe było ukończenie obliczeń projektowych, jednak ze względu na odmowę Stanów Zjednoczonych konieczne było wprowadzenie zmian w projekcie reaktora, aby obniżyć jego koszt.

Możesz pozwolić cząsteczkom poruszać się naturalnie i ukształtować kamerę tak, aby podążała ich ścieżką. Kamera ma wtedy dość dziwaczny wygląd. Powtarza kształt włókna plazmy powstającego w polu magnetycznym cewek zewnętrznych o złożonej konfiguracji. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez cewki zewnętrzne o znacznie bardziej złożonej konfiguracji niż w tokamaku. Urządzenia tego rodzaju nazywane są stellaratorami. Torsatron Uragan-3M został zbudowany w naszym kraju. Ten eksperymentalny stellarator zaprojektowano tak, aby zawierał plazmę podgrzaną do dziesięciu milionów stopni.

Obecnie tokamaki mają innych poważnych konkurentów wykorzystujących inercyjną syntezę termojądrową. W tym przypadku kilka miligramów mieszaniny deuteru i trytu jest zamkniętych w kapsułce o średnicy 1–2 milimetrów. Na kapsule skupia się promieniowanie impulsowe z kilkudziesięciu potężnych laserów. W rezultacie kapsułka natychmiast odparowuje. Trzeba włożyć w promieniowanie 2 MJ energii w ciągu 5–10 nanosekund. Następnie lekkie ciśnienie skompresuje mieszaninę do takiego stopnia, że może nastąpić reakcja syntezy termojądrowej. Energia uwolniona podczas eksplozji, o mocy odpowiadającej eksplozji stu kilogramów trotylu, zostanie zamieniona na wygodniejszą formę - na przykład na energię elektryczną. Jednak budowa stellaratorów i obiektów do syntezy inercyjnej również napotyka poważne trudności techniczne. Prawdopodobnie praktyczne wykorzystanie energii termojądrowej nie jest kwestią najbliższej przyszłości.

6. Perspektywy rozwoju syntezy termojądrowej

Ważnym zadaniem dla przemysłu nuklearnego w dłuższej perspektywie jest opanowanie technologii kontrolowanej syntezy termojądrowej jako podstawy energetyki przyszłości. Obecnie na całym świecie podejmowane są strategiczne decyzje dotyczące rozwoju i rozwoju nowych źródeł energii. Konieczność rozwoju tego typu źródeł wiąże się z przewidywanymi niedoborami produkcji energii i ograniczonymi zasobami paliw. Jednym z najbardziej obiecujących innowacyjnych źródeł energii jest kontrolowana synteza termojądrowa (CTF). Energia termojądrowa jest uwalniana, gdy jądra ciężkich izotopów wodoru łączą się ze sobą. Paliwem dla reaktora termojądrowego jest woda i lit, których zasoby są praktycznie nieograniczone. W warunkach naziemnych wdrożenie CTS stanowi złożony problem naukowo-techniczny związany z uzyskaniem temperatury substancji powyżej 100 milionów stopni i izolacją termiczną obszaru syntezy od ścian reaktora.

Fusion to projekt długoterminowy, którego obiekt komercyjny ma powstać w latach 2040-2050. Najbardziej prawdopodobny scenariusz opanowania energii termojądrowej zakłada realizację trzech etapów:
- opanowanie długoterminowych trybów spalania reakcji termojądrowych;
- demonstracja wytwarzania energii elektrycznej;
- tworzenie przemysłowych stacji termojądrowych.

Oczekuje się, że w ramach międzynarodowego projektu ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy) zademonstruje techniczną wykonalność uwięzienia plazmy i wytwarzania energii.Głównym celem programowym projektu ITER jest wykazanie naukowych i technicznych możliwości pozyskiwania energii w wyniku reakcji syntezy (fuzji) izotopów wodoru – deuteru i trytu. Projektowa moc termojądrowa reaktora ITER wyniesie około 500 MW przy temperaturze plazmy 100 milionów stopni.
W listopadzie 2006 roku wszyscy uczestnicy projektu ITER – Unia Europejska, Rosja, Japonia, USA, Chiny, Korea i Indie – podpisali Porozumienia w sprawie utworzenia Międzynarodowej Organizacji ITER ds. Energii Termojądrowej w celu wspólnej realizacji projektu ITER. Faza budowy reaktora rozpoczęła się w 2007 roku.

Udział Rosji w projekcie ITER polega na opracowaniu, wyprodukowaniu i dostarczeniu podstawowego wyposażenia technologicznego na plac budowy reaktora (Cadarache, Francja) oraz wkładzie pieniężnym wynoszącym ogółem około 10% całkowitych kosztów budowy reaktora. USA, Chiny, Indie, Korea i Japonia mają taki sam wkład.
Plan działania na rzecz opanowania energii kontrolowanej syntezy termojądrowej

2000 (poziom nowoczesny):
Problemy do rozwiązania: osiągnięcie równości kosztów i produkcji energii
Najnowsza generacja tokamaków pozwoliła zbliżyć się do wdrożenia kontrolowanego spalania termojądrowego z dużym uwolnieniem energii.
Moc reakcji syntezy termojądrowej osiągnęła poziom 17 MW (instalacja JET, UE), co jest porównywalne z mocą zainwestowaną w plazmę.
2020:

Problemy rozwiązywane w projekcie ITER: reakcja długoterminowa, rozwój i integracja technologii termojądrowych.

Celem projektu ITER jest osiągnięcie kontrolowanego zapłonu reakcji termojądrowej i jej długotrwałego spalania z dziesięciokrotnym nadmiarem mocy termojądrowej w stosunku do mocy inicjującej reakcję termojądrową Q310.

2030:
Problem do rozwiązania: budowa stacji demonstracyjnej DEMO (DTE)
W ramach projektu DEMO zakończono dobór optymalnych materiałów i technologii do OFC, zaprojektowano, zbudowano i przeprowadzono próby rozruchowe eksperymentalnej elektrowni termojądrowej, zakończono projekt koncepcyjny PFC.
2050
Zadania do rozwiązania: zaprojektowanie i budowa PTE, zakończenie testów technologii wytwarzania energii elektrycznej w DEMO.
Stworzenie przemysłowej stacji energetycznej o wysokim marginesie bezpieczeństwa i akceptowalnych wskaźnikach ekonomicznych kosztów energii.
Ludzkość zdobędzie niewyczerpane, akceptowalne pod względem środowiskowym i ekonomicznym źródło energii.Projekt reaktora termojądrowego opiera się na systemach utrzymywania plazmy magnetycznej typu Tokamak, opracowanych i wdrożonych po raz pierwszy w ZSRR. W 1968 roku na tokamaku T-3 osiągnięto temperaturę plazmy wynoszącą 10 milionów stopni. Od tego czasu instalacje Tokamaka stały się wiodącym kierunkiem badań nad syntezą termojądrową we wszystkich krajach.

Obecnie w Rosji używane są tokamaki T-10 i T-15 (RRC „Instytut Kurczatowa”), T-11M (Państwowe Centrum Naukowe Federacji Rosyjskiej FSUE TRINITI, Troitsk, obwód moskiewski), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Instytut Fizyczno-Techniczny im. A.F. Ioffe, St. Petersburg, RAS) i stellarator L-2 (Instytut Fizyki Ogólnej, Moskwa, RAS).

Wniosek

Na podstawie przeprowadzonych badań można wyciągnąć następujące wnioski:

Fuzja termojądrowa jest najbardziej racjonalną, przyjazną dla środowiska i najtańszą metodą wytwarzania energii, a pod względem ilości wytwarzanego ciepła jest nieporównywalna z naturalnymi źródłami wykorzystywanymi obecnie przez człowieka. Oczywiście proces opanowania syntezy termojądrowej rozwiązałby wiele problemów ludzkości, zarówno teraźniejszości, jak i przyszłości.

W przyszłości synteza termojądrowa umożliwi przezwyciężenie kolejnego „kryzysu ludzkości”, a mianowicie przeludnienia Ziemi. Nie jest tajemnicą, że rozwój cywilizacji ziemskiej wiąże się ze stałym i zrównoważonym wzrostem populacji planety, zatem kwestia zagospodarowania „nowych terytoriów”, czyli inaczej kolonizacji sąsiednich planet Układu Słonecznego w celu stworzenia trwałych osad, jest sprawa bardzo bliskiej przyszłości.

Literatura

A. P. Baskakov. Ciepłownictwo / - M.: Energoatomizdat, 1991
V. I. Krutow. Technika cieplna / - M.: Mashinostroenie, 1986
K. V. Tichomirow. Ciepłownictwo, zaopatrzenie w ciepło i gaz oraz wentylacja - M.: Stroyizdat, 1991
V. P. Preobrażeński. Pomiary i przyrządy termiczne - M.: Energia, 1978
Jeffreya P. Freidberga. Fizyka plazmy i energia termojądrowa/ – Cambridge University Press, 2007.
http://www.college.ru./astronomy- Astronomia
http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Fuzja termojądrowa na Słońcu – nowa wersja Władimir Własow

Zapowiedź:

Aby skorzystać z podglądu prezentacji utwórz konto Google i zaloguj się na nie: https://accounts.google.com

Podpisy slajdów:

FUZJA TERMONUKLEARNA

KONCEPCJA Jest to rodzaj reakcji jądrowej, podczas której lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe ze względu na energię kinetyczną ich ruchu termicznego.

ODBIÓR ENERGII

RÓWNANIE REAKCJI Z FORMOWANIEM HE ⁴

REAKCJA TERMONUKLEARNA W SŁOŃCU

KONTROLOWANA fuzja TERMONUKLEARNA

KOMORA TOROIDALNA Z CEWKAMI MAGNETYCZNYMI (TOKAMAK)

POTRZEBA Opanowania syntezy termojądrowej

Wydobywanie energii jądrowej opiera się na zasadniczym fakcie, że jądra pierwiastków chemicznych ze środka układu okresowego są upakowane ciasno i na krawędziach układu, tj. najlżejsze i najcięższe jądra są mniej gęste. Jądra żelaza i ich sąsiedzi w układzie okresowym są najgęściej upakowane. Dlatego energię zyskujemy w dwóch przypadkach: gdy dzielimy ciężkie jądra na mniejsze fragmenty i gdy lekkie jądra sklejamy na większe.

W związku z tym energię można pozyskiwać na dwa sposoby: w reakcjach jądrowych podziały pierwiastki ciężkie - uran, pluton, tor lub w reakcjach jądrowych synteza(adhezja) pierwiastków lekkich - wodoru, litu, berylu i ich izotopów. W przyrodzie, w naturalnych warunkach, zachodzą oba rodzaje reakcji. Reakcje syntezy zachodzą we wszystkich gwiazdach, łącznie ze Słońcem, i są praktycznie jedynym początkowym źródłem energii na Ziemi – jeśli nie bezpośrednio przez światło słoneczne, to pośrednio poprzez ropę, węgiel, gaz, wodę i wiatr. Około 2 miliardy lat temu na Ziemi, na terenie dzisiejszego Gabonu w Afryce, miała miejsce naturalna reakcja rozszczepienia: w jednym miejscu przypadkowo zgromadziło się mnóstwo uranu, a naturalny reaktor jądrowy działał przez 100 milionów lat! Następnie stężenie uranu spadło i naturalny reaktor zatrzymał się.

W połowie XX wieku ludzkość zaczęła sztucznie wykorzystywać gigantyczną energię zawartą w jądrach. Bomba atomowa (uran, pluton) „działa” na reakcje rozszczepienia, bomba wodorowa (która wcale nie jest zbudowana z wodoru, ale tak się nazywa) – na reakcje syntezy jądrowej. W bombie reakcje zachodzą natychmiastowo i mają charakter wybuchowy. Można zmniejszyć intensywność reakcji jądrowych, rozciągnąć je w czasie i inteligentnie wykorzystać jako kontrolowane źródło energii. Na całym świecie zbudowano wiele setek reaktorów jądrowych różnego typu, w których zachodzą reakcje rozszczepienia i „spalają się” ciężkie pierwiastki – uran, tor czy pluton. Powstało także zadanie polegające na umożliwieniu kontrolowania reakcji termojądrowej, tak aby mogła ona służyć jako źródło energii.

Wdrożenie kontrolowanej reakcji rozszczepienia zajęło ludzkości zaledwie kilka lat. Jednak kontrolowana reakcja syntezy okazała się zadaniem znacznie trudniejszym, które nie zostało jeszcze w pełni opanowane. Faktem jest, że aby dwa lekkie jądra, na przykład deuter i tryt, mogły się połączyć, muszą pokonać dużą barierę potencjału.

Najprostszym sposobem osiągnięcia tego jest przyspieszenie dwóch lekkich jąder do wysokiej energii, tak aby same przebiły się przez barierę. Oznacza to, że mieszaninę deuteru i trytu należy podgrzać do bardzo wysokiej temperatury - około 100 milionów stopni! W tej temperaturze mieszanina jest oczywiście zjonizowana, tj. jest plazma. Plazma jest utrzymywana w naczyniu w kształcie pączka za pomocą pola magnetycznego o złożonej konfiguracji i podgrzewana. Ta instalacja, wynalazek I.E. Tamma, A.D. Sacharowa, L.A. Artsimovicha i innych, nazywa się „tokamak”. Głównym problemem jest tutaj uzyskanie stabilności bardzo gorącej plazmy tak, aby nie „lądowała” na ściankach naczynia. Wymaga to dużych rozmiarów instalacji i odpowiednio bardzo silnych pól magnetycznych w dużej objętości. Nie ma tu prawie żadnych zasadniczych trudności, ale istnieje wiele problemów technicznych, które nie zostały jeszcze rozwiązane.

Niedawno rozpoczęła się budowa międzynarodowego obiektu ITER w regionie Aix-en-Provence we Francji. Rosja również aktywnie uczestniczy w projekcie, wnosząc 1/11 środków. Do 2018 roku międzynarodowy tokamak powinien zacząć działać i wykazać zasadniczą możliwość wytwarzania energii w wyniku reakcji syntezy termojądrowej

Gdzie D– jądro deuteru (jeden proton i jeden neutron), T– jądro trytu (jeden proton i dwa neutrony), On– jądro helu (dwa protony i dwa neutrony), N to neutron powstały w wyniku reakcji, a „17,6 MeV” to energia w megaelektronowoltach uwolniona w pojedynczej reakcji. Energia ta jest dziesiątki milionów razy większa niż ta powstająca podczas reakcji chemicznych, na przykład podczas spalania paliwa organicznego.

Tutaj „paliwem”, jak widzimy, jest mieszanina deuteru i trytu. Deuter („ciężka woda”) występuje w każdej wodzie jako niewielkie zanieczyszczenie i technicznie rzecz biorąc nie jest trudny do wyizolowania. Jego rezerwy są naprawdę nieograniczone. Tryt nie występuje w przyrodzie, ponieważ jest radioaktywny i rozpada się w ciągu 12 lat. Standardową metodą produkcji trytu jest wytwarzanie litu poprzez bombardowanie go neutronami. Zakłada się, że w ITERze do zapoczątkowania reakcji potrzebne będzie jedynie małe „zarodek” trytu, który następnie zostanie wytworzony sam w wyniku bombardowania „koca” litowego neutronami z reakcji (1), tj. „koce”, muszle tokamaków. Dlatego faktycznym paliwem jest lit. Jest go też dużo w skorupie ziemskiej, ale nie można powiedzieć, że lit jest nieograniczony: gdyby cała energia świata dzisiaj została wyprodukowana w wyniku reakcji (1), zbadane złoża litu są niezbędne bo to wystarczyłoby na 1000 lat. Wydobyty uran i tor wystarczą na mniej więcej tyle samo lat, jeśli energia będzie wytwarzana w konwencjonalnych kotłach jądrowych.

Tak czy inaczej najwyraźniej możliwe jest wdrożenie samowystarczalnej reakcji syntezy termojądrowej (1) na obecnym poziomie nauki i technologii i istnieje nadzieja, że za dziesięć lat uda się to wykazać w obiekcie ITER. To bardzo ciekawy projekt zarówno pod względem naukowym, jak i technologicznym i dobrze, że nasz kraj bierze w nim udział. Co więcej, nie jest to zbyt częsty przypadek, gdy Rosja nie tylko jest na poziomie światowym, ale pod wieloma względami wyznacza ten światowy poziom.

Pytanie brzmi: czy „termotlenek” może służyć jako podstawa do przemysłowej produkcji „czystej” i „nielimitowanej” energii, jak twierdzą entuzjaści projektu. Odpowiedź wydaje się brzmieć nie, a oto dlaczego.

Faktem jest, że same neutrony powstałe podczas syntezy (1) są znacznie cenniejsze niż uwolniona energia.

Ale podgrzewanie czajników neutronami to rozbój,

A tutaj damy marnotrawcom walkę:

Zajmijmy się aktywną strefą

Koc uranowy – proszę bardzo!

(z „Ballady o katalizie mionowej”, Yu. Dokshitser i D. Dyakonov, 1978)

Rzeczywiście, jeśli pokryjesz powierzchnię tokamaka grubym „kocem” najzwyklejszego naturalnego uranu-238, to pod wpływem szybkiego neutronu z reakcji (1) jądro uranu rozszczepi się z uwolnieniem dodatkowej energii około 200 MeV. Zwróćmy uwagę na liczby:

Reakcja termojądrowa (1) wytwarza w tokomaku energię 17,6 MeV plus neutron

Późniejsza reakcja rozszczepienia w płaszczu uranu wytwarza około 200 MeV.

Zatem jeśli zbudowaliśmy już skomplikowaną instalację termojądrową, to stosunkowo prosty dodatek do niej w postaci płaszcza uranowego pozwala nam zwiększyć produkcję energii aż 12-krotnie!

Warto zauważyć, że uran-238 w płaszczu nie musi być bardzo czysty ani wzbogacony: wręcz przeciwnie, uran zubożony, którego duża część pozostaje na wysypiskach po wzbogaceniu, a nawet wypalone paliwo jądrowe z konwencjonalnych cieplnych elektrowni jądrowych, też się nadają. Zamiast zakopywać wypalone paliwo, można je znakomicie wykorzystać w postaci płaszcza uranowego.

W rzeczywistości wydajność wzrasta jeszcze bardziej, jeśli weźmiemy pod uwagę, że szybki neutron wchodząc do płaszcza uranu powoduje wiele różnych reakcji, w wyniku których oprócz uwolnienia energii 200 MeV powstaje jeszcze kilka jąder plutonu. Zatem warstwa uranu służy również jako potężny producent nowego paliwa jądrowego. Pluton można następnie „spalić” w konwencjonalnej elektrowni cieplnej, uwalniając skutecznie około kolejnych 340 MeV na jądro plutonu.

Nawet biorąc pod uwagę fakt, że jeden z dodatkowych neutronów musi zostać wykorzystany do odtworzenia trytu paliwowego, dodanie płaszcza uranowego do tokamaka i kilku konwencjonalnych elektrowni jądrowych „zasilanych” plutonem z tego płaszcza umożliwia zwiększenie energii skuteczność tokamaka przynajmniej raz w dwadzieścia pięć, a według niektórych szacunków – pięćdziesiąt razy! To wszystko jest stosunkowo prostą i sprawdzoną technologią. Oczywiste jest, że ani jedna rozsądna osoba, ani jeden rząd, ani jedna organizacja komercyjna nie przegapi tej okazji do znacznego zwiększenia efektywności produkcji energii.

Jeśli chodzi o produkcję przemysłową, to synteza termojądrowa na tokomaku będzie w istocie jedynie „ziarnem”, jedynie źródłem cennych neutronów, a 96% energii nadal będzie wytwarzane w reakcjach rozszczepienia, a głównym paliwem będzie odpowiednio uran-238. Zatem nigdy nie będzie „czystej” fuzji termojądrowej.

Co więcej, jeśli najbardziej złożona, kosztowna i najmniej rozwinięta część tego łańcucha – synteza termojądrowa – wytwarza mniej niż 4% mocy końcowej, to pojawia się naturalne pytanie: czy to połączenie jest w ogóle konieczne? Może istnieją tańsze i wydajniejsze źródła neutronów?

Możliwe, że w najbliższej przyszłości zostanie wynalezione coś zupełnie nowego, ale już istnieją rozwiązania w zakresie wykorzystania innych źródeł neutronów zamiast termojądrowych, aby łatwo „spalić” naturalny uran-238 lub tor. Oznaczający

Reaktory wytwarzające neutrony szybkie

(2. punkt niedawnego programu Sarowa)

Hodowla elektronowa

Fuzja jądrowa w niskich temperaturach z wykorzystaniem katalizy mionowej.

Każda metoda ma swoje trudności i zalety, a każda z nich zasługuje na osobną historię. Na osobną dyskusję zasługuje również cykl nuklearny oparty na torze, co jest dla nas szczególnie ważne, ponieważ Rosja ma więcej toru niż uranu. Indie, gdzie sytuacja jest podobna, już wybrały tor jako podstawę swojej przyszłej energii. Wiele osób w naszym kraju jest skłonnych wierzyć, że obieg toru jest najbardziej ekonomiczną i bezpieczną metodą wytwarzania energii w niemal nieograniczonych ilościach.

Rosja znalazła się obecnie na rozdrożu: konieczne jest wybranie strategii rozwoju energetycznego na wiele dziesięcioleci. Wybór optymalnej strategii wymaga otwartej i krytycznej dyskusji wśród środowisk naukowych i inżynieryjnych na temat wszystkich aspektów programu.

Notatkę tę dedykuję pamięci Jurija Wiktorowicza Pietrowa (1928-2007), wybitnego naukowca i człowieka, doktora fizyki i matematyki. Sciences, kierownik sektora Instytutu Fizyki Jądrowej Rosyjskiej Akademii Nauk w Petersburgu, który nauczył autora tego, co tu jest napisane.

Yu.V.Petrov, Hybrydowe reaktory jądrowe i kataliza mionowa, w zbiorze „Nuclear and Thermonuklear Energy of the Future”, M., Energoatomizdat (1987), s. 10-10. 172.

S.S. Gershtein, Yu.V. Petrov i L.I. Kataliza mionowa i hodowla jądrowa, Postępy w naukach fizycznych, tom 160, s. 13-13. 3 (1990).

Na zdjęciu: Yu. V. Petrov (z prawej) i laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki J. ‘t Hooft, fot. D. Dyakonov (1998).