Pod kojim uslovima dolazi do nuklearne fuzije? Termonuklearna fuzija

Od četiri glavna izvora nuklearne energije, samo dva su trenutno dovedena u industrijsku implementaciju: energija radioaktivnog raspada koristi se u izvorima struje, a lančana reakcija fisije - u nuklearnih reaktora. Treći izvor nuklearne energije je anihilacija elementarne čestice sve dok nije napustio carstvo fantazije. Četvrti izvor je kontrolirani termo nuklearna fuzija, UTS, je na dnevnom redu. Iako je ovaj izvor manjeg potencijala od trećeg, on znatno premašuje drugi.

Termonuklearna fuzija u laboratorijskim uslovima je prilično jednostavna za izvođenje, ali reprodukcija energije još nije postignuta. Međutim, rad u ovom pravcu je u toku, a radiohemijske tehnike se razvijaju, pre svega, tehnologije za proizvodnju tricijumskog goriva za CTS instalacije.

Ovo poglavlje ispituje neke radiohemijske aspekte termonuklearne fuzije i razmatra izglede za korištenje instalacija za kontroliranu fuziju u nuklearnoj energiji.

Kontrolisana termonuklearna fuzija- reakcija fuzije lakih atomskih jezgara u teža jezgra, koja se odvija na ultravisokim temperaturama i praćena oslobađanjem ogromne količine energije. Za razliku od eksplozivne termonuklearne fuzije (koje se koristi u hidrogenskoj bombi), ona je kontrolirana. U glavnim nuklearnim reakcijama koje se planiraju koristiti za provedbu kontrolirane termonuklearne fuzije koristit će se -H i 3 H, a dugoročno 3 He i "B".

Nade u kontroliranu termonuklearnu fuziju povezane su s dvije okolnosti: i) vjeruje se da zvijezde postoje zbog stacionarne termonuklearne reakcije, i 2) nekontrolirani termonuklearni proces je jednostavno ostvaren u eksploziji hidrogenske bombe. Čini se da ne postoji temeljna prepreka za održavanje kontrolirane reakcije nuklearne fuzije. Međutim, intenzivni pokušaji implementacije CTS-a u laboratorijskim uslovima uz dobijanje energetskih dobitaka završili su potpunim neuspjehom.

Međutim, CVT se sada vidi kao važno tehnološko rješenje koje ima za cilj zamjenu fosilnih goriva u proizvodnji energije. Globalna potražnja za energijom, koja zahtijeva povećanje proizvodnje električne energije i iscrpljivanje neobnovljivih sirovina, stimuliše potragu za novim rješenjima.

Termonuklearni reaktori koriste energiju oslobođenu fuzijom lakih atomskih jezgara. Napoimeo:

Reakcija fuzije jezgri tricija i deuterija obećava za kontroliranu termonuklearnu fuziju, budući da je njen poprečni presjek prilično velik čak i pri niskim energijama. Ova reakcija daje specifičnu kalorijsku vrijednost od 3,5-11 J/g. Glavna reakcija D+T=n+a ima najveći poprečni presjek o t ah=5 štala u rezonanciji na deuteronskoj energiji E pSh x= 0,108 MeV, u poređenju sa reakcijama D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 štala; E max = 2,0 MeV, kao i sa reakcijom 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotah= 0,4 MeV. Posljednja reakcija oslobađa 18,4 MeV. U reakciji (3) zbir energija p+a jednaka 17,6 MeV, energija nastalih neutrona?„=14,1 MeV; a energija rezultirajućih alfa čestica je 3,5 MeV. Ako su u reakcijama T(d,n)a i:) He(d,p)a rezonancije prilično uske, onda su u reakcijama D(d,n)3He i D(d,p)T vrlo široke rezonancije sa velike vrijednosti presjeci u području od 1 do 10 MeV i linearni rast od 0,1 MeV do 1 MeV.

Komentar. Problemi sa lako zapaljivim DT gorivom su u tome što se tricijum ne pojavljuje prirodno i mora se proizvoditi iz litijuma u fuzijskom reaktoru; tricijum je radioaktivan (Ti/2 =12,6 godina), sistem DT reaktora sadrži od 10 do 10 kg tricijuma; 80% energije u DT reakciji oslobađa se neutronima od 14 MeV, koji induciraju umjetnu radioaktivnost u strukturama reaktora i uzrokuju radijaciona oštećenja.

Na sl. Na slici 1 prikazane su energetske zavisnosti presjeka reakcije (1 - h). Grafikoni za poprečne preseke reakcija (1) i (2) su praktično isti - kako se energija povećava, poprečni presek raste i pri visokim energijama verovatnoća reakcije teži konstantnoj vrednosti. Presjek reakcije (3) prvo raste, dostiže maksimum od 10 barn pri energijama reda 90 MeV, a zatim opada s povećanjem energije.

Rice. 1. Poprečni presjeci nekih termonuklearnih reakcija u funkciji energije čestica u sistemu centra mase: 1 - nuklearna reakcija (3); 2 - reakcije (1) i (2).

Zbog velikog poprečnog preseka rasejanja pri bombardovanju jezgara tricijuma ubrzanim deuteronima, energetski bilans procesa termonuklearne fuzije u D - T reakciji može biti negativan, jer Više energije se troši na ubrzavanje deuterona nego što se oslobađa tokom fuzije. Pozitivan energetski bilans je moguć ako bombardirajuće čestice, nakon elastičnog sudara, mogu ponovo sudjelovati u reakciji. Da bi se savladalo električno odbijanje, jezgra moraju imati veliku kinetička energija. Ovi uslovi se mogu stvoriti u visokotemperaturnoj plazmi, u kojoj su atomi ili molekuli u potpuno jonizovanom stanju. Na primjer, D-T reakcija počinje se odvijati tek na temperaturama iznad 100 8 K. Samo na takvim temperaturama oslobađa se više energije po jedinici volumena i po jedinici vremena nego što se troši. Pošto jedna D-T fuzijska reakcija čini ~105 običnih nuklearnih sudara, problem CTS se sastoji od rješavanja dva problema: zagrijavanje tvari do potrebne temperature i držeći ga neko vrijeme dovoljno da "sagori" primjetni dio termonuklearnog goriva.

Smatra se da se kontrolisana termonuklearna fuzija može realizovati ako je ispunjen Lawsonov kriterijum (m>10'4 s cm-3, gde je P - gustina visokotemperaturne plazme, t - vrijeme njenog zadržavanja u sistemu).

Kada je ovaj kriterijum ispunjen, energija oslobođena tokom CTS-a premašuje energiju unesenu u sistem.

Plazma se mora držati unutar date zapremine, jer se u slobodnom prostoru plazma trenutno širi. Zahvaljujući visoke temperature plazma se ne može staviti u rezervoar iz bilo kojeg

materijal. Za zadržavanje plazme potrebno je koristiti magnetsko polje visokog intenziteta, koje se stvara pomoću supravodljivih magneta.

Rice. 2. Shematski dijagram tokamak.

Ako ne postavite cilj dobivanja energetske dobiti, onda je u laboratorijskim uvjetima prilično jednostavno implementirati CTS. Da biste to učinili, dovoljno je spustiti ampulu litij deuterida u kanal bilo kojeg sporog reaktora koji radi na reakciji fisije uranijuma (možete koristiti litijum prirodnog izotopskog sastava (7% 6 Li), ali je bolje ako obogaćen je stabilnim izotopom 6 Li). Pod uticajem toplotnih neutrona dolazi do sledeće nuklearne reakcije:

Kao rezultat ove reakcije pojavljuju se "vrući" atomi tricija. Energija povratnog atoma tricijuma (~3 MeV) dovoljna je da dođe do interakcije tricijuma sa deuterijem prisutnim u LiD:

Ova metoda nije prikladna za energetske svrhe: troškovi energije za proces premašuju energiju koja se oslobađa. Stoga moramo tražiti druge opcije za implementaciju CTS-a, opcije koje pružaju veliki energetski dobitak.

Oni pokušavaju da implementiraju CTS sa dobitkom energije bilo u kvazistacionarnom (t>1 s, tg>yu vidi "Oh, ili u impulsnim sistemima (t*io -8 s, n>u 22 cm*š). U prvom (tokamak, stelarator, zrcalni trap, itd.), izolacija plazme i toplinska izolacija se izvode u magnetnim poljima različitih konfiguracija. U impulsnim sistemima, plazma se stvara zračenjem čvrste mete (zrnca mješavine deuterijuma i tritijuma) fokusiranim zračenjem snažnog lasera ili elektronskih zraka: kada snop malih čvrstih ciljeva pogodi fokus, uzastopna serija termonuklearnih mikroeksplozija javlja.

Među raznim komorama za zadržavanje plazme, obećavajuća je komora sa toroidnom konfiguracijom. U ovom slučaju, plazma se stvara unutar toroidalne komore pomoću prstenastog pražnjenja bez elektroda. U tokamaku, struja inducirana u plazmi je poput sekundarnog namota transformatora. Magnetno polje, koje drži plazmu, nastaje kako zbog struje koja teče kroz namotaj oko komore, tako i zbog struje inducirane u plazmi. Da bi se dobila stabilna plazma, koristi se vanjsko uzdužno magnetsko polje.

Termonuklearni reaktor je uređaj za proizvodnju energije kroz reakcije fuzije lakih atomskih jezgara koje se javljaju u plazmi na vrlo visokim temperaturama (> 10 8 K). Glavni zahtjev koji fuzijski reaktor mora zadovoljiti je da se energija oslobađa kao rezultat

termonuklearne reakcije su više nego kompenzirale troškove energije iz vanjskih izvora za održavanje reakcije.

Rice. h. Glavne komponente reaktora za kontroliranu termonuklearnu fuziju.

Termonuklearni reaktor tipa TO-CAMAK (Toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama) sastoji se od vakuumske komore koja formira kanal u kojem plazma cirkuliše, magneta koji stvaraju polje i sistema za grejanje plazme. Na to su pripojene vakuum pumpe koje konstantno ispumpavaju gasove iz kanala, sistem za dovod goriva dok sagoreva, i diverter - sistem kroz koji se energija dobijena kao rezultat termonuklearne reakcije uklanja iz reaktora. Toroidalna plazma je u vakuumskoj ljusci. a-Čestice nastale u plazmi kao rezultat termonuklearne fuzije i smještene u njoj povećavaju njenu temperaturu. Neutroni prodiru kroz zid vakuumske komore u zonu pokrivača koji sadrži tečni litijum ili jedinjenje litijuma obogaćeno sa 6 Li. U interakciji s litijumom, kinetička energija neutrona se pretvara u toplinu, a istovremeno se stvara tricij. Pokrivač je smješten u posebnu školjku, koja štiti magnet od neutrona koji izlaze, y-zračenja i toplinskih tokova.

U instalacijama tipa tokamak, plazma se stvara unutar toroidalne komore pomoću prstenastog pražnjenja bez elektroda. U tu svrhu u plazma ugrušku se stvara električna struja, a istovremeno razvija svoje magnetsko polje – plazma ugrušak sam postaje magnet. Sada, koristeći vanjsko magnetsko polje određene konfiguracije, moguće je suspendirati oblak plazme u centru komore, ne dopuštajući mu da dođe u kontakt sa zidovima.

Preusmjerivač - skup uređaja (specijalne poloidne magnetne zavojnice; paneli u kontaktu sa plazmom - plazma neutralizatori), uz pomoć kojih se područje direktnog kontakta zida sa plazmom maksimalno uklanja iz glavne vruće plazme. Koristi se za uklanjanje topline iz plazme u obliku struje nabijenih čestica i za ispumpavanje produkta reakcije neutraliziranih na divertorskim pločama: helijuma i protijuma. Čisti plazmu od kontaminanata koji ometaju reakciju sinteze.

Fuzijski reaktor karakterizira povećanje snage, jednak omjeru toplotne snage reaktora na troškove energije njegove proizvodnje. Toplotna snaga reaktor preklopi:

• - od snage oslobođene tokom termonuklearne reakcije u plazmi;
• - od snage koja se uvodi u plazmu za održavanje temperature sagorevanja termonuklearne reakcije ili stacionarne struje u plazmi;
• - od snage oslobođene u pokrivaču - ljuske koja okružuje plazmu u kojoj se koristi energija termonuklearnih neutrona i koja služi za zaštitu magnetskih zavojnica od izlaganja zračenju. Pokrivač fuzijskog reaktora - jedan od glavnih dijelova termonuklearnog reaktora, posebna ljuska koja okružuje plazmu u kojoj se odvijaju termonuklearne reakcije i koja služi za korištenje energije termonuklearnih neutrona.

Pokrivač prekriva prsten plazme sa svih strana, i one rođene sa D-T sinteza glavni nosioci energije - 14-MeV neutroni - otpuštaju je u pokrivač)", zagrijavajući ga. Pokrivač sadrži izmjenjivače toplote kroz koje prolazi voda. Kada tokamak radi kao dio elektrane, para se rotira parna turbina, a ona je rotor generatora.

Glavni zadatak pokrivača je prikupljanje energije, pretvaranje u toplinu i prijenos u sisteme za proizvodnju električne energije, kao i zaštita operatera i okoline od jonizujućeg zračenja koje stvara termonuklearni reaktor. Iza pokrivača u termonuklearnom reaktoru nalazi se sloj zaštite od zračenja, čija je funkcija da dodatno oslabi protok neutrona i y-kvanta nastalih tokom reakcija sa materijom kako bi se osigurala radna sposobnost elektromagnetnog sistema. Nakon toga slijedi biološka zaštita, koju može pratiti osoblje postrojenja.

"Aktivni" oplemenjivač pokrivača dizajniran je za proizvodnju jedne od komponenti termonuklearnog goriva. U reaktorima koji troše tricijum, materijali za razmnožavanje (litijeva jedinjenja) su uključeni u pokrivač kako bi se osigurala efikasna proizvodnja tricijuma.

Prilikom rada termonuklearnog reaktora koji koristi deuterijum-tricijum gorivo, potrebno je dopuniti količinu goriva (D+T) u reaktoru i ukloniti 4He iz plazme. Kao rezultat reakcija u plazmi, tricij izgara, a glavni dio energije fuzije se prenosi na neutrone, za koje je plazma prozirna. To dovodi do potrebe za postavljanjem posebne zone između plazme i elektromagnetnog sistema, u kojoj se reprodukuje sagoreli tricijum i apsorbuje najveći deo energije neutrona. Ova zona se zove oplemenjivački pokrivač. Reproducira tricijum spaljen u plazmi.

Tricij u blanketu se može proizvesti zračenjem litija neutronskim fluksovima kroz nuklearne reakcije: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV i 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.

Prilikom proizvodnje tricijuma iz litijuma treba uzeti u obzir da se prirodni litijum sastoji od dva izotopa: 6 Li (7,52%) i 7 Li (92,48%). Presjek apsorpcije termalnih neutrona čistog 6 Li 0 = 945 barn, a aktivacijski presjek za reakciju (p, p) je 0,028 barn. Za prirodni litijum, poprečni presek za uklanjanje neutrona nastalih tokom fisije uranijuma je jednak 1,01 barn, a presek za apsorpciju toplotnih neutrona je a = 70,4 barn.

Energetski spektri y-zračenja pri radijacijskom hvatanju termalnih neutrona 6 Li karakteriziraju sljedeće vrijednosti: prosječna energija y-kvanta emitovanih po apsorbovanom neutronu, u energetskom opsegu 6^-7 MeV = 0,51 MeV, u energiji opseg 7-r8 MeV - 0,94 MeV. Ukupna energija

U termonuklearnom reaktoru koji pokreće D-T gorivo, kao rezultat reakcije:

y-zračenje po hvatanju neutrona je 1,45 MeV. Za 7 Li, poprečni presek apsorpcije je 0,047 barn, a presek aktivacije je 0,033 barn (pri energijama neutrona iznad 2,8 MeV). Presek za uklanjanje fisionih neutrona LiH prirodnog sastava = 1,34 barn, metalni Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.

formiraju se termonuklearni neutroni, koji, napuštajući volumen plazme, ulaze u područje koje sadrži litijum i berilijum, gde se dešavaju sledeće reakcije:

Tako će termonuklearni reaktor sagorjeti deuterijum i litijum, a kao rezultat reakcija će nastati inertni gas helijum.

Tokom D-T reakcije, tricijum izgara u plazmi i nastaje neutron sa energijom od 14,1 MeV. U blanketu je neophodno da ovaj neutron generiše najmanje jedan atom tricijuma da pokrije svoje gubitke u plazmi. Stopa reprodukcije tricijuma To("količina tricijuma formiranog u pokrivaču po upadnom termonuklearnom neutronu) zavisi od spektra neutrona u pokrivaču, veličine apsorpcije i curenja neutrona. Sa 0% pokrivenosti plazmom pokrivačem, vrijednost k> 1,05.

Rice. Slika 4. Zavisnost presjeka nuklearnih reakcija stvaranja tritijuma o energiji neutrona: 1 - reakcija 6 Li(n,t)'»He, 2 - reakcija 7 Li(n,n',0 4 He.

Jezgro 6 Li ima veoma veliki presjek apsorpcije za termičke neutrone sa formiranjem tricijuma (953 barn na 0,025 eV). Pri niskim energijama, presjek apsorpcije neutrona u Li slijedi zakon (l/u) iu slučaju prirodnog litijuma dostiže vrijednost od 71 barn za termalne neutrone. Za 7 Li, poprečni presek za interakciju sa neutronima je samo 0,045 barn. Stoga, da bi se povećala produktivnost uzgajivača, prirodni litijum bi trebao biti obogaćen izotopom 6 Li. Međutim, povećanje sadržaja 6 Li u mješavini izotopa ima mali utjecaj na koeficijent reprodukcije tritijuma: postoji povećanje od 5% s povećanjem obogaćivanja izotopa 6 Li na 50% u mješavini. U reakciji 6 Li(n, T) „Svi usporeni neutroni neće biti apsorbovani. Pored jake apsorpcije u termalnom području, postoji i mala apsorpcija (

Zavisnost poprečnog presjeka reakcije 6 Li(n,T) 4 He o energiji neutrona prikazana je na sl. 7. Kao što je tipično za mnoge druge nuklearne reakcije, poprečni presjek reakcije 6 Li(n,f) 4 He opada kako se energija neutrona povećava (sa izuzetkom rezonancije pri energiji od 0,25 MeV).

Reakcija sa stvaranjem tricijuma na izotopu Li se odvija sa brzim neutronima pri energiji >2,8 MeV. U ovoj reakciji

proizvodi se tricij i nema gubitka neutrona.

Nuklearna reakcija na 6 Li ne može proizvesti proširenu proizvodnju tricijuma i samo kompenzira izgorjeli tricij

Reakcija na ?1l rezultira pojavom jednog jezgra tricijuma za svaki apsorbirani neutron i regeneracijom ovog neutrona, koji se zatim apsorbira pri usporavanju i proizvodi drugo jezgro tritijuma.

Komentar. U prirodnom Li, stopa reprodukcije tricijuma je To"2. Za Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2.0; 0,95; 1.1; 1.05 i i.6, respektivno. Rastopljena so LiF (66%) + BeF 2 (34%) se naziva flyb ( FLiBe), njegova upotreba je poželjnija zbog sigurnosnih uslova i smanjenja gubitaka tricijuma.

Budući da ne sudjeluje svaki neutron D-T reakcije u formiranju atoma tricija, potrebno je primarne neutrone (14,1 MeV) pomnožiti reakcijom (n, 2n) ili (n, sn) na elementima koji imaju dovoljno veliki križ. dio za interakciju brzih neutrona, na primjer, na Be, Pb, Mo, Nb i mnoge druge materijale sa Z> 25. Za berilijev prag (n, 2 P) reakcije 2,5 MeV; na 14 MeV 0=0,45 barn. Kao rezultat toga, u blanket verzijama s tekućim ili keramičkim litijumom (LiA10 2) moguće je postići za* 1.1+1.2. U slučaju okruženja reaktorske komore uranijumskim pokrivačem, umnožavanje neutrona može biti značajno povećano zbog reakcija fisije i (n, 2n), (n, zl) reakcija.

Napomena 1. Indukovana aktivnost litijuma pri zračenju neutronima praktički izostaje, budući da nastali radioaktivni izotop 8 Li (cr-zračenje sa energijom od 12,7 MeV i /-zračenje sa energijom od ~6 MeV) ima vrlo kratku polovinu -život - 0,875 s. Niska aktivacija litijuma i kratko vrijeme poluraspada olakšavaju biozaštitu biljaka.

Napomena 2. Aktivnost tricijuma sadržanog u pokrivaču termonuklearnog DT reaktora je ~*10 6 Ci, tako da upotreba DT goriva ne isključuje teorijsku mogućnost nesreće u razmjerima od nekoliko posto černobilske ( oslobađanje je bilo 510 7 Ci). Oslobađanje tritijuma sa stvaranjem T 2 0 može dovesti do radioaktivnih padavina, ulaska tricijuma u podzemne vode, rezervoare, žive organizme, biljke sa akumulacijom, u konačnici, u prehrambenim proizvodima.

Izbor materijalnog i fizičkog stanja uzgajivača je ozbiljan problem. Materijal za oplemenjivanje mora da obezbedi visok procenat konverzije litijuma u tricijum i laku ekstrakciju potonjeg za naknadni transfer u sistem za pripremu goriva.

Glavne funkcije oplemenjivačkog pokrivača uključuju: formiranje plazma komore; proizvodnja tricijuma sa koeficijentom k>i; pretvaranje kinetičke energije neutrona u toplinu; povrat topline stvorene u pokrivaču tokom rada termonuklearnog reaktora; zaštita od zračenja elektromagnetnog sistema; biološka zaštita od zračenja.

Termonuklearni reaktor koji koristi D-T gorivo, ovisno o materijalu pokrivača, može biti "čisti" ili hibridni. Pokrivač „čistog“ termonuklearnog reaktora sadrži Li, u kojem se pod uticajem neutrona proizvodi tricijum i termonuklearna reakcija se pojačava sa 17,6 MeV na 22,4

MeV. U pokrivaču hibridnog („aktivnog“) termonuklearnog reaktora ne samo da se proizvodi tricijum, već postoje i zone u koje se smešta otpad 2 39Pi i proizvodi 2 39Pi. U ovom slučaju, energija jednaka 140 MeV po neutronu se oslobađa u pokrivaču. Energetska efikasnost hibridnog fuzijskog reaktora je šest puta veća od one čistog. Istovremeno se postiže bolja apsorpcija termonuklearnih neutrona, što povećava sigurnost instalacije. Međutim, prisustvo fisionih radioaktivnih supstanci stvara okruženje radijacije slično onom u nuklearnim fisijskim reaktorima.

Rice. 5.

Postoje dva čista oplemenjivačka koncepta zasnovana na upotrebi tečnog materijala za uzgoj tricijuma, ili na upotrebi čvrstih materijala koji sadrže litijum. Mogućnosti dizajna pokrivača se odnose na odabranu vrstu rashladnog sredstva (tečni metal, tečna sol, plin, organska, voda) i klasu mogućih konstrukcijskih materijala.

U tečnoj verziji pokrivača, litijum je rashladna tečnost, a tricijum je reproduktivni materijal. Deo pokrivača sastoji se od prvog zida, zone za razmnožavanje (otopljena litijumova so, reflektor (čelik ili volfram) i komponente za zaštitu od svetlosti (na primer, titanijum hidrid). Glavna karakteristika litijumskog samohlađenog pokrivača je odsustvo dodatnog moderatora i neutronskog multiplikatora.U dekici sa tečnim oplemenjivačem možete koristiti sledeće soli: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Među gore navedenim solima, Li 2 BeF 4 ima najmanji viskozitet, ali najveći Twl. Prospect Pb-Li eutektika i FLiNaBe se rastapaju, koji također djeluje kao samohladnjak. Multiplikatori neutrona u takvom oplemenjivaču su sferne Be granule promjera 2 mm.

U pokrivaču sa čvrstim oplemenjivačem, keramika koja sadrži litijum koristi se kao materijal za razmnožavanje, a berilij služi kao množitelj neutrona. Sastav takvog pokrivača uključuje elemente kao što je prvi zid s kolektorima rashladne tekućine; zona razmnožavanja neutrona; zona proizvodnje tricijuma; kanali za hlađenje zona uzgoja i reprodukcije tricija; zaštita gvožđa i vode; Elementi za pričvršćivanje pokrivača; vodovi za dovod i pražnjenje rashladne tečnosti i tricijumskog gasa. Građevinski materijali- legure vanadija i čelika feritne ili feritno-martenzitne klase. Zaštita od zračenja je izrađena od čeličnih limova. Rashladno sredstvo koje se koristi je gas helijum pod pritiskom yMPa sa ulaznom temperaturom od 300 0 i temperaturom na izlazu rashladnog sredstva od 650 0.

Radiohemijski zadatak je da izoluje, pročisti i vrati tricijum u ciklus goriva. U ovom slučaju je važan izbor funkcionalnih materijala za sisteme za regeneraciju komponenti goriva (materijal za razmnožavanje). Materijal za razmnožavanje mora osigurati uklanjanje energije termonuklearne fuzije, stvaranje tricijuma i njegovu efikasnu ekstrakciju za naknadno prečišćavanje i transformaciju u reaktorsko gorivo. U tu svrhu potreban je materijal visoke temperature, radijacije i mehaničke otpornosti. Ništa manje važne su difuzijske karakteristike materijala koje osiguravaju visoku pokretljivost tritijuma i, kao posljedicu, dobra efikasnost ekstrakcija tricijuma iz oplemenjivačkog materijala na relativno niske temperature.

Radne supstance pokrivača mogu biti: keramika Li 4 Si0 4 (ili Li 2 Ti0 3) - materijal za reprodukciju i berilij - multiplikator neutrona. I oplemenjivač i berilij se koriste u obliku sloja monodisperznog šljunka (granule oblika bliskog sfernom). Prečnici granula Li 4 Si0 4 i Li 2 Ti0 3 variraju u rasponu od 0,2-10,6 mm i oko 8 mm, respektivno, a granule berilija imaju prečnik od 1 mm. Udio efektivnog volumena sloja granula je 63%. Za reprodukciju tricijuma, keramički oplemenjivač je obogaćen izotopom 6 Li. Tipičan nivo obogaćivanja 6 Li: 40% za Li 4 Si0 4 i 70% za Li 2 Ti0 3.

Trenutno se litijum metatitanat 1L 2 TIu 3 smatra najperspektivnijim zbog relativno visoke brzine oslobađanja tricijuma na relativno niskim temperaturama (od 200 do 400 0), otpornosti na zračenje i hemikalije. Pokazalo se da granule litijum-titanata, obogaćene na 96% 6 Li u uslovima intenzivnog neutronskog zračenja i termičkih efekata, omogućavaju stvaranje litijuma u roku od dve godine sa skoro konstantna brzina. Tricijum se ekstrahuje iz keramike ozračene neutronom programiranim zagrevanjem materijala za razmnožavanje u kontinuiranom režimu pumpanja.

Pretpostavlja se da se u nuklearnoj industriji termonuklearne fuzijske instalacije mogu koristiti u tri područja:

• - hibridni reaktori u kojima pokrivač sadrži fisione nuklide (uranijum, plutonijum), čiju fisiju kontroliše snažan tok neutrona visoke energije (14 MeV);
• - inicijatori sagorevanja u elektronuklearnim subkritičnim reaktorima;
• - transmutacija dugovječnih ekološki opasnih radionuklida u svrhu odlaganja radioaktivnog otpada.

Visoka energija termonuklearnih neutrona pruža velike mogućnosti za odvajanje energetskih grupa neutrona za sagorijevanje određenog radionuklida u rezonantnom području poprečnih presjeka.

Optimizam je dobra stvar, ali nije samodovoljna. Na primjer, prema teoriji vjerovatnoće, cigla ponekad mora pasti na svakog smrtnika. Apsolutno ništa se ne može učiniti povodom ovoga: zakona Univerzuma. Ispostavilo se da jedina stvar koja smrtnika može istjerati na ulicu u ovako turbulentnim vremenima je vjera u najbolje. Ali za radnika u sektoru stambeno-komunalnih usluga motivacija je složenija: gurnut je na ulicu upravo onom ciglom koja pokušava pasti na nekoga. Uostalom, radnik zna za ovu ciglu i može sve popraviti. Jednako je vjerovatno da neće biti ispravljen, ali glavno je da ga bilo kakvom odlukom goli optimizam više neće tješiti.

U ovoj situaciji u 20. vijeku našla se čitava industrija – globalna energija. Ovlašćeni ljudi odlučili su da će ugalj, nafta i prirodni gas uvijek biti tu, kao sunce u pjesmi, da će cigla čvrsto sjediti i nikuda ne odlazi. Recimo da nestaje - to je termonuklearna fuzija, čak i ako još nije u potpunosti kontrolirana. Logika je sledeća: brzo su ga otvorili, što znači da će ga jednako brzo i osvojiti. Ali godine su prolazile, patronimi tiranina su zaboravljeni, a termonuklearna fuzija nije savladana. Samo je flertovao i zahtevao više učtivosti nego što su to činili smrtnici. Inače, ništa nisu odlučivali, bili su tihi optimisti.

Razlog da se migoljim u fotelji pojavio se kada su počeli javno da govore o konačnosti fosilnih goriva. Štaviše, o kakvom se udu radi nije jasno. Prvo, tačnu količinu nafte ili, recimo, gasa koja još nije pronađena, prilično je teško izračunati. Drugo, prognozu komplikuju fluktuacije tržišnih cijena, koje utiču na brzinu proizvodnje. I treće, potrošnja goriva varira u vremenu i prostoru: na primjer, 2015. globalna potražnja za ugljem (trećina svih postojećih izvora energije) pala je prvi put od 2009., ali se očekuje da će naglo porasti do 2040., posebno u Kini. i Bliskog istoka.

Zapremina plazme u JET-u je već bila oko 100 kubnih metara. Tokom 30 godina postavio je niz rekorda: riješio je prvi problem termonuklearne fuzije, zagrijavši plazmu na 150 miliona stepeni Celzijusa; generisao snagu od 1 megavata, a zatim 16 megavata sa indikatorom energetske efikasnosti Q ~ 0,7... Odnos utrošene i primljene energije je treći problem termonuklearne fuzije. Teoretski, za samoodrživo sagorijevanje plazme, Q bi trebao biti veći od jedinice. Ali praksa je pokazala da to nije dovoljno: u stvari, Q bi trebao biti više od 20. Među tokamacima, Q JET ostaje neosvojen.

Nova nada za industriju je ITER tokamak, koji trenutno gradi cijeli svijet u Francuskoj. Q indikator ITER-a trebao bi dostići 10, njegova snaga bi trebala biti 500 megavata, koja će se, za početak, jednostavno raspršiti u svemiru. Radovi na ovom projektu traju od 1985. godine i trebalo je da se okončaju 2016. godine. Ali postepeno su troškovi izgradnje porasli sa 5 na 19 milijardi evra, a datum puštanja u rad pomeren je za 9-11 godina. Istovremeno, ITER je pozicioniran kao most ka DEMO reaktoru, koji će, prema planu, generisati prvu „fuzionu” električnu energiju 2040-ih.

Biografija “pulsnih” sistema bila je manje dramatična. Kada su fizičari ranih 1970-ih prepoznali da opcija “trajne” fuzije nije idealna, predložili su uklanjanje ograničenja plazme iz jednačine. Umjesto toga, izotopi su morali biti smješteni u milimetarsku plastičnu sferu, u zlatnu kapsulu ohlađenu na apsolutnu nulu, a kapsulu u komoru. Zatim je kapsula istovremeno "ispaljena" laserima. Ideja je da ako zagrijete i komprimirate gorivo dovoljno brzo i ravnomjerno, reakcija će se dogoditi prije nego što se plazma rasprši. A 1974. privatna kompanija KMS Fusion dobila je takvu reakciju.

Nakon nekoliko eksperimentalnih instalacija i godina, postalo je jasno da nije sve tako glatko sa "pulsnom" sintezom. Ispostavilo se da je ujednačenost kompresije problem: smrznuti izotopi nisu se pretvorili u savršenu loptu, već u "bučicu", koja je naglo smanjila pritisak, a time i energetsku efikasnost. Situacija je dovela do toga da se 2012. godine, nakon četiri godine rada, najveći inercijski američki reaktor NIF gotovo zatvorio iz očaja. Ali već 2013. učinio je ono što JET-u nije uspio: bio je prvi u nuklearnoj fizici koji je proizveo 1,5 puta više energije nego što je potrošio.

Sada se, pored velikih, problemi termonuklearne fuzije rješavaju "džepnim", čisto eksperimentalnim i "start-up" instalacijama različitih dizajna. Ponekad uspeju da naprave čudo. Na primjer, fizičari sa Univerziteta u Rochesteru nedavno su premašili rekord energetske efikasnosti postavljen 2013. za četiri, a potom i pet puta. Istina, nova ograničenja temperature i pritiska paljenja nisu nestala, a eksperimenti su izvedeni u reaktoru otprilike tri puta manjem od NIF-a. A linearna dimenzija, kao što znamo, bitna je.

Zašto se toliko mučiti, pitate se? Da bismo razjasnili zašto je termonuklearna fuzija tako privlačna, uporedimo je sa "običnim" gorivom. Recimo da u svakom trenutku vremena postoji jedan gram izotopa u tokamak "krofni". Sudar jednog deuterija i jednog tritijuma oslobađa 17,6 megaelektronvolta energije, ili 0,000000000002 džula. Sada statistika: sagorevanjem jednog grama drveta dobićemo 7 hiljada džula, uglja - 34 hiljade džula, gasa ili nafte - 44 hiljade džula. Spaljivanje grama izotopa trebalo bi da dovede do oslobađanja 170 milijardi džula toplote. To je ono što cijeli svijet potroši za oko 14 minuta.

Izbjegli neutroni i smrtonosne hidroelektrane

Štaviše, termonuklearna fuzija je gotovo bezopasna. "Skoro" - jer će neutron, koji odleti i ne vraća se, uzimajući dio kinetičke energije, napustiti magnetsku zamku, ali neće moći daleko otići. Uskoro će fidget biti zarobljen atomskim jezgrom jednog od listova pokrivača - metalnog "ćebe" reaktora. Jezgra koja je "uhvatila" neutron pretvorit će se ili u stabilan, odnosno siguran i relativno izdržljiv, ili u radioaktivni izotop - ovisno o vašoj sreći. Ozračenje reaktora neutronima naziva se indukovano zračenje. Zbog toga će se pokrivač morati mijenjati svakih 10-100 godina.

Vrijeme je da pojasnimo da je gore opisana shema „povezivanja“ izotopa pojednostavljena. Za razliku od deuterija, koji se može jesti žličicom, lako se stvara i nalazi u običnoj morskoj vodi, tricij je radioizotop i umjetno se sintetizira po nepristojnoj cijeni. U isto vrijeme, nema smisla pohranjivati ​​ga: kernel se brzo "raspada". U ITER-u će se tricij proizvoditi na licu mjesta sudaranjem neutrona s litijem-6 i odvojenim dodavanjem gotovog deuterija. Kao rezultat toga, biće još više neutrona koji pokušavaju da “pobjegnu” (zajedno s tricijumom) i zaglave se u pokrivaču nego što se čini.

Unatoč tome, područje radioaktivnog utjecaja termonuklearnog reaktora bit će zanemarivo malo. Ironija je da sigurnost osigurava sama nesavršenost tehnologije. Budući da se plazma mora zadržavati, a „gorivo“ dodavati iznova i iznova, bez vanjskog nadzora sistem će raditi najviše nekoliko minuta (ITER-ovo planirano vrijeme zadržavanja je 400 sekundi) i ugasit će se. Ali čak i sa trenutnim uništenjem, prema mišljenje fizičar Christopher Llewellyn-Smith, neće biti potrebe za izbacivanjem gradova: zbog niske gustine tricijumske plazme, sadržavat će samo 0,7 grama.

Naravno, svjetlost nije konvergirala na deuterijum i tricijum. Za termonuklearnu fuziju, naučnici razmatraju i druge parove: deuterijum i deuterijum, helijum-3 i bor-11, deuterijum i helijum-3, vodonik i bor-11. U posljednja tri uopće neće biti "odbjeglih" neutrona, a dvije američke kompanije već rade sa parovima vodonik-bor-11 i deuterijum-helijum-3. Samo što je za sada, u trenutnoj fazi tehnološkog neznanja, malo lakše sudariti deuterijum i tricijum.

A jednostavna aritmetika je na strani nove industrije. U proteklih 55 godina svijet je vidio: pet kvarova na hidroelektranama, što je rezultiralo smrću čak Ruski putevi umire u roku od osam godina; 26 nesreća u nuklearnim elektranama, zbog kojih je poginulo desetine hiljada puta manje ljudi nego od proboja hidroelektrana; i stotine incidenata na termoenergetskim mrežama sa bog zna kakvim posledicama. Ali tokom rada termonuklearnih reaktora, čini se da do sada ništa nije oštećeno osim nervnih ćelija i budžeta.

Hladna fuzija

Koliko god mala bila, prilika da se osvoji džekpot na “termonuklearnoj” lutriji uzbudila je sve, a ne samo fizičare. U martu 1989. dva prilično poznata hemičara, Amerikanac Stanley Pons i Britanac Martin Fleischman, okupili su novinare kako bi svijetu prikazali “hladnu” nuklearnu fuziju. Ovako je radio. Paladijeva elektroda je stavljena u otopinu s deuterijumom i litijumom i propuštena kroz nju. D.C.. Deuterijum i litijum su apsorbovani paladijumom i, sudarajući se, ponekad "zaključani" u tricijum i helijum-4, iznenada naglo zagrevajući rastvor. A ovo je kada sobnoj temperaturi i normalan atmosferski pritisak.

Izgledi za dobijanje energije bez problema s temperaturom, pritiskom i složenim instalacijama bili su previše primamljivi, a sljedećeg dana Fleischmann i Pons su se probudili poznati. Vlasti države Utah izdvojile su 5 miliona dolara za istraživanje hladne fuzije, a univerzitet na kojem je Pons radio zatražio je još 25 miliona dolara od američkog Kongresa. Dva boda dodala su muhu u priči. Prvo su se pojavili detalji eksperimenta The Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry tek u aprilu, mjesec dana nakon konferencije za novinare. Ovo je bilo suprotno naučnom bontonu.

Drugo, stručnjaci za nuklearnu fiziku imali su mnogo pitanja za Fleischmanna i Ponsa. Na primjer, zašto u njihovom reaktoru sudar dva deuterona proizvodi tricij i helij-4, kada bi trebao proizvesti tricij i proton ili neutron i helij-3? Štoviše, bilo je to lako provjeriti: pod uvjetom da se nuklearna fuzija dogodi u paladijumskoj elektrodi, neutroni s prethodno poznatom kinetičkom energijom bi "odletjeli" iz izotopa. Ali ni neutronski senzori ni reprodukcija eksperimenta od strane drugih naučnika nisu doveli do takvih rezultata. A zbog nedostatka podataka, već u maju je senzacija hemičara prepoznata kao "patka".

Unatoč tome, rad Ponsa i Fleischmanna donio je konfuziju u nuklearnu fiziku i hemiju. Uostalom, ono što se dogodilo: određena reakcija izotopa, paladija i elektriciteta dovela je do oslobađanja pozitivne energije, tačnije, do spontanog zagrijavanja otopine. Japanski naučnici su 2008. godine pokazali sličnu instalaciju novinarima. Stavili su paladijum i cirkonijum oksid u tikvicu i u nju pod pritiskom pumpali deuterijum. Zbog pritiska, jezgre su se „trljale“ jedna o drugu i pretvarale u helijum, oslobađajući energiju. Kao iu Fleischmann-Ponsovom eksperimentu, autori su fuzionu reakciju "bez neutrona" ocijenili samo po temperaturi u tikvici.

Fizika nije imala objašnjenje. Ali hemija bi mogla imati: šta ako supstancu promijene katalizatori - "akceleratori" reakcija? Jedan takav "akcelerator" navodno je koristio italijanski inženjer Andrea Rosi. Godine 2009. on i fizičar Sergio Focardi podnijeli su prijavu za izum uređaja za "niskoenergetsku nuklearnu reakciju". Ovo je 20-centimetarska keramička cijev u koju se stavlja prah nikla, nepoznati katalizator i pod pritiskom se pumpa vodonik. Cijev se zagrijava konvencionalnim električnim grijačem, djelimično pretvarajući nikal u bakar uz oslobađanje neutrona i pozitivne energije.

Prije patenta Rossija i Focardija, mehanika "reaktora" nije bila otkrivena kao pitanje principa. Zatim - pozivajući se na poslovnu tajnu. 2011. godine novinari i naučnici (iz nekog razloga isti) počeli su provjeravati instalaciju. Provjere su bile sljedeće. Cijev je zagrijavana nekoliko sati, mjerena je ulazna i izlazna snaga i proučavan je izotopski sastav nikla. Bilo je nemoguće otvoriti ga. Potvrđene su riječi programera: izlaz energije je 30 puta veći, sastav nikla se mijenja. Ali kako? Za takvu reakciju ne treba vam 200 stepeni, već svih 20 milijardi stepeni Celzijusa, jer je jezgro od nikla teže čak i od gvožđa.

Andrea Rossi tokom testiranja uređaja za "niskoenergetsku nuklearnu reakciju" (lijevo). / © Vessyjev blog

Niko Science Magazine nikada nije objavio italijanske "čarobnjake". Mnogi su brzo odustali od "niskoenergetskih reakcija", iako metoda ima sljedbenike. Rossi sada tuži nosioca patenta, američku kompaniju Industrial Heat, pod optužbom za krađu intelektualnog vlasništva. Ona ga smatra prevarantom, a provjere sa stručnjacima su "lažne".

A ipak postoji "hladna" nuklearna fuzija. Zaista se zasniva na "katalizatoru" - mionima. Mioni (negativno nabijeni) "izbacuju" elektrone iz atomske orbitale, formirajući mezoatome. Ako sudarite mezoatome sa, na primjer, deuterijumom, dobićete pozitivno nabijene mezomolekule. A pošto je mion 207 puta teži od elektrona, jezgra mezomolekula će biti 207 puta bliže jedna drugoj – isti efekat se može postići ako se izotopi zagreju na 30 miliona stepeni Celzijusa. Zbog toga se jezgra mezoatoma "lepe" sama od sebe, bez zagrevanja, a mion "skače" na druge atome dok se ne "zaglavi" u mezoatomu helijuma.

Do 2016. mion je bio obučen da napravi otprilike 100 takvih "skokova". Zatim - ili mezoatom helijuma ili raspad (životni vijek miona je samo 2,2 mikrosekunde). Igra nije vrijedna truda: količina energije primljena od 100 "skokova" ne prelazi 2 gigaelektronvolta, a za stvaranje jednog miona potrebno je 5-10 gigaelektronvolta. Da bi “hladna” fuzija, tačnije “muonska kataliza”, bila isplativa, svaki mion mora naučiti 10 hiljada “skokova” ili, konačno, prestati zahtijevati previše od smrtnika. Uostalom, do kamenog doba ostalo je još nekih 250 godina - s pionirskim požarima umjesto termoelektrana.

Međutim, ne vjeruju svi u konačnost fosilnih goriva. Mendeljejev je, na primjer, negirao iscrpljivost nafte. Ona je, mislio je kemičar, proizvod abiotičkih reakcija, a ne raspadnutih pterodaktila, te se stoga samoregenerira. Mendeljejev je za suprotne glasine okrivio braću Nobel, koja su krajem 19. vijeka ciljala na naftni monopol. Slijedeći ga, sovjetski fizičar Lev Artsimovich u potpunosti je izrazio uvjerenje da će se termonuklearna energija pojaviti tek kada je čovječanstvu "stvarno" bude potrebna. Ispostavilo se da su Mendeljejev i Artsimovič bili, iako su bili odlučujuće ličnosti, ipak bili optimisti.

I zapravo nam termonuklearna energija još nije potrebna.

“Rekli smo da ćemo staviti Sunce u kutiju. Ideja je odlična. Ali problem je što ne znamo kako da napravimo ovu kutiju” - Pierre Gilles de Gennes, laureat nobelova nagrada u fizici 1991.

Dok teški elementi Postoji dosta elemenata potrebnih za nuklearne reakcije na Zemlji i u svemiru općenito; postoji mnogo lakih elemenata za termonuklearne reakcije i na Zemlji i u svemiru. Stoga je ideja o korištenju termonuklearne energije za dobrobit čovječanstva došla gotovo odmah s razumijevanjem procesa koji su u njenoj osnovi - ovo je zaista obećavalo neograničene mogućnosti, budući da su rezerve termonuklearnog goriva na Zemlji trebale biti dovoljne za desetine hiljada godina koje dolaze.

Već 1951. godine pojavila su se dva glavna pravca razvoja termonuklearnih reaktora: Andrej Saharov i Igor Tamm razvili su arhitekturu tokamaka u kojoj je radna komora bila torus, dok je Lyman Spitzer predložio arhitekturu složenijeg dizajna u obliku koji najviše podsjeća na obrnutu Mobijusovu traku ne jednom, već nekoliko puta.

Jednostavnost osnovnog dizajna tokamaka dopuštala je dugo vrijeme razvijati ovaj pravac poboljšanjem karakteristika konvencionalnih i supravodljivih magneta, kao i postupnim povećanjem veličine reaktora. Ali s povećanjem parametara plazme, postupno su se počeli pojavljivati ​​problemi s njenim nestabilnim ponašanjem, što je usporilo proces.

Složenost dizajna stelatora dovela je do činjenice da je nakon prvih eksperimenata 50-ih, razvoj ovog smjera dugo vremena stao. Nedavno je dobio novi život sa pojavom savremeni sistemi kompjuterski potpomognuto projektovanje, što je omogućilo da se Wendelstein 7-X stelator dizajnira sa parametrima i preciznošću dizajna potrebnim za njegov rad.

Fizika procesa i problemi u njegovoj implementaciji

Atomi željeza imaju maksimalnu energiju vezivanja po nukleonu – to jest mjera energije koja se mora potrošiti da se atom podijeli na sastavne neutrone i protone, podijeljenu sa njihovim ukupno. Svi atomi sa manjom i većom masom imaju ovaj indikator ispod željeza:

Istovremeno, u termonuklearnim reakcijama fuzije lakih atoma do željeza, energija se oslobađa, a masa rezultirajućeg atoma postaje blago manje od iznosa mase originalnih atoma za iznos koji korelira sa oslobođenom energijom prema formuli E=mc² (tzv. defekt mase). Na isti način, energija se oslobađa tokom reakcija nuklearne fisije atoma težih od željeza.

Prilikom reakcija atomske fuzije oslobađa se ogromna energija, ali da bismo tu energiju izvukli, prvo moramo uložiti određeni napor da savladamo odbojne sile između atomskih jezgara koje su pozitivno nabijene (prevaziđu Kulonovu barijeru). Nakon što smo uspjeli da približimo nekoliko atoma potrebna udaljenost jak ulazi u igru nuklearna interakcija, koji povezuje neutrone i protone. Za svaku vrstu goriva, Kulonova barijera za početak reakcije je različita, kao što je različita i optimalna temperatura reakcije:

U ovom slučaju prve termonuklearne reakcije atoma počinju da se bilježe mnogo prije nego što dođu prosječna temperatura tvari ove barijere zbog činjenice da je kinetička energija atoma podložna Maxwellovoj raspodjeli:

Ali reakcija na relativno niskoj temperaturi (reda nekoliko miliona °C) teče izuzetno sporo. Tako recimo u centru temperatura dostiže 14 miliona °C, ali specifična snaga termonuklearne reakcije u takvim uslovima je samo 276,5 W/m³, a Suncu je potrebno nekoliko milijardi godina da u potpunosti potroši svoje gorivo. Takvi uvjeti su neprihvatljivi za termonuklearni reaktor, jer ćemo pri tako niskom nivou oslobađanja energije neminovno potrošiti više na zagrijavanje i kompresiju termonuklearnog goriva nego što ćemo dobiti od reakcije zauzvrat.

Kako temperatura goriva raste, sve veći udio atoma počinje imati energiju koja prelazi Kulonovu barijeru i efikasnost reakcije se povećava, dostižući svoj vrhunac. Daljnjim povećanjem temperature, brzina reakcije ponovo počinje opadati zbog činjenice da kinetička energija atoma postaje previsoka i oni "prevaljuju" jedni druge, nesposobni da se drže zajedno snažnom nuklearnom interakcijom.

Tako je prilično brzo dobijeno rješenje kako dobiti energiju iz kontrolirane termonuklearne reakcije, ali se realizacija ovog zadatka otegla pola stoljeća i još nije završena. Razlog tome leži u zaista suludim uslovima u koje se pokazalo da je to bilo potrebno smjestiti termonuklearnog goriva– za pozitivan prinos iz reakcije, njena temperatura je trebala biti nekoliko desetina miliona °C.

Nijedan zid fizički nije mogao izdržati takvu temperaturu, ali ovaj problem je gotovo odmah doveo do njegovog rješenja: budući da je tvar zagrijana na takve temperature vruća plazma (potpuno jonizirani plin) koja je pozitivno nabijena, ispostavilo se da je rješenje na površini - samo smo morali da stavimo tako zagrejanu plazmu u jako magnetno polje, koje će držati termonuklearno gorivo na bezbedna udaljenost sa zidova.

Napredak u njegovoj implementaciji

Istraživanja na ovu temu idu u nekoliko smjerova odjednom:

1. Koristeći supravodljive magnete, naučnici pokušavaju da smanje energiju koja se troši na paljenje i održavanje reakcije;
2. uz pomoć novih generacija superprovodnika povećava se indukcija magnetnog polja unutar reaktora, što omogućava zadržavanje plazme veće gustine i temperature, što povećava gustina snage reaktori po jedinici njihove zapremine;
3. istraživanja u oblasti vruće plazme i napredak u ovoj oblasti kompjuterska tehnologija omogućavaju bolju kontrolu tokova plazme, čime se fuzioni reaktori približavaju njihovim teoretskim granicama efikasnosti;
4. Napredak u prethodnom području nam također omogućava da plazmu duže zadržimo u stabilnom stanju, što povećava efikasnost reaktora zbog činjenice da ne moramo toliko često zagrijavati plazmu.

Unatoč svim poteškoćama i problemima koji su bili na putu do kontrolirane termonuklearne reakcije, ova priča se već bliži svom kraju. U energetskoj industriji uobičajeno je da se za izračunavanje efikasnosti goriva koristi indikator EROEI - povrat energije na uloženu energiju (omjer energije utrošene u proizvodnju goriva i količine energije koju na kraju dobijemo iz njega). I dok EROEI uglja nastavlja da raste, ovaj pokazatelj za naftu i gas dostigao je svoj vrhunac sredinom prošlog veka i sada u stalnom opadanju zbog činjenice da se nova nalazišta ovih goriva nalaze na sve nepristupačnim mestima i na sve nedostupnijim mestima. veće dubine:

Istovremeno, takođe ne možemo povećati proizvodnju uglja iz razloga što je dobijanje energije iz njega veoma prljav proces i bukvalno sada oduzima živote ljudi od raznih plućnih bolesti. Na ovaj ili onaj način, sada stojimo na pragu kraja ere fosilnih goriva – i to nisu mahinacije ekologa, već banalne ekonomske kalkulacije kada se gleda u budućnost. Istovremeno, EROI eksperimentalnih termonuklearnih reaktora, koji se takođe pojavio sredinom prošlog veka, stalno je rastao i 2007. dostigao psihološku barijeru od jedne – odnosno ove godine je čovečanstvo prvi put uspelo da dobije više energije. kroz termonuklearnu reakciju nego što je potrošio na njeno sprovođenje. I unatoč činjenici da će implementacija reaktora, eksperimenti s njim i proizvodnja prve demonstracijske termonuklearne elektrane DEMO na temelju iskustva stečenog tijekom implementacije ITER-a još uvijek potrajati. Više nema sumnje da je naša budućnost u takvim reaktorima.

Inovativni projekti koji koriste moderne superprovodnike uskoro će omogućiti implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije, kako kažu neki optimisti. Stručnjaci, međutim, predviđaju da će praktična primjena trajati nekoliko decenija.

Zašto je tako teško?

Energija fuzije se smatra potencijalnim izvorom.To je čista atomska energija. Ali šta je to i zašto je to tako teško postići? Prvo, morate razumjeti razliku između klasične i termonuklearne fuzije.

Atomska fisija je gdje se radioaktivni izotopi - uranijum ili plutonijum - cijepaju i pretvaraju u druge visoko radioaktivne izotope, koji se zatim moraju odložiti ili reciklirati.

Fuzija se sastoji od dva izotopa vodika - deuterija i tricijuma - koji se spajaju u jednu cjelinu, stvarajući netoksični helij i jedan neutron, bez stvaranja radioaktivnog otpada.

Problem kontrole

Reakcije koje se dešavaju na Suncu ili u hidrogenskoj bombi su termonuklearna fuzija, a inženjeri su suočeni sa ogromnim zadatkom - kako kontrolisati ovaj proces u elektrani?

Ovo je nešto na čemu naučnici rade od 1960-ih. Još jedan eksperimentalni termonuklearni fuzijski reaktor nazvan Wendelstein 7-X počeo je s radom u gradu Greifswaldu na sjeveru Njemačke. Još nije namijenjen stvaranju reakcije - to je samo poseban dizajn koji se testira (stelarator umjesto tokamaka).

Plazma visoke energije

Sve termonuklearne instalacije imaju zajednička karakteristika- u obliku prstena. Zasnovan je na ideji korištenja snažnih elektromagneta za stvaranje jakog elektromagnetno polje, koji ima oblik torusa - napuhana cijev za bicikl.

Ovo elektromagnetno polje mora biti toliko gusto da kada se zagrije mikrovalna pecnica do milion stepeni Celzijusa, plazma bi se trebala pojaviti u samom centru prstena. Zatim se zapali kako bi nuklearna fuzija mogla započeti.

Demonstracija sposobnosti

U Evropi trenutno postoje dva sličan eksperiment. Jedan od njih je Wendelstein 7-X, koji je nedavno generirao svoju prvu helijum plazmu. Drugi je ITER, ogromno eksperimentalno postrojenje za fuziju na jugu Francuske koje je još uvijek u izgradnji i koje će biti spremno za pokretanje 2023.

Pretpostavlja se da će na ITER-u doći do pravih nuklearnih reakcija, ali samo za kratak period vrijeme i svakako ne duže od 60 minuta. Ovaj reaktor je samo jedan od mnogih koraka ka praktičnoj nuklearnoj fuziji.

Fuzijski reaktor: manji i snažniji

Nedavno je nekoliko dizajnera najavilo novi dizajn reaktora. Prema riječima grupe studenata sa Massachusetts Institute of Technology, kao i predstavnika proizvođača oružja Lockheed Martin, nuklearna fuzija se može postići u objektima koji su mnogo moćniji i manji od ITER-a, a spremni su to učiniti u roku od deset godine.

Ideja novog dizajna je korištenje modernih visokotemperaturnih supravodiča u elektromagnetima, koji svoja svojstva pokazuju kada se hlade tekućim dušikom, a ne konvencionalnih, za koje je potrebna nova, više fleksibilna tehnologijaće nam omogućiti da u potpunosti promijenimo dizajn reaktora.

Klaus Hesch, zadužen za tehnologiju na Tehnološkom institutu Karlsruhe u jugozapadnoj Njemačkoj, skeptičan je. Podržava upotrebu novih visokotemperaturnih supravodiča za nove dizajne reaktora. Ali, prema njegovim riječima, nije dovoljno razviti nešto na kompjuteru uzimajući u obzir zakone fizike. Potrebno je uzeti u obzir izazove koji se javljaju prilikom sprovođenja ideje u praksu.

Naučna fantastika

Prema Heschu, model studenata MIT-a pokazuje samo izvodljivost projekta. Ali u stvari ima mnogo toga naučna fantastika. Projekat pretpostavlja da je to ozbiljno tehnički problemi termonuklearna fuzija riješena. Ali moderna nauka nema pojma kako ih riješiti.

Jedan od takvih problema je ideja sklopivih kolutova. U MIT dizajnu, elektromagneti se mogu rastaviti da bi ušli u prsten koji drži plazmu.

Ovo bi bilo vrlo korisno jer bi bilo moguće pristupiti objektima interni sistem i zamijenite ih. Ali u stvarnosti, superprovodnici su napravljeni od keramičkog materijala. Stotine njih moraju biti isprepletene na sofisticiran način da bi se formiralo ispravno magnetno polje. I tu dolazi do fundamentalnije teškoće: veze između njih nisu tako jednostavne kao veze između bakrenih kablova. Niko nije ni razmišljao o konceptima koji bi pomogli u rješavanju takvih problema.

Prevruće

Problem predstavlja i visoka temperatura. U jezgru fuzione plazme temperatura će dostići oko 150 miliona stepeni Celzijusa. Ova ekstremna toplota ostaje na mestu – tačno u centru jonizovanog gasa. Ali čak i oko njega i dalje je veoma vruće - od 500 do 700 stepeni u zoni reaktora, što je unutrašnji sloj metalna cijev, u kojem će se "reproducirati" tricij neophodan za nuklearnu fuziju.

Ima više veliki problem- takozvana izlazna snaga. To je dio sistema u koji upotrijebljeno gorivo, uglavnom helijum, dolazi iz procesa sinteze. Prve metalne komponente u koje ulazi vrući plin nazivaju se "divertor". Može se zagrijati do preko 2000 °C.

Problem sa diverterom

Kako bi pomogli jedinici da izdrži takve temperature, inženjeri pokušavaju koristiti metalni volfram koji se koristi u staromodnim sijalicama sa žarnom niti. Tačka topljenja volframa je oko 3000 stepeni. Ali postoje i druga ograničenja.

To se može učiniti u ITER-u jer se zagrijavanje ne događa stalno. Očekuje se da će reaktor raditi samo 1-3% vremena. Ali to nije opcija za elektranu koja mora raditi 24/7. I, ako neko tvrdi da može izgraditi manji reaktor iste snage kao ITER, sa sigurnošću se može reći da nema rješenje za problem divertera.

Elektrana nakon nekoliko decenija

Ipak, naučnici su optimistični u pogledu razvoja termonuklearnih reaktora, iako neće biti tako brz kako neki entuzijasti predviđaju.

ITER bi trebao pokazati da kontrolirana fuzija zapravo može proizvesti više energije nego što bi bila utrošena na zagrijavanje plazme. Sljedeći korak bit će izgradnja potpuno nove hibridne demonstracijske elektrane koja zapravo proizvodi električnu energiju.

Inženjeri već rade na njegovom dizajnu. Morat će izvući pouke iz ITER-a, čije je lansiranje planirano za 2023. S obzirom na vrijeme potrebno za projektovanje, planiranje i izgradnju, čini se malo vjerojatnim da će prva fuzijska elektrana biti dostupna mnogo ranije od sredine 21. stoljeća.

Cold Fusion Rusija

Godine 2014., nezavisno testiranje reaktora E-Cat zaključilo je da je uređaj proizveo u prosjeku 2.800 vati izlazne snage u periodu od 32 dana dok je trošio 900 vati. Ovo je više nego što bilo koja hemijska reakcija može osloboditi. Rezultat govori ili o proboju u termonuklearnoj fuziji ili o otvorenoj prijevari. Izvještaj je razočarao skeptike, koji postavljaju pitanje da li je pregled zaista nezavisan i sugeriraju moguće falsifikovanje rezultata testa. Drugi su krenuli u otkrivanje "tajnih sastojaka" koji omogućavaju Rossijevu fuziju kako bi replicirali tehnologiju.

Da li je Rossi prevarant?

Andrea je impresivna. On izdaje proglase svijetu na jedinstvenom engleskom jeziku u dijelu za komentare na svojoj web stranici, pretenciozno nazvanoj Journal of Nuclear Physics. Ali njegovi prethodni neuspjeli pokušaji uključivali su talijanski projekat pretvaranja otpada u gorivo i termoelektrični generator. Petroldragon, projekat pretvaranja otpada u energiju, djelomično je propao zato što ilegalno odlaganje otpada kontrolira talijanski organizirani kriminal, koji je protiv njega podnio krivične prijave zbog kršenja propisa o otpadu. Takođe je kreirao termoelektrični uređaj za Inženjerski korpus američke vojske, ali je tokom testiranja gadžet proizveo samo delić navedene snage.

Mnogi ne veruju Rusiji, ali Glavni urednik New Energy Times direktno ga je nazvao kriminalcem iza kojeg stoji niz neuspješnih energetskih projekata.

Nezavisna verifikacija

Rossi je potpisao ugovor sa američkom kompanijom Industrial Heat za provođenje jednogodišnjeg tajnog testiranja postrojenja za hladnu fuziju od 1 MW. Uređaj je bio transportni kontejner upakovan sa desetinama E-Mačaka. Eksperiment je morala da prati treća strana koja je mogla da potvrdi da se toplota zaista stvara. Rossi tvrdi da je veći dio protekle godine proveo u suštini živeći u kontejneru i posmatrajući operacije više od 16 sati dnevno kako bi dokazao komercijalnu održivost E-Cata.

Test je završen u martu. Rossijeve pristalice željno su iščekivale izvještaj posmatrača, nadajući se oslobađajućoj presudi za svog heroja. Ali na kraju su dobili tužbu.

Suđenje

U svom podnesku sudu u Floridi, Rossi kaže da je test bio uspješan i da je nezavisni arbitar potvrdio da je reaktor E-Cat proizveo šest puta više energije nego što je potrošio. Takođe je tvrdio da je Industrial Heat pristao da mu plati 100 miliona US$ - 11,5 miliona US$ unapred nakon 24-satnog probnog perioda (navodno zbog prava na licenciranje kako bi kompanija mogla da proda tehnologiju u SAD) i još 89 miliona US$ nakon uspešnog završetka produženo suđenje u roku od 350 dana. Rossi je optužio IH da vodi "prevarnu šemu" za krađu njegovog intelektualnog vlasništva. On je takođe optužio kompaniju da je otuđila reaktore E-Cat, ilegalno kopirajući inovativne tehnologije i proizvodi, funkcionalnost dizajne i neprikladan pokušaj da se dobije patent na njegovu intelektualnu svojinu.

Rudnik zlata

Na drugom mjestu, Rossi tvrdi da je u jednoj od svojih demonstracija IH dobio 50-60 miliona dolara od investitora i još 200 miliona dolara od Kine nakon rekonstrukcije u kojoj su učestvovali visoki kineski zvaničnici. Ako je to tačno, onda je u igri mnogo više od sto miliona dolara. Industrial Heat je odbacio ove tvrdnje kao neosnovane i namjerava se energično braniti. Što je još važnije, ona tvrdi da je "radila više od tri godine da potvrdi rezultate koje je Rossi navodno postigao svojom E-Cat tehnologijom, ali bez uspjeha."

IH ne vjeruje da će E-Cat raditi, a New Energy Times ne vidi razloga da sumnja u to. U junu 2011. predstavnik publikacije posjetio je Italiju, intervjuisao Rossija i snimio demonstraciju njegovog E-Cata. Dan kasnije izvijestio je o ozbiljnoj zabrinutosti zbog načina mjerenja toplotne snage. Šest dana kasnije, novinar je svoj video postavio na YouTube. Stručnjaci iz cijelog svijeta poslali su mu analize koje su objavljene u julu. Postalo je jasno da se radi o prevari.

Eksperimentalna potvrda

Ipak, brojni istraživači - Aleksandar Parhomov iz ruski univerzitet Prijateljstvo naroda i Memorijalni projekat Martina Fleischmanna (MFPM) - uspjeli su reproducirati rusku hladnu termonuklearnu fuziju. Izvještaj MFPM-a nosio je naslov “Kraj ere ugljika je blizu”. Razlog za ovo divljenje bilo je otkriće koje se ne može objasniti osim termonuklearnom reakcijom. Prema istraživačima, Rossi ima upravo ono što kaže.

Viable otvoreni recept hladna fuzija može izazvati energetsku „zlatnu groznicu“. Može se naći alternativne metode, koji će zaobići Rossijeve patente i držati ga podalje od više milijardi dolara vrijednog energetskog posla.

Dakle, možda bi Rossi radije izbjegao ovu potvrdu.

Budući da nuklearne sile privlačenja djeluju između atomskih jezgri na malim udaljenostima, kada se dvije jezgre približe jedna je druga moguća je njihova fuzija, odnosno sinteza težeg jezgra. Sve atomska jezgra imaju pozitivan električni naboj i stoga se međusobno odbijaju na velikim udaljenostima. Da bi se jezgre spojile i ušle u reakciju nuklearne fuzije, moraju imati dovoljnu kinetičku energiju da savladaju međusobno električno odbijanje, koje je veće što je naboj jezgra veći. Stoga je najlakši način sintetizirati laka jezgra s niskim električnim nabojem. U laboratoriju se fuzijske reakcije mogu promatrati ispaljivanjem brzih jezgara na metu, ubrzanih u posebnom akceleratoru (vidi Ubrzivači nabijenih čestica). U prirodi se reakcije fuzije dešavaju u veoma vrućoj materiji, na primer u unutrašnjosti zvezda, uključujući i centar Sunca, gde je temperatura 14 miliona stepeni i energija termičko kretanje neke od najbržih čestica dovoljne su da savladaju električno odbijanje. Nuklearna fuzija koja se javlja u zagrijanoj materiji naziva se termonuklearna fuzija.

Termonuklearne reakcije koje se dešavaju u dubinama zvijezda igraju vrlo važnu ulogu u evoluciji Univerzuma. Oni su izvor jezgara hemijskih elemenata koji se sintetiziraju iz vodonika u zvijezdama. Oni su izvor energije za zvijezde. Glavni izvor energije sa Sunca su reakcije takozvanog proton-protonskog ciklusa, kao rezultat kojeg se iz 4 protona rađa jezgro helija. Energiju koja se oslobađa tokom fuzije prenose rezultirajuća jezgra, kvanti elektromagnetnog zračenja, neutroni i neutrini. Posmatranjem toka neutrina koji dolazi sa Sunca, moguće je ustanoviti koje se reakcije nuklearne fuzije i kojim intenzitetom odvijaju u njegovom središtu.

Jedinstvena karakteristika termonuklearnih reakcija kao izvora energije je veoma veliko oslobađanje energije po jedinici mase reagujućih supstanci – 10 miliona puta više nego u hemijskim reakcijama. Ulazak u sintezu 1 g izotopa vodika je ekvivalentan sagorijevanju 10 tona benzina. Stoga naučnici već dugo nastoje ovladati ovim gigantskim izvorom energije. U principu, već danas znamo kako dobiti energiju termonuklearne fuzije na Zemlji. Moguće je zagrijati materiju na zvjezdane temperature koristeći energiju atomske eksplozije. Tako to funkcionira H-bomba- najstrašnije oružje našeg vremena, u kojem eksplozija nuklearnog fitilja dovodi do trenutnog zagrijavanja mješavine deuterija i tritijuma i naknadne termonuklearne eksplozije.

Ali naučnici ne teže takvoj nekontroliranoj sintezi koja bi mogla uništiti sav život na Zemlji. Oni traže načine za implementaciju kontrolirane termonuklearne fuzije. Koji uslovi moraju biti ispunjeni za to? Prije svega, naravno, potrebno je termonuklearno gorivo zagrijati na temperaturu na kojoj se sa značajnom vjerovatnoćom mogu javiti reakcije fuzije. Ali ovo nije dovoljno. Neophodno je da se tokom fuzije oslobodi više energije nego što se troši na zagrijavanje tvari, ili, još bolje, da brze čestice nastale tokom fuzije same održavaju potrebnu temperaturu goriva. Da bi se to postiglo, potrebno je da supstanca koja ulazi u sintezu bude pouzdano toplotno izolovana od okolnog i, naravno, hladnog okruženja na Zemlji, odnosno da je vreme hlađenja, ili kako se kaže, vreme zadržavanja energije dovoljno dugo .

Zahtjevi za temperaturu i vrijeme zadržavanja ovise o korištenom gorivu. Najlakši način da se izvede sinteza je između teških izotopa vodonika - deuterijuma (D) i tricijuma (T). U ovom slučaju, reakcija rezultira jezgrom helijuma (He 4) i neutronom. Deuterijum se na Zemlji nalazi u ogromnim količinama u morskoj vodi (jedan atom deuterijuma na svakih 6.000 atoma vodika). Tricijum ne postoji u prirodi. Danas se umjetno proizvodi zračenjem litija u nuklearnim reaktorima neutronima. Odsustvo tricijuma, međutim, nije prepreka za upotrebu D-T reakcije sinteza, budući da se neutron proizveden tokom reakcije može koristiti za reprodukciju tricijuma zračenjem litijuma, čije su rezerve na Zemlji prilično velike.

Za implementacija D-T Reakcija je najpovoljnija na temperaturama od oko 100 miliona stepeni. Potreba za vremenom zadržavanja energije zavisi od gustine reagovane supstance, koja će na takvoj temperaturi neizbežno biti u obliku plazme, odnosno jonizovanog gasa. Pošto je intenzitet termonuklearnih reakcija veći, što je veća gustina plazme, zahtevi za vremenom zadržavanja energije su obrnuto proporcionalni gustini. Ako gustinu izrazimo u obliku broja jona po 1 cm 3, onda se za D-T reakciju na optimalnoj temperaturi uslov za dobijanje korisne energije može zapisati u obliku: proizvod gustine n i vremena zadržavanja energije τ mora biti veći od 10 14 cm −3 s, tj. plazma gustoće od 10 14 jona po 1 cm 3 trebala bi se primjetno ohladiti ne brže od 1 s.

Budući da je toplinska brzina vodikovih jona na traženoj temperaturi 10 8 cm/s, joni prelete 1000 km za 1 s. Stoga su potrebni posebni uređaji kako bi se spriječilo da plazma dođe do zidova koji je izoliraju. Plazma je plin koji se sastoji od mješavine jona i elektrona. Nabijene čestice koje se kreću kroz magnetsko polje podliježu sili koja savija njihovu putanju i tjera ih da se kreću u krugovima s polumjerima proporcionalnim impulsu čestica i obrnuto proporcionalnim magnetskom polju. Dakle, magnetsko polje može spriječiti nabijene čestice da pobjegnu u smjeru okomitom na linije polja. Ovo je osnova za ideju magnetne toplotne izolacije plazme. Magnetno polje, međutim, ne sprečava kretanje čestica duž linija sile: u opštem slučaju, čestice se kreću spiralno, vijugajući oko linija sile.

Fizičari su smislili razne trikove kako bi spriječili čestice da pobjegnu duž linija polja. Možete, na primjer, napraviti "magnetne čepove" - ​​područja sa jačim magnetnim poljem koja reflektiraju neke od čestica, ali je najbolje da umotate linije polja u prsten i koristite toroidno magnetno polje. Ali jedno toroidno polje, pokazalo se, nije dovoljno.

Toroidalno polje je nehomogeno u prostoru - njegov intenzitet opada duž radijusa, a u neujednačenom polju dolazi do sporog kretanja nabijenih čestica - tzv. drifta - preko magnetnog polja. Ovaj drift se može eliminisati propuštanjem struje kroz plazmu duž strujnog kola torusa. Magnetno polje struje, koje se dodaje toroidnom vanjskom polju, učinit će cjelokupno polje spiralnim.

Krećući se spiralno duž linija sile, nabijene čestice će se kretati od gornje poluravnine torusa prema donjoj i nazad. U isto vrijeme, uvijek će se kretati u jednom smjeru, na primjer prema gore. Ali, budući da se nalaze u gornjoj poluravni i lebdeći prema gore, čestice se udaljavaju od srednje ravni torusa, a nalazeći se u donjoj poluravni i takođe povlačeći se prema gore, čestice se vraćaju u nju. Tako se pomaci u gornjoj i donjoj polovini torusa međusobno kompenzuju i ne dovode do gubitaka čestica. Upravo tako je projektovan magnetni sistem instalacija tipa Tokamak, na kojem najbolji rezultati o grijanju i toplinskoj izolaciji plazme.

Osim toplinske izolacije plazme, potrebno je osigurati i njeno zagrijavanje. U tokamaku se u tu svrhu može koristiti struja koja teče kroz plazma kabel. U drugim uređajima, gdje se zatvaranje vrši bez struje, kao i u samom Tokamaku, koriste se i drugi načini grijanja za zagrijavanje na vrlo visoke temperature, na primjer, korištenjem visokofrekventnih elektromagnetnih valova, ubrizgavanjem (uvođenjem) u plazmu snopovi brzih čestica, svjetlosni snopovi generirani snažnim laserima, itd. Što je veća snaga uređaja za grijanje, to se plazma brže može zagrijati na potrebnu temperaturu. Razvoj u posljednjih nekoliko godina bio je vrlo moćni laseri i izvori snopova relativistički nabijenih čestica omogućili su zagrijavanje malih količina materije na termonuklearne temperature u vrlo kratkom vremenu, toliko kratkom da se materija ima vremena zagrijati i ući u reakcije fuzije prije nego što se rasprši uslijed toplinskog kretanja. U takvim uslovima dodatna toplotna izolacija pokazalo se nepotrebnim. Jedina stvar koja sprečava čestice da se razlete je njihova sopstvena inercija. Uređaji za fuziju zasnovani na ovom principu nazivaju se inercijski uređaji za zatvaranje. Ovaj novi pravac istraživanja, nazvan inercijalna termonuklearna fuzija, trenutno se ubrzano razvija.