Nuklearna fuzija umjesto fisije (put spasa za čovječanstvo?). Hladna fuzija: eksperimenti stvaraju energiju koja ne bi trebala postojati

Prema modernim astrofizičkim konceptima, glavni izvor energije Sunca i drugih zvijezda je termonuklearna fuzija koja se odvija u njihovim dubinama. U zemaljskim uslovima, to se izvodi tokom eksplozije hidrogenske bombe. Termonuklearnu fuziju prati kolosalno oslobađanje energije po jedinici mase reagujućih supstanci (oko 10 miliona puta veće nego u hemijskim reakcijama). Stoga je od velikog interesa savladati ovaj proces i iskoristiti ga za stvaranje jeftinog i ekološki prihvatljivog izvora energije. Međutim, uprkos činjenici da se veliki naučni i tehnički timovi u mnogim razvijenim zemljama bave istraživanjem kontrolisane termonuklearne fuzije (CTF), još mnogo toga ostaje da se reši složeni problemi, prije nego što industrijska proizvodnja fuzijske energije postane stvarnost.

Moderne nuklearne elektrane koje koriste proces fisije samo djelimično zadovoljavaju svjetske potrebe za električnom energijom. Gorivo za njih su prirodni radioaktivni elementi uranijum i torijum, čije su obilje i rezerve u prirodi veoma ograničene; stoga se mnoge zemlje suočavaju s problemom njihovog uvoza. Glavna komponenta termonuklearnog goriva je izotop vodika deuterijum, koji se nalazi u morska voda. Njegove rezerve su javno dostupne i veoma velike (svjetski okeani pokrivaju ~71% Zemljine površine, a deuterijum čini oko 0,016% od ukupnog broja atoma vodika koji čine vodu). Pored dostupnosti goriva, izvori fuzijske energije imaju sljedeće važne prednosti u odnosu na nuklearne elektrane: 1) UTS reaktor sadrži mnogo manje radioaktivnih materijala od nuklearnog fisijskog reaktora, pa su stoga posljedice slučajnog ispuštanja radioaktivnih produkata manje opasne; 2) termonuklearne reakcije proizvode manje dugovječni radioaktivni otpad; 3) TCB omogućava direktan prijem električne energije.

FIZIČKE OSNOVE NUKLEARNE fuzije

Uspješna provedba fuzijske reakcije ovisi o svojstvima korištenih atomskih jezgri i sposobnosti dobivanja guste visokotemperaturne plazme, koja je neophodna za pokretanje reakcije.

Nuklearne sile i reakcije.

Oslobađanje energije tokom nuklearne fuzije je posledica izuzetno intenzivnih privlačnih sila koje deluju unutar jezgra; Ove sile drže zajedno protone i neutrone koji čine jezgro. Vrlo su intenzivni na udaljenostima od ~10–13 cm i izuzetno brzo slabe s povećanjem udaljenosti. Pored ovih sila, pozitivno nabijeni protoni stvaraju elektrostatičke sile odbijanja. Opseg elektrostatičkih sila je mnogo veći od raspona nuklearnih sila, tako da one počinju dominirati kada se jezgre uklone jedna od druge.

Kao što je pokazao G. Gamow, vjerovatnoća reakcije između dva približavajuća laka jezgra je proporcionalna , gdje je e – baza prirodnih logaritama, Z 1 I Z 2 – broj protona u jezgrima u interakciji, W je energija njihovog relativnog pristupa, i K– konstantni množitelj. Energija potrebna za izvođenje reakcije ovisi o broju protona u svakom jezgru. Ako je više od tri, onda je ta energija prevelika i reakcija je praktično nemoguća. Dakle, sa povećanjem Z 1 i Z 2 vjerovatnoća reakcije se smanjuje.

Vjerovatnoća da će dva jezgra biti u interakciji karakterizirana je “presjekom reakcije”, mjerenim u štalama (1 b = 10 –24 cm 2). Poprečni presjek reakcije je efektivna površina poprečnog presjeka jezgra u koju drugo jezgro mora "pasti" da bi došlo do njihove interakcije. Poprečni presjek reakcije deuterijuma sa tricijumom dostiže svoju maksimalnu vrijednost (~5 b) kada čestice u interakciji imaju relativnu energiju približavanja reda veličine 200 keV. Pri energiji od 20 keV, poprečni presjek postaje manji od 0,1 b.

Od milion ubrzanih čestica koje pogode metu, ne ulazi više od jedne nuklearna interakcija. Ostali rasipaju svoju energiju na elektrone ciljnih atoma i usporavaju do brzina pri kojima reakcija postaje nemoguća. Shodno tome, metoda bombardiranja čvrste mete ubrzanim jezgrima (kao što je bio slučaj u Cockroft-Waltonovom eksperimentu) nije pogodna za kontroliranu fuziju, jer je energija koja se dobije u ovom slučaju mnogo manja od utrošene energije.

Fuziona goriva.

Reakcije koje uključuju str, koji igraju glavnu ulogu u procesima nuklearne fuzije na Suncu i drugim homogenim zvijezdama, nisu od praktičnog interesa u zemaljskim uvjetima jer imaju premali poprečni presjek. Za termonuklearnu fuziju na Zemlji, prikladnija vrsta goriva, kao što je gore spomenuto, je deuterijum.

Ali najvjerovatnija reakcija se događa u jednakoj mješavini deuterija i tricijuma (DT mješavina). Nažalost, tricij je radioaktivan i zbog kratak period poluživot (T 1/2 ~ 12,3 godine) praktički se ne javlja u prirodi. Oni to shvataju vještački u fisijskim reaktorima, kao i kao nusproizvod u reakcijama s deuterijem. Međutim, odsustvo tricija u prirodi nije prepreka za upotrebu DT fuzijske reakcije, jer tricij se može proizvesti zračenjem izotopa 6 Li neutronima koji nastaju tijekom sinteze: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ako termonuklearnu komoru okružite slojem od 6 Li (prirodni litij sadrži 7%), tada možete u potpunosti reproducirati potrošni tricij. I iako se u praksi neki neutroni neizbježno gube, njihov gubitak se lako može nadoknaditi uvođenjem u ljusku elementa kao što je berilijum, čije jezgro, kada jedan brzi neutron udari u njega, emituje dva.

Princip rada termonuklearnog reaktora.

Reakcija fuzije lakih jezgri, čija je svrha dobivanje korisne energije, naziva se kontrolirana termonuklearna fuzija. Izvodi se na temperaturama reda stotina miliona Kelvina. Ovaj proces se do sada provodio samo u laboratorijama.

Vremenski i temperaturni uslovi.

Dobivanje korisne termonuklearne energije moguće je samo ako su ispunjena dva uslova. Prvo, mješavina namijenjena za sintezu mora se zagrijati do temperature na kojoj kinetička energija jezgri pruža veliku vjerovatnoću njihove fuzije pri sudaru. Drugo, reagirajuća smjesa mora biti vrlo dobro toplinski izolirana (odnosno, visoka temperatura mora se održavati dovoljno dugo da dođe do potrebnog broja reakcija i da energija oslobođena zbog toga premaši energiju koja se troši na zagrijavanje goriva).

U kvantitativnom obliku, ovaj uslov se izražava na sljedeći način. Za zagrijavanje termonuklearne mješavine potrebno je dati energiju jednom kubnom centimetru njene zapremine P 1 = knT, Gdje k– numerički koeficijent, n– gustina smjese (broj zrna po 1 cm3), T– potrebna temperatura. Da bi se reakcija održala, energija data termonuklearnoj smjesi mora se održavati vrijeme t. Da bi reaktor bio energetski isplativ, potrebno je da se za to vrijeme u njemu oslobodi više termonuklearne energije nego što je potrošeno na grijanje. Oslobođena energija (također po 1 cm3) izražava se na sljedeći način:

Gdje f(T) – koeficijent u zavisnosti od temperature smeše i njenog sastava, R– energija oslobođena u jednom elementarnom činu sinteze. Zatim uslov energetske isplativosti P 2 > P 1 će preuzeti formu

Posljednja nejednakost, poznata kao Lawsonov kriterij, je kvantitativno izražavanje zahtjevi za savršenu toplinsku izolaciju. Desna strana - "Lawsonov broj" - ovisi samo o temperaturi i sastavu smjese, a što je veća, zahtjevi za toplinskom izolacijom su stroži, tj. teže je napraviti reaktor. U području prihvatljivih temperatura, Lawsonov broj za čisti deuterijum je 10 16 s/cm 3 , a za ravnokomponentnu DT mješavinu – 2×10 14 s/cm 3 . Stoga je DT mješavina poželjnija termonuklearnog goriva.

U skladu sa Lawsonovim kriterijem, koji određuje energetski povoljnu vrijednost proizvoda gustine i vremena zatvaranja, termonuklearni reaktor bi trebao koristiti što veći n ili t. Stoga su studije CTS-a podijeljene na dvije različitim pravcima: u prvom, istraživači su pokušali da zadrže relativno rijetku plazmu koristeći magnetsko polje dovoljno dugo; u drugom, koristeći lasere za stvaranje plazme vrlo velike gustine za kratko vrijeme. Mnogo više rada je posvećeno prvom pristupu nego drugom.

Zatvaranje magnetne plazme.

Tokom reakcije fuzije, gustina vrućeg reagensa mora ostati na nivou koji bi omogućio dovoljno visok prinos korisne energije po jedinici zapremine pri pritisku koji plazma komora može da izdrži. Na primjer, za smjesu deuterijuma i tricijuma na temperaturi od 10 8 K, prinos je određen izrazom

Ako prihvatimo P jednako 100 W/cm 3 (što približno odgovara oslobođenoj energiji gorivne ćelije u reaktorima nuklearne fisije), zatim gustina n trebao bi biti cca. 10 15 jezgara/cm 3, i odgovarajući pritisak nT– približno 3 MPa. U ovom slučaju, prema Lawsonovom kriteriju, vrijeme zadržavanja mora biti najmanje 0,1 s. Za deuterijum-deuterijum plazmu na temperaturi od 10 9 K

U ovom slučaju, kada P= 100 W/cm 3, n» 3H10 15 jezgara/cm 3 i tlakom od približno 100 MPa, potrebno vrijeme zadržavanja će biti više od 1 s. Imajte na umu da su ove gustine samo 0,0001 gustine atmosferskog vazduha, tako da se reaktorska komora mora evakuisati do visokog vakuuma.

Gore navedene procjene vremena zatvaranja, temperature i gustine tipični su minimalni parametri potrebni za rad fuzijskog reaktora, a lakše se postižu u slučaju mješavine deuterijuma i tricijuma. Što se tiče termo nuklearne reakcije, koji nastaju prilikom eksplozije hidrogenske bombe i u utrobi zvijezda, treba imati na umu da se, zbog potpuno drugačijih uslova, u prvom slučaju odvijaju vrlo brzo, a u drugom - izuzetno sporo u odnosu na procese u termonuklearni reaktor.

Plazma.

Kada se plin jako zagrije, njegovi atomi gube dio ili sve svoje elektrone, što rezultira stvaranjem pozitivno nabijenih čestica koje se nazivaju ioni i slobodni elektroni. Na temperaturama iznad milion stepeni gas koji se sastoji od lakih elemenata je potpuno jonizovan, tj. svaki od svojih atoma gubi sve svoje elektrone. Gas u jonizovanom stanju naziva se plazma (termin je uveo I. Langmuir). Svojstva plazme značajno se razlikuju od svojstava neutralnog gasa. Kako plazma sadrži slobodne elektrone, plazma vrlo dobro provodi elektricitet, a njena provodljivost je proporcionalna T 3/2. Plazma se može zagrijati propuštanjem električne struje kroz nju. Provodljivost vodonične plazme na 10 8 K je ista kao i bakra pri sobnoj temperaturi. Toplotna provodljivost plazme je takođe veoma visoka.

Da bi se plazma, na primjer, održavala na temperaturi od 10 8 K, ona mora biti pouzdano toplinski izolirana. U principu, plazma se može izolovati od zidova komore stavljanjem u jako magnetno polje. To se osigurava silama koje nastaju pri interakciji struje magnetsko polje u plazmi.

Pod utjecajem magnetskog polja ioni i elektroni se kreću spiralno duž njega dalekovodi. Prijelaz s jedne linije polja na drugu moguć je prilikom sudara čestica i kada je poprečno električno polje. U nedostatku električnih polja, visokotemperaturna razrijeđena plazma, u kojoj su sudari rijetki, samo će polako difundirati preko linija magnetnog polja. Ako su linije magnetskog polja zatvorene, dajući im oblik petlje, tada će se čestice plazme kretati duž ovih linija, držeći se u području petlje. Pored takve zatvorene magnetske konfiguracije za zadržavanje plazme, otvoreni sistemi(sa linijama polja koje se protežu prema van od krajeva komore), u kojima čestice ostaju unutar komore zbog magnetnih „čepova“ koji ograničavaju kretanje čestica. Magnetski čepovi se stvaraju na krajevima komore, gdje se, kao rezultat postupnog povećanja jačine polja, formira suženi snop linija polja.

U praksi se pokazalo da je magnetno zatvaranje plazme dovoljno velike gustine daleko od lakog: u njoj često nastaju magnetohidrodinamičke i kinetičke nestabilnosti.

Magnetohidrodinamičke nestabilnosti su povezane sa krivinama i nagibima linija magnetnog polja. U tom slučaju, plazma se može početi kretati po magnetskom polju u obliku grudvica, za nekoliko milionitih dijelova sekunde napustit će zonu zatvaranja i predati toplinu zidovima komore. Takve nestabilnosti se mogu suzbiti davanjem određene konfiguracije magnetnom polju.

Kinetičke nestabilnosti su vrlo raznolike i manje su detaljno proučavane. Među njima ima i onih koji remete uređene procese, kao što je, na primjer, protok jednosmjerne električne struje ili mlaz čestica kroz plazmu. Druge kinetičke nestabilnosti uzrokuju veću brzinu transverzalne difuzije plazme u magnetskom polju nego što je predviđeno teorijom sudara za mirnu plazmu.

Sistemi sa zatvorenom magnetnom konfiguracijom.

Ako se na ionizirani vodljivi plin dovede jako električno polje, u njemu će se pojaviti struja pražnjenja, a istovremeno će se pojaviti i magnetsko polje koje ga okružuje. Interakcija magnetskog polja sa strujom dovest će do pojave tlačnih sila koje djeluju na nabijene čestice plina. Ako struja teče duž osi provodnog plazma kabela, tada nastale radijalne sile, poput gumenih traka, komprimiraju kabel, pomičući granicu plazme dalje od zidova komore koja ga sadrži. Ovaj fenomen, koji je teoretski predvidio W. Bennett 1934. godine, a prvi eksperimentalno demonstrirao A. Ware 1951. godine, naziva se efekat štipanja. Metoda štipanja se koristi za sadržavanje plazme; Njegova izuzetna karakteristika je da se gas zagreva na visoke temperature samom električnom strujom (omsko zagrevanje). Fundamentalna jednostavnost metode dovela je do njene upotrebe u prvim pokušajima zadržavanja vruće plazme, a proučavanje jednostavnog efekta štipanja, uprkos činjenici da je kasnije zamijenjen naprednijim metodama, omogućilo je bolje razumijevanje problema. sa kojima se eksperimentatori i danas suočavaju.

Osim difuzije plazme u radijalnom smjeru, opaža se i uzdužni drift i njen izlazak kroz krajeve plazma kabela. Gubici kroz krajeve mogu se eliminisati davanjem plazma komore u obliku krofne (torusa). U ovom slučaju dobija se toroidni stezanje.

Za jednostavni štipanje opisan gore, ozbiljan problem je njegova inherentna magnetohidrodinamička nestabilnost. Ako dođe do blagog savijanja plazma filamenta, tada će gustina linija magnetnog polja sa unutra savijanje se povećava (slika 1). Linije magnetnog polja, koje se ponašaju kao snopovi koji se opiru kompresiji, počeće brzo da se „izbijaju“, tako da će se savijanje povećavati sve dok se cijela struktura plazma kabla ne uništi. Kao rezultat toga, plazma će doći u kontakt sa zidovima komore i ohladiti se. Da bi se otklonila ova destruktivna pojava, prije prolaska glavne aksijalne struje, u komori se stvara uzdužno magnetsko polje, koje zajedno sa kasnije primijenjenim kružnim poljem „ispravlja“ početni zavoj plazma stupca (slika 2). Princip stabilizacije plazma stuba aksijalnim poljem je osnova dva obećavajuća projekta termonuklearni reaktori– tokamak i pinč sa obrnutim magnetnim poljem.

Otvorene magnetne konfiguracije.

Inercijalno zadržavanje.

Teorijski proračuni pokazuju da je termonuklearna fuzija moguća bez upotrebe magnetnih zamki. Da bi se to postiglo, posebno pripremljena meta (kugla od deuterijuma polumjera od oko 1 mm) se brzo komprimira do tako velike gustoće da termonuklearna reakcija ima vremena da se završi prije nego što cilj goriva ispari. Kompresija i zagrevanje do termonuklearne temperature mogu se izvesti ultra-moćnim laserskim impulsima, ravnomerno i istovremeno zračeći gorivu kuglu sa svih strana (slika 4). Trenutnim isparavanjem njegovih površinskih slojeva, čestice koje izlaze postižu vrlo velike brzine, a lopta je podložna velikim silama pritiska. One su slične reaktivnim silama koje pokreću raketu, s jedinom razlikom što su ovdje te sile usmjerene prema unutra, prema centru mete. Ova metoda može stvoriti pritiske reda veličine 10 11 MPa i gustine 10 000 puta veće od gustine vode. Pri takvoj gustoći će se gotovo sva termonuklearna energija osloboditi u obliku male eksplozije u vremenu od ~10–12 s. Mikroeksplozije koje nastaju, od kojih je svaka ekvivalentna 1-2 kg TNT-a, neće uzrokovati oštećenja reaktora, a implementacija niza takvih mikroeksplozija u kratkim intervalima omogućila bi realizaciju gotovo kontinuiranog proizvodnju korisne energije. Za inercijalno ograničenje, dizajn mete goriva je veoma važan. Meta u obliku koncentričnih sfera od teških i lagani materijaliće omogućiti postizanje najefikasnijeg isparavanja čestica i, posljedično, najveće kompresije.

Proračuni to pokazuju pri energiji lasersko zračenje reda veličine megadžula (10 6 J) i laserske efikasnosti od najmanje 10%, proizvedena termonuklearna energija mora premašiti energiju utrošenu na pumpanje lasera. Termonuklearne laserske instalacije dostupne su u istraživačkim laboratorijama u Rusiji, SAD-u, zapadnoj Evropi i Japanu. Trenutno se proučava mogućnost korištenja snopa teških jona umjesto laserskog snopa ili kombinovanja takvog snopa sa svjetlosnim snopom. Hvala za moderna tehnologija Ova metoda iniciranja reakcije ima prednost u odnosu na lasersku metodu, jer omogućava dobijanje više korisne energije. Nedostatak je teškoća fokusiranja zraka na metu.

JEDINICE SA MAGNETNIM DRŽANJEM

Magnetne metode zadržavanja plazme proučavaju se u Rusiji, SAD, Japanu i nizu evropskih zemalja. Glavna pažnja posvećena je instalacijama toroidnog tipa, kao što su tokamak i pinč sa obrnutim magnetnim poljem, koji su nastali kao rezultat razvoja jednostavnijih pinčeva sa stabilizirajućim uzdužnim magnetskim poljem.

Za zadržavanje plazme pomoću toroidnog magnetnog polja B j potrebno je stvoriti uslove pod kojima se plazma ne pomera prema zidovima torusa. To se postiže „uvijanjem“ linija magnetnog polja (tzv. „rotaciona transformacija“). Ovo uvijanje se radi na dva načina. U prvoj metodi, struja se propušta kroz plazmu, što dovodi do konfiguracije stabilnog štipa o kojoj smo već raspravljali. Magnetno polje struje B q J – B q zajedno sa B j kreira polje sažetka sa potrebnim curl-om. Ako B j B q, rezultirajuća konfiguracija je poznata kao tokamak (skraćenica za izraz „TORIDALNA KOMORA SA MAGNETSKIM KOLUMAMA“). Tokamak (slika 5) je razvijen pod vodstvom L.A. Artsimovicha u Institutu atomska energija njima. I. V. Kurčatova u Moskvi. At B j ~ B q dobijamo pinch konfiguraciju sa obrnutim magnetnim poljem.

U drugoj metodi, specijalni spiralni namotaji oko toroidalne plazma komore se koriste kako bi se osigurala ravnoteža zatvorene plazme. Struje u ovim namotajima stvaraju složeno magnetsko polje, što dovodi do uvrtanja linija sile ukupnog polja unutar torusa. Ovakvu instalaciju, nazvanu stelarator, razvili su na Univerzitetu Princeton (SAD) L. Spitzer i njegove kolege.

Tokamak.

Važan parametar o kojem ovisi ograničenje toroidalne plazme je “granica stabilnosti” q, jednako rB j/ R.B. q, gde r I R su mali i veliki radijusi toroidalne plazme, respektivno. Na niskom q Može se razviti spiralna nestabilnost - analogna nestabilnosti savijanja ravnog stezanja. Naučnici u Moskvi su eksperimentalno pokazali da kada q> 1 (tj. B j B q) mogućnost pojave nestabilnosti vijka je znatno smanjena. Ovo omogućava da se toplota koju stvara struja efikasno koristi za zagrevanje plazme. Kao rezultat dugogodišnjeg istraživanja, karakteristike tokamaka su značajno poboljšane, posebno zbog povećane uniformnosti polja i efikasnog čišćenja vakuumske komore.

Ohrabrujući rezultati dobijeni u Rusiji potaknuli su stvaranje tokamaka u mnogim laboratorijama širom svijeta, a njihova konfiguracija postala je predmet intenzivnih istraživanja.

Ohmsko zagrijavanje plazme u tokamaku nije dovoljno za izvođenje reakcije termonuklearne fuzije. To je zbog činjenice da kada se plazma zagrije, njena električni otpor, i kao rezultat toga, stvaranje topline tokom prolaska struje je naglo smanjeno. Nemoguće je povećati struju u tokamaku iznad određene granice, jer plazma kabel može izgubiti stabilnost i biti bačen na zidove komore. Stoga se za zagrijavanje plazme koriste razne dodatne metode. Najefikasniji od njih su ubrizgavanje visokoenergetskih zraka neutralnih atoma i mikrovalno zračenje. U prvom slučaju, ioni ubrzani do energije od 50-200 keV se neutraliziraju (kako bi se izbjeglo „reflektiranje“ magnetnog polja kada se unese u komoru) i ubrizgavaju se u plazmu. Ovdje se ponovo ioniziraju i u procesu sudara predaju svoju energiju plazmi. U drugom slučaju koristi se mikrovalno zračenje čija je frekvencija jednaka ionskoj ciklotronskoj frekvenciji (frekvenciji rotacije iona u magnetskom polju). Na ovoj frekvenciji gusta plazma se ponaša kao apsolutno crno tijelo, tj. potpuno apsorbuje upadnu energiju. Na tokamak JET zemljama Evropska unija Metodom ubrizgavanja neutralnih čestica dobijena je plazma s temperaturom jona od 280 miliona Kelvina i vremenom zadržavanja od 0,85 s. Termonuklearna snaga koja je dostigla 2 MW dobijena je upotrebom deuterijum-tricijum plazme. Trajanje reakcije ograničeno je pojavom nečistoća zbog prskanja zidova komore: nečistoće prodiru u plazmu i, kada se joniziraju, značajno povećavaju gubitke energije zbog zračenja. Trenutno je rad u okviru JET programa usmjeren na istraživanje mogućnosti kontrole nečistoća i njihovog uklanjanja tzv. "magnetni diverter".

Veliki tokamaci su kreirani i u SAD - TFTR, u Rusiji - T15 i u Japanu - JT60. Istraživanja provedena u ovim i drugim objektima postavila su temelje za daljnju fazu rada u oblasti kontrolirane termonuklearne fuzije: veliki reaktor za tehnička ispitivanja planiran je za puštanje u rad 2010. godine. Očekuje se da će to biti zajednički napor Sjedinjenih Država, Rusije, Evropske unije i Japana. vidi takođe TOKAMAK.

Stezanje obrnutog polja (FRP).

POP konfiguracija se razlikuje od tokamaka po tome što B q~ B j , ali je u ovom slučaju smjer toroidnog polja izvan plazme suprotan njegovom smjeru unutar plazma stupca. J. Taylor je pokazao da je takav sistem u stanju sa minimalnom energijom i uprkos q

Prednost POP konfiguracije je u tome što je u njoj odnos zapreminskih gustoća energije plazme i magnetnog polja (vrijednost b) veći nego u tokamaku. Od suštinske je važnosti da b bude što veći, jer će to smanjiti toroidno polje, a samim tim i cijenu zavojnica koje ga stvaraju i cijele noseće konstrukcije. Slabost POP-a je što je toplotna izolacija ovih sistema lošija od one kod tokamaka, a problem održavanja obrnutog polja nije riješen.

Stellarator.

U stelaratoru, zatvoreno toroidno magnetno polje je superponirano poljem stvorenim posebnim zavrtnjem namotanim oko kućišta kamere. Ukupno magnetno polje sprečava odvajanje plazme od centra i potiskuje određene vrste magnetohidrodinamičkih nestabilnosti. Sama plazma se može stvoriti i zagrijati bilo kojom od metoda koje se koriste u tokamaku.

Glavna prednost stelaratora je u tome što metoda zatvaranja koja se koristi u njemu nije povezana s prisutnošću struje u plazmi (kao u tokamacima ili u instalacijama zasnovanim na efektu štipanja), te stoga stelarator može raditi u stacionarnom režimu. Osim toga, vijčani namotaj može imati efekat „divertera“, tj. pročišćavaju plazmu od nečistoća i uklanjaju produkte reakcije.

Konfiniranje plazme u stelaratorima je opsežno proučavano u objektima u Evropskoj uniji, Rusiji, Japanu i SAD-u. Na stelaratoru Wendelstein VII u Njemačkoj bilo je moguće održavati plazmu bez struje s temperaturom većom od 5×10 6 kelvina, zagrijavajući je ubrizgavanjem atomskog zraka visoke energije.

Najnovija teorijska i eksperimentalna istraživanja su pokazala da se u većini opisanih instalacija, a posebno u zatvorenim toroidnim sistemima, vrijeme zadržavanja plazme može povećati povećanjem njenih radijalnih dimenzija i ograničavajućeg magnetnog polja. Na primjer, za tokamak je izračunato da će Lawsonov kriterij biti zadovoljen (pa čak i sa određenom marginom) pri jačini magnetskog polja od ~50 x 100 kG i malom radijusu toroidne komore od cca. 2 m Ovo su instalacijski parametri za 1000 MW električne energije.

Prilikom stvaranja tako velikih instalacija s magnetskom plazmom zatvaranjem, javljaju se potpuno novi tehnološki problemi. Za stvaranje magnetnog polja veličine 50 kg u zapremini od nekoliko kubnih metara koristeći vodeno hlađene bakrene zavojnice, bio bi potreban izvor energije od nekoliko stotina megavata. Stoga je očigledno da namotaji zavojnice moraju biti izrađeni od supravodljivih materijala, kao što su legure niobija sa titanom ili kalajem. Otpor ovih materijala na električnu struju u supravodljivom stanju je nula, pa će se stoga potrošiti na održavanje magnetskog polja. minimalni iznos struja.

Reaktorska tehnologija.

Izgledi za termonuklearna istraživanja.

Eksperimenti izvedeni na instalacijama tipa tokamak pokazali su da je ovaj sistem vrlo perspektivan kao moguća osnova za CTS reaktor. Najbolji rezultati do sada su postignuti sa tokamacima, a postoji nada da će uz odgovarajuće povećanje obima instalacija na njima biti moguće implementirati industrijski CTS. Međutim, tokamak nije dovoljno ekonomičan. Da bi se uklonio ovaj nedostatak, potrebno je da ne radi u pulsnom režimu, kao što je sada, već u kontinuiranom režimu. Ali fizički aspekti ovog problema još nisu dovoljno proučeni. Takođe je potrebno razvijati se tehnička sredstva, što bi poboljšalo parametre plazme i eliminisalo njene nestabilnosti. S obzirom na sve ovo, ne treba zaboraviti ni druge moguće, iako manje razvijene, opcije za termonuklearni reaktor, na primjer, stelarator ili pinč obrnutim poljem. Stanje istraživanja u ovoj oblasti dostiglo je fazu da postoje idejni projekti reaktora za većinu sistema magnetnog zatvaranja za visokotemperaturnu plazmu i za neke inercione sisteme zatvaranja. Primjer industrijskog razvoja tokamaka je projekt Aries (SAD).

Shikanov A.S. // Sorosev edukativni časopis, br. 8, 1997, str: 86-91

Pogledaćemo fizičke principe laserske termonuklearne fuzije - naučne oblasti koja se brzo razvija, a koja se zasniva na dva izuzetna otkrića 20. veka: termonuklearnim reakcijama i laserima.

Termonuklearne reakcije nastaju tokom fuzije (fuzije) jezgara lakih elemenata. Istovremeno, uz obrazovanje, više teški elementi višak energije se oslobađa u obliku kinetičke energije konačnih produkta reakcije i gama zračenja. Veliko oslobađanje energije tokom termonuklearnih reakcija privlači pažnju naučnika zbog mogućnosti njihove praktične primene u zemaljskim uslovima. Dakle, termonuklearne reakcije u velikim razmjerima provode se u vodikovoj (ili termonuklearnoj) bombi.

Mogućnost korištenja energije oslobođene tokom termonuklearnih reakcija za rješavanje energetskog problema čini se izuzetno atraktivnom. Činjenica je da je gorivo za ovu metodu proizvodnje energije izotop vodika deuterijum (D), čije su rezerve u Svjetskom okeanu praktički neiscrpne.

TERMONUKLEARNE REAKCIJE I KONTROLISANA fuzija

Termonuklearna reakcija je proces fuzije (ili fuzije) lakih jezgara u teže. Budući da to uključuje formiranje čvrsto vezanih jezgara iz labavih, proces je praćen oslobađanjem energije vezivanja. Najlakši način za spajanje je izotopi vodonika - deuterijum D i tricijum T. Jezgro deuterijuma - deuteron sadrži jedan proton i jedan neutron. Deuterijum se nalazi u vodi u omjeru od jednog dijela prema 6500 dijelova vodonika. Jezgro tricijuma, triton, sastoji se od protona i dva neutrona. Tricij je nestabilan (poluživot 12,4 godine), ali se može proizvesti nuklearnim reakcijama.

Fuzija jezgri deuterija i tricijuma proizvodi helijum He sa atomskom masom četiri i neutronom n. Kao rezultat reakcije oslobađa se energija od 17,6 MeV.

Fuzija jezgara deuterija odvija se kroz dva kanala sa približno istom vjerovatnoćom: u prvom se formiraju tricijum i proton p i oslobađa se energija jednaka 4 MeV; u drugom kanalu se nalazi helijum atomske mase 3 i neutron, a oslobođena energija je 3,25 MeV. Ove reakcije su predstavljene kao formule

D + T = 4He + n + 17,6 MeV,

D + D = T + p + 4,0 MeV,

D + D = 3He + n + 3,25 MeV.

Prije procesa fuzije, jezgra deuterija i tritijuma imaju energiju od oko 10 keV; energija produkta reakcije dostiže vrijednosti od reda jedinica i desetina megaelektronvolta. Također treba napomenuti da su poprečni presjek D + T reakcije i njena brzina javljanja mnogo veći (stotine puta) nego kod D + D reakcije. Posljedično, za D + T reakciju je mnogo lakše postići stanja kada oslobođena termonuklearna energija premašuje troškove organizacije procesa spajanja.

Moguće su i reakcije sinteze koje uključuju druga jezgra elemenata (na primjer, litij, bor, itd.). Međutim, presjeci reakcije i njihove brzine za ove elemente su znatno manji nego za izotope vodika i postižu primjetne vrijednosti samo za temperature reda 100 keV. Postizanje takvih temperatura u termonuklearnim instalacijama trenutno je potpuno nerealno, stoga samo reakcije fuzije izotopa vodika mogu imati praktična upotreba uskoro.

Kako se može izvesti termonuklearna reakcija? Problem je u tome što je fuzija jezgara spriječena električnim silama odbijanja. U skladu s Coulombovim zakonom, sila električnog odbijanja raste obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti između jezgri u interakciji F ~ 1/ r 2. Dakle, za sintezu jezgara dolazi do stvaranja novih elemenata i oslobađanja viška energije, potrebno je savladati Kulonovu barijeru, odnosno raditi protiv sila odbijanja, dajući energiju jezgrima potrebnu energiju.

Postoje dvije mogućnosti. Jedan od njih se sastoji u sudaru dva snopa svjetlosnih atoma ubrzanih jedan prema drugom. Ispostavilo se, međutim, da je ovaj način neefikasan. Činjenica je da je vjerovatnoća fuzije jezgara u ubrzanim snopovima izuzetno mala zbog male gustine jezgara i zanemarljivog vremena njihove interakcije, iako stvaranje snopova potrebne energije u postojećim akceleratorima nije problem.

Drugi način, na koji su se odlučili savremeni istraživači, je zagrijavanje supstance na visoke temperature (oko 100 miliona stepeni). Što je temperatura viša, to je veća prosječna kinetička energija čestica i veći njihov broj može savladati Kulonovu barijeru.

Za kvantitativnu procjenu efikasnosti termonuklearnih reakcija, uvodi se faktor povećanja energije Q jednak

gdje je Eout energija oslobođena kao rezultat fuzijskih reakcija, Eust je energija koja se koristi za zagrijavanje plazme do termonuklearne temperature.

Da bi energija koja se oslobađa kao rezultat reakcije bila jednaka troškovima energije za zagrijavanje plazme na temperature reda 10 keV, potrebno je ispuniti tzv. Lawsonov kriterij:

(Nt) $ 1014 s/cm3 za D-T reakciju,

(Nt) $ 1015 s/cm3 za D-D reakciju.

Ovdje je N gustina smjese deuterijum-tricijum (broj čestica po kubnom centimetru), t je vrijeme za efikasne reakcije fuzije.

Do danas su se pojavila dva uglavnom nezavisna pristupa rješavanju problema kontrolirane termonuklearne fuzije. Prvi od njih se zasniva na mogućnosti da se visokotemperaturna plazma relativno male gustine (N © 1014-1015 cm-3) ograniči i toplotno izoluje magnetnim poljem posebne konfiguracije na relativno dugo vreme (t © 1- 10 s). Takvi sistemi uključuju Tokamak (skraćeno od "toroidalna komora sa magnetnim zavojnicama"), predložen 50-ih godina u SSSR-u.

Drugi način je impuls. Uz pulsni pristup, potrebno je brzo zagrijati i komprimirati male dijelove materije na takve temperature i gustine na kojima bi termonuklearne reakcije imale vremena da se efikasno odvijaju za vrijeme postojanja neograničene ili, kako se kaže, inercijski zatvorene plazme. Procjene pokazuju da je za komprimiranje tvari do gustoće od 100-1000 g/cm3 i zagrijavanje na temperaturu T © 5-10 keV potrebno stvoriti pritisak na površini sferne mete P © 5 » 109 atm, odnosno potreban je izvor koji bi omogućio da se energija sa gustinom snage q © 1015 W/cm2 dovede do ciljne površine.

FIZIČKI PRINCIPI LASERSKE TERMONUKLEARNE FUZIJE

Po prvi put, ideju o korištenju laserskog zračenja velike snage za zagrijavanje guste plazme na termonuklearne temperature iznio je N.G. Basov i O.N. Krohin početkom 60-ih. Do danas se formirao nezavisni pravac termonuklearnih istraživanja - laserska termonuklearna fuzija (LTF).

Hajde da se ukratko zadržimo na tome koji su osnovni fizički principi ugrađeni u koncept postizanja visoki stepeni kompresiju supstanci i dobijanje velikih energetskih dobitaka korišćenjem laserskih mikroeksplozija. Zasnovat ćemo našu raspravu na primjeru takozvanog načina direktne kompresije. U ovom režimu, mikrosfera (slika 1), napunjena termonuklearnim gorivom, je „jednoliko“ ozračena sa svih strana višekanalnim laserom. Kao rezultat interakcije grijaćeg zračenja sa površinom mete, nastaje vruća plazma temperature od nekoliko kiloelektronvolti (tzv. plazma korona) koja leti prema laserskom snopu karakterističnim brzinama od 107-108 cm/s.

Bez mogućnosti da se detaljnije zadržimo na procesima apsorpcije u plazma koroni, napominjemo da je u eksperimentima modernog modela na nivoima energije laserskog zračenja od 10-100 kJ za mete uporedive po veličini sa ciljevima za velike faktore pojačanja, moguće postići visoke (© 90%) koeficijente apsorpcije grejnog zračenja.

Kao što smo već vidjeli, svjetlosna radijacija ne može prodrijeti u guste slojeve mete (gustina čvrstog tijela je © 1023 cm-3). Zbog toplotne provodljivosti, energija apsorbovana u plazmi sa gustinom elektrona manjom od ncr prenosi se u gušće slojeve, gde dolazi do ablacije ciljne supstance. Preostali neispareni slojevi mete, pod uticajem toplotnog i reaktivnog pritiska, ubrzavaju se prema centru, sabijajući i zagrevajući gorivo koje se u njemu nalazi (slika 2). Kao rezultat toga, energija laserskog zračenja se u fazi koja se razmatra pretvara u kinetička energija materija koja leti prema centru iu energiju leteće korone. Očigledno je da je korisna energija koncentrisana u kretanju prema centru. Efikasnost doprinosa svetlosne energije cilju karakteriše odnos navedene energije prema ukupnoj energiji zračenja - takozvana hidrodinamička efikasnost (efikasnost). Postizanje dovoljno visoke hidrodinamičke efikasnosti (10-20%) jedan je od važnih problema laserske termonuklearne fuzije.

Rice. 2. Radijalna raspodjela temperature i gustine materije u meti u fazi ubrzanja školjke prema centru

Koji procesi mogu spriječiti postizanje visokih omjera kompresije? Jedna od njih je da se pri gustoći termonuklearnog zračenja q > 1014 W/cm2 značajan dio apsorbirane energije transformiše ne u klasični talas toplotne provodljivosti elektrona, već u tokove brzih elektrona, čija je energija visoka. više tema temperature plazma korone (tzv. supratermalni elektroni). Ovo se može dogoditi i zbog rezonantne apsorpcije i zbog parametarskih efekata u plazma koroni. U ovom slučaju, dužina puta supratermalnih elektrona može se pokazati uporedivom sa veličinom mete, što će dovesti do predgrijavanja kompresibilnog goriva i nemogućnosti postizanja maksimalne kompresije. Visokoenergetski kvanti X-zraka (tvrdi X-zraci) koji prate supratermalne elektrone takođe imaju veliku sposobnost prodiranja.

Trend u eksperimentalnim istraživanjima posljednjih godina je prelazak na korištenje kratkotalasnog laserskog zračenja (l< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). Praktična mogućnost Prijelaz na zagrijavanje plazme kratkovalnim zračenjem nastaje zbog činjenice da su koeficijenti konverzije zračenja neodimijumskog lasera u čvrstom stanju (glavnog kandidata za pokretače laserske termonuklearne fuzije) valne dužine l = 1,06 μm u zračenje drugi, treći i četvrti harmonik korišćenjem nelinearnih kristala dostiže 70 -80%. Trenutno su gotovo svi veliki laserski sistemi od neodimijskog stakla opremljeni sistemima za množenje frekvencije. Fizički razlog prednosti upotrebe kratkotalasnog zračenja za zagrijavanje i kompresiju mikrosfera je taj što kako se talasna dužina smanjuje, raste apsorpcija u plazma koroni, a ablacijski pritisak i hidrodinamički koeficijent transmisije se povećavaju. Udio supratermalnih elektrona generiranih u plazma koroni smanjuje se za nekoliko redova veličine, što je izuzetno korisno i za direktne i za indirektne načine kompresije. Za indirektnu kompresiju, takođe je važno da se smanjivanjem talasne dužine povećava konverzija energije koju apsorbuje plazma u meko rendgensko zračenje. Hajde da se sada fokusiramo na mod indirektne kompresije. Fizička analiza pokazuje da je implementacija načina kompresije na visoke gustoće goriva optimalna za jednostavne i složene granate s omjerom R/DR od nekoliko desetina. Ovdje je R radijus ljuske, DR je njegova debljina. Međutim, jaka kompresija može biti ograničena razvojem hidrodinamičkih nestabilnosti, koje se očituju u odstupanju kretanja školjke u fazama njenog ubrzanja i usporavanja u centru od sferne simetrije i zavise od odstupanja početnog oblika ljuske. cilj od idealno sferične, nehomogene distribucije upadnih laserskih zraka po njegovoj površini. Razvoj nestabilnosti pri kretanju ljuske prema centru dovodi prvo do odstupanja kretanja od sferno simetričnog, zatim do turbulizacije strujanja i na kraju do miješanja slojeva mete i deuterijum-tricij goriva. Kao rezultat, može nastati formacija u konačnom stanju, čiji se oblik oštro razlikuje od sfernog jezgra, a prosječna gustoća i temperatura su znatno niže od vrijednosti koje odgovaraju jednodimenzionalnoj kompresiji. U ovom slučaju, početna struktura mete (na primjer, određeni skup slojeva) može biti potpuno poremećena. Fizička priroda ove vrste nestabilnosti je ekvivalentna nestabilnosti sloja žive koji se nalazi na površini vode u gravitacionom polju. U ovom slučaju, kao što je poznato, dolazi do potpunog miješanja žive i vode, odnosno u konačnom stanju živa će biti na dnu. Slična situacija može se desiti pri ubrzanom kretanju prema centru ciljne supstance koja ima složenu strukturu, ili u opštem slučaju u prisustvu gradijenata gustine i pritiska. Zahtjevi za kvalitetom meta su prilično strogi. Dakle, heterogenost debljine stijenke mikrosfere ne bi trebala prelaziti 1%, ujednačenost distribucije apsorpcije energije na ciljnoj površini ne bi trebala prelaziti 0,5%. Prijedlog za korištenje sheme indirektne kompresije upravo se odnosi na mogućnost rješavanja problema stabilnosti ciljne kompresije. Shematski dijagram eksperiment u načinu indirektne kompresije prikazan je na sl. 3. Lasersko zračenje se usmjerava u šupljinu (hohlraum), fokusirajući se na unutrašnju površinu vanjske ljuske, koja se sastoji od supstance sa visokim atomskim brojem, kao što je zlato. Kao što je već napomenuto, do 80% apsorbirane energije pretvara se u meko rendgensko zračenje, koje zagrijava i sabija unutrašnju školjku. Prednosti ovakve sheme uključuju mogućnost postizanja veće ujednačenosti distribucije apsorbirane energije po površini cilja, pojednostavljenje dizajna lasera i uslova fokusiranja itd. Međutim, postoje i nedostaci povezani s gubitkom energije za pretvaranje u rendgensko zračenje i složenošću uvođenja zračenja u šupljinu. Kakvo je trenutno stanje istraživanja laserske fuzije? Eksperimenti za postizanje visoke gustine kompresibilnog goriva u režimu direktne kompresije počeli su sredinom 70-ih na Fizičkom institutu. P.N. Lebedeva, gdje je gustina stišljivog deuterija © 10 g/cm3 postignuta pomoću Kalmarove instalacije sa energijom E = 200 J. Nakon toga, programi rada na LTS-u su se aktivno razvijali u SAD-u (instalacije Shiva, Nova u Livermorskoj nacionalnoj laboratoriji, Omega na Univerzitetu Rochester), Japanu (Gekko-12), Rusiji (Delfin na Institutu za fiziku Lebedev, Iskra-4 ", "Iskra-5" u Arzamasu-16) na nivou laserske energije od 1-100 kJ. Detaljno se proučavaju svi aspekti zagrijavanja i kompresije ciljeva različitih konfiguracija u direktnom i indirektnom režimu kompresije. Pritisci ablacije od ~100 Mbar i brzine kolapsa mikrosfere V > 200 km/s postižu se sa vrijednostima hidrodinamičke efikasnosti reda veličine 10%. Napredak u razvoju laserskih sistema i dizajna meta omogućio je da se obezbedi stepen ujednačenosti zračenja kompresibilne školjke od 1-2% i pod direktnom i indirektnom kompresijom. U oba moda su postignute gustine komprimovani gas 20-40 g/cm3, a na instalaciji Gekko-12 zabilježena je gustina komprimirane školjke od 600 g/cm3. Maksimalni prinos neutrona N = 1014 neutrona po bljesku.

ZAKLJUČAK

Dakle, čitav skup dobijenih eksperimentalnih rezultata i njihova analiza ukazuju na praktičnu izvodljivost sljedeće faze u razvoju laserske termonuklearne fuzije - postizanje gustine gasa deuterijum-tricijum od 200-300 g/cm3, sabijanje mete i postizanje vidljivih faktora pojačanja. k na energetskom nivou E = 1 MJ (vidi sliku 4 i ).

Trenutno se intenzivno razvija baza elemenata i izrađuju projekti laserskih instalacija na nivou megadžula. Livermorska laboratorija započela je izradu instalacije od neodimijskog stakla s energijom E = 1,8 MJ. Cijena projekta je 2 milijarde dolara, au Francuskoj se planira izgradnja instalacije sličnog nivoa. Ovom instalacijom planira se postići energetski dobitak od Q ~ 100. Mora se reći da će pokretanje instalacija ovog razmjera ne samo približiti mogućnost stvaranja termonuklearnog reaktora baziranog na laserskoj termonuklearnoj fuziji, već će omogućiti istraživači sa jedinstvenim fizičkim objektom - mikroeksplozijom sa oslobađanjem energije od 107-109 J, snažnim izvorom neutrona, neutrina, rendgenskih zraka i g-zračenja. Ovo neće imati samo veliki opšti fizički značaj (sposobnost proučavanja supstanci u ekstremnim stanjima, fizika sagorevanja, jednačine stanja, laserski efekti, itd.), već će omogućiti i rešavanje posebnih problema primenjenih, uključujući i vojne, priroda.

Za reaktor baziran na laserskoj fuziji, međutim, potrebno je stvoriti laser na nivou megadžula koji radi brzinom ponavljanja od nekoliko herca. Brojne laboratorije proučavaju mogućnosti stvaranja ovakvih sistema na bazi novih kristala. Pokretanje eksperimentalnog reaktora po američkom programu planirano je za 2025. godinu.

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 trebalo bi da bude toliko gusto da kada se zagreje u mikrotalasnoj pećnici na milion stepeni Celzijusa, plazma bi trebalo da se pojavi 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 u kratkom vremenskom periodu i svakako ne dužem 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, fleksibilnija tehnologija koja će u potpunosti promijeniti dizajn uređaja. reaktor.

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 zapravo u njemu ima mnogo naučne fantastike. 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 keramički materijal. Stotine njih moraju biti isprepletene na sofisticiran način da bi se formiralo ispravno magnetno polje. I tu se javlja fundamentalnija poteškoća: veze između njih nisu tako jednostavne kao veze 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 jako vruće - od 500 do 700 stepeni u zoni reaktora, što je unutrašnji sloj metalne cijevi u kojoj 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 svom jedinstvenom engleskom jeziku u dijelu za komentare na svojoj web stranici, pretenciozno nazvanom "The Journal nuklearna fizika" 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 vjeruju Rosiju, a glavni urednik New Energy Timesa 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 proizvoda, funkcionalnosti i dizajna i nepropisno pokušava da dobije patent za svoje intelektualno vlasništvo.

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

Međutim, brojni istraživači - Aleksandar Parkhomov sa Univerziteta prijateljstva naroda Rusije i Memorijalni projekat Martina Fleischmanna (MFPM) - uspjeli su reproducirati Rossijevu hladnu 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.

Održiv recept za hladnu fuziju otvorenog koda mogao bi izazvati energetsku zlatnu groznicu. Mogu se pronaći alternativne metode kako bi se zaobišli Rossijevi patenti i spriječili da se upusti u energetski posao vrijednog više milijardi dolara.

Dakle, možda bi Rossi radije izbjegao ovu potvrdu.

Portal Dobre vesti Rusije daje neverovatno optimističnu prognozu za blisku budućnost. Štaviše, ne tiče se samo naše zemlje, već podjednako i ostatka sveta:

Postoje društveno-političke revolucije (socijalističke, buržoaske, obojene), a postoje i naučne i tehničke revolucije (STR). Energetska revolucija je vrsta naučne i tehnološke revolucije.

Revolucija (lat. revolutio) je revolucija, transformacija - radikalna, radikalna, duboka, kvalitativna promjena, skok u razvoju.

Koja je energetska revolucija kojoj je naš svijet na pragu?

Kakva nas revolucija u oblasti energetike očekuje? Kakva kvalitativna promjena? Kakav će biti skok u razvoju i kako će se dogoditi?

Sve moderni pogledi izvori energije imaju različite nedostatke, od kojih su većina ili visoka cijena (instalacija, priključak, kilovat) ili niska dostupnost.

Svako ko je iskusio priključenje na električnu mrežu zna da ima puno problema i dostupnost ostavlja mnogo da se poželi. I trošak takođe.

Plin je jedan od najjeftinijih i ekološki najprihvatljivijih čiste vrste gorivo - ne sprovodi se svuda. Veoma je skupo voditi gasovod do udaljenih naselja. Tečni gas je skup. Plinska kotlarnica također košta mnogo. Kupi plinski cilindar i spajanje na peć nije teško, ali grijanje i snabdijevanje kuće strujom ne može se riješiti kupovinom bojlera. Osim toga, plin je eksplozivan.

Dizel, lož ulje - za upotrebu u kotlarnicama (generatorima) čak je skuplje od plina. Za korištenje na osobnim (kćeri) farmama, možete instalirati generator, ali će izlazna struja biti prilično skupa. A generator takođe košta.

Hidroenergija zahtijeva izgradnju hidroelektrana - ovo je velika kapitalna investicija. A rad je takođe daleko od besplatnog. I nije svugdje dostupno. I nuspojave za okolinu. Općenito, daleko od idealnog. Uopšte nije pogodno za male generacije.

Nuklearna energija je povezana s rizikom od nesreća (Černobil, Fukušima) i koliko god smo uvjereni da su moderne nuklearne elektrane apsolutno pouzdane, život pored nuklearne elektrane i dalje nije baš ugodan. Osim toga, nuklearne elektrane proizvode istrošeno gorivo, a ono je radioaktivno, potrebno ga je negdje skladištiti, po mogućnosti na sigurnom mjestu, kako ne bi došlo do curenja. A izgradnja nuklearne elektrane opet znači visoke kapitalne troškove. Male nuklearne elektrane ne postoje i ne mogu postojati, samo iz sigurnosnih razloga.

Sunčeva energija je skupa i nije uvijek efikasna s obzirom na broj sunčanih dana u godini. Pogodan je za snabdevanje energijom udaljenih sela i samostojećih kuća u sunčanim krajevima, ali tamo gde je potrebna velika snaga i malo sunčanih dana nije pogodan.

Proizvodnja vjetra se postepeno razvija, veličina i snaga generatora rastu, cijena energije se smanjuje, ali ni ova vrsta energije se ne može nazvati lijekom za panaceju. Nije baš jeftino i nije baš stabilno. I nije svuda primjenjiv.

Još ne postoji idealan izvor energije

Neki su skupi, drugi nisu svuda dostupni, a treći su opasni. I svi su jako ograničeni u snazi, ne dozvoljavaju vam da proizvoljno povećavate potrošnju po potrebi - ne možete u nuklearnu elektranu ubaciti dodatne gorivne šipke iznad projektnog kapaciteta, plinovod se ne može proširiti, a nekoliko dodatnih turbina ne može se dodati u hidroelektranu.

Generalno, stalna ograničenja...

Upečatljiv primjer nedostataka moderne energije je priča o Krimu, kada se poluostrvo suočilo s nestašicom energije koja se nije mogla brzo nadoknaditi. Nije bilo dovoljno generatora, nije bilo moguće brzo izgraditi plinsku elektranu, a čak je i razvlačenje kabla preko tjesnaca oduzimalo značajno vrijeme.

I ne samo dostupnost energije ostavlja mnogo da se poželi, već i trošak.

Energija čini značajan dio troškova svih dobara i usluga jer se energija i gorivo (energonosač) koriste u svim fazama proizvodnje i isporuke.

Industrijska oprema radi na struju, peći na plin ili opet na struju, a troškovi željezničkog transporta uključuju i troškove električne energije. Trošak usluga autotransporta uključuje trošak goriva.

Računi za stanovanje se gotovo u potpunosti sastoje od troškova energije – svjetla, tople vode, grijanja – to je sva energija. Pa čak i trošak hladnom vodom ovisi o cijeni energije, jer se voda pumpa električnim pumpama.

Cijena cementa (koji čini značajan dio troškova stanovanja) također značajno ovisi o cijeni električne energije i goriva. Trošak aluminija (jedan od glavnih savremeni materijali) gotovo u potpunosti se sastoji od troškova električne energije jer se aluminij proizvodi elektrolizom.

Udio energije i goriva u cijeni različitih roba i usluga uvelike varira, ali je gotovo svugdje prilično visok ako se uzmu u obzir troškovi energije u svim fazama proizvodnje, od rudarstva, rafiniranja i prerade sirovina.

Zato želimo da energija bude jeftinija i pristupačnija.

Voleo bih da je skalabilnost visoka - od kilovata do gigavata, da bi se moglo obezbediti veliki grad jeftinom energijom i malo selo, pa čak i odvojeno stojeća kuća. I tako da funkcioniše svuda, bez obzira na broj sunčanih dana u godini, prisustvo vetra, reka, terena i drugih prirodnih faktora. I tako da je gorivo dostupno. I tako da bude ekološki prihvatljiv.

Ali da li je to moguće?

Postoji li izvor energije koji ispunjava sve navedene kriterije (dostupnost, skalabilnost, jeftino instalacija i rad, ekološka prihvatljivost)?

Danas na tržištu ne postoji takav izvor.

Svi postojeći izvori energije imaju određene nedostatke i ograničenja – bilo relativno jeftina instalacija, ali skupa energija, ili visoki kapitalni troškovi, ili ekološki rizici, ili druga ograničenja.

U bliskoj budućnosti će biti novi izvor energije

Izvor koji će imati visoku skalabilnost (od kilovata do gigavata), i mogućnost široko rasprostranjene instalacije (od velikih gradova i industrijskih objekata do malih sela i individualnih kuća), i ekološku prihvatljivost, i nisku cijenu primljene energije (više puta ili čak nekoliko desetina puta jeftinije od svih postojećih).

Energija koja će biti višestruko i desetine puta pristupačnija i po cijeni i po mogućnostima ugradnje u bilo koje područje - u planinama, na krajnjem sjeveru, u udaljenim selima, na otocima i poluotocima.

Svako preduzeće će moći da priušti instalaciju sopstvene elektrane, koja proizvodi jeftiniju energiju nego što je trenutno dostupna u bilo kojoj mreži.

Za izgradnju sela ili novog stambenog naselja neće biti potrebno tražiti isključenje struje iz postojećih hidroelektrana, termoelektrana ili nuklearnih elektrana - bit će moguće instalirati vlastitu elektranu.

Višestruko smanjenje troškova energije dovest će do promjene cijena za svu robu i usluge i učiniti dostupnim nove materijale i tehnologije koje je danas neisplativo koristiti zbog visokih troškova energije.

Energetska revolucija će povući velike promjene u svim drugim oblastima, možda i revolucionarne.

Prateći energetski sektor mijenjat će se struktura privrede, a nakon ekonomije društveno-politička struktura.

Ali koji će novi izvor energije dovesti do globalne energetske revolucije i svih promjena koje dolaze s njom?

Odakle će doći jeftini kilovati, megavati i gigavati na bilo kojoj lokaciji i u bilo kojoj količini, pa čak i uz ekološku prihvatljivost?

Energija nuklearne fuzije

Postojeći danas nuklearne energije baziran na reakcijama fisije teških radioaktivnih elemenata (u radu nuklearne elektrane koriste izotope uranijuma). To je ono što uzrokuje visoku složenost i cijenu nuklearne elektrane, teške posljedice udesa, kao i problemi sa istrošenim gorivom.

Radioaktivno gorivo je teško i skupo za proizvodnju, upotrebu i odlaganje. Visoki troškovi i rizici utiču na cijenu primljene energije i ne dozvoljavaju izgradnju malih nuklearnih elektrana bilo gdje i svugdje, prevodeći ih u rad neobučeno i nenadzirano osoblje.

Međutim, uz reakcije fisije, postoje i reakcije fuzije koje daju znatno veći izlaz energije, a pritom se na izlazu ne stvaraju radioaktivni izotopi, što znači da nema problema s istrošenim gorivom.

Proizvodi nuklearne fuzije su gotovo uvijek stabilni izotopi koji se ne razlikuju od onih koji postoje u prirodi. Postoje, naravno, reakcije fuzije s oslobađanjem radioaktivnih izotopa, ali niko ih ne tjera.

O perspektivi nuklearne fuzijske energije već dugo se mnogo govorilo i pisalo.

Energetska revolucija povezana s razvojem tehnologije nuklearne fuzije očekivala se krajem prošlog stoljeća – očekivala se, ali nikada nije došla.

Prije otprilike pola vijeka počeli su pokušaji da se pokrene nuklearna fuzija i time cijeli svijet obezbijedi čista i praktički neiscrpna energija (1 gram sintetizirane supstance daje više energije od 100 litara benzina, uprkos činjenici da gorivo u reakcijama fuzije može potencijalno bilo šta, uključujući i običnu vodu).

Međutim, pokušaji pokretanja fuzijskih reakcija u praksi su naišli na Kulonovsku barijeru, koju je, pokazalo se, vrlo teško savladati.

Kulonova barijera je odbojna sila atomskih jezgara, koja sprečava njihovu fuziju (fuziju). Upravo zbog Kulonove barijere nuklearna fuzija se ne odvija sama od sebe i svuda. Bez ove barijere, sva materija bi se odavno pretvorila u gvožđe i niz drugih teških elemenata.

Zbog iste Kulonove barijere, termonuklearna eksplozija ne može izazvati lančanu reakciju tokom koje bi izgorjela cijela planeta. U termonuklearnoj eksploziji nuklearna fuzija se događa samo u zapremini materije koja se „zapalila“ u trenutku eksplozije prvog stupnja, a to je konvencionalni naboj nuklearne fisije.

Pola stoljeća, od pojave ideja o korištenju reakcija nuklearne fuzije u nacionalne ekonomije, pokušaji stvaranja energije fuzije stalno su se rušili na ovu istu Kulonovu barijeru.

Tokamaci (vrsta fuzionog reaktora) su izgrađeni (i nastavljaju da se grade), jedan veći od drugog, ali pozitivnog izlaza energije, koji bi premašio troškove zagrevanja i držanja visokotemperaturne plazme unutar magnetne krafne (torus, otuda i naziv - tokamak, toroidna magnetna zavojnica) - kako nije bilo, a nije. I ima razloga vjerovati da nikada neće.

Ali ako su svi pokušaji lansiranja energetski efikasne nuklearne fuzije do sada propali na Kulombovoj barijeri, ako tokamaci još uvijek nisu dali pozitivan energetski izlaz i nepoznato je hoće li ga ikada dati - otkuda prognoza o neminovnoj energetskoj revoluciji? dolaziti iz?

LENR ili LENR - nuklearna fuzija niske energije

Uz pokušaje izgradnje tokamaka i lansiranja nuklearne fuzije u visokotemperaturnoj plazmi, postoji pravac koji se često naziva hladnom fuzijom, iako to nije sasvim ispravan izraz koji mnoge dovodi u zabludu.

Stvar je u tome da se nuklearna fuzija može dogoditi ne samo u visokotemperaturnoj plazmi, već i pod drugim uvjetima, posebno tijekom snažnog električnog pražnjenja, u kojem jezgra atoma dobivaju energiju dovoljnu za fuziju (dakle, nazivati ​​ovu fuziju hladnom nije ispravno , energija prenesena česticama je u ovom slučaju ne manje nego u visokotemperaturnoj plazmi). Otkriveni su i drugi uvjeti pod kojima dolazi do "tople" nuklearne fuzije - na temperaturama "ispod plazme, ali iznad sobne temperature".

Dugo vremena akademska nauka nije prepoznavala samu mogućnost nuklearne fuzije u drugim uslovima osim visokotemperaturne plazme. Izuzetak je napravljen za “mezonsku katalizu”, u kojoj sinteza nije zahtijevala zagrijavanje supstance, ali nije bila energetski povoljna, jer je cijena proizvodnje mezona bila veća od energetskog prinosa sinteze.

Brojni naučnici koji su sprovodili istraživanja u oblasti niskoenergetske fuzije (LENR) bili su oštro kritikovani od strane akademske zajednice, proglašeni su "alhemičarima", a neki su čak i otpušteni iz svojih institucija zbog "jeresi".

Ali ma koliko "ortodoksni fizičari" tvrdili da do nuklearne fuzije ne može doći pri niskim energijama, jer ne može, istraživanja u ovoj oblasti su se nastavila, dodavali su im se novi naučni centri, sredstva su se povećavala, eksperimentalna baza rasla i... na kraju se pokazalo da je nemoguće još uvijek moguće i nuklearna fuzija se događa ne samo u visokotemperaturnoj plazmi, već i pod drugim uvjetima i stanjima materije.

Iza poslednjih godina niz eksperimenata na implementaciji “tople” sinteze i sinteze u električnim pražnjenjima ponavljali su različiti nezavisni istraživačke grupe, postići stabilan, ponovljiv učinak i, što je najvažnije, dobiti pozitivan energetski izlaz, koji se pokazao većim nego kod reakcija fisije urana (kao što bi i trebalo biti, jer su reakcije fuzije energetski snažnije od reakcija fisije).

Osim toga, razvijeno je nekoliko teorija koje objašnjavaju kako tačno atomska jezgra uspijevaju savladati tvrdoglavu Kulonovu barijeru i zašto se to događa pod strogo definiranim uvjetima.

U naučnoj zajednici još uvijek nema konsenzusa koja je teorija tačna. Ima i onih koji tvrdoglavo ponavljaju „ovo ne može biti, jer se to nikada ne može dogoditi“. Ali priznanje činjenica je neizbježno, kao i razvoj teorijske osnove do jedinstvenog stanja priznatog od strane naučne zajednice.

Kulonova barijera je savladana

Kulombova barijera je savladana u svakom smislu i sada je pojava nuklearnih reaktora koji rade na principima fuzije prvenstveno inženjerski zadatak i pitanje vremena.

Naravno, do pojave komercijalnih nuklearnih fuzijskih reaktora može biti još mnogo godina. Možda čak i nekoliko decenija. Put od pilot postrojenja do industrijskog dizajna nije uvijek lak. I nauka se mora osvestiti jednoglasno mišljenje By fizičke osnove od ovih reakcija, bez toga će proces implementacije uvelike stati.

Kao primjer možemo se prisjetiti povijesti proizvodnje helikoptera. Prvi eksperimentalni helikopteri pojavili su se početkom 20. stoljeća, ali su bili opasni, nestabilni i neefikasni. Samo nekoliko decenija kasnije, nakon Drugog svetskog rata, bilo je moguće razviti pouzdane i zaista efikasne helikoptere, pustiti ih u proizvodnju i od eksperimentalnih modela pretvoriti u industrijske.

Vjerojatno će reaktori nuklearne fuzije ići istim putem - od eksperimentalnih instalacija koje danas rade do industrijske opreme koja će se početi proizvoditi za 10-20 godina.

Ali ono najvažnije se već dogodilo - stvoreni su eksperimentalni uzorci fuzijskih reaktora, istraživači su postigli stabilan, reproducibilan učinak i pozitivan energetski izlaz koji premašuje izlaz energije iz gorivih šipki koje se koriste u modernim nuklearnim elektranama.

Prototipovi sugeriraju da će fuzijski reaktori biti vrlo skalabilni - minimalna efektivna snaga će početi od nekoliko kilovata, a jedinica za napajanje ove snage može biti veličine jedinice računarskog sistema. Cijena instalacije po kilovatu snage bit će niža od svih postojećih generatora. Trošak goriva (naplata) će biti zanemariv zbog upotrebe sveprisutne supstance.

Navedite istraživače i eksperimentalne objekte u kojima je postignut efekat nuklearne fuzije, u ovog materijala Neću, jer zaslužuju posebnu recenziju, koju ću pripremiti i dodatno objaviti.

Za sada ću navesti samo zemlje u kojima su rađene studije i dobijeni pozitivni rezultati - to su Rusija, Japan, Italija i SAD. Štoviše, prva instalacija za nuklearnu fuziju, očigledno, stvorena je u SSSR-u, ali projekt nije dobio pravovremeni razvoj i bio je zatvoren.

Posebno je važno da su naučnici iz Kine uspjeli reproducirati učinak nuklearne fuzije, a ako se nešto reproducira u Kini, onda pojava industrijskih dizajna definitivno neće biti zaustavljena.

Energija nuklearne fuzije se iz naučne fantastike pretvara u stvarnost.

Svijet je na rubu energetske revolucije koja se više ne može poništiti.

Ne mogu se poništiti ni sve druge revolucije koje će pratiti energetsku revoluciju, jer je energija osnova svega – proizvodnje, transporta, održavanja života, osnova cjelokupne ekonomije. A ekonomija je u osnovi politike i društvenog poretka. Dakle, nakon energetske revolucije slijede sve ostale, uključujući i društveno-političke.

je proces u kojem se dva atomska jezgra spajaju u teže jezgro. Obično je ovaj proces praćen oslobađanjem energije. Nuklearna fuzija je izvor energije u zvijezdama i hidrogenskoj bombi.
Da bi se atomska jezgra približila dovoljno da dođe do nuklearne reakcije, čak i najlakši element, vodonik, zahtijeva vrlo značajnu količinu energije. Ali, u slučaju lakih jezgara, kao rezultat kombinacije dvaju jezgara kako bi se formiralo teže jezgro, oslobađa se znatno više energije nego što se troši na savladavanje Kulonove odbijanja između njih. Zahvaljujući tome, nuklearna fuzija je vrlo obećavajući izvor energije i jedno je od glavnih područja istraživanja moderne nauke.
Količina energije koja se oslobađa u većini nuklearnih reakcija mnogo je veća nego u kemijskim reakcijama, budući da je energija vezivanja nukleona u jezgri mnogo veća od energije vezivanja elektrona u atomu. Na primjer, energija jonizacije koja se proizvodi kada se elektron veže za proton da bi formirao atom vodika je 13,6 elektron-volti – manje od jednog milionitog dijela od 17 MeV koji se oslobađa reakcijom deuterijuma s tricijem, opisanom u nastavku.
Postoje dvije vrste interakcija u atomskom jezgru: jaka sila, koja drži protone i neutrone zajedno, i mnogo slabija elektrostatička repulzija između slično nabijenih protona jezgra, koja pokušava razdvojiti jezgro. Jaka interakcija se pojavljuje samo na vrlo malim udaljenostima između protona i neutrona koji su direktno jedni uz druge. To također znači da su protoni i neutroni na površini jezgra manje sadržani od protona i neutrona unutar jezgra. Umjesto toga, sila elektrostatičkog odbijanja djeluje na bilo kojoj udaljenosti i obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti između naboja, to jest, svaki proton u jezgru je u interakciji sa svima još jedan proton u jezgru. To dovodi do činjenice da kako se veličina jezgre povećava, sile koje drže jezgro se povećavaju do određenog atomskog broja (atom željeza), a zatim počinju slabiti. Počevši od uranijuma, energija vezivanja postaje negativna, a jezgra teških elemenata postaju nestabilna.
Dakle, da bi se izvršila reakcija nuklearne fuzije, potrebno je potrošiti određenu količinu energije da bi se savladala sila elektrostatičkog odbijanja između dva atomska jezgra i dovesti ih na distancu na kojoj počinje da se javlja snažna interakcija. Energija potrebna da se savlada sila elektrostatičkog odbijanja naziva se Kulonova barijera.
Kulonova barijera je niska za izotope vodika jer imaju samo jedan proton u jezgru. Za DT mješavinu, rezultujuća energetska barijera je 0,1 MeV. Poređenja radi, potrebno je samo 13 eV da bi se uklonio elektron iz atoma vodika, što je 7500 puta manje. Kada se reakcija fuzije završi, novo jezgro prelazi na niži energetski nivo i oslobađa dodatnu energiju, emitujući neutron sa energijom od 17,59 MeV, što je znatno više od onoga što je potrebno za pokretanje reakcije. To jest, reakcija DT fuzije je vrlo egzotermna i izvor je energije.
Ako su jezgra dio plazme blizu stanja termičke ravnoteže, reakcija fuzije se naziva termonuklearna fuzija. Pošto je temperatura mjera prosječne kinetičke energije čestica, zagrijavanje plazme može obezbijediti jezgrima dovoljno energije da savladaju barijeru od 0,1 MeV. Pretvarajući eV u Kelvine, dobijamo temperaturu od preko 1 GK, što je izuzetno visoka temperatura.
Postoje, međutim, dva fenomena koji omogućavaju smanjenje potrebne temperature reakcije. Prvo, reflektirajuća temperatura prosjek kinetička energija, tj. čak i na temperaturama nižim od ekvivalentnih 0,1 MeV, neka jezgra će imati energiju znatno veću od 0,1 MeV, dok će ostala imati znatno manju energiju. Drugo, treba uzeti u obzir fenomen kvantnog tuneliranja, kada jezgra savladavaju Kulonovu barijeru bez dovoljno energije. Ovo omogućava (spore) reakcije sinteze da se dobiju na niskim temperaturama.
Koncept je važan za razumijevanje reakcije sinteze presjek reakcije?: mjere vjerovatnoće reakcije fuzije kao funkcije relativne brzine dva interakciona jezgra. Za reakciju termonuklearne fuzije, prikladnije je uzeti u obzir prosječnu vrijednost distribucije proizvoda poprečnog presjeka i nuklearne brzine. Koristeći ga, možete napisati brzinu reakcije (fuziju jezgara po volumenu u vremenu) kao

Gdje n 1 i n 2 je gustina reaktanata. raste od nule na sobnoj temperaturi do značajne vrijednosti već na temperaturama