دشواری همجوشی حرارتی کنترل شده چیست؟ انرژی گرما هسته ای هرگز وجود نخواهد داشت. Cold Fusion Rossi

02.07.2020

همچنین بخوانید

کارت تولد - آس از الماس

تعبیر خواب بمباران، چرا خواب بمباران را در خواب ببینید

فال آنلاین به صورت رایگان

ما رویاهای مربوط به رودخانه و هر چیزی که با آن مرتبط است را تعبیر می کنیم

فال در خواب به چه معناست؟

1. معرفی

3. مشکلات کنترل همجوشی حرارتی

3.1 مشکلات اقتصادی

3.2 مشکلات پزشکی

4. نتیجه گیری

5. مراجع

1. معرفی

مسئله همجوشی گرما هسته ای کنترل شده یکی از مهمترین وظایف پیش روی بشر است.

تمدن بشری بدون انرژی نمی تواند وجود داشته باشد، چه رسد به توسعه. همه به خوبی می دانند که منابع توسعه یافته انرژی، متأسفانه، ممکن است به زودی تخلیه شوند. به گفته شورای جهانی انرژی، ذخایر اکتشاف شده سوخت های هیدروکربنی روی زمین به مدت 30 سال باقی می ماند.

امروزه منابع اصلی انرژی نفت، گاز و زغال سنگ است.

به گفته کارشناسان ذخایر این مواد معدنی رو به اتمام است. تقریبا هیچ میدان نفتی اکتشاف شده و مناسبی برای توسعه باقی نمانده است و در حال حاضر نوه های ما ممکن است با مشکل بسیار جدی کمبود انرژی روبرو شوند.

نیروگاه های هسته ای که بهترین سوخت را دارند، البته می توانند برای بیش از صد سال برق بشریت را تامین کنند.

موضوع مطالعه: مشکلات همجوشی حرارتی کنترل شده

موضوع مطالعه: همجوشی گرما هسته ای

هدف مطالعه: حل مشکل کنترل همجوشی گرما هسته ای؛

اهداف پژوهش:

· بررسی انواع واکنش های گرما هسته ای.

· تمام گزینه های ممکن را برای رساندن انرژی آزاد شده در طی یک واکنش گرما هسته ای به شخص در نظر بگیرید.

· نظریه ای در مورد تبدیل انرژی به الکتریسیته مطرح کنید.

واقعیت اولیه:

انرژی هسته ای در طی فروپاشی یا همجوشی هسته های اتمی آزاد می شود. هر انرژی - فیزیکی، شیمیایی یا هسته ای با توانایی آن در انجام کار، تابش گرما یا تشعشع آشکار می شود. انرژی در هر سیستمی همیشه حفظ می شود، اما می توان آن را به سیستم دیگری منتقل کرد یا شکل آن را تغییر داد.

دستاوردشرایط همجوشی حرارتی کنترل شده توسط چندین مشکل اصلی مختل می شود:

· ابتدا باید گاز را تا دمای بسیار بالا گرم کنید.

ثانیاً، کنترل تعداد هسته های واکنش دهنده برای مدت زمان کافی ضروری است.

ثالثاً، مقدار انرژی آزاد شده باید بیشتر از مقداری باشد که برای گرم کردن و محدود کردن چگالی گاز صرف شده است.

مشکل بعدی انباشته شدن این انرژی و تبدیل آن به برق است

2. واکنش های گرما هسته ای در خورشید

منبع انرژی خورشیدی چیست؟ ماهیت فرآیندهایی که طی آن مقدار زیادی انرژی تولید می شود چیست؟ تابش خورشید تا کی ادامه خواهد داشت؟

اولین تلاش ها برای پاسخ به این سؤالات توسط ستاره شناسان در اواسط قرن نوزدهم و پس از تدوین قانون بقای انرژی توسط فیزیکدانان انجام شد.

رابرت مایر پیشنهاد کرد که خورشید به دلیل بمباران مداوم سطح توسط شهاب سنگ ها و ذرات شهاب سنگ می درخشد. این فرضیه رد شد، زیرا یک محاسبه ساده نشان می دهد که برای حفظ درخشندگی خورشید در سطح فعلی، لازم است که در هر ثانیه 2∙10 15 کیلوگرم ماده شهاب سنگ روی آن بیفتد. برای یک سال 6∙10 22 کیلوگرم و برای طول عمر خورشید برای 5 میلیارد سال - 3∙10 32 کیلوگرم خواهد بود. جرم خورشید M = 2∙10 30 کیلوگرم است، بنابراین، در پنج میلیارد سال، این ماده باید 150 برابر بیشتر از جرم خورشید بر روی خورشید می افتاد.

فرضیه دوم نیز توسط هلمهولتز و کلوین در اواسط قرن نوزدهم مطرح شد. آنها پیشنهاد کردند که خورشید با انقباض سالانه 60 تا 70 متر تابش می کند. دلیل انقباض، جاذبه متقابل ذرات خورشید است، به همین دلیل این فرضیه را انقباض می نامند. اگر بر اساس این فرضیه محاسبه کنیم، سن خورشید بیش از 20 میلیون سال نخواهد بود، که با داده های مدرن به دست آمده از تجزیه و تحلیل تجزیه رادیواکتیو عناصر در نمونه های زمین شناسی خاک زمین و خاک ماه در تناقض است. .

فرضیه سوم در مورد منابع احتمالی انرژی خورشیدی توسط جیمز جین در آغاز قرن بیستم مطرح شد. او پیشنهاد کرد که روده های خورشید حاوی عناصر رادیواکتیو سنگینی است که به طور خود به خود تجزیه می شوند، در حالی که انرژی ساطع می شود. به عنوان مثال، تبدیل اورانیوم به توریم و سپس به سرب با آزاد شدن انرژی همراه است. تحلیل بعدی این فرضیه نیز شکست آن را نشان داد. ستاره ای که فقط از اورانیوم تشکیل شده باشد، انرژی کافی برای ایجاد درخشندگی مشاهده شده خورشید آزاد نمی کند. علاوه بر این، ستارگانی وجود دارند که چندین برابر درخشان تر از ستاره ما هستند. بعید است که آن ستارگان حاوی مواد رادیواکتیو بیشتری نیز باشند.

محتمل ترین فرضیه، فرضیه سنتز عناصر در نتیجه واکنش های هسته ای در فضای داخلی ستارگان است.

در سال 1935، هانس بته این فرضیه را مطرح کرد که واکنش گرما هسته ای تبدیل هیدروژن به هلیوم می تواند منبع انرژی خورشیدی باشد. به همین دلیل بود که بته در سال 1967 جایزه نوبل را دریافت کرد.

ترکیب شیمیایی خورشید تقریباً مشابه اکثر ستارگان دیگر است. تقریباً 75٪ هیدروژن، 25٪ هلیوم و کمتر از 1٪ سایر عناصر شیمیایی (عمدتاً کربن، اکسیژن، نیتروژن و غیره) است. بلافاصله پس از تولد جهان، هیچ عنصر "سنگین" وجود نداشت. همه آنها، یعنی. عناصر سنگین‌تر از هلیوم، و حتی بسیاری از ذرات آلفا، در طی «سوختن» هیدروژن در ستاره‌ها در طی همجوشی گرما هسته‌ای تشکیل شدند. طول عمر مشخصه ستاره ای مانند خورشید ده میلیارد سال است.

منبع اصلی انرژی چرخه پروتون-پروتون است - یک واکنش بسیار آهسته (زمان مشخصه 7.9∙10 9 سال)، زیرا به دلیل برهمکنش ضعیف است. ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که از چهار پروتون یک هسته هلیوم به دست می آید. در این حالت یک جفت پوزیترون و یک جفت نوترینو و همچنین 26.7 مگا ولت انرژی آزاد می شود. تعداد نوترینوهایی که خورشید در هر ثانیه ساطع می کند تنها با درخشندگی خورشید تعیین می شود. از آنجایی که وقتی 26.7 مگا ولت آزاد می شود، 2 نوترینو متولد می شود، نرخ انتشار نوترینو: 1.8 ∙10 38 نوترینو در ثانیه است. آزمون مستقیم این نظریه، مشاهده نوترینوهای خورشیدی است. نوترینوهای پرانرژی (بور) در آزمایش‌های کلر-آرگون (آزمایش‌های دیویس) ثبت می‌شوند و به طور مداوم کمبود نوترینو را در مقایسه با مقدار نظری مدل خورشیدی استاندارد نشان می‌دهند. نوترینوهای کم انرژی که مستقیماً در واکنش pp بوجود می آیند در آزمایشات گالیم-ژرمانیوم (GALLEX در Gran Sasso (ایتالیا-آلمان) و SAGE در Baksan (روسیه-ایالات متحده آمریکا)) ثبت می شوند. آنها نیز "مفقود" هستند.

بر اساس برخی فرضیات، اگر نوترینوها جرمی غیر از صفر داشته باشند، نوسانات (تبدیل) انواع مختلف نوترینوها امکان پذیر است (اثر میخیف-اسمیرنوف-ولفنشتاین) (سه نوع نوترینو وجود دارد: نوترینوهای الکترون، میون و تائون). . زیرا نوترینوهای دیگر برهمکنش بسیار کمتری نسبت به الکترون ها با ماده دارند، کسری مشاهده شده را می توان بدون تغییر مدل استاندارد خورشید، که بر اساس کل مجموعه داده های نجومی ساخته شده است، توضیح داد.

خورشید در هر ثانیه حدود 600 میلیون تن هیدروژن را بازیافت می کند. ذخایر سوخت هسته ای پنج میلیارد سال دیگر ادامه خواهد داشت و پس از آن به تدریج به یک کوتوله سفید تبدیل می شود.

بخش‌های مرکزی خورشید منقبض می‌شوند، گرم می‌شوند و گرمای منتقل شده به پوسته بیرونی منجر به انبساط آن به اندازه‌های هیولایی در مقایسه با نمونه‌های امروزی می‌شود: خورشید چنان منبسط می‌شود که عطارد، زهره را جذب می‌کند و خرج می‌کند. سوخت" صد برابر سریعتر از الان. این باعث افزایش اندازه خورشید می شود. ستاره ما تبدیل به یک غول سرخ می شود که اندازه آن با فاصله زمین تا خورشید قابل مقایسه است!

البته، از قبل از چنین رویدادی مطلع خواهیم شد، زیرا انتقال به مرحله جدید تقریباً 100-200 میلیون سال طول می کشد. هنگامی که دمای بخش مرکزی خورشید به 100.000.000 کلوین برسد، هلیوم نیز شروع به سوختن کرده و به عناصر سنگین تبدیل می شود و خورشید وارد مرحله ای از چرخه های پیچیده انقباض و انبساط می شود. در آخرین مرحله، ستاره ما پوسته بیرونی خود را از دست می دهد، هسته مرکزی چگالی و اندازه فوق العاده زیادی مانند هسته زمین خواهد داشت. چند میلیارد سال دیگر می گذرد و خورشید سرد می شود و به یک کوتوله سفید تبدیل می شود.

3. مشکلات همجوشی حرارتی کنترل شده

محققان در همه کشورهای توسعه یافته امید خود را به غلبه بر بحران انرژی آینده با یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده بسته اند. چنین واکنشی - سنتز هلیوم از دوتریوم و تریتیوم - میلیون‌ها سال است که روی خورشید انجام می‌شود و اکنون پنجاه سال است که در شرایط زمینی تلاش می‌کنند آن را در تاسیسات لیزری غول‌پیکر و بسیار گران قیمت، توکاماک‌ها انجام دهند. (وسیله ای برای انجام واکنش همجوشی گرما هسته ای در پلاسمای داغ) و ستاره سازها (تله مغناطیسی بسته حاوی پلاسمای با دمای بالا). با این حال، راه های دیگری برای حل این مشکل دشوار وجود دارد و به جای توکامک های عظیم، احتمالاً می توان از یک برخورد دهنده نسبتاً فشرده و ارزان قیمت - یک شتاب دهنده در پرتوهای برخوردی - برای اجرای همجوشی گرما هسته ای استفاده کرد.

توکامک برای کار کردن به مقادیر بسیار کمی لیتیوم و دوتریوم نیاز دارد. به عنوان مثال، راکتوری با توان الکتریکی 1 گیگاوات حدود 100 کیلوگرم دوتریوم و 300 کیلوگرم لیتیوم در سال می سوزاند. اگر فرض کنیم همه نیروگاه های حرارتی 10 تریلیون تولید کنند. کیلووات در ساعت برق در سال، یعنی به اندازه تمام نیروگاه های زمین امروزی تولید می کنند، پس ذخایر جهانی دوتریوم و لیتیوم برای تامین انرژی بشر برای چندین میلیون سال کافی خواهد بود.

علاوه بر همجوشی دوتریوم و لیتیوم، زمانی که دو اتم دوتریوم با هم ترکیب شوند، یک همجوشی صرفاً خورشیدی امکان پذیر است. در صورت تسلط بر این واکنش، مشکلات انرژی بلافاصله و برای همیشه حل خواهد شد.

در هر یک از نسخه های شناخته شده همجوشی گرما هسته ای کنترل شده (CTF)، واکنش های گرما هسته ای نمی توانند وارد حالت افزایش کنترل نشده قدرت شوند، بنابراین، چنین راکتورهایی ذاتا ایمن نیستند.

از نقطه نظر فیزیکی، مشکل به سادگی فرموله می شود. برای اینکه یک واکنش همجوشی هسته ای خودپایدار رخ دهد، ارضای دو شرط لازم و کافی است.

1. انرژی هسته های شرکت کننده در واکنش باید حداقل 10 کیلو ولت باشد. برای شروع همجوشی هسته ای، هسته های شرکت کننده در واکنش باید در میدان نیروهای هسته ای قرار گیرند که شعاع آنها 10-12-10-13 سانتی متر است. با این حال، هسته های اتم دارای بار الکتریکی مثبت هستند و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند. در مرز عمل نیروهای هسته ای، انرژی دافعه کولن حدود 10 کیلو ولت است. برای غلبه بر این مانع، هسته های در برخورد باید دارای انرژی جنبشی حداقل کمتر از این مقدار باشند.

2. حاصلضرب غلظت هسته های واکنش دهنده و زمان ماندگاری که در طی آن انرژی نشان داده شده را حفظ می کنند باید حداقل 1014 s.cm-3 باشد. این شرط - به اصطلاح معیار لاوسون - حد سودآوری انرژی واکنش را تعیین می کند. برای اینکه انرژی آزاد شده در واکنش همجوشی حداقل هزینه های انرژی شروع واکنش را پوشش دهد، هسته اتم باید دستخوش برخوردهای زیادی شود. در هر برخوردی که در آن یک واکنش همجوشی بین دوتریوم (D) و تریتیوم (T) رخ می دهد، 17.6 مگا ولت انرژی آزاد می شود، یعنی تقریباً 3.10-12 ژول. اگر برای مثال، 10 مگا ژول انرژی صرف احتراق شود، آنگاه واکنش شکسته خواهد شد حتی اگر حداقل 3.1018 جفت D-T در آن شرکت کنند. و برای این، یک پلاسمای نسبتاً متراکم با انرژی بالا باید برای مدت طولانی در راکتور نگهداری شود. این شرط با معیار لاوسون بیان می شود.

اگر بتوان هر دو الزام را به طور همزمان برآورده کرد، مشکل همجوشی گرما هسته ای کنترل شده حل خواهد شد.

با این حال، اجرای فنی این مشکل فیزیکی با مشکلات بسیار زیادی روبرو است. به هر حال، انرژی 10 کو، دمایی معادل 100 میلیون درجه است. ماده ای در چنین دمایی را می توان حتی برای کسری از ثانیه فقط در خلاء و با جدا کردن آن از دیواره های نصب نگه داشت.

اما روش دیگری برای حل این مشکل وجود دارد - همجوشی سرد. همجوشی سرد چیست - این یک آنالوگ از یک واکنش گرما هسته ای "گرم" است که در دمای اتاق انجام می شود.

در طبیعت، حداقل دو راه برای تغییر ماده در یک بعد پیوستار وجود دارد. می توانید آب را روی آتش بجوشانید، یعنی. به صورت حرارتی یا در اجاق مایکروویو، یعنی. فرکانس. نتیجه یکسان است - آب می جوشد، تنها تفاوت این است که روش فرکانس سریعتر است. همچنین از دستیابی به دمای فوق العاده بالا برای شکافتن هسته اتم استفاده می کند. روش حرارتی یک واکنش هسته ای کنترل نشده می دهد. انرژی یک همجوشی سرد انرژی حالت گذار است. یکی از شرایط اصلی طراحی یک راکتور برای انجام یک واکنش همجوشی سرد، شرایط شکل هرمی - کریستالی آن است. یکی دیگر از شرایط مهم وجود میدان های مغناطیسی و پیچشی دوار است. تقاطع میدان ها در نقطه تعادل ناپایدار هسته هیدروژن اتفاق می افتد.

دانشمندان روزی طالیارخان از آزمایشگاه ملی اوک ریج، ریچارد لیخی از دانشگاه پلی تکنیک. رنسیلیرا و آکادمیسین رابرت نیگماتولین - یک واکنش گرما هسته ای سرد را در آزمایشگاه ثبت کردند.

این گروه از یک لیوان استون مایع به اندازه دو تا سه لیوان استفاده کردند. امواج صوتی به شدت از مایع عبور می‌کردند و اثری را ایجاد می‌کردند که در فیزیک به عنوان کاویتاسیون صوتی شناخته می‌شد که پیامد آن نورتابی صوتی است. در حین کاویتاسیون، حباب های کوچکی در مایع ظاهر شد که قطر آن به دو میلی متر افزایش یافت و منفجر شد. انفجارها با فلاش نور و آزاد شدن انرژی همراه بود. دمای داخل حباب ها در زمان انفجار به 10 میلیون درجه کلوین رسید و انرژی آزاد شده، به گفته آزمایشگران، برای انجام همجوشی حرارتی هسته ای کافی است.

"از لحاظ فنی" ماهیت واکنش در این واقعیت نهفته است که در نتیجه ترکیب دو اتم دوتریوم، یک سوم تشکیل می شود - ایزوتوپ هیدروژن، معروف به تریتیوم، و یک نوترون، که با مقدار زیادی انرژی مشخص می شود. .

3.1 مشکلات اقتصادی

هنگام ایجاد TCB، فرض بر این است که یک نصب بزرگ مجهز به رایانه های قدرتمند است. این یک شهر کوچک خواهد بود. اما در صورت بروز حادثه یا خرابی تجهیزات، عملکرد ایستگاه دچار اختلال می شود.

برای مثال، در طراحی های مدرن NPP، این مورد ارائه نشده است. اعتقاد بر این است که اصلی ترین چیز ساختن آنها است و آنچه بعدا اتفاق می افتد مهم نیست.

اما در صورت خرابی 1 ایستگاه، بسیاری از شهرها بدون برق خواهند ماند. این را می توان در نمونه نیروگاه هسته ای ارمنستان مشاهده کرد. حذف زباله های رادیواکتیو بسیار گران شده است. بنا به درخواست نیروگاه اتمی سبز بسته شد. مردم بدون برق ماندند، تجهیزات نیروگاه فرسوده شد و پولی که سازمان های بین المللی برای مرمت اختصاص دادند به هدر رفت.

یک مشکل جدی اقتصادی، رفع آلودگی صنایع متروکه ای است که در آن اورانیوم فرآوری می شد. به عنوان مثال، "شهر آکتائو چرنوبیل کوچک خود را دارد." در قلمرو کارخانه شیمیایی - هیدرومتالورژی (KhGMZ) واقع شده است. 11000 میکرو رونتگن در ساعت، میانگین سطح پس زمینه 200 میکرو رونتگن است (زمینه طبیعی معمول از 10 تا 25 میکرو رونتژن در ساعت است. پس از تعطیلی کارخانه، آلودگی زدایی در اینجا اصلا انجام نشد. بخشی از تجهیزات، حدود پانزده هزار تن، قبلاً دارای رادیواکتیویته غیرقابل جابجایی است. در عین حال، چنین اقلام خطرناکی در فضای باز ذخیره می شوند، محافظت ضعیفی دارند و دائماً از قلمرو KhGMZ دور می شوند.

بنابراین، از آنجایی که هیچ تولید ابدی وجود ندارد، در ارتباط با ظهور فناوری‌های جدید، TCB می‌تواند بسته شود و سپس اشیاء، فلزات شرکت وارد بازار شده و مردم محلی آسیب ببینند.

آب در سیستم خنک کننده TCB استفاده خواهد شد. اما به گفته کارشناسان محیط زیست، اگر از نیروگاه های هسته ای آمار بگیریم، آب این مخازن برای شرب مناسب نیست.

به گفته کارشناسان، این مخزن مملو از فلزات سنگین (به ویژه توریم-232) است و در برخی نقاط سطح تابش گاما به 50 تا 60 میکرورونتژن در ساعت می رسد.

یعنی الان در جریان ساخت نیروگاه های اتمی بودجه ای که منطقه را به حالت اولیه بازگرداند تامین نمی شود. و پس از بسته شدن شرکت، هیچ کس نمی داند چگونه زباله های انباشته شده را دفن کند و بنگاه قبلی را تمیز کند.

3.2 مسائل پزشکی

اثرات مضر CTS شامل تولید جهش یافته از ویروس ها و باکتری هایی است که مواد مضر تولید می کنند. این به ویژه برای ویروس ها و باکتری های موجود در بدن انسان صادق است. ظهور تومورهای بدخیم و سرطان به احتمال زیاد یک بیماری شایع در میان ساکنان روستاهای ساکن در نزدیکی TCB خواهد بود. ساکنان همیشه بیشتر رنج می برند زیرا هیچ وسیله ای برای محافظت ندارند. دزیمتر گران است و دارو در دسترس نیست. زباله های TCF به رودخانه ها ریخته می شود، به هوا تخلیه می شود یا به لایه های زیرزمینی پمپ می شود، که اکنون در نیروگاه های هسته ای اتفاق می افتد.

علاوه بر آسیبی که بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض دوزهای بالا ایجاد می شود، پرتوهای یونیزان باعث اثرات طولانی مدت می شود. اساساً سرطان زایی و اختلالات ژنتیکی که می تواند در هر دوز و نوع مواجهه (تک، مزمن، موضعی) رخ دهد.

بر اساس گزارش های پزشکانی که بیماری های کارگران نیروگاه هسته ای را ثبت کرده اند، ابتدا بیماری های قلبی عروقی (سکته های قلبی) و سپس سرطان وجود دارد. عضله قلب تحت تأثیر تشعشع نازک تر می شود، شل می شود، دوام کمتری دارد. بیماری های کاملاً غیر قابل درک وجود دارد. مثلا نارسایی کبد. اما چرا این اتفاق می افتد، هیچ یک از پزشکان هنوز نمی دانند. اگر در حین تصادف مواد رادیواکتیو وارد مجرای تنفسی شود، پزشکان بافت های آسیب دیده ریه و نای را برش می دهند و فرد معلول با یک دستگاه قابل حمل برای تنفس راه می رود.

4. نتیجه گیری

بشر به انرژی نیاز دارد و نیاز به آن هر سال بیشتر می شود. در عین حال، ذخایر سوخت های طبیعی سنتی (نفت، زغال سنگ، گاز و غیره) محدود است. همچنین ذخایر محدودی از سوخت هسته ای - اورانیوم و توریم وجود دارد که از آنها می توان پلوتونیوم را در راکتورهای پرورش دهنده به دست آورد. ذخایر سوخت گرما هسته ای - هیدروژن - عملاً پایان ناپذیر است.

در سال 1991، برای اولین بار، به دست آوردن مقدار قابل توجهی انرژی - تقریباً 1.7 میلیون وات در نتیجه همجوشی هسته ای کنترل شده در آزمایشگاه مشترک اروپایی (Torus) امکان پذیر شد. در دسامبر 1993، محققان دانشگاه پرینستون از یک راکتور همجوشی نوع توکامک برای تولید یک واکنش هسته ای کنترل شده استفاده کردند، انرژی آزاد شده 5.6 میلیون وات بود. با این حال، هر دو راکتور از نوع توکامک و آزمایشگاه توروس انرژی بیشتری نسبت به دریافت شده صرف کردند.

اگر تولید انرژی گداخت هسته ای عملا مقرون به صرفه شود، منبع نامحدودی از سوخت فراهم می شود.

5. مراجع

1) مجله "نگاه جدید" (فیزیک؛ برای نخبگان آینده).

2) کتاب درسی فیزیک پایه یازدهم.

3) آکادمی انرژی (تحلیل، ایده ها، پروژه ها).

4) مردم و اتم ها (ویلیام لارنس).

5) عناصر جهان (سیبورگ و والنس).

6) فرهنگ لغت دایره المعارف شوروی.

۷) دایره المعارف انکارتا ۹۶.

8) ستاره شناسی - http://www.college.ru./astronomy.

سیوکووا اولگا دیمیتریونا

این اثر در NOU منطقه ای مقام سوم را به خود اختصاص داد

دانلود:

پیش نمایش:

موسسه آموزشی شهرداری

دبیرستان №175

منطقه لنینسکی نیژنی نووگورود

مشکلات همجوشی گرما هسته ای

تکمیل شده توسط: Sivkova Olga Dmitrievna

دانش آموز 11 کلاس "الف" مدرسه شماره 175

سرپرست:

Kirzhaeva D. G.

نیژنی نووگورود

سال 2013.

مقدمه 3

2. همجوشی حرارتی کنترل شده 8

3. مزایای همجوشی حرارتی 10

4. مسائل همجوشی حرارتی 12

4.1 مسائل زیست محیطی 15

4.2 مشکلات پزشکی 16

5. تاسیسات هسته ای 18

6. چشم انداز توسعه همجوشی حرارتی 23

نتیجه گیری 26

ادبیات 27

معرفی

بر اساس پیش بینی های مختلف، منابع اصلی برق در این سیاره در 50-100 سال به پایان می رسد. بشر در 40 سال ذخایر نفت، گاز - حداکثر در 80 سال و اورانیوم - در 80-100 سال تمام خواهد کرد. ذخایر زغال سنگ می تواند تا 400 سال دوام بیاورد، اما استفاده از این سوخت فسیلی و به عنوان اصلی ترین آن، سیاره را فراتر از آستانه یک فاجعه زیست محیطی قرار می دهد. اگر امروز جلوی چنین آلودگی بی‌رحمانه‌ای از جو گرفته نشود، دیگر صحبت از هیچ قرنی نیست. این بدان معناست که ما در آینده قابل پیش بینی به یک منبع جایگزین انرژی نیاز داریم.

و چنین منبعی وجود دارد. این انرژی گرما هسته ای است که از دوتریوم و تریتیوم رادیواکتیو کاملا غیر رادیواکتیو استفاده می کند، اما در حجم هزاران بار کمتر از انرژی هسته ای است. و این منبع عملاً پایان ناپذیر است، بر اساس برخورد هسته های هیدروژن است و هیدروژن رایج ترین ماده در جهان است.

یکی از مهمترین وظایف پیش روی بشر در این زمینه استمشکل همجوشی حرارتی کنترل شده

امروزه منابع اصلی انرژی نفت، گاز و زغال سنگ است.

نیروگاه های هسته ای که بهترین سوخت را دارند، البته می توانند برای بیش از صد سال برق بشریت را تامین کنند.

موضوع مطالعه:چالش ها و مسائل همجوشی حرارتی کنترل شده

موضوع مطالعه:همجوشی گرما هسته ای

هدف مطالعه:حل مشکل کنترل همجوشی گرما هسته ای؛

اهداف پژوهش:

بررسی انواع واکنش های گرما هسته ای.
تمام گزینه های ممکن را برای رساندن انرژی آزاد شده در طی یک واکنش حرارتی هسته ای به یک فرد در نظر بگیرید.
یک نظریه در مورد تبدیل انرژی به الکتریسیته ارائه دهید.

واقعیت اولیه:

دستاورد شرایط همجوشی حرارتی کنترل شده توسط چندین مشکل اصلی مختل می شود:

ابتدا گاز باید تا دمای بسیار بالا گرم شود.
ثانیاً، کنترل تعداد هسته های واکنش دهنده برای مدت زمان کافی ضروری است.
ثالثاً، مقدار انرژی آزاد شده باید بیشتر از آن باشد که برای گرم کردن و محدود کردن چگالی گاز صرف شده است.
مشکل بعدی انباشته شدن این انرژی و تبدیل آن به برق است.

1. واکنش های گرما هسته ای در خورشید

اولین تلاش‌ها برای پاسخ به این سؤالات توسط ستاره‌شناسان در اواسط قرن نوزدهم و پس از تدوین قانون بقای انرژی توسط فیزیکدانان انجام شد.

رابرت مایر پیشنهاد کرد که خورشید به دلیل بمباران مداوم سطح توسط شهاب سنگ ها و ذرات شهاب سنگ می درخشد. این فرضیه رد شد، زیرا یک محاسبه ساده نشان می دهد که برای حفظ درخشندگی خورشید در سطح فعلی، لازم است که 2∙10 15 کیلوگرم ماده شهاب سنگی برای یک سال 6∙10 خواهد بود 22 کیلوگرم، و در طول وجود خورشید، به مدت 5 میلیارد سال - 3∙10 32 کیلوگرم. جرم خورشید M = 2∙10 30 کیلوگرم، بنابراین، در پنج میلیارد سال، ماده ای 150 برابر جرم خورشید باید روی خورشید می افتاد.

فرضیه دوم نیز توسط هلمهولتز و کلوین در اواسط قرن نوزدهم مطرح شد. آنها پیشنهاد کردند که خورشید با انقباض سالانه 60 تا 70 متر تابش می کند. دلیل فشردگی، جاذبه متقابل ذرات خورشید است، به همین دلیل است که این فرضیه نامیده می شود.قراردادی . اگر بر اساس این فرضیه محاسبه کنیم، سن خورشید بیش از 20 میلیون سال نخواهد بود، که با داده های مدرن به دست آمده از تجزیه و تحلیل تجزیه رادیواکتیو عناصر در نمونه های زمین شناسی خاک زمین و خاک ماه در تناقض است. .

محتمل ترین فرضیه، فرضیه سنتز عناصر در نتیجه واکنش های هسته ای در فضای داخلی ستارگان است.

منبع اصلی انرژی استچرخه پروتون-پروتون - واکنش بسیار آهسته (زمان مشخصه 7.9∙10 9 سال)، زیرا به دلیل تعامل ضعیف است. ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که از چهار پروتون یک هسته هلیوم به دست می آید. در این حالت یک جفت پوزیترون و یک جفت نوترینو و همچنین 26.7 مگا ولت انرژی آزاد می شود. تعداد نوترینوهایی که خورشید در هر ثانیه ساطع می کند تنها با درخشندگی خورشید تعیین می شود. از آنجایی که وقتی 26.7 مگا ولت آزاد می شود، 2 نوترینو متولد می شود، سپس نرخ انتشار نوترینو: 1.8∙10 38 نوترینو/ها آزمون مستقیم این نظریه، مشاهده نوترینوهای خورشیدی است. نوترینوهای پرانرژی (بور) در آزمایش‌های کلر-آرگون (آزمایش‌های دیویس) ثبت می‌شوند و به طور مداوم کمبود نوترینو را در مقایسه با مقدار نظری مدل خورشیدی استاندارد نشان می‌دهند. نوترینوهای کم انرژی که مستقیماً در واکنش pp بوجود می آیند در آزمایشات گالیم-ژرمانیوم (GALLEX در Gran Sasso (ایتالیا-آلمان) و SAGE در Baksan (روسیه-ایالات متحده آمریکا)) ثبت می شوند. آنها نیز "مفقود" هستند.

2. همجوشی حرارتی کنترل شده.

همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده (CTF) سنتز هسته‌های اتمی سنگین‌تر از هسته‌های سبک‌تر به منظور به دست آوردن انرژی است که بر خلاف همجوشی گرما هسته‌ای انفجاری (که در سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود)، کنترل می‌شود. همجوشی گرما هسته ای کنترل شده با انرژی هسته ای سنتی تفاوت دارد زیرا انرژی هسته ای از یک واکنش شکافت استفاده می کند که طی آن هسته های سبک تر از هسته های سنگین به دست می آیند. دوتریوم ( 2 H) و تریتیوم (3 H)، و در آینده ای دورتر، هلیوم-3 ( 3 او) و بور-11 (11 B).

همجوشی حرارتی کنترل شده بسته به نوع سوخت مورد استفاده می تواند از انواع مختلفی از واکنش های حرارتی هسته ای استفاده کند.

دوتریوم به عنوان سوخت گرما هسته ای طبقه بندی می شود. 2 D 1، تریتیوم 3 T 1 و 6 Li 3 . سوخت هسته ای اولیه این نوع دوتریوم است. 6 لی 3 به عنوان یک ماده خام برای به دست آوردن سوخت گرما هسته ای ثانویه عمل می کند -تریتیوم

تریتیوم 3 تی 1 - هیدروژن فوق سنگین 3 N 1 - به دست آمده از تابش لی طبیعی ( 7.52٪ 6 Li 3 ) نوترون ها و ذرات آلفا ( 4α 2 - هسته های اتم هلیوم 4 نه 2 ). دوتریوم به عنوان سوخت گرما هسته ای مخلوط با تریتیوم و 6 Li 3 (به شکل LiD و LiТ ). در حین اجرای واکنش های همجوشی هسته ای در سوخت، واکنش های همجوشی هسته های هلیوم (در دمای ده ها تا صدها میلیون درجه) رخ می دهد. نوترون های ساطع شده توسط هسته ها جذب می شوند 6 لی 3 ، در حالی که مقدار اضافی تریتیوم بر اساس واکنش تشکیل می شود: 6 Li 3 + 1 p 0 \u003d 3 T 1 + 4 He 2 ( در واکنش مجموع اعداد جرمی 6+1=3+4 و مجموع شارژها 3+0=1+2 باید در هر دو طرف معادله یکسان باشد). دو هسته دوتریوم (هیدروژن سنگین) در نتیجه واکنش همجوشی یک هسته تریتیوم (هیدروژن فوق سنگین) و یک پروتون (هسته یک اتم هیدروژن معمولی) ایجاد می کنند: 2 D 1 + 2 D 1 \u003d 3 T 1 + 1 R 1; واکنش‌ها همچنین می‌توانند به سمت دیگری بروند، با تشکیل یک هسته ایزوتوپ هلیوم 3 He 2 و نوترون 1 p 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 p 0 . تریتیوم با دوتریوم واکنش می دهد، نوترون ها دوباره ظاهر می شوند و قادر به تعامل با 6 Li 3: 2 D 1 + 3 T 1 \u003d 4 He 2 + 1 p 0 و غیره. ارزش حرارتی سوخت گرما هسته ای 5 تا 6 برابر بیشتر از مواد شکافت پذیر است. ذخایر دوتریوم در هیدروسفر تقریباً می باشد 10 13 تن . با این حال، در حال حاضر، عملا فقط واکنش های کنترل نشده (انفجار) انجام می شود و روش هایی برای انجام یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده به طور گسترده ای در حال جستجو هستند، که در اصل این امکان را فراهم می کند تا برای مدت تقریباً نامحدودی انرژی برای بشر فراهم کند. زمان.

3. مزایای همجوشی گرما هسته ای

همجوشی حرارتی در مقایسه با واکنش‌های شکافت هسته‌ای چه مزایایی دارد که به ما امکان می‌دهد به توسعه انرژی گرما هسته‌ای در مقیاس بزرگ امیدوار باشیم؟ تفاوت اصلی و اساسی در فقدان زباله های رادیواکتیو با عمر طولانی است که برای راکتورهای شکافت هسته ای معمول است. و اگرچه دیواره اول در حین کار یک راکتور گرما هسته ای توسط نوترون ها فعال می شود، انتخاب مواد ساختاری مناسب کم فعال شدن امکان اساسی ایجاد یک راکتور گرما هسته ای را فراهم می کند که در آن فعالیت القایی دیواره اول به طور کامل کاهش می یابد. سطح ایمن سی سال پس از خاموش شدن راکتور. این بدان معناست که راکتور منقضی شده تنها به مدت 30 سال نیاز به گلوله زدن دارد و پس از آن می توان مواد را بازیافت کرد و در یک راکتور همجوشی جدید استفاده کرد. این وضعیت اساساً با راکتورهای شکافت متفاوت است که زباله‌های رادیواکتیو تولید می‌کنند که نیازمند پردازش و ذخیره‌سازی برای ده‌ها هزار سال است. علاوه بر رادیواکتیویته کم، انرژی گرما هسته ای دارای ذخایر عظیم و تقریباً پایان ناپذیر سوخت و سایر مواد ضروری است که برای تولید انرژی برای صدها، اگر نه هزاران سال کافی است.

این مزایا بود که کشورهای اصلی هسته ای را بر آن داشت تا تحقیقات گسترده ای را در مورد همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده در اواسط دهه 1950 آغاز کنند. در آن زمان، اولین آزمایش های موفقیت آمیز بمب های هیدروژنی قبلاً در اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده انجام شده بود که امکان اساسی استفاده از انرژی همجوشی هسته ای در شرایط زمینی را تأیید می کرد. از همان ابتدا مشخص شد که همجوشی حرارتی کنترل شده کاربرد نظامی ندارد. در سال 1956، این تحقیق از طبقه بندی خارج شد و از آن زمان در چارچوب همکاری های بین المللی گسترده انجام شده است. بمب هیدروژنی تنها در چند سال ساخته شد و در آن زمان به نظر می رسید که هدف نزدیک است و اولین تأسیسات آزمایشی بزرگ که در پایان دهه 50 ساخته شد، پلاسمای گرما هسته ای دریافت می کرد. با این حال، بیش از 40 سال تحقیق طول کشید تا شرایطی ایجاد شود که تحت آن آزاد شدن توان حرارتی هسته ای با قدرت گرمایش مخلوط واکنش دهنده قابل مقایسه باشد. در سال 1997، بزرگترین تاسیسات ترموهسته ای، TOKAMAK اروپایی (JET)، 16 مگاوات توان حرارتی هسته ای دریافت کرد و به این آستانه نزدیک شد.

دلیل چنین تاخیری چه بود؟ معلوم شد که برای رسیدن به هدف، فیزیکدانان و مهندسان باید مسائل زیادی را حل می کردند که در ابتدای سفر هیچ تصوری از آنها نداشتند. در طی این 40 سال، یک علم ایجاد شد - فیزیک پلاسما، که درک و توصیف فرآیندهای فیزیکی پیچیده ای را که در مخلوط واکنش رخ می دهد امکان پذیر کرد. مهندسان مجبور بودند مشکلات به همان اندازه دشوار را حل کنند، از جمله چگونگی ایجاد خلاء عمیق در حجم های زیاد، انتخاب و آزمایش مواد ساختاری مناسب، توسعه آهنرباهای ابررسانای بزرگ، لیزرهای قدرتمند و منابع پرتو ایکس، توسعه سیستم های قدرت پالسی که قادر به ایجاد پرتوهای ذرات قدرتمند هستند. برای توسعه روش های گرمایش با فرکانس بالا مخلوط و موارد دیگر.

4. مشکلات همجوشی حرارتی کنترل شده

انرژی هسته های شرکت کننده در واکنش باید حداقل 10 کیلو ولت باشد. برای شروع همجوشی هسته ای، هسته های شرکت کننده در واکنش باید در میدان نیروهای هسته ای قرار گیرند که شعاع آنها 10-12-10-13 سانتی متر است. با این حال، هسته های اتم دارای بار الکتریکی مثبت هستند و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند. در مرز عمل نیروهای هسته ای، انرژی دافعه کولن حدود 10 کیلو ولت است. برای غلبه بر این مانع، هسته های در برخورد باید دارای انرژی جنبشی حداقل کمتر از این مقدار باشند.
حاصلضرب غلظت هسته های واکنش دهنده و زمان ماندگاری که در طی آن انرژی نشان داده شده را حفظ می کنند باید حداقل 1014 s.cm-3 باشد. این شرط - به اصطلاح معیار لاوسون - حد سودآوری انرژی واکنش را تعیین می کند. برای اینکه انرژی آزاد شده در واکنش همجوشی حداقل هزینه های انرژی شروع واکنش را پوشش دهد، هسته اتم باید دستخوش برخوردهای زیادی شود. در هر برخوردی که در آن یک واکنش همجوشی بین دوتریوم (D) و تریتیوم (T) رخ می دهد، 17.6 مگا ولت انرژی آزاد می شود، یعنی تقریباً 3.10-12 ژول. اگر برای مثال، 10 مگا ژول انرژی صرف احتراق شود، آنگاه واکنش شکسته خواهد شد حتی اگر حداقل 3.1018 جفت D-T در آن شرکت کنند. و برای این، یک پلاسمای نسبتاً متراکم با انرژی بالا باید برای مدت طولانی در راکتور نگهداری شود. این شرط با معیار لاوسون بیان می شود.

اگر بتوان هر دو الزام را به طور همزمان برآورده کرد، مشکل همجوشی گرما هسته ای کنترل شده حل خواهد شد.

4.1 مشکلات اقتصادی

4.2 مسائل پزشکی

5. تاسیسات گرما هسته ای

دانشمندان کشور ما و اکثر کشورهای پیشرفته جهان سال هاست که با مشکل استفاده از واکنش های گرما هسته ای برای مصارف انرژی دست و پنجه نرم می کنند. تاسیسات گرما هسته ای منحصر به فرد ایجاد شده است - پیچیده ترین دستگاه های فنی طراحی شده برای مطالعه امکان به دست آوردن انرژی عظیم، که تاکنون تنها در هنگام انفجار یک بمب هیدروژنی آزاد می شود. دانشمندان می خواهند یاد بگیرند که چگونه سیر یک واکنش گرما هسته ای را کنترل کنند - واکنش ترکیب هسته های هیدروژن سنگین (دوتریوم و تریتیوم) با تشکیل هسته های هلیوم در دماهای بالا - به منظور استفاده از انرژی آزاد شده در طی این واکنش برای اهداف صلح آمیز. به نفع مردم

در یک لیتر آب لوله کشی دوتریوم بسیار کمی وجود دارد. اما اگر این دوتریوم جمع آوری شده و به عنوان سوخت در یک تاسیسات گرما هسته ای استفاده شود، می توانید به اندازه سوزاندن 300 کیلوگرم نفت انرژی دریافت کنید. و برای تامین انرژی که اکنون با سوزاندن سوخت معمولی تولید شده در یک سال به دست می آید، لازم است دوتریوم از آب موجود در مکعبی با ضلع تنها 160 متر استخراج شود. رودخانه ولگا به تنهایی سالانه حدود 60000 متر مکعب از این نوع آب را به دریای خزر می برد.

برای اینکه یک واکنش گرما هسته ای رخ دهد، چندین شرط باید رعایت شود. بنابراین، دمای منطقه ای که هسته های هیدروژن سنگین ترکیب می شوند باید تقریباً 100 میلیون درجه باشد. در چنین دمای عظیمی، دیگر در مورد گاز صحبت نمی کنیم، بلکه در مورد پلاسما صحبت می کنیم. پلاسما حالتی از ماده است که در دمای بالای گاز، اتم های خنثی الکترون های خود را از دست می دهند و به یون های مثبت تبدیل می شوند. به عبارت دیگر، پلاسما مخلوطی از یون‌ها و الکترون‌های مثبت است که آزادانه حرکت می‌کنند. شرط دوم، نیاز به حفظ چگالی پلاسما در ناحیه واکنش حداقل 100000 میلیارد ذره در سانتی متر مکعب است. و در نهایت، اصلی ترین و سخت ترین کار این است که روند واکنش گرما هسته ای را حداقل برای یک ثانیه حفظ کنیم.

محفظه کاری یک تاسیسات گرما هسته ای شبیه به یک نان شیرینی توخالی بزرگ است. با مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم پر شده است. در داخل خود محفظه، یک سیم پیچ پلاسما ایجاد می شود - رسانایی که جریان الکتریکی حدود 20 میلیون آمپر از آن عبور می کند.
جریان الکتریکی سه عملکرد مهم را انجام می دهد. ابتدا پلاسما را ایجاد می کند. ثانیاً آن را تا صد میلیون درجه گرم می کند. و در نهایت، جریان یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند، یعنی پلاسما را با خطوط مغناطیسی نیرو احاطه می کند. اصولاً خطوط نیرو در اطراف پلاسما باید آن را معلق نگه دارد و از تماس پلاسما با دیواره های محفظه جلوگیری کند.اما معلق نگه داشتن پلاسما به این سادگی نیست. نیروهای الکتریکی باعث تغییر شکل هادی پلاسما می شود که قدرت رسانای فلزی را ندارد. خم می شود، به دیواره محفظه برخورد می کند و انرژی حرارتی خود را به آن می دهد. برای جلوگیری از این امر، سیم پیچ های بیشتری در بالای محفظه حلقوی قرار داده می شود که یک میدان مغناطیسی طولی در محفظه ایجاد می کند که هادی پلاسما را از دیوارها دور می کند. فقط این کافی نیست، زیرا هادی پلاسمای حامل جریان تمایل به کشش دارد تا قطر آن را افزایش دهد. میدان مغناطیسی که به طور خودکار و بدون نیروهای خارجی خارجی ایجاد می شود نیز برای جلوگیری از انبساط هادی پلاسما فراخوانی می شود. هادی پلاسما همراه با محفظه حلقوی در محفظه بزرگتر دیگری که از ماده ای غیر مغناطیسی، معمولاً مس، ساخته شده است، قرار می گیرد. به محض اینکه هادی پلاسما تلاش می کند تا از وضعیت تعادل منحرف شود، در غلاف مسی، طبق قانون القای الکترومغناطیسی، یک جریان القایی ایجاد می شود که مخالف جریان پلاسما است. در نتیجه یک نیروی مخالف ظاهر می شود که پلاسما را از دیواره های محفظه دفع می کند.
برای جلوگیری از تماس پلاسما با دیواره های محفظه توسط میدان مغناطیسی در سال 1949 توسط A.D. ساخاروف و کمی بعد جی.اسپیتزر آمریکایی.

در فیزیک، مرسوم است که برای هر نوع جدید از تنظیمات آزمایشی نام‌گذاری می‌شود. سازه ای با چنین سیستم سیم پیچی توکامک نامیده می شود - مخفف "محفظه حلقوی و سیم پیچ مغناطیسی".

در دهه 1970، یک تاسیسات هسته ای به نام "توکامک-10" در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد. این در موسسه انرژی اتمی توسعه یافته است. I.V. کورچاتوف در این نصب، دمای هادی پلاسما 10 میلیون درجه بود، چگالی پلاسما کمتر از 100 هزار میلیارد ذره در سانتی متر مکعب نبود و زمان ماند پلاسما نزدیک به 0.5 ثانیه بود. بزرگترین تاسیسات امروز کشور ما، توکامک-15، نیز در موسسه کورچاتوف مرکز تحقیقات مسکو ساخته شده است.

تمام تاسیسات ترموهسته ای ایجاد شده تاکنون فقط برای گرمایش پلاسما و ایجاد میدان های مغناطیسی انرژی مصرف می کنند. برعکس، یک نیروگاه گرما هسته‌ای آینده باید آنقدر انرژی آزاد کند که بخش کوچکی از آن بتواند برای حفظ یک واکنش گرما هسته‌ای استفاده شود، یعنی برای گرم کردن پلاسما، ایجاد میدان‌های مغناطیسی و تامین انرژی بسیاری از وسایل و دستگاه‌های کمکی، و قسمت اصلی را برای مصرف در شبکه برق بدهید.

در سال 1997، در بریتانیا، در JET tokamak، انرژی ورودی و دریافتی همزمان شد. اگرچه این البته برای خودپایداری فرآیند کافی نیست: تا 80 درصد انرژی دریافتی از بین می رود. برای اینکه راکتور کار کند، نیاز به تولید انرژی پنج برابر بیشتر از انرژی است که برای گرم کردن پلاسما و ایجاد میدان های مغناطیسی صرف می شود.
در سال 1986، کشورهای اتحادیه اروپا به همراه اتحاد جماهیر شوروی، ایالات متحده آمریکا و ژاپن تصمیم گرفتند به طور مشترک تا سال 2010 یک توکامک به اندازه کافی بزرگ بسازند که قادر به تولید انرژی نه تنها برای حفظ همجوشی گرما هسته ای در پلاسما، بلکه برای به دست آوردن مفید نیز باشد. قدرت الکتریکی. این راکتور ITER نام داشت که مخفف عبارت International Thermonuclear Experimental Reactor است. تا سال 1998 آنها موفق به تکمیل محاسبات طراحی شدند، اما به دلیل شکست آمریکایی ها، باید تغییراتی در طراحی راکتور ایجاد می شد تا هزینه آن کاهش یابد.

می توانید اجازه دهید ذرات به طور طبیعی حرکت کنند و به دوربین شکلی بدهید که مسیر آنها را دنبال کند. سپس دوربین ظاهر نسبتاً عجیبی دارد. شکل یک رشته پلاسما را تکرار می کند که در میدان مغناطیسی سیم پیچ های خارجی با یک پیکربندی پیچیده ظاهر می شود. میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ های خارجی با پیکربندی بسیار پیچیده تر از توکامک ایجاد می شود. دستگاه هایی از این نوع ستاره ساز نامیده می شوند. Torsatron "Hurricane-3M" در کشور ما ساخته شده است. این ستاره‌ساز آزمایشی به گونه‌ای طراحی شده است که حاوی پلاسمای گرم شده تا ده میلیون درجه باشد.

در حال حاضر توکامک ها رقبای جدی دیگری با استفاده از همجوشی گرما هسته ای اینرسی دارند. در این مورد، چندین میلی گرم از مخلوط دوتریوم-تریتیوم در یک کپسول به قطر 1-2 میلی متر محصور می شود. تابش پالسی چندین ده لیزر قدرتمند روی کپسول متمرکز شده است. در نتیجه کپسول فورا تبخیر می شود. لازم است 2 مگا ژول انرژی در 5 تا 10 نانوثانیه به تابش وارد شود. سپس فشار نور به حدی مخلوط را فشرده می کند که یک واکنش همجوشی حرارتی هسته ای انجام می شود. انرژی آزاد شده در طول انفجار، معادل قدرت انفجار صد کیلوگرم TNT، به شکل راحت تری برای استفاده تبدیل می شود - به عنوان مثال، به برق. با این حال، ساخت ستاره سازها و تاسیسات همجوشی اینرسی نیز با مشکلات فنی جدی مواجه است. احتمالاً استفاده عملی از انرژی گرما هسته ای بحثی در آینده نزدیک نیست.

6. چشم انداز تسلط بر همجوشی گرما هسته ای

به عنوان یک وظیفه مهم برای صنعت هسته ای، در دراز مدت، ورود به توسعه فن آوری های همجوشی حرارتی کنترل شده به عنوان پایه انرژی آینده است. در حال حاضر، تصمیمات استراتژیک در سراسر جهان برای توسعه و تسلط بر منابع انرژی جدید اتخاذ می شود. نیاز به توسعه چنین منابعی با کمبود مورد انتظار تولید انرژی و منابع سوخت محدود همراه است. یکی از امیدوارکننده ترین منابع انرژی نوآورانه همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده (CTF) است. انرژی همجوشی در طی همجوشی هسته ایزوتوپ های هیدروژن سنگین آزاد می شود. سوخت یک راکتور گرما هسته ای آب و لیتیوم است که ذخایر آن عملا نامحدود است. در شرایط زمینی، اجرای CTS یک کار علمی و فناوری پیچیده است که با به دست آوردن دمای ماده بیش از 100 میلیون درجه و عایق حرارتی منطقه سنتز از دیواره‌های راکتور مرتبط است.

همجوشی حرارتی یک پروژه بلندمدت است، ایجاد یک مرکز تجاری تا سال 2040-2050 انتظار می رود. محتمل ترین سناریو برای تسلط بر انرژی گرما هسته ای شامل اجرای سه مرحله است:
- تسلط بر حالت های سوزاندن طولانی مدت یک واکنش گرما هسته ای.
- نمایش تولید برق؛
- ایجاد ایستگاه های حرارتی هسته ای صنعتی.

در چارچوب پروژه بین‌المللی ITER (رآکتور آزمایشی حرارتی بین‌المللی)، قرار است امکان‌سنجی فنی محدود کردن پلاسما و تولید انرژی را نشان دهد.هدف برنامه اصلی پروژه ITER نشان دادن امکان علمی و فنی بدست آوردن انرژی از طریق واکنش های همجوشی (همجوشی) ایزوتوپ های هیدروژن - دوتریوم و تریتیوم است. توان همجوشی طراحی راکتور ITER در دمای پلاسما 100 میلیون درجه حدود 500 مگاوات خواهد بود.
در نوامبر 2006، همه شرکت کنندگان در پروژه ITER - اتحادیه اروپا، روسیه، ژاپن، ایالات متحده آمریکا، چین، کره و هند توافقنامه هایی را در مورد ایجاد سازمان بین المللی انرژی همجوشی ITER برای اجرای مشترک پروژه ITER امضا کردند. مرحله ساخت رآکتور در سال 2007 آغاز شد.

مشارکت روسیه در پروژه ITER شامل توسعه، ساخت و تامین تجهیزات فنی اصلی به سایت ساخت رآکتور (Cadarache، فرانسه) و کمک مالی است که به طور کلی حدود 10٪ از کل هزینه ساخت راکتور است. . ایالات متحده آمریکا، چین، هند، کره و ژاپن سهم یکسانی از سهم دارند.
نقشه راه برای تسلط بر انرژی همجوشی حرارتی کنترل شده

2000 (سطح فعلی):
چالش هایی که باید حل شوند: دستیابی به برابری در هزینه ها و تولید انرژی
جدیدترین نسل توکامک ها امکان نزدیک شدن به اجرای احتراق حرارتی هسته ای کنترل شده را با آزادسازی زیاد انرژی فراهم می کند.
قدرت واکنش های همجوشی گرما هسته ای به سطح 17 مگاوات (تاسیسات جت، اتحادیه اروپا) رسیده است که با توانی که به پلاسما وارد می شود قابل مقایسه است.
2020:

وظایفی که باید در پروژه ITER حل شوند: واکنش بلندمدت، توسعه و ادغام فناوری‌های هسته‌ای.

هدف پروژه ITER دستیابی به اشتعال کنترل شده یک واکنش گرما هسته ای و سوزاندن طولانی مدت آن با ده برابر بیشتر از توان حرارتی هسته ای نسبت به توان شروع واکنش همجوشی Q³10 است.

2030:
وظیفه ای که باید حل شود: ساخت یک ایستگاه نمایشی DEMO (OTE)
انتخاب مواد و فن‌آوری‌های بهینه برای OFC، طراحی، ساخت و آزمایش‌های راه‌اندازی یک نیروگاه آزمایشی نیروگاه حرارتی هسته‌ای در چارچوب پروژه DEMO تکمیل شد و طراحی مفهومی PTE تکمیل شد.
2050
وظایفی که باید حل شوند: طراحی و ساخت PTE، تکمیل آزمایش فناوری های تولید برق در DEMO.
ایجاد ایستگاه صنعتی انرژی با حاشیه ایمنی بالا و شاخص های اقتصادی قابل قبول هزینه انرژی.
بشریت یک منبع انرژی پایان ناپذیر، زیست محیطی و اقتصادی قابل قبول در دستان خود خواهد داشت.طراحی راکتور همجوشی مبتنی بر سیستم هایی با محصور شدن پلاسمای مغناطیسی از نوع "توکامک" است که برای اولین بار در اتحاد جماهیر شوروی توسعه و اجرا شد. در سال 1968 دمای پلاسما به 10 میلیون درجه در T-3 tokamak رسید. از آن زمان، تاسیسات Tokamak به جهت پیشرو در تحقیقات در مورد همجوشی گرما هسته ای در همه کشورها تبدیل شده است.

در حال حاضر توکاماک های T-10 و T-15 (RRC "موسسه کورچاتوف")، T-11M (FSUE SRC RF TRINITI، Troitsk، منطقه مسکو)، Globus-M، FT-2، Tuman-3 (موسسه فنی-فیزیکی) به نام A.F. Ioffe، سنت پترزبورگ، RAS) و ستاره L-2 (موسسه فیزیک عمومی، مسکو، RAS).

نتیجه

بر اساس تحقیقات انجام شده می توان به نتایج زیر دست یافت:

همجوشی گرما هسته ای منطقی ترین، از نظر زیست محیطی بی ضرر و ارزان ترین راه برای به دست آوردن انرژی است، از نظر مقدار گرمای دریافتی، با منابع طبیعی استفاده شده توسط انسان در حال حاضر قابل مقایسه نیست. بدون شک فرآیند تسلط بر همجوشی گرما هسته ای بسیاری از مشکلات بشر را چه در زمان حال و چه در آینده حل خواهد کرد.

در آینده، همجوشی گرما هسته ای غلبه بر "بحران بشریت" دیگر، یعنی جمعیت بیش از حد زمین را ممکن می کند. بر کسی پوشیده نیست که توسعه تمدن زمینی رشد مداوم و پیوسته جمعیت سیاره را فراهم می کند، بنابراین مسئله توسعه "سرزمین های جدید"، به عبارت دیگر، استعمار سیارات همسایه منظومه شمسی برای ایجاد دائمی است. شهرک سازی، موضوعی است که در آینده نزدیک است.

ادبیات

A. P. Baskakov. مهندسی حرارت / - M .: Energoatomizdat، 1991
V. I. KRUTOV مهندسی حرارت / - M .: Mashinostroenie، 1986
K. V. Tikhomirov. مهندسی حرارت، تامین حرارت و گاز و تهویه - M .: Stroyizdat, 1991
V. P. Preobrazhensky. اندازه گیری ها و دستگاه های حرارتی - M.: انرژی، 1978
جفری پی.فریدبرگ. فیزیک پلاسما و انرژی همجوشی/ - انتشارات دانشگاه کمبریج، 2007.
http://www.college.ru./astronomy- نجوم
http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm همجوشی گرما هسته ای در خورشید - نسخه جدید ولادیمیر ولاسوف

پیش نمایش:

برای استفاده از پیش نمایش ارائه ها، یک حساب Google (حساب) ایجاد کنید و وارد شوید: https://accounts.google.com

شرح اسلایدها:

همجوشی گرما هسته ای

مفهوم این یک نوع واکنش هسته ای است که در آن هسته های اتمی سبک به دلیل انرژی جنبشی حرکت حرارتی خود به هسته های سنگین تر ترکیب می شوند.

انرژی بگیرید

معادله واکنش با تشکیل HE 4

واکنش گرما هسته ای در خورشید

فیوژن کنترل شده

محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی (توکامک)

نیاز به توسعه همجوشی گرما هسته ای

یک تکنیک جدید برای کاهش موثر الکترون های فراری با وارد کردن یون های "سنگین" مانند نئون یا آرگون به راکتور توسعه یافته است.

یک راکتور همجوشی کاربردی هنوز یک رویا است، اما در نهایت به لطف تحقیقات و آزمایش‌های فراوان با هدف باز کردن منبع نامحدود انرژی پاک می‌تواند محقق شود. مشکلاتی که دانشمندان در دستیابی به همجوشی هسته ای با آن مواجه هستند، بدون شک جدی و در واقع دشوار است، اما همه چیز قابل حل است. و به نظر می رسد یکی از مشکلات اصلی حل شده است.

همجوشی هسته‌ای فرآیندی نیست که توسط بشر اختراع شده باشد، اما در ابتدا در طبیعت وجود دارد، این فرآیند خورشید ما را تغذیه می‌کند. در اعماق ستاره خانه ما، اتم های هیدروژن در کنار هم قرار می گیرند تا هلیوم را تشکیل دهند که این فرآیند را آغاز می کند. همجوشی مقدار زیادی انرژی آزاد می کند، اما برای ایجاد فشار و دمای بسیار بالا هزینه زیادی دارد که بازتولید آن در زمین به روشی کنترل شده دشوار است.

سال گذشته، محققان MIT با قرار دادن پلاسما در فشار مناسب، ما را به همجوشی نزدیک‌تر کردند، اکنون دو محقق در دانشگاه چالمرز قطعه دیگری از این پازل را کشف کرده‌اند.

یکی از مشکلاتی که مهندسان با آن مواجه شده اند، الکترون های فراری است. این الکترون های بسیار پرانرژی می توانند به طور ناگهانی و غیرمنتظره به سرعت های بسیار بالایی شتاب بگیرند که می تواند بدون هشدار دیواره راکتور را تخریب کند.

دانشجویان دکتری Linnea Heshlow و Ole Amberose تکنیک جدیدی را برای کاهش موثر این الکترون‌های فراری با وارد کردن یون‌های "سنگین" مانند نئون یا آرگون به راکتور توسعه داده‌اند. در نتیجه، برخورد الکترون‌ها با بار زیاد در هسته‌های این یون‌ها، کند شده و بسیار قابل کنترل‌تر می‌شوند.

لینیا هشلوف می‌گوید: «زمانی که بتوانیم سرعت الکترون‌های فراری را کاهش دهیم، یک قدم به یک راکتور همجوشی عملکردی نزدیک‌تر خواهیم شد».

محققان مدلی ایجاد کرده اند که می تواند به طور موثر انرژی و رفتار الکترون را پیش بینی کند. با استفاده از مدل‌سازی پلاسمای ریاضی، فیزیکدانان اکنون می‌توانند سرعت فرار الکترون‌ها را بدون وقفه در فرآیند همجوشی به طور موثر کنترل کنند.

لینیا هشلوف می‌گوید: «بسیاری از مردم بر این باورند که این کار می‌کند، اما رفتن به مریخ آسان‌تر از ادغام است.» «شما می‌توانید بگویید که ما در حال تلاش برای جمع‌آوری ستاره‌ها در اینجا روی زمین هستیم، و این ممکن است کمی طول بکشد. دمای فوق‌العاده بالا، داغ‌تر از مرکز خورشید، لازم است تا ما با موفقیت در اینجا روی زمین ادغام شویم. بنابراین امیدوارم همه اینها موضوع زمان باشد."

بر اساس newatlas.com، ترجمه

سخنرانی شماره 2.

راه های حل مشکل همجوشی گرما هسته ای

جهات اصلی تحقیق در همجوشی هسته ای عبارتند از: الف) سیستم هایی با محصور شدن مغناطیسی.

ب) شبه ثابت (باز و بسته)؛ تکانه؛ ج) سیستم هایی با محصور شدن اینرسی (لیزر، با پرتوهای مختلف، با پوسته انقباضی).

تا به امروز، دو رویکرد تا حد زیادی مستقل برای حل مشکل همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده شکل گرفته است. اولین مورد بر اساس امکان محصور کردن و عایق بندی حرارتی پلاسمای با دمای بالا با چگالی نسبتا کم توسط یک میدان مغناطیسی با یک پیکربندی خاص برای مدت زمان نسبتاً طولانی (1-10 ثانیه) است.

راه دیگر تکانه است. در رویکرد پالسی، لازم است بخش‌های کوچکی از ماده به سرعت گرم و فشرده شوند تا دماها و چگالی‌هایی که در آن واکنش‌های حرارتی هسته‌ای زمان لازم برای انجام مؤثر در طول وجود پلاسمای نامحدود یا، به قول خودشان، محدود به اینرسی را داشته باشند. تخمین ها نشان می دهد که برای فشرده سازی یک ماده به چگالی 100-1000 گرم بر سانتی متر 3 و آن را تا دمای 5-10 کیلو ولت گرم کنید، ایجاد فشار بر روی سطح هدف کروی 10 ضروری است. 9 atm، یعنی ما به منبعی نیاز داریم که اجازه دهد انرژی با چگالی توان 10 به سطح هدف تامین شود. 15 وات بر سانتی متر مربع

محصور شدن مغناطیسی پلاسما

اجازه دهید دمای پلاسما Tو غلظت ذرات برهم کنش n 1 و n2 . اگر سرعت یک یون معین نسبت به دومی باشد v 1.2 ، سپس احتمال واکنش یک یون معین در 1 ثانیه با هر یک از یونهای نوع دوم با عبارت داده می شود. v 1.2 n 2. اینجا  سطح مقطع موثر واکنش همجوشی است، مقداری که به سرعت با سرعت در حال رشد است. اگر همه n 1 یونهای نوع اول دارای سرعت یکسانی بودند 1,2 , سپس تعداد کل واکنش های رخ داده در 1 سانتی متر 3 پلاسما برای 1 ثانیه، با برابری تعیین می شود: N 1.2 \u003d n 1 n 2  v 1.2 . در یک دمای معین، محصول باید بر روی توزیع ماکسولین به طور میانگین محاسبه شود. با نشان دادن انرژی آزاد شده در طی هر عمل واکنش، عبارتی برای توان خاص در فرم به دست می آوریم W=n 1 n 2<  v>وابستگی  (v) برای واکنش های مورد بررسی، کمیت<  v> را می توان محاسبه کرد و همراه با آن توان خاص را نیز پیدا کرددبلیو در هر دما و چگالی پلاسما.
تخمین های عددی نشان می دهد که ارزشدبلیو با دما به سرعت افزایش می یابد، در دمای "احتراق" چند صد میلیون درجه و در چگالی پلاسما ~ 10 15 سانتی متر -3 حدود 10 است 5 کیلو وات / متر 3 . افزایش دما و چگالی منجر به رژیم های انرژی بر بیشتر می شود که در آن مشکلات فنی در اجرای پروژه باید به تدریج افزایش یابد. رژیم‌های «نرم» بیشتر، با توان کل نه چندان پایین راکتور گرما هسته‌ای، به اندازه‌های بسیار بزرگ سیستم منجر می‌شوند. بنابراین، مقادیر گرفته شده نشان دهنده یک سازش فنی منطقی بین الزامات متضاد است. همچنین توجه داشته باشید که برآوردهای مورد استفاده به پلاسمای دوتریوم اشاره دارد. برای مخلوط مساوی از دوتریوم و تریتیوم، دمای بهینه "کار" کمتر است.
سپس سؤال طبیعی زیر مطرح می شود: چگونه می توان این شرایط را در منطقه واکنش ایجاد کرد؟ به طور دقیق تر: چگونه پلاسما را تا دمای بسیار بالا گرم کنیم و چگونه ذرات گرم شده را برای مدتی که برای انجام واکنش های هسته ای کافی است از هم جدا نشوند؟ به نظر می رسد مشکل اصلی با بخش دوم سوال مرتبط است. انرژی که باید به حجم معینی از پلاسما با چگالی مشخص داده شود تا آن را تا 10 گرم کند. 8 K، یک مقدار بسیار متوسط است. برابر با انرژی است که برای گرم کردن همان حجم آب تنها 1 K باید صرف شود. برعکس، شار ذرات (و گرما) از منطقه واکنش به اطراف بسیار زیاد خواهد بود. حفظ موثر ذرات در منطقه واکنش ضروری است.
ایده اصلی که راه حل مشکل سنتز کنترل شده را تعیین کرد، استفاده از اصل عایق حرارتی مغناطیسی است. در اتحاد جماهیر شوروی، این ایده در اوایل سال 1950 توسط A. D. Sakharov و I. E. Tamm بیان شد.
اگر ذرات در جهتی عمود بر میدان مغناطیسی قوی حرکت کنند، ضریب انتشار و همراه با آن ضریب هدایت حرارتی به مراتب کاهش می یابد. بنابراین، اگر منطقه واکنش توسط یک میدان مغناطیسی قوی از دیوارها جدا شود، می توان به کاهش شدید شارهای حرارتی امیدوار بود. مقدار میدان محدود را می توان از برابری فشار مغناطیسی و گاز جنبشی بدست آورد: H 2/8  =nk(T e +T i ).
برای پلاسما با پارامترهای انتخاب شده (n~10 15 سانتی متر -3، T~10 8 ک) زمین مورد نیاز برای برگزاری باید 25-30 کیلو متر باشد. این مقادیر بزرگ به هیچ وجه فراتر از امکانات فنی نیستند.
ما همیشه در مورد انتقال گرما در پلاسما از طریق میدان مغناطیسی صحبت می کنیم، اما نباید فراموش کنیم که جریان گرما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی مغناطیسی نشده باقی می ماند. باید جلوی خروج ذرات را در این جهت نیز گرفت. سه احتمال در اینجا باز می شود. اولین مورد شامل قرار دادن پلاسما در یک تله مغناطیسی است، به عنوان مثال، در یک میدان مغناطیسی با چنین پیکربندی، جایی که در مناطقی که خطوط نیرو از منطقه واکنش خارج می‌شوند، در ناحیه‌ای که با خط تقاطع می‌شوند، تقویت می‌شود. دیوارها؛ دومین امکان این است که انتهای باز خطوط نیرو را با تا کردن آنها به صورت حلقه از بین ببرید. در نهایت، راه سوم این است که از پلاسما با چگالی نسبتاً بالا استفاده کنیم و آن را به سرعت گرم کنیم که در طول مدت زمانی که طول می کشد تا در امتداد خطوط نیرو حرکت کند، بخش عمده ای از ذرات زمان داشته باشند تا برخوردهای هسته ای را تجربه کنند.
اولین طرح عایق حرارتی زمانی که صحبت از محدود کردن پلاسما به قدری نادر است که می تواند به عنوان مجموعه ای از ذرات منفرد در نظر گرفته شود کاملاً خود را توجیه می کند. عمر طولانی ذرات در کمربندهای تشعشعی زمین با منشاء طبیعی و مصنوعی نمونه خوبی از آنچه گفته شد است. با این حال، در آزمایش‌های آزمایشگاهی که با پلاسمای متراکم‌تر انجام شد، یعنی در شرایطی که فعل و انفعالات جمعی می‌تواند خود را نشان دهد، مشکلات جدی آشکار شد. طول عمر پلاسما بسیار کوچکتر از آنهایی بود که در نتیجه برخورد ذرات پلاسما با یکدیگر یا با مولکولهای گاز باقیمانده و فرار متعاقب آن به مخروط از دست دادن انتظار می رفت. در واقع، طول عمر پلاسما در برخی از مدل‌های تله باز حدود 100 میکروثانیه (در چگالی پلاسما حدود 10) بود.-9 سانتی متر -3 ، در حالی که طول عمر ناشی از مخروط از دست دادن باید بر حسب دقیقه اندازه گیری می شد.
این نتیجه از نظر کیفی واضح‌تر می‌شود اگر در نظر بگیریم که پلاسما، مانند هر دیامغناطیس دیگری، باید از ناحیه یک میدان قوی‌تر رانده شود. از این منظر مکانیسم عملکرد آینه های مغناطیسی که پلاسما را در داخل تله نگه می دارند کاملاً قابل درک است. اما در تله هایی از نوع مورد بررسی، مناطقی نیز وجود دارد که با فاصله از محور در امتداد شعاع، میدان کاهش می یابد. در اینجا می‌توانیم انتظار توسعه بی‌ثباتی را داشته باشیم - ظهور "زبان‌ها" یا "شیارهای" پلاسما که در سراسر میدان حرکت می‌کنند و پلاسما را به سمت مقادیر میدان پایین‌تر منتقل می‌کنند. در واقع، آزمایش‌های مستقیم وجود ناپایداری از نوع فلوت را در این تله‌ها نشان داده‌اند که طول عمر پلاسما را محدود می‌کند.
با بستن خطوط نیرو، طبیعتاً به نصبی از نوع شیر برقی حلقه ای می رسیم. اکنون میدان مغناطیسی در همه جا به موازات دیواره ها جهت گیری شده است و ذرات باید در سراسر خطوط نیرو حرکت کنند تا از سیستم خارج شوند. اما میدان مغناطیسی داخل چنبره کمی ناهمگن است، به سمت دیواره بیرونی چنبره سقوط می کند که باعث رانش ذرات می شود. رانش در یک میدان مغناطیسی ناهمگن در امتداد نرمال به جهت میدان اصلی و جهت گرادیان آن رخ می دهد و به بار ذره بستگی دارد. اگر یون‌ها به سمت دیواره بالایی چنبره حرکت کنند، الکترون‌ها به پایین می‌نشینند. بارهای جدا شده یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند و پلاسما که به هر طریقی در داخل چنبره شکل می‌گیرد، به طور کلی در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متقاطع شروع به حرکت می‌کند. به راحتی می توان تأیید کرد که نتیجه نهایی جابجایی پلاسما به سمت دیواره بیرونی چنبره خواهد بود.
راه های مختلفی برای جبران این رانش پلاسما وجود دارد. می توان یک جریان حلقه طولی را از پلاسما عبور داد، می توان سیم پیچ برقی را به روشی خاص پیچیده کرد یا با چرخاندن چنبره، به سیستم مغناطیسی شکل یک شکل هشت داد. توپولوژی میدان مغناطیسی در این موارد به شدت تغییر می کند.
ساده ترین میدان های مغناطیسی - یک آهنربای دائمی، یک جریان مستقیم یک مدار مسطح، همانطور که می دانید، به موجب معادله divB = 0، به الگوهای معمول خطوط بسته نیرو یا خطوطی که تا بی نهایت می روند منجر می شود. با این حال، احتمال سومی وجود دارد، در واقع کلی‌ترین احتمال: خطوط نیرو می‌توانند در یک منطقه محدود از فضا بدون بسته شدن و بدون رفتن به بی‌نهایت باقی بمانند.

در مثال های بالا، در نتیجه تغییر شکل سیستم مغناطیسی حلقوی، خطوط بسته نیرو - حلقه ها - به خطوط بی پایان نیرو تبدیل شده و به طور مداوم به دور محور حلقوی حلقوی پیچیده شده و سطوح به اصطلاح مغناطیسی را تشکیل می دهند. خطوط نیرویی که در فواصل مختلف از محور چنبره عبور می کنند (در ساده ترین حالت) مجموعه ای از سطوح مغناطیسی هم محور تو در تو را ایجاد می کنند. در نتیجه، هر نقطه از بخش چنبره با یک خط نیروی متعلق به یک یا آن سطح مغناطیسی به هر نقطه دیگر از بخش (با فاصله مساوی از محور) متصل می شود. این بدان معنی است که توزیع مجدد بارها در سطح مقطع را می توان نه در سراسر میدان مغناطیسی، بلکه در امتداد خطوط نیرو انجام داد. بنابراین، تجمع بارهای مخالف و در نتیجه، رانش در میدان های متقاطع منتفی است.
انواع سیستم های حلقوی با جریان طولی در اتحاد جماهیر شوروی شروع به توسعه کردند (تاسیسات از نوع "Tokamak")، دو جهت دیگر در ایالات متحده آمریکا شروع به کاوش کردند (تاسیسات از نوع "Stellarator").

در توکامک ها میدان مغناطیسی طولی توسط سیم پیچ هایی ایجاد می شود که می توانند توسط ژنراتوری با توان پالسی تا 75 مگاوات تغذیه شوند. شرایط خلاء: فشار اولیه گازهای باقیمانده تقریباً 10-8 میلی متر جیوه هنر محفظه توکامک روی یک هسته آهنی قرار می گیرد و سیم پیچ پلاسمایی حاصل به عنوان سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور پالس عمل می کند. گرمایش پلاسما به دلیل گرمای ژول رخ می دهد، یک میدان طولی قوی به عنوان یک قاب تثبیت کننده عمل می کند. پارامترهای پلاسمایی به‌دست‌آمده در توکامک‌ها، اگرچه دلگرم‌کننده هستند، اما هنوز با پارامترهایی که در مورد پلاسمای کاملا مغناطیسی‌شده قابل انتظار است، بسیار متفاوت است. به طور خاص، یک طول عمر نسبتا کوتاه نشان دهنده وجود انواع ناپایداری غیر قابل انحلال و در نتیجه افزایش نرخ انتشار است.
مطالعات بر روی تاسیسات نوع ستاره تا کنون به نتایج متوسط تری منجر شده است. با وجود طول مدت آزمایش و پارامترهای مهندسی عالی سیستم، در این مورد نیز غلبه بر ناپایداری پلاسما ممکن نبود. شارهای انتشار به دیوارها چندین برابر بیشتر از نمونه های کلاسیک است.

گزینه دیگری برای حل مشکل همجوشی گرما هسته ای با محدودیت مغناطیسی وجود داشت - پالس. در اینجا، عملکرد عایق حرارتی و گرم کردن پلاسما به یک پالس جریان کوتاه مدت اختصاص داده شد که از دوتریوم کمیاب عبور می کند. به دلیل برهمکنش جریان با میدان مغناطیسی خود، ستون پلاسما باید به سمت محور تخلیه فشرده شود. معلوم می شود که پلاسما توسط میدان مغناطیسی خود از دیواره های ظرف جدا می شود و باید به دلیل کار نیروهای فشاری و به دلیل گرمای ژول گرم شود. در مرحله اولیه مطالعه، فرض بر این بود که فرآیند تراکم شبه ثابت است، که در هر لحظه از زمان فشار مغناطیسی فشرده‌کننده پلاسما توسط فشار گاز متعادل می‌شود. دمای ماده باید متناسب با مجذور جریان افزایش یابد و برآوردهای عددی نشان می دهد که با جریانی حدود 1 میلیون آمپر، فشار اولیه 0.1 میلی متر جیوه است. هنر و قطر ظرف 200 میلی متر، دمای ستون پلاسما باید از 10 تجاوز کند 7 درست است، دما برای مدت زمان بسیار کوتاهی (حدود 1 میکروثانیه) افزایش خواهد یافت، اما برخوردهای بسیار مکرر در یک ستون پلاسمایی بسیار فشرده رخ خواهد داد، و می توان روی تشخیص تشعشعات نوترونی از واکنش های هسته ای در حال انجام حساب کرد.
در واقعیت، تصویر فشرده سازی شبه ثابت به شدت اشتباه است. در مرحله اولیه فرآیند، پس از شکسته شدن ستون گاز توسط ولتاژ بالا اعمال شده، جریان به سرعت در حال افزایش در یک لایه سطحی نازک متمرکز می شود (اثر پوست). ناحیه داخلی ستون تقریباً یونیزه نشده و گرم نمی شود، فشار گاز ناچیز است و انقباض پوسته پلاسما به محور سیستم را می توان تنها با در نظر گرفتن نیروهای اینرسی در نظر گرفت. در طول کل فشرده سازی هیچ تعادلی بین فشار گاز و مغناطیسی وجود ندارد. طناب قبل از اینکه جریان (و همراه با آن فشار مغناطیسی) به حداکثر خود برسد به سمت محور کشیده می شود، اما در حالت فشرده باقی نمی ماند و تحت تأثیر همان نیروهای اینرسی دوباره شروع به انبساط می کند. علاوه بر این، رشته ناپایدار است (در خارج از رشته، میدان به صورت 1/r تغییر می کند) و در نتیجه ایجاد تغییر شکل های ماکروسکوپی (انقباض، خمیدگی)، دیواره های محفظه را لمس کرده و پلاسما را خنک و آلوده می کند.
قابل توجه است که تابش نوترونی پلاسما در طول تخلیه پالسی در دوتریوم با این وجود مشاهده شد. این پدیده جالب توسط گروهی از فیزیکدانان شوروی در اوایل سال 1952 کشف شد. تشعشعات نوترونی در نتیجه گرم شدن کل حجم پلاسما ظاهر نمی شود، اما معلوم می شود که نتیجه برخورد گروه کوچکی از دوترون های سریع است که در نتیجه فرآیندهای شتاب دهنده پیچیده در یک ستون ناپایدار، با حجم پلاسمای نسبتا سرد به وجود آمده اند.
با افزایش شدت انرژی سیستم، می توان ستون پلاسما را در زمان اولین فشرده سازی ستون در نزدیکی محور و قبل از ایجاد ناپایداری، تا دمای حرارتی مورد نیاز گرم کرد. با این حال، برای دستیابی به شرایط لازم برای به دست آوردن یک واکنش گرما هسته‌ای با بازده انرژی مثبت، در آزمایش‌های پیشنهادی، لازم است انرژی عظیمی در تخلیه پالسی متمرکز شود - حدود: 10 4 Mj. فناوری مدرن امکان ساخت تاسیسات ضربه ای را برای صدها مگاژول فراهم می کند. خازن هایی با اندوکتانس بسیار کم وجود دارند، فیدرهای اندوکتانس پایین توسعه یافته اند و دستگاه های سوئیچینگ بسیار پیشرفته ای ساخته شده اند. بنابراین، راه برای پیشرفت بیشتر در این مسیر باز است، اما این فرآیند ویژگی یک انفجار قدرتمند را به خود می‌گیرد، که از نظر قدرت معادل انفجار چندین تن TNT است، که به هیچ وجه شبیه واکنش‌های گرما هسته‌ای کنترل‌شده هموار نیست.
در حال حاضر کار با تله های مغناطیسی نوع باز از نقطه نظر حل مشکل همجوشی گرما هسته ای عملاً متوقف شده است. همانطور که محاسبات دقیق نشان می دهد، اگر از دست دادن ذرات از تله تنها چند برابر بیشتر از سطح نظری مربوط به هدایت حرارتی کاملا مغناطیسی باشد، اجرای یک راکتور گرما هسته ای با بازده انرژی مثبت غیرممکن می شود.
اگر رآکتور را به عنوان هدف نهایی در نظر بگیریم، ظاهراً توسعه فرآیندهای تکانشی به حد طبیعی رسیده است. اما آزمایش‌های بیشتر می‌تواند به ساخت منابع نوترونی پالسی با قدرت عظیم منجر شود. یک انحراف عجیب از این مطالعات، ساخت سیستم هایی بود که برای تسریع دسته های پلاسما طراحی شده بودند.

سیستم های مغناطیسی بسته در حال حاضر امیدوارکننده ترین هستند.

سنتز حرارتی هسته ای لیزری

ایده استفاده از تابش لیزر پرقدرت برای گرم کردن پلاسمای متراکم تا دماهای ترموهسته ای برای اولین بار توسط N.G ارائه شد. باسوف و O.N. کروخین در اوایل دهه 1960. تا به امروز، یک منطقه مستقل از تحقیقات گرما هسته ای - همجوشی حرارتی هسته ای لیزری (LTF) تشکیل شده است.

اجازه دهید به طور مختصر در مورد اصول فیزیکی اساسی در مفهوم دستیابی به درجات بالای فشرده سازی مواد و به دست آوردن انرژی بالا با کمک انفجارهای ریز لیزر صحبت کنیم. در نظر گرفتن نمونه ای از حالت به اصطلاح فشرده سازی مستقیم ساخته خواهد شد. در این حالت، یک میکروکره پر از سوخت گرما هسته‌ای به طور "یکنواخت" از همه طرف توسط یک لیزر چند کاناله تابش می‌شود. در نتیجه برهمکنش تابش گرمایش با سطح هدف، پلاسمای داغ با دمای چند کیلوالکترون ولت (به اصطلاح تاج پلاسما) تشکیل می شود که با سرعت های مشخصه 10 به سمت پرتو لیزر منبسط می شود. 7 -10 8 سانتی متر بر ثانیه.

بدون اینکه بتوانیم با جزئیات بیشتری در مورد فرآیندهای جذب در تاج پلاسما صحبت کنیم، خاطرنشان می‌کنیم که در آزمایش‌های مدل مدرن در انرژی‌های تابش لیزر 10-100 کیلوژول برای اهدافی که از نظر اندازه با اهداف با دستاوردهای بالا قابل مقایسه هستند، می‌توان به آن دست یافت. ضرایب بالا (90٪) جذب تابش گرمایشی.

تابش نور نمی تواند به لایه های متراکم هدف نفوذ کند (چگالی یک جامد 10 است. 23 سانتی متر -3 ). به دلیل هدایت حرارتی، انرژی جذب شده در پلاسمای با چگالی الکترونی کمتر از n kr ، به لایه های متراکم تر منتقل می شود، جایی که فرسایش ماده مورد نظر اتفاق می افتد. لایه های تبخیر نشده باقیمانده هدف تحت تأثیر فشار حرارتی و واکنشی به سمت مرکز شتاب می گیرند و سوخت موجود در آن را فشرده و گرم می کنند. در نتیجه، انرژی تابش لیزر در مرحله مورد بررسی به انرژی جنبشی ماده ای که به سمت مرکز پرواز می کند و به انرژی تاج در حال گسترش تبدیل می شود. بدیهی است که انرژی مفید در حرکت به سمت مرکز متمرکز می شود. بازده سهم انرژی نور به هدف با نسبت انرژی مشخص شده به کل انرژی تشعشع مشخص می شود - به اصطلاح بازده هیدرودینامیکی (COP). دستیابی به راندمان هیدرودینامیکی به اندازه کافی بالا (10-20%) یکی از مشکلات مهم LTS است.

چه فرآیندهایی می توانند مانع دستیابی به نسبت تراکم بالا شوند؟ یکی از آنها این است که در چگالی تابش گرما هسته ای q > 10 14 وات بر سانتی متر مربع بخش قابل توجهی از انرژی جذب شده نه به یک موج کلاسیک هدایت گرمای الکترون، بلکه به جریان های الکترون های سریع تبدیل می شود که انرژی آنها بسیار بالاتر از دمای تاج پلاسما (به اصطلاح الکترون های اپی ترمال) است. این می تواند هم به دلیل جذب تشدید و هم به دلیل اثرات پارامتریک در تاج پلاسما رخ دهد. در این مورد، طول مسیر الکترون های اپی ترمال ممکن است با ابعاد هدف قابل مقایسه باشد، که منجر به گرم شدن اولیه سوخت تراکم پذیر و عدم امکان به دست آوردن فشرده سازی محدود می شود. کوانتوم های پرتو ایکس با انرژی بالا (تابش پرتو ایکس سخت) که الکترون های اپی ترمال را همراهی می کنند نیز قدرت نفوذ زیادی دارند.

روند تحقیقات تجربی در سال های اخیر انتقال به استفاده از تابش لیزری با طول موج کوتاه است.< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 وات بر سانتی متر مربع ). امکان عملی تغییر به گرمایش پلاسما توسط تابش با طول موج کوتاه به این دلیل است که ضرایب تبدیل تشعشع یک لیزر نئودیمیم حالت جامد (نامزد اصلی درایورهای LTS) با طول موجل = 1.06 میکرومتر در تابش هارمونیک های دوم، سوم و چهارم با کمک کریستال های غیر خطی به 70-80 درصد می رسد. در حال حاضر، تقریباً تمام سیستم‌های لیزر شیشه نئودیمیوم بزرگ مجهز به سیستم‌های ضرب فرکانس هستند.

دلیل فیزیکی مزیت استفاده از تابش با طول موج کوتاه برای گرم کردن و فشرده‌سازی میکروسفرها این است که با کاهش طول موج، جذب در تاج پلاسما افزایش می‌یابد و فشار فرسایش و ضریب انتقال هیدرودینامیک افزایش می‌یابد. کسری از الکترون های اپی ترمال تولید شده در تاج پلاسما با چندین مرتبه قدر کاهش می یابد، که برای هر دو رژیم فشرده سازی مستقیم و غیر مستقیم بسیار سودمند است. برای فشرده سازی غیرمستقیم، همچنین مهم است که با کاهش طول موج، تبدیل انرژی جذب شده توسط پلاسما به تابش اشعه ایکس نرم افزایش یابد.

اجازه دهید اکنون به نحوه فشرده سازی غیر مستقیم بپردازیم. تجزیه و تحلیل فیزیکی نشان می دهد که اجرای رژیم فشرده سازی تا تراکم سوخت بالا برای اهداف پوسته ساده و پیچیده با نسبت ابعاد R / DR چند ده بهینه است. در اینجا R شعاع پوسته است، DR ضخامت آن است. با این حال، فشرده سازی قوی را می توان با ایجاد ناپایداری های هیدرودینامیکی محدود کرد، که خود را در انحراف حرکت پوسته در مراحل شتاب و کاهش سرعت آن در مرکز از تقارن کروی نشان می دهد و به انحرافات شکل اولیه هدف بستگی دارد. یک توزیع کاملا کروی و ناهمگن از پرتوهای لیزر فرودی بر روی سطح آن. ایجاد ناپایداری با حرکت پوسته به سمت مرکز، ابتدا منجر به انحراف حرکت از متقارن کروی، سپس به تلاطم جریان، و در نهایت به اختلاط لایه‌های هدف و سوخت دوتریوم-تریتیوم می‌شود. در نتیجه ممکن است سازندی در حالت نهایی ظاهر شود که شکل آن به شدت با هسته کروی متفاوت است و میانگین چگالی و دما بسیار کمتر از مقادیر مربوط به فشرده سازی یک بعدی است. در این حالت می توان ساختار اولیه هدف (مثلاً مجموعه خاصی از لایه ها) را به طور کامل از بین برد.

ماهیت فیزیکی این نوع ناپایداری معادل ناپایداری لایه ای از جیوه است که در سطح آب در میدان گرانشی قرار دارد. در این حالت همانطور که مشخص است اختلاط کامل جیوه و آب به وجود می آید یعنی در حالت نهایی جیوه در پایین خواهد بود. وضعیت مشابهی می تواند زمانی رخ دهد که یک هدف با ساختار پیچیده به سرعت به سمت مرکز ماده یا در حالت کلی در حضور چگالی و گرادیان فشار حرکت کند.

الزامات برای کیفیت اهداف کاملاً سختگیرانه است. بنابراین، ناهمگنی ضخامت دیواره میکروسفر نباید از 1٪ تجاوز کند، یکنواختی توزیع جذب انرژی روی سطح هدف نباید از 0.5٪ تجاوز کند.

پیشنهاد استفاده از طرح فشرده سازی غیر مستقیم فقط به امکان حل مشکل پایداری فشرده سازی هدف مربوط می شود. تابش لیزر به داخل حفره پرتاب می شود و روی سطح داخلی پوسته بیرونی متمرکز می شود که از ماده ای با عدد اتمی بالا مانند طلا تشکیل شده است. همانطور که قبلا ذکر شد، تا 80٪ از انرژی جذب شده به تابش اشعه ایکس نرم تبدیل می شود که پوسته داخلی را گرم و فشرده می کند. از مزایای چنین طرحی می توان به امکان دستیابی به یکنواختی بیشتر در توزیع انرژی جذب شده روی سطح هدف، ساده سازی طرح لیزر و شرایط فوکوس و غیره اشاره کرد. با این حال، معایبی نیز در رابطه با از دست دادن انرژی برای تبدیل به اشعه ایکس و پیچیدگی ورود تشعشع به حفره وجود دارد.

در حال حاضر، پایه عنصر به شدت در حال توسعه است و پروژه هایی برای نصب لیزر در سطح مگاژول ایجاد می شود. در آزمایشگاه لیورمور، ایجاد یک نصب بر روی شیشه نئودیمیم با انرژی E = 1.8 MJ آغاز شده است. هزينه اين پروژه 2 ميليارد دلار است و ايجاد تاسيساتي در سطح مشابه در فرانسه برنامه ريزي شده است. برای دستیابی به انرژی Q~100 در این تاسیسات برنامه ریزی شده است.لازم به ذکر است که راه اندازی تاسیساتی در این مقیاس نه تنها امکان ایجاد یک راکتور حرارتی هسته ای مبتنی بر همجوشی لیزری را به همراه خواهد داشت، بلکه امکانی را نیز در اختیار محققان قرار می دهد. جسم فیزیکی منحصر به فرد - یک ریزانفجار با انتشار انرژی 10 7 -10 9 J، منبع قدرتمندی از نوترون، نوترینو، اشعه ایکس و تابش g. این نه تنها از اهمیت فیزیکی عمومی بالایی برخوردار خواهد بود (توانایی مطالعه مواد در حالت های شدید، فیزیک احتراق، معادله حالت، اثرات لیزر و غیره)، بلکه حل مسائل خاص یک کاربردی را نیز ممکن می سازد. ، از جمله نظامی، طبیعت.

با این حال، برای یک راکتور مبتنی بر همجوشی لیزری، لازم است یک لیزر در سطح مگاژول ایجاد شود که با سرعت تکرار چندین هرتز کار کند. تعدادی از آزمایشگاه ها در حال بررسی امکان ایجاد چنین سیستم هایی بر اساس کریستال های جدید هستند. راه اندازی یک راکتور آزمایشی تحت برنامه آمریکا برای سال 2025 برنامه ریزی شده است.

1. معرفی

2. واکنش های گرما هسته ای در خورشید

3. مشکلات کنترل همجوشی حرارتی

3.1 مشکلات اقتصادی

3.2 مشکلات پزشکی

4. نتیجه گیری

5. مراجع

1. معرفی

مسئله همجوشی گرما هسته ای کنترل شده یکی از مهمترین وظایف پیش روی بشر است.

تمدن بشری بدون انرژی نمی تواند وجود داشته باشد، چه رسد به توسعه. همه به خوبی می دانند که منابع توسعه یافته انرژی، متأسفانه، ممکن است به زودی تخلیه شوند.طبق گفته شورای جهانی انرژی، ذخایر اکتشاف شده سوخت هیدروکربنی روی زمین برای 30 سال باقی می ماند.

امروزه منابع اصلی انرژی نفت، گاز و زغال سنگ است.

به گفته کارشناسان ذخایر این مواد معدنی رو به اتمام است. تقریباً هیچ میدان نفتی اکتشاف شده و قابل بهره برداری باقی نمانده است و در حال حاضر نوه های ما ممکن است با مشکل بسیار جدی کمبود انرژی روبرو شوند.

نیروگاه‌های هسته‌ای که به بهترین نحو با سوخت تامین می‌شوند، البته می‌توانند برای بیش از صد سال برق بشریت را تامین کنند.

موضوع مطالعه: مشکلات همجوشی حرارتی کنترل شده

موضوع مطالعه: همجوشی گرما هسته ای

هدف مطالعه: حل مشکل کنترل همجوشی گرما هسته ای؛

اهداف پژوهش:

· بررسی انواع واکنش های گرما هسته ای.

· تمام گزینه های ممکن را برای رساندن انرژی آزاد شده در طی یک واکنش حرارتی هسته ای به شخص در نظر بگیرید.

· نظریه ای در مورد تبدیل انرژی به الکتریسیته مطرح کنید.

واقعیت اولیه:

انرژی هسته ای در طی فروپاشی یا همجوشی هسته های اتمی آزاد می شود. هر انرژی - فیزیکی، شیمیایی یا هسته ای - با توانایی آن در انجام کار، تابش گرما یا تشعشع آشکار می شود. انرژی در هر سیستمی همیشه حفظ می شود، اما می توان آن را به سیستم دیگری منتقل کرد یا شکل آن را تغییر داد.

دستاوردشرایط همجوشی حرارتی کنترل شده توسط چندین مشکل عمده مختل می شود:

· ابتدا باید گاز را تا دمای بسیار بالا گرم کنید.

ثانیاً، کنترل تعداد هسته های واکنش دهنده برای مدت زمان کافی ضروری است.

ثالثاً، مقدار انرژی آزاد شده باید بیشتر از مقداری باشد که برای گرم کردن و محدود کردن چگالی گاز صرف شده است.

مشکل بعدی انباشته شدن این انرژی و تبدیل آن به برق است

2. واکنش های گرما هسته ای در خورشید

رابرت مایر پیشنهاد کرد که خورشید به دلیل بمباران مداوم سطح توسط شهاب سنگ ها و ذرات شهاب سنگ می درخشد. این فرضیه رد شد، زیرا یک محاسبه ساده نشان می دهد که برای حفظ درخشندگی خورشید در سطح فعلی، لازم است که در هر ثانیه 2 ∙ 1015 کیلوگرم ماده شهاب سنگ روی آن بیفتد. برای یک سال 6∙1022 کیلوگرم و در طول وجود خورشید برای 5 میلیارد سال - 3∙1032 کیلوگرم خواهد بود.

فرضیه دوم نیز توسط هلمهولتز و کلوین در اواسط قرن نوزدهم مطرح شد. آنها پیشنهاد کردند که خورشید در اثر فشردگی سالانه 60 تا 70 متر تابش می کند.دلیل این فشردگی جاذبه متقابل ذرات خورشید است، به همین دلیل این فرضیه نامیده شد. قراردادی. اگر بر اساس این فرضیه محاسبه کنیم، سن خورشید بیش از 20 میلیون سال نخواهد بود، که با داده های مدرن به دست آمده از تجزیه و تحلیل تجزیه رادیواکتیو عناصر در نمونه های زمین شناسی خاک زمین و خاک ماه در تناقض است. .

فرضیه سوم در مورد منابع احتمالی انرژی خورشیدی توسط جیمز جین در آغاز قرن بیستم ارائه شد. او پیشنهاد کرد که روده های خورشید حاوی عناصر رادیواکتیو سنگینی است که خود به خود تجزیه می شوند، در حالی که انرژی ساطع می شود، به عنوان مثال، تبدیل اورانیوم به توریم و سپس به سرب با آزاد شدن انرژی همراه است. تجزیه و تحلیل بعدی این فرضیه نیز ناسازگاری آن را نشان داد؛ ستاره ای متشکل از یک اورانیوم انرژی کافی برای اطمینان از درخشندگی مشاهده شده خورشید آزاد نمی کند. علاوه بر این، ستارگانی وجود دارند که درخشندگی آنها چندین برابر درخشندگی ستاره ماست. بعید است که آن ستارگان حاوی مواد رادیواکتیو بیشتری نیز باشند.

محتمل ترین فرضیه، فرضیه سنتز عناصر در نتیجه واکنش های هسته ای در فضای داخلی ستارگان است.

منبع اصلی انرژی چرخه پروتون-پروتون است - یک واکنش بسیار آهسته (زمان مشخصه 7.9∙109 سال)، زیرا به دلیل برهمکنش ضعیف است. ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که از چهار پروتون، یک هسته هلیوم به دست می آید. در این حالت، یک جفت پوزیترون و یک جفت نوترینو و همچنین 26.7 MeVenergy آزاد می شوند. تعداد نوترینوهایی که خورشید در هر ثانیه ساطع می کند تنها با درخشندگی خورشید تعیین می شود. از آنجایی که وقتی 26.7 مگا ولت آزاد می شود، 2 نوترینو متولد می شود، نرخ انتشار نوترینو 1.8∙1038 نوترینو در ثانیه است. آزمون مستقیم این نظریه، مشاهده نوترینوهای خورشیدی است. نوترینوهای پرانرژی (بور) در آزمایش‌های کلر-آرگون (آزمایش‌های دیویس) ثبت می‌شوند و به طور مداوم کمبود نوترینو را در مقایسه با مقدار نظری مدل خورشیدی استاندارد نشان می‌دهند. نوترینوهای کم انرژی که مستقیماً در واکنش pp بوجود می آیند در آزمایشات گالیم-ژرمانیوم (GALLEX در Gran Sasso (ایتالیا-آلمان) و SAGE در Baksan (روسیه-ایالات متحده آمریکا)) ثبت می شوند. آنها نیز "کافی نیستند".

بر اساس برخی فرضیات، اگر نوترینوها جرمی غیر از صفر داشته باشند، نوسانات (تبدیل) انواع مختلف نوترینوها امکان پذیر است (اثر میخیف-اسمیرنوف-ولفنشتاین) (سه نوع نوترینو وجود دارد: نوترینوهای الکترون، میون و تاونیک). . زیرا نوترینوهای دیگر برهمکنش بسیار کمتری با ماده نسبت به نمونه های الکترونیکی دارند، کسری مشاهده شده را می توان بدون تغییر مدل استاندارد خورشید که بر اساس کل مجموعه داده های نجومی ساخته شده است توضیح داد.

بخش‌های مرکزی خورشید منقبض می‌شوند، گرم می‌شوند و گرمای منتقل شده به پوسته بیرونی منجر به انبساط آن به اندازه‌هایی می‌شود که در مقایسه با نمونه‌های امروزی هیولاآمیز هستند: خورشید چنان منبسط می‌شود که عطارد، زهره و زهره را جذب می‌کند. "سوخت" را صد برابر سریعتر از زمان حال خرج کنید. این منجر به افزایش اندازه خورشید خواهد شد. ستاره ما تبدیل به یک غول سرخ می شود که اندازه آن با فاصله زمین تا خورشید قابل مقایسه است!

ما البته از قبل از چنین رویدادی مطلع خواهیم شد، زیرا انتقال به مرحله جدید تقریباً 100-200 میلیون سال طول می کشد. هنگامی که دمای بخش مرکزی خورشید به 100.000.000 کلوین برسد، هلیوم نیز شروع به سوختن کرده و به عناصر سنگین تبدیل می شود و خورشید وارد مرحله ای از چرخه های پیچیده انقباض و انبساط می شود. در آخرین مرحله، ستاره ما پوسته بیرونی خود را از دست خواهد داد، هسته مرکزی چگالی و اندازه فوق العاده بالایی مانند هسته زمین خواهد داشت. چند میلیارد سال دیگر می گذرد و خورشید سرد می شود و به یک کوتوله سفید تبدیل می شود.

3. مشکلات همجوشی حرارتی کنترل شده

محققان در همه کشورهای توسعه یافته امیدهای خود را برای غلبه بر بحران انرژی آینده با یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده مرتبط می کنند. چنین واکنشی - همجوشی هلیوم از دوتریوم و تریتیوم - میلیون‌ها سال است که روی خورشید اتفاق می‌افتد و در شرایط زمینی پنجاه سال است که تلاش می‌شود در تاسیسات لیزری غول‌پیکر و بسیار گران قیمت، توکاماک‌ها انجام شود. (وسیله ای برای انجام واکنش همجوشی گرما هسته ای در پلاسمای داغ) و ستاره سازها (یک تله مغناطیسی بسته برای نگهداری پلاسما با دمای بالا). با این حال، راه های دیگری برای حل این مشکل دشوار وجود دارد و به جای توکامک های عظیم برای اجرای همجوشی گرما هسته ای، احتمالاً می توان از یک برخورد دهنده نسبتا فشرده و ارزان قیمت - یک شتاب دهنده در پرتوهای برخوردی استفاده کرد.

توکامک برای کار کردن به مقادیر بسیار کمی لیتیوم و دوتریوم نیاز دارد. به عنوان مثال، یک راکتور 1 گیگاواتی حدود 100 کیلوگرم دوتریوم و 300 کیلوگرم لیتیوم در سال می سوزاند. اگر فرض کنیم که تمام نیروگاه های هسته ای 10 تریلیون کیلووات در ساعت برق در سال تولید می کنند، یعنی همان مقداری که تمام نیروگاه های زمین امروزی تولید می کنند، آنگاه ذخایر جهانی دوتریوم و لیتیوم برای تامین انرژی بشر کافی خواهد بود. انرژی برای چندین میلیون سال

علاوه بر همجوشی دوتریوم یا لیتیوم، زمانی که دو اتم دوتریوم با هم ترکیب شوند، یک همجوشی صرفاً خورشیدی امکان پذیر است. در صورت تسلط بر این واکنش، مشکلات انرژی بلافاصله و برای همیشه حل خواهد شد.

در هر یک از انواع شناخته شده همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده (CTF)، واکنش های حرارتی نمی توانند وارد حالت افزایش توان کنترل نشده شوند، بنابراین ایمنی داخلی در چنین راکتورهایی ذاتی نیست.

از نقطه نظر فیزیکی، مشکل به سادگی فرموله شده است. برای انجام یک واکنش همجوشی هسته ای خودپایدار، ارضای دو شرط لازم و کافی است.

1. انرژی هسته های درگیر در واکنش باید حداقل 10 کیلو ولت باشد. برای شروع همجوشی هسته ای، هسته های شرکت کننده در واکنش باید در میدان نیروهای هسته ای قرار گیرند که شعاع آنها 10-12-10-13 سانتی متر است. با این حال، هسته های اتم دارای بار الکتریکی مثبت هستند و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند. در مرز عمل نیروهای هسته ای، انرژی دافعه کولن حدود 10 کیلو ولت است. برای غلبه بر این مانع، هسته های در برخورد باید دارای انرژی جنبشی حداقل کمتر از این مقدار باشند.

2. حاصلضرب غلظت هسته های واکنش دهنده و زمان ماندگاری که در طی آن انرژی نشان داده شده را حفظ می کنند باید حداقل 1014 s.cm-3 باشد. این شرط - به اصطلاح معیار لاوسون - حد مزیت انرژی واکنش را تعیین می کند. برای اینکه انرژی آزاد شده در واکنش همجوشی حداقل هزینه های انرژی شروع واکنش را پوشش دهد، هسته اتم باید دستخوش برخوردهای زیادی شود. در هر برخوردی که در آن یک واکنش همجوشی بین دوتریوم (D) و تریتیوم (T) رخ می دهد، 17.6 مگا ولت انرژی آزاد می شود، یعنی تقریباً 3.10-12 ژول. اگر برای مثال، 10 مگا ژول انرژی صرف احتراق شود، واکنش اگر حداقل 3.1018 جفت D-T در آن شرکت کنند، نقطه سر به سر خواهد بود. و برای این کار، یک پلاسمای نسبتاً متراکم با انرژی بالا باید برای مدت زمان کافی در راکتور نگهداری شود. این شرط با معیار لاوسون بیان می شود.

اگر بتوان هر دو الزام را به طور همزمان برآورده کرد، مشکل همجوشی گرما هسته ای کنترل شده حل خواهد شد.

در طبیعت، حداقل دو راه برای تغییر ماده در یک بعد پیوستار وجود دارد. می توانید آب را روی آتش بجوشانید، یعنی. به صورت حرارتی یا در اجاق مایکروویو، یعنی. فرکانس نتیجه یکسان است - آب می جوشد، تنها تفاوت این است که روش فرکانس سریعتر است. همچنین از دستیابی به دمای فوق العاده بالا برای شکافتن هسته اتم استفاده می کند. روش حرارتی یک واکنش هسته ای کنترل نشده می دهد.انرژی همجوشی سرد انرژی حالت گذار است. یکی از شروط اصلی برای طراحی یک راکتور برای انجام یک واکنش گرما هسته ای سرد، شرایط شکل هرمی - کریستالی آن است. یکی دیگر از شرایط مهم وجود میدان های مغناطیسی و پیچشی دوار است. تقاطع میدان ها در نقطه تعادل ناپایدار هسته هیدروژن اتفاق می افتد.

"از نظر فنی"، ماهیت واکنش این است که در نتیجه ترکیب دو اتم دوتریوم، یک سوم تشکیل می شود - ایزوتوپ هیدروژن، معروف به تریتیوم، و یک نوترون، که با مقدار زیادی انرژی مشخص می شود.

3.1 مشکلات اقتصادی

هنگام ایجاد TTS، فرض بر این است که یک نصب بزرگ مجهز به رایانه های قدرتمند است. این یک شهر کوچک خواهد بود. اما در صورت بروز حادثه یا خرابی تجهیزات، عملکرد ایستگاه دچار اختلال می شود.

به عنوان مثال، در طرح های NPP مدرن این مورد ارائه نمی شود. اعتقاد بر این است که اصلی ترین چیز ساخت آنها است و آنچه بعدا اتفاق می افتد مهم نیست.

اما در صورت خرابی 1 ایستگاه، بسیاری از شهرها بدون برق خواهند ماند. این را می توان به عنوان مثال در نیروگاه هسته ای ارمنستان مشاهده کرد. حذف زباله های رادیواکتیو بسیار گران شده است. بنا به درخواست نیروگاه اتمی سبز بسته شد. مردم بدون برق ماندند، تجهیزات نیروگاه فرسوده شد و پولی که سازمان های بین المللی برای مرمت اختصاص دادند به هدر رفت.

یک مشکل جدی اقتصادی، رفع آلودگی صنایع متروکه ای است که در آن اورانیوم فرآوری می شد. به عنوان مثال، "شهر آکتائو چرنوبیل کوچک خود را دارد." در قلمرو کارخانه شیمیایی و هیدرومتالورژی (KhGMZ) واقع شده است. تشعشعات پس زمینه گاما در کارخانه فرآوری اورانیوم (HMC) در برخی نقاط به 11000 میکرون می رسد. رونتگن در ساعت متوسط سطح پس زمینه 200 میکرو رونتگن است (زمینه طبیعی معمول از 10 تا 25 میکرو رونتژن در ساعت) پس از تعطیلی کارخانه اصلاً هیچ گونه آلودگی زدایی در اینجا انجام نشد بخش قابل توجهی از تجهیزات ، حدود پانزده هزار تن، قبلاً دارای رادیواکتیویته غیرقابل جابجایی است. در عین حال، چنین اقلام خطرناکی در هوای آزاد ذخیره می شوند، محافظت ضعیفی دارند و دائماً از قلمرو KhGMZ دور می شوند.

آب در سیستم خنک کننده UTS استفاده خواهد شد. اما به گفته کارشناسان محیط زیست، اگر از نیروگاه های هسته ای آمار بگیریم، آب این مخازن برای شرب مناسب نیست.

به گفته کارشناسان، این مخزن مملو از فلزات سنگین (به ویژه توریم-232) است و در برخی نقاط سطح تابش گاما به 50 تا 60 میکرورونتگن در ساعت می رسد.

یعنی در حال حاضر، ساخت نیروگاه های هسته ای بودجه ای را پیش بینی نمی کند که منطقه را به حالت اولیه بازگرداند. و پس از بسته شدن شرکت، هیچ کس نمی داند چگونه زباله های انباشته شده را دفن کند و بنگاه قبلی را تمیز کند.

3.2 مسائل پزشکی

اثرات مضر UTS شامل تولید جهش یافته از ویروس ها و باکتری هایی است که مواد مضر تولید می کنند. این امر به ویژه در مورد ویروس ها و باکتری های موجود در بدن انسان صادق است. ظاهر تومورهای بدخیم و سرطان احتمالاً یک بیماری شایع در میان ساکنان روستاهای ساکن در نزدیکی FTS است. ساکنان همیشه بیشتر رنج می برند زیرا هیچ وسیله محافظتی ندارند، دزیمتر گران است و دارو در دسترس نیست. زباله‌های TCF به رودخانه‌ها ریخته می‌شوند، به هوا تخلیه می‌شوند یا به لایه‌های زیرزمینی پمپ می‌شوند، که اکنون در نیروگاه‌های هسته‌ای اتفاق می‌افتد.

علاوه بر آسیبی که مدت کوتاهی پس از قرار گرفتن در معرض دوزهای بالا ایجاد می شود، پرتوهای یونیزان باعث اثرات طولانی مدت می شود. اساساً سرطان زایی و اختلالات ژنتیکی که می تواند در هر دوز و نوع مواجهه (تک، مزمن، موضعی) رخ دهد.

بر اساس گزارش های پزشکانی که بیماری های کارگران نیروگاه هسته ای را ثبت کرده اند، ابتدا بیماری های قلبی عروقی (سکته های قلبی) و سپس سرطان وجود دارد. عضله قلب تحت تأثیر تشعشع نازک تر می شود، شل می شود، دوام کمتری دارد. بیماری های بسیار عجیبی وجود دارد. مثلا نارسایی کبد. اما چرا این اتفاق می افتد، هیچ یک از پزشکان هنوز نمی دانند. هنگامی که مواد رادیواکتیو در حین تصادف وارد مجاری تنفسی می شود، پزشکان بافت های آسیب دیده ریه و نای را برش می دهند و فرد معلول با یک دستگاه قابل حمل برای تنفس راه می رود.

4. نتیجه گیری

در سال 1991، برای اولین بار، به دست آوردن مقدار قابل توجهی انرژی - تقریباً 1.7 میلیون وات در نتیجه همجوشی هسته ای کنترل شده در آزمایشگاه مشترک اروپایی (Torus) امکان پذیر شد. در دسامبر 1993، محققان دانشگاه پرینستون از یک راکتور همجوشی توکامک برای تولید یک واکنش هسته ای کنترل شده استفاده کردند، انرژی آزاد شده 5.6 میلیون وات بود. با این حال، هم در راکتور نوع توکامک و هم در آزمایشگاه توروس، انرژی بیشتری نسبت به دریافتی مصرف می‌شد.

اگر تولید انرژی گداخت هسته ای عملا مقرون به صرفه شود، منبع بی حد و حصر سوخت را فراهم می کند

5. مراجع

1) مجله "نگاه جدید" (فیزیک؛ برای نخبگان آینده).

2) کتاب درسی فیزیک پایه یازدهم.

3) آکادمی مهندسی قدرت (تحلیل، ایده ها، پروژه ها).

4) مردم و اتم ها (ویلیام لارنس).

5) عناصر جهان (Seaborg و Valens).

6) فرهنگ لغت دایره المعارف شوروی.

۷) دایره المعارف انکارتا ۹۶.

8) نجوم - www.college.ru./astronomy.