همجوشی هسته ای به جای شکافت (راه نجات بشریت؟). همجوشی سرد: آزمایش‌ها انرژی ایجاد می‌کنند که نباید باشد

بر اساس مفاهیم اخترفیزیک مدرن، منبع اصلی انرژی برای خورشید و سایر ستارگان، همجوشی گرما هسته ای است که در اعماق آنها رخ می دهد. در شرایط زمینی، در هنگام انفجار یک بمب هیدروژنی انجام می شود. همجوشی گرما هسته ای با آزاد شدن انرژی عظیم در واحد جرم مواد واکنش دهنده همراه است (حدود 10 میلیون برابر بیشتر از واکنش های شیمیایی). بنابراین، تسلط بر این فرآیند و بر اساس آن، ایجاد یک منبع انرژی ارزان و سازگار با محیط زیست بسیار جالب است. با این حال، علیرغم این واقعیت که تیم های علمی و فنی بزرگ در بسیاری از کشورهای توسعه یافته در حال تحقیق در مورد همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده (CTF) هستند، هنوز چیزهای زیادی برای حل وجود دارد. مشکلات سختقبل از اینکه تولید صنعتی انرژی همجوشی به واقعیت تبدیل شود.

نیروگاه های هسته ای مدرن با استفاده از فرآیند شکافت تنها تا حدی نیازهای برق جهان را برآورده می کنند. سوخت آنها عناصر رادیواکتیو طبیعی اورانیوم و توریم است که میزان شیوع و ذخایر آنها در طبیعت بسیار محدود است. بنابراین، برای بسیاری از کشورها مشکل واردات آنها وجود دارد. جزء اصلی سوخت گرما هسته ای ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم است که در آب دریا. ذخایر آن در دسترس عموم و بسیار زیاد است (اقیانوس جهانی 71 درصد از سطح زمین را پوشش می دهد و دوتریوم حدود 0.016 درصد از کل تعداد اتم های هیدروژن تشکیل دهنده آب را تشکیل می دهد). علاوه بر در دسترس بودن سوخت، منابع برق فیوژن مزایای مهم زیر را نسبت به آنها دارند نیروگاه های هسته ای: 1) راکتور UTS حاوی مواد رادیواکتیو بسیار کمتری نسبت به یک راکتور شکافت هسته ای است و بنابراین عواقب انتشار تصادفی محصولات رادیواکتیو کمتر خطرناک است. 2) واکنش های حرارتی ضایعات رادیواکتیو با عمر طولانی کمتری تولید می کنند. 3) TCB اجازه تولید مستقیم برق را می دهد.

مبانی فیزیکی همجوشی هسته ای

اجرای موفقیت آمیز واکنش همجوشی به خواص هسته های اتمی مورد استفاده و امکان به دست آوردن پلاسمای متراکم با دمای بالا بستگی دارد که برای شروع واکنش ضروری است.

نیروهای هسته ای و واکنش ها

آزاد شدن انرژی در طول همجوشی هسته ای به دلیل نیروهای جذاب بسیار شدیدی است که در داخل هسته عمل می کنند. این نیروها پروتون‌ها و نوترون‌های تشکیل‌دهنده هسته را در کنار هم نگه می‌دارند. آنها در فواصل ~10-13 سانتی متری بسیار شدید هستند و با افزایش فاصله بسیار سریع ضعیف می شوند. علاوه بر این نیروها، پروتون های دارای بار مثبت، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی ایجاد می کنند. شعاع عمل نیروهای الکترواستاتیکی بسیار بیشتر از نیروهای هسته ای است، بنابراین زمانی که هسته ها از هم دورتر هستند، شروع به تسلط می کنند.

همانطور که G. Gamov نشان داد، احتمال واکنش بین دو هسته نوری که نزدیک می شوند متناسب است با، که در آن ه – پایه لگاریتم های طبیعی، ز 1 و ز 2 تعداد پروتون های موجود در هسته های برهم کنش هستند، دبلیوانرژی رویکرد نسبی آنهاست و کیک ضریب ثابت است. انرژی مورد نیاز برای انجام یک واکنش به تعداد پروتون های هر هسته بستگی دارد. اگر بیش از سه باشد، این انرژی بسیار زیاد است و واکنش عملا غیرممکن است. بنابراین، با افزایش ز 1 و ز 2 احتمال واکنش کاهش می یابد.

احتمال برهمکنش دو هسته با یک "مقطع واکنش" اندازه گیری شده در انبارها مشخص می شود (1 b = 10-24 cm2). سطح مقطع واکنش، ناحیه ای از مقطع موثر هسته است که باید هسته دیگری وارد آن شود تا تعامل آنها اتفاق بیفتد. سطح مقطع برای واکنش دوتریوم با تریتیوم زمانی به حداکثر مقدار خود (~5b) می رسد که ذرات برهم کنش انرژی نزدیک به نسبی حدود 200 کیلو ولت داشته باشند. در انرژی 20 کو، سطح مقطع کمتر از 0.1 b می شود.

از یک میلیون ذره شتابی که به هدف برخورد می کند، بیش از یک ذره وارد آن نمی شود تعامل هسته ای. بقیه انرژی خود را روی الکترون‌های اتم‌های هدف تلف می‌کنند و به سرعتی کاهش می‌دهند که در آن واکنش غیرممکن می‌شود. در نتیجه، روش بمباران یک هدف جامد با هسته‌های شتاب‌دار (همانطور که در آزمایش Cockcroft-Walton انجام شد) برای CTS نامناسب است، زیرا انرژی به‌دست‌آمده در این مورد بسیار کمتر از انرژی صرف شده است.

سوخت های حرارتی هسته ای

واکنش های مربوط به پکه نقش اصلی را در فرآیندهای همجوشی هسته ای در خورشید و سایر ستارگان همگن ایفا می کنند، در شرایط زمینی هیچ اهمیت عملی ندارند، زیرا سطح مقطع بسیار کوچکی دارند. برای اجرای همجوشی حرارتی بر روی زمین، نوع سوخت مناسب تر، همانطور که در بالا ذکر شد، دوتریوم است.

اما محتمل ترین واکنش در مخلوطی از اجزای مساوی از دوتریوم و تریتیوم (مخلوط DT) انجام می شود. متأسفانه، تریتیوم رادیواکتیو است و به دلیل دوره کوتاهنیمه عمر (T 1/2 ~ 12.3 سال) عملاً در طبیعت رخ نمی دهد. دریافت می شود با وسایل مصنوعیدر راکتورهای شکافت، و همچنین به عنوان یک محصول جانبی در واکنش با دوتریوم. با این حال، عدم وجود تریتیوم در طبیعت مانعی برای استفاده از واکنش های همجوشی DT نیست، زیرا تریتیوم را می توان با تابش ایزوتوپ 6 Li با نوترون های تولید شده در طی همجوشی تولید کرد: n+ 6 Li ® 4 He + تی.

اگر محفظه گرما هسته ای توسط یک لایه 6 Li احاطه شده باشد (لیتیوم طبیعی حاوی 7٪ است)، می توان تولید مثل کامل تریتیوم مصرفی را انجام داد. و اگرچه در عمل برخی از نوترون‌ها ناگزیر از بین می‌روند، اما از دست دادن آن‌ها می‌توان به راحتی با وارد کردن عنصری مانند بریلیم به پوسته، که هسته آن، هنگامی که یک نوترون سریع به آن برخورد می‌کند، دو عدد ساطع می‌کند، دوباره پر کرد.

اصل کار یک راکتور گرما هسته ای.

واکنش همجوشی هسته های سبک که هدف آن بدست آوردن انرژی مفید است، همجوشی حرارتی کنترل شده نامیده می شود. در دمای صدها میلیون کلوین انجام می شود. این فرآیند تاکنون فقط در آزمایشگاه ها اجرا شده است.

شرایط زمان و دما.

دستیابی به انرژی گرما هسته ای مفید تنها در صورت تحقق دو شرط امکان پذیر است. ابتدا، مخلوط در نظر گرفته شده برای سنتز باید تا دمایی گرم شود که در آن انرژی جنبشی هسته ها احتمال زیاد همجوشی آنها را در هنگام برخورد تضمین کند. ثانیاً، مخلوط واکنش دهنده باید از نظر حرارتی بسیار خوب عایق باشد (یعنی دمای بالا باید به اندازه کافی حفظ شود تا تعداد واکنش های مورد نیاز رخ دهد و انرژی آزاد شده در نتیجه از انرژی صرف شده برای گرم کردن سوخت بیشتر شود).

در شکل کمی، این شرایط به صورت زیر بیان می شود. برای گرم کردن یک مخلوط گرما هسته ای، یک سانتی متر مکعب از حجم آن باید انرژی داشته باشد. پ 1 = knt، جایی که ک- ضریب عددی n- چگالی مخلوط (تعداد هسته ها در 1 سانتی متر 3)، تی- دمای مورد نیاز برای حفظ واکنش، انرژی وارد شده به مخلوط گرما هسته ای باید برای مدت زمان t حفظ شود. برای اینکه یک راکتور از نظر انرژی سودآور باشد، لازم است که در این مدت انرژی گرما هسته‌ای بیشتر از مقداری که صرف گرمایش شده است در آن آزاد شود. انرژی آزاد شده (همچنین در هر 1 سانتی متر مکعب) به صورت زیر بیان می شود:

جایی که f(تی) ضریب بسته به دمای مخلوط و ترکیب آن است. آرانرژی آزاد شده در یک عمل اولیه سنتز است. سپس شرط سودآوری انرژی پ 2 > پ 1 شکل خواهد گرفت

آخرین نابرابری که به عنوان معیار لاوسون شناخته می شود، است بیان کمیالزامات برای کامل بودن عایق حرارتی سمت راست - "عدد لاوسون" - فقط به دما و ترکیب مخلوط بستگی دارد و هر چه بزرگتر باشد الزامات عایق حرارتی سخت تر است. ایجاد یک راکتور دشوارتر است. در منطقه دماهای قابل قبول، عدد لاوسون برای دوتریوم خالص 10 16 s/cm 3 است و برای مخلوط DT با اجزای مساوی 2×10 s/cm 3 است. بنابراین DT-blend ارجح تر است سوخت گرما هسته ای.

مطابق با معیار لاوسون، که ارزش انرژی مطلوب حاصلضرب چگالی و زمان محصور شدن را تعیین می کند، در یک راکتور گرما هسته ای تا حد امکان باید استفاده شود. nیا تی. بنابراین، مطالعات CTS به دو دسته تقسیم شدند جهت های مختلفدر مورد اول، محققان سعی کردند پلاسمای نسبتا کمیاب را با کمک یک میدان مغناطیسی برای مدت زمان کافی نگه دارند. در مرحله دوم، با کمک لیزر برای مدت کوتاهی پلاسما با چگالی بسیار بالا ایجاد می شود. کار بسیار بیشتری به رویکرد اول نسبت به رویکرد دوم اختصاص یافته است.

محصور شدن مغناطیسی پلاسما

در طول واکنش همجوشی، چگالی واکنش دهنده داغ باید در سطحی باقی بماند که بازدهی کافی انرژی مفید در واحد حجم را با فشاری که محفظه پلاسما بتواند تحمل کند، فراهم کند. به عنوان مثال، برای مخلوط دوتریوم - تریتیوم در دمای 10 8 K، بازده با بیان تعیین می شود.

در صورت قبولی پبرابر با 100 W / cm 3 (که تقریباً با انرژی آزاد شده مطابقت دارد سلول های سوختیدر راکتورهای شکافت هسته ای)، سپس چگالی nباید تقریبا 10 15 هسته / سانتی متر 3 و فشار مربوطه nt- حدود 3 مگاپاسکال زمان ماندگاری در این حالت با توجه به معیار لاوسون باید حداقل 0.1 ثانیه باشد. برای پلاسمای دوتریوم-دوتریوم در دمای 109 کلوین

در این مورد، زمانی که پ\u003d 100 وات / سانتی متر 3، n» 3×10 15 هسته بر سانتی متر مکعب و فشار تقریباً 100 مگاپاسکال، زمان نگهداری مورد نیاز بیش از 1 ثانیه خواهد بود. توجه داشته باشید که این چگالی ها تنها 0001/0 هوای اتمسفر هستند، بنابراین محفظه راکتور باید در خلاء بالا تخلیه شود.

تخمین‌های بالا از زمان ماند، دما و چگالی حداقل پارامترهای معمولی مورد نیاز برای عملکرد یک راکتور همجوشی هستند و در مورد مخلوط دوتریوم-تریتیوم راحت‌تر به دست می‌آیند. در مورد ترمو واکنش های هسته ایدر جریان انفجار یک بمب هیدروژنی و در فضای داخلی ستارگان، باید در نظر داشت که به دلیل شرایط کاملاً متفاوت، در حالت اول بسیار سریع و در حالت دوم - بسیار آهسته در مقایسه با فرآیندها انجام می شود. در یک راکتور حرارتی

پلاسما

هنگامی که یک گاز به شدت گرم می شود، اتم های آن به طور جزئی یا کامل الکترون را از دست می دهند و در نتیجه ذرات با بار مثبت به نام یون ها و الکترون های آزاد تشکیل می شوند. در دماهای بالاتر از یک میلیون درجه، گازی متشکل از عناصر سبک کاملاً یونیزه می شود، یعنی. هر اتم تمام الکترون های خود را از دست می دهد. گاز در حالت یونیزه پلاسما نامیده می شود (این اصطلاح توسط I. Langmuir معرفی شد). خواص پلاسما به طور قابل توجهی با خواص گاز خنثی متفاوت است. از آنجایی که الکترون های آزاد در پلاسما وجود دارد، پلاسما جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می کند و رسانایی آن متناسب با تی 3/2. پلاسما را می توان با عبور جریان الکتریکی از آن گرم کرد. رسانایی پلاسمای هیدروژن در 108 K همان رسانایی مس است دمای اتاق. رسانایی حرارتی پلاسما نیز بسیار بالاست.

برای نگهداری پلاسما، به عنوان مثال، در دمای 10 8 K، باید به طور قابل اعتمادی عایق حرارتی باشد. در اصل، پلاسما را می توان با قرار دادن آن در یک میدان مغناطیسی قوی از دیواره های محفظه جدا کرد. این توسط نیروهایی که هنگام تعامل جریان ها ایجاد می شوند فراهم می شود میدان مغناطیسیدر پلاسما

تحت تأثیر میدان مغناطیسی، یون ها و الکترون ها به صورت مارپیچی در امتداد آن حرکت می کنند خطوط نیرو. انتقال از یک خط نیرو به خط دیگر در برخورد ذرات و در تحمیل یک عرضی امکان پذیر است. میدان الکتریکی. در غیاب میدان های الکتریکی، پلاسمای کمیاب با دمای بالا، که در آن برخورد به ندرت اتفاق می افتد، تنها به آرامی در خطوط میدان مغناطیسی پخش می شود. اگر خطوط نیروی میدان مغناطیسی بسته باشند، به آنها شکل یک حلقه می دهد، ذرات پلاسما در امتداد این خطوط حرکت می کنند و در ناحیه حلقه نگه داشته می شوند. علاوه بر چنین پیکربندی مغناطیسی بسته، محصورسازی پلاسما نیز پیشنهاد شده است سیستم های باز(با خطوط میدانی که از انتهای محفظه به سمت بیرون امتداد می‌یابند)، که در آن ذرات به دلیل "شاخه‌های" مغناطیسی که حرکت ذرات را محدود می‌کنند در داخل محفظه باقی می‌مانند. آینه های مغناطیسی در انتهای محفظه ایجاد می شوند، جایی که یک پرتو باریک از خطوط میدان در نتیجه افزایش تدریجی قدرت میدان تشکیل می شود.

در عمل، محصور کردن مغناطیسی یک پلاسمای با چگالی به اندازه کافی زیاد ساده نیست: اغلب ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی و جنبشی در آن ایجاد می شود.

ناپایداری های مغناطیسی هیدرودینامیکی با خمیدگی و شکستگی در خطوط میدان مغناطیسی همراه است. در این حالت، پلاسما می تواند شروع به حرکت در سراسر میدان مغناطیسی به شکل دسته ها کند، در چند میلیونیم ثانیه از ناحیه مهار خارج شده و گرما را به دیواره های محفظه بدهد. چنین ناپایداری ها را می توان با دادن پیکربندی خاصی به میدان مغناطیسی سرکوب کرد.

ناپایداری های جنبشی بسیار متنوع هستند و با جزئیات کمتری مورد مطالعه قرار گرفته اند. در میان آنها مواردی هستند که فرآیندهای منظم را مختل می کنند، مانند جریان یک جریان الکتریکی ثابت یا جریانی از ذرات از طریق پلاسما. سایر ناپایداری‌های جنبشی باعث افزایش سرعت انتشار عرضی پلاسما در میدان مغناطیسی نسبت به پیش‌بینی‌شده توسط نظریه برخورد برای پلاسمای آرام می‌شوند.

سیستم هایی با پیکربندی مغناطیسی بسته

اگر یک میدان الکتریکی قوی روی یک گاز رسانای یونیزه اعمال شود، یک جریان تخلیه در آن ظاهر می شود که همزمان با آن یک میدان مغناطیسی اطراف آن ظاهر می شود. برهمکنش میدان مغناطیسی با جریان منجر به ظهور نیروهای فشاری وارد بر ذرات باردار گاز خواهد شد. اگر جریان در امتداد محور رشته پلاسمای رسانا جریان یابد، نیروهای شعاعی حاصل، مانند نوارهای لاستیکی، رشته را فشرده کرده و مرز پلاسما را از دیواره‌های محفظه حاوی آن دور می‌کند. این پدیده که به طور نظری توسط دبلیو بنت در سال 1934 پیش‌بینی شد و برای اولین بار توسط A. Ware در سال 1951 به صورت تجربی نشان داده شد، اثر پینچ نامیده می‌شود. روش پینچ برای محصور کردن پلاسما اعمال می شود. ویژگی قابل توجه آن این است که گاز توسط خود جریان الکتریکی (گرمایش اهمی) تا دمای بالا گرم می شود. سادگی اساسی این روش منجر به استفاده از آن در اولین تلاش‌ها برای حاوی پلاسمای داغ شد و مطالعه یک افکت ساده پینچ، علی‌رغم این واقعیت که بعداً با روش‌های پیشرفته‌تر جایگزین شد، درک بهتری از این روش را ممکن ساخت. مشکلاتی که امروزه آزمایشگران با آن روبرو هستند.

علاوه بر انتشار پلاسما در جهت شعاعی، رانش طولی و خروج آن از انتهای ستون پلاسما نیز وجود دارد. اگر محفظه پلاسما مانند یک دونات (توروس) باشد، تلفات از طریق انتهای آن حذف می شود. در این حالت یک گیره حلقوی به دست می آید.

برای خرج کردن ساده ای که در بالا توضیح داده شد، ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی ذاتی در آن یک مشکل جدی است. اگر یک خم کوچک در ستون پلاسما رخ دهد، چگالی خطوط میدان مغناطیسی با داخلخمش افزایش می یابد (شکل 1). خطوط مغناطیسی نیرو، که مانند رشته‌هایی که در برابر فشار مقاومت می‌کنند، رفتار می‌کنند، به سرعت شروع به "برآمدگی" می‌کنند، به طوری که تا زمانی که کل ساختار رشته پلاسما از بین برود، خمش افزایش می‌یابد. در نتیجه پلاسما با دیواره های محفظه تماس پیدا کرده و خنک می شود. برای حذف این پدیده فاجعه‌بار، قبل از عبور جریان محوری اصلی، یک میدان مغناطیسی طولی در محفظه ایجاد می‌شود که همراه با میدان دایره‌ای که بعدا اعمال می‌شود، خمش اولیه ستون پلاسما را "صاف" می‌کند (شکل 2). . اصل تثبیت یک ستون پلاسما توسط یک میدان محوری اساس دو پروژه امیدوارکننده است راکتورهای همجوشی- یک توکامک و یک نیشگون با میدان مغناطیسی معکوس.

تنظیمات مغناطیسی را باز کنید.

نگه داشتن اینرسی

محاسبات نظری نشان می دهد که همجوشی حرارتی بدون استفاده از تله های مغناطیسی امکان پذیر است. برای انجام این کار، یک هدف مخصوص آماده شده (یک توپ از دوتریوم با شعاع حدود 1 میلی متر) به سرعت به چنان چگالی بالایی فشرده می شود که واکنش گرما هسته ای قبل از تبخیر شدن هدف سوخت، زمان کامل شدن دارد. فشرده سازی و گرمایش تا دمای ترموهسته ای را می توان با پالس های لیزری فوق العاده قوی انجام داد و به طور یکنواخت و همزمان توپ سوخت را از همه طرف تابش می کند (شکل 4). با تبخیر آنی لایه های سطحی آن، ذرات پرتاب شده سرعت بسیار بالایی پیدا می کنند و توپ تحت تأثیر نیروهای فشاری بزرگ قرار می گیرد. آنها شبیه نیروهای واکنشی هستند که راکت را به حرکت در می آورند، تنها با این تفاوت که در اینجا این نیروها به سمت داخل، به سمت مرکز هدف هدایت می شوند. این روش می تواند فشارهایی در حد 1011 مگاپاسکال و چگالی هایی 10000 برابر بیشتر از چگالی آب ایجاد کند. در این چگالی، تقریباً تمام انرژی گرما هسته ای به شکل یک انفجار کوچک در 10-12 ثانیه آزاد می شود. وقوع ریزانفجارها که هر کدام معادل 1 تا 2 کیلوگرم TNT است، آسیبی به راکتور وارد نخواهد کرد و اجرای یک توالی از چنین انفجارهای کوچک در فواصل زمانی کوتاه، تولید تقریباً مداوم انرژی مفید را ممکن می سازد. برای مهار اینرسی، چیدمان هدف سوخت بسیار مهم است. هدف به صورت کره های متحدالمرکز سنگین و مواد سبک وزنکارآمدترین تبخیر ذرات و در نتیجه بیشترین فشرده سازی را به دست خواهد آورد.

محاسبات نشان می دهد که در انرژی تابش لیزراز مرتبه مگاژول (10 6 ژول) و بازده لیزر حداقل 10 درصد، انرژی حرارتی تولید شده باید از انرژی صرف شده برای پمپاژ لیزر بیشتر باشد. امکانات لیزر حرارتی در آزمایشگاه های تحقیقاتی در روسیه، ایالات متحده آمریکا، اروپای غربی و ژاپن موجود است. امکان استفاده از پرتو یون سنگین به جای پرتو لیزر یا ترکیبی از چنین پرتوی با پرتو نور در حال حاضر در حال بررسی است. با تشکر از فن آوری پیشرفتهاین روش شروع واکنش نسبت به روش لیزری مزیت دارد، زیرا به شما امکان می دهد انرژی مفید بیشتری دریافت کنید. نقطه ضعف آن مشکل در تمرکز پرتو بر روی هدف است.

تاسیسات با نگهدارنده مغناطیسی

روش های محصور شدن پلاسمای مغناطیسی در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن و تعدادی از کشورهای اروپایی در حال مطالعه است. توجه اصلی به دستگاه‌های از نوع حلقوی مانند توکامک و پینچ با میدان مغناطیسی معکوس است که در نتیجه توسعه پینچ‌های ساده‌تر با میدان مغناطیسی طولی تثبیت‌کننده ظاهر شدند.

برای محدود کردن پلاسما با میدان مغناطیسی حلقوی B jلازم است شرایطی ایجاد شود که تحت آن پلاسما به دیواره های چنبره جابجا نشود. این با "پیچاندن" خطوط میدان مغناطیسی (به اصطلاح "تبدیل چرخشی") به دست می آید. این چرخش به دو صورت انجام می شود. در روش اول، جریانی از پلاسما عبور می‌کند که منجر به پیکربندی پینچ پایدار در نظر گرفته شده از قبل می‌شود. جریان میدان مغناطیسی ب q J - ب q همراه با ب j یک میدان کل با پیچش لازم ایجاد می کند. اگر یک ب j ب q ، پیکربندی به نام tokamak (مخفف عبارت "دوربین TOROIDAL WITH MAGNETIC COILs") دریافت می کنیم. توکامک (شکل 5) تحت رهبری L.A. Artsimovich در موسسه توسعه داده شد انرژی اتمیآنها I.V. Kurchatov در مسکو. در ب j ~ ب q پیکربندی پینچ با میدان مغناطیسی معکوس به دست می آید.

در روش دوم، از سیم پیچ های مارپیچ مخصوص در اطراف محفظه پلاسمای حلقوی برای اطمینان از تعادل پلاسمای محدود استفاده می شود. جریان در این سیم پیچ ها یک میدان مغناطیسی پیچیده ایجاد می کند که منجر به پیچش خطوط نیروی میدان کل در داخل چنبره می شود. چنین نصبی به نام ستاره ساز در دانشگاه پرینستون (ایالات متحده آمریکا) توسط ال. اسپیتزر و همکارانش ساخته شد.

توکامک.

یک پارامتر مهم که محصور شدن پلاسمای حلقوی به آن بستگی دارد "حاشیه پایداری" است. q، مساوی با rB j / R.B. q ، کجا rو آربه ترتیب شعاع های کوچک و بزرگ پلاسمای حلقوی هستند. در یک کوچک qیک ناپایداری مارپیچ می تواند ایجاد شود، که مشابه بی ثباتی خمش یک خمیدگی مستقیم است. دانشمندان در مسکو به طور تجربی نشان دادند که چه زمانی q> 1 (یعنی ب j ب q) احتمال ناپایداری مارپیچ بسیار کاهش می یابد. این امکان استفاده موثر از گرمای آزاد شده توسط جریان را برای گرم کردن پلاسما فراهم می کند. در نتیجه سال‌ها تحقیق، ویژگی‌های توکامک به‌ویژه با افزایش یکنواختی میدان و تمیز کردن کارآمد محفظه خلاء به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

نتایج دلگرم‌کننده به‌دست‌آمده در روسیه باعث ایجاد توکامک‌ها در بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان شد و پیکربندی آنها موضوع تحقیقات فشرده شد.

گرمایش اهمی پلاسما در توکامک برای انجام واکنش همجوشی حرارتی هسته ای کافی نیست. این به دلیل این واقعیت است که وقتی پلاسما گرم می شود، آن است مقاومت الکتریکیو در نتیجه تولید گرما در هنگام عبور جریان به شدت کاهش می یابد. افزایش جریان در توکامک بیش از حد معین غیرممکن است، زیرا ستون پلاسما می تواند ثبات خود را از دست داده و به دیواره های محفظه منتقل شود. بنابراین از روش های مختلف اضافی برای گرم کردن پلاسما استفاده می شود. موثرترین آنها تزریق پرتوهای اتم های خنثی با انرژی بالا و تابش امواج مایکروویو است. در حالت اول، یون‌های شتاب‌گرفته به انرژی‌های 50-200 کو خنثی می‌شوند (برای جلوگیری از "بازتاب" آنها توسط میدان مغناطیسی هنگام وارد شدن به محفظه) و به پلاسما تزریق می‌شوند. در اینجا دوباره یونیزه می شوند و در فرآیند برخورد انرژی خود را به پلاسما می دهند. در حالت دوم از تشعشعات مایکروویو استفاده می شود که فرکانس آن برابر با فرکانس سیکلوترون یونی (فرکانس چرخش یون ها در میدان مغناطیسی) است. در این فرکانس، پلاسمای متراکم مانند یک جسم کاملا سیاه رفتار می کند، یعنی. انرژی فرود را به طور کامل جذب می کند. در کشورهای JET tokamak اتحادیه اروپابا تزریق ذرات خنثی، پلاسمایی با دمای یون 280 میلیون کلوین و زمان محبوس شدن 0.85 ثانیه به دست آمد. یک توان گرما هسته ای به 2 مگاوات بر روی پلاسمای دوتریوم-تریتیوم به دست آمد. مدت زمان واکنش با ظاهر ناخالصی ها به دلیل کندوپاش دیواره های محفظه محدود می شود: ناخالصی ها به داخل پلاسما نفوذ می کنند و با یونیزه شدن، تلفات انرژی در اثر تشعشع را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. در حال حاضر، کار بر روی برنامه JET بر روی تحقیق در مورد امکان کنترل ناخالصی ها و حذف آنها متمرکز شده است. "دورتر مغناطیسی".

توکامک های بزرگ نیز در ایالات متحده - TFTR ، در روسیه - T15 و در ژاپن - JT60 ایجاد شدند. تحقیقات انجام شده بر روی این تاسیسات و سایر تاسیسات پایه و اساس مرحله بعدی کار در زمینه همجوشی حرارتی کنترل شده را گذاشت: در سال 2010، قرار است یک راکتور بزرگ برای آزمایش فنی راه اندازی شود. فرض بر این است که این کار مشترک ایالات متحده، روسیه، کشورهای اتحادیه اروپا و ژاپن خواهد بود. را نیز ببینیدتوکامک.

خرج کردن میدان معکوس (FOP).

پیکربندی POP با توکامک در آن تفاوت دارد ب q~ ب j، اما جهت میدان حلقوی در خارج از پلاسما برخلاف جهت آن در داخل ستون پلاسما است. جی تیلور نشان داد که چنین سیستمی در حالتی با حداقل انرژی قرار دارد و با وجود q

مزیت پیکربندی POP این است که نسبت چگالی انرژی حجمی پلاسما و میدان مغناطیسی (مقدار b) در آن بیشتر از توکامک است. اساساً مهم است که b تا حد امکان بزرگ باشد، زیرا این امر میدان حلقوی را کاهش می دهد و در نتیجه هزینه سیم پیچ هایی که آن را ایجاد می کنند و کل ساختار نگهدارنده را کاهش می دهد. نقطه ضعف POP این است که عایق حرارتی این سیستم ها از توکامک ها بدتر است و مشکل حفظ میدان معکوس حل نشده است.

ستاره دار.

در یک ستاره ساز، یک میدان مغناطیسی حلقوی بسته توسط میدانی که توسط یک پیچ پیچی مارپیچ خاص در اطراف بدنه دوربین ایجاد می شود، قرار می گیرد. میدان مغناطیسی کل از دور شدن پلاسما از مرکز جلوگیری می کند و انواع خاصی از ناپایداری های مگنتوهیدرودینامیکی را سرکوب می کند. خود پلاسما را می توان با هر یک از روش هایی که در توکامک استفاده می شود ایجاد و گرم کرد.

مزیت اصلی ستاره ساز این است که روش محصور کردن به کار رفته در آن به وجود جریان در پلاسما (مانند توکامک ها یا دستگاه های مبتنی بر اثر پینچ) مربوط نمی شود و بنابراین ستاره ساز می تواند در حالت ثابت کار کند. . علاوه بر این، سیم پیچ مارپیچ می تواند یک اثر "دورتور" داشته باشد، یعنی. پلاسما را از ناخالصی ها تمیز کرده و محصولات واکنش را حذف کنید.

محصور شدن پلاسما در ستاره سازها به طور جامع در تاسیسات اتحادیه اروپا، روسیه، ژاپن و ایالات متحده مورد مطالعه قرار گرفته است. در ستاره‌ساز "Wendelstein VII" در آلمان، می‌توان پلاسمای غیر حامل جریان را با دمای بیش از 5x106 کلوین حفظ کرد و آن را با تزریق یک پرتو اتمی با انرژی بالا گرم کرد.

مطالعات نظری و تجربی اخیر نشان داده است که در اکثر تاسیسات توصیف شده و به ویژه در سیستم های حلقوی بسته می توان زمان محصور شدن پلاسما را با افزایش ابعاد شعاعی آن و محدود کردن میدان مغناطیسی افزایش داد. برای مثال، برای یک توکامک، محاسبه می‌شود که معیار لاوسون (و حتی با مقداری حاشیه) در شدت میدان مغناطیسی 100 ± 50 کیلوگرم و شعاع کوچک محفظه حلقوی تقریباً برآورده می‌شود. 2 متر این پارامترهای نصب برای 1000 مگاوات برق است.

هنگام ایجاد چنین تاسیسات بزرگ با محصور شدن پلاسمای مغناطیسی، مشکلات تکنولوژیکی کاملاً جدیدی ایجاد می شود. برای ایجاد میدان مغناطیسی در حد 50 کیلو گرم در حجم چند متر مکعببا استفاده از کویل های مسی با آب خنک می شود، یک منبع برق چند صد مگاواتی مورد نیاز است. بنابراین بدیهی است که سیم پیچ سیم پیچ ها باید از مواد ابررسانا مانند آلیاژهای نیوبیم با تیتانیوم یا با قلع ساخته شوند. مقاومت این مواد در برابر جریان الکتریکی در حالت ابررسانا برابر با صفر است و بنابراین صرف حفظ میدان مغناطیسی خواهد شد. حداقل مقداربرق

فناوری راکتور

چشم انداز تحقیقات گرما هسته ای

آزمایشات انجام شده بر روی تاسیسات از نوع توکامک نشان داده است که این سیستم به عنوان پایه احتمالی برای راکتور UTS بسیار امیدوارکننده است. بهترین نتایج تا به امروز روی توکامک ها به دست آمده است و این امید وجود دارد که با افزایش متناظر در مقیاس تاسیسات، بتوانند یک همجوشی کنترل شده صنعتی را پیاده سازی کنند. با این حال، توکامک به اندازه کافی مقرون به صرفه نیست. برای رفع این کاستی لازم است که مانند الان در حالت پالسی کار نکند بلکه در حالت پیوسته کار کند. با این حال، جنبه های فیزیکی این مشکل هنوز به خوبی درک نشده است. توسعه نیز ضروری است وسایل فنی، که باعث بهبود پارامترهای پلاسما و از بین بردن ناپایداری آن می شود. با در نظر گرفتن همه اینها، نباید سایر گزینه های احتمالی، هرچند کمتر توسعه یافته را برای یک راکتور گرما هسته ای، به عنوان مثال، یک ستاره یا یک فشار میدان معکوس فراموش کرد. وضعیت تحقیق در این زمینه به مرحله‌ای رسیده است که طرح‌های راکتور مفهومی برای اکثر سیستم‌های محصورکننده مغناطیسی پلاسما با دمای بالا و برای برخی از سیستم‌های محصورکننده اینرسی وجود دارد. نمونه ای از توسعه صنعتی یک توکامک پروژه Aries (ایالات متحده آمریکا) است.

شیکانوف A.S. // مجله آموزشی سوروس، شماره 8، 1376، صص: 86-91

ما به اصول فیزیکی همجوشی لیزر نگاه خواهیم کرد، یک زمینه علمی به سرعت در حال توسعه بر اساس دو اکتشاف برجسته قرن بیستم: واکنش های حرارتی و لیزر.

واکنش های گرما هسته ای در طول همجوشی (سنتز) هسته عناصر سبک انجام می شود. در عین حال در کنار تحصیل عناصر سنگینانرژی اضافی به شکل انرژی جنبشی محصولات نهایی واکنش و تابش گاما آزاد می شود. آزاد شدن انرژی زیاد در طی واکنش های گرما هسته ای به دلیل امکان کاربرد عملی آنها در شرایط زمینی توجه دانشمندان را به خود جلب می کند. بنابراین، واکنش های گرما هسته ای در مقیاس بزرگ در یک بمب هیدروژنی (یا گرما هسته ای) انجام شد.

امکان استفاده از انرژی آزاد شده در طی واکنش های گرما هسته ای برای حل مشکل انرژی بسیار جذاب است. واقعیت این است که سوخت این روش برای به دست آوردن انرژی، ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم (D) است که ذخایر آن در اقیانوس ها عملاً پایان ناپذیر است.

واکنش های همجوشی و همجوشی کنترل شده

واکنش گرما هسته ای فرآیند همجوشی (یا همجوشی) هسته های سبک به هسته های سنگین تر است. از آنجایی که در این مورد، تشکیل هسته های محکم تر از هسته های شلتر رخ می دهد، این فرآیند با آزاد شدن انرژی اتصال همراه است. ساده ترین راه، همجوشی ایزوتوپ های هیدروژن - دوتریوم D و تریتیوم T است. هسته دوتریوم - دوترون حاوی یک پروتون و یک نوترون است. دوتریوم در آب به نسبت یک قسمت به 6500 قسمت هیدروژن یافت می شود. هسته تریتیوم، تریتون، از یک پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. تریتیوم ناپایدار است (نیمه عمر 12.4 سال)، اما می تواند در نتیجه واکنش های هسته ای به دست آید.

در طی همجوشی هسته های دوتریوم و تریتیوم، هلیوم He با جرم اتمی چهار و یک نوترون n تشکیل می شود. در نتیجه واکنش، انرژی 17.6 MeV آزاد می شود.

همجوشی هسته های دوتریوم در امتداد دو کانال با احتمال تقریباً یکسان اتفاق می افتد: در کانال اول، تریتیوم و یک پروتون p تشکیل می شوند و انرژی برابر با 4 مگا الکترون ولت آزاد می شود. در کانال دوم - هلیوم با جرم اتمی 3 و یک نوترون و انرژی آزاد شده 3.25 مگا ولت است. این واکنش ها در قالب فرمول ارائه شده است

D + T = 4He + n + 17.6 MeV،

D + D = T + p + 4.0 MeV،

D + D = 3He + n + 3.25 MeV.

قبل از فرآیند همجوشی، هسته های دوتریوم و تریتیوم دارای انرژی در حد 10 کیلو ولت هستند. انرژی محصولات واکنش به مقادیری به ترتیب واحدها و ده ها مگاالکترون ولت می رسد. همچنین باید توجه داشت که سطح مقطع واکنش D + T و سرعت آن بسیار بیشتر از واکنش D + D است (صدها برابر) بنابراین، برای واکنش D + T رسیدن به شرایطی بسیار آسان تر است. انرژی گرما هسته ای آزاد شده بیش از هزینه های سازماندهی فرآیندهای ادغام است.

واکنش های سنتز شامل هسته های دیگر عناصر (به عنوان مثال، لیتیوم، بور، و غیره) نیز ممکن است. با این حال، سطح مقطع واکنش و سرعت آنها برای این عناصر بسیار کوچکتر از ایزوتوپ های هیدروژن است و فقط برای دماهای حدود 100 کیلو ولت به مقادیر قابل توجهی می رسد. دستیابی به چنین دماهایی در تاسیسات گرما هسته ای در حال حاضر کاملا غیر واقعی است، بنابراین فقط واکنش های همجوشی ایزوتوپ های هیدروژن می تواند انجام شود. استفاده عملیبه زودی.

چگونه می توان یک واکنش گرما هسته ای انجام داد؟ مشکل این است که از همجوشی هسته ها توسط نیروهای الکتریکی دافعه جلوگیری می شود. مطابق با قانون کولن، نیروی دافعه الکتریکی با مجذور فاصله بین هسته های متقابل F ~ 1/r 2 نسبت معکوس رشد می کند. بنابراین، برای همجوشی هسته ها، تشکیل عناصر جدید و آزاد شدن انرژی اضافی، لازم است بر سد کولن غلبه کرد، یعنی در برابر نیروهای دافعه کار کرد و انرژی لازم را به هسته ها اطلاع داد.

دو احتمال وجود دارد. یکی از آنها شامل برخورد دو پرتو از اتم های نور است که به سمت یکدیگر شتاب می گیرند. با این حال، این رویکرد ناکارآمد بود. واقعیت این است که احتمال همجوشی هسته‌ای در پرتوهای شتاب‌دار به دلیل چگالی کم هسته‌ها و زمان ناچیز برهمکنش آنها بسیار کم است، اگرچه ایجاد پرتوهای انرژی مورد نیاز در شتاب‌دهنده‌های موجود مشکلی ندارد.

روش دیگری که محققان مدرن روی آن متوقف شده اند، گرم کردن ماده تا دمای بالا (حدود 100 میلیون درجه) است. هر چه دما بالاتر باشد، میانگین انرژی جنبشی ذرات بیشتر می شود و تعداد آنها بیشتر می تواند بر سد کولن غلبه کند.

برای کمی سازی بازده واکنش های گرما هسته ای، ضریب افزایش انرژی Q معرفی شده است که برابر است با

جایی که Eout انرژی آزاد شده در نتیجه واکنش های همجوشی است، Eset انرژی مورد استفاده برای گرم کردن پلاسما تا دمای گرما هسته ای است.

برای اینکه انرژی آزاد شده در نتیجه واکنش برابر با هزینه های انرژی برای گرم کردن پلاسما تا دمای 10 کیلو ولت باشد، معیار لاوسون باید رعایت شود:

(Nt) 1014 دلار s/cm3 برای واکنش D-T،

(Nt) 1015 دلار s/cm3 برای واکنش D-D.

در اینجا N چگالی مخلوط دوتریوم-تریتیوم (تعداد ذرات در یک سانتی متر مکعب) است، t زمان واکنش های همجوشی موثر است.

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 (N © 1014-1015 cm-3) توسط یک میدان مغناطیسی با یک پیکربندی خاص برای مدت نسبتاً طولانی است (t © 1 -10 ثانیه). چنین سیستم هایی عبارتند از "Tokamak" (مخفف "محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی") که در دهه 50 در اتحاد جماهیر شوروی پیشنهاد شد.

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 ماده تا چگالی 100-1000 گرم بر سانتی متر، انرژی می تواند به سطح هدف با چگالی توان q © 1015 W/cm2 تحویل داده شود.

اصول فیزیکی فیوژن 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 خلاصه در مورد اینکه چه اصول فیزیکی اساسی در مفهوم دستیابی گنجانده شده است صحبت کنیم درجات بالافشرده سازی مواد و به دست آوردن انرژی بالا با کمک ریز انفجارهای لیزری. در نظر گرفتن نمونه ای از حالت به اصطلاح فشرده سازی مستقیم ساخته خواهد شد. در این حالت، یک میکروکره (شکل 1) پر شده با سوخت گرما هسته‌ای به طور یکنواخت از همه طرف توسط یک لیزر چند کاناله تابش می‌کند. در نتیجه برهمکنش تابش حرارتی با سطح هدف، پلاسمای داغ با دمای چند کیلوالکترون ولت (به اصطلاح تاج پلاسما) تشکیل می شود که با سرعت های مشخصه 107-108 سانتی متر بر ثانیه به سمت پرتو لیزر منبسط می شود. .

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 اهدافی با دستاوردهای بالا قابل مقایسه هستند، می‌توان به اهدافی با دستاوردهای بالا دست یافت. (© 90%) ضرایب جذب تابش گرمایشی.

همانطور که قبلاً دیدیم، تابش نور نمی تواند به لایه های متراکم هدف نفوذ کند (چگالی یک جامد 1023 سانتی متر-3 است). به دلیل هدایت حرارتی، انرژی جذب شده در پلاسمای با چگالی الکترونی کمتر از ncr به لایه‌های متراکم‌تر منتقل می‌شود، جایی که ماده هدف از بین می‌رود. لایه‌های هدف تبخیر نشده باقیمانده تحت تأثیر فشار حرارتی و واکنشی به سمت مرکز شتاب می‌گیرند و سوخت موجود در آن را فشرده و گرم می‌کنند (شکل 2). در نتیجه انرژی تابش لیزر در مرحله مورد نظر به تبدیل می شود انرژی جنبشیماده به سمت مرکز و به انرژی تاج در حال گسترش پرواز می کند. بدیهی است که انرژی مفید در حرکت به سمت مرکز متمرکز می شود. بازده سهم انرژی نور به هدف با نسبت انرژی نشان داده شده به کل انرژی تشعشع مشخص می شود، به اصطلاح ضریب بازده هیدرودینامیکی (COP). دستیابی به راندمان هیدرودینامیکی به اندازه کافی بالا (10-20%) یکی از مشکلات مهم همجوشی گرما هسته ای لیزر است.

برنج. 2. توزیع شعاعی دما و چگالی ماده در هدف در مرحله شتاب پوسته تا مرکز

چه فرآیندهایی می توانند مانع دستیابی به نسبت تراکم بالا شوند؟ یکی از آنها این است که در چگالی تابش گرما هسته ای q> 1014 وات بر سانتی متر مربع، بخش قابل توجهی از انرژی جذب شده نه به یک موج رسانش گرمای الکترون کلاسیک، بلکه به جریان های الکترونی سریع تبدیل می شود که انرژی آن بسیار است. تم های بیشتردمای تاج پلاسما (به اصطلاح الکترون های اپی ترمال). این می تواند هم به دلیل جذب تشدید و هم به دلیل اثرات پارامتریک در تاج پلاسما رخ دهد. در این حالت، 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 پرانرژی پرتو ایکس (اشعه ایکس سخت) همراه با الکترون های اپی ترمال نیز قدرت نفوذ زیادی دارند.

روند تحقیقات تجربی در سال های اخیر انتقال به استفاده از تابش لیزر با طول موج کوتاه (l< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). فرصت عملی انتقال به گرمایش پلاسما با تابش با طول موج کوتاه به این دلیل است که ضرایب تبدیل تابش از یک لیزر نئودیمیم حالت جامد (نامزد اصلی محرک‌های همجوشی گرما هسته‌ای لیزر) با طول موج l = 1.06 میکرومتر به تابش دوم است. ، هارمونیک سوم و چهارم با کمک کریستال های غیرخطی 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 غیرمستقیم 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 حالت فشرده سازی به 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 کیفیت هدف کاملاً دقیق 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. مدارآزمایش در حالت فشرده سازی غیر مستقیم در شکل نشان داده شده است. 3. تشعشعات لیزر به داخل حفره (hohlraum) وارد می شود که بر 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 توزیع انرژی جذب شده روی سطح هدف، ساده سازی طرح لیزر و شرایط فوکوس و غیره اشاره کرد. با این حال، معایبی نیز با از دست دادن انرژی برای تبدیل به اشعه ایکس و پیچیدگی ورود تابش به حفره وجود دارد. وضعیت فعلی تحقیقات در مورد همجوشی لیزر چگونه است؟ آزمایشات برای دستیابی به چگالی بالا از سوخت تراکم پذیر در حالت فشرده سازی مستقیم در اواسط دهه 1970 در V.I آغاز شد. پ.ن. لبدف، جایی که چگالی دوتریوم تراکم پذیر © 10 گرم بر سانتی متر مکعب در تأسیسات کالمار با انرژی E = 200 J به دست آمد. متعاقباً، برنامه های کاری در LTS به طور فعال در ایالات متحده توسعه یافت (تاسیسات Shiva و Nova در آزمایشگاه ملی لیورمور، امگا در دانشگاه روچستر)، ژاپن (Gekko-12)، روسیه (Dolphin در FIAN، Iskra-4، " Iskra-5" در Arzamas-16) در سطح انرژی لیزر 1-100 کیلوژول. تمام جنبه های گرمایش و فشرده سازی اهداف با پیکربندی های مختلف در حالت فشرده سازی مستقیم و غیرمستقیم به تفصیل بررسی شده است. فشار فرسایشی ~ 100 Mbar و سرعت فروپاشی میکروسفر V> 200 کیلومتر بر ثانیه در مقادیر بازده هیدرودینامیکی حدود 10٪ به دست می آید. پیشرفت در توسعه سیستم های لیزری و ساختارهای هدف، اطمینان از درجه یکنواختی تابش پوسته تراکم پذیر 1-2٪ را هم تحت فشار مستقیم و هم تحت فشار غیرمستقیم ممکن ساخته است. در هر دو رژیم، تراکم به دست آمد گاز فشرده 20-40 گرم بر سانتی متر مکعب، و در نصب Gekko-12، چگالی پوسته فشرده 600 گرم بر سانتی متر مکعب بود. حداکثر بازده نوترون N = 1014 نوترون در هر انفجار.

نتیجه

بنابراین، مجموع نتایج تجربی به‌دست‌آمده و تجزیه و تحلیل آنها به امکان‌سنجی عملی مرحله بعدی در توسعه همجوشی گرما هسته‌ای لیزری - دستیابی به چگالی گاز دوتریوم-تریتیوم 200-300 گرم در سانتی‌متر بر سانتی‌متر 1 MJ اشاره دارد (شکل 1 را ببینید). 4 و ).

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. این تاسیسات برای دستیابی به انرژی Q~ 100 برنامه ریزی شده است. باید گفت که راه اندازی تاسیساتی در این مقیاس نه تنها امکان ایجاد یک راکتور حرارتی هسته ای مبتنی بر همجوشی لیزری را به ارمغان می آورد، بلکه یک فیزیکی منحصر به فرد را نیز در اختیار محققان قرار می دهد. جسم - یک ریزانفجار با رهاسازی انرژی 107-109 J، منبع قدرتمند 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.

برخی خوش بینان می گویند که پروژه های نوآورانه با استفاده از ابررساناهای مدرن به زودی امکان همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده را فراهم خواهند کرد. با این حال، کارشناسان پیش بینی می کنند که کاربرد عملی آن چندین دهه طول خواهد کشید.

چرا این، این قدر سخت است؟

انرژی همجوشی یک منبع بالقوه در نظر گرفته می شود و انرژی خالص یک اتم است. اما این چیست و چرا دستیابی به آن اینقدر دشوار است؟ ابتدا باید تفاوت بین همجوشی کلاسیک و گرما هسته ای را درک کنید.

شکافت اتم شامل این واقعیت است که ایزوتوپ های رادیواکتیو - اورانیوم یا پلوتونیوم - تقسیم می شوند و به ایزوتوپ های بسیار پرتوزا تبدیل می شوند که سپس باید دفن یا بازیافت شوند.

سنتز شامل این واقعیت است که دو ایزوتوپ هیدروژن - دوتریوم و تریتیوم - در یک کل واحد ادغام می شوند و هلیوم غیر سمی و یک نوترون واحد را تشکیل می دهند، بدون تولید زباله های رادیواکتیو.

مشکل کنترل

واکنش هایی که روی خورشید یا در یک بمب هیدروژنی رخ می دهد، همجوشی گرما هسته ای است و مهندسان با یک کار دلهره آور روبرو هستند - چگونه این فرآیند را در یک نیروگاه کنترل کنیم؟

این چیزی است که دانشمندان از دهه 1960 روی آن کار کرده اند. یک راکتور همجوشی آزمایشی دیگر به نام Wendelstein 7-X در شهر گریفسوالد در شمال آلمان آغاز به کار کرده است. هنوز برای ایجاد واکنش طراحی نشده است - این فقط یک طرح ویژه است که در حال آزمایش است (ستاره‌گر به جای توکامک).

پلاسمای پر انرژی

همه نیروگاه های هسته ای دارند ویژگی مشترک- حلقه ای شکل این بر اساس ایده استفاده از آهنرباهای الکتریکی قدرتمند برای ایجاد یک قوی است میدان الکترومغناطیسی، که به شکل یک چنبره - یک اتاق دوچرخه باد شده است.

این میدان الکترومغناطیسی باید آنقدر متراکم باشد که وقتی در اجاق مایکروویو تا یک میلیون درجه سانتیگراد گرم می شود، پلاسما باید در مرکز حلقه ظاهر شود. سپس مشتعل می شود تا همجوشی حرارتی هسته ای آغاز شود.

نمایش امکانات

در اروپا در حال حاضر دو مورد وجود دارد آزمایش های مشابه. یکی از آنها Wendelstein 7-X است که به تازگی اولین پلاسمای هلیوم خود را تولید کرده است. دیگری ITER است، یک تأسیسات همجوشی آزمایشی عظیم در جنوب فرانسه که هنوز در حال ساخت است و در سال 2023 آماده راه اندازی خواهد شد.

انتظار می‌رود واکنش‌های هسته‌ای واقعی در ITER انجام شود، البته فقط برای مدت کوتاهی و مطمئناً بیش از 60 دقیقه. این راکتور تنها یکی از چندین گام در مسیر تحقق همجوشی هسته ای است.

راکتور همجوشی: کوچکتر و قدرتمندتر

اخیراً چندین طراح طراحی جدید راکتور را اعلام کرده اند. به گفته گروهی از دانشجویان مؤسسه فناوری ماساچوست و همچنین نمایندگان شرکت تسلیحاتی لاکهید مارتین، همجوشی را می توان در تأسیساتی که بسیار قدرتمندتر و کوچکتر از ITER هستند، انجام داد و آنها آماده انجام آن در عرض 10 سال هستند. سال ها.

ایده طراحی جدید استفاده از ابررساناهای مدرن با دمای بالا در مغناطیس‌های الکترومغناطیسی است که ویژگی‌های خود را هنگام خنک شدن با نیتروژن مایع نشان می‌دهند، به جای ابررساناهای معمولی که نیاز به فناوری جدید و انعطاف‌پذیرتری دارند که به طور کامل طراحی را تغییر می‌دهد. راکتور

کلاوس هش، مسئول فناوری در مؤسسه فناوری کارلسروهه در جنوب غربی آلمان، بدبین است. از استفاده از ابررساناهای جدید با دمای بالا برای طراحی های جدید راکتور پشتیبانی می کند. اما به گفته وی، توسعه چیزی در رایانه با در نظر گرفتن قوانین فیزیک کافی نیست. باید چالش هایی را که در اجرای یک ایده به وجود می آید در نظر گرفت.

علمی تخیلی

به گفته هش، مدل دانشجویی MIT تنها امکان پروژه را نشان می دهد. اما در واقع یک داستان علمی تخیلی زیادی است. این پروژه آن را جدی فرض می کند مشکلات فنیهمجوشی گرما هسته ای حل شد اما علم مدرن هیچ ایده ای برای حل آنها ندارد.

یکی از این مشکلات ایده کویل های جمع شونده است. الکترومغناطیس‌ها را می‌توان برای ورود به حلقه‌ای که پلاسما را در مدل طراحی MIT نگه می‌دارد، از بین برد.

این بسیار مفید خواهد بود زیرا می‌توان به اشیاء در طول آن دسترسی پیدا کرد سیستم داخلیو آنها را جایگزین کنید. اما در واقعیت، ابررساناها از آن ساخته شده اند مواد سرامیکی. صدها مورد از آنها باید به روشی پیچیده در هم تنیده شوند تا میدان مغناطیسی صحیح را تشکیل دهند. و در اینجا مشکلات اساسی بیشتری ایجاد می شود: ارتباطات بین آنها به سادگی اتصالات نیست کابل های مسی. هیچ کس حتی به مفاهیمی فکر نکرده است که به حل چنین مشکلاتی کمک کند.

خیلی گرم

دمای بالا نیز مشکل ساز است. در هسته پلاسمای همجوشی، دما به حدود 150 میلیون درجه سانتیگراد خواهد رسید. این گرمای شدید در محل باقی می ماند - درست در مرکز گاز یونیزه شده. اما حتی در اطراف آن هنوز بسیار گرم است - از 500 تا 700 درجه در منطقه راکتور، که لایه داخلی یک لوله فلزی است که در آن تریتیوم لازم برای همجوشی هسته‌ای "تکثیر می‌شود".

بیشتر داشتن مشکل بزرگ- به اصطلاح آزاد شدن قدرت. این بخشی از سیستم است که سوخت مصرف شده را از فرآیند همجوشی، عمدتا هلیوم دریافت می کند. اولین اجزای فلزی که گاز داغ وارد می شود «دیورتور» نامیده می شود. می تواند تا بیش از 2000 درجه سانتیگراد گرم شود.

مشکل دیورتر

برای اینکه این تاسیسات بتواند چنین دماهایی را تحمل کند، مهندسان در تلاش هستند تا از تنگستن فلزی مورد استفاده در لامپ های رشته ای قدیمی استفاده کنند. نقطه ذوب تنگستن حدود 3000 درجه است. اما محدودیت های دیگری نیز وجود دارد.

در ITER می توان این کار را انجام داد، زیرا گرمایش در آن به طور مداوم رخ نمی دهد. فرض بر این است که راکتور تنها 1-3 درصد مواقع کار می کند. اما این گزینه برای نیروگاهی که نیاز به کار 24/7 دارد نیست. و اگر کسی ادعا می کند که می تواند یک راکتور کوچکتر با همان قدرت ITER بسازد، می توان گفت که او راه حلی برای مشکل انحراف ندارد.

نیروگاه در چند دهه

با این وجود، دانشمندان در مورد توسعه راکتورهای گرما هسته‌ای خوش‌بین هستند، اگرچه سرعت آن به همان سرعتی که برخی از علاقه‌مندان پیش‌بینی می‌کنند نخواهد بود.

ITER باید نشان دهد که همجوشی کنترل شده در واقع می تواند انرژی بیشتری نسبت به حرارت دادن پلاسما تولید کند. گام بعدی ساخت یک نیروگاه هیبریدی جدید است که در واقع برق تولید می کند.

مهندسان در حال حاضر روی طراحی آن کار می کنند. آنها باید از ITER یاد بگیرند که قرار است در سال 2023 راه اندازی شود. با توجه به زمان مورد نیاز برای طراحی، برنامه ریزی و ساخت، بعید به نظر می رسد که اولین نیروگاه همجوشی خیلی زودتر از اواسط قرن بیست و یکم راه اندازی شود.

Cold Fusion Rossi

در سال 2014، آزمایش مستقل رآکتور E-Cat به این نتیجه رسید که دستگاه به طور متوسط ​​2800 وات توان خروجی در یک دوره 32 روزه با مصرف 900 وات دارد. این بیشتر از هر واکنش شیمیایی است که قادر به جداسازی باشد. نتیجه یا از یک پیشرفت در همجوشی گرما هسته ای یا از تقلب آشکار صحبت می کند. این گزارش شک‌ها را ناامید کرد، زیرا شک دارند که آیا این آزمایش واقعاً مستقل بوده و احتمال جعل نتایج آزمایش را پیشنهاد می‌کنند. دیگران مشغول کشف "مواد تشکیل دهنده مخفی" هستند که ترکیب روسی را قادر می سازد تا این فناوری را تکرار کند.

روسی کلاهبردار است؟

آندریا تحمیل کننده است. او اعلامیه هایی را به زبان انگلیسی منحصر به فرد در بخش نظرات وب سایت خود با عنوان ادعایی "ژورنال" منتشر می کند. فیزیک هسته ای". اما تلاش های شکست خورده قبلی او شامل پروژه ایتالیایی تبدیل زباله به سوخت و یک ژنراتور ترموالکتریک بود. پترولدراگون، پروژه تبدیل زباله به انرژی، تا حدی به این دلیل شکست خورد که تخلیه غیرقانونی زباله توسط جرایم سازمان‌یافته ایتالیایی کنترل می‌شود که به دلیل نقض مقررات مدیریت پسماند، اتهامات کیفری علیه آن تنظیم کرده است. او همچنین یک دستگاه ترموالکتریک برای سپاه مهندسین ارتش ایالات متحده ایجاد کرد، اما در طول آزمایش، این ابزار تنها کسری از توان اعلام شده را تولید کرد.

بسیاری به روسی اعتماد ندارند و سردبیر نیو انرژی تایمز صراحتاً او را یک جنایتکار با مجموعه ای از پروژه های انرژی شکست خورده در پشت سر خود خواند.

تأیید مستقل

روسی با شرکت آمریکایی Industrial Heat قراردادی امضا کرد تا آزمایش مخفی یک ساله یک نیروگاه همجوشی سرد 1 مگاواتی انجام دهد. این دستگاه یک کانتینر حمل و نقل بود که حاوی ده ها E-Cat بود. آزمایش باید توسط شخص ثالثی کنترل می شد که می توانست تأیید کند که تولید گرما واقعاً در حال انجام است. روسی ادعا می کند که بیشتر سال گذشته را صرف زندگی در یک کانتینر و نظارت بر عملیات بیش از 16 ساعت در روز کرده است تا قابلیت تجاری E-Cat را ثابت کند.

این آزمون در ماه مارس به پایان رسید. هواداران روسی مشتاقانه منتظر گزارش ناظران بودند و امیدوار بودند که قهرمان خود را تبرئه کنند. اما در نهایت از آنها شکایت کردند.

آزمایش

در پرونده ای در دادگاه فلوریدا، روسی ادعا می کند که آزمایش موفقیت آمیز بوده است و یک داور مستقل تأیید کرده است که راکتور E-Cat شش برابر بیشتر از مصرف انرژی خود تولید می کند. او همچنین ادعا کرد که صنعتی Heat موافقت کرده است که 100 میلیون دلار - 11.5 میلیون دلار پیش پرداخت پس از آزمایش 24 ساعته (ظاهراً برای حقوق مجوز تا شرکت بتواند فناوری را در ایالات متحده بفروشد) و 89 میلیون دلار دیگر پس از تکمیل موفقیت آمیز آزمایش طولانی مدت به او پرداخت کند. ظرف 350 روز روسی آی اچ را به اجرای یک "طرح تقلب" برای سرقت مالکیت معنوی او متهم کرد. او همچنین این شرکت را به سوء استفاده از راکتورهای E-Cat و کپی غیرقانونی متهم کرد فن آوری های نوآورانهو محصولات، ویژگی‌ها و طرح‌ها و تلاش نامناسب برای کسب حق ثبت اختراع در مورد مالکیت معنوی آن.

معدن طلا

در جای دیگر، روسی ادعا می کند که در یکی از تظاهرات خود، آی اچ 50 تا 60 میلیون دلار از سرمایه گذاران و 200 میلیون دلار دیگر از چین پس از پخش مجدد با حضور مقامات ارشد چینی دریافت کرد. اگر این درست باشد، آنگاه بیش از صد میلیون دلار در خطر است. گرمای صنعتی این ادعاها را بی اساس رد کرده و قرار است فعالانه از خود دفاع کند. مهمتر از همه، او ادعا می کند که "بیش از سه سال کار کرد تا نتایجی را که گفته می شود روسی با فناوری E-Cat خود به دست آورده بود، تأیید کند، اما همه آنها موفقیت آمیز نبود."

IH به E-Cat اعتقادی ندارد و New Energy Times دلیلی برای شک در آن نمی بیند. در ژوئن 2011، نماینده این نشریه از ایتالیا بازدید کرد، با روسی مصاحبه کرد و از نمایش E-Cat او فیلمبرداری کرد. او یک روز بعد از نگرانی های جدی خود در مورد روش اندازه گیری توان حرارتی خبر داد. پس از 6 روز، این روزنامه نگار ویدئوی خود را در یوتیوب منتشر کرد. کارشناسان از سراسر جهان برای او تحلیل هایی فرستادند که در ماه جولای منتشر شد. مشخص شد که این یک کلاهبرداری بوده است.

تایید تجربی

با این وجود، تعدادی از محققین - الکساندر پارخوموف از دانشگاه دوستی مردم روسیه و پروژه یادبود مارتین فلیشمن (MFPM) - موفق شده اند همجوشی سرد روسیه را تکرار کنند. گزارش MFPM با عنوان "پایان عصر کربن نزدیک است" بود. دلیل چنین تحسینی این کشف بود که جز با واکنش گرما هسته ای نمی توان آن را توضیح داد. به گفته محققان، روسی دقیقاً همان چیزی را دارد که درباره آن صحبت می کند.

یک دستور العمل باز مناسب برای همجوشی سرد می‌تواند جرقه‌ای برانگیزاننده انرژی طلا باشد. ممکن است روش‌های جایگزین برای دور زدن پتنت‌های روسی و دور نگه داشتن او از تجارت چند میلیارد دلاری انرژی پیدا شود.

بنابراین شاید روسی ترجیح می دهد از این تایید اجتناب کند.

یک پیش بینی فوق العاده خوش بینانه برای آینده نزدیک توسط پورتال Good News of Russia انجام شده است. علاوه بر این، این نه تنها به کشور ما، بلکه به همان اندازه به سایر نقاط جهان مربوط می شود:

انقلاب ها اجتماعی-سیاسی (سوسیالیستی، بورژوایی، رنگی) و علمی و فنی (NTR) هستند. انقلاب انرژی نوعی انقلاب علمی و فناوری است.

انقلاب (lat. revolutio) یک انقلاب است، یک دگرگونی - یک تغییر اساسی، رادیکال، عمیق، کیفی، یک جهش در توسعه.

انقلاب انرژی چیست که جهان ما در آستانه آن ایستاده است؟

چه انقلابی در حوزه انرژی در انتظار ماست؟ تغییر کیفی چیست؟ جهش در توسعه چه خواهد بود و چگونه اتفاق خواهد افتاد؟

همه نماهای مدرنمهندسان قدرت دارای معایب مختلفی هستند که بیشتر آنها یا هزینه بالا (نصب، اتصالات، کیلووات) یا در دسترس بودن کم است.

هرکسی که تا به حال با اتصال به شبکه سروکار داشته باشد می‌داند که مشکلات زیادی وجود دارد و دسترسی به آن چیزهای زیادی را می‌خواهد. بله، و هزینه آن نیز.

گاز یکی از ارزان ترین و دوستدار محیط زیست است گونه های خالصسوخت - در همه جا انجام نمی شود. کشیدن خط لوله گاز به شهرک های دورافتاده بسیار گران است. گاز مایع گران است. دیگ گاز نیز هزینه زیادی دارد. خرید کنید کپسول گازو اتصال به اجاق گاز کار سختی نیست، البته گرمایش و تامین برق خانه با خرید سیلندر حل نمی شود. علاوه بر این، گاز انفجاری است.

دیزل، نفت کوره - برای استفاده در دیگ بخار خانه ها (ژنراتورها) حتی گران تر از گاز است. برای استفاده در مزارع شخصی (پاره وقت)، می توانید یک ژنراتور قرار دهید، اما برق خروجی بسیار گران خواهد بود. و ژنراتور نیز هزینه دارد.

برق آبی به ساخت نیروگاه های برق آبی نیاز دارد - اینها هزینه های سرمایه ای زیادی هستند. و این عملیات نیز به دور از رایگان است. و همه جا در دسترس نیست. و عوارض محیطی در مجموع، از کامل بودن فاصله زیادی دارد. برای نسل کوچک مناسب نیست.

انرژی هسته ای با خطر حوادث مرتبط است (چرنوبیل، فوکوشیما)، و مهم نیست که چقدر ما متقاعد شده ایم که نیروگاه های هسته ای مدرن کاملاً قابل اعتماد هستند، هنوز هم زندگی در کنار یک واحد انرژی هسته ای چندان راحت نیست. علاوه بر این، نیروگاه های هسته ای سوخت مصرف شده تولید می کنند و رادیواکتیو است، باید در جایی ذخیره شود، ترجیحاً در مکانی امن تا نشتی نداشته باشد. و ساخت نیروگاه هسته ای باز هم هزینه سرمایه ای بالایی دارد. نیروگاه های هسته ای کوچک وجود ندارند و نمی توانند حداقل به دلایل ایمنی وجود داشته باشند.

انرژی خورشیدی گران است و همیشه بر اساس تعداد روزهای آفتابی در سال موثر نیست. برای تامین انرژی روستاهای دورافتاده و خانه های مستقل در مناطق آفتابگیر مناسب است، اما در جاهایی که نیاز به برق زیاد است و روزهای آفتابی کمی وجود دارد، مناسب نیست.

تولید باد به تدریج در حال توسعه است، اندازه و قدرت ژنراتورها در حال افزایش است، هزینه انرژی در حال کاهش است، اما این نوع انرژی را نمی توان نوشدارویی نامید. نه خیلی ارزان و نه خیلی پایدار. و در همه جا صدق نمی کند.

هنوز هیچ منبع ایده آل انرژی وجود ندارد

برخی گران هستند، برخی دیگر در همه جا در دسترس نیستند، برخی دیگر خطرناک هستند. و همه آنها از نظر ظرفیت بسیار محدود هستند، آنها اجازه نمی دهند خودسرانه مصرف را در صورت نیاز افزایش دهند - عناصر سوخت اضافی را نمی توان بیش از ظرفیت طراحی در نیروگاه های هسته ای وارد کرد، خط لوله گاز را نمی توان گسترش داد، و چند مورد توربین های اضافی را نمی توان به نیروگاه های برق آبی اضافه کرد.

به طور کلی، محدودیت های محکم ...

یک مثال واضح از کاستی های انرژی مدرن، داستان کریمه است، زمانی که شبه جزیره با کمبود انرژی مواجه شد که نمی توان به سرعت آن را جبران کرد. ژنراتورهای کافی وجود نداشت، امکان ساخت سریع یک نیروگاه گازی، حتی کشیدن کابل در سراسر تنگه وجود نداشت - و این زمان قابل توجهی طول کشید.

و نه تنها در دسترس بودن انرژی چیزهای زیادی را برای دلخواه باقی می گذارد، بلکه هزینه را نیز به همراه دارد.

انرژی بخش قابل توجهی از هزینه تمام کالاها و خدمات را تشکیل می دهد، زیرا انرژی و سوخت (حامل انرژی) در تمام مراحل تولید و تحویل استفاده می شود.

تجهیزات صنعتی با برق کار می کنند، کوره ها با گاز یا دوباره با برق کار می کنند، هزینه حمل و نقل ریلی نیز شامل هزینه برق می شود. هزینه خدمات حمل و نقل موتوری شامل هزینه سوخت می شود.

قبوض آب و برق تقریباً به طور کامل شامل هزینه انرژی - برق، آب گرم، گرمایش - همه انرژی است. و حتی هزینه آب سردبه هزینه انرژی بستگی دارد، زیرا آب توسط پمپ های الکتریکی پمپ می شود.

هزینه سیمان (که بخش قابل توجهی از هزینه مسکن است) نیز به شدت به هزینه برق و سوخت بستگی دارد. هزینه آلومینیوم (یکی از اصلی ترین مواد مدرن) تقریباً به طور کامل از هزینه برق تشکیل شده است، زیرا آلومینیوم از طریق الکترولیز تولید می شود.

سهم انرژی و سوخت در قیمت تمام شده کالاها و خدمات مختلف بسیار متفاوت است، اما با توجه به هزینه های انرژی در تمام مراحل تولید، از استخراج، تصفیه و فرآوری مواد خام، تقریباً در همه جا بسیار زیاد است.

بنابراین، من می خواهم انرژی هم ارزان تر و هم در دسترس تر باشد.

من می خواهم مقیاس پذیری بالا باشد - از کیلووات تا گیگاوات، به طوری که می توان یک شهر بزرگ با انرژی ارزان و یک روستای کوچک و حتی به طور جداگانه فراهم کرد. خانه ایستاده. و به طوری که در همه جا کار می کند، صرف نظر از تعداد روزهای آفتابی در یک سال، وجود باد، رودخانه ها، زمین و سایر عوامل طبیعی. و سوخت را در دسترس قرار دهد. و دوستدار محیط زیست باشد.

اما آیا ممکن است؟

آیا چنین منبع انرژی وجود دارد که تمام معیارهای فوق (در دسترس بودن، مقیاس پذیری، کم هزینهنصب و راه اندازی، سازگاری با محیط زیست)؟

امروزه چنین منبعی در بازار وجود ندارد.

همه منابع انرژی موجود دارای معایب و محدودیت های خاصی هستند - یا نسبتا نصب ارزان، اما انرژی گران، یا هزینه های سرمایه ای بالا، یا خطرات زیست محیطی، یا محدودیت های دیگر.

در آینده نزدیک وجود خواهد داشت منبع جدیدانرژی

منبعی که هم مقیاس پذیری بالا (از یک کیلووات تا یک گیگاوات) و هم امکان نصب گسترده (از شهرهای بزرگ و تاسیسات صنعتی گرفته تا شهرهای کوچک و خانه های فردی) و سازگاری با محیط زیست و هزینه پایین انرژی دریافتی را داشته باشد. چندین برابر یا حتی چندین ده برابر ارزان تر از همه موارد موجود).

انرژی که بارها و ده ها برابر هم از نظر هزینه و هم از نظر امکانات نصب در هر منطقه - در کوه ها، در شمال دور، در روستاهای دورافتاده، در جزایر و شبه جزیره - مقرون به صرفه تر خواهد بود.

هر شرکتی می تواند هزینه نصب نیروگاه خود را داشته باشد که انرژی ارزان تری نسبت به آنچه در حال حاضر در هر شبکه موجود است تولید می کند.

برای ساخت یک روستا یا یک شهرک مسکونی جدید، دستیابی به انحراف نیرو از نیروگاه های برق آبی، نیروگاه های حرارتی یا نیروگاه های هسته ای موجود نخواهد بود - امکان نصب واحد برق خود وجود خواهد داشت.

کاهش چند برابری در هزینه انرژی منجر به تغییر در قیمت تمام کالاها و خدمات می شود، مواد و فناوری های جدیدی را در دسترس قرار می دهد که امروزه به دلیل هزینه های بالای انرژی استفاده از آنها غیرمنفعت است.

انقلاب انرژی با خود تغییرات بزرگی را در سایر زمینه ها به همراه خواهد داشت، شاید هم انقلابی.

به دنبال بخش انرژی، ساختار اقتصاد تغییر خواهد کرد و به دنبال اقتصاد، ساختار سیاسی-اجتماعی نیز تغییر خواهد کرد.

اما چه منبع جدیدی از انرژی منجر به انقلاب جهانی انرژی و همه تغییرات ناشی از آن خواهد شد؟

کیلووات و مگاوات و گیگاوات ارزان در هر مکان و کمیت و حتی با شرط پاکیزگی محیط زیست از کجا می آید؟

انرژی همجوشی هسته ای

امروز موجود است قدرت هسته ایبر اساس واکنش های شکافت عناصر رادیواکتیو سنگین (ایزوتوپ های اورانیوم در نیروگاه های هسته ای استفاده می شود). این دلیل پیچیدگی و هزینه بالاست. نیروگاه های هسته ای، پیامدهای شدید تصادفات و همچنین مشکلات سوخت مصرف شده.

سوخت رادیواکتیو تولید، استفاده و دفع آن دشوار و پرهزینه است. هزینه ها و ریسک های بالا بر هزینه انرژی دریافتی تأثیر می گذارد و اجازه ساخت نیروگاه های هسته ای کوچک را در هر کجا و همه جا نمی دهد و آنها را به پرسنل آموزش ندیده و کنترل نشده منتقل می کند.

با این حال، همراه با واکنش‌های شکافت، واکنش‌های همجوشی وجود دارد که بازده انرژی بسیار بیشتری را به همراه دارد و در عین حال هیچ ایزوتوپ رادیواکتیو در خروجی تشکیل نمی‌شود، به این معنی که هیچ مشکلی با سوخت مصرف‌شده وجود ندارد.

محصولات همجوشی هسته ای تقریباً همیشه ایزوتوپ های پایدار هستند که هیچ تفاوتی با آن هایی که در طبیعت وجود دارند ندارند. البته واکنش های همجوشی با انتشار ایزوتوپ های رادیواکتیو وجود دارد، اما هیچ کس مجبور به انجام آنها نمی شود.

در مورد چشم انداز انرژی همجوشی هسته ای برای مدت طولانی بسیار گفته و نوشته شده است.

انقلاب انرژی مرتبط با توسعه فناوری همجوشی هسته ای در پایان قرن گذشته انتظار می رفت - آنها منتظر بودند، اما هرگز انجام ندادند.

تقریباً نیم قرن پیش، تلاش‌هایی برای راه‌اندازی همجوشی هسته‌ای آغاز شد و در نتیجه انرژی پاک و عملاً پایان‌ناپذیر برای کل جهان فراهم شد (1 گرم ماده سنتز شده انرژی بیشتری از 100 لیتر بنزین می‌دهد، علی‌رغم این واقعیت که هر چیزی به طور بالقوه می‌تواند سوخت در همجوشی باشد. واکنش ها، از جمله در آب معمولی).

با این حال، تلاش‌ها برای شروع واکنش‌های همجوشی در عمل با سد کولن مواجه شد که غلبه بر آن بسیار دشوار بود.

سد کولن نیروی دافعه هسته های اتمی است که از همجوشی (سنتز) آنها جلوگیری می کند. دقیقاً به دلیل سد کولن است که همجوشی هسته ای به خودی خود در اطراف و همه جا نمی چرخد. بدون این مانع، همه مواد مدت ها پیش به آهن و تعدادی عناصر سنگین دیگر تبدیل می شدند.

به دلیل همان مانع کولن، یک انفجار حرارتی نمی تواند یک واکنش زنجیره ای ایجاد کند که طی آن کل سیاره بسوزد. در انفجار گرما هسته ای، همجوشی هسته ای تنها در حجم ماده ای رخ می دهد که در لحظه انفجار مرحله اول، که یک بار هسته ای شکافت معمولی است، "آتش گرفته شده است".

برای نیم قرن، از زمان ظهور ایده هایی در مورد استفاده از واکنش های همجوشی هسته ای در اقتصاد ملی، تلاش برای ایجاد انرژی سنتز به طور پایدار در برابر همین سد کولن شکست خورد.

توکامک ها (نوعی راکتورهای همجوشی) یکی بیشتر از دیگری ساخته شدند (و همچنان ساخته می شوند)، با این حال، انرژی خروجی مثبتی دارند که از هزینه های گرمایش و نگهداری پلاسمای با دمای بالا در داخل یک دونات مغناطیسی (بنابراین توروس) فراتر می رود. نام - توکامک، سیم پیچ مغناطیسی حلقوی) - چگونه نبود، نبود. و دلیلی وجود دارد که باور کنیم هرگز چنین نخواهد شد.

اما اگر همه تلاش‌ها برای شروع همجوشی هسته‌ای با کارآمدی انرژی تاکنون در برابر سد کولن شکست خورده است، اگر توکاماک‌ها هنوز انرژی مثبتی تولید نکرده‌اند و معلوم نیست که آیا هرگز آن را خواهند داد یا نه، پیش‌بینی یک انقلاب انرژی قریب‌الوقوع کجاست. از جانب؟

LENR یا LENR - همجوشی هسته ای کم انرژی

همراه با تلاش‌ها برای ساخت توکاماک و راه‌اندازی همجوشی هسته‌ای در پلاسمای با دمای بالا، جهتی وجود دارد که اغلب آن را همجوشی سرد می‌نامند، اگرچه این اصطلاح کاملاً صحیح نیست، که بسیاری را گمراه می‌کند.

نکته اصلی این است که همجوشی هسته‌ای نه تنها در پلاسمای با دمای بالا، بلکه در شرایط دیگر، به‌ویژه با تخلیه الکتریکی قوی، که در آن هسته‌های اتم‌ها انرژی کافی برای همجوشی به دست می‌آورند، نیز می‌تواند اتفاق بیفتد (بنابراین، نادرست است. برای اینکه این همجوشی را سرد بنامیم، انرژی داده شده به ذرات در داخل این موردکمتر از پلاسمای با دمای بالا). شرایط دیگری کشف شد که تحت آن همجوشی هسته ای "گرم" اتفاق می افتد - در دمای "زیر پلاسما، اما بالاتر از دمای اتاق".

برای مدت طولانی، علم دانشگاهی امکان گداخت هسته ای را در هیچ شرایطی به جز پلاسمای با دمای بالا تشخیص نمی داد. یک استثنا برای "کاتالیز مزون" ایجاد شد، که در آن همجوشی نیازی به گرم کردن ماده نداشت، اما از نظر انرژی سودآور نبود، زیرا هزینه به دست آوردن مزون ها بیشتر از بازده انرژی همجوشی است.

تعدادی از دانشمندان که در زمینه همجوشی کم انرژی (LENR) تحقیقاتی انجام دادند، مورد انتقاد شدید جامعه دانشگاهی قرار گرفتند، آنها را "کیمیاگر" اعلام کردند و حتی برخی از موسسات خود را "به دلیل بدعت" اخراج کردند.

اما مهم نیست که چقدر "ارتدوکس ها از فیزیک" ادعا می کردند که همجوشی هسته ای نمی تواند با انرژی های پایین ادامه یابد، زیرا حتی این کار نیز نمی تواند انجام شود - تحقیقات در این زمینه ادامه یافت، موارد جدیدی به آنها پیوستند. مراکز علمی، بودجه افزایش یافت، پایه آزمایشی رشد کرد و ... در پایان مشخص شد که غیرممکن هنوز ممکن است و همجوشی هسته ای نه تنها در پلاسمای با دمای بالا، بلکه در شرایط و حالات دیگر ماده نیز انجام می شود.

پشت سال های گذشتهتعدادی آزمایش در مورد اجرای همجوشی و سنتز "گرم" در تخلیه الکتریکی توسط مختلف مستقل تکرار شد. گروه های تحقیقاتیبرای دستیابی به یک اثر تکرارپذیر پایدار و مهمتر از همه، به دست آوردن بازده انرژی مثبت، که معلوم شد بیشتر از واکنش های شکافت اورانیوم است (همانطور که باید باشد، زیرا واکنش های همجوشی از نظر انرژی قوی تر از واکنش های شکافت هستند).

علاوه بر این، چندین نظریه به طور همزمان ایجاد شده است، که دقیقا توضیح می دهد که چگونه هسته اتم ها موفق می شوند بر سد سرسخت کولن غلبه کنند و چرا این اتفاق در شرایط کاملاً تعریف شده رخ می دهد.

هنوز در جامعه علمی اتفاق نظر وجود ندارد که کدام یک از نظریه ها صحیح است. همچنین کسانی هستند که همچنان سرسختانه تکرار می کنند "این نمی تواند باشد، زیرا هرگز نمی تواند باشد." اما به رسمیت شناختن حقایق اجتناب ناپذیر است، و همچنین اصلاح پایه نظری به یک حالت واحد که توسط جامعه علمی به رسمیت شناخته شده است.

سد کولن غلبه کرد

سد کولن به تمام معنا برطرف شده است و اکنون ظهور راکتورهای هسته ای که بر اساس اصول همجوشی کار می کنند، در درجه اول یک کار مهندسی و موضوع زمان است.

البته قبل از ظهور راکتورهای همجوشی هسته‌ای صنعتی، ممکن است سال‌های بیشتری طول بکشد. شاید حتی چندین دهه. مسیر از یک کارخانه آزمایشی به یک طرح صنعتی همیشه آسان نیست. و علم باید بیاید اجماع، وفاقبر پایه های فیزیکیاین واکنش ها، بدون این، روند اجرا به شدت متوقف خواهد شد.

به عنوان نمونه می توان تاریخچه ساخت هلیکوپتر را به یاد آورد. اولین هلیکوپترهای آزمایشی در آغاز قرن بیستم ظاهر شدند، اما خطرناک، ناپایدار و ناکارآمد بودند. تنها چند دهه بعد، پس از جنگ جهانی دوم، امکان ساخت هلیکوپترهای قابل اعتماد و واقعاً کارآمد، تولید و تبدیل آنها از نمونه های آزمایشی به صنعتی امکان پذیر شد.

این احتمال وجود دارد که راکتورهای همجوشی هسته‌ای به همین ترتیب پیش بروند - از تأسیسات آزمایشی که امروزه کار می‌کنند تا تجهیزات صنعتی که طی 10 تا 20 سال آینده شروع به تولید خواهند کرد.

اما مهمترین چیز قبلاً اتفاق افتاده است - نمونه های آزمایشی از راکتورهای همجوشی ایجاد شده است، محققان به یک اثر تکرارپذیر پایدار و یک انرژی مثبت خروجی دست یافته اند که از انرژی خروجی از میله های سوخت مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای مدرن بیشتر است.

نمونه های اولیه به ما امکان می دهند نتیجه بگیریم که راکتورهای همجوشی بسیار مقیاس پذیر خواهند بود - حداقل توان موثر از چند کیلووات شروع می شود و واحد قدرت این قدرت می تواند به اندازه یک واحد سیستم کامپیوتری باشد. هزینه نصب به ازای هر کیلووات توان کمتر از هر ژنراتور موجود خواهد بود. هزینه سوخت (شارژ) به دلیل استفاده از یک ماده در همه جا ناچیز خواهد بود.

فهرستی از محققان و تأسیسات آزمایشی که تأثیر همجوشی هسته ای بر روی آنها به دست آمده است، در این موادمن این کار را نخواهم کرد، زیرا آنها مستحق بررسی جداگانه هستند که من آن را آماده و ارسال خواهم کرد.

در حال حاضر، من فقط به کشورهایی اشاره می کنم که در آنها مطالعات انجام شده و نتایج مثبت به دست آمده است - اینها روسیه، ژاپن، ایتالیا و ایالات متحده هستند. در همان زمان، ظاهرا اولین تاسیسات همجوشی هسته ای در اتحاد جماهیر شوروی ایجاد شد، اما این پروژه به موقع توسعه پیدا نکرد و بسته شد.

به ویژه مهم است که دانشمندان چینی موفق به بازتولید اثر همجوشی هسته ای شدند و اگر چیزی در چین بازتولید شد، نمی توان جلوی ظاهر طرح های صنعتی را گرفت.

انرژی همجوشی هسته ای از فانتزی به واقعیت تبدیل می شود.

جهان در آستانه یک انقلاب انرژی است که نمی توان آن را لغو کرد.

نه اینکه همه انقلاب‌های دیگری را که به دنبال انقلاب انرژی رخ می‌دهند، لغو کنیم، زیرا انرژی اساس همه چیز است - تولید، حمل و نقل، حمایت از زندگی، اساس کل اقتصاد. و اقتصاد اساس سیاست و نظم اجتماعی است. بنابراین، انقلاب انرژی را بقیه، تا انقلاب های سیاسی-اجتماعی دنبال خواهند کرد.

فرآیندی است که طی آن دو هسته اتم با هم ترکیب می شوند و هسته سنگین تری را تشکیل می دهند. این فرآیند معمولاً با آزاد شدن انرژی همراه است. همجوشی هسته ای منبع انرژی ستاره ها و بمب هیدروژنی است.
برای نزدیک کردن هسته‌های اتم به اندازه‌ای که واکنش هسته‌ای رخ دهد، حتی برای سبک‌ترین عنصر یعنی هیدروژن، مقدار بسیار قابل توجهی انرژی مورد نیاز است. اما، در مورد هسته های سبک، در نتیجه اتحاد دو هسته برای تشکیل یک هسته سنگین تر، انرژی بسیار بیشتری از آنچه برای غلبه بر دافعه کولن بین آنها لازم است آزاد می شود. به همین دلیل، همجوشی هسته ای یک منبع انرژی بسیار امیدوارکننده است و یکی از زمینه های اصلی تحقیق در علم مدرن است.
مقدار انرژی آزاد شده در اکثر واکنش های هسته ای بسیار بیشتر از واکنش های شیمیایی است، زیرا انرژی اتصال نوکلئون ها در یک هسته بسیار بیشتر از انرژی اتصال الکترون ها در یک اتم است. به عنوان مثال، انرژی یونیزاسیون حاصل از اتصال یک الکترون به یک پروتون برای تشکیل اتم هیدروژن 13.6 الکترون ولت است که کمتر از یک میلیونم 17 مگا ولت آزاد شده توسط واکنش دوتریوم با تریتیوم است که در زیر توضیح داده شده است.
دو نوع برهمکنش در هسته اتم وجود دارد: نیروی قوی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، و دافعه الکترواستاتیکی بسیار ضعیف‌تر بین پروتون‌های دارای بار مساوی هسته، تلاش می‌کند هسته را از هم جدا کند. برهم کنش قوی فقط در فواصل بسیار کوتاه بین پروتون ها و نوترون ها که مستقیماً در مجاورت یکدیگر هستند آشکار می شود. این همچنین به این معنی است که پروتون‌ها و نوترون‌های روی سطح هسته ضعیف‌تر از پروتون‌ها و نوترون‌های درون هسته هستند. نیروی دافعه الکترواستاتیکی در عوض در هر فاصله ای عمل می کند و با مجذور فاصله بین بارها نسبت معکوس دارد، یعنی هر پروتون در هسته با آن تعامل دارد. هر یکپروتون دیگری در هسته این منجر به این واقعیت می شود که با افزایش اندازه هسته، نیروهای نگهدارنده هسته تا یک عدد اتمی خاص (یک اتم آهن) افزایش می یابد و سپس شروع به ضعیف شدن می کند. با شروع اورانیوم، انرژی اتصال منفی می شود و هسته عناصر سنگین ناپایدار می شود.
بنابراین، برای انجام یک واکنش همجوشی هسته ای، لازم است انرژی معینی برای غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین این دو صرف شود. هسته های اتمیو آنها را به فاصله ای بیاورید که یک تعامل قوی شروع به ظهور کند. انرژی مورد نیاز برای غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی را سد کولن می نامند.
سد کولن برای ایزوتوپ های هیدروژن کم است زیرا آنها فقط یک پروتون در هسته دارند. برای مخلوط DT، سد انرژی حاصل 0.1 مگا ولت است. برای مقایسه، برای حذف یک الکترون از اتم هیدروژن تنها 13 eV طول می کشد که 7500 برابر کمتر است. هنگامی که واکنش همجوشی کامل می شود، هسته جدید به سطح انرژی پایین تری حرکت می کند و انرژی اضافی آزاد می کند و یک نوترون با انرژی 17.59 مگا ولت ساطع می کند که به طور قابل توجهی بیشتر از آنچه برای شروع واکنش نیاز است است. یعنی واکنش همجوشی DT بسیار گرمازا است و منبع انرژی است.
اگر هسته بخشی از پلاسما نزدیک به حالت تعادل حرارتی باشد، واکنش همجوشی را همجوشی گرما هسته ای می نامند. از آنجایی که دما معیاری برای میانگین انرژی جنبشی ذرات است، گرم کردن پلاسما می تواند انرژی کافی برای غلبه بر سد 0.1 مگا الکترون ولت هسته را فراهم کند. با تبدیل eV به کلوین، دمای بالاتر از 1 GK را بدست می آوریم که دمای بسیار بالایی است.
با این حال، دو پدیده وجود دارد که کاهش دمای واکنش مورد نیاز را ممکن می سازد. اول، منعکس کننده دما وسطانرژی جنبشی، یعنی حتی در دماهای پایین تر از معادل 0.1 مگا ولت، برخی از هسته ها انرژی بسیار بالاتر از 0.1 مگا ولت خواهند داشت و بقیه انرژی بسیار کمتری خواهند داشت. در مرحله دوم، باید پدیده تونل زنی کوانتومی را در نظر گرفت، زمانی که هسته ها بر سد کولن غلبه می کنند و انرژی کافی ندارند. این امکان به دست آوردن واکنش های همجوشی (آهسته) در دماهای پایین را فراهم می کند.
برای درک واکنش همجوشی این مفهوم مهم است سطح مقطعواکنش ها؟: اندازه گیری احتمال یک واکنش همجوشی به عنوان تابعی از سرعت نسبی دو هسته متقابل. برای یک واکنش همجوشی گرما هسته ای، در نظر گرفتن میانگین مقدار توزیع حاصلضرب مقطع و سرعت هسته راحت تر است. با استفاده از آن می توان سرعت واکنش (همجوشی هسته ها در حجم در هر زمان) را به صورت زیر نوشت

جایی که n 1 و n 2 چگالی واکنش دهنده ها است. از صفر در دمای اتاق به مقدار قابل توجهی از قبل در دما افزایش می یابد)