Carburant de fusion. Fusée à fusion de MSNW. Un crayon combustible n’est pas seulement un « long tube »

25.10.2019

Combustible nucléaire

Il existe deux types de carburant. Le premier est l’uranium extrait des mines, qui est d’origine naturelle. Il contient des matières premières capables de former du plutonium. Le second est un carburant créé artificiellement (secondaire).

Le combustible nucléaire est également divisé selon sa composition chimique : métallique, oxyde, carbure, nitrure et mixte.

Extraction d'uranium et production de carburant

Une grande partie de la production d'uranium provient de quelques pays seulement : la Russie, la France, l'Australie, les États-Unis, le Canada et l'Afrique du Sud.

L'uranium est le principal élément combustible des centrales nucléaires. Pour entrer dans le réacteur, il passe par plusieurs étapes de traitement. Le plus souvent, les gisements d'uranium sont situés à côté d'or et de cuivre, son extraction s'effectue donc avec l'extraction de métaux précieux.

Lors de l'exploitation minière, la santé humaine est en grand danger car l'uranium est une matière toxique et les gaz qui apparaissent lors de son extraction provoquent diverses formes de cancer. Bien que le minerai lui-même contienne une très petite quantité d'uranium - de 0,1 à 1 pour cent. La population vivant à proximité des mines d’uranium court également un grand risque.

L'uranium enrichi est le principal combustible des centrales nucléaires, mais après son utilisation, il reste une énorme quantité de déchets radioactifs. Malgré tous ses dangers, l’enrichissement de l’uranium fait partie intégrante du processus de création de combustible nucléaire.

Sous sa forme naturelle, l’uranium ne peut pratiquement être utilisé nulle part. Pour être utilisé, il doit être enrichi. Des centrifugeuses à gaz sont utilisées pour l'enrichissement.

L'uranium enrichi est utilisé non seulement dans l'énergie nucléaire, mais aussi dans la production d'armes.

Transport

À chaque étape du cycle du combustible, il y a un transport. Il est réalisé par tout le monde moyens accessibles: par terre, mer, air. Il s’agit d’un grand risque et d’un grand danger non seulement pour l’environnement, mais aussi pour l’homme.

Lors du transport du combustible nucléaire ou de ses éléments, de nombreux accidents se produisent, entraînant des rejets d'éléments radioactifs. C’est l’une des nombreuses raisons pour lesquelles il est considéré comme dangereux.

Démantèlement des réacteurs

Aucun des réacteurs n'a été démantelé. Même le tristement célèbre Tchernobyl. Le problème est que, selon les experts, le coût du démantèlement est égal, voire supérieur, au coût de la construction d'un nouveau réacteur. Mais personne ne peut dire exactement combien d'argent sera nécessaire : le coût a été calculé sur la base de l'expérience du démantèlement de petites stations à des fins de recherche. Les experts proposent deux options :

Placer les réacteurs et le combustible nucléaire usé dans des dépôts.
Construisez des sarcophages sur des réacteurs déclassés.

Dans les dix prochaines années, environ 350 réacteurs dans le monde arriveront en fin de vie et devront être mis hors service. Mais comme la méthode la plus adaptée en termes de sécurité et de prix n'a pas été inventée, cette question est toujours en cours de résolution.

Il existe actuellement 436 réacteurs en activité dans le monde. Bien sûr, il s’agit d’une contribution importante au système énergétique, mais elle est très dangereuse. Les recherches montrent que d’ici 15 à 20 ans, les centrales nucléaires pourront être remplacées par des centrales fonctionnant à l’énergie éolienne et à des panneaux solaires.

Déchets nucléaires

Une énorme quantité de déchets nucléaires est générée par les activités des centrales nucléaires. Le retraitement du combustible nucléaire laisse également derrière lui des déchets dangereux. Cependant, aucun des pays n’a trouvé de solution au problème.

Aujourd’hui, les déchets nucléaires sont conservés dans des installations de stockage temporaires, dans des mares d’eau ou enfouis à faible profondeur sous terre.

La méthode la plus sûre est le stockage dans des installations de stockage spéciales, mais des fuites de rayonnement sont également possibles ici, comme avec d'autres méthodes.

En effet, les déchets nucléaires ont une certaine valeur, mais nécessitent le strict respect des règles de stockage. Et c’est là le problème le plus urgent.

Un facteur important est la durée pendant laquelle les déchets sont dangereux. Chacun a sa propre période de décomposition pendant laquelle il est toxique.

Types de déchets nucléaires

Lors de l'exploitation de toute centrale nucléaire, ses déchets entrent dans le environnement. Il s'agit d'eau destinée au refroidissement des turbines et des déchets gazeux.

Les déchets nucléaires sont divisés en trois catégories :

Niveau bas - vêtements des employés des centrales nucléaires, matériel de laboratoire. Ces déchets peuvent également provenir établissements médicaux, laboratoires scientifiques. Ils ne représentent pas un grand danger, mais nécessitent le respect des mesures de sécurité.
Niveau intermédiaire - conteneurs métalliques dans lesquels le carburant est transporté. Leur niveau de rayonnement est assez élevé et ceux qui se trouvent à proximité doivent être protégés.
Le niveau élevé concerne le combustible nucléaire usé et ses produits de retraitement. Le niveau de radioactivité diminue rapidement. Déchets haut niveau très peu, environ 3 pour cent, mais ils contiennent 95 pour cent de toute la radioactivité.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), en collaboration avec des collègues américains et bruxellois, ont développé un nouveau type de combustible thermonucléaire. Avec son aide, vous pouvez obtenir dix fois plus d'énergie que celle de tous les échantillons existants. Le nouveau carburant contient trois types d'ions - des particules dont la charge change en fonction de la perte ou du gain d'un électron. Pour étudier le carburant, un tokamak est utilisé - une chambre toroïdale pour confiner magnétiquement le plasma, créant les conditions pour géré fusion thermonucléaire . Des expériences avec le nouveau produit sont réalisées sur la base d'un tokamak Alcator C-Mod, propriété du MIT, qui fournit la tension la plus élevée champ magnétique et la pression plasmatique pendant les tests.

Le secret du nouveau carburant

Alcator C-Mod dernière fois a été lancé en septembre 2016, mais les données obtenues à la suite des expériences n'ont été décryptées que récemment. C'est grâce à eux que les scientifiques ont pu développer un nouveau type unique de combustible thermonucléaire qui augmente considérablement l'énergie des ions dans le plasma. Les résultats étaient si encourageants que les chercheurs travaillant sur Torah européenne unie (JET, un autre tokamak moderne) dans l'Oxfordshire, aux États-Unis, ont mené leur propre expérience et ont obtenu la même augmentation de la production d'énergie. Une étude détaillant les résultats a été récemment publiée dans Physique naturelle .

La clé pour augmenter l’efficacité du combustible nucléaire consistait à ajouter de petites quantités d’hélium-3, un isotope stable de l’hélium qui ne contient qu’un seul neutron au lieu de deux. Le combustible nucléaire utilisé dans l'Alcator C-Mod ne contenait auparavant que deux types d'ions, les ions deutérium et hydrogène. Le deutérium, un isotope stable de l'hydrogène avec un neutron dans son noyau (l'hydrogène ordinaire n'a aucun neutron), représente environ 95 % de la composition totale du carburant.

Des chercheurs du MIT Plasma and Fusion Center (PSFC) ont utilisé le chauffage par radiofréquence pour enflammer du carburant maintenu en suspension par des aimants industriels. Cette méthode repose sur l'utilisation d'antennes extérieures au tokamak, qui affectent le carburant à l'aide d'ondes radio de certaines fréquences. Ils sont calibrés de manière à frapper uniquement le matériau dont la quantité en suspension est inférieure à tous les autres (en dans ce cas c'est de l'hydrogène). L'hydrogène ne représente qu'une petite fraction de la densité totale du carburant, et donc concentrer le chauffage par radiofréquence sur ses ions permet d'obtenir des résultats extrêmement hautes températures. Les ions hydrogène excités interagissent alors avec les ions deutérium et les particules résultantes bombardent l’enveloppe extérieure du réacteur, libérant d’énormes quantités de chaleur et d’électricité.

Et alors? hélium-3? Le nouveau carburant en contient moins de 1 %, mais ce sont ses ions qui jouent un rôle déterminant. En concentrant le chauffage par radiofréquence sur une si petite quantité de matière, les chercheurs ont élevé l’énergie des éons jusqu’aux niveaux du mégaélectronvolt (MeV). Un électron-volt est la quantité d'énergie gagnée/perdue suite au déplacement d'un électron d'un point de potentiel électrique à un niveau supérieur de 1 volt. Jusqu'à présent, les mégaélectronvolts dans les expériences avec le combustible thermonucléaire n'étaient que le rêve ultime des scientifiques - c'est un ordre de grandeur supérieur à l'énergie de tous les échantillons obtenus jusqu'à présent.

Tokamak : recherche sur les réactions thermonucléaires

Alcatre C-Mod et JET sont des chambres de fusion expérimentales capables d'atteindre les mêmes pressions et températures de plasma que celles requises dans un réacteur de fusion à grande échelle. Il convient toutefois de noter qu’ils sont plus petits et ne produisent pas ce que les chercheurs appellent la « fusion activée », une fusion dont l’énergie est directement convertie en énergie pouvant être utilisée à d’autres fins. Le réglage fin de la composition du combustible, des radiofréquences, des champs magnétiques et d'autres variables de ces expériences permet aux chercheurs de sélectionner avec soin le processus de fusion le plus efficace, qui peut ensuite être reproduit à l'échelle industrielle.

Comme déjà mentionné, les scientifiques américains travaillant au JET ont réussi non seulement à obtenir les mêmes résultats, mais également à les comparer avec les travaux de leurs collègues occidentaux, grâce auxquels la communauté scientifique a reçu des données de mesure uniques de diverses propriétés de réactions incroyablement complexes. se produisant dans un plasma surchauffé. Au MIT, les chercheurs ont utilisé une méthode d'imagerie de la réaction par microscopie à contraste de phase, grâce à laquelle les phases ondes électromagnétiques se transforment en un contraste d’intensité. À leur tour, les scientifiques du JET ont pu mesurer avec plus de précision l’énergie des particules résultantes, ce qui a permis d’obtenir une image plus complète de ce qui se passe lors des réactions de fusion.

Fusion nucléaire : une révolution énergétique

Qu'est-ce que cela signifie pour vous et moi ? À tout le moins, une avancée significative dans le domaine technologique. La fusion nucléaire, exploitée à des fins industrielles, pourrait révolutionner la production d’énergie. Son potentiel énergétique est incroyablement élevé et le carburant est constitué des éléments les plus courants dans système solaire- de l'hydrogène et de l'hélium. De plus, après combustion du combustible thermonucléaire, aucun déchet dangereux pour l’environnement et l’homme n’est généré.

Comme indiqué Nature, les résultats de ces expériences aideront également les astronomes à mieux comprendre le rôle de l'hélium-3 dans l'activité solaire - après tout, les éruptions solaires qui constituent une menace pour l'énergie de la Terre et les satellites géocroiseurs ne sont rien de plus que le résultat d'une réaction thermonucléaire avec rayonnement thermique et électromagnétique colossal.

Étant donné que le combustible nucléaire est plus efficace que tous les autres types de combustibles dont nous disposons aujourd'hui, une grande préférence est donnée à tout ce qui peut fonctionner avec l'aide de centrales nucléaires (centrales nucléaires, sous-marins, navires, etc.). Nous parlerons plus en détail de la manière dont le combustible nucléaire pour les réacteurs est produit.

L'uranium est extrait de deux manières principales :
1) Extraction directe dans des carrières ou des mines, si la profondeur de l'uranium le permet. Avec cette méthode, j'espère que tout est clair.
2) Lessivage in situ. C'est à ce moment-là que des puits sont forés à l'endroit où se trouve l'uranium, qu'une faible solution d'acide sulfurique y est pompée et que la solution interagit avec l'uranium en se combinant avec lui. Ensuite, le mélange obtenu est pompé vers le haut, vers la surface, et de là méthodes chimiques de l'uranium est libéré.

Imaginons que nous ayons déjà extrait de l'uranium à la mine et que nous l'ayons préparé pour d'autres transformations. La photo ci-dessous montre ce qu’on appelle le « yellowcake », U3O8. Dans un fût pour un transport ultérieur.

Tout irait bien et, en théorie, cet uranium pourrait être immédiatement utilisé pour produire du combustible pour les centrales nucléaires, mais hélas. La nature, comme toujours, nous a donné du travail. Le fait est que l’uranium naturel est constitué d’un mélange de trois isotopes. Il s'agit du U238 (99,2745%), du U235 (0,72%) et du U234 (0,0055%). Nous ne nous intéressons ici qu'à l'U235 : puisqu'il partage parfaitement les neutrons thermiques dans le réacteur, c'est lui qui nous permet de profiter de tous les bénéfices de la réaction de fission en chaîne. Malheureusement, sa concentration naturelle n'est pas suffisante pour un fonctionnement stable et à long terme d'un réacteur de centrale nucléaire moderne. Bien que, à ma connaissance, l'appareil RBMK soit conçu de telle manière qu'il puisse être lancé avec du combustible à base d'uranium naturel, la stabilité, la durabilité et la sécurité de fonctionnement avec un tel combustible ne sont pas du tout garanties.
Nous devons enrichir l'uranium. C’est-à-dire augmenter la concentration d’U235 du naturel à celle utilisée dans le réacteur.
Par exemple, le réacteur RBMK fonctionne avec de l'uranium enrichi à 2,8 %, le VVER-1000 - enrichi de 1,6 à 5,0 %. Navire et nucléaire naval centrales électriques Ils consomment du carburant enrichi jusqu'à 20 %. Et certains réacteurs de recherche fonctionnent avec du combustible enrichi à 90 % (par exemple l'IRT-T à Tomsk).
En Russie, l'enrichissement de l'uranium est réalisé à l'aide de centrifugeuses à gaz. Autrement dit, la poudre jaune qui figurait sur la photo plus tôt est transformée en gaz, l'hexafluorure d'uranium UF6. Ce gaz est ensuite acheminé vers une cascade de centrifugeuses. A la sortie de chaque centrifugeuse, du fait de la différence de poids des noyaux U235 et U238, on obtient de l'hexafluorure d'uranium avec légèrement contenu accru U235. Le processus est répété plusieurs fois et nous obtenons finalement de l'hexafluorure d'uranium avec l'enrichissement dont nous avons besoin. Sur la photo ci-dessous, vous pouvez simplement voir l'ampleur de la cascade de centrifugeuses - elles sont nombreuses et s'étendent sur de lointaines distances.

Le gaz UF6 est ensuite reconverti en UO2, sous forme de poudre. Après tout, la chimie est une science très utile et nous permet de créer de tels miracles.
Cependant, cette poudre ne peut pas être facilement versée dans le réacteur. Ou plutôt, vous pouvez vous endormir, mais rien de bon n'en sortira. Elle (la poudre) doit être amenée sous une forme telle qu'on puisse la descendre dans le réacteur pendant longtemps, pendant des années. Dans ce cas, le carburant lui-même ne doit pas entrer en contact avec le liquide de refroidissement et dépasser le noyau. Et en plus de tout cela, le combustible doit résister aux pressions et aux températures très, très sévères qui y apparaîtront lors des travaux à l'intérieur du réacteur.
À propos, j'ai oublié de dire que la poudre n'est pas non plus n'importe quel type - elle doit être d'une certaine taille afin que lors du pressage et du frittage, des vides et des fissures inutiles ne se forment pas. Premièrement, les comprimés sont fabriqués à partir de poudre par pressage et cuisson prolongée (la technologie est vraiment difficile, si elle est violée, les comprimés de carburant ne seront pas utilisables). Je vais montrer les variantes des tablettes sur la photo ci-dessous.

Des trous et des évidements sur les tablettes sont nécessaires pour compenser la dilatation thermique et les changements de rayonnement. Dans le réacteur, avec le temps, les comprimés gonflent, se plient, changent de taille, et si rien n'est prévu, ils peuvent s'effondrer, et c'est mauvais.

Les comprimés finis sont ensuite conditionnés dans des tubes métalliques (en acier, zirconium et ses alliages et autres métaux). Les tubes sont fermés aux deux extrémités et scellés. Le tube fini contenant du carburant est appelé élément combustible - un élément combustible.

Différents réacteurs nécessitent des barres de combustible différents modèles et l'enrichissement. Les barres de combustible RBMK, par exemple, mesurent 3,5 mètres de long. Soit dit en passant, les éléments combustibles ne sont pas uniquement des tiges. comme sur la photo. Ce sont l'assiette, l'anneau, la mer divers types et modifications.
Les éléments combustibles sont ensuite combinés en assemblages combustibles - FA. L'assemblage combustible du réacteur RBMK se compose de 18 barres de combustible et ressemble à ceci :

L’assemblage combustible d’un réacteur VVER ressemble à ceci :
Comme on peut le constater, l'assemblage combustible d'un réacteur VVER est constitué d'une grande partie plus barres de combustible que le RBMK.
Le produit spécial fini (FA) est ensuite livré à la centrale nucléaire dans le respect des mesures de sécurité. Pourquoi des précautions ? Le combustible nucléaire, bien qu’il ne soit pas encore radioactif, est très précieux, coûteux et, s’il est manipulé avec beaucoup de négligence, il peut causer de nombreux problèmes. Ensuite, le contrôle final de l'état de l'assemblage combustible est effectué et son chargement dans le réacteur. Ça y est, l'uranium a parcouru un long chemin depuis le minerai souterrain jusqu'à un dispositif de haute technologie à l'intérieur d'un réacteur nucléaire. Il a désormais un destin différent : passer plusieurs années à l'intérieur du réacteur et libérer de la chaleur précieuse, que l'eau (ou tout autre liquide de refroidissement) lui enlèvera.

Le combustible nucléaire est un matériau utilisé dans les réacteurs nucléaires pour réaliser une réaction en chaîne contrôlée. Il est extrêmement énergivore et dangereux pour l'homme, ce qui impose un certain nombre de restrictions sur son utilisation. Aujourd'hui, nous apprendrons ce qu'est le combustible des réacteurs nucléaires, comment il est classé et produit et où il est utilisé.

Progression de la réaction en chaîne

Lors d'une réaction nucléaire en chaîne, le noyau est divisé en deux parties, appelées fragments de fission. Dans le même temps, plusieurs (2-3) neutrons sont libérés, ce qui provoque ensuite la fission des noyaux suivants. Le processus se produit lorsqu'un neutron frappe le noyau de la substance d'origine. Les fragments de fission ont une énergie cinétique élevée. Leur inhibition dans la matière s'accompagne du dégagement d'une énorme quantité de chaleur.

Les fragments de fission, ainsi que leurs produits de désintégration, sont appelés produits de fission. Les noyaux qui partagent des neutrons de n’importe quelle énergie sont appelés combustible nucléaire. En règle générale, ce sont des substances comportant un nombre impair d’atomes. Certains noyaux sont fissionnés uniquement par des neutrons dont l'énergie est supérieure à une certaine valeur seuil. Ce sont majoritairement des éléments comportant un nombre pair d’atomes. De tels noyaux sont appelés matières premières, car au moment de la capture d'un neutron par un noyau seuil, des noyaux combustibles se forment. Combinaison de carburant et matière première appelé combustible nucléaire.

Classification

Le combustible nucléaire est divisé en deux classes :

Uranium naturel. Il contient des noyaux fissiles d'uranium 235 et une matière première d'uranium 238, capable de former du plutonium 239 lors de la capture de neutrons.
Un carburant secondaire introuvable dans la nature. Cela comprend, entre autres, le plutonium 239, obtenu à partir du combustible du premier type, ainsi que l'uranium 233, formé lorsque les neutrons sont capturés par les noyaux de thorium 232.

Du point de vue composition chimique, il existe les types de combustible nucléaire suivants :

Métal (y compris alliages);
Oxyde (par exemple, UO 2);
Carbure (par exemple PuC 1-x) ;
Mixte;
Nitrure.

TVEL et TVS

Le combustible des réacteurs nucléaires est utilisé sous forme de pastilles petite taille. Ils sont placés dans des éléments combustibles (éléments combustibles) hermétiquement fermés, qui, à leur tour, sont combinés en plusieurs centaines d'assemblages combustibles (FA). Le combustible nucléaire est soumis à des exigences élevées en matière de compatibilité avec les gaines des crayons combustibles. Il doit avoir une température de fusion et d'évaporation suffisante, une bonne conductivité thermique et ne pas augmenter considérablement de volume sous irradiation neutronique. La fabricabilité de la production est également prise en compte.

Application

Aux centrales nucléaires et autres installations nucléaires le carburant se présente sous forme d’assemblages combustibles. Ils peuvent être chargés dans le réacteur aussi bien pendant son fonctionnement (à la place des assemblages combustibles brûlés) que lors d'une campagne de réparation. Dans ce dernier cas, les assemblages combustibles sont remplacés par grands groupes. Dans ce cas, seul un tiers du carburant est entièrement remplacé. Les assemblages les plus calcinés sont déchargés de la partie centrale du réacteur, et à leur place sont placés des assemblages partiellement calcinés qui se trouvaient auparavant dans des zones moins actives. Par conséquent, de nouveaux assemblages combustibles sont installés à la place de ces derniers. Ce schéma de réarrangement simple est considéré comme traditionnel et présente un certain nombre d'avantages, dont le principal est d'assurer une libération uniforme de l'énergie. Bien sûr, c'est diagramme conditionnel, qui ne donne que des idées générales sur le processus.

Extrait

Une fois le combustible nucléaire usé retiré du cœur du réacteur, il est envoyé vers une piscine de refroidissement, généralement située à proximité. Le fait est que les assemblages combustibles usés contiennent une énorme quantité de fragments de fission d’uranium. Après déchargement du réacteur, chaque barre de combustible contient environ 300 000 Curies de substances radioactives, libérant 100 kW/heure d'énergie. De ce fait, le combustible s’échauffe automatiquement et devient hautement radioactif.

La température du carburant nouvellement déchargé peut atteindre 300°C. Par conséquent, il est conservé pendant 3 à 4 ans sous une couche d'eau dont la température est maintenue dans la plage établie. Au fur et à mesure qu'il est stocké sous l'eau, la radioactivité du carburant et la puissance de ses émissions résiduelles diminuent. Après environ trois ans, l’auto-échauffement de l’assemblage combustible atteint 50-60°C. Ensuite, le carburant est retiré des piscines et envoyé pour traitement ou élimination.

Uranium métal

L'uranium métal est relativement rarement utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires. Lorsqu’une substance atteint une température de 660°C, une transition de phase se produit, accompagnée d’un changement dans sa structure. En termes simples, l'uranium augmente en volume, ce qui peut entraîner la destruction des barres de combustible. En cas d'irradiation prolongée à une température de 200 à 500°C, la substance subit une croissance radiologique. L'essence de ce phénomène est l'allongement de 2 à 3 fois de la tige d'uranium irradiée.

L'utilisation de l'uranium métal à des températures supérieures à 500°C est difficile en raison de son gonflement. Après la fission nucléaire, deux fragments se forment dont le volume total dépasse le volume de ce même noyau. Certains fragments de fission sont représentés par des atomes de gaz (xénon, krypton, etc.). Le gaz s’accumule dans les pores de l’uranium et forme une pression interne qui augmente avec la température. En raison d'une augmentation du volume des atomes et d'une augmentation de la pression du gaz, le combustible nucléaire commence à gonfler. Il s’agit donc du changement relatif de volume associé à la fission nucléaire.

La force du gonflement dépend de la température des crayons combustibles et de la combustion. Avec l'augmentation de la combustion, le nombre de fragments de fission augmente, et avec l'augmentation de la température et de la combustion, la pression interne du gaz augmente. Si le carburant a des propriétés mécaniques plus élevées, il est alors moins susceptible de gonfler. L'uranium métal ne fait pas partie de ces matériaux. Son utilisation comme combustible pour les réacteurs nucléaires limite donc le taux de combustion, qui est l'une des principales caractéristiques d'un tel combustible.

Les propriétés mécaniques de l'uranium et sa résistance aux radiations sont améliorées par l'alliage du matériau. Ce processus consiste à y ajouter de l'aluminium, du molybdène et d'autres métaux. Grâce aux additifs dopants, le nombre de neutrons de fission nécessaires par capture est réduit. Par conséquent, des matériaux qui absorbent faiblement les neutrons sont utilisés à ces fins.

Composés réfractaires

Certains composés réfractaires de l'uranium sont considérés comme de bons combustibles nucléaires : les carbures, les oxydes et les composés intermétalliques. Le plus courant d’entre eux est le dioxyde d’uranium (céramique). Son point de fusion est de 2 800°C et sa densité est de 10,2 g/cm 3 .

Ce matériau ne subissant pas de transitions de phase, il est moins susceptible de gonfler que les alliages d'uranium. Grâce à cette fonctionnalité, la température de combustion peut être augmentée de plusieurs pour cent. À haute température, la céramique n'interagit pas avec le niobium, le zirconium, l'acier inoxydable et d'autres matériaux. Son principal inconvénient réside dans une faible conductivité thermique - 4,5 kJ (m*K), limitant la densité de puissance réacteur. De plus, les céramiques chaudes ont tendance à se fissurer.

Plutonium

Le plutonium est considéré comme un métal à faible point de fusion. Il fond à une température de 640°C. En raison de ses mauvaises propriétés plastiques, il est pratiquement impossible de usinage. La toxicité de la substance complique la technologie de fabrication des barres combustibles. L’industrie nucléaire a tenté à plusieurs reprises d’utiliser le plutonium et ses composés, mais sans succès. Utiliser du carburant pour centrales nucléaires, contenant du plutonium, n'est pas pratique en raison d'une réduction d'environ 2 fois de la période d'accélération, ce qui n'est pas conçu pour systèmes standards contrôle du réacteur.

Pour la fabrication du combustible nucléaire, on utilise généralement du dioxyde de plutonium, des alliages de plutonium avec des minéraux et un mélange de carbures de plutonium et de carbures d'uranium. Combustibles à dispersion, dans lesquels des particules de composés d'uranium et de plutonium sont placées dans une matrice métallique de molybdène, d'aluminium, en acier inoxydable et d'autres métaux. La résistance aux radiations et la conductivité thermique du combustible de dispersion dépendent du matériau de la matrice. Par exemple, dans la première centrale nucléaire, le combustible dispersé était constitué de particules d'un alliage d'uranium contenant 9 % de molybdène, qui étaient remplies de molybdène.

Quant au combustible au thorium, il n'est pas utilisé aujourd'hui en raison des difficultés de production et de traitement des crayons combustibles.

Production

Des volumes importants de la principale matière première du combustible nucléaire - l'uranium - sont concentrés dans plusieurs pays : Russie, États-Unis, France, Canada et Afrique du Sud. Ses gisements sont généralement situés à proximité de l’or et du cuivre, tous ces matériaux sont donc extraits en même temps.

La santé des personnes travaillant dans le secteur minier est gravement menacée. Le fait est que l’uranium est une matière toxique et que les gaz libérés lors de son extraction peuvent provoquer le cancer. Et ce malgré le fait que le minerai ne contient pas plus de 1% de cette substance.

Reçu

La production de combustible nucléaire à partir de minerai d'uranium comprend les étapes suivantes :

Traitement hydrométallurgique. Comprend la lixiviation, le concassage et l’extraction ou la récupération par sorption. Le résultat du traitement hydrométallurgique est une suspension purifiée d'oxyde d'oxyuranium, de diuranate de sodium ou de diuranate d'ammonium.
Conversion d'une substance d'oxyde en tétrafluorure ou hexafluorure, utilisée pour enrichir l'uranium 235.
Enrichissement d'une substance par centrifugation ou diffusion thermique de gaz.
Conversion de la matière enrichie en dioxyde, à partir de laquelle des « pastilles » de barres combustibles sont produites.

Régénération

Pendant le fonctionnement d'un réacteur nucléaire, le combustible ne peut pas être complètement brûlé, c'est pourquoi les isotopes libres sont reproduits. À cet égard, les barres de combustible usé sont soumises à une régénération en vue de leur réutilisation.

Aujourd’hui, ce problème est résolu grâce au processus Purex, composé des étapes suivantes :

Couper les barres de combustible en deux parties et les dissoudre dans de l'acide nitrique ;
Nettoyer la solution des produits de fission et des parties de la coque ;
Isolement de composés purs d'uranium et de plutonium.

Le dioxyde de plutonium obtenu est ensuite utilisé pour la production de nouveaux noyaux, et l'uranium est utilisé pour l'enrichissement ou également pour la production de noyaux. Le retraitement du combustible nucléaire est un processus complexe et coûteux. Son coût a un impact significatif sur la faisabilité économique de l'utilisation des centrales nucléaires. Il en va de même pour le stockage des déchets de combustible nucléaire impropres à la régénération.

Selon les concepts astrophysiques modernes, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire qui se produit dans leurs profondeurs. En conditions terrestres, elle est réalisée lors d'une explosion Bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'une libération d'énergie colossale par unité de masse de substances en réaction (environ 10 millions de fois plus que réactions chimiques). Il est donc d'un grand intérêt de maîtriser ce processus et, sur cette base, de créer un produit bon marché et respectueux de l'environnement. source pureénergie. Cependant, même si de grandes équipes scientifiques et techniques de nombreux pays développés mènent des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), de nombreux problèmes complexes doivent encore être résolus avant que la production industrielle d'énergie thermonucléaire ne devienne une réalité.

Les centrales nucléaires modernes utilisant le processus de fission ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Leur combustible est constitué d'éléments radioactifs naturels, l'uranium et le thorium, dont l'abondance et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, de nombreux pays sont confrontés au problème de leur importation. Le principal composant du combustible thermonucléaire est le deutérium, un isotope de l’hydrogène, présent dans l’eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes (les océans du monde couvrent environ 71 % de la surface terrestre et le deutérium représente environ 0,016 % de la surface de la Terre). nombre total atomes d'hydrogène qui composent l'eau). En plus de la disponibilité du combustible, les sources d'énergie thermonucléaires présentent les avantages importants suivants par rapport aux centrales nucléaires : 1) le réacteur UTS contient beaucoup moins de matières radioactives que réacteur atomique la fission, et donc les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont moins dangereuses ; 2) les réactions thermonucléaires produisent moins de déchets radioactifs à vie longue ; 3) TCB permet la réception directe de l'électricité.

BASES PHYSIQUES DE LA Fusion NUCLÉAIRE

La réussite de la réaction de fusion dépend des propriétés des noyaux atomiques utilisés et de la capacité à obtenir un plasma dense à haute température, nécessaire au déclenchement de la réaction.

Forces et réactions nucléaires.

La libération d'énergie lors de la fusion nucléaire est due à des forces d'attraction extrêmement intenses agissant à l'intérieur du noyau ; Ces forces maintiennent ensemble les protons et les neutrons qui composent le noyau. Ils sont très intenses à des distances d’environ 10 à 13 cm et s’affaiblissent extrêmement rapidement à mesure que la distance augmente. En plus de ces forces, les protons chargés positivement créent des forces répulsives électrostatiques. La gamme des forces électrostatiques est bien plus grande que celle des forces nucléaires, elles commencent donc à dominer lorsque les noyaux sont éloignés les uns des autres.

Comme l'a montré G. Gamow, la probabilité d'une réaction entre deux noyaux légers qui se rapprochent est proportionnelle à , où e – base de logarithmes naturels, Z 1 Et Z 2 – nombre de protons dans les noyaux en interaction, W est l'énergie de leur approche relative, et K– multiplicateur constant. L'énergie nécessaire pour réaliser une réaction dépend du nombre de protons dans chaque noyau. Si elle est supérieure à trois, alors cette énergie est trop grande et la réaction est pratiquement impossible. Ainsi, avec l’augmentation Z 1 et Z 2 la probabilité d'une réaction diminue.

La probabilité que deux noyaux interagissent est caractérisée par la « section efficace de réaction », mesurée en grange (1 b = 10 –24 cm 2). La section efficace de réaction est la surface efficace coupe transversale un noyau dans lequel un autre noyau doit « frapper » pour que leur interaction se produise. La section efficace de réaction du deutérium avec le tritium atteint sa valeur maximale (~ 5 b) lorsque les particules en interaction ont une énergie d'approche relative de l'ordre de 200 keV. À une énergie de 20 keV, la section efficace devient inférieure à 0,1 b.

Sur un million de particules accélérées frappant la cible, pas plus d’une entre en interaction nucléaire. Les autres dissipent leur énergie sur les électrons des atomes cibles et ralentissent à des vitesses telles que la réaction devient impossible. Par conséquent, la méthode de bombardement d'une cible solide avec des noyaux accélérés (comme ce fut le cas dans l'expérience Cockroft-Walton) est inadaptée à la fusion contrôlée, puisque l'énergie obtenue dans ce cas est bien inférieure à l'énergie dépensée.

Carburants de fusion.

Réactions impliquant p, qui jouent un rôle majeur dans les processus de fusion nucléaire sur le Soleil et d'autres étoiles homogènes, ne présentent pas d'intérêt pratique dans des conditions terrestres, car leur section efficace est trop petite. Pour réaliser la fusion thermonucléaire sur Terre, il faut plus de look approprié Le combustible, comme mentionné ci-dessus, est le deutérium.

Mais la réaction la plus probable se produit dans un mélange égal de deutérium et de tritium (mélange DT). Malheureusement, le tritium est radioactif et, en raison de courte période la demi-vie (T 1/2 ~ 12,3 ans) n'existe pratiquement pas dans la nature. Ils le reçoivent artificiellement dans les réacteurs à fission, et également comme sous-produit dans les réactions avec le deutérium. Cependant, l'absence de tritium dans la nature n'est pas un obstacle à l'utilisation de la réaction de fusion DT, puisque le tritium peut être produit en irradiant l'isotope 6 Li avec des neutrons produits lors de la synthèse : n+ 6 Li ® 4 He + t.

Si vous entourez la chambre thermonucléaire d'une couche de 6 Li (le lithium naturel en contient 7%), alors vous pouvez reproduire complètement le tritium consommable. Et bien qu'en pratique certains neutrons soient inévitablement perdus, leur perte peut être facilement compensée en introduisant dans la coque un élément tel que le béryllium, dont le noyau, lorsqu'un neutron rapide le frappe, en émet deux.

Principe de fonctionnement d'un réacteur thermonucléaire.

La réaction de fusion de noyaux légers dont le but est d'obtenir énergie utile- appelée fusion thermonucléaire contrôlée. Elle est réalisée à des températures de l'ordre de centaines de millions de Kelvin. Ce procédé n'a jusqu'à présent été mis en œuvre que dans les laboratoires.

Conditions de temps et de température.

L'obtention d'une énergie thermonucléaire utile n'est possible que si deux conditions sont remplies. Premièrement, le mélange destiné à la synthèse doit être chauffé à une température à laquelle l'énergie cinétique des noyaux offre une forte probabilité de fusion lors d'une collision. Deuxièmement, le mélange réactionnel doit être très bien isolé thermiquement (c'est-à-dire que la température élevée doit être maintenue suffisamment longtemps pour que le nombre de réactions requis se produise et que l'énergie libérée qui en résulte dépasse l'énergie dépensée pour chauffer le combustible).

Sous forme quantitative, cette condition s'exprime comme suit. Pour chauffer un mélange thermonucléaire, il faut donner de l'énergie à un centimètre cube de son volume P. 1 = nouer, Où k– coefficient numérique, n– densité du mélange (nombre de grains pour 1 cm3), T– température requise. Pour entretenir la réaction, l'énergie communiquée au mélange thermonucléaire doit être maintenue pendant un temps t. Pour qu'un réacteur soit rentable sur le plan énergétique, il faut que pendant ce temps, plus d'énergie thermonucléaire y soit libérée qu'elle n'en a dépensé en chauffage. L'énergie libérée (également pour 1 cm3) s'exprime comme suit :

Où F(T) – coefficient dépendant de la température du mélange et de sa composition, R.– énergie libérée dans un acte élémentaire de synthèse. Ensuite la condition de rentabilité énergétique P. 2 > P. 1 prendra la forme

La dernière inégalité, connue sous le nom de critère de Lawson, est expression quantitative exigences pour une isolation thermique parfaite. Le côté droit - le « nombre de Lawson » - dépend uniquement de la température et de la composition du mélange, et plus il est élevé, plus les exigences en matière d'isolation thermique sont strictes, c'est-à-dire plus il est difficile de créer un réacteur. Dans la région des températures acceptables, le nombre de Lawson pour le deutérium pur est de 10 16 s/cm 3 et pour un mélange DT à composants égaux – 2×10 14 s/cm 3 . Ainsi, le mélange DT est le combustible de fusion préféré.

Conformément au critère de Lawson, qui détermine la valeur énergétiquement favorable du produit de la densité par le temps de confinement, un réacteur thermonucléaire doit utiliser le plus grand nombre possible d’éléments. n ou t. Par conséquent, les études sur le CTS ont été divisées en deux différentes directions: dans le premier, les chercheurs ont tenté de contenir un plasma relativement raréfié à l'aide d'un champ magnétique pendant une durée suffisamment longue ; dans le second, utiliser des lasers pour créer un plasma de très haute densité pendant une courte période. Beaucoup plus de travaux ont été consacrés à la première approche qu’à la seconde.

Confinement magnétique du plasma.

Pendant la réaction de fusion, la densité du réactif chaud doit rester à un niveau qui fournirait un rendement suffisamment élevé d'énergie utile par unité de volume à une pression que la chambre à plasma peut supporter. Par exemple, pour un mélange deutérium – tritium à une température de 10 8 K, le rendement est déterminé par l'expression

Si nous acceptons P.égale à 100 W/cm 3 (ce qui correspond approximativement à l'énergie libérée par les éléments combustibles dans les réacteurs à fission nucléaire), alors la densité n devrait être d'env. 10 15 noyaux/cm 3, et la pression correspondante NT– environ 3 MPa. Le temps de rétention dans ce cas, selon le critère de Lawson, doit être d'au moins 0,1 s. Pour plasma deutérium-deutérium à une température de 10 9 K

Dans ce cas, quand P.= 100 W/cm3, n» 3Х10 15 noyaux/cm 3 et une pression d'environ 100 MPa, le temps de rétention requis sera supérieur à 1 s. Notez que les densités indiquées ne représentent que 0,0001 de la densité air atmosphérique, la chambre du réacteur doit donc être pompée jusqu'à un vide poussé.

Les estimations ci-dessus du temps de rétention, de la température et de la densité sont typiques paramètres minimaux nécessaire au travail réacteur à fusion, et ils sont plus faciles à réaliser dans le cas d'un mélange deutérium-tritium. Quant aux réactions thermonucléaires se produisant lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène et dans les entrailles des étoiles, il faut garder à l'esprit qu'en raison de conditions complètement différentes, dans le premier cas elles se déroulent très rapidement, et dans le second - extrêmement lentement par rapport aux processus dans un réacteur thermonucléaire.

Plasma.

Lorsqu’un gaz est fortement chauffé, ses atomes perdent tout ou partie de leurs électrons, ce qui entraîne la formation de particules chargées positivement appelées ions et électrons libres. À des températures supérieures à un million de degrés, un gaz constitué d'éléments légers est complètement ionisé, c'est-à-dire chacun de ses atomes perd tous ses électrons. Le gaz à l'état ionisé est appelé plasma (le terme a été introduit par I. Langmuir). Les propriétés du plasma diffèrent considérablement de celles du gaz neutre. Puisque le plasma contient des électrons libres, il conduit très bien l’électricité et sa conductivité est proportionnelle à T 3/2. Le plasma peut être chauffé en y faisant passer un courant électrique. La conductivité du plasma d'hydrogène à 10 8 K est la même que celle du cuivre à température ambiante. La conductivité thermique du plasma est également très élevée.

Pour maintenir le plasma, par exemple, à une température de 10 8 K, il doit être isolé thermiquement de manière fiable. En principe, le plasma peut être isolé des parois de la chambre en le plaçant dans un champ magnétique puissant. Ceci est assuré par les forces qui apparaissent lorsque les courants interagissent avec le champ magnétique du plasma.

Sous l’influence d’un champ magnétique, les ions et les électrons se déplacent en spirale le long de ses lignes de champ. Une transition d'une ligne de champ à une autre est possible lors de collisions de particules et lorsqu'un champ électrique transversal est appliqué. En l’absence de champs électriques, le plasma raréfié à haute température, dans lequel les collisions sont rares, ne se diffusera que lentement à travers les lignes de champ magnétique. Si les lignes du champ magnétique sont fermées, ce qui leur donne la forme d'une boucle, alors les particules de plasma se déplaceront le long de ces lignes et seront retenues dans la zone de la boucle. En plus d'une telle configuration magnétique fermée pour le confinement du plasma, des systèmes ouverts (avec des lignes de champ s'étendant vers l'extérieur depuis les extrémités de la chambre) ont été proposés, dans lesquels les particules restent à l'intérieur de la chambre en raison de « bouchons » magnétiques limitant le mouvement des particules. Des bouchons magnétiques sont créés aux extrémités de la chambre, où, à la suite d'une augmentation progressive de l'intensité du champ, un faisceau rétrécissant de lignes de champ se forme.

En pratique, le confinement magnétique d'un plasma de densité suffisamment élevée s'est avéré loin d'être simple : des instabilités magnétohydrodynamiques et cinétiques y apparaissent souvent.

Les instabilités magnétohydrodynamiques sont associées aux courbures et aux replis des lignes de champ magnétique. Dans ce cas, le plasma peut commencer à se déplacer à travers le champ magnétique sous forme d'amas, en quelques millionièmes de seconde il quittera la zone de confinement et cédera de la chaleur aux parois de la chambre. De telles instabilités peuvent être supprimées en donnant au champ magnétique une certaine configuration.

Les instabilités cinétiques sont très diverses et ont été étudiées moins en détail. Parmi eux, il y a ceux qui perturbent des processus ordonnés, comme, par exemple, la circulation d'un courant électrique continu ou un flux de particules à travers le plasma. D'autres instabilités cinétiques provoquent un taux de diffusion transversale du plasma dans un champ magnétique plus élevé que celui prédit par la théorie des collisions pour un plasma silencieux.

Systèmes avec une configuration magnétique fermée.

Si une force importante est appliquée à un gaz conducteur ionisé champ électrique, alors un courant de décharge y apparaîtra, simultanément avec lequel un champ magnétique l'entourant apparaîtra. L'interaction du champ magnétique avec le courant va conduire à l'apparition de forces de compression agissant sur les particules de gaz chargées. Si le courant circule le long de l'axe du cordon de plasma conducteur, alors les forces radiales qui en résultent, comme des élastiques, compriment le cordon, éloignant la limite du plasma des parois de la chambre qui le contient. Ce phénomène, prédit théoriquement par W. Bennett en 1934 et démontré pour la première fois expérimentalement par A. Ware en 1951, est appelé effet pincement. La méthode du pincement est utilisée pour contenir le plasma ; Sa particularité est que le gaz est chauffé à des températures élevées par le courant électrique lui-même (chauffage ohmique). La simplicité fondamentale de la méthode a conduit à son utilisation dès les toutes premières tentatives de confinement du plasma chaud, et l'étude du simple effet de pincement, malgré le fait qu'il ait ensuite été supplanté par des méthodes plus avancées, a permis de mieux comprendre les problèmes auxquels les expérimentateurs sont encore confrontés aujourd'hui.

En plus de la diffusion du plasma dans la direction radiale, on observe également une dérive longitudinale et sa sortie par les extrémités du cordon plasma. Les pertes aux extrémités peuvent être éliminées en donnant à la chambre à plasma une forme de beignet (tore). Dans ce cas, on obtient un pincement toroïdal.

Pour le simple pincement décrit ci-dessus, un problème sérieux réside dans ses instabilités magnétohydrodynamiques inhérentes. Si une légère courbure se produit dans le filament du plasma, alors la densité des lignes de champ magnétique avec à l'intérieur la flexion augmente (Fig. 1). Les lignes de champ magnétique, qui se comportent comme des faisceaux résistant à la compression, commenceront à se « gonfler » rapidement, de sorte que la courbure augmentera jusqu'à ce que toute la structure de la corde de plasma soit détruite. En conséquence, le plasma entrera en contact avec les parois de la chambre et se refroidira. Pour éliminer ce phénomène destructeur, avant le passage du courant axial principal, un champ magnétique longitudinal est créé dans la chambre qui, associé à un champ circulaire appliqué ultérieurement, « redresse » la courbure naissante de la colonne de plasma (Fig. 2). Le principe de stabilisation de la colonne de plasma par un champ axial repose sur deux des projets prometteurs réacteurs thermonucléaires - tokamak et pincement à champ magnétique inversé.

Configurations magnétiques ouvertes.

Rétention inertielle.

Les calculs théoriques montrent que la fusion thermonucléaire est possible sans utilisation de pièges magnétiques. Pour ce faire, une cible spécialement préparée (une boule de deutérium d'un rayon d'environ 1 mm) est rapidement comprimée à une telle hautes densités que la réaction thermonucléaire parvient à se terminer avant que l'évaporation du combustible cible ne se produise. La compression et le chauffage aux températures thermonucléaires peuvent être effectués avec des impulsions laser ultra-puissantes, irradiant uniformément et simultanément la boule de combustible de tous les côtés (Fig. 4). Avec l'évaporation instantanée de ses couches superficielles, les particules qui s'échappent deviennent très vitesses élevées, et la balle est sous l'influence de forces de compression importantes. Elles sont similaires aux forces réactives entraînant une fusée, à la seule différence qu'ici ces forces sont dirigées vers l'intérieur, vers le centre de la cible. Cette méthode peut créer des pressions de l'ordre de 10 11 MPa et des densités 10 000 fois supérieures à la densité de l'eau. À une telle densité, presque toute l’énergie thermonucléaire sera libérée sous la forme d’une petite explosion en un temps d’environ 10 à 12 s. Les micro-explosions qui se produisent, dont chacune équivaut à 1 à 2 kg de TNT, n'endommageront pas le réacteur, et la mise en œuvre d'une séquence de telles micro-explosions à intervalles rapprochés permettrait de réaliser une production d’énergie utile. Pour le confinement inertiel, la conception de la cible combustible est très importante. Cible sous forme de sphères concentriques constituées de matériaux lourds et matériaux légers permettra d'obtenir l'évaporation la plus efficace des particules et, par conséquent, la plus grande compression.

Les calculs montrent qu'à l'énergie rayonnement laser de l'ordre du mégajoule (10 6 J) et un rendement laser d'au moins 10 %, l'énergie thermonucléaire produite doit dépasser l'énergie dépensée pour pomper le laser. Des installations laser thermonucléaires sont disponibles dans des laboratoires de recherche en Russie, aux États-Unis, Europe de l'Ouest et le Japon. La possibilité d'utiliser un faisceau d'ions lourds à la place d'un faisceau laser ou de combiner un tel faisceau avec un faisceau lumineux est actuellement à l'étude. Grâce à la technologie moderne, cette méthode d'initiation d'une réaction présente un avantage par rapport à la méthode laser, puisqu'elle permet d'obtenir plus d'énergie utile. L'inconvénient est la difficulté de focaliser le faisceau sur la cible.

UNITÉS À MAINTIEN MAGNÉTIQUE

Les méthodes magnétiques de confinement du plasma sont étudiées en Russie, aux États-Unis, au Japon et dans plusieurs pays européens. L'attention principale est portée aux installations de type toroïdal, comme un tokamak et une pince à champ magnétique inversé, apparues à la suite du développement de pinces plus simples avec un champ magnétique longitudinal stabilisant.

Pour le confinement du plasma à l'aide d'un champ magnétique toroïdal Bj il faut créer des conditions dans lesquelles le plasma ne se déplace pas vers les parois du tore. Ceci est réalisé en « tordant » les lignes du champ magnétique (ce qu’on appelle la « transformation rotationnelle »). Cette torsion se fait de deux manières. Dans la première méthode, un courant traverse le plasma, conduisant à la configuration du pincement stable déjà évoqué. Champ magnétique du courant B q · – B q avec B j crée un champ récapitulatif avec le curl requis. Si B j B q, la configuration résultante est connue sous le nom de tokamak (abréviation de l'expression « CHAMBRE TORIDALE AVEC BOBINES MAGNÉTIQUES »). Le tokamak (Fig. 5) a été développé sous la direction de L.A. Artsimovich à l'Institut de l'énergie atomique du nom. I.V. Kurchatov à Moscou. À B j ~ B q on obtient une configuration de pincement avec un champ magnétique inversé.

Dans la deuxième méthode, des enroulements hélicoïdaux spéciaux autour d’une chambre à plasma toroïdale sont utilisés pour assurer l’équilibre du plasma confiné. Les courants dans ces enroulements créent un champ magnétique complexe, conduisant à une torsion des lignes de force du champ total à l'intérieur du tore. Une telle installation, appelée stellarator, a été développée à l'Université de Princeton (USA) par L. Spitzer et ses collègues.

Tokamak.

Un paramètre important dont dépend le confinement du plasma toroïdal est la « marge de stabilité ». q, égal rB j/ R.B. q, où r Et R. sont respectivement les petits et grands rayons du plasma toroïdal. À faible q Une instabilité hélicoïdale peut se développer - un analogue de l'instabilité en flexion d'un pincement droit. Des scientifiques de Moscou ont montré expérimentalement que lorsque q> 1 (c'est-à-dire B j B q) la possibilité d'apparition d'une instabilité des vis est considérablement réduite. Cela permet d'utiliser efficacement la chaleur générée par le courant pour chauffer le plasma. Grâce à de nombreuses années de recherche, les caractéristiques des tokamaks se sont considérablement améliorées, notamment grâce à une uniformité accrue du champ et nettoyage efficace chambre à vide.

Les résultats encourageants obtenus en Russie ont stimulé la création de tokamaks dans de nombreux laboratoires à travers le monde, et leur configuration a fait l'objet de recherches intensives.

Le chauffage ohmique du plasma dans un tokamak n'est pas suffisant pour réaliser une réaction de fusion thermonucléaire. Cela est dû au fait que lorsque le plasma est chauffé, son résistance électrique, et par conséquent, la génération de chaleur lors du passage du courant est fortement réduite. Il est impossible d'augmenter le courant dans un tokamak au-dessus d'une certaine limite, car le cordon de plasma pourrait perdre sa stabilité et être projeté sur les parois de la chambre. Par conséquent, diverses méthodes supplémentaires sont utilisées pour chauffer le plasma. Les plus efficaces d’entre eux sont l’injection de faisceaux d’atomes neutres de haute énergie et l’irradiation par micro-ondes. Dans le premier cas, les ions accélérés à des énergies de 50 à 200 keV sont neutralisés (pour éviter d'être « réfléchis » par le champ magnétique lorsqu'ils sont introduits dans la chambre) et injectés dans le plasma. Ici, ils sont à nouveau ionisés et, au cours des collisions, cèdent leur énergie au plasma. Dans le second cas, on utilise un rayonnement micro-ondes dont la fréquence est égale à la fréquence du cyclotron ionique (la fréquence de rotation des ions dans un champ magnétique). A cette fréquence, le plasma dense se comporte comme un corps absolument noir, c'est-à-dire absorbe complètement l'énergie incidente. Au tokamak JET de l'Union européenne, un plasma avec une température ionique de 280 millions de Kelvin et un temps de confinement de 0,85 s a été obtenu par injection de particules neutres. Une puissance thermonucléaire atteignant 2 MW a été obtenue à l'aide d'un plasma deutérium-tritium. La durée d'entretien de la réaction est limitée par l'apparition d'impuretés dues à la pulvérisation cathodique des parois de la chambre : les impuretés pénètrent dans le plasma et, lorsqu'elles sont ionisées, augmentent significativement les pertes d'énergie dues au rayonnement. Actuellement, les travaux du programme JET se concentrent sur la recherche sur la possibilité de contrôler les impuretés et de les éliminer. "déviateur magnétique".

De grands tokamaks ont également été créés aux États-Unis - TFTR, en Russie - T15 et au Japon - JT60. Les recherches menées dans ces installations et dans d'autres ont jeté les bases d'une nouvelle étape des travaux dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée : un grand réacteur destiné aux essais techniques devrait être lancé en 2010. C'est censé être collaborationÉtats-Unis, Russie, pays de l’Union européenne et Japon. voir également TOKAMAK.

Pincement de champ inversé (FRP).

La configuration POP diffère du tokamak en ce sens qu'elle B q~ B j , mais dans ce cas la direction du champ toroïdal à l'extérieur du plasma est opposée à sa direction à l'intérieur de la colonne de plasma. J. Taylor a montré qu'un tel système est dans un état d'énergie minimale et, malgré q

L'avantage de la configuration POP est que le rapport entre les densités d'énergie volumétriques du plasma et du champ magnétique (valeur b) est supérieur à celui d'un tokamak. Il est fondamentalement important que b soit le plus grand possible, car cela réduira le champ toroïdal, et donc réduira le coût des bobines qui le créent et de l'ensemble structure porteuse. Côté faible Le problème est que l'isolation thermique de ces systèmes est pire que celle des tokamaks, et le problème du maintien d'un champ inversé n'est pas résolu.

Stellarateur.

Dans un stellarateur, un champ magnétique toroïdal fermé est superposé à un champ créé par une vis spéciale enroulée autour du corps de la caméra. Le champ magnétique total empêche la dérive du plasma loin du centre et supprime espèce individuelle instabilités magnétohydrodynamiques. Le plasma lui-même peut être créé et chauffé par n’importe quelle méthode utilisée dans un tokamak.

Le principal avantage du stellarateur est que la méthode de confinement utilisée n'est pas associée à la présence de courant dans le plasma (comme dans les tokamaks ou dans les installations basées sur l'effet pincement), et donc le stellarateur peut fonctionner en mode stationnaire. De plus, le remontage à vis peut avoir un effet « déviateur », c'est-à-dire purifier le plasma des impuretés et éliminer les produits de réaction.

Le confinement du plasma dans les stellarateurs a été étudié de manière approfondie dans des installations de l'Union européenne, de Russie, du Japon et des États-Unis. Au stellarateur Wendelstein VII en Allemagne, il a été possible de maintenir un plasma non porteur de courant avec une température supérieure à 5×10 6 kelvins, en le chauffant en injectant un faisceau atomique à haute énergie.

Des études théoriques et expérimentales récentes ont montré que dans la plupart des installations décrites, et notamment dans les systèmes toroïdaux fermés, le temps de confinement du plasma peut être augmenté en augmentant ses dimensions radiales et le champ magnétique de confinement. Par exemple, pour un tokamak, on calcule que le critère de Lawson sera satisfait (et même avec une certaine marge) à une intensité de champ magnétique d’environ 50 x 100 kG et un petit rayon de la chambre toroïdale d’env. 2 m. Ce sont les paramètres d'installation pour 1000 MW d'électricité.

Lors de la création d'installations aussi grandes avec confinement magnétique du plasma, des problèmes technologiques complètement nouveaux se posent. Créer un champ magnétique de l'ordre de 50 kG dans un volume de plusieurs mètres cubes en utilisant des bobines de cuivre refroidies à l'eau, une source d'énergie de plusieurs centaines de mégawatts serait nécessaire. Il est donc évident que les enroulements des bobines doivent être constitués de matériaux supraconducteurs, tels que des alliages de niobium avec du titane ou de l'étain. Résistance de ces matériaux courant électrique dans l'état supraconducteur est nul et, par conséquent, une quantité minimale d'électricité sera consommée pour maintenir le champ magnétique.

Technologie des réacteurs.

Perspectives de la recherche thermonucléaire.

Des expériences réalisées sur des installations de type tokamak ont montré que ce système est très prometteur comme base possible pour un réacteur CTS. Les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus avec les tokamaks, et on espère qu'avec une augmentation correspondante de la taille des installations, il sera possible d'y mettre en œuvre des CTS industriels. Cependant, le tokamak n’est pas assez économique. Pour éliminer cet inconvénient, il faut qu'il fonctionne non pas en mode pulsé, comme c'est le cas actuellement, mais en mode continu. Mais les aspects physiques de ce problème n’ont pas encore été suffisamment étudiés. Il faut également développer moyens techniques, ce qui améliorerait les paramètres du plasma et éliminerait ses instabilités. Compte tenu de tout cela, nous ne devons pas oublier d'autres options possibles, bien que moins développées, pour un réacteur thermonucléaire, par exemple un stellarateur ou un pincement à champ inversé. L'état de la recherche dans ce domaine a atteint le stade où il existe des conceptions de réacteurs conceptuels pour la plupart des systèmes de confinement magnétique pour les plasmas à haute température et pour certains systèmes de confinement inertiel. Un exemple de développement industriel d'un tokamak est le projet Aries (USA).