Quelle est la difficulté de la fusion thermonucléaire contrôlée. Il n’y aura jamais d’énergie thermonucléaire. Fusion froide Russie

02.07.2020

2. Réactions thermonucléaires sur le Soleil

Quelle est la source de l'énergie solaire ? Quelle est la nature des processus qui produisent d’énormes quantités d’énergie ? Combien de temps le soleil continuera-t-il à briller ?

Les premières tentatives pour répondre à ces questions ont été faites par les astronomes au milieu du XIXe siècle, après que les physiciens aient formulé la loi de conservation de l'énergie.

Robert Mayer a suggéré que le Soleil brille en raison du bombardement constant de la surface par des météorites et des particules météoriques. Cette hypothèse a été rejetée, puisqu'un simple calcul montre que pour maintenir la luminosité du Soleil au niveau actuel, il faut que 2∙10 15 kg de matière météorique tombent dessus chaque seconde. Au cours d'une année, cela représentera 6∙10 22 kg, et sur la durée de vie du Soleil, sur 5 milliards d'années – 3∙10 32 kg. La masse du Soleil est M = 2∙10 30 kg, donc sur cinq milliards d'années, la matière est 150 fois plus grande que la masse du Soleil qui aurait dû tomber sur le Soleil.

La deuxième hypothèse a été exprimée par Helmholtz et Kelvin également au milieu du XIXe siècle. Ils ont suggéré que le Soleil rayonne en raison d'une compression de 60 à 70 mètres par an. La raison de la compression est l’attraction mutuelle des particules solaires, c’est pourquoi cette hypothèse est appelée contraction. Si nous faisons un calcul selon cette hypothèse, alors l'âge du Soleil ne dépassera pas 20 millions d'années, ce qui contredit les données modernes obtenues à partir de l'analyse de la désintégration radioactive des éléments dans des échantillons géologiques du sol terrestre et du sol de la lune.

La troisième hypothèse sur les sources possibles d'énergie solaire a été exprimée par James Jeans au début du XXe siècle. Il a suggéré que les profondeurs du Soleil contiennent des éléments radioactifs lourds qui se désintègrent spontanément et émettent de l'énergie. Par exemple, la transformation de l’uranium en thorium puis en plomb s’accompagne d’une libération d’énergie. L'analyse ultérieure de cette hypothèse a également montré son incohérence ; une étoile constituée uniquement d’uranium ne libérerait pas suffisamment d’énergie pour produire la luminosité observée du Soleil. De plus, il existe des étoiles dont la luminosité est plusieurs fois supérieure à celle de notre étoile. Il est peu probable que ces étoiles disposent également de réserves plus importantes de matières radioactives.

L'hypothèse la plus probable s'est avérée être celle de la synthèse d'éléments résultant de réactions nucléaires dans les entrailles des étoiles.

En 1935, Hans Bethe a émis l’hypothèse que la source d’énergie solaire pourrait être la réaction thermonucléaire de conversion de l’hydrogène en hélium. C'est pour cela que Bethe reçut le prix Nobel en 1967.

La composition chimique du Soleil est à peu près la même que celle de la plupart des autres étoiles. Environ 75 % sont de l'hydrogène, 25 % de l'hélium et moins de 1 % sont tous les autres éléments chimiques (principalement le carbone, l'oxygène, l'azote, etc.). Immédiatement après la naissance de l’Univers, il n’y avait aucun élément « lourd ». Tous, c'est-à-dire des éléments plus lourds que l'hélium, et même de nombreuses particules alpha, se sont formés lors de la « combustion » de l'hydrogène dans les étoiles lors de la fusion thermonucléaire. La durée de vie caractéristique d'une étoile comme le Soleil est de dix milliards d'années.

La principale source d'énergie est le cycle proton-proton - une réaction très lente (temps caractéristique 7,9∙10 9 ans), car elle est due à une faible interaction. Son essence est que quatre protons forment un noyau d'hélium. Dans ce cas, une paire de positrons et une paire de neutrinos sont libérées, ainsi qu'une énergie de 26,7 MeV. Le nombre de neutrinos émis par le Soleil par seconde est déterminé uniquement par la luminosité du Soleil. Puisque 2 neutrinos naissent lorsque 26,7 MeV est libéré, le taux d'émission des neutrinos est : 1,8∙10 38 neutrinos/s. Un test direct de cette théorie est l’observation des neutrinos solaires. Des neutrinos de haute énergie (bore) sont détectés dans des expériences chlore-argon (expériences Davis) et montrent systématiquement un manque de neutrinos par rapport à la valeur théorique du modèle standard du Soleil. Les neutrinos de basse énergie résultant directement de la réaction pp sont enregistrés dans des expériences sur le gallium-germanium (GALLEX au Gran Sasso (Italie - Allemagne) et SAGE à Baksan (Russie - USA)) ; ils sont également « portés disparus ».

Selon certaines hypothèses, si les neutrinos ont une masse au repos différente de zéro, des oscillations (transformations) de différents types de neutrinos sont possibles (effet Mikheev – Smirnov – Wolfenstein) (il existe trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tauoniques). . Parce que Étant donné que les autres neutrinos ont des sections efficaces d'interaction avec la matière beaucoup plus petites que celles des électrons, le déficit observé peut s'expliquer sans changer le modèle standard du Soleil, construit sur la base de l'ensemble des données astronomiques.

Chaque seconde, le Soleil traite environ 600 millions de tonnes d'hydrogène. Les réserves de combustible nucléaire dureront encore cinq milliards d'années, après quoi elles se transformeront progressivement en naine blanche.

Les parties centrales du Soleil se contracteront, s'échaufferont, et la chaleur transférée à la coque externe conduira à son expansion à des tailles monstrueuses par rapport aux modernes : le Soleil se dilatera tellement qu'il absorbera Mercure, Vénus et consommera " carburant » cent fois plus rapide qu’actuellement. Cela entraînera une augmentation de la taille du Soleil ; notre étoile deviendra une géante rouge dont la taille est comparable à la distance de la Terre au Soleil !

Bien entendu, nous serons conscients d'un tel événement à l'avance, car la transition vers une nouvelle étape prendra environ 100 à 200 millions d'années. Lorsque la température de la partie centrale du Soleil atteint 100 000 000 K, l'hélium commencera à brûler, se transformant en éléments lourds, et le Soleil entrera dans la phase de cycles complexes de compression et d'expansion. Au dernier stade, notre étoile perdra sa coque externe, le noyau central aura une densité et une taille incroyablement élevées, comme celle de la Terre. Quelques milliards d'années supplémentaires s'écouleront et le Soleil se refroidira, se transformant en naine blanche.

3. Problèmes de fusion thermonucléaire contrôlée

Les chercheurs de tous les pays développés fondent leurs espoirs sur une réaction thermonucléaire contrôlée pour surmonter la crise énergétique à venir. Une telle réaction - la synthèse de l'hélium à partir du deutérium et du tritium - se produit sur le Soleil depuis des millions d'années, et dans des conditions terrestres, on tente de la réaliser depuis cinquante ans maintenant dans des installations laser géantes et très coûteuses, des tokamaks. (dispositif permettant de réaliser des réactions de fusion thermonucléaire dans un plasma chaud) et des stellarateurs (piège magnétique fermé pour confiner le plasma à haute température). Cependant, il existe d'autres moyens de résoudre ce problème difficile, et au lieu d'énormes tokamaks, il sera probablement possible d'utiliser un collisionneur assez compact et peu coûteux - un accélérateur de faisceaux à collision - pour réaliser la fusion thermonucléaire.

Le tokamak nécessite de très petites quantités de lithium et de deutérium pour fonctionner. Par exemple, un réacteur d’une puissance électrique de 1 GW brûle environ 100 kg de deutérium et 300 kg de lithium par an. Si nous supposons que toutes les centrales à fusion en produiront 10 000 milliards. kWh d’électricité par an, c’est-à-dire la même quantité que celle produite aujourd’hui par toutes les centrales électriques de la Terre, les réserves mondiales de deutérium et de lithium sont alors suffisantes pour fournir de l’énergie à l’humanité pendant plusieurs millions d’années.

Outre la fusion du deutérium et du lithium, une fusion purement solaire est possible lorsque deux atomes de deutérium se combinent. Si cette réaction est maîtrisée, les problèmes énergétiques seront résolus immédiatement et pour toujours.

Dans aucune des variantes connues de fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), les réactions thermonucléaires ne peuvent pas entrer dans le mode d'augmentation incontrôlée de la puissance. Par conséquent, de tels réacteurs ne sont pas intrinsèquement sûrs.

D'un point de vue physique, le problème est formulé simplement. Pour réaliser une réaction de fusion nucléaire autonome, il est nécessaire et suffisant de remplir deux conditions.

1. L'énergie des noyaux impliqués dans la réaction doit être d'au moins 10 keV. Pour que la fusion nucléaire se produise, les noyaux participant à la réaction doivent tomber dans le champ des forces nucléaires dont le rayon est de 10-12-10-13 cm. Cependant, les noyaux atomiques ont une charge électrique positive et les charges similaires se repoussent. A la limite de l'action des forces nucléaires, l'énergie de répulsion coulombienne est de l'ordre de 10 keV. Pour surmonter cette barrière, les noyaux lors d'une collision doivent avoir une énergie cinétique au moins non inférieure à cette valeur.

2. Le produit de la concentration des noyaux en réaction et du temps de rétention pendant lequel ils conservent l'énergie spécifiée doit être d'au moins 1014 s.cm-3. Cette condition - appelée critère de Lawson - détermine la limite du bénéfice énergétique de la réaction. Pour que l’énergie libérée lors de la réaction de fusion couvre au moins les coûts énergétiques liés au lancement de la réaction, les noyaux atomiques doivent subir de nombreuses collisions. Dans chaque collision au cours de laquelle une réaction de fusion se produit entre le deutérium (D) et le tritium (T), 17,6 MeV d'énergie est libérée, soit environ 3,10-12 J. Si, par exemple, 10 MJ d'énergie sont dépensés à l'allumage, alors la réaction ne sera pas rentable si au moins 3,1018 paires D-T y participent. Et pour cela, un plasma assez dense et de haute énergie doit être conservé assez longtemps dans le réacteur. Cette condition est exprimée par le critère de Lawson.

Si les deux exigences peuvent être satisfaites simultanément, le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée sera résolu.

Cependant, la mise en œuvre technique de ce problème physique se heurte à d’énormes difficultés. Après tout, une énergie de 10 keV équivaut à une température de 100 millions de degrés. Une substance à cette température ne peut être conservée ne serait-ce qu’une fraction de seconde sous vide, l’isolant des parois de l’installation.

Mais il existe une autre méthode pour résoudre ce problème : la fusion froide. Qu'est-ce qu'une réaction thermonucléaire froide ? C'est un analogue d'une réaction thermonucléaire « chaude » se déroulant à température ambiante.

Dans la nature, il existe au moins deux manières de modifier la matière dans une dimension du continuum. Vous pouvez faire bouillir de l'eau sur un feu, c'est-à-dire thermiquement, ou dans un four à micro-ondes, c'est-à-dire fréquence. Le résultat est le même : l'eau bout, la seule différence est que la méthode de fréquence est plus rapide. Atteindre des températures ultra-élevées est également utilisé pour diviser le noyau d’un atome. La méthode thermique produit une réaction nucléaire incontrôlable. L'énergie d'un thermonucléaire froid est l'énergie de l'état de transition. L'une des principales conditions pour la conception d'un réacteur permettant de réaliser une réaction thermonucléaire froide est l'état de sa forme cristalline pyramidale. Une autre condition importante est la présence de champs magnétiques tournants et de torsion. L'intersection des champs se produit au point d'équilibre instable du noyau d'hydrogène.

Les scientifiques Ruzi Taleyarkhan du Laboratoire national d'Oak Ridge et Richard Lahey de l'Université polytechnique. Rensilira et l'académicien Robert Nigmatulin ont enregistré une réaction thermonucléaire froide dans des conditions de laboratoire.

Le groupe a utilisé un bécher d’acétone liquide de la taille de deux à trois verres. Les ondes sonores étaient intensément transmises à travers le liquide, produisant un effet connu en physique sous le nom de cavitation acoustique, dont la conséquence est la sonoluminescence. Lors de la cavitation, de petites bulles sont apparues dans le liquide, qui ont atteint deux millimètres de diamètre et ont explosé. Les explosions étaient accompagnées d'éclairs de lumière et de libération d'énergie, c'est-à-dire la température à l'intérieur des bulles au moment de l'explosion a atteint 10 millions de degrés Kelvin, et l'énergie libérée, selon les expérimentateurs, est suffisante pour réaliser la fusion thermonucléaire.

"Techniquement", l'essence de la réaction est qu'à la suite de la combinaison de deux atomes de deutérium, un troisième se forme - un isotope de l'hydrogène, connu sous le nom de tritium, et un neutron, caractérisé par une quantité colossale d'énergie.

3.1 Problèmes économiques

Lors de la création d'un TCB, on suppose qu'il s'agira d'une grande installation équipée d'ordinateurs puissants. Ce sera une toute petite ville. Mais en cas d'accident ou de panne de matériel, le fonctionnement de la station sera perturbé.

Ceci n’est pas prévu, par exemple, dans les conceptions modernes des centrales nucléaires. On pense que l’essentiel est de les construire et que ce qui se passe ensuite n’a pas d’importance.

Mais si une station tombe en panne, de nombreuses villes se retrouveront sans électricité. Cela peut être observé dans l’exemple des centrales nucléaires en Arménie. L'élimination des déchets radioactifs est devenue très coûteuse. A la demande des Verts, la centrale nucléaire a été fermée. La population s'est retrouvée sans électricité, les équipements de la centrale électrique ont été usés et l'argent alloué par les organisations internationales à la restauration a été gaspillé.

Un problème économique grave est la décontamination des installations de production abandonnées où l'uranium était traité. Par exemple, « la ville d'Aktau a son propre petit « Tchernobyl ». Il est situé sur le territoire de l'usine chimique et hydrométallurgique (KHMZ). Le rayonnement de fond gamma dans l'atelier de traitement de l'uranium (HMC) atteint par endroits 11 000 micro-. roentgens par heure, le niveau de fond moyen est de 200 micro-roentgens (le fond naturel habituel est de 10 à 25 microroentgens par heure). Après l'arrêt de l'usine, aucune décontamination n'a été effectuée ici. , environ quinze mille tonnes, possède déjà une radioactivité inamovible. Dans le même temps, ces objets dangereux sont stockés à l'air libre, mal gardés et constamment emportés hors du territoire de KhGMZ.

Par conséquent, comme il n'y a pas de productions éternelles, en raison de l'émergence de nouvelles technologies, le TTS pourrait être fermé et alors les objets et les métaux de l'entreprise se retrouveraient sur le marché et la population locale en souffrirait.

Le système de refroidissement de l’UTS utilisera de l’eau. Mais selon les écologistes, si l’on prend les statistiques des centrales nucléaires, l’eau de ces réservoirs n’est pas potable.

Selon les experts, le réservoir regorge de métaux lourds (en particulier de thorium 232) et, à certains endroits, le niveau de rayonnement gamma atteint 50 à 60 microroentgens par heure.

Autrement dit, lors de la construction d'une centrale nucléaire, aucun moyen n'est prévu pour ramener la zone à son état d'origine. Et après la fermeture de l'entreprise, personne ne sait comment enterrer les déchets accumulés et nettoyer l'ancienne entreprise.

3.2 Problèmes médicaux

Les effets nocifs du CTS incluent la production de mutants de virus et de bactéries qui produisent des substances nocives. Cela est particulièrement vrai pour les virus et les bactéries présents dans le corps humain. L'apparition de tumeurs malignes et de cancers sera très probablement une maladie courante parmi les habitants des villages proches de l'UTS. Les habitants souffrent toujours davantage car ils n’ont aucun moyen de protection. Les dosimètres coûtent cher et les médicaments ne sont pas disponibles. Les déchets du CTS seront déversés dans les rivières, évacués dans l’air ou pompés dans des couches souterraines, comme c’est le cas actuellement dans les centrales nucléaires.

Outre les dommages qui apparaissent peu après une exposition à des doses élevées, les rayonnements ionisants entraînent des conséquences à long terme. Principalement carcinogenèse et troubles génétiques pouvant survenir avec n'importe quelle dose et n'importe quel type de rayonnement (unique, chronique, local).

Selon les rapports des médecins qui ont enregistré les maladies des travailleurs des centrales nucléaires, les maladies cardiovasculaires (crise cardiaque) viennent en premier, suivies par le cancer. Le muscle cardiaque s’amincit sous l’influence des radiations, devient flasque et moins fort. Il existe des maladies totalement incompréhensibles. Par exemple, insuffisance hépatique. Mais pourquoi cela se produit, aucun médecin ne le sait encore. Si des substances radioactives pénètrent dans les voies respiratoires lors d'un accident, les médecins découpent les tissus endommagés des poumons et de la trachée et la personne handicapée marche avec un appareil respiratoire portable.

4. Conclusion

L’humanité a besoin d’énergie, et ce besoin augmente chaque année. Dans le même temps, les réserves de combustibles naturels traditionnels (pétrole, charbon, gaz, etc.) sont limitées. Il existe également des réserves limitées de combustible nucléaire - uranium et thorium, à partir desquels le plutonium peut être obtenu dans des réacteurs surgénérateurs. Les réserves de combustible thermonucléaire – l’hydrogène – sont pratiquement inépuisables.

En 1991, pour la première fois, il a été possible d'obtenir une quantité importante d'énergie - environ 1,7 million de watts grâce à la fusion nucléaire contrôlée au Laboratoire commun européen (Torus). En décembre 1993, des chercheurs de l'Université de Princeton ont utilisé un réacteur à fusion tokamak pour produire une réaction nucléaire contrôlée générant 5,6 millions de watts d'énergie. Cependant, le réacteur Tokamak et le laboratoire Torus ont dépensé plus d'énergie qu'ils n'en ont reçu.

Si l’obtention de l’énergie de fusion nucléaire devient pratiquement accessible, elle fournira une source illimitée de combustible.

5. Références

1) Magazine "New Look" (Physique ; Pour la future élite).

2) Manuel de physique 11e année.

3) Académie de l'Énergie (analyse ; idées ; projets).

4) Les gens et les atomes (William Lawrence).

5) Éléments de l'Univers (Seaborg et Valence).

6) Dictionnaire encyclopédique soviétique.

7) Encyclopédie Encarta 96.

8) Astronomie - http://www.college.ru./astronomy.

Sivkova Olga Dmitrievna

Ce travail a pris la 3ème place à l'établissement d'enseignement régional

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Établissement d'enseignement municipal

Lycée n°175

District Lénine de N. Novgorod

Problèmes de fusion thermonucléaire

Complété par : Sivkova Olga Dmitrievna

Élève de la classe 11 « A », école n°175

Conseiller scientifique:

Kirjaeva D.G.

Nijni Novgorod

année 2013.

Introduction 3

2. Fusion thermonucléaire contrôlée 8

3. Avantages de la fusion thermonucléaire 10

4. Problèmes de fusion thermonucléaire 12

4.1 Questions environnementales 15

4.2 Problèmes médicaux 16

5. Installations thermonucléaires 18

6. Perspectives de développement de la fusion thermonucléaire 23

Conclusion 26

Littérature 27

Introduction

Selon diverses prévisions, les principales sources d'électricité de la planète s'épuiseront d'ici 50 à 100 ans. L’humanité épuisera ses réserves de pétrole dans 40 ans, ses réserves de gaz dans un maximum de 80 ans et ses réserves d’uranium dans 80 à 100 ans. Les réserves de charbon pourraient durer 400 ans. Mais l'utilisation de ce combustible organique, et en tant que principal combustible, met la planète au bord d'un désastre environnemental. Si une telle pollution atmosphérique impitoyable n’est pas stoppée aujourd’hui, des siècles seront hors de question. Cela signifie que nous avons besoin d’une source d’énergie alternative dans un avenir proche.

Et il existe une telle source. Il s'agit de l'énergie thermonucléaire, qui utilise du deutérium et du tritium radioactifs absolument non radioactifs, mais dans des volumes des milliers de fois inférieurs à ceux de l'énergie nucléaire. Et cette source est pratiquement inépuisable, elle repose sur la collision de noyaux d'hydrogène, et l'hydrogène est la substance la plus répandue dans l'Univers.

L'une des tâches les plus importantes auxquelles l'humanité est confrontée dans ce domaine estproblème de la fusion thermonucléaire contrôlée.

Aujourd’hui, les principales sources d’énergie sont le pétrole, le gaz et le charbon.

Les centrales nucléaires les plus riches en combustible pourraient, bien entendu, fournir de l’électricité à l’humanité pendant des centaines d’années.

Objet d'étude : Problèmes fusion thermonucléaire contrôlée.

Sujet d'étude:Fusion thermonucléaire.

But de l'étude:Résoudre le problème du contrôle de la fusion thermonucléaire ;

Objectifs de recherche:

Étudiez les types de réactions thermonucléaires.
Considérez toutes les options possibles pour transmettre à une personne l'énergie libérée lors d'une réaction thermonucléaire.
Proposer une théorie sur la conversion de l'énergie en électricité.

Fait de base :

Réalisation Les conditions d’une fusion thermonucléaire contrôlée sont entravées par plusieurs problèmes principaux :

Tout d’abord, vous devez chauffer le gaz à une température très élevée.
Deuxièmement, il est nécessaire de contrôler le nombre de noyaux réactifs sur une durée suffisamment longue.
Troisièmement, la quantité d’énergie libérée doit être supérieure à celle dépensée pour chauffer et limiter la densité du gaz.
Le prochain problème est de stocker cette énergie et de la convertir en électricité.

1. Réactions thermonucléaires sur le Soleil

Quelle est la source de l'énergie solaire ? Quelle est la nature des processus qui produisent d’énormes quantités d’énergie ? Combien de temps le soleil continuera-t-il à briller ?

Les premières tentatives pour répondre à ces questions ont été faites par les astronomes au milieu du XIXe siècle, après que les physiciens aient formulé la loi de conservation de l'énergie.

Robert Mayer a suggéré que le Soleil brille en raison du bombardement constant de la surface par des météorites et des particules météoriques. Cette hypothèse a été rejetée, puisqu'un simple calcul montre que pour maintenir la luminosité du Soleil au niveau actuel, il faut que 2∙10 tombe dessus chaque seconde. 15 kg de matière météorique. Au cours d'une année, cela équivaudra à 6∙10 22 kg, et pendant l'existence du Soleil, sur 5 milliards d'années - 3∙10 32 kg. Masse solaire M = 2∙10 30 kg, donc dans cinq milliards d'années, une matière 150 fois supérieure à la masse du Soleil serait tombée sur le Soleil.

La deuxième hypothèse a été exprimée par Helmholtz et Kelvin également au milieu du XIXe siècle. Ils ont suggéré que le Soleil rayonne en raison d'une compression de 60 à 70 mètres par an. La raison de la compression est l'attraction mutuelle des particules du Soleil, c'est pourquoi cette hypothèse a été appelée contraction . Si nous faisons un calcul selon cette hypothèse, alors l'âge du Soleil ne dépassera pas 20 millions d'années, ce qui contredit les données modernes obtenues à partir de l'analyse de la désintégration radioactive des éléments dans des échantillons géologiques du sol terrestre et du sol de la lune.

L'hypothèse la plus probable s'est avérée être celle de la synthèse d'éléments résultant de réactions nucléaires dans les entrailles des étoiles.

La principale source d'énergie estcycle proton-proton – réaction très lente (temps caractéristique 7,9∙10 9 années), car cela est dû à une faible interaction. Son essence est que quatre protons forment un noyau d'hélium. Dans ce cas, une paire de positrons et une paire de neutrinos sont libérées, ainsi qu'une énergie de 26,7 MeV. Le nombre de neutrinos émis par le Soleil par seconde est déterminé uniquement par la luminosité du Soleil. Puisque 2 neutrinos naissent lorsque 26,7 MeV est libéré, le taux d'émission des neutrinos est : 1,8∙10 38 neutrinos. Un test direct de cette théorie est l’observation des neutrinos solaires. Des neutrinos de haute énergie (bore) sont détectés dans des expériences chlore-argon (expériences Davis) et montrent systématiquement un manque de neutrinos par rapport à la valeur théorique du modèle standard du Soleil. Les neutrinos de basse énergie résultant directement de la réaction pp sont enregistrés dans des expériences sur le gallium-germanium (GALLEX au Gran Sasso (Italie - Allemagne) et SAGE à Baksan (Russie - USA)) ; ils sont également « portés disparus ».

2. Fusion thermonucléaire contrôlée.

La fusion thermonucléaire contrôlée (CTF) est la synthèse de noyaux atomiques plus lourds à partir de noyaux plus légers afin d'obtenir de l'énergie qui, contrairement à la fusion thermonucléaire explosive (utilisée dans les armes thermonucléaires), est de nature contrôlée. La fusion thermonucléaire contrôlée diffère de l’énergie nucléaire traditionnelle en ce que cette dernière utilise une réaction de désintégration au cours de laquelle des noyaux plus légers sont produits à partir de noyaux lourds. Les principales réactions nucléaires prévues pour réaliser une fusion thermonucléaire contrôlée utiliseront le deutérium ( 2 H) et du tritium (3 H), et à plus long terme l'hélium-3 ( 3 He) et du bore-11 (11 B).

La fusion contrôlée peut utiliser différents types de réactions de fusion selon le type de combustible utilisé.

Le deutérium est un combustible thermonucléaire. 2 D 1, tritium 3 T 1 et 6 Li 3 . Le principal combustible nucléaire de ce type est le deutérium. 6 Li 3 sert de matière première pour la production de combustible thermonucléaire secondaire – tritium.

Tritium3T1 - hydrogène superlourd 3N1 – obtenu par irradiation du Li naturel ( 7,52 % 6 Li 3 ) neutrons et particules alpha ( 4α2 - noyaux d'atomes d'hélium 4 pas 2 ). Deutérium mélangé avec du tritium et 6 Li 3 (sous forme de LiD et LiT ). Lorsque des réactions de fusion nucléaire sont effectuées dans le combustible, des réactions de fusion de noyaux d'hélium se produisent (à des températures allant de dizaines à plusieurs centaines de millions de degrés). Les neutrons émis sont absorbés par les noyaux 6 Li 3 , dans ce cas une quantité supplémentaire de tritium est formée selon la réaction : 6 Li 3 + 1 p 0 = 3 T 1 + 4 He 2 ( dans la réaction de la somme des nombres de masse 6+1=3+4 et somme des charges 3+0=1+2 doit être le même des deux côtés de l’équation). À la suite de la réaction de fusion, deux noyaux de deutérium (hydrogène lourd) produisent un noyau de tritium (hydrogène super-lourd) et un proton (noyau d'un atome d'hydrogène normal) : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 T 1 + 1 P 1 ; La réaction peut se dérouler selon un chemin différent, avec la formation d'un noyau isotopique de l'hélium 3 He 2 et neutron 1 n 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 n 0. Le tritium réagit avec le deutérium, des neutrons réapparaissent et peuvent interagir avec 6 Li 3 : 2 D 1 + 3 T 1 = 4 He 2 + 1 n 0 etc. Le pouvoir calorifique du combustible thermonucléaire est 5 à 6 fois supérieur à celui des matières fissiles. Les réserves de deutérium dans l'hydrosphère sont de l'ordre de 10 13 t . Cependant, à l'heure actuelle, seules des réactions incontrôlées (explosion) sont pratiquement réalisées ; une recherche généralisée est en cours pour mettre en œuvre une réaction thermonucléaire contrôlée, qui permet en principe de fournir de l'énergie à l'humanité pour une durée quasi illimitée.

3.Avantages de la fusion thermonucléaire

Quels sont les avantages de la fusion thermonucléaire par rapport aux réactions de fission nucléaire, qui permettent d'espérer le développement à grande échelle de l'énergie thermonucléaire ? La différence principale et fondamentale est l'absence de déchets radioactifs à vie longue, typiques des réacteurs nucléaires à fission. Et bien que lors du fonctionnement d'un réacteur thermonucléaire la première paroi soit activée par des neutrons, le choix de matériaux structurels appropriés à faible activation ouvre la possibilité fondamentale de créer un réacteur thermonucléaire dans lequel l'activité induite de la première paroi diminuera jusqu'à complètement niveau de sécurité trente ans après l'arrêt du réacteur. Cela signifie qu’un réacteur épuisé ne devra être mis en veilleuse que pendant 30 ans, après quoi les matériaux pourront être recyclés et utilisés dans un nouveau réacteur de synthèse. Cette situation est fondamentalement différente de celle des réacteurs à fission, qui produisent des déchets radioactifs qui nécessitent un retraitement et un stockage pendant des dizaines de milliers d'années. En plus d'une faible radioactivité, l'énergie thermonucléaire possède d'énormes réserves pratiquement inépuisables de combustible et d'autres matériaux nécessaires, suffisantes pour produire de l'énergie pendant plusieurs centaines, voire milliers d'années.

Ce sont ces avantages qui ont incité les principaux pays nucléaires à lancer, au milieu des années 1950, des recherches à grande échelle sur la fusion thermonucléaire contrôlée. À cette époque, les premiers essais réussis de bombes à hydrogène avaient déjà été réalisés en Union soviétique et aux États-Unis, confirmant la possibilité fondamentale d'utiliser l'énergie de fusion nucléaire dans des conditions terrestres. Dès le début, il est devenu évident que la fusion thermonucléaire contrôlée n’avait aucune application militaire. La recherche a été déclassifiée en 1956 et est depuis menée dans le cadre d’une vaste coopération internationale. La bombe à hydrogène a été créée en quelques années seulement, et à cette époque, il semblait que l'objectif était proche et que les premières grandes installations expérimentales, construites à la fin des années 50, produiraient du plasma thermonucléaire. Cependant, il a fallu plus de 40 ans de recherche pour créer des conditions dans lesquelles la libération d'énergie thermonucléaire est comparable à la puissance calorifique du mélange réactionnel. En 1997, la plus grande installation thermonucléaire, l'européenne TOKAMAK (JET), a reçu 16 MW de puissance thermonucléaire et s'est rapprochée de ce seuil.

Quelle était la raison de ce retard ? Il s'est avéré que pour atteindre cet objectif, les physiciens et les ingénieurs ont dû résoudre de nombreux problèmes dont ils n'avaient aucune idée au début du voyage. Au cours de ces 40 années, la science de la physique des plasmas a été créée, ce qui a permis de comprendre et de décrire les processus physiques complexes se produisant dans le mélange réactionnel. Les ingénieurs devaient résoudre des problèmes tout aussi complexes, notamment apprendre à créer des vides profonds dans de grands volumes, sélectionner et tester des matériaux de construction appropriés, développer de grands aimants supraconducteurs, de puissants lasers et sources de rayons X, développer des systèmes d'énergie pulsée capables de créer de puissants faisceaux de particules. , développer des méthodes de chauffage à haute fréquence du mélange et bien plus encore.

4. Problèmes de fusion thermonucléaire contrôlée

D'un point de vue physique, le problème est formulé simplement. Pour réaliser une réaction de fusion nucléaire autonome, il est nécessaire et suffisant de remplir deux conditions.

L'énergie des noyaux impliqués dans la réaction doit être d'au moins 10 keV. Pour que la fusion nucléaire se produise, les noyaux participant à la réaction doivent tomber dans le champ des forces nucléaires dont le rayon est de 10-12-10-13 cm. Cependant, les noyaux atomiques ont une charge électrique positive et les charges similaires se repoussent. A la limite de l'action des forces nucléaires, l'énergie de répulsion coulombienne est de l'ordre de 10 keV. Pour surmonter cette barrière, les noyaux lors d'une collision doivent avoir une énergie cinétique au moins non inférieure à cette valeur.
Le produit de la concentration des noyaux réactifs et du temps de rétention pendant lequel ils conservent l'énergie spécifiée doit être d'au moins 1014 s.cm-3. Cette condition - appelée critère de Lawson - détermine la limite du bénéfice énergétique de la réaction. Pour que l’énergie libérée lors de la réaction de fusion couvre au moins les coûts énergétiques liés au lancement de la réaction, les noyaux atomiques doivent subir de nombreuses collisions. Dans chaque collision au cours de laquelle une réaction de fusion se produit entre le deutérium (D) et le tritium (T), 17,6 MeV d'énergie est libérée, soit environ 3,10-12 J. Si, par exemple, 10 MJ d'énergie sont dépensés à l'allumage, alors la réaction ne sera pas rentable si au moins 3,1018 paires D-T y participent. Et pour cela, un plasma assez dense et de haute énergie doit être conservé assez longtemps dans le réacteur. Cette condition est exprimée par le critère de Lawson.

Si les deux exigences peuvent être satisfaites simultanément, le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée sera résolu.

4.1 Problèmes économiques

Selon les experts, le réservoir regorge de métaux lourds (en particulier de thorium 232) et, à certains endroits, le niveau de rayonnement gamma atteint 50 à 60 microroentgens par heure.

4.2 Problèmes médicaux

5. Installations thermonucléaires

Les scientifiques de notre pays et de la plupart des pays développés du monde étudient depuis de nombreuses années le problème de l'utilisation des réactions thermonucléaires à des fins énergétiques. Des installations thermonucléaires uniques ont été créées - des dispositifs techniques très complexes conçus pour étudier la possibilité d'obtenir une énergie colossale, qui jusqu'à présent n'est libérée que lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène. Les scientifiques veulent apprendre à contrôler le déroulement d'une réaction thermonucléaire - la réaction de noyaux d'hydrogène lourds (deutérium et tritium) se combinant pour former des noyaux d'hélium à haute température - afin d'utiliser l'énergie libérée à des fins pacifiques, au profit de l'homme. .

Un litre d'eau du robinet contient très peu de deutérium. Mais si ce deutérium est collecté et utilisé comme combustible dans une installation thermonucléaire, vous pouvez alors obtenir autant d'énergie qu'en brûlant près de 300 kilogrammes de pétrole. Et pour fournir l'énergie que l'on obtient aujourd'hui en brûlant du combustible conventionnel produit chaque année, il faudrait extraire le deutérium de l'eau contenue dans un cube de seulement 160 mètres de côté. La Volga à elle seule transporte chaque année environ 60 000 mètres cubes d'eau dans la mer Caspienne.

Pour qu’une réaction thermonucléaire se produise, plusieurs conditions doivent être remplies. Ainsi, la température dans la zone où se combinent les noyaux d’hydrogène lourds devrait être d’environ 100 millions de degrés. À une température aussi énorme, on ne parle plus de gaz, mais de plasma. Le plasma est un état de la matière dans lequel, à des températures de gaz élevées, les atomes neutres perdent leurs électrons et se transforment en ions positifs. En d’autres termes, le plasma est un mélange d’ions positifs et d’électrons se déplaçant librement. La deuxième condition est la nécessité de maintenir une densité de plasma dans la zone de réaction d'au moins 100 000 milliards de particules par centimètre cube. Et enfin, la chose principale et la plus difficile est de maintenir la progression de la réaction thermonucléaire au moins pendant au moins une seconde.

La chambre de travail d'une installation thermonucléaire est toroïdale, semblable à un énorme beignet creux. Il est rempli d'un mélange de deutérium et de tritium. À l'intérieur de la chambre elle-même, une bobine de plasma est créée - un conducteur à travers lequel passe un courant électrique d'environ 20 millions d'ampères.
Le courant électrique remplit trois fonctions importantes. Premièrement, cela crée du plasma. Deuxièmement, il le chauffe jusqu'à cent millions de degrés. Et enfin, le courant crée un champ magnétique autour de lui, c'est-à-dire qu'il entoure le plasma de lignes de force magnétiques. En principe, les lignes de force autour du plasma doivent le maintenir en suspension et empêcher le plasma d’entrer en contact avec les parois de la chambre. Cependant, maintenir le plasma en suspension n’est pas si simple. Les forces électriques déforment le conducteur plasma, qui n’a pas la résistance d’un conducteur métallique. Il se plie, heurte la paroi de la chambre et lui cède son énergie thermique. Pour éviter cela, des bobines sont placées au-dessus de la chambre toroïdale, créant un champ magnétique longitudinal dans la chambre, éloignant le conducteur du plasma des parois. Seulement, cela ne suffit pas, car le conducteur du plasma chargé du courant a tendance à s'étirer et à augmenter son diamètre. Le champ magnétique, qui est créé automatiquement, sans forces extérieures extérieures, est également conçu pour empêcher le conducteur du plasma de se dilater. Le conducteur de plasma est placé avec la chambre toroïdale dans une autre chambre plus grande constituée d'un matériau non magnétique, généralement du cuivre. Dès que le conducteur du plasma tente de s'écarter de la position d'équilibre, un courant induit apparaît dans la coque en cuivre, selon la loi de l'induction électromagnétique, dans le sens opposé au courant dans le plasma. En conséquence, une force contraire apparaît, repoussant le plasma des parois de la chambre.
Il a été proposé en 1949 par A.D. d'empêcher le plasma d'entrer en contact avec les parois de la chambre par un champ magnétique. Sakharov, et un peu plus tard l'Américain J. Spitzer.

En physique, il est d’usage de donner des noms à chaque nouveau type de dispositif expérimental. Une structure dotée d’un tel système d’enroulement est appelée tokamak – abréviation de « chambre toroïdale et bobine magnétique ».

Dans les années 1970, l’URSS a construit une centrale thermonucléaire appelée Tokamak-10. Il a été développé à l’Institut de l’énergie atomique du nom. I.V. Kourtchatova. Grâce à cette installation, nous avons obtenu une température du conducteur du plasma de 10 millions de degrés, une densité du plasma d'au moins 100 mille milliards de particules par centimètre cube et un temps de rétention du plasma proche de 0,5 seconde. La plus grande installation actuelle de notre pays, Tokamak-15, a également été construite au centre scientifique de Moscou, l'Institut Kurchatov.

Toutes les installations thermonucléaires créées jusqu'à présent ne consomment de l'énergie que pour chauffer le plasma et créer des champs magnétiques. L'installation thermonucléaire du futur devrait, au contraire, libérer tellement d'énergie qu'une petite partie de celle-ci puisse être utilisée pour entretenir la réaction thermonucléaire, c'est-à-dire chauffer le plasma, créer des champs magnétiques et alimenter de nombreux dispositifs et instruments auxiliaires, et l'essentiel peut être consacré à la consommation du réseau électrique.

En 1997, au Royaume-Uni, le tokamak JET a réussi à faire correspondre l'énergie d'entrée et l'énergie de sortie. Bien entendu, cela ne suffit pas pour que le processus s’auto-entretienne : jusqu’à 80 % de l’énergie reçue est perdue. Pour que le réacteur fonctionne, il est nécessaire de produire cinq fois plus d'énergie que celle dépensée pour chauffer le plasma et créer des champs magnétiques.
En 1986, les pays de l'Union européenne, avec l'URSS, les États-Unis et le Japon, ont décidé de développer et de construire conjointement d'ici 2010 un tokamak suffisamment grand, capable de produire de l'énergie non seulement pour soutenir la fusion thermonucléaire dans le plasma, mais aussi pour générer puissance électrique utile. Ce réacteur s’appelait ITER, abréviation de « réacteur expérimental thermonucléaire international ». En 1998, les calculs de conception étaient terminés, mais en raison du refus américain, des modifications ont dû être apportées à la conception du réacteur afin d'en réduire le coût.

Vous pouvez laisser les particules se déplacer naturellement et façonner la caméra pour qu'elle suive leur chemin. La caméra a alors une apparence plutôt bizarre. Il reprend la forme d'un filament de plasma apparaissant dans le champ magnétique de bobines externes de configuration complexe. Le champ magnétique est créé par des bobines externes d'une configuration beaucoup plus complexe que dans un tokamak. Les appareils de ce type sont appelés stellarateurs. Le torsatron Uragan-3M a été construit dans notre pays. Ce stellarateur expérimental est conçu pour contenir du plasma chauffé à dix millions de degrés.

Actuellement, les tokamaks ont d'autres concurrents sérieux utilisant la fusion thermonucléaire inertielle. Dans ce cas, plusieurs milligrammes d'un mélange deutérium-tritium sont enfermés dans une capsule d'un diamètre de 1 à 2 millimètres. Le rayonnement pulsé de plusieurs dizaines de lasers puissants est concentré sur la capsule. En conséquence, la capsule s'évapore instantanément. Vous devez mettre 2 MJ d’énergie dans le rayonnement en 5 à 10 nanosecondes. Ensuite, la légère pression comprime le mélange à un point tel qu’une réaction de fusion thermonucléaire peut se produire. L'énergie libérée lors de l'explosion, équivalente en puissance à l'explosion de cent kilogrammes de TNT, sera convertie sous une forme plus pratique - par exemple en électricité. Cependant, la construction de stellarateurs et d'installations de fusion inertielle se heurte également à de sérieuses difficultés techniques. L’utilisation pratique de l’énergie thermonucléaire n’est probablement pas une question d’avenir proche.

6. Perspectives de développement de la fusion thermonucléaire

Une tâche importante à long terme pour l’industrie nucléaire est de maîtriser les technologies de fusion thermonucléaire contrôlée comme base de l’industrie énergétique du futur. Actuellement, des décisions stratégiques sont prises partout dans le monde concernant le développement et le développement de nouvelles sources d'énergie. La nécessité de développer de telles sources est associée à la pénurie attendue de production d'énergie et aux ressources limitées en combustibles. L’une des sources d’énergie innovantes les plus prometteuses est la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF). L'énergie de fusion est libérée lorsque les noyaux des isotopes lourds de l'hydrogène fusionnent. Le combustible d'un réacteur thermonucléaire est de l'eau et du lithium dont les réserves sont pratiquement illimitées. Dans des conditions terrestres, la mise en œuvre du CTS représente un problème scientifique et technologique complexe lié à l'obtention d'une température de la substance supérieure à 100 millions de degrés et à l'isolation thermique de la zone de synthèse des parois du réacteur.

Fusion est un projet à long terme, avec une installation commerciale qui devrait être construite d'ici 2040-2050. Le scénario le plus probable pour maîtriser l’énergie thermonucléaire implique la mise en œuvre de trois étapes :
- maîtriser les modes de combustion à long terme des réactions thermonucléaires ;
- démonstration de production d'électricité ;
- création de stations thermonucléaires industrielles.

Dans le cadre du projet international ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), il devrait démontrer la faisabilité technique du confinement du plasma et de la génération d'énergie.L'objectif principal du projet ITER est de démontrer la possibilité scientifique et technique d'obtenir de l'énergie par des réactions de synthèse (fusion) d'isotopes de l'hydrogène - deutérium et tritium. La puissance thermonucléaire nominale du réacteur ITER sera d'environ 500 MW à une température de plasma de 100 millions de degrés.
En novembre 2006, tous les participants au projet ITER - l'Union européenne, la Russie, le Japon, les États-Unis, la Chine, la Corée et l'Inde - ont signé des accords sur la création de l'Organisation internationale ITER pour l'énergie de fusion pour la mise en œuvre conjointe du projet ITER. La phase de construction du réacteur a débuté en 2007.

La participation de la Russie au projet ITER consiste en le développement, la fabrication et la livraison d'équipements technologiques de base au chantier de construction du réacteur (Cadarache, France) et en une contribution monétaire s'élevant en général à environ 10 % du coût total de construction du réacteur. Les États-Unis, la Chine, l’Inde, la Corée et le Japon ont la même part de contribution.
Feuille de route pour maîtriser l’énergie de la fusion thermonucléaire contrôlée

2000 (niveau moderne) :
Problèmes à résoudre : parvenir à l’égalité des coûts et de la production d’énergie
La dernière génération de tokamaks a permis de se rapprocher de la mise en œuvre d'une combustion thermonucléaire contrôlée avec un dégagement d'énergie important.
La puissance des réactions de fusion thermonucléaire a atteint le niveau de 17 MW (installation JET, UE), ce qui est comparable à la puissance investie dans le plasma.
2020 :

Problèmes résolus dans le projet ITER : réaction à long terme, développement et intégration des technologies thermonucléaires.

L'objectif du projet ITER est de parvenir à un allumage contrôlé d'une réaction thermonucléaire et à sa combustion à long terme avec un excès de puissance thermonucléaire dix fois supérieur à la puissance nécessaire pour initier la réaction de fusion Q³10.

2030 :
Problème à résoudre : construction d'une station de démonstration DEMO (DTE)
Dans le cadre du projet DEMO, la sélection des matériaux et des technologies optimaux pour l'OFC, la conception, la construction et les tests de démarrage d'une centrale thermonucléaire expérimentale ont été achevés, et la conception du PFC a été achevée.
2050
Tâches à résoudre : conception et construction de PTE, réalisation des tests des technologies de production d'énergie électrique chez DEMO.
Création d'une centrale énergétique industrielle avec une marge de sécurité élevée et des indicateurs économiques de coûts énergétiques acceptables.
L’humanité mettra la main sur une source d’énergie inépuisable, écologiquement et économiquement acceptable.Le projet de réacteur thermonucléaire s'appuie sur des systèmes de confinement magnétique du plasma de type Tokamak, développés et mis en œuvre pour la première fois en URSS. En 1968, une température du plasma de 10 millions de degrés a été atteinte au tokamak T-3. Depuis lors, les installations Tokamak sont devenues une direction leader dans la recherche sur la fusion thermonucléaire dans tous les pays.

Actuellement utilisés en Russie sont les tokamaks T-10 et T-15 (RRC "Institut Kurchatov"), T-11M (Centre scientifique d'État FSUE de la Fédération de Russie TRINITI, Troitsk, région de Moscou), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Institut physique et technique nommé d'après A.F. Ioffe, Saint-Pétersbourg, RAS) et stellarator L-2 (Institut de physique générale, Moscou, RAS).

Conclusion

Sur la base des recherches menées, les conclusions suivantes peuvent être tirées :

La fusion thermonucléaire est le moyen de production d'énergie le plus rationnel, le plus respectueux de l'environnement et le moins coûteux, et en termes de quantité de chaleur produite, elle est incomparable avec les sources naturelles actuellement utilisées par l'homme. Bien entendu, la maîtrise de la fusion thermonucléaire résoudrait de nombreux problèmes de l’humanité, présents et futurs.

Dans le futur, la fusion thermonucléaire permettra de surmonter une autre « crise de l’humanité », à savoir la surpopulation de la Terre. Ce n'est un secret pour personne que le développement de la civilisation terrestre implique une croissance constante et durable de la population de la planète. La question du développement de « nouveaux territoires », autrement dit de la colonisation des planètes voisines du système solaire pour créer des établissements permanents, est donc un problème. question d'un avenir très proche.

Littérature

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V. I. Krutov. Génie thermique / - M. : Mashinostroenie, 1986
K.V. Tikhomirov. Génie thermique, approvisionnement en chaleur et en gaz et ventilation - M. : Stroyizdat, 1991
V. P. Preobrazhensky. Mesures et instruments thermiques - M. : Energia, 1978
Jeffrey P. Freidberg. Physique des plasmas et énergie de fusion/ - Cambridge University Press, 2007.
http://www.college.ru./astronomy- Astronomie
http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Fusion thermonucléaire sur le Soleil - une nouvelle version Vladimir Vlasov

Aperçu:

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Légendes des diapositives :

FUSION THERMONUCLÉAIRE

CONCEPT Il s'agit d'un type de réaction nucléaire dans laquelle des noyaux atomiques légers se combinent en noyaux plus lourds en raison de l'énergie cinétique de leur mouvement thermique.

RECEVOIR DE L'ÉNERGIE

ÉQUATION POUR LA RÉACTION AVEC LA FORMATION DE HE ⁴

RÉACTION THERMONUCLÉAIRE AU SOLEIL

Fusion THERMONUCLÉAIRE CONTRÔLÉE

CHAMBRE TOROÏDALE AVEC BOBINES MAGNÉTIQUES (TOKAMAK)

LA NÉCESSITÉ DE MAÎTRISER LA Fusion THERMONUCLÉAIRE

Une nouvelle technique a été développée pour ralentir efficacement les électrons en fuite en introduisant des ions « lourds », tels que le néon ou l'argon, dans le réacteur.

Un réacteur à fusion fonctionnel est encore un rêve, mais il pourrait éventuellement être réalisé grâce à de nombreuses recherches et expérimentations pour débloquer un approvisionnement illimité en énergie propre. Les problèmes auxquels sont confrontés les scientifiques pour obtenir la fusion nucléaire sont sans aucun doute sérieux et véritablement complexes, mais tout peut être surmonté. Et il semble que l’un des principaux problèmes ait été résolu.

La fusion nucléaire n’est pas un processus inventé par l’humanité, mais elle existe dans la nature depuis le début ; ce processus alimente notre Soleil. Au plus profond de notre étoile natale, les atomes d’hydrogène sont disposés ensemble pour former de l’hélium, qui est à l’origine du processus. La fusion nucléaire libère d’énormes quantités d’énergie, mais nécessite des coûts énormes pour créer une pression et une température extrêmement élevées, difficiles à reproduire sur Terre de manière contrôlée.

L'année dernière, des chercheurs du MIT nous ont rapprochés de la fusion en exposant le plasma à la bonne pression, mais deux chercheurs de l'Université Chalmers ont découvert une autre pièce du puzzle.

L’un des problèmes rencontrés par les ingénieurs est l’emballement des électrons. Ces électrons de très haute énergie peuvent accélérer soudainement et de manière inattendue jusqu'à atteindre des vitesses très élevées, ce qui peut détruire la paroi du réacteur sans avertissement.

Les doctorants Linnea Heschlow et Ole Emberose ont développé une nouvelle technique pour ralentir efficacement ces électrons en fuite en introduisant des ions « lourds » comme le néon ou l'argon dans le réacteur. En conséquence, les électrons hautement chargés qui frappent les noyaux de ces ions ralentissent et deviennent beaucoup plus gérables.

«Lorsque nous parviendrons à ralentir efficacement les électrons en fuite, nous ferons un pas de plus vers un réacteur à fusion fonctionnel», déclare Linnea Heschlow.

Les chercheurs ont créé un modèle capable de prédire efficacement l’énergie et le comportement des électrons. Grâce à la modélisation mathématique du plasma, les physiciens peuvent désormais contrôler efficacement la vitesse de fuite des électrons sans interrompre le processus de fusion.

"Beaucoup de gens pensent que cela fonctionnera, mais il est plus facile d'aller sur Mars que de réaliser une fusion", déclare Linnea Heschlow : "On pourrait dire que nous essayons de rassembler les étoiles ici sur Terre, et cela pourrait prendre un certain temps. temps. Il faut des températures incroyablement élevées, plus chaudes que le centre du soleil, pour réussir la fusion ici sur Terre. J’espère donc que ce n’est qu’une question de temps.

basé sur des matériaux de newatlas.com, traduction

Conférence n°2.

Façons de résoudre le problème de la fusion thermonucléaire

Les principaux axes de recherche sur la fusion nucléaire : a) les systèmes à confinement magnétique ;

b) quasi-stationnaire (ouvert et fermé) ; impulsion; c) systèmes à confinement inertiel (laser, à faisceaux divers, à coque compressible).

À ce jour, deux approches largement indépendantes ont émergé pour résoudre le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée. Le premier d'entre eux repose sur la possibilité de confiner et d'isoler thermiquement un plasma à haute température de densité relativement faible par un champ magnétique de configuration particulière pendant une durée relativement longue (1 à 10 s).

L’autre façon est l’impulsion. Avec l'approche pulsée, il est nécessaire de chauffer et de comprimer rapidement de petites portions de matière à des températures et des densités telles que les réactions thermonucléaires auraient le temps de se dérouler efficacement pendant l'existence d'un plasma non confiné ou, comme on dit, confiné par inertie. Les estimations montrent que pour comprimer une substance à des densités de 100 à 1 000 g/cm 3 et chauffez-le à une température de 5-10 keV, il faut créer une pression à la surface de la cible sphérique 10 9 atm, c'est-à-dire qu'il faut une source qui permettrait de fournir de l'énergie avec une densité de puissance de 10 à la surface cible 15 W/cm2.

Confinement magnétique du plasma.

Soit la température du plasma Tet concentration de particules en interaction n 1 et n 2 . Si la vitesse d’un ion donné par rapport à un second est version 1.2 , alors la probabilité qu'un ion donné réagisse en 1 seconde avec l'un des ions du deuxième type est donnée par l'expression v 1.2 n 2 . Ici  - section efficace efficace de la réaction de synthèse, valeur qui augmente rapidement avec la vitesse. Si tout le monde 1 les ions du premier type avaient la même vitesse v 1,2 , alors le nombre total de réactions se produisant dans 1 cm 3 le plasma en 1 seconde serait déterminé par l'égalité : N 1,2 = n 1 n 2  v 1,2 . À une température donnée, le produit doit être moyenné sur la distribution maxwellienne. En désignant l'énergie libérée lors de chaque événement de réaction, nous obtenons une expression de la puissance spécifique sous la forme W = n 1 n 2<  v>Dépendance  (v) pour les réactions considérées, la valeur est connue, donc<  v> peut être calculé, et avec lui la puissance spécifique peut être trouvée W à n’importe quelle température et densité de plasma.
Les estimations numériques montrent que la valeur W croît rapidement avec la température, à une température de « combustion » de plusieurs centaines de millions de degrés et à une densité de plasma d'environ 10 15cm-3 il est environ 10 heures 5 kW/m 3 . Une augmentation de la température et de la densité conduit à des régimes plus énergivores, dans lesquels les difficultés techniques de mise en œuvre du projet devraient progressivement augmenter. Les modes « plus doux » conduisent, si la puissance totale du réacteur thermonucléaire n'est pas trop faible, à des dimensions très importantes du système. Ainsi, les valeurs prises représentent un compromis technique raisonnable entre des exigences contradictoires. Notons également que les estimations utilisées se réfèrent au plasma de deutérium ; pour un mélange égal de deutérium et de tritium, les températures optimales de « fonctionnement » sont plus basses.
La question naturelle suivante se pose alors : comment créer les conditions indiquées dans la zone de réaction ? Plus précisément : comment chauffer le plasma aux températures extrêmement élevées requises et comment empêcher les particules chauffées de s'envoler pendant un temps suffisant pour que les réactions nucléaires se produisent ? La principale difficulté semble résider dans la deuxième partie de la question. L'énergie qu'il faut communiquer à un volume donné de plasma de densité connue pour le chauffer à 10 8 K, est une valeur très modeste ; elle est égale à l'énergie qu'il faut dépenser pour chauffer le même volume d'eau de seulement 1 K. Au contraire, les flux de particules (et de chaleur) de la zone réactionnelle vers la périphérie seront énormes. Il est nécessaire de contenir efficacement les particules dans la zone réactionnelle.
L'idée principale qui a déterminé la manière de résoudre le problème de la synthèse contrôlée est d'utiliser le principe de l'isolation thermique magnétique. En Union soviétique, cette idée a été exprimée en 1950 par A.D. Sakharov et I.E. Tamm.
Le coefficient de diffusion, et avec lui le coefficient de conductivité thermique, diminue de plusieurs ordres de grandeur si les particules se déplacent dans une direction perpendiculaire à un champ magnétique puissant. Ainsi, si la zone de réaction est séparée des parois par un champ magnétique puissant, on peut alors espérer une réduction radicale des flux thermiques. L'ampleur du champ de confinement peut être trouvée à partir de l'égalité de la pression magnétique et cinétique du gaz : H 2 /8  =nk(T e +T je ).
Pour le plasma avec les paramètres sélectionnés (n~10 15 cm -3 , T~10 8 K), le champ requis pour la rétention doit être de 25 à 30 kilooersted. Ces valeurs élevées ne dépassent en aucun cas les limites des capacités techniques.
Nous parlons tout le temps du transfert de chaleur dans le plasma à travers le champ magnétique, mais nous ne devons pas oublier que les flux de chaleur le long des lignes du champ magnétique restent non magnétisés ; il faut rendre difficile la sortie des particules dans cette direction. Il y a trois possibilités ici. Le premier d'entre eux consiste à placer le plasma dans un piège magnétique, c'est-à-dire dans un champ magnétique d'une telle configuration où il est renforcé dans les zones où les lignes de champ quittent la zone de réaction, dans la zone de leur intersection avec les murs; La deuxième possibilité consiste à éliminer les extrémités ouvertes des lignes électriques en les pliant en anneau. Enfin, la troisième voie consiste à utiliser du plasma avec une densité relativement élevée et à le chauffer si rapidement que pendant qu'elles se déplacent le long des lignes de champ, la majeure partie des particules a le temps de subir des collisions nucléaires.
Le premier schéma d'isolation thermique se justifie pleinement lorsqu'il s'agit de confiner un plasma si rare qu'il peut être considéré comme un ensemble de particules individuelles. La longue durée de vie des particules d'origine naturelle et artificielle dans les ceintures de radiations terrestres constitue un bon exemple de ce qui a été dit. Cependant, dans des expériences en laboratoire réalisées avec un plasma plus dense, c'est-à-dire dans des conditions où des interactions collectives peuvent se produire, de sérieuses difficultés ont été découvertes. Les durées de vie du plasma se sont révélées bien plus courtes que celles auxquelles on pouvait s'attendre en raison de collisions de particules de plasma entre elles ou avec des molécules de gaz résiduel et de leur fuite ultérieure dans le cône de perte. En fait, la durée de vie du plasma dans certains modèles de pièges ouverts était d'environ 100 microsecondes (avec une densité de plasma d'environ 10 microsecondes).-9 cm -3 ), alors que les durées de vie provoquées par l'entrée dans le cône de perte devaient être mesurées en minutes.
Ce résultat deviendra qualitativement plus clair si l’on tient compte du fait que le plasma, comme tout matériau diamagnétique, doit être poussé hors de la région d’un champ plus fort. De ce point de vue, le mécanisme d’action des miroirs magnétiques retenant le plasma à l’intérieur du piège est tout à fait compréhensible. Mais dans les pièges du type considéré, il existe également des régions où le champ diminue avec la distance radiale à l'axe ; ici, nous pouvons nous attendre au développement d'une instabilité - l'apparition de «langues» ou de «rainures» de plasma se déplaçant à travers le champ et transférant le plasma vers des valeurs de champ plus faibles. En effet, des expériences directes ont indiqué l'existence d'une instabilité de type « groove » dans ces pièges, ce qui limite la durée de vie du plasma.
En fermant les lignes électriques, on arrive naturellement à une installation de type solénoïde en anneau. Or, le champ magnétique est partout orienté parallèlement aux parois, et les particules, pour quitter le système, doivent se déplacer à travers les lignes de force. Mais le champ magnétique à l’intérieur du tore est légèrement inhomogène, il tombe vers la paroi externe du tore, ce qui fait dériver les particules. La dérive dans un champ magnétique non uniforme se produit normalement à la direction du champ principal et à la direction de son gradient et dépend de la charge des particules. Si les ions dérivent vers la paroi supérieure du tore, les électrons se déposeront vers le bas. Les charges séparées vont créer un champ électrique, et le plasma, formé d'une manière ou d'une autre à l'intérieur du tore, va commencer à dériver dans son ensemble dans des champs électriques et magnétiques croisés. Il est facile de vérifier que le résultat final sera un mouvement du plasma vers la paroi externe du tore.
Il existe différentes méthodes pour compenser cette dérive du plasma. Vous pouvez faire passer un courant annulaire longitudinal à travers le plasma, vous pouvez compliquer l'enroulement du solénoïde d'une manière spéciale ou, en tordant le tore, vous pouvez donner au système magnétique une forme en huit. La topologie du champ magnétique dans ces cas change radicalement.
Les champs magnétiques les plus simples - un aimant permanent, le courant continu d'un circuit plat, comme on le sait, grâce à l'équation divB = 0, conduisent aux images habituelles de lignes de force fermées ou de lignes allant vers l'infini. Il existe cependant une troisième possibilité, en fait la plus générale : les lignes de force peuvent rester dans une région limitée de l'espace sans se fermer ni aller à l'infini.

Dans les exemples ci-dessus, à la suite de la déformation du système magnétique toroïdal, la transformation de lignes de force fermées - anneaux - en lignes de force infinies, s'enroulant continuellement autour de l'axe toroïdal annulaire et formant ce que l'on appelle les surfaces magnétiques. Les lignes de force passant à différentes distances de l’axe du tore génèrent (dans le cas le plus simple) un ensemble de surfaces magnétiques coaxiales emboîtées les unes dans les autres. De ce fait, tout point de la section du tore s'avère relié à tout autre point de la section (à égale distance de l'axe) par une ligne de force appartenant à l'une ou l'autre surface magnétique. Cela signifie que la redistribution des charges sur la section efficace peut se produire non pas à travers le champ magnétique, mais le long des lignes de force. L’accumulation de charges dissemblables, et par conséquent la dérive dans les champs croisés, sont donc exclues.
Des variantes de systèmes toroïdaux à courant longitudinal ont commencé à être développées en Union soviétique (installations de type Tokamak), deux autres directions ont commencé à être explorées aux États-Unis (installations de type Stellarator).

Dans les tokamaks, un champ magnétique longitudinal est créé par des bobines pouvant être alimentées par un générateur d'une puissance d'impulsion allant jusqu'à 75 MW. Conditions de vide : pression initiale des gaz résiduels environ 10-8 mmHg Art. La chambre Tokamak est placée sur un noyau de fer et la bobine de plasma résultante sert d'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions. Le chauffage du plasma se produit grâce à la chaleur Joule ; un fort champ longitudinal sert de cadre stabilisant. Les paramètres plasma obtenus dans les tokamaks, bien qu'encourageants, restent très différents de ceux que l'on pourrait attendre dans le cas d'un plasma parfaitement magnétisé. En particulier, une durée de vie relativement courte indique l’existence de types d’instabilité non résolus et, par conséquent, un taux de diffusion accru.
Les recherches utilisant des installations de type stellarateur ont jusqu'à présent abouti à des résultats plus modestes. Malgré la durée de l'expérience et les excellents paramètres techniques du système, il n'a pas été possible dans ce cas de surmonter l'instabilité du plasma. Les flux de diffusion sur les murs sont plusieurs fois supérieurs aux flux classiques.

Il existait une autre option pour résoudre le problème de la fusion thermonucléaire par confinement magnétique : la pulsation. Ici, les fonctions d'isolation thermique et de chauffage du plasma ont été attribuées à une impulsion de courant à court terme, qui traversait du deutérium raréfié. En raison de l’interaction du courant avec son propre champ magnétique, le filament plasma doit être comprimé vers l’axe de décharge. Le plasma s'avère séparé des parois de la cuve par son propre champ magnétique et doit être chauffé grâce au travail des forces de compression et à la chaleur Joule. Au stade initial de l'étude, il a été supposé que le processus de compression est quasi-stationnaire, qu'à chaque instant la pression magnétique comprimant le plasma est équilibrée par la pression du gaz. La température de la substance doit augmenter proportionnellement au carré du courant, et des estimations numériques montrent qu'avec un courant d'environ 1 million d'ampères, une pression initiale de 0,1 mm Hg. Art. et un diamètre de vaisseau de 200 mm, la température du cordon plasma doit dépasser 10 7 K. Certes, la température augmentera pendant un temps très court (environ 1 microseconde), mais des collisions très fréquentes se produiront dans une colonne de plasma hautement comprimée et on peut compter sur l'enregistrement du rayonnement neutronique provenant des réactions nucléaires en cours.
En réalité, l’image d’une compression quasi-stationnaire s’avère tout à fait erronée. Au stade initial du processus, après la rupture de la colonne de gaz par la haute tension appliquée, un courant augmentant rapidement est concentré dans une fine couche superficielle (effet de peau). La région interne de la colonne n'est quasiment ni ionisée ni chauffée, la pression du gaz est négligeable et la contraction de la croûte de plasma vers l'axe du système peut être envisagée en tenant compte uniquement des forces d'inertie. Pendant toute la compression, il n'y a pas d'équilibre entre la pression gazeuse et magnétique. Le cordon est tiré vers l'axe avant que le courant (et avec lui la pression magnétique) n'atteigne son maximum, mais ne reste pas dans un état comprimé et, sous l'influence des mêmes forces d'inertie, commence à se dilater à nouveau. De plus, le cordon est instable (à l'extérieur du cordon le champ change en 1/r) et du fait du développement de déformations macroscopiques (constrictions, courbures), il touche les parois de la chambre, refroidissant et contaminant le plasma.
Il est remarquable que le rayonnement neutronique du plasma lors d'une décharge pulsée dans le deutérium soit encore observé. Ce phénomène intéressant a été découvert par un groupe de physiciens soviétiques en 1952. Le rayonnement neutronique n'apparaît pas suite au chauffage de la totalité du volume de plasma disponible, mais s'avère être une conséquence des collisions d'un petit groupe de deutons rapides, résultant de processus accélérateurs complexes dans un cordon instable, avec la majeure partie du plasma relativement froid.
En augmentant l'intensité énergétique du système, il est possible de chauffer la corde de plasma aux températures thermonucléaires requises au moment où la corde est comprimée pour la première fois autour de l'axe et avant que l'instabilité ne commence à se développer. Cependant, pour atteindre les conditions nécessaires à l'obtention d'une réaction thermonucléaire avec une production d'énergie positive, les expériences proposées nécessiteront la concentration d'une énorme énergie dans une décharge pulsée - environ : 10 4 Mj. La technologie moderne permet la construction d'installations pulsées avec des centaines de mégajoules. Il existe des condensateurs dotés d'une inductance extrêmement faible, des alimentations à faible inductance et des dispositifs de commutation très avancés ont été développés. Ainsi, la voie pour de nouveaux progrès dans cette direction est ouverte, mais le processus prend le caractère d'une puissante explosion, équivalente en puissance à l'explosion de plusieurs tonnes de TNT, qui n'est pas du tout similaire aux réactions thermonucléaires contrôlées en douceur.
Actuellement, les travaux sur les pièges magnétiques de type ouvert en vue de résoudre le problème de la fusion thermonucléaire ont pratiquement cessé. Comme le montrent des calculs détaillés, si la perte de particules du piège n'est que plusieurs fois supérieure au niveau théorique correspondant à une conductivité thermique entièrement magnétisée, alors la mise en œuvre d'un réacteur thermonucléaire avec une production d'énergie positive devient impossible.
Le développement des procédés pulsés a apparemment atteint sa limite naturelle, si l'on considère le réacteur comme objectif ultime. Mais d'autres expériences pourraient conduire à la construction de sources de neutrons pulsés d'une puissance énorme. Une différence particulière par rapport à ces études a été la construction de systèmes conçus pour accélérer les caillots de plasma.

Les systèmes magnétiques fermés semblent actuellement les plus prometteurs.

Fusion thermonucléaire laser.

Pour la première fois, l'idée d'utiliser un rayonnement laser de haute puissance pour chauffer un plasma dense à des températures thermonucléaires a été exprimée par N.G. Basov et O.N. Krokhin au début des années 60. À ce jour, une direction indépendante de la recherche thermonucléaire s'est formée : la fusion thermonucléaire laser (LTF).

Arrêtons-nous brièvement sur les principes physiques de base qui sous-tendent le concept consistant à atteindre des degrés élevés de compression de substances et à obtenir d'importants gains d'énergie à l'aide de microexplosions laser. Nous baserons notre discussion sur l’exemple du mode dit de compression directe. Dans ce mode, une microsphère remplie de combustible thermonucléaire est « uniformément » irradiée de tous côtés par un laser multicanal. À la suite de l'interaction du rayonnement chauffant avec la surface cible, un plasma chaud avec une température de plusieurs kiloélectronvolts (appelé couronne de plasma) se forme, volant vers le faisceau laser avec des vitesses caractéristiques de 10 7 -10 8 cm/s.

Sans pouvoir s'attarder plus en détail sur les processus d'absorption dans la couronne de plasma, notons que dans des expériences modèles modernes à des énergies de rayonnement laser de 10 à 100 kJ pour des cibles comparables en taille aux cibles pour des gains importants, il est possible d'atteindre des niveaux élevés. (90%) coefficients d'absorption du rayonnement thermique.

Le rayonnement lumineux ne peut pas pénétrer les couches denses de la cible (la densité des corps solides est de 10 23cm-3 ). En raison de la conductivité thermique, l'énergie absorbée dans un plasma avec une densité électronique inférieure à n cr , est transmis aux couches plus denses, où se produit l'ablation de la substance cible. Les couches non évaporées restantes de la cible, sous l'influence de la pression thermique et réactive, sont accélérées vers le centre, comprimant et chauffant le carburant qu'elles contiennent. En conséquence, l’énergie du rayonnement laser est convertie au stade considéré en énergie cinétique de la matière volant vers le centre et en énergie de la couronne en expansion. Il est évident que l'énergie utile est concentrée dans le mouvement vers le centre. L'efficacité de la contribution de l'énergie lumineuse à la cible est caractérisée par le rapport de l'énergie spécifiée à l'énergie totale du rayonnement - ce qu'on appelle l'efficacité hydrodynamique (efficacité). Atteindre un rendement hydrodynamique suffisamment élevé (10-20 %) est l'un des problèmes importants du LTS.

Quels processus peuvent empêcher l’obtention de taux de compression élevés ? L'un d'eux est qu'à des densités de rayonnement thermonucléaire q > 10 14 W/cm2 une fraction notable de l'énergie absorbée n'est pas transformée en une onde de conduction thermique électronique classique, mais en flux d'électrons rapides, dont l'énergie est bien supérieure à la température de la couronne de plasma (les électrons dits suprathermiques). Cela peut se produire à la fois en raison de l’absorption résonante et des effets paramétriques dans la couronne plasmatique. Dans ce cas, la longueur du trajet des électrons suprathermiques peut s'avérer comparable à la taille de la cible, ce qui entraînera un préchauffage du combustible compressible et l'impossibilité d'atteindre une compression maximale. Les quanta de rayons X à haute énergie (rayons X durs) accompagnant les électrons suprathermiques ont également une grande capacité de pénétration.

La tendance de la recherche expérimentale ces dernières années est la transition vers l'utilisation du rayonnement laser à ondes courtes (< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 W/cm2 ). La possibilité pratique de passer au chauffage au plasma avec un rayonnement à ondes courtes est due au fait que les coefficients de conversion du rayonnement d'un laser néodyme à l'état solide (le principal candidat pour les pilotes pour LTS) avec une longueur d'onde je = 1,06 µm de rayonnement des deuxième, troisième et quatrième harmoniques utilisant des cristaux non linéaires atteint 70-80 %. Actuellement, pratiquement tous les grands systèmes laser en verre néodyme sont équipés de systèmes de multiplication de fréquence.

La raison physique de l’avantage de l’utilisation du rayonnement à ondes courtes pour chauffer et comprimer les microsphères est que, à mesure que la longueur d’onde diminue, l’absorption dans la couronne du plasma augmente ainsi que la pression d’ablation et le coefficient de transmission hydrodynamique. La fraction d’électrons suprathermiques générés dans la couronne de plasma diminue de plusieurs ordres de grandeur, ce qui est extrêmement bénéfique pour les modes de compression directe et indirecte. Pour la compression indirecte, il est également important qu’à mesure que la longueur d’onde diminue, la conversion de l’énergie absorbée par le plasma en rayonnement X doux augmente.

Intéressons-nous maintenant au mode de compression indirecte. L'analyse physique montre que la mise en œuvre du mode compression à des densités de carburant élevées est optimale pour les cibles d'obus simples et complexes avec un rapport d'aspect R/DR de plusieurs dizaines. Ici R est le rayon de la coque, DR est son épaisseur. Cependant, une forte compression peut être limitée par le développement d'instabilités hydrodynamiques, qui se manifestent par la déviation du mouvement de la coque aux étapes de son accélération et de sa décélération au centre par rapport à la symétrie sphérique et dépendent des écarts de la forme initiale de la cible étant idéalement sphérique, la répartition inhomogène des faisceaux laser incidents sur sa surface. Le développement de l'instabilité à mesure que l'obus se déplace vers le centre conduit d'abord à une déviation du mouvement par rapport à la symétrie sphérique, puis à une turbulisation de l'écoulement, et finalement au mélange des couches de la cible et du combustible deutérium-tritium. En conséquence, dans l'état final, une formation peut apparaître dont la forme diffère fortement d'un noyau sphérique, et la densité et la température moyennes sont nettement inférieures aux valeurs correspondant à une compression unidimensionnelle. Dans ce cas, la structure initiale de la cible (par exemple, un certain ensemble de couches) peut être complètement perturbée.

La nature physique de ce type d’instabilité équivaut à l’instabilité d’une couche de mercure située à la surface de l’eau dans un champ gravitationnel. Dans ce cas, comme vous le savez, un mélange complet de mercure et d'eau se produit, c'est-à-dire qu'à l'état final, le mercure sera au fond. Une situation similaire peut se produire lors d'un mouvement accéléré vers le centre d'une substance cible ayant une structure complexe, ou dans le cas général en présence de gradients de densité et de pression.

Les exigences relatives à la qualité des cibles sont assez strictes. Ainsi, l'hétérogénéité de l'épaisseur de la paroi des microsphères ne doit pas dépasser 1 %, l'uniformité de la répartition de l'absorption d'énergie sur la surface cible ne doit pas dépasser 0,5 %.

La proposition d'utiliser un schéma de compression indirecte est précisément liée à la possibilité de résoudre le problème de stabilité de la compression cible. Le rayonnement laser est dirigé dans la cavité, en se concentrant sur la surface interne de la coque externe, constituée d'une substance avec un numéro atomique élevé, comme l'or. Comme déjà indiqué, jusqu'à 80 % de l'énergie absorbée est transformée en rayonnement X doux, qui chauffe et comprime la coque interne. Les avantages d'un tel schéma incluent la possibilité d'obtenir une plus grande uniformité de la répartition de l'énergie absorbée sur la surface cible, la simplification de la conception du laser et des conditions de focalisation, etc. Cependant, il existe également des inconvénients liés à la perte d'énergie nécessaire à la conversion en rayonnement X et à la complexité d'introduction du rayonnement dans la cavité.

Actuellement, la base d'éléments est intensivement développée et des projets d'installations laser au niveau mégajoule sont en cours de création. Le Laboratoire Livermore a débuté la création d'une installation en verre néodyme d'énergie E = 1,8 MJ. Le coût du projet est de 2 milliards de dollars. La création d'une installation de niveau similaire est prévue en France. Avec cette installation, il est prévu d'atteindre un gain d'énergie de Q ~ 100. Il faut dire que le lancement d'installations de cette envergure rapprochera non seulement la possibilité de créer un réacteur thermonucléaire basé sur la fusion thermonucléaire laser, mais fournira également chercheurs avec un objet physique unique - une microexplosion avec une libération d'énergie de 10 7 -10 9 J, une puissante source de neutrons, de neutrinos, de rayons X et de rayonnement g. Cela aura non seulement une grande importance physique générale (capacité d'étudier des substances dans des états extrêmes, physique de la combustion, équations d'état, effets laser, etc.), mais permettra également de résoudre des problèmes particuliers d'ordre appliqué, notamment militaire, nature.

Cependant, pour un réacteur basé sur la fusion laser, il est nécessaire de créer un laser de niveau mégajoule fonctionnant à un taux de répétition de plusieurs hertz. Plusieurs laboratoires étudient les possibilités de créer de tels systèmes basés sur de nouveaux cristaux. Le lancement du réacteur expérimental du programme américain est prévu pour 2025.

1. Introduction

2. Réactions thermonucléaires sur le Soleil

3. Problèmes de contrôle de la fusion thermonucléaire

3.1 Problèmes économiques

3.2 Problèmes médicaux

4. Conclusion

5. Références

1. Introduction

Le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée est l’une des tâches les plus importantes auxquelles l’humanité est confrontée.

La civilisation humaine ne peut exister, et encore moins se développer, sans énergie. Tout le monde comprend bien que les sources d'énergie développées pourraient malheureusement bientôt être épuisées. Selon le Conseil mondial de l'énergie, il reste 30 ans de réserves prouvées d'hydrocarbures sur Terre.

Aujourd’hui, les principales sources d’énergie sont le pétrole, le gaz et le charbon.

Les centrales nucléaires les plus riches en combustible pourraient, bien entendu, fournir de l’électricité à l’humanité pendant des centaines d’années.

Objet d'étude : Problèmes de fusion thermonucléaire contrôlée.

Sujet d'étude: Fusion thermonucléaire.

But de l'étude: Résoudre le problème du contrôle de la fusion thermonucléaire ;

Objectifs de recherche:

· Étudier les types de réactions thermonucléaires.

· Considérez toutes les options possibles pour fournir à une personne l'énergie libérée lors d'une réaction thermonucléaire.

· Proposer une théorie sur la conversion de l'énergie en électricité.

Fait original :

Réalisation les conditions de fusion thermonucléaire contrôlée sont entravées par plusieurs problèmes principaux :

· Tout d'abord, vous devez chauffer le gaz à une température très élevée.

· Deuxièmement, il est nécessaire de contrôler le nombre de noyaux réactifs sur une durée suffisamment longue.

· Troisièmement, la quantité d'énergie libérée doit être supérieure à celle dépensée pour chauffer et limiter la densité du gaz.

· Le prochain problème est l'accumulation de cette énergie et sa conversion en électricité

2. Réactions thermonucléaires sur le Soleil

Quelle est la source de l'énergie solaire ? Quelle est la nature des processus au cours desquels d’énormes quantités d’énergie sont produites ? Combien de temps le soleil continuera-t-il à briller ?

Les premières tentatives pour répondre à ces questions ont été faites par les astronomes au milieu du XIXe siècle, après que les physiciens aient formulé la loi de conservation de l'énergie.

Robert Mayer a suggéré que le Soleil brille en raison du bombardement constant de la surface par des météorites et des particules météoriques. Cette hypothèse a été rejetée, puisqu'un simple calcul montre que pour maintenir la luminosité du Soleil au niveau actuel, il faut que 2∙1015 kg de matière météorique tombent dessus chaque seconde. Dans un an, cela fera 6∙1022 kg, et pendant l'existence du Soleil, dans 5 milliards d'années - 3∙1032 kg. La masse du Soleil M = 2∙1030 kg, donc, sur cinq milliards d'années, 150 substances. fois plus que la masse du Soleil qui aurait dû tomber sur le Soleil.

La deuxième hypothèse a été exprimée par Helmholtz et Kelvin également au milieu du XIXe siècle. Ils ont suggéré que le Soleil rayonne en raison d'une compression de 60 à 70 mètres par an. La raison de la compression est l'attraction mutuelle des particules du Soleil, c'est pourquoi cette hypothèse a été appelée />. contraction. Si nous faisons un calcul selon cette hypothèse, alors l'âge du Soleil ne dépassera pas 20 millions d'années, ce qui contredit les données modernes obtenues à partir de l'analyse de la désintégration radioactive des éléments dans des échantillons géologiques du sol terrestre et du sol de la lune.

La troisième hypothèse sur les sources possibles d'énergie solaire a été exprimée par James Jeans au début du XXe siècle. Il a suggéré que les profondeurs du Soleil contiennent des éléments radioactifs lourds qui se désintègrent spontanément et émettent de l'énergie. Par exemple, la transformation de l'uranium en thorium puis en plomb s'accompagne d'une libération d'énergie. L'analyse ultérieure de cette hypothèse a également montré son incohérence : une étoile composée uniquement d'uranium ne libérerait pas suffisamment d'énergie pour fournir la luminosité observée du Soleil. De plus, il existe des étoiles dont la luminosité est plusieurs fois supérieure à la luminosité de notre étoile. Il est peu probable que ces étoiles disposent également de réserves plus importantes de matières radioactives.

L'hypothèse la plus probable s'est avérée être celle de la synthèse d'éléments résultant de réactions nucléaires dans les entrailles des étoiles.

La composition chimique du Soleil est à peu près la même que celle de la plupart des autres étoiles. Environ 75 % sont de l'hydrogène, 25 % de l'hélium et moins de 1 % sont tous les autres éléments chimiques (principalement le carbone, l'oxygène, l'azote, etc.). Immédiatement après la naissance de l’Univers, il n’y avait aucun élément « lourd ». Tous, c'est-à-dire des éléments plus lourds que l'hélium, et même de nombreuses particules alpha, se sont formés lors de la « combustion » de l'hydrogène dans les étoiles par fusion thermonucléaire. La durée de vie caractéristique d'une étoile comme le Soleil est de dix milliards d'années.

La principale source d'énergie est le cycle proton-proton - une réaction très lente (temps caractéristique 7,9∙109 ans), car elle est provoquée par une faible interaction. Son essence est que quatre protons produisent un noyau d'hélium. Dans ce cas, une paire de positrons et une paire de neutrinos sont libérées, ainsi qu'une énergie de 26,7 MeV. Le nombre de neutrinos émis par le Soleil par seconde est déterminé uniquement par la luminosité du Soleil. Puisque 2 neutrinos naissent lorsque 26,7 MeV est libéré, le taux d'émission des neutrinos est : 1,8∙1038 neutrinos/s. Un test direct de cette théorie est l’observation des neutrinos solaires. Des neutrinos de haute énergie (bore) sont détectés dans des expériences chlore-argon (expériences Davis) et montrent systématiquement un manque de neutrinos par rapport à la valeur théorique du modèle standard du Soleil. Les neutrinos de basse énergie résultant directement de la réaction pp sont enregistrés dans des expériences sur le gallium-germanium (GALLEX au Gran Sasso (Italie - Allemagne) et SAGE à Baksan (Russie - USA)) ; ils sont également « portés disparus ».

Selon certaines hypothèses, si les neutrinos ont une masse au repos différente de zéro, des oscillations (transformations) de différents types de neutrinos sont possibles (l'effet Mikheev-Smirnov-Wolfenstein) (il existe trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tauoniques) . Parce que d'autres neutrinos ont des sections efficaces d'interaction avec la matière beaucoup plus petites que celles des électrons ; le déficit observé peut s'expliquer sans changer le modèle standard du Soleil, construit sur la base de l'ensemble des données astronomiques.

Chaque seconde, le Soleil traite environ 600 millions de tonnes d'hydrogène. L’approvisionnement en combustible nucléaire durera encore cinq milliards d’années, après quoi il se transformera progressivement en naine blanche.

Les parties centrales du Soleil se contracteront, s'échaufferont, et la chaleur transférée à la coque externe conduira à son expansion à des tailles monstrueuses par rapport aux modernes : le Soleil se dilatera tellement qu'il absorbera Mercure, Vénus et consommera " carburant » cent fois plus vite qu’actuellement . Cela entraînera une augmentation de la taille du Soleil ; notre étoile deviendra une géante rouge dont la taille est comparable à la distance de la Terre au Soleil !

3. Problèmes de fusion thermonucléaire contrôlée

Les chercheurs de tous les pays développés fondent leurs espoirs sur une réaction thermonucléaire contrôlée pour surmonter la crise énergétique à venir. Une telle réaction - la synthèse de l'hélium à partir du deutérium et du tritium - se produit sur le Soleil depuis des millions d'années, et dans des conditions terrestres, on tente de la réaliser depuis cinquante ans dans des installations laser géantes et très coûteuses, des tokamaks ( un dispositif pour réaliser une réaction de fusion thermonucléaire dans un plasma chaud) et des stellarateurs (un piège magnétique fermé pour contenir du plasma à haute température). Cependant, il existe d'autres moyens de résoudre ce problème difficile, et au lieu d'énormes tokamaks pour la fusion thermonucléaire, il sera probablement possible d'utiliser un collisionneur assez compact et peu coûteux - un accélérateur de faisceaux à collision.

Le tokamak nécessite de très petites quantités de lithium et de deutérium pour fonctionner. Par exemple, un réacteur d’une puissance électrique de 1 GW brûle environ 100 kg de deutérium et 300 kg de lithium par an. Si nous supposons que toutes les centrales thermonucléaires produiront 10 000 milliards de kWh d'électricité par an, soit la même quantité que toutes les centrales électriques de la Terre produisent aujourd'hui, alors les réserves mondiales de deutérium et de lithium seront suffisantes pour fournir de l'énergie à l'humanité pour plusieurs millions d'années.

Outre la fusion du deutérium ou du lithium, une fusion thermonucléaire purement solaire est possible lorsque deux atomes de deutérium se combinent. Si cette réaction est maîtrisée, les problèmes énergétiques seront résolus immédiatement et pour toujours.

D'un point de vue physique, le problème est formulé simplement. Pour réaliser une réaction de fusion nucléaire autonome, il est nécessaire et suffisant de remplir deux conditions.

1. L'énergie des noyaux impliqués dans la réaction doit être d'au moins 10 keV. Pour que la fusion nucléaire se produise, les noyaux participant à la réaction doivent tomber dans le champ des forces nucléaires dont le rayon est de 10-12-10-13 cm. Cependant, les noyaux atomiques ont une charge électrique positive et des charges semblables se repoussent. Au seuil d'action des forces nucléaires, l'énergie de répulsion coulombienne est de l'ordre de 10 keV. Pour surmonter cette barrière, les noyaux lors d'une collision doivent avoir une énergie cinétique au moins non inférieure à cette valeur.

2. Le produit de la concentration des noyaux en réaction et du temps de rétention pendant lequel ils conservent l'énergie spécifiée doit être d'au moins 1014 s.cm-3. Cette condition - appelée critère de Lawson - détermine la limite du bénéfice énergétique de la réaction. Pour que l’énergie libérée lors de la réaction de fusion couvre au moins les coûts énergétiques liés au lancement de la réaction, les noyaux atomiques doivent subir de nombreuses collisions. Dans chaque collision au cours de laquelle une réaction de fusion se produit entre le deutérium (D) et le tritium (T), 17,6 MeV d'énergie est libérée, soit environ 3,10-12 J. Si, par exemple, 10 MJ d'énergie sont dépensés à l'allumage, alors le la réaction ne sera pas rentable si au moins 3,1018 paires D-T y participent. Et pour cela, un plasma assez dense et de haute énergie doit être conservé assez longtemps dans le réacteur. Cette condition est exprimée par le critère de Lawson.

Si les deux exigences peuvent être satisfaites simultanément, le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée sera résolu.

Cependant, la mise en œuvre technique de ce problème physique se heurte à d’énormes difficultés. Après tout, une énergie de 10 keV équivaut à une température de 100 millions de degrés. Une substance peut être maintenue à une telle température ne serait-ce qu'une fraction de seconde sous vide, l'isolant des parois de l'installation.

Mais il existe une autre méthode pour résoudre ce problème : la fusion thermonucléaire froide. Qu'est-ce qu'une réaction thermonucléaire froide ? C'est un analogue d'une réaction thermonucléaire « chaude » se déroulant à température ambiante.

Dans la nature, il existe au moins deux manières de modifier la matière dans une dimension du continuum. Vous pouvez faire bouillir de l'eau sur un feu, c'est-à-dire thermiquement, ou dans un four à micro-ondes, c'est-à-dire fréquence Le résultat est le même - l'eau bout, la seule différence est que la méthode de fréquence est plus rapide. Atteindre des températures ultra-élevées est également utilisé pour diviser le noyau d’un atome. La méthode thermique donne une réaction nucléaire incontrôlable. L'énergie de la fusion thermonucléaire froide est l'énergie de l'état de transition. L'une des principales conditions pour la conception d'un réacteur permettant de réaliser une réaction thermonucléaire froide est l'état de sa forme pyramidale-cristalline. Une autre condition importante est la présence de champs magnétiques tournants et de torsion. L'intersection des champs se produit au point d'équilibre instable du noyau d'hydrogène.

L'essence « technique » de la réaction est qu'à la suite de la combinaison de deux atomes de deutérium, un troisième se forme - un isotope de l'hydrogène, connu sous le nom de tritium, et un neutron, caractérisé par une quantité d'énergie colossale.

3.1 Problèmes économiques

Lors de la création d'un CTS, on suppose qu'il s'agira d'une grande installation équipée d'ordinateurs puissants. Ce sera une toute petite ville. Mais en cas d'accident ou de panne de matériel, le fonctionnement de la station sera perturbé.

Ceci n’est pas prévu, par exemple, dans les conceptions modernes des centrales nucléaires. On pense que l’essentiel est de les construire et que ce qui se passe plus tard n’a pas d’importance.

Mais si une station tombe en panne, de nombreuses villes se retrouveront sans électricité. Cela peut être observé, par exemple, dans la centrale nucléaire d’Arménie. L'élimination des déchets radioactifs est devenue très coûteuse. En raison des exigences écologiques, la centrale nucléaire a été fermée. La population s'est retrouvée sans électricité, les équipements de la centrale électrique ont été usés et l'argent alloué par les organisations internationales à la restauration a été gaspillé.

Un problème économique grave est la décontamination des installations de production abandonnées où l'uranium était traité. Par exemple, "la ville d'Aktau a son propre petit Tchernobyl". Il est situé sur le territoire de l'usine chimique et hydrométallurgique (KhMZ). Le rayonnement de fond gamma dans l'usine de traitement de l'uranium (HMC) atteint par endroits 11 000 microroentgens. par heure, le niveau de fond moyen est de 200 microroentgens (fond naturel habituel de 10 à 25 microroentgens par heure). Après l'arrêt de l'usine, aucune décontamination n'a été effectuée ici. Une partie importante de l'équipement, environ quinze mille). tonnes, possède déjà une radioactivité inamovible. Dans le même temps, ces objets dangereux sont stockés à l'air libre, sont mal gardés et sont constamment éloignés du territoire du KhGMZ.

Par conséquent, puisqu'il n'y a pas d'installations de production permanentes, en raison de l'émergence de nouvelles technologies, le TTS pourrait être fermé, et alors les objets et les métaux de l'entreprise se retrouveraient sur le marché et la population locale en souffrirait.

Le système de refroidissement UTS utilisera de l’eau. Mais selon les écologistes, si l’on prend les statistiques des centrales nucléaires, l’eau de ces réservoirs n’est pas potable.

Selon les experts, le réservoir regorge de métaux lourds (en particulier de thorium 232) et, à certains endroits, le niveau de rayonnement gamma atteint 50 à 60 microroentgens par heure.

3.2 Problèmes médicaux

Les effets nocifs de l'UTS incluent la production de mutants de virus et de bactéries qui produisent des substances nocives. Cela est particulièrement vrai pour les virus et les bactéries présents dans le corps humain. L'apparition de tumeurs malignes et de cancers sera très probablement une maladie courante parmi les habitants des villages proches de l'UTS. Les habitants souffrent toujours davantage car ils ne disposent d'aucun moyen de protection. Les dosimètres sont chers et les médicaments ne sont pas disponibles. Les déchets du CTS seront déversés dans les rivières, évacués dans l’air ou pompés dans des couches souterraines, comme c’est le cas actuellement dans les centrales nucléaires.

Selon les rapports des médecins qui ont enregistré les maladies des travailleurs des centrales nucléaires, les maladies cardiovasculaires (crise cardiaque) viennent en premier, suivies par le cancer. Le muscle cardiaque s'amincit sous l'influence des radiations, devient flasque et moins fort. Il existe des maladies totalement incompréhensibles. Par exemple, insuffisance hépatique. Mais pourquoi cela se produit, aucun médecin ne le sait encore. Si des substances radioactives pénètrent dans les voies respiratoires lors d'un accident, les médecins découpent les tissus endommagés des poumons et de la trachée et la personne handicapée marche avec un appareil respiratoire portable.

4. Conclusion

Si la production d’énergie de fusion nucléaire devient pratiquement accessible, elle fournira une source illimitée de combustible.

5. Références

1) Magazine « New Look » (Physique ; Pour la future élite).

2) Manuel de physique 11e année.

3) Académie de l'énergie (analyses ; idées ; projets).

4) Les gens et les atomes (William Lawrence).

5) Éléments de l'univers (Seaborg et Valence).

6) Dictionnaire encyclopédique soviétique.

7) Encyclopédie Encarta 96.

8) Astronomie - www.college.ru./astronomy.

Quelle est la difficulté de la fusion thermonucléaire contrôlée. Il n’y aura jamais d’énergie thermonucléaire. Fusion froide Russie

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2. Réactions thermonucléaires sur le Soleil

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