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

Prema modernim astrofizičkim konceptima, glavni izvor energije za Sunce i druge zvijezde je termonuklearna fuzija koja se događa u njihovim dubinama. U zemaljskim uvjetima provodi se tijekom eksplozije vodikove bombe. Termonuklearnu fuziju prati kolosalno oslobađanje energije po jedinici mase reagirajućih tvari (oko 10 milijuna puta veće nego u kemijskim reakcijama). Stoga je od velikog interesa ovladati ovim procesom i na temelju njega stvoriti jeftin i ekološki prihvatljiv izvor energije. No, unatoč činjenici da se veliki znanstveni i tehnički timovi u mnogim razvijenim zemljama bave istraživanjima kontrolirane termonuklearne fuzije (CTF), još puno toga treba riješiti. teški problemi prije nego što industrijska proizvodnja fuzijske energije postane stvarnost.

Moderne nuklearne elektrane koje koriste proces fisije samo djelomično zadovoljavaju svjetske potrebe za električnom energijom. Gorivo za njih su prirodni radioaktivni elementi uran i torij, čija su rasprostranjenost i rezerve u prirodi vrlo ograničene; stoga za mnoge zemlje postoji problem njihovog uvoza. Glavna komponenta termonuklearnog goriva je izotop vodika deuterij, koji se nalazi u morska voda. Njegove rezerve su javno dostupne i vrlo velike (svjetski ocean pokriva ~ 71% Zemljine površine, a deuterij čini oko 0,016% od ukupnog broja atoma vodika koji čine vodu). Uz dostupnost goriva, fuzijski izvori energije imaju sljedeće važne prednosti u odnosu na nuklearne elektrane: 1) UTS reaktor sadrži puno manje radioaktivnih materijala od nuklearnog fisijskog reaktora, pa su stoga posljedice slučajnog ispuštanja radioaktivnih produkata manje opasne; 2) termonuklearne reakcije proizvode manje dugovječni radioaktivni otpad; 3) TCB omogućuje izravnu proizvodnju električne energije.

FIZIČKI OSNOVE NUKLEARNE FUZIJE

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

Nuklearne sile i reakcije.

Oslobađanje energije tijekom nuklearne fuzije posljedica je iznimno intenzivnih privlačnih sila koje djeluju unutar jezgre; te sile drže zajedno protone i neutrone koji čine jezgru. Vrlo su intenzivni na udaljenostima od ~10–13 cm i iznimno brzo slabe s povećanjem udaljenosti. Osim ovih sila, pozitivno nabijeni protoni stvaraju elektrostatičke odbojne sile. Polumjer djelovanja elektrostatičkih sila mnogo je veći od nuklearnih sila, pa one počinju dominirati kad su jezgre dalje jedna od druge.

Kao što je pokazao G. Gamov, vjerojatnost reakcije između dvije približavanje lakih jezgri je proporcionalna , gdje je e – baza prirodnih logaritama, Z 1 i Z 2 su brojevi protona u interakcijskim jezgrama, W je energija njihovog relativnog pristupa, i K je konstantni množitelj. Energija potrebna za izvođenje reakcije ovisi o broju protona u svakoj jezgri. Ako je više od tri, tada je ta energija previsoka i reakcija je praktički nemoguća. Dakle, s povećanjem Z 1 i Z 2 vjerojatnost reakcije se smanjuje.

Vjerojatnost da će dvije jezgre međudjelovati karakterizira "presjek reakcije", mjeren u ambarima (1 b = 10–24 cm 2). Reakcijski presjek je površina efektivnog presjeka jezgre u koju druga jezgra mora "ući" da bi došlo do njihove interakcije. Poprečni presjek za reakciju deuterija s tricijem doseže svoju maksimalnu vrijednost (~5 b) kada čestice u interakciji imaju relativnu energiju približavanja od oko 200 keV. Pri energiji od 20 keV, presjek postaje manji od 0,1 b.

Od milijun ubrzanih čestica koje pogode metu, ne ulazi više od jedne nuklearna interakcija. Ostali rasipaju svoju energiju na elektronima ciljnih atoma i usporavaju do brzina pri kojima reakcija postaje nemoguća. Posljedično, metoda bombardiranja čvrste mete ubrzanim jezgrama (kao što je bio slučaj u Cockcroft-Waltonovom eksperimentu) nije prikladna za CTS, budući da je energija dobivena u ovom slučaju puno manja od utrošene energije.

Termonuklearna goriva.

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

Ali najvjerojatnija reakcija se ostvaruje u smjesi jednakih komponenti deuterija i tricija (DT-smjesa). Nažalost, tricij je radioaktivan i zbog kratak period poluživot (T 1/2 ~ 12,3 godine) praktički se ne javlja u prirodi. Prima se umjetnim sredstvima u fisijskim reaktorima, a također i kao nusprodukt u reakcijama s deuterijem. Međutim, odsutnost tricija u prirodi nije prepreka za korištenje DT - fuzijskih reakcija, budući da tricij se može proizvesti zračenjem izotopa 6 Li neutronima nastalim tijekom fuzije: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Ako je termonuklearna komora okružena slojem od 6 Li (prirodni litij sadrži 7%), tada je moguće izvršiti potpunu reprodukciju potrošnog tricija. I premda se u praksi dio neutrona neizbježno gubi, njihov se gubitak može lako nadoknaditi uvođenjem u ljusku elementa kao što je berilij, čija jezgra, kada jedan brzi neutron uđe u nju, emitira dva.

Princip rada termonuklearnog reaktora.

Reakcija fuzije lakih jezgri, čija je svrha dobivanje korisne energije, naziva se kontrolirana termonuklearna fuzija. Izvodi se na temperaturama reda stotina milijuna kelvina. Taj se proces do sada provodio samo u laboratorijima.

Vremenski i temperaturni uvjeti.

Dobivanje korisne termonuklearne energije moguće je samo ako su ispunjena dva uvjeta. Prvo, smjesa namijenjena fuziji mora se zagrijati na temperaturu pri kojoj kinetička energija jezgri osigurava veliku vjerojatnost njihova fuzije pri sudaru. Drugo, reakcijska smjesa mora biti vrlo dobro toplinski izolirana (tj. visoka temperatura mora se održavati dovoljno dugo da se dogodi potreban broj reakcija, a energija koja se zbog toga oslobađa veća je od energije utrošene na zagrijavanje goriva).

U kvantitativnom obliku ovaj se uvjet izražava na sljedeći način. Za zagrijavanje termonuklearne smjese, jedan kubni centimetar njenog volumena mora biti opskrbljen energijom P 1 = knt, gdje k- numerički koeficijent, n- gustoća smjese (broj jezgri u 1 cm 3), T- potrebna temperatura. Da bi se reakcija održala, energija prenesena termonuklearnoj smjesi mora se sačuvati za vrijeme t. Da bi reaktor bio energetski isplativ, potrebno je da se za to vrijeme u njemu oslobodi više termonuklearne energije nego što je utrošena na grijanje. Oslobođena energija (također po 1 cm 3) izražava se na sljedeći način:

gdje f(T) je koeficijent koji ovisi o temperaturi smjese i njenom sastavu, R je energija oslobođena u jednom elementarnom činu sinteze. Zatim uvjet energetske isplativosti P 2 > P 1 će poprimiti oblik

Posljednja nejednakost, poznata kao Lawsonov kriterij, jest kvantitativno izražavanje zahtjevi za savršenstvo toplinske izolacije. Desna strana - "Lawsonov broj" - ovisi samo o temperaturi i sastavu smjese, a što je veća, to su stroži zahtjevi za toplinskom izolacijom, t.j. to je teže stvoriti reaktor. U području prihvatljivih temperatura Lawsonov broj za čisti deuterij iznosi 10 16 s/cm 3 , a za jednakokomponentnu DT smjesu 2×10 14 s/cm 3 . Dakle, DT-mješavina je poželjnija termonuklearno gorivo.

U skladu s Lawsonovim kriterijem, koji određuje energetski povoljnu vrijednost umnoška gustoće i vremena zatvaranja, u termonuklearnom reaktoru treba koristiti što veći. n ili t. Stoga su se studije CTS-a razišle u dvije različitim smjerovima: u prvom su istraživači pokušali zadržati relativno razrijeđenu plazmu uz pomoć magnetskog polja dovoljno dugo; u drugom, uz pomoć lasera za kratko vrijeme stvoriti plazmu vrlo velike gustoće. Puno više rada posvećeno je prvom pristupu nego drugom.

Magnetno zatvaranje plazme.

Tijekom fuzijske reakcije, gustoća vrućeg reaktanta mora ostati na razini koja bi omogućila dovoljno visok prinos korisne energije po jedinici volumena pri tlaku koji plazma komora može izdržati. Na primjer, za smjesu deuterija - tricija na temperaturi od 10 8 K, prinos je određen izrazom

Ako prihvatite P jednako 100 W / cm 3 (što približno odgovara oslobođenoj energiji gorive ćelije u reaktorima nuklearne fisije), zatim gustoća n trebao bi biti cca. 10 15 jezgri / cm 3, i odgovarajući tlak nt- oko 3 MPa. Vrijeme zadržavanja u ovom slučaju, prema Lawsonovom kriteriju, treba biti najmanje 0,1 s. Za deuterij-deuterij plazmu na temperaturi od 10 9 K

U ovom slučaju, kada P\u003d 100 W / cm 3, n» 3×10 15 jezgri/cm 3 i tlakom od približno 100 MPa, potrebno vrijeme držanja bit će više od 1 s. Imajte na umu da su te gustoće samo 0,0001 atmosferskog zraka, pa se reaktorska komora mora evakuirati do visokog vakuuma.

Gore navedene procjene vremena zadržavanja, temperature i gustoće tipični su minimalni parametri potrebni za rad fuzijskog reaktora, a lakše se postižu u slučaju smjese deuterij-tricij. Što se termometra tiče nuklearne reakcije, koji teče tijekom eksplozije vodikove bombe i u unutrašnjosti zvijezda, treba imati na umu da se, zbog potpuno različitih uvjeta, u prvom slučaju odvijaju vrlo brzo, au drugom - iznimno sporo u usporedbi s procesima u termonuklearnom reaktoru.

Plazma.

Kada se plin jako zagrije, njegovi atomi djelomično ili potpuno gube elektrone, što rezultira stvaranjem pozitivno nabijenih čestica koje se nazivaju ioni i slobodni elektroni. Na temperaturama iznad milijun stupnjeva plin koji se sastoji od lakih elemenata potpuno je ioniziran, t.j. svaki atom gubi sve svoje elektrone. Plin u ioniziranom stanju naziva se plazma (pojam je uveo I. Langmuir). Svojstva plazme značajno se razlikuju od svojstva neutralnog plina. Budući da u plazmi ima slobodnih elektrona, plazma vrlo dobro provodi električnu struju, a njena vodljivost je proporcionalna T 3/2. Plazma se može zagrijati propuštanjem električne struje kroz nju. Vodljivost vodikove plazme pri 10 8 K je ista kao i bakra pri sobna temperatura. Toplinska vodljivost plazme je također vrlo visoka.

Da bi plazma, na primjer, bila na temperaturi od 10 8 K, ona mora biti pouzdano toplinski izolirana. U principu, plazma se može izolirati od stijenki komore stavljanjem u jako magnetsko polje. To osiguravaju sile koje nastaju pri interakciji struja magnetsko polje u plazmi.

Pod djelovanjem magnetskog polja ioni i elektroni kreću se spiralno duž njegove linije sile. Prijelaz s jedne linije sile na drugu moguć je u sudarima čestica i nametanju poprečne električno polje. U nedostatku električnih polja, visokotemperaturna razrijeđena plazma, u kojoj se sudari rijetko događaju, samo će polako difundirati preko linija magnetskog polja. Ako su linije sile magnetskog polja zatvorene, dajući im oblik petlje, tada će se čestice plazme kretati duž ovih linija, držeći se u području petlje. Osim takve zatvorene magnetske konfiguracije, predloženo je i zatvaranje plazme otvoreni sustavi(s linijama polja koje se protežu prema van od krajeva komore), u kojem čestice ostaju unutar komore zbog magnetskih "čepova" koji ograničavaju kretanje čestica. Magnetska zrcala stvaraju se na krajevima komore, gdje nastaje suženi snop linija polja kao rezultat postupnog povećanja jakosti polja.

U praksi se pokazalo da je magnetsko zatvaranje plazme dovoljno visoke gustoće daleko od jednostavnog: u njoj često nastaju magnetohidrodinamičke i kinetičke nestabilnosti.

Magnetohidrodinamičke nestabilnosti povezane su sa zavojima i lomovima linija magnetskog polja. U tom slučaju, plazma se može početi kretati po magnetskom polju u obliku snopova, napustiti zonu zadržavanja za nekoliko milijuntih dijelova sekunde i odavati toplinu stijenkama komore. Takve se nestabilnosti mogu suzbiti davanjem određene konfiguracije magnetskom polju.

Kinetičke nestabilnosti su vrlo raznolike i manje su detaljno proučavane. Među njima su i oni koji remete uredne procese, poput strujanja stalne električne struje ili strujanja čestica kroz plazmu. Druge kinetičke nestabilnosti uzrokuju veću brzinu transverzalne difuzije plazme u magnetskom polju od one koju predviđa teorija sudara za mirnu plazmu.

Sustavi sa zatvorenom magnetskom konfiguracijom.

Ako se na ionizirani vodljivi plin primijeni jako električno polje, tada će se u njemu pojaviti struja pražnjenja, istodobno s kojom će se pojaviti magnetsko polje koje ga okružuje. Interakcija magnetskog polja sa strujom dovest će do pojave tlačnih sila koje djeluju na nabijene čestice plina. Ako struja teče duž osi vodljivog vlakna plazme, tada nastajuće radijalne sile, poput gumenih vrpci, komprimiraju filament, pomičući granicu plazme od stijenki komore koja ga sadrži. Ovaj fenomen, koji je teoretski predvidio W. Bennett 1934., a eksperimentalno prvi put demonstrirao A. Ware 1951., naziva se učinkom štipanja. Metoda štipanja primjenjuje se na zadržavanje plazme; njegova značajna značajka je da se plin zagrijava na visoke temperature samom električnom strujom (omsko zagrijavanje). Temeljna jednostavnost metode dovela je do njezine upotrebe u prvim pokušajima zadržavanja vruće plazme, a proučavanje jednostavnog efekta štipanja, unatoč činjenici da je kasnije zamijenjen naprednijim metodama, omogućilo je bolje razumijevanje problemi s kojima se eksperimentatori susreću danas.

Osim difuzije plazme u radijalnom smjeru, postoji i uzdužni drift i njezin izlazak kroz krajeve stupca plazme. Gubici kroz krajeve mogu se eliminirati ako je komora s plazmom oblikovana kao krafna (torus). U tom slučaju se dobiva toroidni štipanje.

Za jednostavno gore opisano štipanje, magnetohidrodinamičke nestabilnosti koje su njemu svojstvene predstavljaju ozbiljan problem. Ako se na stupcu plazme dogodi mali zavoj, tada gustoća linija magnetskog polja s iznutra savijanje se povećava (slika 1). Magnetske linije sile, koje se ponašaju poput niti koje se odupiru kompresiji, brzo će se početi "izbočiti", tako da će se zavoj povećavati sve dok se cijela struktura plazma filamenta ne uništi. Kao rezultat toga, plazma će doći u dodir sa stijenkama komore i ohladiti se. Kako bi se isključila ova katastrofalna pojava, prije prolaska glavne aksijalne struje, u komori se stvara uzdužno magnetsko polje, koje zajedno s kružnim poljem primijenjenim kasnije "izravnava" početno savijanje stupca plazme (slika 2.). ). Načelo stabilizacije plazma stupca aksijalnim poljem temelj je dva obećavajuća projekta fuzijski reaktori– tokamak i pinč s obrnutim magnetskim poljem.

Otvorene magnetske konfiguracije.

inercijalno držanje.

Teorijski proračuni pokazuju da je termonuklearna fuzija moguća bez upotrebe magnetskih zamki. Da bi se to postiglo, posebno pripremljena meta (deuterijeva kugla polumjera od oko 1 mm) brzo se komprimira do tako velike gustoće da termonuklearna reakcija ima vremena da se završi prije nego što cilj goriva ispari. Kompresija i zagrijavanje na termonuklearne temperature mogu se izvesti super-snažnim laserskim impulsima, jednoliko i istovremeno zračeći kuglicu goriva sa svih strana (slika 4.). Trenutačnim isparavanjem njezinih površinskih slojeva, izbačene čestice poprimaju vrlo velike brzine, a lopta je pod djelovanjem velikih tlačnih sila. Slične su reaktivnim silama koje pokreću raketu, s jedinom razlikom što su ovdje te sile usmjerene prema unutra, prema središtu mete. Ova metoda može stvoriti tlakove reda veličine 10 11 MPa i gustoće 10 000 puta veće od gustoće vode. Pri ovoj gustoći će se gotovo sva termonuklearna energija osloboditi u obliku male eksplozije za ~10–12 s. Nastale mikroeksplozije, od kojih je svaka ekvivalentna 1-2 kg TNT-a, neće uzrokovati štetu na reaktoru, a provedba slijeda takvih mikroeksplozija u kratkim intervalima omogućila bi gotovo kontinuiranu proizvodnju korisne energije. Za inercijalno zadržavanje vrlo je važan raspored gorive mete. Meta u obliku koncentričnih sfera teških i lagani materijaliće postići najučinkovitije isparavanje čestica i, posljedično, najveću kompresiju.

Proračuni pokazuju da je na energ lasersko zračenje reda veličine megadžula (10 6 J) i učinkovitosti lasera od najmanje 10%, proizvedena termonuklearna energija mora premašiti energiju utrošenu za pumpanje lasera. Termonuklearni laseri dostupni su u istraživačkim laboratorijima u Rusiji, SAD-u, zapadnoj Europi i Japanu. Trenutno se proučava mogućnost korištenja snopa teških iona umjesto laserske zrake ili kombinacije takve zrake sa svjetlosnom zrakom. Zahvaljujući Moderna tehnologija ova metoda pokretanja reakcije ima prednost u odnosu na lasersku metodu, jer vam omogućuje da dobijete više korisne energije. Nedostatak je teškoća u fokusiranju snopa na metu.

INSTALACIJE S MAGNETSKIM RETENCIJAMA

Metode zadržavanja magnetske plazme proučavaju se u Rusiji, SAD-u, Japanu i nizu europskih zemalja. Glavna se pozornost posvećuje uređajima toroidnog tipa, kao što su tokamak i pinč s obrnutim magnetskim poljem, koji su nastali kao rezultat razvoja jednostavnijih pinčeva sa stabilizirajućim uzdužnim magnetskim poljem.

Za ograničavanje plazme toroidnim magnetskim poljem Bj potrebno je stvoriti uvjete pod kojima se plazma ne bi pomaknula na stijenke torusa. To se postiže "uvijanjem" linija magnetskog polja (tzv. "rotacijska transformacija"). Ovo uvijanje se radi na dva načina. U prvoj metodi, struja se propušta kroz plazmu, što dovodi do konfiguracije već razmatranog stabilnog štipanja. Struja magnetskog polja B q J - B q zajedno sa B j stvara ukupno polje s potrebnim zaokretom. Ako je a B j B q , dobivamo konfiguraciju poznatu kao tokamak (kratica od izraza "TOROIDALNA KAMERA S MAGNETSKIM ZAVOJNICAMA"). Tokamak (slika 5) razvijen je pod vodstvom L.A. Artsimovicha u Institutu atomska energija ih. I.V. Kurchatov u Moskvi. Na B j ~ B q dobiva se konfiguracija pinča s obrnutim magnetskim poljem.

U drugoj metodi koriste se posebni spiralni namoti oko toroidalne plazma komore kako bi se osigurala ravnoteža zatvorene plazme. Struje u tim namotima stvaraju složeno magnetsko polje, što dovodi do uvijanja linija sile ukupnog polja unutar torusa. Takvu instalaciju, nazvanu stelarator, razvili su na Sveučilištu Princeton (SAD) L. Spitzer i njegovi suradnici.

Tokamak.

Važan parametar o kojem ovisi ograničenje toroidalne plazme je "granica stabilnosti" q, jednak rB j / R.B. q , gdje r i R su mali i veliki radijusi toroidalne plazme, redom. Na malom q može se razviti spiralna nestabilnost, što je analogno nestabilnosti savijanja ravnog štipa. Znanstvenici u Moskvi eksperimentalno su pokazali da kada q> 1 (tj. B j B q) mogućnost spiralne nestabilnosti je znatno smanjena. To omogućuje učinkovito korištenje topline koju oslobađa struja za zagrijavanje plazme. Kao rezultat dugogodišnjeg istraživanja, karakteristike tokamaka su značajno poboljšane, posebice povećanjem ujednačenosti polja i učinkovitim čišćenjem vakuumske komore.

Ohrabrujući rezultati dobiveni u Rusiji potaknuli su stvaranje tokamaka u mnogim laboratorijima diljem svijeta, a njihova konfiguracija postala je predmetom intenzivnih istraživanja.

Ohmsko zagrijavanje plazme u tokamaku nije dovoljno za provedbu reakcije termonuklearne fuzije. To je zbog činjenice da kada se plazma zagrije, njezina električni otpor, a kao rezultat toga, stvaranje topline tijekom prolaska struje je naglo smanjeno. Nemoguće je povećati struju u tokamaku iznad određene granice, jer plazma stup može izgubiti stabilnost i prenijeti se na stijenke komore. Stoga se za zagrijavanje plazme koriste razne dodatne metode. Najučinkovitije od njih su ubrizgavanje snopa visokoenergetskih neutralnih atoma i mikrovalno zračenje. U prvom slučaju, ioni ubrzani do energije od 50-200 keV neutraliziraju se (kako bi se izbjeglo njihovo "odbijanje" natrag od strane magnetskog polja kada se uvedu u komoru) i ubrizgavaju se u plazmu. Ovdje se ponovno ioniziraju i u procesu sudara predaju svoju energiju plazmi. U drugom slučaju koristi se mikrovalno zračenje čija je frekvencija jednaka ionskoj ciklotronskoj frekvenciji (frekvencija rotacije iona u magnetskom polju). Na ovoj frekvenciji gusta plazma se ponaša kao apsolutno crno tijelo, t.j. potpuno apsorbira upadnu energiju. U zemljama JET tokamaka Europska unija Injektiranjem neutralnih čestica dobivena je plazma s temperaturom iona od 280 milijuna Kelvina i vremenom zadržavanja od 0,85 s. Termonuklearna snaga do 2 MW dobivena je na deuterij-tricij plazmi. Trajanje reakcije ograničeno je pojavom nečistoća zbog raspršivanja stijenki komore: nečistoće prodiru u plazmu i ionizirajući se značajno povećavaju gubitke energije zbog zračenja. Trenutno je rad na JET programu usmjeren na istraživanje mogućnosti kontrole nečistoća i njihovog uklanjanja, tzv. "magnetski preusmjerivač".

Veliki tokamaci također su stvoreni u SAD-u - TFTR, u Rusiji - T15 i u Japanu - JT60. Istraživanja provedena na ovim i drugim postrojenjima postavila su temelje za sljedeću fazu rada na području kontrolirane termonuklearne fuzije: 2010. godine planira se pokretanje velikog reaktora za tehnička ispitivanja. Pretpostavlja se da će to biti zajednički rad SAD-a, Rusije, zemalja Europske unije i Japana. vidi također TOKAMAK.

Stezanje obrnutog polja (FOP).

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

Prednost POP konfiguracije je u tome što je omjer volumnih gustoća energije plazme i magnetskog polja (vrijednost b) u njoj veći nego u tokamaku. Temeljno je važno da b bude što veći, jer će se na taj način smanjiti toroidno polje, a time i cijena svitaka koji ga stvaraju i cijele noseće konstrukcije. Slabost POP-a je što je toplinska izolacija ovih sustava lošija od one kod tokamaka, a problem održavanja obrnutog polja nije riješen.

Stelarator.

U stelaratoru, zatvoreno toroidno magnetsko polje je superponirano poljem stvorenim posebnim spiralnim namotom namotanim oko tijela kamere. Ukupno magnetsko polje sprječava da se plazma odmakne od središta i potiskuje određene vrste magnetohidrodinamičkih nestabilnosti. Sama plazma može se stvoriti i zagrijati bilo kojom od metoda koje se koriste u tokamaku.

Glavna prednost stelaratora je u tome što metoda zatvaranja koja se u njemu koristi nije povezana s prisutnošću struje u plazmi (kao u tokamacima ili u uređajima koji se temelje na efektu štipanja), te stoga stelarator može raditi u stacionarnom načinu rada. . Osim toga, spiralni namot može imati efekt "divertora", t.j. pročistiti plazmu od nečistoća i ukloniti produkte reakcije.

Konfiniranje plazme u stelaratorima sveobuhvatno se proučava u postrojenjima u Europskoj uniji, Rusiji, Japanu i Sjedinjenim Državama. Na stelaratoru "Wendelstein VII" u Njemačkoj bilo je moguće održavati plazmu koja ne nosi struju s temperaturom većom od 5x10 6 kelvina, zagrijavajući je ubrizgavanjem atomske zrake visoke energije.

Novija teorijska i eksperimentalna istraživanja pokazala su da se u većini opisanih instalacija, a posebno u zatvorenim toroidnim sustavima, vrijeme zadržavanja plazme može povećati povećanjem njezinih radijalnih dimenzija i ograničavanjem magnetskog polja. Na primjer, za tokamak se izračunava da će Lawsonov kriterij biti ispunjen (pa čak i s određenom marginom) pri jakosti magnetskog polja od ~ 50 ± 100 kG i malom polumjeru toroidne komore od cca. 2 m. Ovo su instalacijski parametri za 1000 MW električne energije.

Pri izradi tako velikih instalacija s magnetskom plazmom zatvaranjem nastaju potpuno novi tehnološki problemi. Za stvaranje magnetskog polja reda veličine 50 kg u volumenu nekoliko kubnih metara korištenjem vodeno hlađenih bakrenih svitaka bio bi potreban izvor energije od nekoliko stotina megavata. Stoga je očito da namoti zavojnica moraju biti izrađeni od supravodljivih materijala, kao što su legure niobija s titanom ili s kositrom. Otpor ovih materijala na električnu struju u supravodljivom stanju jednak je nuli, pa će se stoga potrošiti na održavanje magnetskog polja minimalni iznos struja.

reaktorska tehnologija.

Izgledi za termonuklearna istraživanja.

Eksperimenti provedeni na postrojenjima tipa tokamak pokazali su da je ovaj sustav vrlo perspektivan kao moguća osnova za reaktor UTS. Najbolji rezultati do sada postignuti su na tokamacima, a postoji nada da će uz odgovarajuće povećanje opsega instalacija na njima biti moguće provesti industrijsko kontroliranu fuziju. Međutim, tokamak nije dovoljno ekonomičan. Da bi se uklonio ovaj nedostatak, potrebno je da ne radi u pulsirajućem načinu rada, kao što je sada, već u kontinuiranom načinu rada. Međutim, fizički aspekti ovog problema su još uvijek slabo shvaćeni. Također je potrebno razvijati tehnička sredstva, što bi poboljšalo parametre plazme i eliminiralo njezine nestabilnosti. Uzimajući u obzir sve ovo, ne treba zaboraviti ni na druge moguće, iako manje razvijene opcije za termonuklearni reaktor, na primjer, stelarator ili obrnuti pinch polja. Stanje istraživanja u ovom području doseglo je fazu u kojoj postoje idejni projekti reaktora za većinu visokotemperaturnih sustava magnetskog zatvaranja plazme i za neke inercijalne sustave zatvaranja. Primjer industrijskog razvoja tokamaka je projekt Aries (SAD).

Shikanov A.S. // Soros Educational Journal, br. 8, 1997., str: 86-91

Pogledat ćemo fizičke principe laserske fuzije, znanstvenog područja koji se brzo razvija na temelju dva izvanredna otkrića 20. stoljeća: termonuklearne reakcije i laseri.

Termonuklearne reakcije odvijaju se tijekom fuzije (sinteze) jezgri lakih elemenata. Istodobno, uz obrazovanje teški elementi višak energije se oslobađa u obliku kinetičke energije konačnih produkta reakcije i gama zračenja. Veliko oslobađanje energije tijekom termonuklearnih reakcija privlači pozornost znanstvenika zbog mogućnosti njihove praktične primjene u zemaljskim uvjetima. Dakle, termonuklearne reakcije u velikim razmjerima provedene su u vodikovoj (ili termonuklearnoj) bombi.

Iznimno je atraktivna mogućnost korištenja energije oslobođene tijekom termonuklearnih reakcija za rješavanje energetskog problema. Činjenica je da je gorivo za ovu metodu dobivanja energije izotop vodika deuterij (D), čije su rezerve u oceanima praktički neiscrpne.

Reakcije fuzije i kontrolirana fuzija

Termonuklearna reakcija je proces fuzije (ili fuzije) lakih jezgri u teže. Budući da u tom slučaju dolazi do stvaranja snažno vezanih jezgri iz labavijih, proces je popraćen oslobađanjem energije vezanja. Najlakši način je fuzija izotopa vodika – deuterija D i tricija T. Jezgra deuterija – deuteron sadrži jedan proton i jedan neutron. Deuterij se nalazi u vodi u omjeru od jednog dijela prema 6500 dijelova vodika. Jezgra tricija, triton, sastoji se od protona i dva neutrona. Tricij je nestabilan (poluživot 12,4 godine), ali se može dobiti kao rezultat nuklearnih reakcija.

Tijekom fuzije jezgri deuterija i tricija nastaju helij He s atomskom masom četiri i neutron n. Kao rezultat reakcije oslobađa se energija od 17,6 MeV.

Fuzija jezgri deuterija odvija se duž dva kanala s približno istom vjerojatnošću: u prvom nastaju tricij i proton p i oslobađa se energija jednaka 4 MeV; u drugom kanalu - helij s atomskom masom 3 i neutron, a oslobođena energija je 3,25 MeV. Te su reakcije prikazane u obliku formula

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

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

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

Prije procesa fuzije, jezgre deuterija i tricija imaju energiju reda 10 keV; energija produkta reakcije doseže vrijednosti od reda jedinica i desetaka megaelektronvolta. Također treba napomenuti da su presjek D + T reakcije i njezina brzina puno veći (stotinu puta) nego kod D + D reakcije. Stoga je D + T reakciji puno lakše postići uvjete kada oslobođena termonuklearna energija premašuje troškove organiziranja procesa spajanja.

Moguće su i reakcije sinteze koje uključuju druge jezgre elemenata (na primjer, litij, bor itd.). Međutim, presjeci reakcije i njihove brzine za ove elemente su mnogo manji nego za izotope vodika i dosežu značajne vrijednosti samo za temperature reda reda 100 keV. Postizanje takvih temperatura u termonuklearnim postrojenjima trenutno je potpuno nerealno, pa samo reakcije fuzije izotopa vodika mogu imati praktična upotreba uskoro.

Kako se može provesti termonuklearna reakcija? Problem je u tome što je fuzija jezgri spriječena električnim silama odbijanja. U skladu s Coulombovim zakonom, električna odbojna sila raste obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti između jezgri u interakciji F ~ 1/ r 2. Dakle, za fuziju jezgri dolazi do stvaranja novih elemenata i oslobađanja viška energije, potrebno je prevladati Coulombovu barijeru, odnosno izvršiti rad protiv sila odbijanja, informirajući jezgre potrebnu energiju.

Postoje dvije mogućnosti. Jedan od njih sastoji se od sudara dvaju snopa svjetlosnih atoma ubrzanih jedan prema drugome. Međutim, ovaj pristup se pokazao neučinkovitim. Činjenica je da je vjerojatnost nuklearne fuzije u ubrzanim snopovima iznimno mala zbog male gustoće jezgri i zanemarivog vremena njihove interakcije, iako stvaranje snopa potrebne energije u postojećim akceleratorima nije problem.

Drugi način, na kojem su moderni istraživači stali, je zagrijavanje tvari na visoke temperature (oko 100 milijuna stupnjeva). Što je temperatura viša, to je veća prosječna kinetička energija čestica i veći njihov broj može prevladati Coulombovu barijeru.

Za kvantificiranje učinkovitosti termonuklearnih reakcija uvodi se faktor povećanja energije Q, koji je jednak

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

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

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

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

Ovdje je N gustoća smjese deuterij-tricij (broj čestica u kubičnom centimetru), t je efektivno vrijeme fuzijskih reakcija.

Do danas su se formirala dva uglavnom neovisna pristupa rješavanju problema kontrolirane termonuklearne fuzije. Prvi od njih temelji se na mogućnosti zatvaranja i toplinske izolacije visokotemperaturne plazme relativno male gustoće (N © 1014-1015 cm-3) magnetskim poljem posebne konfiguracije na relativno dugo vrijeme (t © 1 -10 s). Takvi sustavi uključuju "Tokamak" (kratica od "toroidalna komora s magnetskim zavojnicama"), predložen 50-ih godina u SSSR-u.

Drugi način je impuls. U pulsnom pristupu potrebno je brzo zagrijavati i komprimirati male dijelove materije na takve temperature i gustoće pri kojima bi termonuklearne reakcije imale vremena za učinkovito odvijanje tijekom postojanja nesadržane ili, kako se kaže, inercijski zatvorene plazme. Procjene pokazuju da bi komprimiranje tvari do gustoće od 100-1000 g/cm omogućilo isporuku energije na ciljnu površinu s gustoćom snage q © 1015 W/cm2.

FIZIČKI PRINCIPI LASERSKE FUZIJE

Ideju korištenja laserskog zračenja velike snage za zagrijavanje guste plazme na termonuklearne temperature prvi je predložio N.G. Basov i O.N. Krohin početkom 1960-ih. Do danas je formirano neovisno područje termonuklearnih istraživanja - laserska termonuklearna fuzija (LTF).

Zaustavimo se ukratko na tome koji su osnovni fizikalni principi ugrađeni u koncept postizanja visoki stupnjevi kompresije tvari i dobivanje visokih energetskih dobitaka uz pomoć laserskih mikroeksplozija. Razmatranje će se graditi na primjeru takozvanog načina izravne kompresije. U ovom načinu rada, mikrosfera (slika 1) napunjena termonuklearnim gorivom je "jednoliko" ozračena sa svih strana višekanalnim laserom. Kao rezultat interakcije grijaćeg zračenja s ciljnom površinom nastaje vruća plazma s temperaturom od nekoliko kiloelektronvolti (tzv. plazma korona) koja se širi prema laserskoj zraki s karakterističnim brzinama od 107–108 cm/s. .

Bez mogućnosti da se detaljnije zadržimo na procesima apsorpcije u plazma koroni, napominjemo da je u eksperimentima modernog modela pri energijama laserskog zračenja od 10-100 kJ za mete usporedive veličine s ciljevima za velike dobitke moguće postići visoki (© 90%) koeficijenti apsorpcije grijaćeg zračenja.

Kao što smo već vidjeli, svjetlosno zračenje ne može prodrijeti u guste slojeve mete (gustoća krute tvari je 1023 cm-3). Zbog toplinske vodljivosti, energija apsorbirana u plazmi s gustoćom elektrona nižom od ncr prenosi se u gušće slojeve, gdje se ciljana tvar ablatira. Preostali neispareni ciljni slojevi ubrzavaju se prema središtu pod djelovanjem toplinskog i reaktivnog tlaka, komprimirajući i zagrijavajući gorivo koje se u njemu nalazi (slika 2.). Kao rezultat toga, energija laserskog zračenja se u fazi koja se razmatra pretvara u kinetička energija materija koja leti prema središtu i u energiju korone koja se širi. Očito je da je korisna energija koncentrirana u kretanju prema centru. Učinkovitost doprinosa svjetlosne energije cilju karakterizira omjer naznačene energije i ukupne energije zračenja, tzv. hidrodinamički faktor učinkovitosti (COP). Postizanje dovoljno visoke hidrodinamičke učinkovitosti (10-20%) jedan je od važnih problema laserske termonuklearne fuzije.

Riža. 2. Radijalna raspodjela temperature i gustoće materije u meti u fazi ubrzanja ljuske prema centru

Koji procesi mogu spriječiti postizanje visokih omjera kompresije? Jedan od njih je da se pri gustoći termonuklearnog zračenja q > 1014 W/cm2 značajan dio apsorbirane energije transformira ne u klasični val provođenja topline elektrona, već u brze tokove elektrona, čija je energija velika. više tema temperature plazma korone (tzv. epitermalni elektroni). To se može dogoditi i zbog rezonantne apsorpcije i zbog parametarskih učinaka u plazma koroni. U tom slučaju, duljina puta epitermalnih elektrona može se pokazati usporedivom s dimenzijama mete, što će dovesti do prethodnog zagrijavanja kompresibilnog goriva i nemogućnosti postizanja graničnih kompresija. Visokoenergetski kvanti x-zraka (tvrde x-zrake) koji prate epitermalne elektrone također imaju veliku prodornu moć.

Trend eksperimentalnih istraživanja posljednjih godina je prijelaz na korištenje kratkovalnog laserskog zračenja (l< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). praktična prilika prijelaz na zagrijavanje plazme zračenjem kratke valne duljine posljedica je činjenice da se koeficijenti pretvorbe zračenja iz čvrstog neodimijskog lasera (glavnog kandidata za pokretače laserske termonuklearne fuzije) valne duljine l = 1,06 μm u zračenje drugog , treći i četvrti harmonik uz pomoć nelinearnih kristala doseže 70 -80%. Trenutno su gotovo svi veliki laserski sustavi od neodim stakla opremljeni sustavima za množenje frekvencije. Fizički razlog prednosti korištenja zračenja kratkih valnih duljina za zagrijavanje i komprimiranje mikrosfera je taj što se smanjivanjem valne duljine povećava apsorpcija u plazma koroni i povećavaju ablacijski tlak i hidrodinamički koeficijent prijenosa. Udio epitermalnih elektrona generiranih u plazma koroni smanjuje se za nekoliko redova veličine, što je izuzetno povoljno i za izravne i neizravne režime kompresije. Za neizravnu kompresiju također je važno da se smanjenjem valne duljine povećava pretvorba energije koju apsorbira plazma u meko rendgensko zračenje. Zadržimo se sada na načinu neizravne kompresije. Fizička analiza pokazuje da je implementacija načina kompresije na visoke gustoće goriva optimalna za jednostavne i složene granate s omjerom R/DR od nekoliko desetina. Ovdje je R polumjer ljuske, DR je njegova debljina. Međutim, jaka kompresija može biti ograničena razvojem hidrodinamičkih nestabilnosti, koje se očituju u odstupanju gibanja ljuske u fazama njenog ubrzanja i usporavanja u središtu od sferne simetrije i ovise o odstupanjima početnog oblika mete od savršeno sferičnu, nehomogenu distribuciju upadnih laserskih zraka po njegovoj površini. Razvoj nestabilnosti pri kretanju ljuske prema središtu dovodi najprije do odstupanja gibanja od sferno simetričnog, zatim do turbulencije strujanja i konačno do miješanja ciljnih slojeva i deuterij-tricij goriva. Kao rezultat toga, može se pojaviti formacija u konačnom stanju, čiji se oblik oštro razlikuje od sferne jezgre, a prosječna gustoća i temperatura su mnogo niže od vrijednosti koje odgovaraju jednodimenzionalnoj kompresiji. U tom slučaju, početna struktura mete (na primjer, određeni skup slojeva) može biti potpuno uništena. Fizička priroda ove vrste nestabilnosti je ekvivalentna nestabilnosti sloja žive koji se nalazi na površini vode u gravitacijskom polju. U ovom slučaju, kao što je poznato, dolazi do potpunog miješanja žive i vode, odnosno, u konačnom stanju, živa će biti na dnu. Slična situacija može se dogoditi kada se meta složene strukture brzo pomiče prema središtu tvari, ili u općem slučaju u prisutnosti gradijenata gustoće i tlaka. Zahtjevi za kvalitetu meta su prilično strogi. Dakle, nehomogenost debljine stijenke mikrosfere ne smije biti veća od 1%, ujednačenost raspodjele apsorpcije energije na ciljnoj površini ne smije biti veća od 0,5%. Prijedlog za korištenje sheme neizravne kompresije upravo se odnosi na mogućnost rješavanja problema stabilnosti ciljne kompresije. kružni dijagram eksperiment u načinu neizravne kompresije prikazan je na sl. 3. Lasersko zračenje se uvodi u šupljinu (hohlraum), fokusirajući se na unutarnju površinu vanjske ljuske, koja se sastoji od tvari s visokim atomskim brojem, poput zlata. Kao što je već napomenuto, do 80% apsorbirane energije pretvara se u meko rendgensko zračenje, koje zagrijava i komprimira unutarnju ljusku. Prednosti takve sheme uključuju mogućnost postizanja veće ujednačenosti raspodjele apsorbirane energije po površini cilja, pojednostavljenje laserske sheme i uvjeta fokusiranja i sl. Međutim, postoje i nedostaci povezani s gubitkom energije za pretvorbu u X-zrake i složenošću uvođenja zračenja u šupljinu. Kakvo je trenutno stanje istraživanja laserske fuzije? Eksperimenti za postizanje visoke gustoće stlačivog goriva u režimu izravnog kompresije započeli su sredinom 1970-ih na V.I. P.N. Lebedev, gdje je na postrojenju Kalmar postignuta gustoća stišljivog deuterija © 10 g/cm3 s energijom E = 200 J. Nakon toga, programi rada na LTS-u aktivno su se razvijali u SAD-u (postrojenja Shiva i Nova u Livermore National Laboratory, Omega na Sveučilištu Rochester), Japanu (Gekko-12), Rusiji (Delphin u FIAN-u, Iskra-4", " Iskra-5" u Arzamasu-16) na razini laserske energije od 1-100 kJ. Detaljno se proučavaju svi aspekti zagrijavanja i kompresije ciljeva različitih konfiguracija u načinu izravnog i neizravnog kompresije. Tlak ablacije od ~100 Mbar i brzina kolapsa mikrosfere od V > 200 km/s postižu se pri vrijednostima hidrodinamičke učinkovitosti od oko 10%. Napredak u razvoju laserskih sustava i ciljnih struktura omogućio je da se osigura stupanj ujednačenosti zračenja kompresibilne ljuske od 1-2% i pod izravnom i neizravnom kompresijom. U oba su režima postignute gustoće komprimirani plin 20-40 g/cm3, a na instalaciji Gekko-12 gustoća komprimirane ljuske iznosila je 600 g/cm3. Maksimalni prinos neutrona N = 1014 neutrona po eksploziji.

ZAKLJUČAK

Dakle, ukupnost dobivenih eksperimentalnih rezultata i njihova analiza upućuju na praktičnu izvedivost sljedeće faze u razvoju laserske termonuklearne fuzije - postizanje gustoće plina deuterij-tricij od 200-300 g/cm 1 MJ (vidi sl. 4 i ).

Trenutačno se baza elemenata intenzivno razvija i izrađuju se projekti za laserske instalacije na razini megadžula. U laboratoriju Livermore započela je izrada instalacije na neodim staklu s energijom E = 1,8 MJ. Trošak projekta je 2 milijarde dolara. U Francuskoj se planira izrada instalacije slične razine. Planirano je da se ovim postrojenjem postigne energetski dobitak Q ~ 100. Valja reći da će pokretanje postrojenja ovog razmjera ne samo donijeti mogućnost stvaranja termonuklearnog reaktora temeljenog na laserskoj fuziji, već će istraživačima pružiti i jedinstvenu fizičku objekt - mikroeksplozija s oslobađanjem energije 107-109 J, snažan izvor neutrona, neutrina, x-zraka i g-zračenja. To neće biti samo od velike opće fizičke važnosti (sposobnost proučavanja tvari u ekstremnim stanjima, fizika izgaranja, jednadžba stanja, laserski efekti, itd.), već će također omogućiti rješavanje posebnih problema primijenjenih , uključujući vojnu, prirodu.

Za reaktor koji se temelji na laserskoj fuziji, međutim, potrebno je stvoriti laser na razini megadžula koji radi brzinom ponavljanja od nekoliko herca. Brojni laboratoriji istražuju mogućnost stvaranja takvih sustava na temelju novih kristala. Lansiranje eksperimentalnog reaktora po američkom programu planirano je za 2025. godinu.

Neki optimisti kažu da će inovativni projekti koji koriste moderne supravodiče uskoro omogućiti kontroliranu termonuklearnu fuziju. Stručnjaci, međutim, predviđaju da će praktična primjena trajati nekoliko desetljeća.

Zašto je tako teško?

Energija fuzije smatra se potencijalnim izvorom.To je čista energija atoma. Ali što je to i zašto je to tako teško postići? Prvo morate razumjeti razliku između klasične i termonuklearne fuzije.

Fisija atoma sastoji se u činjenici da se radioaktivni izotopi - uran ili plutonij - cijepaju i pretvaraju u druge visoko radioaktivne izotope, koji se zatim moraju zakopati ili reciklirati.

Sinteza se sastoji u tome da se dva izotopa vodika - deuterij i tricij - spajaju u jednu cjelinu, tvoreći netoksični helij i jedan neutron, bez stvaranja radioaktivnog otpada.

Problem s kontrolom

Reakcije koje se odvijaju na Suncu ili u vodikovoj bombi su termonuklearna fuzija, a inženjeri se suočavaju s zastrašujućim zadatkom – kako kontrolirati taj proces u elektrani?

To je nešto na čemu znanstvenici rade od 1960-ih. Još jedan eksperimentalni fuzijski reaktor nazvan Wendelstein 7-X počeo je s radom u gradu Greifswaldu na sjeveru Njemačke. Još nije dizajniran za stvaranje reakcije - to je samo poseban dizajn koji se testira (stelarator umjesto tokamaka).

visokoenergetska plazma

Sve termonuklearne biljke imaju zajedničko obilježje- u obliku prstena. Temelji se na ideji korištenja snažnih elektromagneta za stvaranje jakog elektromagnetsko polje, koji ima oblik torusa - napuhana komora za bicikl.

Ovo elektromagnetno polje mora biti toliko gusto da kada se zagrije u mikrovalnoj pećnici na milijun stupnjeva Celzija, mora se pojaviti plazma u samom središtu prstena. Zatim se zapali kako bi termonuklearna fuzija mogla započeti.

Demonstracija mogućnosti

U Europi trenutno postoje dvije slični eksperimenti. Jedan od njih je Wendelstein 7-X, koji je nedavno generirao svoju prvu helijevu plazmu. Drugi je ITER, veliko eksperimentalno fuzijsko postrojenje na jugu Francuske koje je još u izgradnji i koje će biti spremno za rad 2023. godine.

Očekuje se da će se na ITER-u odvijati prave nuklearne reakcije, ali samo u kratkom vremenskom razdoblju i svakako ne dulje od 60 minuta. Ovaj reaktor samo je jedan od mnogih koraka na putu da nuklearnu fuziju postane stvarnost.

Fuzijski reaktor: manji i snažniji

Nedavno je nekoliko dizajnera najavilo novi dizajn reaktora. Prema riječima grupe studenata s Massachusetts Institute of Technology, kao i predstavnika tvrtke za oružje Lockheed Martin, fuziju je moguće provesti u objektima koji su puno moćniji i manji od ITER-a, a spremni su to učiniti u roku od deset godine.

Ideja novog dizajna je korištenje modernih visokotemperaturnih supravodiča u elektromagnetima, koji svoja svojstva pokazuju kada se hlade tekućim dušikom, a ne konvencionalnih, za koje je potrebna nova, fleksibilnija tehnologija koja će u potpunosti promijeniti dizajn reaktor.

Klaus Hesch, koji je zadužen za tehnologiju na Tehnološkom institutu Karlsruhe u jugozapadnoj Njemačkoj, skeptičan je. Podržava korištenje novih visokotemperaturnih supravodiča za nove dizajne reaktora. No, prema njegovim riječima, razviti nešto na računalu, uzimajući u obzir zakone fizike, nije dovoljno. Potrebno je uzeti u obzir izazove koji se javljaju prilikom provedbe ideje u praksi.

Znanstvena fantastika

Prema Heshu, studentski model MIT-a pokazuje samo mogućnost projekta. Ali to je zapravo mnogo znanstvene fantastike. Projekt pretpostavlja da je ozbiljan tehnički problemi riješena termonuklearna fuzija. Ali moderna znanost nema pojma kako ih riješiti.

Jedan od takvih problema je ideja sklopivih zavojnica. Elektromagneti se mogu rastaviti kako bi ušli u prsten koji drži plazmu u modelu MIT dizajna.

Ovo bi bilo vrlo korisno jer bi se moglo pristupiti objektima tijekom unutarnji sustav i zamijeniti ih. Ali u stvarnosti, supravodnici su napravljeni od keramički materijal. Stotine njih moraju biti isprepletene na sofisticiran način kako bi se stvorilo ispravno magnetsko polje. I tu nastaju temeljnije poteškoće: veze među njima nisu tako jednostavne kao veze bakreni kabeli. Nitko nije ni smislio koncepte koji bi pomogli u rješavanju takvih problema.

prevruć

Problem je i visoka temperatura. U jezgri fuzijske plazme temperatura će doseći oko 150 milijuna stupnjeva Celzija. Ova ekstremna toplina ostaje na mjestu – točno u središtu ioniziranog plina. Ali čak i oko njega još uvijek je jako vruće - od 500 do 700 stupnjeva u zoni reaktora, što je unutarnji sloj metalne cijevi u kojoj će se "reproducirati" tricij neophodan za nuklearnu fuziju.

Ima više veliki problem- takozvano oslobađanje moći. To je dio sustava koji dobiva iskorišteno gorivo iz procesa fuzije, uglavnom helij. Prve metalne komponente u koje ulazi vrući plin nazivaju se "divertor". Može se zagrijati do preko 2000°C.

Problem s diverterom

Kako bi instalacija izdržala takve temperature, inženjeri pokušavaju koristiti metalni volfram koji se koristi u staromodnim žaruljama sa žarnom niti. Talište volframa je oko 3000 stupnjeva. Ali postoje i druga ograničenja.

U ITER-u se to može učiniti, jer se zagrijavanje u njemu ne događa stalno. Pretpostavlja se da će reaktor raditi samo 1-3% vremena. Ali to nije opcija za elektranu koja treba raditi 24 sata dnevno. A, ako netko tvrdi da može izgraditi manji reaktor iste snage kao ITER, slobodno se može reći da nema rješenje za problem divertora.

Elektrana za nekoliko desetljeća

Ipak, znanstvenici su optimistični u pogledu razvoja termonuklearnih reaktora, iako neće biti tako brz kako neki entuzijasti predviđaju.

ITER bi trebao pokazati da kontrolirana fuzija zapravo može proizvesti više energije nego što bi se potrošila na zagrijavanje plazme. Sljedeći korak je izgradnja potpuno nove hibridne demonstracijske elektrane koja zapravo proizvodi električnu energiju.

Inženjeri već rade na njegovom dizajnu. Morat će učiti od ITER-a koji bi trebao biti pušten u pogon 2023. S obzirom na vrijeme potrebno za projektiranje, planiranje i izgradnju, čini se malo vjerojatnim da će prva fuzijska elektrana biti puštena u pogon puno ranije od sredine 21. stoljeća.

Cold Fusion Rossi

Godine 2014., neovisno ispitivanje reaktora E-Cat zaključilo je da je uređaj u prosjeku imao izlaznu snagu od 2800 vata u razdoblju od 32 dana uz potrošnju od 900 vata. To je više nego što je bilo koja kemijska reakcija sposobna izolirati. Rezultat govori ili o proboju u termonuklearnoj fuziji, ili o otvorenoj prijevari. Izvješće je razočaralo skeptike, koji sumnjaju da je test doista neovisan i sugeriraju moguće krivotvorenje rezultata testa. Drugi su bili zauzeti otkrivanjem "tajnih sastojaka" koji omogućuju Rossijevoj fuziji da replicira tehnologiju.

Rossi je prevarant?

Andrea je impozantna. On objavljuje proglase svijetu na jedinstvenom engleskom jeziku u odjeljku komentara na svojoj web stranici, pretenciozno nazvanom "Journal nuklearna fizika". Ali njegovi prethodni neuspjeli pokušaji uključivali su talijanski projekt pretvaranja otpada u gorivo i termoelektrični generator. Petroldragon, projekt pretvaranja otpada u energiju, djelomično je propao jer ilegalno odlaganje otpada kontrolira talijanski organizirani kriminal, koji je protiv njega podnio kaznenu prijavu zbog kršenja propisa o gospodarenju otpadom. Također je stvorio termoelektrični uređaj za Inženjerski zbor američke vojske, ali tijekom testiranja gadget je proizveo samo djelić deklarirane snage.

Mnogi ne vjeruju Rossiju, a glavni urednik New Energy Timesa otvoreno ga je nazvao kriminalcem iza kojeg stoji niz propalih energetskih projekata.

Neovisna provjera

Rossi je potpisao ugovor s američkom tvrtkom Industrial Heat za provođenje jednogodišnjeg tajnog ispitivanja postrojenja za hladnu fuziju od 1 MW. Uređaj je bio transportni kontejner prepun desetaka E-Mačaka. Eksperiment je morala kontrolirati treća strana koja je mogla potvrditi da se stvaranje topline doista događa. Rossi tvrdi da je veći dio prošle godine proveo praktički živeći u kontejneru i nadgledajući operacije više od 16 sati dnevno kako bi dokazao komercijalnu održivost E-Cata.

Test je završio u ožujku. Rossijeve pristaše željno su iščekivale izvješće promatrača, nadajući se oslobađajućoj presudi za svog heroja. Ali na kraju su bili tuženi.

Suđenje

U podnesku na sudu u Floridi, Rossi tvrdi da je test bio uspješan i da je neovisni arbitar potvrdio da reaktor E-Cat proizvodi šest puta više energije nego što troši. Također je tvrdio da mu je Industrial Heat pristao platiti 100 milijuna dolara - 11,5 milijuna unaprijed nakon 24-satnog suđenja (navodno zbog prava na licenciranje kako bi tvrtka mogla prodati tehnologiju u SAD-u) i još 89 milijuna dolara nakon uspješnog završetka produženog suđenja u roku od 350 dana. Rossi je optužio IH da vodi "prijevarnu shemu" za krađu njegovog intelektualnog vlasništva. Također je optužio tvrtku za pronevjeru reaktora E-Cat, ilegalno kopiranje inovativne tehnologije i proizvoda, značajki i dizajna te neprikladno pokušava dobiti patent za svoje intelektualno vlasništvo.

Rudnik zlata

Na drugom mjestu, Rossi tvrdi da je u jednoj od svojih demonstracija IH dobio 50-60 milijuna dolara od investitora i još 200 milijuna dolara od Kine nakon ponavljanja u kojem su sudjelovali najviši kineski dužnosnici. Ako je to istina, onda je u igri puno više od sto milijuna dolara. Industrial Heat odbacio je ove tvrdnje kao neutemeljene i aktivno će se braniti. Što je još važnije, ona tvrdi da je “više od tri godine radila na potvrdi rezultata koje je Rossi navodno postigao svojom E-Cat tehnologijom, a sve bez uspjeha”.

IH ne vjeruje u E-Cat, a New Energy Times ne vidi razloga sumnjati u to. U lipnju 2011. predstavnik publikacije posjetio je Italiju, intervjuirao Rossija i snimio demonstraciju njegovog E-Cata. Dan kasnije izvijestio je o svojoj ozbiljnoj zabrinutosti oko metode mjerenja toplinske snage. Nakon 6 dana, novinar je svoj video objavio na YouTubeu. Stručnjaci iz cijelog svijeta poslali su mu analize koje su objavljene u srpnju. Postalo je jasno da je riječ o prijevari.

Eksperimentalna potvrda

Ipak, brojni istraživači - Alexander Parhomov sa Sveučilišta prijateljstva Rusije i Memorijalni projekt Martina Fleishmana (MFPM) - uspjeli su replicirati rusku hladnu fuziju. Izvješće MFPM-a nosilo je naslov "Kraj ugljične ere je blizu". Razlog za takvo divljenje bilo je otkriće, koje se ne može objasniti drugačije osim termonuklearnom reakcijom. Prema istraživačima, Rossi ima upravo ono o čemu govori.

Izvediv otvoreni recept za hladnu fuziju mogao bi izazvati energetsku zlatnu groznicu. Mogu se pronaći alternativne metode koje bi zaobišle ​​Rossijeve patente i spriječile ga da se upusti u energetski biznis vrijedan više milijardi dolara.

Stoga bi Rossi možda radije izbjegao ovu potvrdu.

Nevjerojatno optimističnu prognozu za blisku budućnost donosi portal Dobre vijesti Rusije. Štoviše, ne tiče se samo naše zemlje, već i ostatka svijeta:

Revolucije su društveno-političke (socijalističke, buržoaske, obojene), a postoje znanstvene i tehničke (NTR). Energetska revolucija je svojevrsna znanstvena i tehnološka revolucija.

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

Koja je energetska revolucija na čijem pragu stoji naš svijet?

Kakva nas revolucija na području energetike čeka? Koja je kvalitativna promjena? Kakav će biti iskorak u razvoju i kako će se dogoditi?

svi moderni pogledi energetski inženjeri imaju razne nedostatke, od kojih su većina ili visoka cijena (instalacije, priključci, kilovati) ili niska dostupnost.

Svatko tko se ikada bavio spajanjem na mrežu zna da ima puno problema i da pristupačnost ostavlja mnogo da se poželi. Da, i trošak također.

Plin je jedan od najjeftinijih i ekološki najprihvatljivijih čiste vrste gorivo - ne provodi se svugdje. Povlačenje plinovoda do udaljenih naselja vrlo je skupo. Ukapljeni plin je skup. Plinski kotao također košta puno. Kupiti plinska boca i nije teško spojiti se na peć, međutim grijanje i opskrba kuće strujom kupnjom bojlera nije riješeno. Osim toga, plin je eksplozivan.

Dizel, loživo ulje - za korištenje u kotlovnicama (generatorima) čak je skuplje od plina. Za korištenje u osobnim (s pola radnog vremena) poljoprivrednim gospodarstvima možete staviti generator, ali izlazna električna energija će se pokazati prilično skupom. A generator također košta.

Hidroenergija zahtijeva izgradnju hidroelektrana – to su veliki kapitalni troškovi. A operacija je također daleko od besplatne. I nije dostupan svugdje. I nuspojave okoliša. Sve u svemu, daleko je od savršenog. Nije prikladno za male generacije.

Nuklearna energija je povezana s rizikom od nesreća (Černobil, Fukušima), a koliko god smo uvjereni da su moderne nuklearne elektrane apsolutno pouzdane, još uvijek nije baš ugodno živjeti pored nuklearne elektrane. Osim toga, nuklearne elektrane generiraju istrošeno gorivo, a ono je radioaktivno, treba ga negdje pohraniti, po mogućnosti na sigurnom mjestu kako ne bi došlo do curenja. A izgradnja nuklearne elektrane opet je veliki kapitalni trošak. Male nuklearne elektrane ne postoje i ne mogu postojati, barem iz sigurnosnih razloga.

Sunčeva energija je skupa i nije uvijek učinkovita na temelju broja sunčanih dana u godini. Pogodan je za opskrbu energijom udaljenih naselja i samostojećih kuća u sunčanim krajevima, ali tamo gdje je potrebna velika snaga i malo sunčanih dana nije prikladan.

Generacija vjetra se postupno razvija, veličina i snaga generatora rastu, cijena energije se smanjuje, ali ni ova vrsta energije ne može se nazvati lijekom za panaceju. Nije baš jeftino i nije baš stabilno. I ne vrijedi svugdje.

Još ne postoji idealan izvor energije

Neki su skupi, drugi nisu svugdje dostupni, treći su opasni. I svi su jako ograničeni u smislu kapaciteta, ne dopuštaju proizvoljno povećanje potrošnje po potrebi – dodatni gorivi elementi ne mogu se ubaciti u nuklearne elektrane iznad projektnog kapaciteta, plinovod se ne može proširiti, a nekoliko hidroelektranama se ne mogu dodavati dodatne turbine.

Općenito, čvrsta ograničenja...

Živopisan primjer nedostataka moderne energije je priča o Krimu, kada se poluotok suočio s nestašicom energije koja se nije mogla brzo nadoknaditi. Nije bilo dovoljno generatora, nije bilo moguće brzo izgraditi plinsku elektranu, čak ni kabel razvući preko tjesnaca - a to je oduzimalo značajno vrijeme.

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

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

Industrijska oprema radi na struju, peći na plin ili opet na struju, trošak željezničkog prijevoza uključuje i trošak električne energije. Trošak usluga autoprijevoza uključuje trošak goriva.

Računi za režije gotovo se u cijelosti sastoje od troškova energije – struje, tople vode, grijanja – sve je to energija. Pa čak i trošak hladna voda ovisi o cijeni energije, jer vodu crpe električne pumpe.

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

Udio energije i goriva u troškovima raznih dobara i usluga uvelike varira, ali je gotovo svugdje prilično visok, s obzirom na troškove energije u svim fazama proizvodnje, od ekstrakcije, pročišćavanja i prerade sirovina.

Stoga želim da energija bude i jeftinija i pristupačnija.

Volio bih da je skalabilnost visoka - od kilovata do gigavata, kako bi se moglo osigurati veliki grad jeftinom energijom i malo selo, pa čak i zasebno stajaća kuća. I tako da djeluje posvuda, bez obzira na broj sunčanih dana u godini, prisutnost vjetra, rijeka, terena i drugih prirodnih čimbenika. I da gorivo bude dostupno. I biti ekološki prihvatljiv.

Ali je li moguće?

Postoji li takav izvor energije koji zadovoljava sve gore navedene kriterije (dostupnost, skalabilnost, niska cijena instalacija i rad, ekološka prihvatljivost)?

Danas na tržištu ne postoji takav izvor.

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

U bliskoj budućnosti bit će novi izvor energije

Izvor koji će imati i visoku skalabilnost (od kilovata do gigavata), i mogućnost široke instalacije (od velikih gradova i industrijskih objekata do malih mjesta i pojedinačnih kuća), i ekološku prihvatljivost i nisku cijenu primljene energije ( nekoliko puta ili čak nekoliko deset puta jeftinije od svih postojećih).

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

Svako poduzeće će si moći priuštiti instalaciju vlastite elektrane koja proizvodi jeftiniju energiju nego što je trenutno dostupna u bilo kojoj mreži.

Za gradnju sela ili novog stambenog naselja neće biti potrebno postići preusmjeravanje struje iz postojećih hidroelektrana, termoelektrana ili nuklearnih elektrana - bit će moguće ugraditi vlastiti agregat.

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

Energetska revolucija sa sobom će donijeti velike promjene na svim drugim područjima, možda i revolucionarne.

Slijedom energetskog sektora mijenjat će se i struktura gospodarstva, a nakon gospodarstva mijenjat će se i društveno-politička struktura.

Ali koji će novi izvor energije dovesti do globalne energetske revolucije i svih promjena koje iz nje slijede?

Odakle će jeftini kilovati, megavati i gigavati na bilo kojem mjestu i količini, pa i uz uvjet čistoće okoliša?

Energija nuklearne fuzije

Postojeći danas nuklearna elektrana temelji se na reakcijama fisije teških radioaktivnih elemenata (izotopi urana koriste se u radu nuklearnih elektrana). To je razlog visoke složenosti i cijene. nuklearne elektrane, teške posljedice nesreća, kao i problemi s istrošenim gorivom.

Radioaktivno gorivo je teško i skupo za proizvodnju, korištenje i odlaganje. Visoki troškovi i rizici utječu na cijenu primljene energije i ne dopuštaju gradnju malih nuklearnih elektrana bilo gdje i posvuda, prebacujući ih u pogon neobučenom i nekontroliranom osoblju.

No, uz reakcije fisije, postoje i fuzijske reakcije koje daju puno veći energetski prinos, a pritom se na izlazu ne stvaraju radioaktivni izotopi, što znači da nema problema s istrošenim gorivom.

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

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

Energetska revolucija povezana s razvojem tehnologije nuklearne fuzije očekivala se krajem prošlog stoljeća – čekali su, ali nikad nisu.

Prije otprilike pola stoljeća počeli su se pokušaji pokrenuti nuklearnu fuziju i time cijeli svijet osigurati čistom i praktički neiscrpnom energijom (1 gram sintetizirane tvari daje više energije od 100 litara benzina, unatoč činjenici da sve potencijalno može biti gorivo u fuziji reakcije, uključujući običnu vodu).

Međutim, pokušaji pokretanja fuzijskih reakcija u praksi su naišli na Coulombovu barijeru, koju se pokazalo vrlo teško prevladatima.

Coulombova barijera je odbojna sila atomskih jezgri, koja sprječava njihovu fuziju (sintezu). Upravo zbog Coulombove barijere nuklearna fuzija ne ide okolo i posvuda sama. Bez ove barijere sva bi se materija odavno pretvorila u željezo i niz drugih teških elemenata.

Zbog iste Coulombove barijere, termonuklearna eksplozija ne može izazvati lančanu reakciju tijekom koje bi cijeli planet izgorio. U termonuklearnoj eksploziji nuklearna fuzija se događa samo u volumenu materije koji je bio "zapaljen" u trenutku eksplozije prvog stupnja, a to je konvencionalni fisijski nuklearni naboj.

Pola stoljeća, otkako su se pojavile ideje o korištenju reakcija nuklearne fuzije u nacionalna ekonomija, pokušaji stvaranja energije sinteze stabilno su se srušili na ovu istu Coulombovu barijeru.

Tokamaci (vrsta fuzijskih reaktora) građeni su (i nastavljaju se graditi) jedan više od drugog, međutim, pozitivan izlaz energije koji bi premašio troškove zagrijavanja i držanja visokotemperaturne plazme unutar magnetske krafne (torus, dakle naziv - tokamak, toroidna magnetska zavojnica) - kako nije bilo, nije. I ima razloga vjerovati da nikada neće.

Ali ako su se svi pokušaji pokretanja energetski učinkovite nuklearne fuzije do sada srušili na Coulombovu barijeru, ako tokamaci još nisu dali pozitivnu energiju i ne zna se hoće li je ikada dati, odakle dolazi prognoza skore energetske revolucije iz?

LENR ili LENR - nuklearna fuzija niske energije

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

Zaključak je da se nuklearna fuzija može odvijati ne samo u visokotemperaturnoj plazmi, već i pod drugim uvjetima, posebno uz snažno električno pražnjenje, u kojem jezgre atoma dobivaju dovoljnu energiju za fuziju (dakle, nije točno da ovu fuziju nazovemo hladnom, energijom koja se prenosi česticama ovaj slučaj ne manje nego u visokotemperaturnoj plazmi). Otkriveni su i drugi uvjeti pod kojima se odvija “topla” nuklearna fuzija – na temperaturama “ispod plazme, ali iznad sobne”.

Dugo vremena akademska znanost nije prepoznavala samu mogućnost nuklearne fuzije pod bilo kojim drugim uvjetima osim visokotemperaturne plazme. Iznimka je napravljena za "mezonsku katalizu", u kojoj fuzija nije zahtijevala zagrijavanje tvari, ali nije bila energetski isplativa, jer je trošak dobivanja mezona veći od prinosa energije fuzije.

Brojni znanstvenici koji su provodili istraživanja u području niskoenergetske fuzije (LENR) oštro su kritizirani od strane akademske zajednice, proglašeni su "alkemičarima", a neki su čak i otpušteni iz svojih instituta "zbog hereze".

No, koliko god "pravovjerci iz fizike" tvrdili da se nuklearna fuzija ne može odvijati pri niskim energijama, jer se ni to ne može - istraživanja na ovom području su se nastavila, pridružila su im se i nova. znanstveni centri, financiranje je raslo, eksperimentalna baza rasla i ... na kraju se pokazalo da je nemoguće još uvijek moguće te se nuklearna fuzija odvija ne samo u visokotemperaturnoj plazmi, već i pod drugim uvjetima i stanjima materije.

Iza posljednjih godina niz eksperimenata o provedbi "tople" fuzije i sinteze u električnim pražnjenjima ponavljali su različiti neovisni istraživačke skupine, za postizanje stabilnog ponovljivog učinka i, što je najvažnije, za postizanje pozitivnog energetskog prinosa, koji se pokazao većim nego kod reakcija fisije urana (kao što bi i trebao biti, jer su reakcije fuzije energetski snažnije od reakcija fisije).

Osim toga, odjednom je razvijeno nekoliko teorija koje objašnjavaju kako točno jezgre atoma uspijevaju prevladati tvrdoglavu Coulombovu barijeru i zašto se to događa pod strogo definiranim uvjetima.

U znanstvenoj zajednici još uvijek nema konsenzusa koja je od teorija točna. Ima i onih koji i dalje tvrdoglavo ponavljaju "ovo ne može biti, jer to nikako ne može biti". No, prepoznavanje činjenica je neizbježno, kao i usavršavanje teorijske osnove na jedinstveno stanje priznato od strane znanstvene zajednice.

Kulonova barijera je prevladana

Coulombova barijera je prevladana u svakom smislu, a sada je pojava nuklearnih reaktora koji rade na principima fuzije prvenstveno inženjerski zadatak i pitanje vremena.

Naravno, do pojave industrijskih nuklearnih fuzijskih reaktora može proći još mnogo godina. Možda čak i nekoliko desetljeća. Put od pilot postrojenja do industrijskog dizajna nije uvijek lak. I znanost se mora osvijestiti konsenzus na fizičke temelje ove reakcije, bez toga će proces implementacije biti snažno zaustavljen.

Kao primjer možemo se prisjetiti povijesti izgradnje helikoptera. Prvi eksperimentalni helikopteri pojavili su se početkom 20. stoljeća, ali su bili opasni, nestabilni i neučinkoviti. Samo nekoliko desetljeća kasnije, nakon Drugoga svjetskog rata, bilo je moguće razviti pouzdane i uistinu učinkovite helikoptere, pustiti ih u proizvodnju i od eksperimentalnih modela pretvoriti u industrijske.

Vjerojatno će i nuklearni fuzijski reaktori ići istim putem – od eksperimentalnih postrojenja koja danas rade do industrijske opreme koja će se početi proizvoditi za 10-20 godina.

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

Prototipovi nam omogućuju da zaključimo da će fuzijski reaktori biti vrlo skalabilni - minimalna efektivna snaga počet će od nekoliko kilovata, a pogonska jedinica ove snage može biti veličine jedinice računalnog sustava. Cijena instalacije po kilovatu snage bit će niža od svih postojećih generatora. Trošak goriva (naplata) bit će zanemariv zbog korištenja sveprisutne tvari.

Navedite istraživače i eksperimentalne objekte na kojima je postignut učinak nuklearne fuzije, u ovaj materijal Neću, jer zaslužuju posebnu recenziju koju ću pripremiti i dodatno objaviti.

Za sada ću samo naznačiti zemlje u kojima su provedene studije i dobiveni pozitivni rezultati - to su Rusija, Japan, Italija i Sjedinjene Američke Države. Istodobno, prvo je postrojenje za nuklearnu fuziju, očito, stvoreno još u SSSR-u, ali projekt nije dobio pravovremeni razvoj i bio je zatvoren.

Posebno je važno da su znanstvenici iz Kine uspjeli reproducirati učinak nuklearne fuzije, a ako je nešto reproducirano u Kini, onda se pojava industrijskog dizajna ne može zaustaviti.

Energija nuklearne fuzije pretvara se iz fantazije u stvarnost.

Svijet je na rubu energetske revolucije koja se ne može otkazati.

Da ne poništavamo sve druge revolucije koje će slijediti onu energetsku, jer energija je temelj svega – proizvodnje, transporta, održavanja života, temelj cjelokupne ekonomije. A gospodarstvo je temelj politike i društvenog poretka. Stoga će energetsku revoluciju pratiti i svi ostali, do društveno-političkih.

je proces u kojem se dvije atomske jezgre spajaju u jednu težu jezgru. Ovaj proces obično je popraćen oslobađanjem energije. Nuklearna fuzija je izvor energije u zvijezdama i hidrogenskoj bombi.
Da bi se atomske jezgre približile dovoljno da dođe do nuklearne reakcije, čak i za najlakši element, vodik, potrebna je vrlo značajna količina energije. Ali, u slučaju lakih jezgri, kao rezultat sjedinjavanja dviju jezgara kako bi se formirala teža jezgra, oslobađa se mnogo više energije nego što je potrebno za prevladavanje Coulombove odbijanja između njih. Zahvaljujući tome, nuklearna fuzija je vrlo obećavajući izvor energije i jedno je od glavnih područja istraživanja u suvremenoj znanosti.
Količina energije koja se oslobađa u većini nuklearnih reakcija mnogo je veća nego u kemijskim reakcijama, budući da je energija vezanja nukleona u jezgri mnogo veća od energije vezanja elektrona u atomu. Na primjer, energija ionizacije koja proizlazi iz vezanja elektrona na proton kako bi se formirao atom vodika je 13,6 elektron-volti - manje od milijuntog dijela od 17 MeV koji se oslobađa reakcijom deuterija s tricijem, što je opisano u nastavku.
U atomskoj jezgri djeluju dvije vrste interakcije: jaka sila, koja drži protone i neutrone zajedno, i mnogo slabija elektrostatička odbojnost između jednako nabijenih protona jezgre, pokušava razbiti jezgru. Snažna interakcija očituje se samo na vrlo malim udaljenostima između protona i neutrona, koji se nalaze u neposrednoj blizini jedan drugog. To također znači da su protoni i neutroni na površini jezgre slabiji od protona i neutrona unutar jezgre. Umjesto toga, sila elektrostatičkog odbijanja djeluje na bilo kojoj udaljenosti i obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti između naboja, to jest, svaki proton u jezgri je u interakciji s svaki još jedan proton u jezgri. To dovodi do činjenice da se s povećanjem veličine jezgre sile koje drže jezgru povećavaju do određenog atomskog broja (atom željeza), a zatim počinju slabiti. Počevši od urana, energija vezanja postaje negativna, a jezgre teških elemenata postaju nestabilne.
Dakle, da bi se izvela reakcija nuklearne fuzije, potrebno je utrošiti određenu energiju za prevladavanje sile elektrostatičkog odbijanja između dvije atomske jezgre i dovesti ih na distancu gdje se počinje javljati snažna interakcija. Energija potrebna za prevladavanje sile elektrostatičkog odbijanja naziva se Coulombova barijera.
Coulombova barijera je niska za izotope vodika jer imaju samo jedan proton u jezgri. Za DT smjesu, rezultirajuća energetska barijera je 0,1 MeV. Za usporedbu, potrebno je samo 13 eV za uklanjanje elektrona s atoma vodika, što je 7500 puta manje. Kada je reakcija fuzije završena, nova jezgra prelazi na nižu energetsku razinu i oslobađa dodatnu energiju, emitirajući neutron s energijom od 17,59 MeV, što je znatno više nego što je potrebno za početak reakcije. To jest, DT fuzijska reakcija je vrlo egzotermna i izvor je energije.
Ako je jezgra dio plazme blizu stanja toplinske ravnoteže, reakcija fuzije naziva se termonuklearna fuzija. Budući da je temperatura mjera prosječne kinetičke energije čestica, zagrijavanje plazme može pružiti jezgri dovoljno energije za prevladavanje barijere od 0,1 MeV. Pretvaranjem eV u Kelvin dobivamo temperature iznad 1 GK, što je izuzetno visoka temperatura.
Postoje, međutim, dva fenomena koji omogućuju smanjenje potrebne temperature reakcije. Prvo, reflektirajuća temperatura sredina kinetička energija, tj. čak i pri niskim temperaturama od ekvivalentnih 0,1 MeV, neke će jezgre imati energije mnogo veće od 0,1 MeV, ostale će imati mnogo nižu energiju. Drugo, treba uzeti u obzir fenomen kvantnog tuneliranja, kada jezgre prevladaju Coulombovu barijeru, imajući nedovoljnu energiju. To omogućuje dobivanje (sporih) fuzijskih reakcija pri niskim temperaturama.
Koncept je važan za razumijevanje reakcije fuzije presjek reakcije?: mjere vjerojatnosti reakcije fuzije kao funkcije relativne brzine dviju jezgri koje djeluju. Za reakciju termonuklearne fuzije prikladnije je uzeti u obzir prosječnu vrijednost distribucije umnoška poprečnog presjeka i nuklearne brzine. Koristeći ga, može se zapisati brzina reakcije (fuzije jezgri po volumenu u vremenu) kao

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