W jakich warunkach zachodzi fuzja jądrowa? Fuzja termojądrowa

Z czterech głównych źródeł energii jądrowej tylko dwa zostały obecnie doprowadzone do komercjalizacji: energia rozpad radioaktywny jest wykorzystywany w źródłach prądu, a reakcja łańcuchowa rozszczepienia - w reaktor nuklearny. Trzecim źródłem energii jądrowej jest anihilacja cząstki elementarne dopóki nie opuścił krainy fantazji. Czwartym źródłem jest kontrolowana termo fuzja nuklearna, UTS, jest w porządku obrad. Chociaż to źródło ma mniejszy potencjał niż trzecie, znacznie przewyższa drugie.

Fuzja termojądrowa w warunkach laboratoryjnych jest dość prosta do przeprowadzenia, jednak nie osiągnięto jeszcze reprodukcji energii. Jednakże prace w tym kierunku trwają i rozwijane są techniki radiochemiczne, przede wszystkim technologie wytwarzania paliwa trytowego dla instalacji CTS.

W niniejszym rozdziale omówiono niektóre radiochemiczne aspekty syntezy termojądrowej oraz omówiono perspektywy wykorzystania instalacji do kontrolowanej syntezy jądrowej w energetyce jądrowej.

Kontrolowana fuzja termojądrowa- reakcja fuzji lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, zachodząca w ultrawysokich temperaturach i towarzysząca wyzwoleniu ogromnych ilości energii. W przeciwieństwie do wybuchowej syntezy termojądrowej (stosowanej w bombie wodorowej) jest ona kontrolowana. W głównych reakcjach jądrowych, które planuje się zastosować do kontrolowanej syntezy termojądrowej, stosowane będą -H i 3H, a w dłuższej perspektywie 3He i „B”.

Nadzieje na kontrolowaną syntezę termojądrową wiążą się z dwoma okolicznościami: i) uważa się, że gwiazdy istnieją w wyniku stacjonarnej reakcji termojądrowej oraz 2) niekontrolowany proces termojądrowy można po prostu zrealizować w eksplozji bomby wodorowej. Wydaje się, że nie ma zasadniczej przeszkody w utrzymaniu kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej. Jednak intensywne próby wdrożenia CTS w warunkach laboratoryjnych z uzyskaniem zysków energetycznych zakończyły się całkowitym niepowodzeniem.

Jednak CVT jest obecnie postrzegana jako ważne rozwiązanie technologiczne mające na celu zastąpienie paliw kopalnych w produkcji energii. Globalne zapotrzebowanie na energię, wymagające zwiększenia produkcji energii elektrycznej i wyczerpywania się surowców nieodnawialnych, stymuluje poszukiwanie nowych rozwiązań.

Reaktory termojądrowe wykorzystują energię uwalnianą w wyniku syntezy lekkich jąder atomowych. Napoimeo:

Reakcja syntezy jąder trytu i deuteru jest obiecująca dla kontrolowanej syntezy termojądrowej, ponieważ jej przekrój poprzeczny jest dość duży nawet przy niskich energiach. Reakcja ta zapewnia określoną wartość opałową 3,5-11 J/g. Największy przekrój ma reakcja główna D+T=n+a ot ah=5 stodoła w rezonansie przy energii deuteronu E pSh x= 0,108 MeV, w porównaniu do reakcji D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn; Emaks. = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 stodoła; Emaks. = 2,0 MeV, a także z reakcją 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eota= 0,4 MeV. Ostatnia reakcja uwalnia 18,4 MeV. W reakcji (3) suma energii p+a równa 17,6 MeV, energia powstałych neutronów? „=14,1 MeV; a energia powstałych cząstek alfa wynosi 3,5 MeV. Jeżeli w reakcjach T(d,n)a i :) He(d,p)a rezonanse są dość wąskie, to w reakcjach D(d,n)3He i D(d,p)T rezonanse są bardzo szerokie rezonanse z duże wartości przekroje w obszarze od 1 do 10 MeV i wzrost liniowy od 0,1 MeV do 1 MeV.

Komentarz. Problem z łatwym do zapalenia paliwem DT polega na tym, że tryt nie występuje w naturze i musi być wytwarzany z litu w płaszczu generatorowym reaktora termojądrowego; tryt jest radioaktywny (Ti/2 =12,6 lat), system reaktorów DT zawiera od 10 do 10 kg trytu; 80% energii w reakcji DT jest uwalniane za pomocą neutronów o energii 14 MeV, które indukują sztuczną radioaktywność w strukturach reaktora i powodują uszkodzenia radiacyjne.

Na ryc. Na rysunku 1 przedstawiono zależności energetyczne przekrojów reakcji (1 – h). Wykresy przekrojów reakcji (1) i (2) są praktycznie takie same – wraz ze wzrostem energii zwiększa się przekrój i przy dużych energiach prawdopodobieństwo reakcji ma stałą wartość. Przekrój reakcji (3) najpierw wzrasta, osiągając maksymalnie 10 barów przy energiach rzędu 90 MeV, a następnie maleje wraz ze wzrostem energii.

Ryż. 1. Przekroje poprzeczne niektórych reakcji termojądrowych w funkcji energii cząstek w układzie środka masy: 1 - reakcja jądrowa (3); 2 - reakcje (1) i (2).

Ze względu na duży przekrój rozpraszania podczas bombardowania jąder trytu przyspieszonymi deuteronami, bilans energetyczny procesu syntezy termojądrowej w reakcji D - T może być ujemny, ponieważ Więcej energii zużywa się na przyspieszanie deuteronów, niż jest uwalniane podczas syntezy. Dodatni bilans energetyczny jest możliwy, jeśli bombardujące cząstki po zderzeniu sprężystym będą mogły ponownie wziąć udział w reakcji. Aby pokonać odpychanie elektryczne, jądra muszą mieć duży energia kinetyczna. Warunki te mogą powstać w plazmie wysokotemperaturowej, w której atomy lub cząsteczki znajdują się w stanie całkowicie zjonizowanym. Na przykład reakcja D-T zaczyna zachodzić dopiero w temperaturach powyżej 100 ± 8 K. Tylko w takich temperaturach uwalnia się więcej energii na jednostkę objętości i na jednostkę czasu, niż jest zużywane. Ponieważ jedna reakcja termojądrowa D-T odpowiada za około 105 zwykłych zderzeń jądrowych, problem CTS polega na rozwiązaniu dwóch problemów: ogrzaniu substancji do wymagane temperatury i przytrzymanie go przez czas wystarczający do „spalenia” zauważalnej części paliwa termojądrowego.

Uważa się, że kontrolowaną syntezę termojądrową można przeprowadzić, jeśli spełnione zostanie kryterium Lawsona (m>10'4 s cm-3, gdzie P - gęstość plazmy wysokotemperaturowej, t – czas jej przebywania w układzie).

Gdy to kryterium jest spełnione, energia wydzielona podczas CTS przewyższa energię wprowadzoną do układu.

Plazma musi być utrzymywana w określonej objętości, ponieważ w wolnej przestrzeni plazma natychmiast się rozszerza. Wskutek wysokie temperatury osocza nie można umieścić w zbiorniku z żadnego

materiał. Aby zatrzymać plazmę, konieczne jest użycie pola magnetycznego o dużym natężeniu, które jest wytwarzane za pomocą magnesów nadprzewodzących.

Ryż. 2. Schemat tokamak.

Jeśli nie postawisz sobie za cel uzyskania zysku energetycznego, to w warunkach laboratoryjnych wdrożenie CTS jest dość proste. Aby to zrobić, wystarczy obniżyć ampułkę deuterku litu do kanału dowolnego powolnego reaktora działającego na reakcję rozszczepienia uranu (można użyć litu o naturalnym składzie izotopowym (7% 6 Li), ale lepiej jest, jeśli jest wzbogacony stabilnym izotopem 6 Li). Pod wpływem neutronów termicznych zachodzi następująca reakcja jądrowa:

W wyniku tej reakcji powstają „gorące” atomy trytu. Energia atomu odrzutu trytu (~3 MeV) jest wystarczająca, aby doszło do oddziaływania trytu z deuterem obecnym w LiD:

Metoda ta nie nadaje się do celów energetycznych: koszty energii w procesie przekraczają uwolnioną energię. Dlatego musimy szukać innych opcji wdrożenia CTS, opcji zapewniających duży zysk energetyczny.

Próbują wdrożyć CTS ze wzmocnieniem energii albo w trybie quasi-stacjonarnym (t> 1 s, tg>widzisz „Och, lub w systemach impulsowych (t*io -8 s, n>u 22 cm*w). W pierwszym (tokamak, stellarator, pułapka lustrzana itp.) zamykanie plazmy i izolacja termiczna przeprowadzane są w polach magnetycznych o różnych konfiguracjach. W układach impulsowych plazma powstaje w wyniku napromieniowania stałego celu (ziarna mieszaniny deuteru i trytu) skupionym promieniowaniem z potężnej wiązki lasera lub elektronów: gdy wiązka małych stałych celów trafia w ognisko, następuje kolejna seria mikroeksplozji termojądrowych występuje.

Spośród różnych komór do przechowywania plazmy obiecująca jest komora o konfiguracji toroidalnej. W tym przypadku plazma wytwarzana jest wewnątrz komory toroidalnej za pomocą bezelektrodowego wyładowania pierścieniowego. W tokamaku prąd indukowany w plazmie działa jak uzwojenie wtórne transformatora. Pole magnetyczne utrzymujące plazmę powstaje zarówno w wyniku przepływu prądu przez uzwojenie wokół komory, jak i w wyniku prądu indukowanego w plazmie. Aby uzyskać stabilną plazmę, wykorzystuje się zewnętrzne podłużne pole magnetyczne.

Reaktor termojądrowy to urządzenie służące do wytwarzania energii w wyniku reakcji syntezy lekkich jąder atomowych zachodzących w plazmie w bardzo wysokich temperaturach (> 10 8 K). Głównym wymaganiem, jakie musi spełniać reaktor termojądrowy, jest uwolniona w wyniku tego energia

reakcje termojądrowe z nadwyżką zrekompensowały koszty energii ze źródeł zewnętrznych potrzebnej do podtrzymania reakcji.

Ryż. H. Główne elementy reaktora do kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Reaktor termojądrowy typu TO-CAMAC (komora toroidalna z cewkami magnetycznymi) składa się z komory próżniowej tworzącej kanał, w którym krąży plazma, magnesów tworzących pole oraz układów ogrzewania plazmy. Do tego dołączone są pompy próżniowe, które stale wypompowują gazy z kanału, układ dostarczania paliwa podczas jego spalania oraz rozdzielacz - układ, za pomocą którego energia uzyskana w wyniku reakcji termojądrowej jest usuwana z reaktora. Plazma toroidalna znajduje się w osłonie próżniowej. a-Cząsteczki powstające w plazmie w wyniku syntezy termojądrowej i znajdujące się w niej podwyższają jej temperaturę. Neutrony przenikają przez ściankę komory próżniowej do strefy płaszcza zawierającej ciekły lit lub związek litu wzbogacony w 6 Li. Podczas interakcji z litem energia kinetyczna neutronów zamienia się w ciepło i jednocześnie wytwarzany jest tryt. Koc umieszczony jest w specjalnej powłoce, która chroni magnes przed uciekającymi neutronami, promieniowaniem Y i przepływem ciepła.

W instalacjach typu tokamak plazma wytwarzana jest wewnątrz komory toroidalnej za pomocą bezelektrodowego wyładowania pierścieniowego. W tym celu w skrzepie plazmy wytwarza się prąd elektryczny, który jednocześnie wytwarza własne pole magnetyczne – skrzep plazmy sam staje się magnesem. Teraz, wykorzystując zewnętrzne pole magnetyczne o określonej konfiguracji, możliwe jest zawieszenie chmury plazmy w środku komory, nie dopuszczając do jej kontaktu ze ścianami.

Diverter - zestaw urządzeń (specjalne cewki magnetyczne poloidalne; panele stykające się z plazmą - neutralizatory plazmy), za pomocą których obszar bezpośredniego kontaktu ściany z plazmą jest maksymalnie usuwany z głównej gorącej plazmy. Służy do usuwania ciepła z plazmy w postaci strumienia naładowanych cząstek oraz do wypompowywania produktów reakcji zobojętnionych na płytach odchylających: helu i protu. Oczyszcza plazmę z zanieczyszczeń zakłócających reakcję syntezy.

Reaktor termojądrowy charakteryzuje się współczynnikiem wzmocnienia mocy równy stosunkowi mocy cieplnej reaktora na koszty energii jego produkcji. Moc cieplna fałdy reaktora:

• - z mocy uwalnianej podczas reakcji termojądrowej w plazmie;
• - z mocy wprowadzanej do plazmy w celu utrzymania temperatury spalania reakcji termojądrowej lub prądu stacjonarnego w plazmie;
• - z mocy wydzielanej w płaszczu - otoczka otaczająca plazmę, w której wykorzystywana jest energia neutronów termojądrowych i która służy do ochrony cewek magnetycznych przed działaniem promieniowania. Koc reaktora termojądrowego - jedna z głównych części reaktora termojądrowego, specjalna powłoka otaczająca plazmę, w której zachodzą reakcje termojądrowe i która służy do wykorzystania energii neutronów termojądrowych.

Koc zakrywa pierścień plazmy ze wszystkich stron i osoby urodzone z Synteza D-T główne nośniki energii - neutrony 14 MeV - uwalniają ją do płaszcza)", podgrzewając go. W płaszczu znajdują się wymienniki ciepła, przez które przepływa woda. Kiedy tokamak pracuje jako część elektrowni, para obraca się turbina parowa, a ona jest wirnikiem generatora.

Głównym zadaniem koca jest gromadzenie energii, przekształcanie jej w ciepło i przekazywanie do systemów wytwarzania energii elektrycznej, a także ochrona operatorów i środowiska przed promieniowaniem jonizującym wytwarzanym przez reaktor termojądrowy. Za płaszczem w reaktorze termojądrowym znajduje się warstwa ochrony przed promieniowaniem, której zadaniem jest dalsze osłabianie przepływu neutronów i kwantów y powstających podczas reakcji z materią, aby zapewnić sprawność układu elektromagnetycznego. Następnie następuje ochrona biologiczna, którą może realizować personel zakładu.

„Aktywny” hodowca koców przeznaczony jest do produkcji jednego ze składników paliwa termojądrowego. W reaktorach zużywających tryt, w płaszczu znajdują się materiały rozmnażające (związki litu), aby zapewnić wydajną produkcję trytu.

Podczas pracy reaktora termojądrowego wykorzystującego paliwo deuterowo-trytowe konieczne jest uzupełnienie ilości paliwa (D+T) w reaktorze i usunięcie 4He z plazmy. W wyniku reakcji w plazmie tryt wypala się, a główna część energii termojądrowej przekazywana jest neutronom, dla których plazma jest przezroczysta. Prowadzi to do konieczności umieszczenia pomiędzy plazmą a układem elektromagnetycznym specjalnej strefy, w której następuje odtworzenie spalonego trytu i absorpcja większości energii neutronów. Strefa ta nazywana jest kocem hodowlanym. Odtwarza tryt spalony w plazmie.

Tryt w płaszczu można wytworzyć poprzez napromieniowanie litu strumieniami neutronów w wyniku reakcji jądrowych: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV i 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.

Produkując tryt z litu należy wziąć pod uwagę, że lit naturalny składa się z dwóch izotopów: 6 Li (7,52%) i 7 Li (92,48%). Przekrój absorpcji neutronów termicznych czystego 6 Li 0 = 945 barn, a przekrój aktywacji dla reakcji (p, p) wynosi 0,028 barna. W przypadku naturalnego litu przekrój poprzeczny usuwania neutronów powstałych podczas rozszczepienia uranu wynosi 1,01 barna, a przekrój poprzeczny absorpcji neutronów termicznych wynosi a = 70,4 barna.

Widma energii promieniowania y podczas wychwytu radiacyjnego neutronów termicznych 6 Li charakteryzują się następującymi wartościami: średnia energia kwantów y emitowanych na zaabsorbowany neutron, w zakresie energii 6^-7 MeV = 0,51 MeV, w energii zakres 7-r8 MeV - 0,94 MeV. Całkowita Energia

W reaktorze termojądrowym zasilanym przez Paliwo D-T, w wyniku reakcji:

promieniowanie y na wychwycenie neutronu wynosi 1,45 MeV. Dla 7 Li przekrój poprzeczny absorpcji wynosi 0,047 barna, a przekrój aktywacji 0,033 barna (przy energiach neutronów powyżej 2,8 MeV). Przekrój poprzeczny do usuwania neutronów rozszczepialnych LiH o naturalnym składzie = 1,34 barna, metalicznego Li - 1,57 barna, LiF - 2,43 barna.

powstają neutrony termojądrowe, które opuszczając objętość plazmy, przedostają się do obszaru koca zawierającego lit i beryl, gdzie zachodzą następujące reakcje:

W ten sposób reaktor termojądrowy będzie spalał deuter i lit, w wyniku czego powstaną reakcje gaz obojętny hel.

Podczas reakcji D-T tryt spala się w plazmie i powstaje neutron o energii 14,1 MeV. W kocu konieczne jest, aby ten neutron wygenerował co najmniej jeden atom trytu, aby pokryć swoje straty w plazmie. Szybkość reprodukcji trytu Do(„ilość trytu utworzonego w płaszczu na jeden padający neutron termojądrowy) zależy od widma neutronów w płaszczu, wielkości absorpcji i wycieku neutronów. Przy 0% pokryciu plazmą przez płaszcz, wartość k> 1,05.

Ryż. Ryc. 4. Zależność przekroju reakcji jądrowych powstawania trytu od energii neutronów: 1 - reakcja 6 Li(n,t)'»He, 2 - reakcja 7 Li(n,n',0 4 He.

Jądro 6 Li ma bardzo duży przekrój poprzeczny absorpcji neutronów termicznych z utworzeniem trytu (953 barn przy 0,025 eV). Przy niskich energiach przekrój absorpcji neutronów w Li jest zgodny z prawem (l/u) i w przypadku litu naturalnego osiąga wartość 71 barów dla neutronów termicznych. Dla 7 Li przekrój oddziaływania z neutronami wynosi zaledwie 0,045 barna. Dlatego, aby zwiększyć produktywność hodowcy, naturalny lit należy wzbogacić w izotop 6 Li. Jednakże wzrost zawartości 6 Li w mieszaninie izotopów ma niewielki wpływ na współczynnik reprodukcji trytu: następuje wzrost o 5% wraz ze wzrostem wzbogacenia izotopu 6 Li do 50% w mieszaninie. W reakcji 6 Li(n, T) „Wszystkie spowolnione neutrony nie zostaną zaabsorbowane. Oprócz silnej absorpcji w obszarze termicznym występuje niewielka absorpcja (

Zależność przekroju reakcji 6 Li(n,T) 4 He od energii neutronów pokazano na rys. 7. Jak to jest typowe dla wielu innych reakcji jądrowych, przekrój poprzeczny reakcji 6 Li(n,f) 4 He maleje wraz ze wzrostem energii neutronów (z wyjątkiem rezonansu przy energii 0,25 MeV).

Reakcja polegająca na powstaniu trytu na izotopie Li zachodzi z szybkimi neutronami o energii >2,8 MeV. W tej reakcji

wytwarzany jest tryt i nie dochodzi do utraty neutronów.

Reakcja jądrowa do 6 Li nie może spowodować zwiększonej produkcji trytu i jedynie kompensuje wypalony tryt

Reakcja na a1l powoduje pojawienie się jednego jądra trytu na każdy zaabsorbowany neutron i regenerację tego neutronu, który następnie jest absorbowany podczas hamowania i wytwarza kolejne jądro trytu.

Komentarz. W naturalnym Li współczynnik reprodukcji trytu wynosi Do„2. Dla Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1,1; Odpowiednio 1.05 i i.6. Stopiona sól LiF (66%) + BeF 2 (34%) nazywana jest flyb ( FLiBe), jego stosowanie jest preferowane ze względu na warunki bezpieczeństwa i ograniczenie strat trytu.

Ponieważ nie każdy neutron reakcji D-T bierze udział w tworzeniu atomu trytu, konieczne jest pomnożenie neutronów pierwotnych (14,1 MeV) za pomocą reakcji (n, 2n) lub (n, sn) na pierwiastkach, które mają wystarczająco duży krzyż sekcja dotycząca oddziaływania szybkich neutronów, na przykład na Be, Pb, Mo, Nb i wielu innych materiałach z Z> 25. Dla progu berylu (n, 2 P) reakcje 2,5 MeV; przy 14 MeV 0=0,45 barna. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wersji kocowych z litem ciekłym lub ceramicznym (LiA10 2). Do* 1.1+1.2. W przypadku otoczenia komory reaktora płaszczem uranowym, można znacznie zwiększyć namnażanie neutronów w wyniku reakcji rozszczepienia oraz reakcji (n,2n), (n,zl).

Uwaga 1. Indukowana aktywność litu podczas naświetlania neutronami jest praktycznie nieobecna, gdyż powstający izotop promieniotwórczy 8 Li (promieniowanie cr o energii 12,7 MeV i /-promieniowanie o energii ~6 MeV) ma bardzo krótką połowę -życie - 0,875 s. Niska aktywacja i krótki okres półtrwania litu ułatwiają bioprotekcję roślin.

Uwaga 2. Aktywność trytu zawartego w płaszczu reaktora termojądrowego DT wynosi ~*10 6 Ci, zatem zastosowanie paliwa DT nie wyklucza teoretycznej możliwości wystąpienia awarii na skalę kilku procent skali czarnobylskiej (tzw. uwolnienie wyniosło 510 7 Ci). Uwolnienie trytu wraz z utworzeniem T 2 0 może prowadzić do opadu radioaktywnego, przedostania się trytu do wód gruntowych, zbiorników, organizmów żywych, roślin z akumulacją, ostatecznie w produktach spożywczych.

Wybór stanu materialnego i fizycznego hodowcy jest poważny problem. Materiał hodowlany musi zapewniać wysoki procent konwersji litu w tryt i łatwą jego ekstrakcję w celu późniejszego przekazania do układu przygotowania paliwa.

Do głównych funkcji koca hodowlanego zalicza się: tworzenie komory plazmowej; produkcja trytu o współczynniku k>i; konwersja energii kinetycznej neutronów na ciepło; odzysk ciepła powstałego w płaszczu podczas pracy reaktora termojądrowego; ochrona radiologiczna układu elektromagnetycznego; ochrona biologiczna przed promieniowaniem.

Reaktor termojądrowy wykorzystujący paliwo D-T, w zależności od materiału płaszcza, może być „czysty” lub hybrydowy. Płaszcz „czystego” reaktora termojądrowego zawiera Li, w którym pod wpływem neutronów powstaje tryt, a reakcja termojądrowa ulega wzmocnieniu z 17,6 MeV do 22,4

MeV. W płaszczu hybrydowego („aktywnego”) reaktora termojądrowego wytwarzany jest nie tylko tryt, ale są też strefy, w których umieszczane są odpady 2 39Pi, w których powstają 2 39Pi. W tym przypadku w kocu uwalniana jest energia równa 140 MeV na neutron. Efektywność energetyczna hybrydowego reaktora termojądrowego jest sześciokrotnie wyższa niż czystego. Jednocześnie uzyskuje się lepszą absorpcję neutronów termojądrowych, co zwiększa bezpieczeństwo instalacji. Jednakże obecność rozszczepialnych substancji promieniotwórczych stwarza środowisko radiacyjne podobne do tego, jakie występuje w reaktorach rozszczepienia jądrowego.

Ryż. 5.

Istnieją dwie koncepcje koców hodowlanych oparte na zastosowaniu materiałów hodowlanych zawierających ciekły tryt lub na zastosowaniu materiałów zawierających stały lit. Opcje projektowania koców zależą od rodzaju wybranego chłodziwa (ciekły metal, ciekła sól, gaz, substancje organiczne, woda) i klasy możliwych materiałów konstrukcyjnych.

W płynnej wersji koca lit jest czynnikiem chłodzącym, a tryt materiałem rozrodczym. Sekcja koca składa się z pierwszej ściany, strefy rodzicielskiej (stopiona sól litowa, odbłyśnik (stal lub wolfram) i elementu chroniącego przed światłem (na przykład wodorek tytanu).Główną cechą samochłodzącego koca litowego jest brak dodatkowego moderatora i mnożnika neutronów. W kocu z płynnym utrwalaczem można zastosować następujące sole: Li 2 BeF 4 (. Tpl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Spośród powyższych soli Li 2 BeF 4 ma najniższą lepkość, ale najwyższą Twł. Eutektyka Prospect Pb-Li i stop FLiNaBe, który działa również jako samochłodząca. Mnożnikami neutronów w takim hodowcy są kuliste granulki Be o średnicy 2 mm.

W kocu ze stałym nośnikiem jako materiał rozmnażający stosuje się ceramikę zawierającą lit, a beryl służy jako mnożnik neutronów. W skład takiego koca wchodzą takie elementy jak pierwsza ściana z kolektorami chłodziwa; strefa hodowli neutronów; strefa produkcji trytu; kanały chłodzące dla stref hodowli i reprodukcji trytu; ochrona wody żelaznej; Elementy mocujące koc; linie do dostarczania i odprowadzania chłodziwa i trytu gazu nośnego. Materiały budowlane- stopy wanadu i stale klasy ferrytycznej lub ferrytyczno-martenzytycznej. Ochrona przed promieniowaniem wykonana jest z blach stalowych. Stosowanym chłodziwem jest hel pod ciśnieniem yMPa o temperaturze na wlocie 300 0 i temperaturze chłodziwa na wylocie 650 0.

Zadaniem radiochemicznym jest wyizolowanie, oczyszczenie i zawrócenie trytu do obiegu paliwowego. W tym przypadku istotny jest dobór materiałów funkcjonalnych do układów regeneracji komponentów paliwowych (materiałów hodowlanych). Materiał hodowlany musi zapewniać usunięcie energii syntezy termojądrowej, wytworzenie trytu i jego efektywną ekstrakcję w celu późniejszego oczyszczenia i przekształcenia w paliwo reaktorowe. Wymagany jest do tego materiał charakteryzujący się wysoką temperaturą, promieniowaniem i odpornością mechaniczną. Nie mniej ważne są właściwości dyfuzyjne materiału, które zapewniają wysoką ruchliwość trytu, a w konsekwencji dobra wydajność ekstrakcja trytu z materiału hodowlanego przy stosunkowo niskie temperatury.

Substancjami roboczymi koca mogą być: ceramika Li 4 Si0 4 (lub Li 2 Ti0 3) - materiał odtwarzający i beryl - mnożnik neutronów. Zarówno hodowcę, jak i beryl stosuje się w postaci warstwy monodyspersyjnych otoczaków (granulki o kształcie zbliżonym do kulistego). Średnice granulek Li 4 Si0 4 i Li 2 Ti0 3 wahają się odpowiednio w przedziale 0,2-10,6 mm i około 8 mm, a granulki berylu mają średnicę 1 mm. Udział efektywnej objętości warstwy granulatu wynosi 63%. Aby odtworzyć tryt, hodowca ceramiczny jest wzbogacany izotopem 6 Li. Typowy poziom wzbogacenia 6 Li: 40% dla Li 4 Si0 4 i 70% dla Li 2 Ti0 3.

Obecnie za najbardziej obiecujący uważa się metatytanian litu 1L 2 TIu 3 ze względu na stosunkowo dużą szybkość uwalniania trytu w stosunkowo niskich temperaturach (od 200 do 400 0), promieniowanie i odporność chemiczną. Wykazano, że granulki tytanianu litu wzbogacone do 96% 6 Li w warunkach intensywnego naświetlania neutronami i efektów termicznych umożliwiają wygenerowanie litu w ciągu dwóch lat przy prawie stała prędkość. Tryt ekstrahuje się z ceramiki napromieniowanej neutronami poprzez zaprogramowane ogrzewanie materiału hodowlanego w trybie ciągłego pompowania.

Zakłada się, że w przemyśle nuklearnym instalacje syntezy termojądrowej mogą znaleźć zastosowanie w trzech obszarach:

• - reaktory hybrydowe, w których płaszcz zawiera nuklidy rozszczepialne (uran, pluton), których rozszczepienie jest kontrolowane przez silny przepływ neutronów o wysokiej energii (14 MeV);
• - inicjatory spalania w elektrojądrowych reaktorach podkrytycznych;
• - transmutacja długożyciowych radionuklidów niebezpiecznych dla środowiska w celu unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych.

Wysoka energia neutronów termojądrowych stwarza ogromne możliwości rozdzielenia grup energetycznych neutronów w celu spalenia określonego radionuklidu w rezonansowym obszarze przekrojów.

Optymizm jest rzeczą dobrą, ale nie samowystarczalną. Na przykład, zgodnie z teorią prawdopodobieństwa, na każdego śmiertelnika musi czasem spaść cegła. Absolutnie nic nie da się z tym zrobić: prawo Wszechświata. Okazuje się, że jedyną rzeczą, która w tak burzliwych czasach może wypędzić śmiertelnika na ulicę, jest wiara w najlepsze. Ale dla pracownika mieszkalnictwa i usług komunalnych motywacja jest bardziej skomplikowana: zostaje wypchnięty na ulicę przez tę samą cegłę, która próbuje na kogoś spaść. W końcu robotnik wie o tej cegle i może wszystko naprawić. Równie prawdopodobne jest, że nie zostanie poprawiony, ale najważniejsze jest to, że przy każdej decyzji nagi optymizm nie będzie go już pocieszać.

W takiej sytuacji w XX wieku znalazła się cała branża – światowa energetyka. Ludzie uprawnieni do decydowania zdecydowali, że węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny zawsze będą tam, jak słońce w piosence, że cegła pozostanie twarda i nigdzie nie pójdzie. Powiedzmy, że zanika – to jest fuzja termojądrowa, nawet jeśli nie można jej jeszcze w pełni kontrolować. Logika jest taka: szybko ją otworzyli, co oznacza, że ​​równie szybko ją podbiją. Ale lata minęły, zapomniano o patronimie tyranów, a synteza termojądrowa nie została pokonana. Po prostu flirtował i żądał więcej uprzejmości niż śmiertelnicy. Nawiasem mówiąc, nic nie zdecydowali, byli spokojnymi optymistami.

Powód do wiercenia się na krześle pojawił się, gdy zaczęto publicznie mówić o skończoności paliw kopalnych. Co więcej, nie jest jasne, jaki to rodzaj kończyny. Po pierwsze, dość trudno jest obliczyć dokładną ilość nieodkrytej jeszcze ropy lub, powiedzmy, gazu. Po drugie, prognozę komplikują wahania cen rynkowych, które wpływają na szybkość produkcji. Po trzecie, zużycie paliwa różni się w czasie i przestrzeni: na przykład w 2015 r. światowy popyt na węgiel (jedna trzecia wszystkich istniejących źródeł energii) spadł po raz pierwszy od 2009 r., ale oczekuje się, że do 2040 r. gwałtownie wzrośnie, szczególnie w Chinach i Bliskiego Wschodu.

Objętość osocza w JET wynosiła już około 100 metry sześcienne. W ciągu 30 lat ustanowił szereg rekordów: rozwiązał pierwszy problem syntezy termojądrowej, podgrzewając plazmę do 150 milionów stopni Celsjusza; wygenerował moc 1 megawata, a następnie 16 megawatów przy wskaźniku efektywności energetycznej Q ~ 0,7... Stosunek energii wydatkowanej do energii otrzymanej to trzeci problem syntezy termojądrowej. Teoretycznie dla samopodtrzymującego spalania plazmowego Q powinno przekraczać jedność. Praktyka pokazała jednak, że to nie wystarczy: tak naprawdę Q powinno być większe niż 20. Wśród tokamaków Q JET pozostaje niepokonany.

Nową nadzieją dla branży jest tokamak ITER, który obecnie buduje cały świat we Francji. Wskaźnik Q ITER powinien osiągnąć 10, jego moc powinna wynosić 500 megawatów, która na początek będzie po prostu rozproszona w kosmosie. Prace nad tym projektem trwały od 1985 roku i miały zakończyć się w 2016 roku. Stopniowo jednak koszt budowy wzrósł z 5 do 19 miliardów euro, a termin oddania do użytku przesunięto o 9–11 lat. Jednocześnie ITER ma stanowić pomost do reaktora DEMO, który zgodnie z planem będzie wytwarzał pierwszą energię elektryczną „fuzyjną” w latach czterdziestych XXI wieku.

Biografia systemów „impulsowych” była mniej dramatyczna. Kiedy na początku lat siedemdziesiątych fizycy uznali, że opcja „trwałej” syntezy jądrowej nie jest idealna, zaproponowali usunięcie z równania uwięzienia plazmy. Zamiast tego izotopy należało umieścić w plastikowej kuli o milimetrowych rozmiarach, którą w złotej kapsule schłodzono do zera absolutnego, a kapsułkę w komorze. Następnie kapsułę jednocześnie „odpalano” laserami. Pomysł jest taki, że jeśli podgrzejesz i skompresujesz paliwo szybko i równomiernie, reakcja nastąpi, zanim plazma rozproszy się. A w 1974 roku prywatna firma KMS Fusion otrzymała taką reakcję.

Po kilku eksperymentalnych instalacjach i latach stało się jasne, że nie wszystko jest tak gładkie w przypadku syntezy „impulsowej”. Problemem okazała się równomierność kompresji: zamrożone izotopy zamieniły się nie w idealną kulę, ale w „hantle”, co znacznie obniżyło ciśnienie, a co za tym idzie i efektywność energetyczną. Sytuacja doprowadziła do tego, że w 2012 roku, po czterech latach pracy, największy amerykański reaktor inercyjny NIF niemal z rozpaczy się zamknął. Ale już w 2013 roku dokonał tego, czego nie udało się JET: jako pierwszy w fizyce jądrowej wyprodukował 1,5 razy więcej energii, niż zużył.

Teraz, oprócz dużych, problemy syntezy termojądrowej rozwiązywane są przez instalacje „kieszonkowe”, czysto eksperymentalne i „start-upowe” o różnych konstrukcjach. Czasem udaje im się dokonać cudu. Na przykład fizycy z Uniwersytetu w Rochester niedawno czterokrotnie, a następnie pięciokrotnie przekroczyli rekord efektywności energetycznej ustanowiony w 2013 roku. To prawda, że ​​​​nowe ograniczenia dotyczące temperatury i ciśnienia zapłonu nie zniknęły, a eksperymenty przeprowadzono w reaktorze około trzy razy mniejszym niż NIF. A wymiar liniowy jak wiemy, ma to znaczenie.

Zastanawiasz się, po co tak bardzo się tym przejmować? Aby było jasne, dlaczego synteza termojądrowa jest tak atrakcyjna, porównajmy ją ze „zwykłym” paliwem. Załóżmy, że w każdym momencie czasu w „pączku” tokamaka znajduje się jeden gram izotopów. Zderzenie jednego deuteru i jednego trytu uwalnia 17,6 megaelektronowoltów energii, czyli 0,000000000002 dżuli. A teraz statystyki: spalenie jednego grama drewna da nam 7 tys. dżuli, węgla – 34 tys. dżuli, gazu czy ropy – 44 tys. dżuli. Spalenie grama izotopów powinno spowodować uwolnienie 170 miliardów dżuli ciepła. Tyle cały świat zużywa w około 14 minut.

Neutrony uchodźców i zabójcze elektrownie wodne

Co więcej, synteza termojądrowa jest prawie nieszkodliwa. „Prawie” - ponieważ neutron, który odlatuje i nie wraca, po pobraniu części energii kinetycznej, opuści pułapkę magnetyczną, ale nie będzie mógł odejść daleko. Wkrótce niepokój zostanie przechwycony przez jądro atomowe jednego z arkuszy koca - metalowego „koca” reaktora. Jądro, które „złapało” neutron, zamieni się albo w stabilny, czyli bezpieczny i stosunkowo trwały, albo w izotop radioaktywny - w zależności od szczęścia. Napromieniowanie reaktora neutronami nazywa się promieniowaniem indukowanym. Z tego powodu koc będzie musiał być zmieniany co 10–100 lat.

Czas wyjaśnić, że opisany powyżej schemat „łączenia” izotopów został uproszczony. W przeciwieństwie do deuteru, który można jeść łyżką, który można łatwo wytworzyć i znaleźć w zwykłej wodzie morskiej, tryt jest radioizotopem i jest sztucznie syntetyzowany po nieprzyzwoitej cenie. Jednocześnie nie ma sensu go przechowywać: jądro szybko „rozpada się”. W ITER tryt będzie produkowany na miejscu poprzez zderzenie neutronów z litem-6 i oddzielne dodanie gotowego deuteru. W rezultacie neutronów, które będą próbowały „uciec” (wraz z trytem) i utkną w kocu, będzie jeszcze więcej, niż mogłoby się wydawać.

Mimo to obszar oddziaływania radioaktywnego reaktora termojądrowego będzie zaniedbywalnie mały. Ironią jest to, że bezpieczeństwo zapewnia sama niedoskonałość technologii. Ponieważ plazma musi być zatrzymywana, a „paliwo” dodawane raz po raz, bez nadzoru z zewnątrz system będzie działał najwyżej przez kilka minut (planowany czas retencji ITER to 400 sekund) i wyłączy się. Ale nawet przy natychmiastowym zniszczeniu, według opinia fizyk Christopher Llewellyn-Smith, nie będzie potrzeby eksmisji miast: ze względu na niską gęstość plazmy trytu będzie ona zawierać tylko 0,7 grama.

Oczywiście światło nie skupiało się na deuteru i trycie. Do syntezy termojądrowej naukowcy rozważają także inne pary: deuter i deuter, hel-3 i bor-11, deuter i hel-3, wodór i bor-11. W trzech ostatnich „uciekających” neutronów w ogóle nie będzie, a dwie amerykańskie firmy już pracują z parami wodór-bor-11 i deuter-hel-3. Tyle, że na razie, na obecnym etapie niewiedzy technologicznej, trochę łatwiej jest zderzyć deuter z trytem.

A prosta arytmetyka jest po stronie nowego przemysłu. W ciągu ostatnich 55 lat na świecie doszło do: pięciu awarii elektrowni wodnych, w wyniku których zginęło aż Rosyjskie drogi umiera w ciągu ośmiu lat; 26 wypadków w elektrowniach jądrowych, w wyniku których zginęło kilkadziesiąt tysięcy razy mniej ludzi niż w wyniku awarii elektrowni wodnej; i setki incydentów na sieciach elektroenergetycznych z Bóg jeden wie, jakie konsekwencje. Jednak podczas pracy reaktorów termojądrowych wydaje się, że do tej pory nic nie uległo uszkodzeniu poza komórkami nerwowymi i budżetami.

Zimna fuzja

Bez względu na to, jak mała była szansa na trafienie głównej wygranej w loterii „termonuklearnej”, ekscytowała wszystkich, nie tylko fizyków. W marcu 1989 roku dwóch dość znanych chemików, Amerykanin Stanley Pons i Brytyjczyk Martin Fleischman, zebrało dziennikarzy, aby pokazać światu „zimną” syntezę jądrową. W ten sposób pracował. Elektrodę palladową umieszczono w roztworze deuteru i litu i przepuszczono przez nią. Waszyngton. Deuter i lit zostały zaabsorbowane przez pallad i zderzając się, czasami „złączały się” w tryt i hel-4, nagle gwałtownie podgrzewając roztwór. I to jest kiedy temperatura pokojowa i normalne ciśnienie atmosferyczne.

Perspektywa pozyskania energii bez kłopotów związanych z temperaturą, ciśnieniem i skomplikowanymi instalacjami była zbyt kusząca i następnego dnia Fleischmann i Pons obudzili się sławni. Władze stanu Utah przeznaczyły 5 milionów dolarów na badania nad zimną syntezą jądrową, a uniwersytet, na którym pracował Pons, zażądał od Kongresu USA kolejnych 25 milionów dolarów. Dwa punkty dodały pikanterii tej historii. Najpierw pojawiły się szczegóły eksperymentu The Journal of Electroanalytical Chemistry i elektrochemii międzyfazowej dopiero w kwietniu, miesiąc po konferencji prasowej. Było to sprzeczne z etykietą naukową.

Po drugie, specjaliści fizyki jądrowej mieli wiele pytań do Fleischmanna i Ponsa. Na przykład, dlaczego w ich reaktorze zderzenie dwóch deuteronów wytwarza tryt i hel-4, podczas gdy powinno wytwarzać tryt i proton lub neutron i hel-3? Co więcej, łatwo było to sprawdzić: gdyby w elektrodzie palladowej doszło do syntezy jądrowej, neutrony o znanej wcześniej energii kinetycznej „odleciałyby” od izotopów. Ale ani czujniki neutronów, ani odtworzenie eksperymentu przez innych naukowców nie doprowadziły do ​​​​takich wyników. A z braku danych już w maju sensację chemików uznano za „kaczkę”.

Mimo to prace Ponsa i Fleischmanna wprowadziły zamieszanie w fizyce i chemii jądrowej. W końcu co się stało: pewna reakcja izotopów, palladu i elektryczności doprowadziła do uwolnienia dodatniej energii, a dokładniej do samoistnego nagrzania roztworu. W 2008 roku japońscy naukowcy pokazali dziennikarzom podobną instalację. Umieścili pallad i tlenek cyrkonu w kolbie i wpompowali do niej deuter pod ciśnieniem. Pod wpływem ciśnienia jądra „ocierały się” o siebie i zamieniały się w hel, uwalniając energię. Podobnie jak w eksperymencie Fleischmanna-Ponsa, autorzy oceniali reakcję syntezy „bezneutronowej” jedynie na podstawie temperatury w kolbie.

Fizyka nie miała wyjaśnienia. Ale chemia mogłaby: co by było, gdyby substancję zmienili katalizatory – „akceleratory” reakcji? Jeden z takich „akceleratorów” rzekomo miał być używany przez włoskiego inżyniera Andreę Rossi. W 2009 roku on i fizyk Sergio Focardi złożyli wniosek o wynalezienie urządzenia do „niskoenergetycznej reakcji jądrowej”. Jest to 20-centymetrowa rurka ceramiczna, do której umieszcza się proszek niklu, nieznany katalizator i pompuje się wodór pod ciśnieniem. Rura jest podgrzewana za pomocą konwencjonalnego grzejnika elektrycznego, który częściowo przekształca nikiel w miedź z uwolnieniem neutronów i energii dodatniej.

Przed patentem Rossiego i Focardiego mechanika „reaktora” z zasady nie była ujawniana. Następnie – z powołaniem się na tajemnicę handlową. W 2011 roku dziennikarze i naukowcy (z jakiegoś powodu ci sami) rozpoczęli sprawdzanie instalacji. Kontrole wyglądały następująco. Rurę ogrzewano przez kilka godzin, zmierzono moc wejściową i wyjściową oraz zbadano skład izotopowy niklu. Nie można było go otworzyć. Potwierdziły się słowa twórców: wydajność energetyczna jest 30 razy większa, zmienia się skład niklu. Ale jak? Do takiej reakcji nie potrzeba 200 stopni, ale całe 20 miliardów stopni Celsjusza, ponieważ rdzeń niklowy jest cięższy nawet od żelaza.

Andrea Rossi podczas testowania urządzenia do „niskoenergetycznej reakcji jądrowej” (po lewej). / © Blog Vessy'ego

Nikt Magazyn naukowy nigdy nie opublikował włoskich „czarodziejów”. Wielu szybko zrezygnowało z „reakcji niskoenergetycznych”, chociaż metoda ta ma zwolenników. Rossi pozywa teraz właściciela patentu, amerykańską firmę Industrial Heat, pod zarzutem kradzieży własności intelektualnej. Uważa go za oszusta, a kontrole u ekspertów są „fałszywe”.

A jednak istnieje „zimna” synteza jądrowa. Tak naprawdę opiera się na „katalizatorze” – mionach. Miony (naładowane ujemnie) „wyrzucają” elektrony z orbity atomowej, tworząc mezoatomy. Jeśli zderzysz mezoatomy z np. deuterem, otrzymasz mezomolekuły naładowane dodatnio. A ponieważ mion jest 207 razy cięższy od elektronu, jądra mezomolekuł będą 207 razy bliżej siebie - ten sam efekt można uzyskać, jeśli izotopy zostaną podgrzane do 30 milionów stopni Celsjusza. Dlatego jądra mezoatomów „sklejają się” same, bez podgrzewania, a mion „przeskakuje” na inne atomy, aż „utknie” w mezoatomie helu.

Do 2016 roku mion został wyszkolony do wykonania około 100 takich „skoków”. Następnie - albo mezoatom helu, albo rozpad (czas życia mionu wynosi tylko 2,2 mikrosekundy). Gra nie jest warta zachodu: ilość energii otrzymanej ze 100 „skoków” nie przekracza 2 gigaelektronowoltów, a do wytworzenia jednego mionu potrzeba 5–10 gigaelektronowoltów. Aby „zimna” fuzja, a dokładniej „kataliza mionowa” była opłacalna, każdy mion musi nauczyć się 10 tysięcy „skoków”, by w końcu przestać wymagać zbyt wiele od śmiertelników. Przecież do epoki kamienia pozostało już tylko 250 lat – zamiast elektrowni cieplnych pionierskie pożary.

Nie wszyscy jednak wierzą w skończoność paliw kopalnych. Mendelejew na przykład zaprzeczał wyczerpywaniu się ropy. Ona, pomyślał chemik, jest produktem reakcji abiotycznych, a nie rozkładu pterodaktyli, dlatego samoregeneruje się. Mendelejew za przeciwne pogłoski obwiniał braci Nobla, którzy pod koniec XIX wieku dążyli do monopolu naftowego. Idąc za nim, radziecki fizyk Lew Artsimowicz całkowicie wyraził przekonanie, że energia termojądrowa pojawi się dopiero wtedy, gdy ludzkość „naprawdę” będzie jej potrzebować. Okazuje się, że Mendelejew i Artsimowicz, choć byli postaciami decydującymi, nadal byli optymistami.

I tak naprawdę nie potrzebujemy jeszcze energii termojądrowej.

„Powiedzieliśmy, że umieścimy Słońce w pudełku. Pomysł jest świetny. Problem jednak w tym, że nie wiemy, jak stworzyć to pudełko” – Pierre Gilles de Gennes, laureat nagroda Nobla z fizyki 1991.

Chwila ciężkie elementy Do reakcji jądrowych na Ziemi i ogólnie w kosmosie potrzebnych jest sporo pierwiastków lekkich, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie. Dlatego pomysł wykorzystania energii termojądrowej dla dobra ludzkości pojawił się niemal natychmiast po zrozumieniu leżących u jej podstaw procesów - to naprawdę obiecało nieograniczone możliwości, ponieważ zapasy paliwa termojądrowego na Ziemi powinny wystarczyć na dziesiątki tysięcy lat.

Już w 1951 roku pojawiły się dwa główne kierunki rozwoju reaktorów termojądrowych: Andriej Sacharow i Igor Tamm opracowali architekturę tokamaka, w której komorą roboczą był torus, natomiast Lyman Spitzer zaproponował architekturę o bardziej skomplikowanej konstrukcji kształtem najbardziej przypominającym odwróconą wstęgę Mobiusa nie raz, ale kilka razy.

Pozwoliła na to prostota podstawowej konstrukcji tokamaka długi czas rozwijać ten kierunek poprzez poprawę właściwości magnesów konwencjonalnych i nadprzewodzących, a także poprzez stopniowe zwiększanie rozmiarów reaktora. Jednak wraz ze wzrostem parametrów plazmy stopniowo zaczęły pojawiać się problemy z jej niestabilnym zachowaniem, co spowolniło proces.

Złożoność projektu gwiezdnego doprowadziła do tego, że po pierwszych eksperymentach w latach 50. rozwój tego kierunku przez długi czas zatrzymany. Całkiem niedawno, wraz z pojawieniem się, zyskał nowe życie nowoczesne systemy projektowanie wspomagane komputerowo, co umożliwiło zaprojektowanie stellatora Wendelsteina 7-X o parametrach i dokładności konstrukcyjnej niezbędnych do jego działania.

Fizyka procesu i problemy w jego realizacji

Atomy żelaza mają maksymalną energię wiązania na nukleon – to jest miarę energii, którą należy zużyć, aby rozbić atom na składowe neutrony i protony, podzieloną przez ich całkowity. Wszystkie atomy o mniejszej i większej masie mają ten wskaźnik poniżej żelaza:

Jednocześnie w reakcjach termojądrowych stapiania lekkich atomów z żelazem uwalniana jest energia, a masa powstałego atomu nieznacznie się zmniejsza mniej niż kwota masy pierwotnych atomów o ilość, która koreluje z wyzwoloną energią zgodnie ze wzorem E=mc² (tzw. defekt masy). W ten sam sposób energia jest uwalniana podczas reakcji rozszczepienia jądrowego atomów cięższych od żelaza.

Podczas reakcji topnienia atomów uwalniana jest ogromna energia, jednak aby tę energię wydobyć, należy najpierw podjąć pewien wysiłek, aby pokonać siły odpychające występujące pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami atomowymi (pokonać barierę Coulomba). Potem udało nam się zbliżyć do siebie kilka atomów wymagana odległość silny wchodzi w grę oddziaływanie jądrowe, który łączy neutrony i protony. Dla każdego rodzaju paliwa bariera Coulomba dla rozpoczęcia reakcji jest inna, podobnie jak różna jest optymalna temperatura reakcji:

W tym przypadku pierwsze reakcje termojądrowe atomów zaczynają być rejestrowane na długo przed osiągnięciem Średnia temperatura substancje tej bariery ze względu na to, że energia kinetyczna atomów podlega rozkładowi Maxwella:

Jednak reakcja w stosunkowo niskiej temperaturze (rzędu kilku milionów °C) przebiega niezwykle powoli. Załóżmy więc, że w centrum temperatura sięga 14 milionów °C, ale moc właściwa reakcji termojądrowej w takich warunkach wynosi zaledwie 276,5 W/m3, a całkowite zużycie paliwa zajmuje Słońcu kilka miliardów lat. Takie warunki są nie do przyjęcia dla reaktora termojądrowego, gdyż przy tak niskim poziomie uwalniania energii nieuchronnie wydamy więcej na ogrzewanie i sprężanie paliwa termojądrowego, niż otrzymamy w zamian z reakcji.

Wraz ze wzrostem temperatury paliwa coraz większa część atomów zaczyna mieć energię przekraczającą barierę Coulomba, a wydajność reakcji wzrasta, osiągając swój szczyt. Wraz z dalszym wzrostem temperatury szybkość reakcji zaczyna ponownie spadać, ponieważ energia kinetyczna atomów staje się zbyt wysoka i „przeganiają się” one nawzajem, nie mogąc utrzymać się razem przez silne oddziaływanie jądrowe.

Tym samym dość szybko uzyskano rozwiązanie sposobu pozyskiwania energii z kontrolowanej reakcji termojądrowej, jednak realizacja tego zadania przeciągała się pół wieku i nie została jeszcze zakończona. Powodem tego są naprawdę szalone warunki, w jakich okazało się konieczne umieszczenie paliwo termojądrowe– aby reakcja przebiegała dodatnio, jej temperatura powinna wynosić kilkadziesiąt milionów °C.

Żadna ściana fizycznie nie była w stanie wytrzymać takiej temperatury, ale problem ten niemal natychmiast doprowadził do jego rozwiązania: ponieważ substancją nagrzaną do takich temperatur jest gorąca plazma (w pełni zjonizowany gaz), która jest naładowana dodatnio, rozwiązanie okazało się znajdować na powierzchni - musieliśmy po prostu umieścić tak podgrzaną plazmę w silnym polu magnetycznym, które utrzyma paliwo termojądrowe bezpieczna odległość ze ścian.

Postęp w jego realizacji

Badania na ten temat idą w kilku kierunkach jednocześnie:

1. Wykorzystując magnesy nadprzewodzące, naukowcy próbują zmniejszyć energię zużywaną na zapłon i utrzymanie reakcji;
2. za pomocą nadprzewodników nowej generacji zwiększa się indukcja pola magnetycznego wewnątrz reaktora, co umożliwia zatrzymanie plazmy o większej gęstości i temperaturze, co zwiększa gęstość mocy reaktory na jednostkę ich objętości;
3. badania w dziedzinie gorącej plazmy i postęp w tej dziedzinie technologia komputerowa umożliwić lepszą kontrolę przepływów plazmy, przybliżając w ten sposób reaktory termojądrowe do ich teoretycznych granic wydajności;
4. Postęp w poprzednim obszarze pozwala również na dłuższe utrzymanie plazmy w stanie stabilnym, co zwiększa wydajność reaktora ze względu na to, że nie musimy tak często ponownie podgrzewać plazmy.

Pomimo wszystkich trudności i problemów, które leżały na drodze do kontrolowanej reakcji termojądrowej, ta historia już zbliża się do końca. W energetyce zwyczajowo do obliczenia efektywności paliwowej wykorzystuje się wskaźnik EROEI – zwrot energii z inwestycji energetycznej (stosunek energii wydanej na produkcję paliwa do ilości energii, którą ostatecznie z niego uzyskamy). I choć EROEI węgla stale rośnie, to wskaźnik ten dla ropy i gazu osiągnął swój szczyt w połowie ubiegłego stulecia i obecnie systematycznie spada ze względu na to, że nowe złoża tych paliw zlokalizowane są w coraz bardziej niedostępnych miejscach i zawsze większe głębokości:

Jednocześnie nie możemy też zwiększać wydobycia węgla, gdyż pozyskiwanie z niego energii jest procesem bardzo brudnym i dosłownie odbierającym obecnie ludziom życie na różne choroby płuc. Tak czy inaczej stoimy u progu końca ery paliw kopalnych – i to nie machinacje ekologów, ale banalne kalkulacje ekonomiczne patrząc w przyszłość. Jednocześnie EROI eksperymentalnych reaktorów termojądrowych, które również pojawiły się w połowie ubiegłego wieku, stale rosła i w 2007 roku osiągnęła psychologiczną barierę jedności - czyli w tym roku po raz pierwszy ludzkości udało się pozyskać więcej energii poprzez reakcję termojądrową, niż wydał na jej realizację. I pomimo tego, że wdrożenie reaktora, eksperymenty z nim i wyprodukowanie pierwszej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO w oparciu o doświadczenia zdobyte podczas realizacji ITER i tak zajmą dużo czasu. Nie ma już wątpliwości, że nasza przyszłość leży w takich reaktorach.

Innowacyjne projekty wykorzystujące nowoczesne nadprzewodniki już wkrótce pozwolą na realizację kontrolowanej syntezy termojądrowej, jak twierdzą niektórzy optymiści. Eksperci przewidują jednak, że praktyczne zastosowanie zajmie kilka dekad.

Dlaczego to takie trudne?

Energia termojądrowa jest uważana za potencjalne źródło. Jest to czysta energia atomowa. Ale co to jest i dlaczego tak trudno to osiągnąć? Najpierw musisz zrozumieć różnicę między syntezą klasyczną a syntezą termojądrową.

Rozszczepienie atomu polega na rozszczepieniu radioaktywnych izotopów – uranu lub plutonu – i przekształceniu ich w inne wysoce radioaktywne izotopy, które następnie należy usunąć lub poddać recyklingowi.

Fuzja polega na tym, że dwa izotopy wodoru – deuter i tryt – łączą się w jedną całość, tworząc nietoksyczny hel i pojedynczy neutron, bez wytwarzania odpadów radioaktywnych.

Problem ze sterowaniem

Reakcje zachodzące na Słońcu czy w bombie wodorowej to synteza termojądrowa, a inżynierowie stają przed trudnym zadaniem – jak kontrolować ten proces w elektrowni?

Naukowcy pracują nad tym od lat 60. XX wieku. W północnoniemieckim mieście Greifswald rozpoczął pracę kolejny eksperymentalny reaktor termojądrowy o nazwie Wendelstein 7-X. Nie ma jeszcze wywołać reakcji – jest to po prostu testowana specjalna konstrukcja (stellarator zamiast tokamaka).

Plazma wysokoenergetyczna

Wszystkie instalacje termojądrowe posiadają wspólną cechą- w kształcie pierścienia. Opiera się na idei wykorzystania potężnych elektromagnesów do wytworzenia silnego pole elektromagnetyczne, mający kształt torusa – napompowanej dętki rowerowej.

To pole elektromagnetyczne musi być tak gęste, że po podgrzaniu kuchenka mikrofalowa do miliona stopni Celsjusza, plazma powinna pojawić się w samym środku pierścienia. Następnie zostaje zapalony, aby mogła rozpocząć się fuzja jądrowa.

Demonstracja możliwości

W Europie są obecnie dwa podobny eksperyment. Jednym z nich jest Wendelstein 7-X, który niedawno wygenerował swoją pierwszą plazmę helową. Drugi to ITER, ogromny eksperymentalny obiekt zajmujący się syntezą termojądrową na południu Francji, który jest wciąż w budowie i będzie gotowy do uruchomienia w 2023 r.

Zakłada się, że w ITER będą zachodzić rzeczywiste reakcje jądrowe, choć tylko przez ok krótki okres czasie, a na pewno nie dłużej niż 60 minut. Reaktor ten to tylko jeden z wielu kroków w stronę urzeczywistnienia syntezy jądrowej.

Reaktor termojądrowy: mniejszy i mocniejszy

Ostatnio kilku projektantów ogłosiło nowy projekt reaktora. Według grupy studentów z Massachusetts Institute of Technology, a także przedstawicieli producenta broni Lockheed Martin, syntezę jądrową można przeprowadzić w obiektach znacznie mocniejszych i mniejszych od ITER i są gotowi to zrobić w ciągu dziesięciu lat. lata.

Ideą nowej konstrukcji jest zastosowanie w elektromagnesach nowoczesnych nadprzewodników wysokotemperaturowych, które swoje właściwości wykazują po schłodzeniu ciekłym azotem, a nie konwencjonalnych, które wymagają nowego, bardziej elastyczna technologia pozwoli nam całkowicie zmienić konstrukcję reaktora.

Klaus Hesch, odpowiedzialny za technologię w Instytucie Technologicznym w Karlsruhe w południowo-zachodnich Niemczech, jest sceptyczny. Wspiera wykorzystanie nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych w nowych projektach reaktorów. Jednak jego zdaniem opracowanie czegoś na komputerze z uwzględnieniem praw fizyki nie wystarczy. Należy wziąć pod uwagę wyzwania, jakie pojawiają się przy wdrażaniu pomysłu.

Fantastyka naukowa

Według Hescha model studentów MIT pokazuje jedynie wykonalność projektu. Ale tak naprawdę jest w tym sporo fantastyka naukowa. Projekt zakłada, że ​​jest to poważne problemy techniczne synteza termojądrowa rozwiązana. Jednak współczesna nauka nie ma pojęcia, jak je rozwiązać.

Jednym z takich problemów jest pomysł składanych kołowrotków. W konstrukcji MIT elektromagnesy można rozmontować, aby dostać się do pierścienia utrzymującego plazmę.

Byłoby to bardzo przydatne, ponieważ byłby możliwy dostęp do obiektów w układ wewnętrzny i wymień je. Ale w rzeczywistości nadprzewodniki są wykonane z materiału ceramicznego. Setki z nich muszą być splecione w wyrafinowany sposób, aby utworzyć prawidłowe pole magnetyczne. I tu pojawia się bardziej zasadnicza trudność: połączenia między nimi nie są tak proste, jak połączenia między kablami miedzianymi. Nikt nawet nie pomyślał o koncepcjach, które pomogłyby rozwiązać takie problemy.

Za gorące

Problemem jest także wysoka temperatura. W jądrze plazmy termojądrowej temperatura osiągnie około 150 milionów stopni Celsjusza. To ekstremalne ciepło pozostaje na miejscu – w samym środku zjonizowanego gazu. Ale nawet wokół niego nadal jest bardzo gorąco – od 500 do 700 stopni w obszarze reaktora, czyli Warstwa wewnętrzna metalowa rura, w którym tryt niezbędny do zajścia syntezy jądrowej zostanie „odtworzony”.

Ma wiecej wielki problem- tzw. moc wyjściowa. Jest to część układu, do której w procesie syntezy trafia zużyte paliwo, głównie hel. Pierwsze metalowe elementy, do których wchodzi gorący gaz, nazywane są „diwertorem”. Może nagrzać się do ponad 2000°C.

Problem z przełącznikiem

Aby pomóc urządzeniu wytrzymać takie temperatury, inżynierowie próbują wykorzystać metaliczny wolfram stosowany w staromodnych żarówkach. Temperatura topnienia wolframu wynosi około 3000 stopni. Ale są inne ograniczenia.

Można to zrobić w ITER, ponieważ ogrzewanie nie następuje stale. Oczekuje się, że reaktor będzie działał tylko przez 1–3% czasu. Nie jest to jednak opcja dla elektrowni, która musi pracować 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. A jeśli ktoś twierdzi, że jest w stanie zbudować mniejszy reaktor o tej samej mocy co ITER, to śmiało można powiedzieć, że nie ma rozwiązania problemu dywertora.

Elektrownia po kilkudziesięciu latach

Niemniej jednak naukowcy optymistycznie patrzą na rozwój reaktorów termojądrowych, choć nie nastąpi on tak szybko, jak przewidują niektórzy entuzjaści.

ITER powinien wykazać, że kontrolowana synteza termojądrowa może w rzeczywistości wytworzyć więcej energii, niż zużyto by na ogrzewanie plazmy. Kolejnym krokiem będzie budowa zupełnie nowej hybrydowej elektrowni demonstracyjnej, która faktycznie będzie produkować prąd.

Inżynierowie już pracują nad jego projektem. Będą musieli wyciągnąć wnioski z ITER, którego uruchomienie zaplanowano na 2023 r. Biorąc pod uwagę czas potrzebny na projektowanie, planowanie i budowę, wydaje się mało prawdopodobne, aby pierwsza elektrownia termojądrowa została uruchomiona znacznie wcześniej niż w połowie XXI wieku.

Zimna Fuzja w Rosji

W 2014 roku niezależny test reaktora E-Cat wykazał, że urządzenie wytwarzało średnio 2800 watów mocy wyjściowej w ciągu 32 dni, zużywając 900 watów. To więcej, niż może uwolnić jakakolwiek reakcja chemiczna. Wynik mówi albo o przełomie w syntezie termojądrowej, albo o jawnym oszustwie. Raport rozczarował sceptyków, którzy kwestionują rzeczywiście niezależność recenzji i sugerują możliwe fałszowanie wyników badań. Inni zaczęli odkrywać „tajne składniki”, które umożliwiają fuzję Rossiego w celu odtworzenia technologii.

Czy Rossi to oszust?

Andrea robi wrażenie. Publikuje światu proklamacje w unikalnym języku angielskim w sekcji komentarzy na swojej stronie internetowej, pretensjonalnie zwanej Journal of Nuclear Physics. Jednak jego poprzednie nieudane próby obejmowały włoski projekt przetwarzania odpadów na paliwo i generator termoelektryczny. Projekt dotyczący przetwarzania odpadów w energię Petroldragon poniósł porażkę częściowo dlatego, że nielegalne składowanie odpadów jest kontrolowane przez włoską przestępczość zorganizowaną, która postawiła jej zarzuty karne za naruszenie przepisów dotyczących odpadów. Stworzył także urządzenie termoelektryczne dla Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych, ale podczas testów gadżet wytworzył tylko ułamek deklarowanej mocy.

Wielu nie ufa Rosji, ale Redaktor naczelny„New Energy Times” bezpośrednio nazwał go przestępcą mającym za sobą serię nieudanych projektów energetycznych.

Niezależna weryfikacja

Rossi podpisał kontrakt z amerykańską firmą Industrial Heat na przeprowadzenie całorocznego tajnego testu instalacji do zimnej syntezy o mocy 1 MW. Urządzeniem był kontener transportowy wypełniony dziesiątkami kotów elektrycznych. Eksperyment musiał być monitorowany przez osobę trzecią, która mogła potwierdzić, że ciepło rzeczywiście było wytwarzane. Rossi twierdzi, że większość ostatniego roku spędził praktycznie mieszkając w kontenerze i obserwując operacje przez ponad 16 godzin dziennie, aby udowodnić opłacalność komercyjną E-Cata.

Test zakończył się w marcu. Zwolennicy Rossiego z niecierpliwością czekali na raport obserwatorów, mając nadzieję na uniewinnienie swojego bohatera. Skończyło się jednak na tym, że dostali pozew.

Test

W swoim pozwie do sądu na Florydzie Rossi twierdzi, że test zakończył się sukcesem, a niezależny arbiter potwierdził, że reaktor E-Cat wytwarza sześciokrotnie więcej energii niż zużywa. Twierdził również, że Industrial Heat zgodził się zapłacić mu 100 mln USD – 11,5 mln USD z góry po 24-godzinnym okresie próbnym (rzekomo za prawa licencyjne, aby firma mogła sprzedawać technologię w USA) i kolejne 89 mln USD po pomyślnym zakończeniu przedłużony okres próbny w ciągu 350 dni. Rossi oskarżył IH o prowadzenie „oszukańczego programu” mającego na celu kradzież jego własności intelektualnej. Oskarżył także firmę o sprzeniewierzenie reaktorów E-Cat, nielegalne kopiowanie innowacyjne technologie i produkty, funkcjonalność i projektów oraz bezprawną próbę uzyskania patentu na jego własność intelektualną.

Kopalnia złota

W innym miejscu Rossi twierdzi, że podczas jednej ze swoich demonstracji IH otrzymał 50–60 mln dolarów od inwestorów i kolejne 200 mln dolarów od Chin po inscenizacji z udziałem wyższych urzędników chińskich. Jeśli to prawda, stawką jest znacznie więcej niż sto milionów dolarów. Industrial Heat odrzucił te twierdzenia jako bezpodstawne i zamierza się energicznie bronić. Co ważniejsze, twierdzi, że „pracowała ponad trzy lata, aby potwierdzić wyniki, które Rossi rzekomo osiągnął dzięki swojej technologii E-Cat, ale bez powodzenia”.

IH nie wierzy, że E-Cat zadziała, a New Energy Times nie widzi powodu, aby w to wątpić. W czerwcu 2011 r. przedstawiciel wydawnictwa odwiedził Włochy, przeprowadził wywiad z Rossim i sfilmował demonstrację jego E-Cata. Dzień później zgłosił poważne wątpliwości dotyczące sposobu pomiaru mocy cieplnej. Sześć dni później dziennikarz zamieścił swoje wideo na YouTube. Eksperci z całego świata przesłali mu testy, które ukazały się w lipcu. Stało się jasne, że to mistyfikacja.

Eksperymentalne potwierdzenie

Niemniej jednak wielu badaczy - Alexander Parkhomov z Uniwersytet Rosyjski Przyjaźni Narodów i Projekt Pamięci Martina Fleischmanna (MFPM) – udało się odtworzyć zimną syntezę termojądrową w Rosji. Raport MFPM nosił tytuł „Koniec ery węglowej jest bliski”. Powodem tego podziwu było odkrycie, którego nie da się wytłumaczyć inaczej niż reakcją termojądrową. Według badaczy Rossi ma dokładnie to, co mówi.

Wykonalny otwarty przepis zimna fuzja może wywołać energetyczną „gorączkę złota”. Może być znaleziony metody alternatywne, co obejdzie patenty Rossiego i utrzyma go z dala od wielomiliardowego biznesu energetycznego.

Być może więc Rossi wolałby uniknąć tego potwierdzenia.

Ponieważ jądrowe siły przyciągania działają pomiędzy jądrami atomowymi na krótkich dystansach, gdy dwa jądra zbliżają się do siebie, możliwa jest ich fuzja, czyli synteza cięższego jądra. Wszystko jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego odpychają się na duże odległości. Aby jądra mogły się połączyć i wejść w reakcję syntezy jądrowej, muszą posiadać wystarczającą energię kinetyczną, aby pokonać wzajemne odpychanie elektryczne, które jest tym większe, im większy jest ładunek jądra. Dlatego najłatwiej jest syntetyzować lekkie jądra o niskim ładunku elektrycznym. W laboratorium reakcje syntezy jądrowej można obserwować strzelając szybkimi jądrami w cel, przyspieszany w specjalnym akceleratorze (patrz Akceleratory cząstek naładowanych). W naturze reakcje termojądrowe zachodzą w bardzo gorącej materii, na przykład we wnętrzach gwiazd, w tym w centrum Słońca, gdzie temperatura wynosi 14 milionów stopni, a energia ruch termiczny niektóre z najszybszych cząstek wystarczą do pokonania odpychania elektrycznego. Fuzja jądrowa zachodząca w ogrzanej materii nazywana jest fuzją termojądrową.

Reakcje termojądrowe zachodzące w głębinach gwiazd odgrywają bardzo ważną rolę w ewolucji Wszechświata. Są źródłem jąder pierwiastków chemicznych syntetyzowanych z wodoru w gwiazdach. Są źródłem energii dla gwiazd. Głównym źródłem energii pochodzącej ze Słońca są reakcje tzw. cyklu proton-proton, w wyniku których z 4 protonów powstaje jądro helu. Energia uwalniana podczas syntezy jest odprowadzana przez powstałe jądra, kwanty promieniowania elektromagnetycznego, neutrony i neutrina. Obserwując przepływ neutrin pochodzących ze Słońca, można ustalić, jakie reakcje syntezy jądrowej i z jaką intensywnością zachodzą w jego centrum.

Unikalną cechą reakcji termojądrowych jako źródła energii jest bardzo duże uwalnianie energii na jednostkę masy reagujących substancji - 10 milionów razy więcej niż w reakcjach chemicznych. Wejście do syntezy 1 g izotopów wodoru jest równoznaczne ze spaleniem 10 ton benzyny. Dlatego naukowcy od dawna starają się opanować to gigantyczne źródło energii. W zasadzie już dzisiaj na Ziemi jesteśmy w stanie pozyskać energię termojądrową. Energią wybuchu atomowego można podgrzać materię do temperatur gwiazdowych. Tak to działa Bomba wodorowa- najstraszniejsza broń naszych czasów, w której eksplozja zapalnika nuklearnego prowadzi do natychmiastowego podgrzania mieszaniny deuteru i trytu, a następnie eksplozji termojądrowej.

Ale naukowcy nie dążą do tak niekontrolowanej syntezy, która mogłaby zniszczyć całe życie na Ziemi. Szukają sposobów na wdrożenie kontrolowanej syntezy termojądrowej. Jakie warunki trzeba w tym celu spełnić? Przede wszystkim należy oczywiście podgrzać paliwo termojądrowe do temperatury, w której z zauważalnym prawdopodobieństwem mogą zachodzić reakcje termojądrowe. Ale to nie wystarczy. Konieczne jest, aby podczas stapiania wyzwolić więcej energii, niż zużywa się na ogrzanie substancji, lub jeszcze lepiej, aby szybkie cząstki powstałe podczas topnienia same utrzymywały wymaganą temperaturę paliwa. W tym celu konieczne jest, aby substancja wchodząca do syntezy była niezawodnie odizolowana termicznie od otaczającego i naturalnie zimnego środowiska na Ziemi, to znaczy, aby czas chłodzenia, czyli, jak to się mówi, czas zatrzymania energii, był wystarczająco długi .

Wymagania dotyczące temperatury i czasu przebywania zależą od użytego paliwa. Najłatwiej przeprowadzić syntezę pomiędzy ciężkimi izotopami wodoru – deuterem (D) i trytem (T). W tym przypadku w wyniku reakcji powstaje jądro helu (He 4) i neutron. Deuter występuje na Ziemi w ogromnych ilościach w wodzie morskiej (jeden atom deuteru na każde 6000 atomów wodoru). Tryt nie występuje w przyrodzie. Dziś jest on wytwarzany sztucznie poprzez napromienianie litu w reaktorach jądrowych neutronami. Brak trytu nie stanowi jednak przeszkody w stosowaniu Reakcje D-T syntezę, ponieważ neutron powstały podczas reakcji można wykorzystać do odtworzenia trytu poprzez napromieniowanie litu, którego rezerwy na Ziemi są dość duże.

Dla wdrożenie D-T Reakcja przebiega najkorzystniej w temperaturach około 100 milionów stopni. Wymóg czasu retencji energii zależy od gęstości reagującej substancji, która w takiej temperaturze nieuchronnie będzie miała postać plazmy, czyli zjonizowanego gazu. Ponieważ intensywność reakcji termojądrowych jest tym większa, im większa jest gęstość plazmy, tym wymagania dotyczące czasu retencji energii są odwrotnie proporcjonalne do gęstości. Jeśli wyrazimy gęstość w postaci liczby jonów na 1 cm 3, to dla reakcji D-T w optymalnej temperaturze warunek uzyskania energii użytecznej można zapisać w postaci: iloczyn gęstości n i zatrzymania energii czas τ musi być większy niż 10 14 cm −3 s, czyli plazma o gęstości 10 14 jonów na 1 cm 3 powinna zauważalnie ostygnąć nie szybciej niż w ciągu 1 s.

Ponieważ prędkość cieplna jonów wodoru w wymaganej temperaturze wynosi 10,8 cm/s, jony przelatują 1000 km w ciągu 1 sekundy. Dlatego potrzebne są specjalne urządzenia, które zapobiegają przedostawaniu się plazmy do ścian, które ją izolują. Plazma to gaz składający się z mieszaniny jonów i elektronów. Naładowane cząstki poruszające się w polu magnetycznym podlegają działaniu siły, która zakrzywia ich trajektorię i zmusza je do poruszania się po okręgach o promieniach proporcjonalnych do pędu cząstek i odwrotnie proporcjonalnych do pola magnetycznego. Zatem pole magnetyczne może zapobiegać ucieczce naładowanych cząstek w kierunku prostopadłym do linii pola. Na tym opiera się idea magnetycznej izolacji cieplnej plazmy. Pole magnetyczne nie zapobiega jednak ruchowi cząstek wzdłuż linii siły: w ogólnym przypadku cząstki poruszają się spiralnie, owijając się wokół linii siły.

Fizycy wymyślili różne sztuczki, aby zapobiec ucieczce cząstek wzdłuż linii pola. Można np. zrobić „korki magnetyczne” – obszary o silniejszym polu magnetycznym, które odbijają część cząstek, ale najlepiej jest zwinąć linie pola w pierścień i zastosować toroidalne pole magnetyczne. Okazuje się jednak, że jedno pole toroidalne nie wystarczy.

Pole toroidalne jest w przestrzeni niejednorodne – jego natężenie maleje wzdłuż promienia, a w polu niejednorodnym następuje powolny ruch naładowanych cząstek – tzw. dryft – w poprzek pola magnetycznego. Dryft ten można wyeliminować przepuszczając prąd przez plazmę wzdłuż obwodu torusa. Pole magnetyczne prądu, dodane do toroidalnego pola zewnętrznego, spowoduje, że całe pole będzie spiralne.

Poruszając się spiralnie wzdłuż linii siły, naładowane cząstki będą przemieszczać się z górnej półpłaszczyzny torusa w dół i z powrotem. Jednocześnie zawsze będą dryfować w jednym kierunku, na przykład w górę. Ale będąc w górnej półpłaszczyźnie i dryfując w górę, cząstki oddalają się od środkowej płaszczyzny torusa, a będąc w dolnej półpłaszczyźnie i również dryfując w górę, cząstki wracają do niej. Zatem dryfty w górnej i dolnej połowie torusa są wzajemnie kompensowane i nie prowadzą do strat cząstek. Właśnie tak zaprojektowany jest system magnetyczny instalacji typu Tokamak, na którym najlepsze wyniki na ogrzewanie i izolację cieplną plazmy.

Oprócz izolacji termicznej plazmy konieczne jest również zapewnienie jej ogrzewania. W tokamaku można do tego celu wykorzystać prąd płynący przewodem plazmowym. W innych urządzeniach, w których zamknięcie odbywa się bez prądu, a także w samym Tokamaku, stosuje się inne metody podgrzewania w celu nagrzania do bardzo wysokich temperatur, na przykład za pomocą fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości, wtryskiwanie (wprowadzanie) do plazmy wiązki szybkich cząstek, wiązki światła generowane przez potężne lasery itp. Im większa moc urządzenia grzewczego, tym szybciej plazmę można ogrzać do wymaganej temperatury. Rozwój w ostatnich latach był bardzo potężne lasery oraz źródła wiązek relatywistycznych naładowanych cząstek umożliwiły ogrzanie małych objętości materii do temperatur termojądrowych w bardzo krótkim czasie, tak krótkim, że materia miała czas na ogrzanie i wejście w reakcje termojądrowe przed rozproszeniem w wyniku ruchu termicznego. W takich warunkach dodatkowa izolacja termiczna okazało się niepotrzebne. Jedyną rzeczą, która powstrzymuje cząstki przed rozbiciem się, jest ich własna bezwładność. Urządzenia termojądrowe oparte na tej zasadzie nazywane są inercyjnymi urządzeniami ograniczającymi. Ten nowy kierunek badań, zwany inercyjną syntezą termojądrową, obecnie dynamicznie się rozwija.