Jaka jest trudność kontrolowanej fuzji termojądrowej. Energia termojądrowa nigdy nie będzie istnieć. Zimna Fuzja Rossi

1. Wstęp

3. Problemy kontroli syntezy termojądrowej

3.1 Problemy ekonomiczne

3.2 Problemy medyczne

4. Wniosek

5. Referencje

1. Wstęp

Problem kontrolowanej syntezy termojądrowej jest jednym z najważniejszych zadań stojących przed ludzkością.

Cywilizacja ludzka nie może istnieć, nie mówiąc już o rozwoju, bez energii. Wszyscy doskonale zdają sobie sprawę, że opracowane źródła energii mogą niestety wkrótce ulec wyczerpaniu. Według Światowej Rady Energetycznej zbadane zasoby paliw węglowodorowych na Ziemi utrzymują się przez 30 lat.

Dziś głównymi źródłami energii są ropa naftowa, gaz i węgiel.

Według ekspertów zapasy tych minerałów się wyczerpują. Nie ma już prawie żadnych zbadanych, nadających się do zagospodarowania pól naftowych, a już teraz nasi wnukowie mogą borykać się z bardzo poważnym problemem braku energii.

Elektrownie jądrowe, które są najlepiej zaopatrzone w paliwo, mogłyby oczywiście zaopatrywać ludzkość w elektryczność przez ponad sto lat.

Przedmiot studiów: Problemy kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Przedmiot badań: Fuzja termojądrowa.

Cel badania: Rozwiąż problem kontroli syntezy termojądrowej;

Cele badań:

· Badanie typów reakcji termojądrowych.

· Rozważ wszystkie możliwe opcje dostarczenia człowiekowi energii uwolnionej podczas reakcji termojądrowej.

· Wysunąć teorię o zamianie energii na energię elektryczną.

Początkowy fakt:

Energia jądrowa jest uwalniana podczas rozpadu lub fuzji jąder atomowych. Każda energia - fizyczna, chemiczna lub jądrowa przejawia się w zdolności do wykonywania pracy, wypromieniowywania ciepła lub promieniowania. Energia w każdym systemie jest zawsze oszczędzana, ale można ją przenieść do innego systemu lub zmienić formę.

Osiągnięcie Warunki kontrolowanej fuzji termojądrowej są utrudnione przez kilka głównych problemów:

· Najpierw musisz podgrzać gaz do bardzo wysokiej temperatury.

· Po drugie, konieczne jest kontrolowanie liczby reagujących jąder przez wystarczająco długi czas.

· Po trzecie, ilość uwolnionej energii musi być większa niż została zużyta na ogrzewanie i ograniczenie gęstości gazu.

Kolejnym problemem jest akumulacja tej energii i przekształcenie jej w energię elektryczną

2. Reakcje termojądrowe na Słońcu

Jakie jest źródło energii słonecznej? Jaka jest natura procesów, podczas których wytwarzana jest ogromna ilość energii? Jak długo będzie świecić słońce?

Pierwsze próby odpowiedzi na te pytania podjęli astronomowie w połowie XIX wieku, po sformułowaniu przez fizyków prawa zachowania energii.

Robert Mayer zasugerował, że Słońce świeci z powodu ciągłego bombardowania powierzchni przez meteoryty i cząstki meteorów. Ta hipoteza została odrzucona, ponieważ proste obliczenia pokazują, że aby utrzymać jasność Słońca na obecnym poziomie, konieczne jest, aby co sekundę spadało na nie 2∙10 15 kg materii meteorytowej. Za rok będzie to 6∙10 22 kg, a za życia Słońca przez 5 miliardów lat - 3∙10 32 kg. Masa Słońca wynosi M = 2∙10 30 kg, dlatego w ciągu pięciu miliardów lat substancja 150 razy większa niż masa Słońca powinna spaść na Słońce.

Druga hipoteza została również wysunięta przez Helmholtza i Kelvina w połowie XIX wieku. Zasugerowali, że Słońce promieniuje, kurcząc się o 60–70 metrów rocznie. Powodem skurczu jest wzajemne przyciąganie się cząstek Słońca, dlatego hipotezę tę nazywamy skurczem. Jeśli dokonamy obliczeń zgodnie z tą hipotezą, wiek Słońca nie będzie dłuższy niż 20 milionów lat, co jest sprzeczne ze współczesnymi danymi uzyskanymi z analizy rozpadu promieniotwórczego pierwiastków w próbkach geologicznych gleby ziemskiej i gleby Księżyca .

Trzecią hipotezę dotyczącą możliwych źródeł energii słonecznej postawił na początku XX wieku James Jeans. Zasugerował, że głębiny Słońca zawierają ciężkie pierwiastki promieniotwórcze, które spontanicznie rozpadają się, podczas gdy energia jest emitowana. Na przykład przemianie uranu w tor, a następnie w ołów towarzyszy uwolnienie energii. Późniejsza analiza tej hipotezy również wykazała jej niepowodzenie; gwiazda składająca się tylko z uranu nie uwolniłaby wystarczającej ilości energii, aby zapewnić obserwowaną jasność Słońca. Ponadto istnieją gwiazdy, które są wielokrotnie jaśniejsze niż nasza gwiazda. Jest mało prawdopodobne, aby gwiazdy te zawierały również więcej materiału radioaktywnego.

Najbardziej prawdopodobną hipotezą okazała się hipoteza syntezy pierwiastków w wyniku reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd.

W 1935 roku Hans Bethe postawił hipotezę, że termojądrowa reakcja przemiany wodoru w hel może być źródłem energii słonecznej. Za to Bethe otrzymał w 1967 roku Nagrodę Nobla.

Skład chemiczny Słońca jest mniej więcej taki sam jak większości innych gwiazd. Około 75% to wodór, 25% to hel, a mniej niż 1% to wszystkie inne pierwiastki chemiczne (głównie węgiel, tlen, azot itp.). Zaraz po narodzinach Wszechświata w ogóle nie było elementów „ciężkich”. Wszystkie, tj. pierwiastki cięższe od helu, a nawet wiele cząstek alfa, powstały podczas „spalania” wodoru w gwiazdach podczas syntezy termojądrowej. Charakterystyczny czas życia gwiazdy takiej jak Słońce wynosi dziesięć miliardów lat.

Głównym źródłem energii jest cykl proton-proton - reakcja bardzo powolna (charakterystyczny czas 7,9∙10 9 lat), wynikająca z oddziaływania słabego. Jego istota polega na tym, że z czterech protonów otrzymuje się jądro helu. W tym przypadku uwalniana jest para pozytonów i para neutrin, a także energia 26,7 MeV. Liczba neutrin emitowanych przez Słońce na sekundę zależy tylko od jasności Słońca. Ponieważ w momencie uwolnienia 26,7 MeV rodzą się 2 neutrina, szybkość emisji neutrin wynosi: 1,8∙10 38 neutrin/s. Bezpośrednim testem tej teorii jest obserwacja neutrin słonecznych. Neutrina wysokoenergetyczne (bor) są rejestrowane w eksperymentach chlorowo-argonowych (eksperymenty Davisa) i konsekwentnie wykazują brak neutrin w porównaniu z wartością teoretyczną dla standardowego modelu słonecznego. Neutrina niskoenergetyczne powstające bezpośrednio w reakcji pp są rejestrowane w eksperymentach galowo-germanowych (GALLEX w Gran Sasso (Włochy-Niemcy) i SAGE w Baksan (Rosja-USA)); oni również „brakują”.

Według niektórych założeń, jeśli neutrina mają masę spoczynkową różną od zera, możliwe są oscylacje (przekształcenia) różnych typów neutrin (efekt Michewa-Smirnowa-Wolfensteina) (istnieją trzy typy neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i tauronowe) . Dlatego inne neutrina mają znacznie mniejsze przekroje poprzeczne oddziaływania z materią niż elektrony, obserwowany deficyt można wytłumaczyć bez zmiany standardowego modelu Słońca, zbudowanego na podstawie całego zestawu danych astronomicznych.

W każdej sekundzie Słońce przetwarza około 600 milionów ton wodoru. Zapasy paliwa jądrowego wystarczą na kolejne pięć miliardów lat, po czym stopniowo zamieni się w białego karła.

Centralne części Słońca skurczą się, nagrzeją, a ciepło przekazane do zewnętrznej powłoki doprowadzi do jej ekspansji do rozmiarów monstrualnych w porównaniu do współczesnych: Słońce rozszerzy się tak bardzo, że pochłonie Merkurego, Wenus i wyda ” paliwo” sto razy szybciej niż obecnie. To zwiększy rozmiar Słońca; nasza gwiazda stanie się czerwonym olbrzymem, którego wielkość jest porównywalna z odległością Ziemi od Słońca!

Oczywiście zostaniemy powiadomieni z wyprzedzeniem o takim wydarzeniu, ponieważ przejście do nowego etapu zajmie około 100-200 milionów lat. Kiedy temperatura centralnej części Słońca osiągnie 100 000 000 K, hel również zacznie się palić, zamieniając się w ciężkie pierwiastki, a Słońce wejdzie w etap złożonych cykli kurczenia się i rozszerzania. Na ostatnim etapie nasza gwiazda straci swoją zewnętrzną powłokę, centralny rdzeń będzie miał niewiarygodnie dużą gęstość i rozmiar, podobnie jak Ziemia. Minie jeszcze kilka miliardów lat, a Słońce ostygnie, zamieniając się w białego karła.

3. Problemy kontrolowanej syntezy termojądrowej

Naukowcy ze wszystkich krajów rozwiniętych pokładają swoje nadzieje w przezwyciężeniu nadchodzącego kryzysu energetycznego dzięki kontrolowanej reakcji termojądrowej. Taka reakcja - synteza helu z deuteru i trytu - zachodzi na Słońcu od milionów lat, a w warunkach ziemskich próbuje się ją przeprowadzić od pięćdziesięciu lat w gigantycznych i bardzo drogich obiektach laserowych, tokamakach. (urządzenie do przeprowadzania reakcji syntezy termojądrowej w gorącej plazmie) oraz stellaratory (zamknięta pułapka magnetyczna do przechowywania plazmy wysokotemperaturowej). Istnieją jednak inne sposoby rozwiązania tego trudnego problemu i zamiast ogromnych tokamaków prawdopodobnie będzie można użyć raczej kompaktowego i niedrogiego zderzacza - akceleratora na zderzających się wiązkach - do realizacji syntezy termojądrowej.

Tokamak wymaga do działania bardzo małych ilości litu i deuteru. Na przykład reaktor o mocy elektrycznej 1 GW spala około 100 kg deuteru i 300 kg litu rocznie. Jeśli założymy, że wszystkie elektrownie termojądrowe wyprodukują 10 bilionów. kW/h energii elektrycznej rocznie, czyli tyle, ile dziś produkują wszystkie elektrownie na Ziemi, to światowe rezerwy deuteru i litu wystarczą na zaopatrzenie ludzkości w energię przez wiele milionów lat.

Oprócz fuzji deuteru i litu, fuzja czysto słoneczna jest możliwa, gdy dwa atomy deuteru zostaną połączone. Jeśli ta reakcja zostanie opanowana, problemy energetyczne zostaną rozwiązane natychmiast i na zawsze.

W żadnym ze znanych wariantów kontrolowanej fuzji termojądrowej (CTF) reakcje termojądrowe nie mogą wejść w tryb niekontrolowanego wzrostu mocy, dlatego takie reaktory nie są iskrobezpieczne.

Z fizycznego punktu widzenia problem jest sformułowany w prosty sposób. Aby wystąpiła samopodtrzymująca się reakcja syntezy jądrowej, konieczne i wystarczające jest spełnienie dwóch warunków.

1. Energia jąder biorących udział w reakcji musi wynosić co najmniej 10 keV. Aby rozpoczęła się fuzja jądrowa, jądra uczestniczące w reakcji muszą wpaść w pole sił jądrowych, których promień wynosi 10-12-10-13 s.cm. Jednak jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i podobne ładunki odpychają się nawzajem. Na granicy działania sił jądrowych energia odpychania kulombowskiego wynosi około 10 keV. Aby pokonać tę barierę, jądra w zderzeniu muszą mieć energię kinetyczną co najmniej nie mniejszą od tej wartości.

2. Iloczyn stężenia reagujących jąder i czasu retencji, podczas którego zachowują wskazaną energię, musi wynosić co najmniej 1014 s.cm-3. Warunek ten – tzw. kryterium Lawsona – określa granicę opłacalności energetycznej reakcji. Aby energia uwalniana w reakcji fuzji przynajmniej pokryła koszty energii inicjacji reakcji, jądra atomowe muszą przejść wiele zderzeń. W każdym zderzeniu, w którym zachodzi reakcja fuzji między deuterem (D) a trytem (T), uwalniane jest 17,6 MeV energii, czyli około 3,10-12 J. Jeśli na przykład zużywa się 10 MJ energii na zapłon, to reakcja załamie się, nawet jeśli weźmie w niej udział co najmniej 3.1018 par D-T. A do tego dość gęsta plazma wysokoenergetyczna musi być utrzymywana w reaktorze przez długi czas. Warunek ten wyraża kryterium Lawsona.

Jeśli oba wymagania będą mogły być spełnione jednocześnie, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej zostanie rozwiązany.

Jednak techniczne wdrożenie tego fizycznego problemu napotyka ogromne trudności. W końcu energia 10 keV to temperatura 100 milionów stopni. Substancję w takiej temperaturze można utrzymać nawet przez ułamki sekundy tylko w próżni, izolując ją od ścianek instalacji.

Ale jest inna metoda rozwiązania tego problemu - zimna fuzja. Co to jest zimna fuzja - jest to analog „gorącej” reakcji termojądrowej zachodzącej w temperaturze pokojowej.

W naturze istnieją co najmniej dwa sposoby zmiany materii w jednym wymiarze kontinuum. Możesz zagotować wodę w ogniu, tj. termicznie lub w kuchence mikrofalowej, tj. częstotliwość. Wynik jest taki sam - woda wrze, jedyną różnicą jest to, że metoda częstotliwościowa jest szybsza. Wykorzystuje również osiągnięcie ultrawysokiej temperatury do rozszczepienia jądra atomu. Metoda termiczna daje niekontrolowaną reakcję jądrową. Energia zimnej fuzji to energia stanu przejściowego. Jednym z głównych warunków projektowania reaktora do przeprowadzania reakcji fuzji na zimno jest stan jego postaci piramidalnokrystalicznej. Kolejnym ważnym warunkiem jest obecność wirujących pól magnetycznych i torsyjnych. Przecięcie pól następuje w punkcie równowagi niestabilnej jądra wodoru.

Naukowcy Ruzi Taleiarkhan z Oak Ridge National Laboratory, Richard Leikhi z Politechniki. Renssilira i akademik Robert Nigmatulin - zarejestrowali w laboratorium zimną reakcję termojądrową.

Grupa użyła zlewki z płynnym acetonem wielkości dwóch do trzech szklanek. Fale dźwiękowe były intensywnie transmitowane przez ciecz, wywołując efekt znany w fizyce jako kawitacja akustyczna, której konsekwencją jest soluminescencja. Podczas kawitacji w cieczy pojawiły się małe pęcherzyki, które zwiększyły się do dwóch milimetrów średnicy i eksplodowały. Eksplozjom towarzyszyły błyski światła i wyzwolenie energii tj. temperatura wewnątrz bąbelków w momencie wybuchu sięgała 10 milionów stopni Kelvina, a uwolniona energia, zdaniem eksperymentatorów, wystarcza do przeprowadzenia fuzji termojądrowej.

„Technicznie” istota reakcji polega na tym, że w wyniku połączenia dwóch atomów deuteru powstaje trzeci – izotop wodoru zwany trytem oraz neutron charakteryzujący się ogromną ilością energii .

3.1 Problemy ekonomiczne

Przy tworzeniu TCB zakłada się, że będzie to duża instalacja wyposażona w potężne komputery. To będzie całe małe miasto. Ale w razie wypadku lub awarii sprzętu, działanie stacji zostanie zakłócone.

Nie jest to przewidziane na przykład w nowoczesnych projektach elektrowni jądrowych. Uważa się, że najważniejsze jest ich zbudowanie, a to, co dzieje się dalej, nie jest ważne.

Ale w przypadku awarii 1 stacji, wiele miast pozostanie bez prądu. Widać to na przykładzie elektrowni atomowej w Armenii. Usuwanie odpadów radioaktywnych stało się bardzo kosztowne. Na wniosek zielonej elektrowni jądrowej została zamknięta. Ludność została pozbawiona prądu, sprzęt elektrowni był zużyty, a pieniądze przeznaczone na odbudowę przez organizacje międzynarodowe zostały zmarnowane.

Poważnym problemem ekonomicznym jest dekontaminacja porzuconych przemysłów, w których przetwarzano uran. Na przykład „miasto Aktau ma swój mały„ Czarnobyl ”. Znajduje się na terenie zakładu chemiczno-hydrometalurgicznego (KhGMZ). Promieniowanie tła promieniowania gamma w zakładzie przetwarzania uranu (HMC) w niektórych miejscach dociera 11 000 mikrorentgenów na godzinę, średni poziom tła wynosi 200 mikrorentgenów (Zwykłe tło naturalne wynosi od 10 do 25 mikrorentgenów na godzinę. Po wyłączeniu zakładu w ogóle nie przeprowadzano tu dekontaminacji. Znaczące część sprzętu, około piętnastu tysięcy ton, ma już nieusuwalną radioaktywność.Jednocześnie takie niebezpieczne przedmioty są przechowywane na otwartej przestrzeni, słabo strzeżone i stale wywożone z terytorium khGMZ.

Dlatego, ponieważ nie ma wiecznych produkcji, w związku z pojawieniem się nowych technologii, TCB może zostać zamknięty, a następnie przedmioty, metale z przedsiębiorstwa wejdą na rynek i ucierpi lokalna ludność.

W układzie chłodzenia TCB będzie używana woda. Ale według ekologów, jeśli weźmiemy statystyki dotyczące elektrowni jądrowych, woda z tych zbiorników nie nadaje się do picia.

Według ekspertów zbiornik jest pełen metali ciężkich (w szczególności toru-232), a w niektórych miejscach poziom promieniowania gamma sięga 50-60 mikrorentgenów na godzinę.

Oznacza to, że teraz podczas budowy elektrowni jądrowych nie są przewidziane środki, które przywróciłyby obszar do pierwotnego stanu. A po zamknięciu przedsiębiorstwa nikt nie wie, jak zakopać nagromadzone odpady i posprzątać dawne przedsiębiorstwo.

3.2 Problemy medyczne

Szkodliwe skutki CTS obejmują produkcję mutantów wirusów i bakterii, które wytwarzają szkodliwe substancje. Dotyczy to zwłaszcza wirusów i bakterii w ludzkim ciele. Pojawienie się nowotworów złośliwych i raka najprawdopodobniej będzie powszechną chorobą wśród mieszkańców wsi mieszkających w pobliżu TCB. Mieszkańcy zawsze cierpią bardziej, ponieważ nie mają środków ochrony. Dozymetry są drogie, a leki nie są dostępne. Odpady z TCF będą wrzucane do rzek, odprowadzane do powietrza lub pompowane do warstw podziemnych, co dzieje się obecnie w elektrowniach jądrowych.

Oprócz uszkodzeń, które pojawiają się wkrótce po ekspozycji na wysokie dawki, promieniowanie jonizujące powoduje skutki długoterminowe. Zasadniczo karcynogeneza i zaburzenia genetyczne, które mogą wystąpić przy dowolnej dawce i rodzaju narażenia (pojedyncza, przewlekła, miejscowa).

Według doniesień lekarzy, którzy rejestrowali choroby pracowników elektrowni jądrowych, najpierw są to choroby układu krążenia (zawały serca), a następnie nowotwory. Mięsień sercowy pod wpływem promieniowania staje się cieńszy, zwiotczały, mniej wytrzymały. Są dość niezrozumiałe choroby. Na przykład niewydolność wątroby. Ale dlaczego tak się dzieje, żaden z lekarzy nadal nie wie. Jeżeli podczas wypadku do dróg oddechowych dostaną się substancje promieniotwórcze, lekarze wycinają uszkodzone tkanki płuc i tchawicy, a osoba niepełnosprawna chodzi z przenośnym aparatem do oddychania

4. Wniosek

Ludzkość potrzebuje energii, a zapotrzebowanie na nią rośnie z roku na rok. Jednocześnie zasoby tradycyjnych paliw naturalnych (ropa, węgiel, gaz itp.) są ograniczone. Istnieją również ograniczone zapasy paliwa jądrowego – uranu i toru, z których można pozyskiwać pluton w reaktorach reprodukcyjnych. Zapasy paliwa termojądrowego – wodoru – są praktycznie niewyczerpane.

W 1991 roku po raz pierwszy udało się pozyskać znaczną ilość energii – około 1,7 miliona watów w wyniku kontrolowanej syntezy jądrowej we Wspólnym Laboratorium Europejskim (Torus). W grudniu 1993 roku naukowcy z Princeton University wykorzystali reaktor termojądrowy typu tokamak do wytworzenia kontrolowanej reakcji jądrowej, uwolniona energia wyniosła 5,6 miliona watów. Jednak zarówno reaktor typu tokamak, jak i laboratorium Torus zużywały więcej energii, niż otrzymało.

Jeśli produkcja energii z syntezy jądrowej stanie się praktycznie przystępna cenowo, zapewni to nieograniczone źródło paliwa.

5. Referencje

1) Magazyn „New Look” (Fizyka; Dla przyszłej elity).

2) Podręcznik Fizyki do klasy 11.

3) Akademia Energii (analityka; pomysły; projekty).

4) Ludzie i atomy (William Lawrence).

5) Elementy wszechświata (Seaborg i Valens).

6) Radziecki słownik encyklopedyczny.

7) Encyklopedia Encarta 96.

8) Astronomia - http://www.college.ru./astronomia.

Sivkova Olga Dmitrievna

Praca ta zajęła 3 miejsce na regionalnym NOU

Ściągnij:

Zapowiedź:

Miejska instytucja edukacyjna

Szkoła średnia nr 175

Rejon Leninski w Niżnym Nowogrodzie

Problemy syntezy termojądrowej

Wypełnił: Sivkova Olga Dmitrievna

Uczeń 11 klasy "A", numer szkoły 175

Doradca naukowy:

Kirzhaeva D.G.

Niżny Nowogród

rok 2013.

Wprowadzenie 3

2. Kontrolowana fuzja termojądrowa 8

3. Zalety fuzji termojądrowej 10

4. Problemy syntezy termojądrowej 12

4.1 Zagadnienia środowiskowe 15

4.2 Problemy medyczne 16

5. Instalacje termojądrowe 18

6. Perspektywy rozwoju syntezy termojądrowej 23

Wniosek 26

Literatura 27

Wstęp

Według różnych prognoz główne źródła energii elektrycznej na planecie skończą się za 50-100 lat. Ludzkość wyczerpie zapasy ropy za 40 lat, gazu - maksymalnie 80, a uranu - za 80-100 lat. Zasoby węgla mogą wystarczyć na 400 lat, ale wykorzystanie tego paliwa kopalnego, jako głównego, stawia planetę poza krawędzią katastrofy ekologicznej. Jeśli takie bezlitosne zanieczyszczenie atmosfery nie zostanie powstrzymane dzisiaj, nie może być mowy o wiekach. Oznacza to, że w przewidywalnej przyszłości potrzebujemy alternatywnego źródła energii.

I jest takie źródło. Jest to energia termojądrowa, która wykorzystuje absolutnie nieradioaktywny deuter i radioaktywny tryt, ale w objętościach tysiące razy mniejszych niż w energii jądrowej. A to źródło jest praktycznie niewyczerpane, opiera się na zderzeniu jąder wodoru, a wodór jest najpowszechniejszą substancją we wszechświecie.

Jednym z najważniejszych zadań stojących przed ludzkością w tej dziedzinie jest:problem kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Cywilizacja ludzka nie może istnieć, nie mówiąc już o rozwoju, bez energii. Wszyscy doskonale zdają sobie sprawę, że opracowane źródła energii mogą niestety wkrótce ulec wyczerpaniu. Według Światowej Rady Energetycznej zbadane zasoby paliw węglowodorowych na Ziemi utrzymują się przez 30 lat.

Dziś głównymi źródłami energii są ropa naftowa, gaz i węgiel.

Według ekspertów zapasy tych minerałów się wyczerpują. Nie ma już prawie żadnych zbadanych, nadających się do zagospodarowania pól naftowych, a już teraz nasi wnukowie mogą borykać się z bardzo poważnym problemem braku energii.

Elektrownie jądrowe, które są najlepiej zaopatrzone w paliwo, mogłyby oczywiście zaopatrywać ludzkość w elektryczność przez ponad sto lat.

Przedmiot studiów: Problemy kontrolowana fuzja termojądrowa.

Przedmiot badań:Fuzja termojądrowa.

Cel badania:Rozwiąż problem kontroli syntezy termojądrowej;

Cele badań:

• Badanie rodzajów reakcji termojądrowych.
• Rozważ wszystkie możliwe opcje dostarczania energii uwolnionej podczas reakcji termojądrowej na osobę.
• Wysuń teorię o zamianie energii na energię elektryczną.

Początkowy fakt:

Energia jądrowa jest uwalniana podczas rozpadu lub fuzji jąder atomowych. Każda energia - fizyczna, chemiczna lub jądrowa przejawia się w zdolności do wykonywania pracy, wypromieniowywania ciepła lub promieniowania. Energia w każdym systemie jest zawsze oszczędzana, ale można ją przenieść do innego systemu lub zmienić formę.

Osiągnięcie Warunki kontrolowanej fuzji termojądrowej są utrudnione przez kilka głównych problemów:

• Najpierw gaz musi zostać podgrzany do bardzo wysokiej temperatury.
• Po drugie, należy przez wystarczająco długi czas kontrolować liczbę reagujących jąder.
• Po trzecie, ilość uwolnionej energii musi być większa niż została zużyta na ogrzewanie i ograniczenie gęstości gazu.
• Kolejnym problemem jest akumulacja tej energii i przekształcenie jej w energię elektryczną.

1. Reakcje termojądrowe na Słońcu

Jakie jest źródło energii słonecznej? Jaka jest natura procesów, podczas których wytwarzana jest ogromna ilość energii? Jak długo będzie świecić słońce?

Pierwsze próby odpowiedzi na te pytania podjęli astronomowie w połowie XIX wieku, po sformułowaniu przez fizyków prawa zachowania energii.

Robert Mayer zasugerował, że Słońce świeci z powodu ciągłego bombardowania powierzchni przez meteoryty i cząstki meteorów. Ta hipoteza została odrzucona, ponieważ proste obliczenia pokazują, że aby utrzymać jasność Słońca na obecnym poziomie, konieczne jest, aby 2∙10 15 kg materii meteorytowej. Za rok będzie to 6∙10 22 kg, a podczas istnienia Słońca przez 5 miliardów lat - 3∙10 32 kg. Masa słońca M = 2∙10 30 kg zatem w ciągu pięciu miliardów lat materia 150 razy większa od masy Słońca powinna spaść na Słońce.

Druga hipoteza została również wysunięta przez Helmholtza i Kelvina w połowie XIX wieku. Zasugerowali, że Słońce promieniuje, kurcząc się o 60–70 metrów rocznie. Powodem kompresji jest wzajemne przyciąganie cząstek Słońca, dlatego ta hipoteza nazywa się umowny . Jeśli dokonamy obliczeń zgodnie z tą hipotezą, wiek Słońca nie będzie dłuższy niż 20 milionów lat, co jest sprzeczne ze współczesnymi danymi uzyskanymi z analizy rozpadu promieniotwórczego pierwiastków w próbkach geologicznych gleby ziemskiej i gleby Księżyca .

Trzecią hipotezę dotyczącą możliwych źródeł energii słonecznej postawił na początku XX wieku James Jeans. Zasugerował, że głębiny Słońca zawierają ciężkie pierwiastki promieniotwórcze, które spontanicznie rozpadają się, podczas gdy energia jest emitowana. Na przykład przemianie uranu w tor, a następnie w ołów towarzyszy uwolnienie energii. Późniejsza analiza tej hipotezy również wykazała jej niepowodzenie; gwiazda składająca się tylko z uranu nie uwolniłaby wystarczającej ilości energii, aby zapewnić obserwowaną jasność Słońca. Ponadto istnieją gwiazdy, które są wielokrotnie jaśniejsze niż nasza gwiazda. Jest mało prawdopodobne, aby gwiazdy te zawierały również więcej materiału radioaktywnego.

Najbardziej prawdopodobną hipotezą okazała się hipoteza syntezy pierwiastków w wyniku reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd.

W 1935 roku Hans Bethe postawił hipotezę, że termojądrowa reakcja przemiany wodoru w hel może być źródłem energii słonecznej. Za to Bethe otrzymał w 1967 roku Nagrodę Nobla.

Skład chemiczny Słońca jest mniej więcej taki sam jak większości innych gwiazd. Około 75% to wodór, 25% to hel, a mniej niż 1% to wszystkie inne pierwiastki chemiczne (głównie węgiel, tlen, azot itp.). Zaraz po narodzinach Wszechświata w ogóle nie było elementów „ciężkich”. Wszystkie, tj. pierwiastki cięższe od helu, a nawet wiele cząstek alfa, powstały podczas „spalania” wodoru w gwiazdach podczas syntezy termojądrowej. Charakterystyczny czas życia gwiazdy takiej jak Słońce wynosi dziesięć miliardów lat.

Głównym źródłem energii jestcykl proton-proton – bardzo wolna reakcja (czas charakterystyczny 7,9∙10 9 lat), ponieważ jest to spowodowane słabą interakcją. Jego istota polega na tym, że z czterech protonów otrzymuje się jądro helu. W tym przypadku uwalniana jest para pozytonów i para neutrin, a także energia 26,7 MeV. Liczba neutrin emitowanych przez Słońce na sekundę zależy tylko od jasności Słońca. Od momentu uwolnienia 26,7 MeV rodzą się 2 neutrina, to wskaźnik emisji neutrin: 1,8∙10 38 neutrino/s. Bezpośrednim testem tej teorii jest obserwacja neutrin słonecznych. Neutrina wysokoenergetyczne (bor) są rejestrowane w eksperymentach chlorowo-argonowych (eksperymenty Davisa) i konsekwentnie wykazują brak neutrin w porównaniu z wartością teoretyczną dla standardowego modelu słonecznego. Neutrina niskoenergetyczne powstające bezpośrednio w reakcji pp są rejestrowane w eksperymentach galowo-germanowych (GALLEX w Gran Sasso (Włochy-Niemcy) i SAGE w Baksan (Rosja-USA)); oni również „brakują”.

Według niektórych założeń, jeśli neutrina mają masę spoczynkową różną od zera, możliwe są oscylacje (przekształcenia) różnych typów neutrin (efekt Michewa-Smirnowa-Wolfensteina) (istnieją trzy typy neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i tauronowe) . Dlatego inne neutrina mają znacznie mniejsze przekroje poprzeczne oddziaływania z materią niż elektrony, obserwowany deficyt można wytłumaczyć bez zmiany standardowego modelu Słońca, zbudowanego na podstawie całego zestawu danych astronomicznych.

W każdej sekundzie Słońce przetwarza około 600 milionów ton wodoru. Zapasy paliwa jądrowego wystarczą na kolejne pięć miliardów lat, po czym stopniowo zamieni się w białego karła.

Centralne części Słońca skurczą się, nagrzeją, a ciepło przekazane do zewnętrznej powłoki doprowadzi do jej ekspansji do rozmiarów monstrualnych w porównaniu do współczesnych: Słońce rozszerzy się tak bardzo, że pochłonie Merkurego, Wenus i wyda ” paliwo” sto razy szybciej niż obecnie. To zwiększy rozmiar Słońca; nasza gwiazda stanie się czerwonym olbrzymem, którego wielkość jest porównywalna z odległością Ziemi od Słońca!

Oczywiście zostaniemy powiadomieni z wyprzedzeniem o takim wydarzeniu, ponieważ przejście do nowego etapu zajmie około 100-200 milionów lat. Kiedy temperatura centralnej części Słońca osiągnie 100 000 000 K, hel również zacznie się palić, zamieniając się w ciężkie pierwiastki, a Słońce wejdzie w etap złożonych cykli kurczenia się i rozszerzania. Na ostatnim etapie nasza gwiazda straci swoją zewnętrzną powłokę, centralny rdzeń będzie miał niewiarygodnie dużą gęstość i rozmiar, podobnie jak Ziemia. Minie jeszcze kilka miliardów lat, a Słońce ostygnie, zamieniając się w białego karła.

2. Kontrolowana fuzja termojądrowa.

Kontrolowana fuzja termojądrowa (CTF) to synteza cięższych jąder atomowych z lżejszych w celu uzyskania energii, która w przeciwieństwie do wybuchowej syntezy termojądrowej (stosowanej w broni termojądrowej) jest kontrolowana. Kontrolowana fuzja termojądrowa różni się od tradycyjnej energii jądrowej tym, że ta ostatnia wykorzystuje reakcję rozszczepienia, podczas której z ciężkich jąder uzyskuje się lżejsze jądra. Deuter ( 2 H) i trytu (3 H), a w dalszej przyszłości hel-3 ( 3 He) i bor-11 (11 B).

Kontrolowana fuzja termojądrowa może wykorzystywać różne rodzaje reakcji termojądrowych w zależności od rodzaju użytego paliwa.

Deuter jest klasyfikowany jako paliwo termojądrowe. 2 D 1 , tryt 3 T 1 i 6 Li 3 . Podstawowym paliwem jądrowym tego typu jest deuter. 6 Li 3 służy jako surowiec do uzyskania wtórnego paliwa termojądrowego - tryt.

Tryt 3 T 1 - superciężki wodór 3 N 1 – uzyskany przez napromieniowanie naturalnego Li ( 7,52% 6 Li 3 ) neutrony i cząstki alfa ( 4α 2 - jądra atomów helu 4 Nie 2 ). Deuter jest używany jako paliwo termojądrowe zmieszane z trytem i 6 Li 3 (w postaci LiD i LiТ ). Podczas realizacji reakcji syntezy jądrowej w paliwie zachodzą reakcje syntezy jąder helu (w temperaturze od dziesiątek do setek milionów stopni). Emitowane neutrony są pochłaniane przez jądra 6 Li 3 , natomiast dodatkowa ilość trytu powstaje zgodnie z reakcją: 6 Li 3 + 1 p 0 \u003d 3 T 1 + 4 He 2 ( w reakcji sumy liczb masowych 6+1=3+4 i sumy ładunków 3+0=1+2 powinna być taka sama po obu stronach równania). Dwa jądra deuteru (ciężki wodór) dają w wyniku reakcji fuzji jedno jądro trytu (superciężki wodór) i proton (jądro normalnego atomu wodoru): 2 D 1 + 2 D 1 \u003d 3 T 1 + 1 R 1; Reakcje mogą również przebiegać w drugą stronę, tworząc jądro izotopu helu 3 He 2 i neutron 1 p 0 : 2 D 1 + 2 D 1 = 3 He 2 + 1 p 0 . Tryt reaguje z deuterem, ponownie pojawiają się neutrony, zdolne do interakcji z 6 Li 3: 2 D 1 + 3 T 1 \u003d 4 He 2 + 1 p 0 itp. Wartość opałowa paliwa termojądrowego jest 5–6 razy wyższa niż materiałów rozszczepialnych. Rezerwy deuteru w hydrosferze są około 10 13 t . Jednak obecnie w praktyce przeprowadzane są tylko niekontrolowane reakcje (wybuch), a szeroko poszukuje się sposobów na przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej, która w zasadzie umożliwia zaopatrzenie ludzkości w energię na prawie nieograniczony okres czasu. czas.

3. Zalety fuzji termojądrowej

Jakie zalety ma fuzja termojądrowa w porównaniu z reakcjami rozszczepienia jądra, które pozwalają nam mieć nadzieję na rozwój energii termojądrowej na dużą skalę? Główna i podstawowa różnica polega na braku długożyciowych odpadów promieniotwórczych, co jest typowe dla reaktorów rozszczepienia jądrowego. I choć pierwsza ściana jest aktywowana przez neutrony podczas pracy reaktora termojądrowego, to dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych o niskiej aktywacji otwiera fundamentalną możliwość stworzenia reaktora termojądrowego, w którym indukowana aktywność pierwszej ściany zmniejszy się do całkowitego bezpieczny poziom trzydzieści lat po wyłączeniu reaktora. Oznacza to, że przestarzały reaktor będzie musiał być zamknięty przez okres zaledwie 30 lat, po czym materiały można będzie poddać recyklingowi i wykorzystać w nowym reaktorze termojądrowym. Sytuacja ta zasadniczo różni się od reaktorów rozszczepiania, które wytwarzają odpady radioaktywne, które wymagają przetwarzania i przechowywania przez dziesiątki tysięcy lat. Oprócz niskiej radioaktywności energia termojądrowa ma ogromne, prawie niewyczerpane rezerwy paliwa i innych niezbędnych materiałów, wystarczające do produkcji energii przez setki, jeśli nie tysiące lat.

To właśnie te zalety skłoniły główne kraje nuklearne do rozpoczęcia szeroko zakrojonych badań nad kontrolowaną syntezą termojądrową w połowie lat pięćdziesiątych. Do tego czasu przeprowadzono już pierwsze udane testy bomb wodorowych w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych, co potwierdziło fundamentalną możliwość wykorzystania energii syntezy jądrowej w warunkach ziemskich. Od samego początku stało się jasne, że kontrolowana fuzja termojądrowa nie ma zastosowania militarnego. W 1956 roku badania zostały odtajnione i od tego czasu prowadzone są w ramach szerokiej współpracy międzynarodowej. Bomba wodorowa powstała w zaledwie kilka lat i wtedy wydawało się, że cel jest bliski, a pierwsze duże obiekty eksperymentalne, zbudowane pod koniec lat 50., otrzymają plazmę termojądrową. Jednak ponad 40 lat badań zajęło stworzenie warunków, w których uwalnianie mocy termojądrowej jest porównywalne z mocą grzewczą mieszaniny reagującej. W 1997 roku największa instalacja termojądrowa, europejski TOKAMAK (JET), otrzymała 16 MW mocy termojądrowej i zbliżyła się do tego progu.

Jaki był powód takiego opóźnienia? Okazało się, że aby osiągnąć cel, fizycy i inżynierowie musieli rozwiązać wiele problemów, o których na początku podróży nie mieli pojęcia. W ciągu tych 40 lat powstała nauka - fizyka plazmy, która umożliwiła zrozumienie i opisanie złożonych procesów fizycznych zachodzących w reagującej mieszaninie. Inżynierowie musieli rozwiązać równie trudne problemy, w tym jak stworzyć głęboką próżnię w dużych ilościach, wybrać i przetestować odpowiednie materiały konstrukcyjne, opracować duże magnesy nadprzewodnikowe, potężne lasery i źródła promieniowania rentgenowskiego, opracować systemy zasilania impulsowego zdolne do tworzenia potężnych wiązek cząstek, opracowanie metod ogrzewania mieszaniny o wysokiej częstotliwości i wiele więcej.

4. Problemy kontrolowanej syntezy termojądrowej

Naukowcy ze wszystkich krajów rozwiniętych pokładają swoje nadzieje w przezwyciężeniu nadchodzącego kryzysu energetycznego dzięki kontrolowanej reakcji termojądrowej. Taka reakcja - synteza helu z deuteru i trytu - zachodzi na Słońcu od milionów lat, a w warunkach ziemskich próbuje się ją przeprowadzić od pięćdziesięciu lat w gigantycznych i bardzo drogich obiektach laserowych, tokamakach. (urządzenie do przeprowadzania reakcji syntezy termojądrowej w gorącej plazmie) oraz stellaratory (zamknięta pułapka magnetyczna do przechowywania plazmy wysokotemperaturowej). Istnieją jednak inne sposoby rozwiązania tego trudnego problemu i zamiast ogromnych tokamaków prawdopodobnie będzie można użyć raczej kompaktowego i niedrogiego zderzacza - akceleratora na zderzających się wiązkach - do realizacji syntezy termojądrowej.

Tokamak wymaga do działania bardzo małych ilości litu i deuteru. Na przykład reaktor o mocy elektrycznej 1 GW spala około 100 kg deuteru i 300 kg litu rocznie. Jeśli założymy, że wszystkie elektrownie termojądrowe wyprodukują 10 bilionów. kW/h energii elektrycznej rocznie, czyli tyle, ile dziś produkują wszystkie elektrownie na Ziemi, to światowe rezerwy deuteru i litu wystarczą na zaopatrzenie ludzkości w energię przez wiele milionów lat.

Oprócz fuzji deuteru i litu, fuzja czysto słoneczna jest możliwa, gdy dwa atomy deuteru zostaną połączone. Jeśli ta reakcja zostanie opanowana, problemy energetyczne zostaną rozwiązane natychmiast i na zawsze.

W żadnym ze znanych wariantów kontrolowanej fuzji termojądrowej (CTF) reakcje termojądrowe nie mogą wejść w tryb niekontrolowanego wzrostu mocy, dlatego takie reaktory nie są iskrobezpieczne.

Z fizycznego punktu widzenia problem jest sformułowany w prosty sposób. Aby wystąpiła samopodtrzymująca się reakcja syntezy jądrowej, konieczne i wystarczające jest spełnienie dwóch warunków.

1. Energia jąder uczestniczących w reakcji musi wynosić co najmniej 10 keV. Aby rozpoczęła się fuzja jądrowa, jądra uczestniczące w reakcji muszą wpaść w pole sił jądrowych, których promień wynosi 10-12-10-13 s.cm. Jednak jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i podobne ładunki odpychają się nawzajem. Na granicy działania sił jądrowych energia odpychania kulombowskiego wynosi około 10 keV. Aby pokonać tę barierę, jądra w zderzeniu muszą mieć energię kinetyczną co najmniej nie mniejszą od tej wartości.
2. Iloczyn stężenia reagujących jąder i czasu retencji, podczas którego zachowują wskazaną energię, musi wynosić co najmniej 1014 s.cm-3. Warunek ten – tzw. kryterium Lawsona – określa granicę opłacalności energetycznej reakcji. Aby energia uwalniana w reakcji fuzji przynajmniej pokryła koszty energii inicjacji reakcji, jądra atomowe muszą przejść wiele zderzeń. W każdym zderzeniu, w którym zachodzi reakcja fuzji między deuterem (D) a trytem (T), uwalniane jest 17,6 MeV energii, czyli około 3,10-12 J. Jeśli na przykład zużywa się 10 MJ energii na zapłon, to reakcja załamie się, nawet jeśli weźmie w niej udział co najmniej 3.1018 par D-T. A do tego dość gęsta plazma wysokoenergetyczna musi być utrzymywana w reaktorze przez długi czas. Warunek ten wyraża kryterium Lawsona.

Jeśli oba wymagania będą mogły być spełnione jednocześnie, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej zostanie rozwiązany.

Jednak techniczne wdrożenie tego fizycznego problemu napotyka ogromne trudności. W końcu energia 10 keV to temperatura 100 milionów stopni. Substancję w takiej temperaturze można utrzymać nawet przez ułamki sekundy tylko w próżni, izolując ją od ścianek instalacji.

Ale jest inna metoda rozwiązania tego problemu - zimna fuzja. Co to jest zimna fuzja - jest to analog „gorącej” reakcji termojądrowej zachodzącej w temperaturze pokojowej.

W naturze istnieją co najmniej dwa sposoby zmiany materii w jednym wymiarze kontinuum. Możesz zagotować wodę w ogniu, tj. termicznie lub w kuchence mikrofalowej, tj. częstotliwość. Wynik jest taki sam - woda wrze, jedyną różnicą jest to, że metoda częstotliwościowa jest szybsza. Wykorzystuje również osiągnięcie ultrawysokiej temperatury do rozszczepienia jądra atomu. Metoda termiczna daje niekontrolowaną reakcję jądrową. Energia zimnej fuzji to energia stanu przejściowego. Jednym z głównych warunków projektowania reaktora do przeprowadzania reakcji fuzji na zimno jest stan jego postaci piramidalnokrystalicznej. Kolejnym ważnym warunkiem jest obecność wirujących pól magnetycznych i torsyjnych. Przecięcie pól następuje w punkcie równowagi niestabilnej jądra wodoru.

Naukowcy Ruzi Taleiarkhan z Oak Ridge National Laboratory, Richard Leikhi z Politechniki. Renssilira i akademik Robert Nigmatulin - zarejestrowali w laboratorium zimną reakcję termojądrową.

Grupa użyła zlewki z płynnym acetonem wielkości dwóch do trzech szklanek. Fale dźwiękowe były intensywnie transmitowane przez ciecz, wywołując efekt znany w fizyce jako kawitacja akustyczna, której konsekwencją jest soluminescencja. Podczas kawitacji w cieczy pojawiły się małe pęcherzyki, które zwiększyły się do dwóch milimetrów średnicy i eksplodowały. Eksplozjom towarzyszyły błyski światła i wyzwolenie energii tj. temperatura wewnątrz bąbelków w momencie wybuchu sięgała 10 milionów stopni Kelvina, a uwolniona energia, zdaniem eksperymentatorów, wystarcza do przeprowadzenia fuzji termojądrowej.

„Technicznie” istota reakcji polega na tym, że w wyniku połączenia dwóch atomów deuteru powstaje trzeci – izotop wodoru zwany trytem oraz neutron charakteryzujący się ogromną ilością energii .

4.1 Problemy ekonomiczne

Przy tworzeniu TCB zakłada się, że będzie to duża instalacja wyposażona w potężne komputery. To będzie całe małe miasto. Ale w razie wypadku lub awarii sprzętu, działanie stacji zostanie zakłócone.

Nie jest to przewidziane na przykład w nowoczesnych projektach elektrowni jądrowych. Uważa się, że najważniejsze jest ich zbudowanie, a to, co dzieje się dalej, nie jest ważne.

Ale w przypadku awarii 1 stacji, wiele miast pozostanie bez prądu. Widać to na przykładzie elektrowni atomowej w Armenii. Usuwanie odpadów radioaktywnych stało się bardzo kosztowne. Na wniosek zielonej elektrowni jądrowej została zamknięta. Ludność została pozbawiona prądu, sprzęt elektrowni był zużyty, a pieniądze przeznaczone na odbudowę przez organizacje międzynarodowe zostały zmarnowane.

Poważnym problemem ekonomicznym jest dekontaminacja porzuconych przemysłów, w których przetwarzano uran. Na przykład „miasto Aktau ma swój mały„ Czarnobyl ”. Znajduje się na terenie zakładu chemiczno-hydrometalurgicznego (KhGMZ). Promieniowanie tła promieniowania gamma w zakładzie przetwarzania uranu (HMC) w niektórych miejscach dociera 11 000 mikrorentgenów na godzinę, średni poziom tła wynosi 200 mikrorentgenów (Zwykłe tło naturalne wynosi od 10 do 25 mikrorentgenów na godzinę. Po wyłączeniu zakładu w ogóle nie przeprowadzano tu dekontaminacji. Znaczące część sprzętu, około piętnastu tysięcy ton, ma już nieusuwalną radioaktywność.Jednocześnie takie niebezpieczne przedmioty są przechowywane na otwartej przestrzeni, słabo strzeżone i stale wywożone z terytorium khGMZ.

Dlatego, ponieważ nie ma wiecznych produkcji, w związku z pojawieniem się nowych technologii, TCB może zostać zamknięty, a następnie przedmioty, metale z przedsiębiorstwa wejdą na rynek i ucierpi lokalna ludność.

W układzie chłodzenia TCB będzie używana woda. Ale według ekologów, jeśli weźmiemy statystyki dotyczące elektrowni jądrowych, woda z tych zbiorników nie nadaje się do picia.

Według ekspertów zbiornik jest pełen metali ciężkich (w szczególności toru-232), a w niektórych miejscach poziom promieniowania gamma sięga 50-60 mikrorentgenów na godzinę.

Oznacza to, że teraz podczas budowy elektrowni jądrowych nie są przewidziane środki, które przywróciłyby obszar do pierwotnego stanu. A po zamknięciu przedsiębiorstwa nikt nie wie, jak zakopać nagromadzone odpady i posprzątać dawne przedsiębiorstwo.

4.2 Kwestie medyczne

Szkodliwe skutki CTS obejmują produkcję mutantów wirusów i bakterii, które wytwarzają szkodliwe substancje. Dotyczy to zwłaszcza wirusów i bakterii w ludzkim ciele. Pojawienie się nowotworów złośliwych i raka najprawdopodobniej będzie powszechną chorobą wśród mieszkańców wsi mieszkających w pobliżu TCB. Mieszkańcy zawsze cierpią bardziej, ponieważ nie mają środków ochrony. Dozymetry są drogie, a leki nie są dostępne. Odpady z TCF będą wrzucane do rzek, odprowadzane do powietrza lub pompowane do warstw podziemnych, co dzieje się obecnie w elektrowniach jądrowych.

Oprócz uszkodzeń, które pojawiają się wkrótce po ekspozycji na wysokie dawki, promieniowanie jonizujące powoduje skutki długoterminowe. Zasadniczo karcynogeneza i zaburzenia genetyczne, które mogą wystąpić przy dowolnej dawce i rodzaju narażenia (pojedyncza, przewlekła, miejscowa).

Według doniesień lekarzy, którzy rejestrowali choroby pracowników elektrowni jądrowych, najpierw są to choroby układu krążenia (zawały serca), a następnie nowotwory. Mięsień sercowy pod wpływem promieniowania staje się cieńszy, zwiotczały, mniej wytrzymały. Są dość niezrozumiałe choroby. Na przykład niewydolność wątroby. Ale dlaczego tak się dzieje, żaden z lekarzy nadal nie wie. Jeżeli podczas wypadku do dróg oddechowych dostaną się substancje promieniotwórcze, lekarze wycinają uszkodzone tkanki płuc i tchawicy, a osoba niepełnosprawna chodzi z przenośnym aparatem do oddychania

5. Instalacje termojądrowe

Naukowcy z naszego kraju i większości rozwiniętych krajów świata od wielu lat zajmują się problemem wykorzystania reakcji termojądrowych do celów energetycznych. Powstały unikalne instalacje termojądrowe – najbardziej złożone urządzenia techniczne przeznaczone do badania możliwości uzyskania kolosalnej energii, która do tej pory uwalniana jest tylko podczas wybuchu bomby wodorowej. Naukowcy chcą nauczyć się sterować przebiegiem reakcji termojądrowej – reakcji łączenia ciężkich jąder wodoru (deuteru i trytu) z powstawaniem jąder helu w wysokich temperaturach – aby energię uwolnioną w tym czasie wykorzystać do celów pokojowych, m.in. korzyść ludzi.

W litrze wody z kranu jest bardzo mało deuteru. Ale jeśli ten deuter zostanie zebrany i wykorzystany jako paliwo w instalacji termojądrowej, wtedy można uzyskać tyle samo energii, co ze spalenia prawie 300 kilogramów ropy. Aby zapewnić energię, którą obecnie uzyskuje się spalając konwencjonalne paliwo wydobyte w ciągu roku, konieczne byłoby wydobycie deuteru z wody zawartej w kostce o boku zaledwie 160 metrów. Sama Wołga co roku dostarcza do Morza Kaspijskiego około 60 000 takich metrów sześciennych wody.

Aby zaszła reakcja termojądrowa, musi być spełnionych kilka warunków. Zatem temperatura w strefie, w której łączą się ciężkie jądra wodoru, powinna wynosić około 100 milionów stopni. W tak ogromnej temperaturze nie mówimy już o gazie, ale o plazmie. Plazma jest takim stanem materii, kiedy przy wysokich temperaturach gazu neutralne atomy tracą swoje elektrony i zamieniają się w jony dodatnie. Innymi słowy, plazma jest mieszaniną swobodnie poruszających się dodatnich jonów i elektronów. Drugim warunkiem jest konieczność utrzymania gęstości plazmy w strefie reakcji co najmniej 100 000 miliardów cząstek na centymetr sześcienny. I wreszcie najważniejszą i najtrudniejszą rzeczą jest utrzymanie przebiegu reakcji termojądrowej przez co najmniej jedną sekundę.

Komora robocza instalacji termojądrowej jest toroidalna, podobna do ogromnego pustego bajgla. Jest wypełniony mieszaniną deuteru i trytu. Wewnątrz samej komory powstaje cewka plazmowa - przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny o wartości około 20 milionów amperów.
Prąd elektryczny spełnia trzy ważne funkcje. Najpierw tworzy plazmę. Po drugie, podgrzewa go do stu milionów stopni. I wreszcie prąd wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, to znaczy otacza plazmę magnetycznymi liniami siły. W zasadzie linie sił wokół plazmy powinny utrzymywać ją w zawieszeniu i zapobiegać jej dotykaniu ścian komory, jednak utrzymywanie plazmy w zawieszeniu nie jest takie proste. Siły elektryczne deformują przewodnik plazmowy, który nie ma wytrzymałości przewodnika metalowego. Ugina się, uderza w ścianę komory i oddaje jej energię cieplną. Aby temu zapobiec, na górze komory toroidalnej umieszcza się więcej cewek, które wytwarzają w komorze podłużne pole magnetyczne, które odpycha przewodnik plazmy od ścian. Tylko to nie wystarczy, ponieważ przewodzący prąd przewodnik plazmowy ma tendencję do rozciągania się, aby zwiększyć swoją średnicę. Pole magnetyczne, które jest tworzone automatycznie, bez zewnętrznych sił zewnętrznych, jest również wymagane, aby zapobiec rozszerzaniu się przewodnika plazmy. Przewodnik plazmowy jest umieszczony wraz z komorą toroidalną w innej większej komorze wykonanej z materiału niemagnetycznego, zwykle miedzi. Gdy tylko przewodnik plazmy podejmie próbę odchylenia się od położenia równowagi, w miedzianej powłoce, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, powstaje prąd indukcyjny, który jest przeciwny do prądu w plazmie. W rezultacie pojawia się przeciwstawna siła, która odpycha plazmę od ścian komory.
Aby zapobiec kontaktowi plazmy ze ścianami komory przez pole magnetyczne, zaproponował w 1949 r. A.D. Sacharow, a nieco później amerykański J. Spitzer.

W fizyce zwyczajowo nadaje się nazwy każdemu nowemu typowi konfiguracji eksperymentalnej. Konstrukcja z takim układem uzwojenia nazywana jest tokamakiem - skrót od „komora toroidalna i cewka magnetyczna”.

W latach 70. w ZSRR zbudowano obiekt termojądrowy o nazwie „Tokamak-10”. Został opracowany w Instytucie Energii Atomowej. IV. Kurczatow. Na tej instalacji temperatura przewodnika plazmowego wynosiła 10 milionów stopni, gęstość plazmy nie była mniejsza niż 100 tysięcy miliardów cząstek na centymetr sześcienny, a czas retencji plazmy był bliski 0,5 sekundy. Największa dziś instalacja w naszym kraju, Tokamak-15, została również zbudowana w Moskiewskim Centrum Badawczym Kurchatov Institute.

Wszystkie stworzone do tej pory instalacje termojądrowe zużywają jedynie energię do nagrzewania plazmy i tworzenia pól magnetycznych. Natomiast elektrownia termojądrowa przyszłości powinna wyzwolić tyle energii, że niewielka jej część mogłaby zostać wykorzystana do podtrzymania reakcji termojądrowej, czyli do podgrzania plazmy, wytworzenia pól magnetycznych i zasilenia wielu pomocniczych urządzeń i urządzeń, i podaj główną część do zużycia w sieci elektrycznej.

W 1997 r. w Wielkiej Brytanii na tokamaku JET zbiegła się energia wejściowa i otrzymana. Chociaż to oczywiście nie wystarcza do samowystarczalności procesu: traci się do 80 procent otrzymanej energii. Aby reaktor działał, trzeba wyprodukować pięć razy więcej energii niż zużywa się na rozgrzanie plazmy i wytworzenie pól magnetycznych.
W 1986 r. kraje Unii Europejskiej wraz z ZSRR, USA i Japonią podjęły decyzję o wspólnym opracowaniu i zbudowaniu do 2010 r. wystarczająco dużego tokamaka zdolnego do wytwarzania energii nie tylko do utrzymania syntezy termojądrowej w plazmie, ale także do uzyskania użytecznego energia elektryczna. Reaktor ten został nazwany ITER, co jest skrótem od Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego. Do 1998 roku udało się ukończyć obliczenia projektowe, ale ze względu na niepowodzenie Amerykanów konieczne było wprowadzenie zmian w konstrukcji reaktora w celu obniżenia jego kosztów.

Możesz pozwolić cząsteczkom poruszać się naturalnie i nadać kamerze kształt, który podąża ich ścieżką. Aparat ma wtedy dość dziwny wygląd. Powtarza kształt żarnika plazmowego, który pojawia się w polu magnetycznym zewnętrznych cewek o złożonej konfiguracji. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez zewnętrzne cewki o znacznie bardziej złożonej konfiguracji niż w tokamaku. Urządzenia tego rodzaju nazywane są stellaratorami. Torsatron „Hurricane-3M” został zbudowany w naszym kraju. Ten eksperymentalny stellarator jest przeznaczony do przechowywania plazmy rozgrzanej do dziesięciu milionów stopni.

Obecnie tokamaki mają innych poważnych konkurentów wykorzystujących inercyjną fuzję termojądrową. W tym przypadku kilka miligramów mieszaniny deuteru z trytem jest zamkniętych w kapsułce o średnicy 1–2 mm. Na kapsule skupia się promieniowanie impulsowe kilkudziesięciu potężnych laserów. W rezultacie kapsułka natychmiast odparowuje. Konieczne jest włożenie w promieniowanie 2 MJ energii w ciągu 5–10 nanosekund. Wtedy lekkie ciśnienie spręży mieszaninę do takiego stopnia, że ​​może zajść reakcja fuzji termojądrowej. Energia uwolniona podczas eksplozji, odpowiadająca mocy eksplozji stu kilogramów trotylu, zostanie zamieniona na wygodniejszą w użyciu formę - na przykład na elektryczną. Jednak budowa stellaratorów i obiektów do syntezy inercyjnej napotyka również poważne trudności techniczne. Prawdopodobnie praktyczne wykorzystanie energii termojądrowej nie jest kwestią najbliższej przyszłości.

6. Perspektywy opanowania syntezy termojądrowej

Ważnym zadaniem dla przemysłu jądrowego w perspektywie długoterminowej jest wejście w rozwój technologii kontrolowanej syntezy termojądrowej jako podstawy energii przyszłości. Obecnie na całym świecie podejmowane są strategiczne decyzje dotyczące rozwoju i opanowania nowych źródeł energii. Konieczność rozwoju takich źródeł wiąże się z przewidywanym niedoborem produkcji energii i ograniczonymi zasobami paliw. Jednym z najbardziej obiecujących innowacyjnych źródeł energii jest kontrolowana fuzja termojądrowa (CTF). Energia syntezy jest uwalniana podczas fuzji jąder ciężkich izotopów wodoru. Paliwem do reaktora termojądrowego jest woda i lit, których rezerwy są praktycznie nieograniczone. W warunkach naziemnych wdrożenie CTS jest złożonym zadaniem naukowo-technologicznym związanym z uzyskaniem temperatury substancji powyżej 100 mln stopni oraz izolacją termiczną obszaru syntezy od ścian reaktora.

Fuzja termojądrowa to projekt długoterminowy, utworzenie obiektu komercyjnego ma nastąpić do lat 2040-2050. Najbardziej prawdopodobny scenariusz opanowania energii termojądrowej obejmuje realizację trzech etapów:
- opanowanie trybów długotrwałego spalania reakcji termojądrowej;
- demonstracja wytwarzania energii elektrycznej;
- Tworzenie przemysłowych stacji termojądrowych.

W ramach międzynarodowego projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ma zademonstrować techniczną wykonalność ograniczania plazmy i generowania energii.Głównym celem programowym projektu ITER jest wykazanie naukowo-technicznej możliwości pozyskiwania energii w reakcjach fuzji (fuzji) izotopów wodoru - deuteru i trytu. Projektowana moc syntezy jądrowej reaktora ITER wyniesie około 500 MW przy temperaturze plazmy wynoszącej 100 milionów stopni.
W listopadzie 2006 r. wszyscy uczestnicy projektu ITER – Unia Europejska, Rosja, Japonia, USA, Chiny, Korea i Indie podpisali Umowy o powołaniu Międzynarodowej Organizacji Energii Termojądrowej ITER w celu wspólnej realizacji projektu ITER. Faza budowy reaktora rozpoczęła się w 2007 roku.

Udział Rosji w projekcie ITER polega na opracowaniu, produkcji i dostawie na plac budowy reaktora (Cadarache, Francja) głównego wyposażenia technologicznego oraz wniesieniu wkładu pieniężnego, który na ogół wynosi około 10% całkowitego kosztu budowy reaktora . Stany Zjednoczone, Chiny, Indie, Korea i Japonia mają taki sam udział we wkładzie.
Mapa drogowa do opanowania energii kontrolowanej syntezy termojądrowej

2000 (obecny poziom):
Wyzwania do rozwiązania: osiągnięcie równości w kosztach i wytwarzaniu energii
Najnowsza generacja tokamaków pozwoliła zbliżyć się do realizacji kontrolowanego spalania termojądrowego z dużym uwalnianiem energii.
Moc reakcji syntezy termojądrowej osiągnęła poziom 17 MW (zakład JET, UE), co jest porównywalne z mocą włożoną w plazmę.
2020:

Zadania do rozwiązania w projekcie ITER: długofalowa reakcja, rozwój i integracja technologii termojądrowych.

Celem projektu ITER jest osiągnięcie kontrolowanego zapłonu reakcji termojądrowej i jej długotrwałego spalania przy dziesięciokrotnym przekroczeniu mocy termojądrowej w stosunku do mocy inicjującej reakcję termojądrową Q310.

2030:
Zadanie do rozwiązania: budowa stacji demonstracyjnej DEMO (OTE)
W ramach projektu DEMO zakończono dobór optymalnych materiałów i technologii dla OFC, projekt, budowę i testy rozruchowe eksperymentalnej elektrowni termojądrowej oraz zakończono projekt koncepcyjny PTE.
2050
Zadania do rozwiązania: zaprojektowanie i budowa PTE, zakończenie testów technologii wytwarzania energii elektrycznej na DEMO.
Stworzenie elektroenergetycznej stacji przemysłowej o wysokim marginesie bezpieczeństwa i akceptowalnych wskaźnikach ekonomicznych kosztów energii.
Ludzkość otrzyma w swoje ręce niewyczerpane, ekologicznie i ekonomicznie akceptowalne źródło energii.Konstrukcja reaktora termojądrowego oparta jest na systemach z izolacją plazmą magnetyczną typu „Tokamak”, opracowanych i wdrożonych po raz pierwszy w ZSRR. W 1968 roku na tokamaku T-3 osiągnięto temperaturę plazmy 10 milionów stopni. Od tego czasu instalacje Tokamak stały się wiodącym kierunkiem badań nad fuzją termojądrową we wszystkich krajach.

Obecnie tokamaki T-10 i T-15 (RRC „Instytut Kurczatowa”), T-11M (FSUE SRC RF TRINITI, Troick, obwód moskiewski), Globus-M, FT-2, Tuman-3 (Instytut Fizyko-Techniczny nazwany na cześć A.F. Ioffe, St. Petersburg, RAS) i stellarator L-2 (Instytut Fizyki Ogólnej, Moskwa, RAS).

Wniosek

Na podstawie przeprowadzonych badań można wyciągnąć następujące wnioski:

Synteza termojądrowa jest najbardziej racjonalnym, nieszkodliwym ekologicznie i tanim sposobem pozyskiwania energii, pod względem ilości otrzymanego ciepła nieporównywalna ze źródłami naturalnymi wykorzystywanymi obecnie przez człowieka. Niewątpliwie proces opanowania syntezy termojądrowej rozwiązałby wiele problemów ludzkości, zarówno obecnych, jak i przyszłych.

W przyszłości fuzja termojądrowa pozwoli przezwyciężyć kolejny „kryzys ludzkości”, a mianowicie przeludnienie Ziemi. Nie jest tajemnicą, że rozwój cywilizacji ziemskiej zapewnia stały i stały wzrost populacji planety, więc kwestia rozwoju „nowych terytoriów”, czyli kolonizacji sąsiednich planet Układu Słonecznego w celu stworzenia trwałego osiedli, to kwestia bardzo niedalekiej przyszłości.

Literatura

1. A. P. Baskakov. Ciepłownictwo / - M .: Energoatomizdat, 1991
2. V. I. KRUTOV Ciepłownictwo / - M .: Mashinostroenie, 1986
3. K. V. Tichomirow. Ciepłownictwo, zaopatrzenie w ciepło i gaz oraz wentylacja - M .: Stroyizdat, 1991
4. V. P. Preobrazhensky. Pomiary i urządzenia termiczne - M.: Energia, 1978
5. Jeffrey P. Freidberg. Fizyka plazmy i energia syntezy jądrowej/ - Cambridge University Press, 2007.
6. http://www.college.ru./astronomy- Astronomia
7. http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm Fuzja termojądrowa na Słońcu - nowa wersja Vladimir Vlasov

Zapowiedź:

Aby skorzystać z podglądu prezentacji, załóż konto (konto) Google i zaloguj się: https://accounts.google.com

Podpisy slajdów:

TERMOKLEJNA FUZJA

KONCEPCJA Jest to rodzaj reakcji jądrowej, w której lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe pod wpływem energii kinetycznej ich ruchu termicznego.

POBIERZ ENERGIĘ

RÓWNANIE REAKCJI Z FORMACJĄ HE ⁴

REAKCJA TERMOKULAROWA W SŁOŃCU

KONTROLOWANA fuzja

KOMORA TOROIDALNA Z CEWKAMI MAGNETYCZNYMI (TOKAMAK)

POTRZEBA OPRACOWANIA FUZJI TERMOKULARNEJ

Opracowano nową technikę skutecznego spowalniania uciekających elektronów poprzez wprowadzenie do reaktora „ciężkich” jonów, takich jak neon lub argon.

Funkcjonalny reaktor termojądrowy to wciąż marzenie, ale w końcu może się spełnić dzięki licznym badaniom i eksperymentom, których celem jest odblokowanie nieograniczonych dostaw czystej energii. Problemy, z jakimi borykają się naukowcy przy uzyskiwaniu syntezy jądrowej, są niewątpliwie poważne i rzeczywiście trudne, ale wszystko można przezwyciężyć. I wydaje się, że jeden z głównych problemów został rozwiązany.

Fuzja jądrowa nie jest procesem wymyślonym przez ludzkość, ale pierwotnie istniejący w przyrodzie proces ten zasila nasze Słońce. Głęboko w naszej macierzystej gwieździe atomy wodoru łączą się, tworząc hel, który rozpoczyna ten proces. Fuzja uwalnia ogromną ilość energii, ale wytworzenie ekstremalnie wysokiego ciśnienia i temperatury kosztuje dużo, co jest trudne do odtworzenia na Ziemi w kontrolowany sposób.

W zeszłym roku naukowcy z MIT zbliżyli nas do fuzji poprzez umieszczenie plazmy pod odpowiednim ciśnieniem, teraz dwóch naukowców z Chalmers University odkryło kolejny element układanki.

Jednym z problemów, na który natknęli się inżynierowie, są uciekające elektrony. Te niezwykle wysokoenergetyczne elektrony mogą nagle i nieoczekiwanie przyspieszać do bardzo dużych prędkości, co może bez ostrzeżenia zniszczyć ścianę reaktora.

Doktoranci Linnea Heshlow i Ole Amberose opracowali nową technikę skutecznego spowalniania tych uciekających elektronów poprzez wprowadzenie do reaktora „ciężkich” jonów, takich jak neon lub argon. W rezultacie elektrony zderzające się z dużym ładunkiem w jądrach tych jonów zwalniają i stają się znacznie bardziej sterowalne.

„Kiedy będziemy mogli skutecznie spowolnić uciekające elektrony, zbliżymy się o krok do funkcjonalnego reaktora termojądrowego”, mówi Linnea Heshlov.

Naukowcy stworzyli model, który może skutecznie przewidywać energię i zachowanie elektronów. Korzystając z matematycznego modelowania plazmy, fizycy mogą teraz skutecznie kontrolować prędkość ucieczki elektronów bez przerywania procesu fuzji.

„Wiele osób wierzy, że to zadziała, ale łatwiej jest polecieć na Marsa niż dokonać fuzji”, mówi Linnea Heshlov: „Można powiedzieć, że próbujemy zebrać gwiazdy na Ziemi, a to może trochę potrwać. Potrzeba niewiarygodnie wysokich temperatur, gorętszych niż środek Słońca, abyśmy z powodzeniem połączyli się tu na ziemi. Mam więc nadzieję, że to tylko kwestia czasu”.

w oparciu o newatlas.com, tłumaczenie

Wykład nr 2.

Sposoby rozwiązania problemu syntezy termojądrowej

Głównymi kierunkami badań nad syntezą jądrową są: a) układy z magnetycznym zamknięciem;

b) quasi-stacjonarne (otwarte i zamknięte); impuls; c) systemy z ograniczeniem bezwładnościowym (laserowe, o różnych wiązkach, z powłoką kurczącą się).

Do tej pory powstały dwa w dużej mierze niezależne podejścia do rozwiązania problemu kontrolowanej syntezy termojądrowej. Pierwsza z nich polega na możliwości utrzymywania i izolowania termicznego plazmy wysokotemperaturowej o stosunkowo niskiej gęstości polem magnetycznym o specjalnej konfiguracji przez stosunkowo długi czas (1-10 s).

Innym sposobem jest impuls. W podejściu pulsacyjnym konieczne jest szybkie podgrzanie i skompresowanie małych porcji materii do takich temperatur i gęstości, w których reakcje termojądrowe miałyby czas na efektywne zajście w czasie istnienia nieograniczonej lub, jak mówią, bezwładnościowej plazmy. Szacunki pokazują, że w celu sprasowania substancji do gęstości 100–1000 g/cm 3 i podgrzać do temperatury 5-10 keV, konieczne jest wytworzenie ciśnienia na powierzchni tarczy kulistej 10 9 atm, czyli potrzebujemy źródła, które pozwoliłoby dostarczyć energię na powierzchnię docelową o gęstości mocy 10 15 W/cm2.

Magnetyczne zamknięcie plazmy.

Niech temperatura plazmy Ti stężenia cząstek oddziałujących n 1 i n2 . Jeśli prędkość danego jonu względem drugiego wynosi v 1.2 , to prawdopodobieństwo, że dany jon zareaguje w ciągu 1 sekundy z którymkolwiek z jonów drugiego rodzaju, wyraża wyrażenie v 1.2 n 2 . Tutaj  jest efektywnym przekrojem poprzecznym reakcji fuzji, wartością szybko rosnącą wraz z szybkością. Jeśli wszystkie n 1 jony pierwszego rodzaju miały tę samą prędkość v 1,2 , to łączna liczba reakcji zachodzących w 1 cm 3 plazma przez 1 sek., byłaby określona równaniem: N 1,2 \u003d n 1 n 2  v 1,2 . W danej temperaturze produkt musi być uśredniony w rozkładzie Maxwella. Oznaczając energię uwalnianą podczas każdego aktu reakcji, otrzymujemy wyrażenie na określoną moc w postaci W=n 1 n 2<  v>Zależność  (v) dla rozważanych reakcji ilość<  v> można obliczyć, a wraz z tym można znaleźć moc właściwą W w dowolnej temperaturze i gęstości plazmy.
Szacunki liczbowe pokazują, że wartość W szybko rośnie wraz z temperaturą, przy temperaturze „spalania” rzędu kilkuset milionów stopni i gęstości plazmy ~10 15 cm -3 to jest około 10 5 kW/m3 . Wzrost temperatury i gęstości prowadzi do bardziej energochłonnych reżimów, w których trudności techniczne w realizacji projektu powinny stopniowo wzrastać. Bardziej „miękkie” reżimy prowadzą, przy niezbyt niskiej całkowitej mocy reaktora termojądrowego, do bardzo dużych wymiarów systemu. Przyjęte wartości stanowią więc rozsądny kompromis techniczny pomiędzy sprzecznymi wymaganiami. Należy również zauważyć, że zastosowane szacunki odnoszą się do plazmy deuterowej; w przypadku jednoskładnikowej mieszaniny deuteru i trytu optymalne temperatury „pracy” są niższe.
Powstaje wtedy naturalne pytanie: jak te warunki mogą powstać w strefie reakcji? A dokładniej: jak podgrzać plazmę do wymaganych ekstremalnie wysokich temperatur i jak zapobiec rozerwaniu się nagrzanych cząstek przez czas wystarczający do zajścia reakcji jądrowych? Wydaje się, że główna trudność jest związana z drugą częścią pytania. Energia, którą należy przekazać danej objętości plazmy o znanej gęstości, aby podgrzać ją do 10 8 K, to bardzo skromna wartość; jest równa energii, którą trzeba wydać na podgrzanie tej samej objętości wody o zaledwie 1 K. Wręcz przeciwnie, strumienie cząstek (i ciepła) ze strefy reakcji na obrzeże będą ogromne. Konieczne jest skuteczne utrzymanie cząstek w strefie reakcyjnej.
Główną ideą, która wyznaczyła sposób rozwiązania problemu kontrolowanej syntezy jest wykorzystanie zasady magnetycznej izolacji termicznej. W Związku Radzieckim pomysł ten wyrazili już w 1950 r. A. D. Sacharow i I. E. Tamm.
Współczynnik dyfuzji, a wraz z nim współczynnik przewodzenia ciepła, zmniejsza się o wiele rzędów wielkości, jeśli cząstki poruszają się w kierunku prostopadłym do silnego pola magnetycznego. Dlatego jeśli strefa reakcji jest oddzielona od ścian silnym polem magnetycznym, można liczyć na radykalne zmniejszenie strumieni ciepła. Wartość pola ograniczającego można znaleźć z równości ciśnień magnetycznych i gazowo-kinetycznych: H 2 /8  =nk(T e + T i ).
Dla plazmy o wybranych parametrach (n~10 15 cm -3 , T~10 8 K), pole wymagane do trzymania powinno wynosić 25-30 kiloerstedów. Te duże wartości w żaden sposób nie wykraczają poza możliwości techniczne.
Cały czas mówimy o przenoszeniu ciepła w plazmie przez pole magnetyczne, ale nie powinniśmy zapominać, że ciepło przepływające wzdłuż linii pola magnetycznego pozostaje nienamagnesowane; konieczne jest również utrudnienie ucieczki cząstek w tym kierunku. Otwierają się tutaj trzy możliwości. Pierwsza z nich polega na umieszczeniu plazmy w pułapce magnetycznej, czyli w polu magnetycznym o takiej konfiguracji, gdzie jest ona wzmacniana w miejscach, w których linie sił opuszczają strefę reakcji, w miejscu przecięcia się ze strefą reakcji. ściany; Drugą możliwością jest wyeliminowanie otwartych końców linii siły poprzez złożenie ich w pierścień. Wreszcie trzeci sposób to użycie plazmy o stosunkowo dużej gęstości i nagrzanie jej tak szybko, że w czasie potrzebnym na poruszanie się wzdłuż linii sił większość cząstek ma czas na doznanie zderzeń jądrowych.
Pierwszy schemat izolacji termicznej w pełni usprawiedliwia się, jeśli chodzi o ograniczanie plazmy tak rzadkiej, że można ją uznać za zbiór pojedynczych cząstek. Dobrym przykładem tego, co zostało powiedziane, są długie czasy życia cząstek w ziemskich pasach radiacyjnych pochodzenia naturalnego i sztucznego. Jednak w eksperymentach laboratoryjnych wykonywanych z gęstszą plazmą, tj. w warunkach, w których mogą przejawiać się kolektywne interakcje, ujawniły się poważne trudności. Czasy życia plazmy okazały się o wiele rzędów wielkości mniejsze niż te, których można by się spodziewać w wyniku zderzeń cząstek plazmy ze sobą lub z cząsteczkami gazu resztkowego, a następnie ucieczki w stożek strat. W rzeczywistości czas życia plazmy w niektórych modelach otwartych pułapek wynosił około 100 mikrosekund (przy gęstości plazmy około 10-9 cm -3 ), podczas gdy czas życia ze względu na stożek strat powinien być mierzony w minutach.
Wynik ten staje się jakościowo wyraźniejszy, jeśli weźmiemy pod uwagę, że plazma, jak każdy diamagnes, musi zostać wypchnięta poza obszar silniejszego pola. Z tego punktu widzenia mechanizm działania zwierciadeł magnetycznych utrzymujących plazmę w pułapce jest całkiem zrozumiały. Ale w pułapkach omawianego typu są też rejony, w których pole maleje wraz z odległością od osi wzdłuż promienia; tutaj możemy spodziewać się rozwoju niestabilności - pojawienia się "języków" lub "rowków" plazmy poruszających się w poprzek pola i przenoszących plazmę w kierunku niższych wartości pola. Rzeczywiście, bezpośrednie eksperymenty wykazały istnienie w tych pułapkach niestabilności typu fletowego, co ogranicza czas życia plazmy.
Zamykając linie sił, naturalnie dochodzimy do instalacji typu pierścieniowego solenoidu. Teraz pole magnetyczne jest wszędzie zorientowane równolegle do ścian, a cząstki muszą poruszać się w poprzek linii sił, aby opuścić układ. Ale pole magnetyczne wewnątrz torusa jest nieco niejednorodne, opada w kierunku zewnętrznej ściany torusa, co powoduje dryf cząstek. Dryf w niejednorodnym polu magnetycznym zachodzi wzdłuż normalnej do kierunku głównego pola i do kierunku jego gradientu i zależy od ładunku cząstki. Jeśli jony dryfują w kierunku górnej ściany torusa, elektrony opadną na dół. Oddzielone ładunki wytworzą pole elektryczne, a plazma uformowana w taki czy inny sposób wewnątrz torusa zacznie dryfować jako całość w skrzyżowanych polach elektrycznych i magnetycznych. Łatwo jest zweryfikować, że ostatecznym wynikiem będzie przemieszczenie plazmy w kierunku zewnętrznej ściany torusa.
Istnieje wiele sposobów kompensacji tego dryfu plazmy. Przez plazmę można przepuścić wzdłużny prąd pierścieniowy, można w specjalny sposób skomplikować uzwojenie elektromagnesu lub poprzez skręcenie torusa nadać układowi magnetycznemu kształt ósemki. Topologia pola magnetycznego w tych przypadkach zmienia się radykalnie.
Najprostsze pola magnetyczne - magnes stały, prąd stały płaskiego obwodu, prowadzą, jak wiadomo, na podstawie równania divB = 0 do zwykłych wzorów zamkniętych linii siły lub linii, które idą w nieskończoność. Istnieje jednak trzecia możliwość, w rzeczywistości najbardziej ogólna: linie sił mogą pozostawać w ograniczonym obszarze przestrzeni, nie będąc zamkniętymi i nie idąc w nieskończoność.

W powyższych przykładach, w wyniku odkształcenia toroidalnego układu magnetycznego, zamknięte linie siły - pierścienie - przekształcane są w nieskończone linie siły, owijające się w sposób ciągły wokół pierścieniowej osi toroidalnej i tworzące tzw. powierzchnie magnetyczne. Linie sił przechodzące w różnych odległościach od osi torusa generują (w najprostszym przypadku) zestaw zagnieżdżonych współosiowych powierzchni magnetycznych. W rezultacie okazuje się, że dowolny punkt przekroju torusa jest połączony z dowolnym innym punktem przekroju (równoodległym od osi) linią siły należącą do tej lub innej powierzchni magnetycznej. Oznacza to, że redystrybucja ładunków w przekroju może odbywać się nie w poprzek pola magnetycznego, ale wzdłuż linii siły. Dlatego akumulacja przeciwnych ładunków i w konsekwencji dryf w skrzyżowanych polach okazują się wykluczone.
W Związku Radzieckim zaczęto opracowywać warianty układów toroidalnych z prądem podłużnym (instalacje typu „Tokamak”), w USA zaczęto badać dwa inne kierunki (instalacje typu „Stellarator”).

W tokamakach podłużne pole magnetyczne generowane jest przez cewki, które mogą być zasilane przez generator o mocy impulsowej do 75 MW. Warunki próżni: początkowe ciśnienie gazów resztkowych ok. 10-8 mmHg Sztuka. Komora Tokamaka jest umieszczona na żelaznym rdzeniu, a powstała cewka plazmowa służy jako uzwojenie wtórne transformatora impulsowego. Nagrzewanie plazmowe następuje z powodu ciepła Joule'a, silne pole podłużne służy jako rama stabilizująca. Parametry plazmy uzyskiwane w tokamakach, choć zachęcające, to jednak bardzo różnią się od tych, których można by oczekiwać w przypadku doskonale namagnesowanej plazmy. W szczególności stosunkowo krótki czas życia wskazuje na istnienie niezlikwidowanych rodzajów niestabilności, a w konsekwencji na zwiększoną szybkość dyfuzji.
Badania nad obiektami typu stellarator przyniosły jak dotąd skromniejsze wyniki. Pomimo czasu trwania eksperymentu i doskonałych parametrów inżynieryjnych systemu, również w tym przypadku nie udało się przezwyciężyć niestabilności plazmy. Strumienie dyfuzyjne do ścian są wielokrotnie wyższe niż w przypadku klasycznych.

Istniała inna opcja rozwiązania problemu syntezy termojądrowej za pomocą magnetycznego uwięzienia - impulsowa. Tutaj funkcje izolacji termicznej i nagrzewania plazmy zostały przypisane krótkotrwałemu impulsowi prądu, który przechodzi przez rozrzedzony deuter. Ze względu na oddziaływanie prądu z własnym polem magnetycznym kolumna plazmy powinna być ściśnięta w kierunku osi wyładowania. Okazuje się, że plazma jest oddzielona od ścianek naczynia własnym polem magnetycznym i musi zostać podgrzana pod wpływem działania sił ściskających i ciepła Joule'a. Na początkowym etapie badań założono, że proces sprężania jest quasi-stacjonarny, czyli w każdej chwili ciśnienie magnetyczne sprężające plazmę jest równoważone ciśnieniem gazu. Temperatura substancji powinna wzrastać proporcjonalnie do kwadratu prądu, a szacunki liczbowe pokazują, że przy prądzie około 1 miliona amperów ciśnienie początkowe wynosi 0,1 mm Hg. Sztuka. i średnicy naczynia 200 mm, temperatura kolumny plazmowej musi przekraczać 10 7 K. Co prawda temperatura wzrośnie na bardzo krótki czas (około 1 mikrosekundy), ale bardzo częste zderzenia będą następować w silnie skompresowanej kolumnie plazmowej i można liczyć na wykrycie promieniowania neutronowego z trwających reakcji jądrowych.
W rzeczywistości obraz kompresji quasi-stacjonarnej okazuje się rażąco błędny. W początkowej fazie procesu, po przebiciu kolumny gazu przez przyłożone wysokie napięcie, szybko narastający prąd koncentruje się w cienkiej warstwie powierzchniowej (efekt naskórkowości). Wewnętrzny obszar kolumny jest prawie nie zjonizowany i nieogrzany, ciśnienie gazu jest znikome, a kurczenie się skorupy plazmowej do osi układu można rozważać, biorąc pod uwagę tylko siły bezwładności. Podczas całego sprężania nie ma równowagi między ciśnieniem gazu a ciśnieniem magnetycznym. Sznur jest przyciągany do osi, zanim prąd (a wraz z nim ciśnienie magnetyczne) osiągnie maksimum, ale nie pozostaje w stanie ściśniętym i pod działaniem tych samych sił bezwładności zaczyna się ponownie rozszerzać. Ponadto włókno jest niestabilne (poza włóknem pole zmienia się o 1/r) iw wyniku rozwoju deformacji makroskopowych (zwężenia, zagięcia) styka się ze ściankami komory, schładzając i zanieczyszczając plazmę.
Godne uwagi jest to, że mimo to zaobserwowano promieniowanie neutronowe plazmy podczas impulsowego wyładowania w deuterze. To ciekawe zjawisko zostało odkryte przez grupę sowieckich fizyków już w 1952 roku. Promieniowanie neutronowe nie pojawia się w wyniku nagrzania całej objętości plazmy, lecz okazuje się wynikiem zderzeń niewielkiej grupy szybkich deuteronów, które powstały w wyniku skomplikowanych procesów akceleratorowych w niestabilnej kolumnie, o masie stosunkowo zimnej plazmy.
Zwiększając energochłonność układu, możliwe jest podgrzanie włókna plazmowego do wymaganych temperatur termojądrowych do czasu pierwszego ściśnięcia włókna w pobliżu osi i przed powstaniem niestabilności. Aby jednak osiągnąć warunki niezbędne do uzyskania reakcji termojądrowej z dodatnią wydajnością energetyczną, w proponowanych eksperymentach konieczne będzie skoncentrowanie ogromnej energii w wyładowaniu impulsowym - około: 10 4 Mj. Nowoczesna technologia pozwala na budowę instalacji impulsowych na setki megadżuli. Istnieją kondensatory o wyjątkowo niskiej indukcyjności, opracowano zasilacze o niskiej indukcyjności i opracowano bardzo zaawansowane urządzenia przełączające. Droga do dalszego postępu w tym kierunku jest więc otwarta, ale proces ten przybiera charakter potężnej eksplozji, równoważnej mocą eksplozji kilku ton trotylu, która wcale nie przypomina płynnie kontrolowanych reakcji termojądrowych.
Obecnie prace z pułapkami magnetycznymi typu otwartego praktycznie ustały z punktu widzenia rozwiązania problemu syntezy termojądrowej. Jak pokazują szczegółowe obliczenia, jeśli ubytek cząstek z pułapki jest tylko kilkakrotnie wyższy od teoretycznego poziomu odpowiadającego w pełni namagnesowanemu przewodnictwu cieplnemu, to realizacja reaktora termojądrowego z dodatnią wydajnością energetyczną staje się niemożliwa.
Rozwój procesów impulsywnych najwyraźniej osiągnął naturalną granicę, jeśli weźmiemy pod uwagę reaktor jako ostateczny cel. Jednak dalsze eksperymenty mogą doprowadzić do budowy impulsowych źródeł neutronów o ogromnej mocy. Swoistym odejściem od tych badań była konstrukcja systemów przeznaczonych do przyspieszania pęczków plazmy.

Najbardziej obiecujące są obecnie zamknięte systemy magnetyczne.

Laserowa synteza termojądrowa.

Pomysł wykorzystania promieniowania laserowego dużej mocy do ogrzewania gęstej plazmy do temperatur termojądrowych został po raz pierwszy zaproponowany przez N.G. Basow i ON. Krokhin na początku lat sześćdziesiątych. Do tej pory powstał niezależny obszar badań termojądrowych - laserowa fuzja termojądrowa (LTF).

Zatrzymajmy się pokrótce nad podstawowymi zasadami fizycznymi leżącymi u podstaw koncepcji osiągnięcia wysokiego stopnia kompresji substancji i uzyskania wysokich zysków energetycznych za pomocą mikroeksplozji laserowych. Rozważania zostaną zbudowane na przykładzie tzw. trybu kompresji bezpośredniej. W tym trybie mikrosfera wypełniona paliwem termojądrowym jest „równomiernie” naświetlana ze wszystkich stron przez wielokanałowy laser. W wyniku oddziaływania promieniowania nagrzewającego z powierzchnią docelową powstaje gorąca plazma o temperaturze kilku kiloelektronowoltów (tzw. korona plazmowa), która rozszerza się w kierunku wiązki laserowej z charakterystycznymi prędkościami 10 7 -10 8 cm/s.

Nie będąc w stanie bardziej szczegółowo zastanowić się nad procesami absorpcji w koronie plazmy, zauważamy, że w nowoczesnych eksperymentach modelowych przy energiach promieniowania laserowego 10–100 kJ dla celów porównywalnych pod względem wielkości z celami o wysokim wzmocnieniu, możliwe jest osiągnięcie wysokie (90%) współczynniki pochłaniania promieniowania cieplnego.

Promieniowanie świetlne nie może wnikać w gęste warstwy celu (gęstość ciała stałego wynosi 10 23 cm -3 ). Ze względu na przewodność cieplną energia pochłonięta w plazmie o gęstości elektronowej mniejszej niż n kr , jest przenoszony do gęstszych warstw, gdzie następuje ablacja docelowej substancji. Pozostałe nieodparowane warstwy tarczy przyspieszają w kierunku centrum pod działaniem ciśnienia termicznego i reaktywnego, zagęszczając i podgrzewając zawarte w nim paliwo. W rezultacie energia promieniowania laserowego zamieniana jest na rozpatrywanym etapie na energię kinetyczną materii lecącej w kierunku centrum oraz na energię rozszerzającej się korony. Jest oczywiste, że użyteczna energia jest skoncentrowana w ruchu w kierunku centrum. Sprawność wkładu energii świetlnej do celu charakteryzuje się stosunkiem określonej energii do całkowitej energii promieniowania – tzw. sprawności hydrodynamicznej (COP). Osiągnięcie odpowiednio wysokiej sprawności hydrodynamicznej (10-20%) jest jednym z ważnych problemów LTS.

Jakie procesy mogą utrudniać osiągnięcie wysokich stopni sprężania? Jednym z nich jest to, że przy gęstościach promieniowania termojądrowego q > 10 14 W/cm2 zauważalna część pochłoniętej energii zamienia się nie w klasyczną falę elektronowego przewodnictwa cieplnego, ale w przepływy szybkich elektronów, których energia jest znacznie wyższa niż temperatura korony plazmowej (tzw. elektrony epitermalne). Może to nastąpić zarówno z powodu absorpcji rezonansowej, jak i efektów parametrycznych w koronie plazmy. W takim przypadku długość drogi elektronów epitermalnych może okazać się porównywalna z wymiarami tarczy, co doprowadzi do wstępnego nagrzania ściśliwego paliwa i niemożliwości uzyskania sprężeń granicznych. Kwanty rentgenowskie o wysokiej energii (twarde promieniowanie rentgenowskie), towarzyszące elektronom epitermalnym, również mają dużą zdolność penetracji.

Trendem badań eksperymentalnych w ostatnich latach jest przejście na stosowanie krótkofalowego promieniowania laserowego (< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 W/cm2 ). Praktyczna możliwość przejścia na ogrzewanie plazmowe promieniowaniem o krótkich falach wynika z faktu, że współczynniki konwersji promieniowania lasera neodymowego na ciele stałym (główny kandydat na sterowniki dla LTS) o długości fali ja = 1,06 μm w promieniowaniu drugiej, trzeciej i czwartej harmonicznej za pomocą kryształów nieliniowych sięga 70-80%. Obecnie praktycznie wszystkie duże systemy laserowe ze szkła neodymowego są wyposażone w systemy zwielokrotniania częstotliwości.

Fizyczną zaletą stosowania promieniowania o krótkich długościach fali do ogrzewania i ściskania mikrosfer jest to, że wraz ze spadkiem długości fali wzrasta absorpcja w koronie plazmy oraz wzrasta ciśnienie ablacji i współczynnik przenikania hydrodynamicznego. Udział elektronów epitermalnych generowanych w koronie plazmowej zmniejsza się o kilka rzędów wielkości, co jest niezwykle korzystne zarówno w przypadku bezpośredniego, jak i pośredniego reżimu kompresji. W przypadku kompresji pośredniej ważne jest również, że wraz ze zmniejszaniem się długości fali wzrasta konwersja energii pochłoniętej przez plazmę w miękkie promieniowanie rentgenowskie.

Zajmijmy się teraz sposobem kompresji pośredniej. Analiza fizyczna pokazuje, że wdrożenie reżimu sprężania do wysokich gęstości paliwa jest optymalne dla prostych i złożonych celów pociskowych o współczynniku kształtu R / DR wynoszącym kilkadziesiąt. Tutaj R jest promieniem powłoki, DR jest jej grubością. Silne ściskanie może być jednak ograniczone przez rozwój niestabilności hydrodynamicznych, które objawiają się odchyleniem ruchu pocisku na etapach jego przyspieszania i zwalniania w centrum od symetrii kulistej i zależą od odchyleń kształtu początkowego celu od idealnie kulisty, niejednorodny rozkład padających wiązek laserowych na jego powierzchnię. Rozwój niestabilności w miarę przemieszczania się powłoki w kierunku środka prowadzi najpierw do odchylenia ruchu od sferycznie symetrycznego, następnie do turbulencji przepływu, a na końcu do mieszania docelowych warstw i paliwa deuterowo-trytowego. W rezultacie w stanie końcowym może pojawić się formacja, której kształt różni się znacznie od kulistego rdzenia, a średnia gęstość i temperatura są znacznie niższe niż wartości odpowiadające kompresji jednowymiarowej. W takim przypadku początkowa struktura celu (na przykład określony zestaw warstw) może zostać całkowicie zniszczona.

Fizyczny charakter tego typu niestabilności jest równoznaczny z niestabilnością warstwy rtęci znajdującej się na powierzchni wody w polu grawitacyjnym. W tym przypadku, jak wiadomo, następuje całkowite wymieszanie rtęci i wody, to znaczy w stanie końcowym rtęć będzie na dnie. Podobna sytuacja może wystąpić, gdy cel o złożonej strukturze porusza się szybko w kierunku środka substancji lub w ogólnym przypadku w obecności gradientów gęstości i ciśnienia.

Wymagania dotyczące jakości celów są dość surowe. Zatem niejednorodność grubości ścianek mikrokulek nie powinna przekraczać 1%, a jednorodność rozkładu absorpcji energii na powierzchni docelowej nie powinna przekraczać 0,5%.

Propozycja zastosowania schematu kompresji pośredniej wiąże się właśnie z możliwością rozwiązania problemu stabilności kompresji docelowej. Promieniowanie laserowe jest wprowadzane do wnęki, skupiając się na wewnętrznej powierzchni zewnętrznej powłoki, składającej się z substancji o wysokiej liczbie atomowej, takiej jak złoto. Jak już wspomniano, do 80% pochłoniętej energii jest przekształcane w miękkie promieniowanie rentgenowskie, które ogrzewa i ściska wewnętrzną powłokę. Zaletami takiego schematu jest możliwość uzyskania większej równomierności rozkładu pochłoniętej energii na powierzchni docelowej, uproszczenie schematu lasera i warunków ogniskowania itp. Jednak są też wady związane z utratą energii do konwersji na promieniowanie rentgenowskie oraz złożonością wprowadzania promieniowania do wnęki.

Obecnie baza elementów jest intensywnie rozwijana i powstają projekty instalacji laserowych na poziomie megadżuli. W Livermore Laboratory rozpoczęto tworzenie instalacji na szkle neodymowym o energii E=1,8 MJ. Koszt projektu to 2 miliardy dolarów, we Francji planowane jest stworzenie instalacji o podobnym poziomie. Na tym obiekcie planowane jest osiągnięcie zysku energetycznego Q ~ 100. Trzeba powiedzieć, że uruchomienie obiektów tej skali przyniesie nie tylko możliwość stworzenia reaktora termojądrowego opartego na fuzji laserowej, ale także zapewni naukowcom unikalny obiekt fizyczny - mikroeksplozja z uwolnieniem energii 10 7 -10 9 J, potężne źródło neutronów, neutrino, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie grawitacyjne. Będzie to miało nie tylko duże ogólne znaczenie fizyczne (umiejętność badania substancji w stanach ekstremalnych, fizyka spalania, równanie stanu, efekty laserowe itp.), ale także umożliwi rozwiązywanie specjalnych problemów aplikacyjnych. , w tym wojskowe, przyrodnicze.

Jednak w przypadku reaktora opartego na fuzji laserowej konieczne jest stworzenie lasera na poziomie megadżuli, działającego z częstotliwością powtarzania kilku herców. Szereg laboratoriów bada możliwość stworzenia takich systemów w oparciu o nowe kryształy. Uruchomienie eksperymentalnego reaktora w ramach programu amerykańskiego planowane jest na 2025 rok.

1. Wstęp

2. Reakcje termojądrowe na Słońcu

3. Problemy kontroli syntezy termojądrowej

3.1 Problemy ekonomiczne

3.2 Problemy medyczne

4. Wniosek

5. Referencje

1. Wstęp

Problem kontrolowanej syntezy termojądrowej jest jednym z najważniejszych zadań stojących przed ludzkością.

Cywilizacja ludzka nie może istnieć, nie mówiąc już o rozwoju, bez energii. Wszyscy doskonale zdają sobie sprawę, że rozwinięte źródła energii mogą niestety wkrótce się wyczerpać.Według Światowej Rady Energetycznej zbadane zasoby paliwa węglowodorowego na Ziemi utrzymują się przez 30 lat.

Dziś głównymi źródłami energii są ropa naftowa, gaz i węgiel.

Według ekspertów zapasy tych minerałów się wyczerpują. Nie ma już prawie żadnych zbadanych, nadających się do eksploatacji pól naftowych, a już teraz nasi wnukowie mogą borykać się z bardzo poważnym problemem braku energii.

Elektrownie jądrowe najlepiej zaopatrzone w paliwo mogłyby oczywiście zaopatrywać ludzkość w elektryczność przez ponad sto lat.

Przedmiot studiów: Problemy kontrolowanej syntezy termojądrowej.

Przedmiot badań: Fuzja termojądrowa.

Cel badania: Rozwiąż problem kontroli syntezy termojądrowej;

Cele badań:

· Badanie rodzajów reakcji termojądrowych.

· Rozważ wszystkie możliwe opcje dostarczenia człowiekowi energii uwolnionej podczas reakcji termojądrowej.

· Wysunąć teorię o zamianie energii na energię elektryczną.

Początkowy fakt:

Energia jądrowa jest uwalniana podczas rozpadu lub fuzji jąder atomowych. Każda energia – fizyczna, chemiczna lub jądrowa – przejawia się w swojej zdolności do wykonywania pracy, emitowania ciepła lub promieniowania. Energia w każdym systemie jest zawsze oszczędzana, ale można ją przenieść do innego systemu lub zmienić formę.

Osiągnięcie warunki kontrolowanej fuzji termojądrowej są utrudnione przez kilka głównych problemów:

· Najpierw musisz podgrzać gaz do bardzo wysokiej temperatury.

· Po drugie, konieczne jest kontrolowanie liczby reagujących jąder przez wystarczająco długi czas.

· Po trzecie, ilość uwolnionej energii musi być większa niż została zużyta na ogrzewanie i ograniczenie gęstości gazu.

Kolejnym problemem jest akumulacja tej energii i przekształcenie jej w energię elektryczną

Jakie jest źródło energii słonecznej? Jaka jest natura procesów, podczas których wytwarzana jest ogromna ilość energii? Jak długo będzie świecić słońce?

Pierwsze próby odpowiedzi na te pytania podjęli astronomowie w połowie XIX wieku, po sformułowaniu przez fizyków prawa zachowania energii.

Robert Mayer zasugerował, że Słońce świeci z powodu ciągłego bombardowania powierzchni przez meteoryty i cząstki meteorów. Ta hipoteza została odrzucona, ponieważ proste obliczenia pokazują, że aby utrzymać jasność Słońca na obecnym poziomie, konieczne jest, aby co sekundę spadało na nie 2 ∙ 1015 kg materii meteorytowej. Za rok będzie to 6∙1022 kg, a za istnienie Słońca przez 5 miliardów lat - 3∙1032 kg.

Druga hipoteza została również wysunięta przez Helmholtza i Kelvina w połowie XIX wieku. Zasugerowali, że Słońce promieniuje w wyniku kompresji o 60–70 m rocznie.Powodem kompresji jest wzajemne przyciąganie cząstek Słońca, dlatego nazwano tę hipotezę umowny. Jeśli dokonamy obliczeń zgodnie z tą hipotezą, wiek Słońca nie będzie dłuższy niż 20 milionów lat, co jest sprzeczne ze współczesnymi danymi uzyskanymi z analizy rozpadu promieniotwórczego pierwiastków w próbkach geologicznych gleby ziemskiej i gleby Księżyca .

Trzecią hipotezę dotyczącą możliwych źródeł energii słonecznej zaproponował na początku XX wieku James Jeans. Zasugerował, że w jelitach Słońca znajdują się ciężkie pierwiastki promieniotwórcze, które samorzutnie ulegają rozpadowi, podczas gdy energia jest emitowana, np. przemianie uranu w tor, a następnie w ołów towarzyszy uwalnianie energii. Późniejsza analiza tej hipotezy również wykazała jej niespójność: gwiazda składająca się z jednego uranu nie uwolniłaby wystarczającej ilości energii, aby zapewnić obserwowaną jasność Słońca. Ponadto istnieją gwiazdy, których jasność jest wielokrotnie większa niż jasność naszej gwiazdy. Jest mało prawdopodobne, aby gwiazdy te zawierały również więcej materiału radioaktywnego.

Najbardziej prawdopodobną hipotezą okazała się hipoteza syntezy pierwiastków w wyniku reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd.

W 1935 roku Hans Bethe postawił hipotezę, że termojądrowa reakcja przemiany wodoru w hel może być źródłem energii słonecznej. Za to Bethe otrzymał w 1967 roku Nagrodę Nobla.

Skład chemiczny Słońca jest mniej więcej taki sam jak większości innych gwiazd. Około 75% to wodór, 25% to hel, a mniej niż 1% to wszystkie inne pierwiastki chemiczne (głównie węgiel, tlen, azot itp.). Zaraz po narodzinach Wszechświata w ogóle nie było elementów „ciężkich”. Wszystkie, tj. pierwiastki cięższe od helu, a nawet wiele cząstek alfa, powstały podczas „spalania” wodoru w gwiazdach podczas syntezy termojądrowej. Charakterystyczny czas życia gwiazdy takiej jak Słońce wynosi dziesięć miliardów lat.

Głównym źródłem energii jest cykl protonowo-protonowy - reakcja bardzo powolna (czas charakterystyczny 7,9∙109 lat), wynikająca z oddziaływania słabego. Jego istota polega na tym, że z czterech protonów otrzymuje się jądro helu. W tym przypadku uwalniana jest para pozytonów i para neutrin, a także energia 26,7 MeV. Liczba neutrin emitowanych przez Słońce na sekundę zależy tylko od jasności Słońca. Ponieważ po uwolnieniu 26,7 MeV rodzą się 2 neutrina, szybkość emisji neutrin wynosi 1,8-1038 neutrin/s. Bezpośrednim testem tej teorii jest obserwacja neutrin słonecznych. Neutrina wysokoenergetyczne (bor) są rejestrowane w eksperymentach chlorowo-argonowych (eksperymenty Davisa) i konsekwentnie wykazują brak neutrin w porównaniu z wartością teoretyczną dla standardowego modelu słonecznego. Neutrina niskoenergetyczne powstające bezpośrednio w reakcji pp są rejestrowane w eksperymentach galowo-germanowych (GALLEX w Gran Sasso (Włochy-Niemcy) i SAGE w Baksan (Rosja-USA)); są też „niewystarczające”.

Według niektórych założeń, jeśli neutrina mają masę spoczynkową różną od zera, możliwe są oscylacje (transformacje) różnych typów neutrin (efekt Michewa-Smirnowa-Wolfensteina) (istnieją trzy typy neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i tauonowe) . Dlatego inne neutrina mają znacznie mniejsze przekroje poprzeczne oddziaływania z materią niż neutrina elektroniczne, obserwowany deficyt można wytłumaczyć bez zmiany standardowego modelu Słońca, zbudowanego na podstawie całego zestawu danych astronomicznych.

W każdej sekundzie Słońce przetwarza około 600 milionów ton wodoru. Zapasy paliwa jądrowego wystarczą na kolejne pięć miliardów lat, po czym stopniowo zamieni się w białego karła.

Centralne części Słońca będą się kurczyć, nagrzewać, a ciepło przekazywane do zewnętrznej powłoki doprowadzi do jej ekspansji do rozmiarów monstrualnych w porównaniu do współczesnych: Słońce rozszerzy się tak bardzo, że pochłonie Merkurego, Wenus i będzie wydać „paliwo” sto razy szybciej niż obecnie. Doprowadzi to do wzrostu wielkości Słońca; nasza gwiazda stanie się czerwonym olbrzymem, którego wielkość jest porównywalna z odległością Ziemi od Słońca!

O takim wydarzeniu będziemy oczywiście informowani z wyprzedzeniem, ponieważ przejście do nowego etapu zajmie około 100-200 milionów lat. Kiedy temperatura centralnej części Słońca osiągnie 100 000 000 K, hel również zacznie się palić, zamieniając się w ciężkie pierwiastki, a Słońce wejdzie w etap złożonych cykli kurczenia się i rozszerzania. Na ostatnim etapie nasza gwiazda straci swoją zewnętrzną powłokę, centralny rdzeń będzie miał niewiarygodnie dużą gęstość i rozmiar, podobnie jak Ziemia. Minie jeszcze kilka miliardów lat, a Słońce ostygnie, zamieniając się w białego karła.

3.Problemy kontrolowanej syntezy termojądrowej

Naukowcy ze wszystkich krajów rozwiniętych pokładają swoje nadzieje w przezwyciężeniu nadchodzącego kryzysu energetycznego dzięki kontrolowanej reakcji termojądrowej. Taka reakcja - fuzja helu z deuteru i trytu - zachodzi na Słońcu od milionów lat, a w warunkach ziemskich próbuje się ją przeprowadzić od pięćdziesięciu lat w gigantycznych i bardzo drogich obiektach laserowych, tokamakach. (urządzenie do przeprowadzania reakcji fuzji termojądrowej w gorącej plazmie) oraz stellaratory (zamknięta pułapka magnetyczna do utrzymywania plazmy wysokotemperaturowej). Istnieją jednak inne sposoby rozwiązania tego trudnego problemu i zamiast ogromnych tokamaków do realizacji syntezy termojądrowej, prawdopodobnie będzie można użyć raczej kompaktowego i niedrogiego zderzacza - akceleratora na zderzających się wiązkach.

Tokamak wymaga do działania bardzo małych ilości litu i deuteru. Na przykład reaktor o mocy 1 GW spala około 100 kg deuteru i 300 kg litu rocznie. Jeśli przyjmiemy, że wszystkie elektrownie termojądrowe będą wytwarzać 10 bilionów kW/h energii elektrycznej rocznie, czyli tyle samo, ile dziś produkują wszystkie elektrownie na Ziemi, to światowe rezerwy deuteru i litu wystarczą, aby zaopatrzyć ludzkość w energię przez wiele milionów lat.

Oprócz fuzji deuteru lub litu, fuzja czysto słoneczna jest możliwa, gdy dwa atomy deuteru są połączone. Jeśli ta reakcja zostanie opanowana, problemy energetyczne zostaną rozwiązane natychmiast i na zawsze.

W żadnym ze znanych wariantów kontrolowanej fuzji termojądrowej (CTF), reakcje termojądrowe nie mogą wejść w tryb niekontrolowanego wzrostu mocy, dlatego wewnętrzne bezpieczeństwo nie jest w takich reaktorach nieodłączne.

Z fizycznego punktu widzenia problem jest sformułowany dość prosto. Aby mogła zajść samopodtrzymująca się reakcja syntezy jądrowej, konieczne i wystarczające jest spełnienie dwóch warunków.

1. Energia jąder biorących udział w reakcji musi wynosić co najmniej 10 keV. Aby rozpoczęła się fuzja jądrowa, jądra uczestniczące w reakcji muszą wpaść w pole sił jądrowych, których promień wynosi 10-12-10-13 s.cm. Jednak jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i podobne ładunki odpychają się nawzajem. Na granicy działania sił jądrowych energia odpychania kulombowskiego wynosi około 10 keV. Aby pokonać tę barierę, jądra w zderzeniu muszą mieć energię kinetyczną co najmniej nie mniejszą od tej wartości.

2. Iloczyn stężenia reagujących jąder i czasu retencji, podczas którego zachowują wskazaną energię, musi wynosić co najmniej 1014 s.cm-3. Warunek ten – tzw. kryterium Lawsona – określa granicę przewagi energetycznej reakcji. Aby energia uwalniana w reakcji fuzji przynajmniej pokryła koszty energii inicjacji reakcji, jądra atomowe muszą przejść wiele zderzeń. W każdym zderzeniu, w którym zachodzi reakcja fuzji między deuterem (D) a trytem (T), uwalniane jest 17,6 MeV energii, czyli około 3,10-12 J. Jeśli np. na zapłon zużywa się 10 MJ energii, to reakcja będzie próg rentowności, jeśli weźmie w nim udział co najmniej 3.1018 par D-T. A do tego dość gęsta plazma wysokoenergetyczna musi być utrzymywana w reaktorze przez wystarczająco długi czas. Warunek ten wyraża kryterium Lawsona.

Jeśli oba wymagania będą mogły być spełnione jednocześnie, problem kontrolowanej syntezy termojądrowej zostanie rozwiązany.

Jednak techniczne wdrożenie tego fizycznego problemu napotyka ogromne trudności. W końcu energia 10 keV to temperatura 100 milionów stopni. Substancję w takiej temperaturze można utrzymać nawet przez ułamki sekundy tylko w próżni, izolując ją od ścianek instalacji.

Ale jest inna metoda rozwiązania tego problemu - zimna fuzja. Co to jest zimna fuzja - jest to analog „gorącej” reakcji termojądrowej zachodzącej w temperaturze pokojowej.

W naturze istnieją co najmniej dwa sposoby zmiany materii w jednym wymiarze kontinuum. Możesz zagotować wodę w ogniu, tj. termicznie lub w kuchence mikrofalowej, tj. częstotliwość Wynik jest taki sam - woda wrze, jedyną różnicą jest to, że metoda częstotliwości jest szybsza. Wykorzystuje również osiągnięcie ultrawysokiej temperatury do rozszczepienia jądra atomu. Metoda termiczna daje niekontrolowaną reakcję jądrową, a energia zimnej fuzji to energia stanu przejściowego. Jednym z głównych warunków projektowania reaktora do przeprowadzania zimnej reakcji termojądrowej jest stan jego piramidalno-krystalicznej postaci. Kolejnym ważnym warunkiem jest obecność wirujących pól magnetycznych i torsyjnych. Przecięcie pól następuje w punkcie równowagi niestabilnej jądra wodoru.

Naukowcy Ruzi Taleiarkhan z Oak Ridge National Laboratory, Richard Leikhi z Politechniki. Renssilira i akademik Robert Nigmatulin - zarejestrowali w laboratorium zimną reakcję termojądrową.

Grupa użyła zlewki z płynnym acetonem wielkości dwóch do trzech szklanek. Fale dźwiękowe były intensywnie przepuszczane przez ciecz, wywołując efekt znany w fizyce jako kawitacja akustyczna, której konsekwencją jest soluminescencja. Podczas kawitacji w cieczy pojawiły się małe pęcherzyki, które zwiększyły się do dwóch milimetrów średnicy i eksplodowały. Eksplozjom towarzyszyły błyski światła i wyzwolenie energii tj. temperatura wewnątrz bąbelków w momencie wybuchu sięgała 10 milionów stopni Kelvina, a uwolniona energia, zdaniem eksperymentatorów, wystarcza do przeprowadzenia syntezy termojądrowej.

„Technicznie” istotą reakcji jest to, że w wyniku połączenia dwóch atomów deuteru powstaje trzeci - izotop wodoru, zwany trytem, ​​oraz neutron, charakteryzujący się ogromną ilością energii.

3.1 Problemy ekonomiczne

Przy tworzeniu TTS zakłada się, że będzie to duża instalacja wyposażona w potężne komputery. To będzie całe małe miasto. Ale w razie wypadku lub awarii sprzętu, działanie stacji zostanie zakłócone.

Nie jest to przewidziane na przykład w nowoczesnych projektach elektrowni jądrowych. Uważa się, że najważniejsze jest ich zbudowanie, a to, co stanie się później, nie jest ważne.

Ale w przypadku awarii 1 stacji, wiele miast pozostanie bez prądu. Można to zaobserwować na przykład w elektrowni atomowej w Armenii. Usuwanie odpadów radioaktywnych stało się bardzo kosztowne. Na wniosek zielonej elektrowni jądrowej została zamknięta. Ludność została pozbawiona prądu, sprzęt elektrowni był zużyty, a pieniądze przeznaczone na odbudowę przez organizacje międzynarodowe zostały zmarnowane.

Poważnym problemem ekonomicznym jest dekontaminacja porzuconych przemysłów, w których przetwarzano uran. Na przykład „miasto Aktau ma swój mały„ Czarnobyl ”. Znajduje się na terenie zakładu chemicznego i hydrometalurgicznego (KhGMZ). Promieniowanie tła gamma w zakładzie przetwarzania uranu (HMC) w niektórych miejscach sięga 11 000 mikro- rentgenów na godzinę, średni poziom tła wynosi 200 mikrorentgenów (zwykle naturalne tło od 10 do 25 mikrorentgenów na godzinę). Po wyłączeniu zakładu w ogóle nie przeprowadzano tu dekontaminacji. Znaczna część urządzeń , około piętnastu tysięcy ton, ma już nieusuwalną radioaktywność.Jednocześnie takie niebezpieczne przedmioty są przechowywane na wolnym powietrzu, słabo strzeżone i stale wywożone z terytorium khGMZ.

Dlatego, ponieważ nie ma wiecznych produkcji, w związku z pojawieniem się nowych technologii, TCB może zostać zamknięty, a następnie przedmioty, metale z przedsiębiorstwa wejdą na rynek i ucierpi lokalna ludność.

Woda będzie wykorzystywana w układzie chłodzenia UTS. Ale według ekologów, jeśli weźmiemy statystyki dotyczące elektrowni jądrowych, woda z tych zbiorników nie nadaje się do picia.

Według ekspertów zbiornik jest pełen metali ciężkich (w szczególności toru-232), a w niektórych miejscach poziom promieniowania gamma sięga 50-60 mikrorentgenów na godzinę.

Oznacza to, że obecnie budowa elektrowni jądrowych nie przewiduje środków, które przywróciłyby obszar do pierwotnego stanu. A po zamknięciu przedsiębiorstwa nikt nie wie, jak zakopać nagromadzone odpady i posprzątać dawne przedsiębiorstwo.

3.2 Kwestie medyczne

Szkodliwe skutki UTS obejmują produkcję mutantów wirusów i bakterii, które wytwarzają szkodliwe substancje. Dotyczy to szczególnie wirusów i bakterii znajdujących się w ludzkim ciele. Pojawienie się nowotworów złośliwych i raka jest prawdopodobnie powszechną chorobą mieszkańców wiosek mieszkających w pobliżu FTS.Mieszkańcy zawsze cierpią bardziej, ponieważ nie mają żadnych środków ochrony.Dozymetry są drogie, a leki nie są dostępne. Odpady z TCF będą odprowadzane do rzek, wypuszczane do powietrza lub pompowane do warstw podziemnych, co dzieje się obecnie w elektrowniach jądrowych.

Oprócz uszkodzeń, które pojawiają się wkrótce po ekspozycji na wysokie dawki, promieniowanie jonizujące powoduje skutki długoterminowe. Zasadniczo karcynogeneza i zaburzenia genetyczne, które mogą wystąpić przy dowolnej dawce i rodzaju narażenia (pojedyncza, przewlekła, miejscowa).

Według doniesień lekarzy, którzy rejestrowali choroby pracowników elektrowni jądrowych, najpierw są to choroby układu krążenia (zawały serca), a następnie nowotwory. Mięsień sercowy pod wpływem promieniowania staje się cieńszy, zwiotczały, mniej wytrzymały. Istnieje kilka bardzo dziwnych chorób. Na przykład niewydolność wątroby. Ale dlaczego tak się dzieje, żaden z lekarzy nadal nie wie. Gdy substancje promieniotwórcze dostaną się do dróg oddechowych podczas wypadku, lekarze wycinają uszkodzone tkanki płuc i tchawicy, a osoba niepełnosprawna chodzi z przenośnym aparatem do oddychania

4. Wniosek

Ludzkość potrzebuje energii, a zapotrzebowanie na nią rośnie z roku na rok. Jednocześnie zasoby tradycyjnych paliw naturalnych (ropa, węgiel, gaz itp.) są ograniczone. Istnieją również ograniczone zapasy paliwa jądrowego – uranu i toru, z których można pozyskiwać pluton w reaktorach reprodukcyjnych. Zapasy paliwa termojądrowego – wodoru – są praktycznie niewyczerpane.

W 1991 roku po raz pierwszy udało się pozyskać znaczną ilość energii – około 1,7 miliona watów w wyniku kontrolowanej syntezy jądrowej we Wspólnym Laboratorium Europejskim (Torus). W grudniu 1993 roku naukowcy z Princeton University wykorzystali reaktor termojądrowy tokamak do wytworzenia kontrolowanej reakcji jądrowej, uwolniona energia wyniosła 5,6 miliona watów. Jednak zarówno w reaktorze typu tokamak, jak iw laboratorium Torus zużyto więcej energii niż otrzymano.

Jeśli produkcja energii z syntezy jądrowej stanie się praktycznie przystępna cenowo, zapewni nieograniczone źródło paliwa

5. Referencje

1) Magazyn „New Look” (Fizyka; Dla przyszłej elity).

2) Podręcznik Fizyki do klasy 11.

3) Akademia Energetyczna (analityka; pomysły; projekty).

4) Ludzie i atomy (William Lawrence).

5) Elementy Wszechświata (Seaborg i Valens).

6) Radziecki słownik encyklopedyczny.

7) Encyklopedia Encarta 96.

8) Astronomia - www.college.ru./astronomia.