Fuzja jądrowa zamiast rozszczepienia (droga zbawienia dla ludzkości?). Zimna fuzja: eksperymenty tworzą energię, której nie powinno być

Według współczesnych koncepcji astrofizycznych głównym źródłem energii dla Słońca i innych gwiazd jest zachodząca w ich głębi fuzja termojądrowa. W warunkach ziemskich odbywa się to podczas wybuchu bomby wodorowej. Fuzji termojądrowej towarzyszy kolosalne uwalnianie energii na jednostkę masy reagujących substancji (około 10 milionów razy większe niż w reakcjach chemicznych). Dlatego bardzo ważne jest opanowanie tego procesu i stworzenie na jego podstawie taniego i przyjaznego środowisku źródła energii. Jednak pomimo tego, że w badania nad kontrolowaną syntezą termojądrową (CTF) zaangażowane są duże zespoły naukowo-techniczne w wielu krajach rozwiniętych, wciąż pozostaje wiele do rozwiązania. trudne problemy zanim przemysłowa produkcja energii termojądrowej stanie się rzeczywistością.

Nowoczesne elektrownie jądrowe wykorzystujące proces rozszczepienia tylko częściowo zaspokajają światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Paliwem dla nich są naturalne pierwiastki promieniotwórcze uran i tor, których występowanie i rezerwy w przyrodzie są bardzo ograniczone; dlatego dla wielu krajów pojawia się problem ich importu. Głównym składnikiem paliwa termojądrowego jest deuter izotopu wodoru, który jest zawarty w woda morska. Jego rezerwy są publicznie dostępne i bardzo duże (ocean światowy zajmuje ~71% powierzchni Ziemi, a deuter stanowi około 0,016% całkowitej liczby atomów wodoru, które składają się na wodę). Oprócz dostępności paliwa, źródła energii termojądrowej mają następujące ważne zalety w stosunku do: elektrownie jądrowe 1) reaktor UTS zawiera znacznie mniej materiałów promieniotwórczych niż reaktor rozszczepienia atomowego, a zatem konsekwencje przypadkowego uwolnienia produktów promieniotwórczych są mniej niebezpieczne; 2) reakcje termojądrowe wytwarzają mniej długożyciowych odpadów promieniotwórczych; 3) TCB umożliwia bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej.

FIZYCZNE PODSTAWY FUZJI JĄDROWEJ

Pomyślna realizacja reakcji fuzji zależy od właściwości użytych jąder atomowych oraz możliwości uzyskania gęstej plazmy wysokotemperaturowej, która jest niezbędna do zainicjowania reakcji.

Siły i reakcje jądrowe.

Uwalnianie energii podczas syntezy jądrowej jest spowodowane niezwykle intensywnymi siłami przyciągania działającymi wewnątrz jądra; siły te utrzymują razem protony i neutrony tworzące jądro. Są bardzo intensywne na dystansach ~10–13 cm i słabną niezwykle szybko wraz ze wzrostem odległości. Oprócz tych sił dodatnio naładowane protony wytwarzają elektrostatyczne siły odpychające. Promień działania sił elektrostatycznych jest znacznie większy niż sił jądrowych, więc zaczynają dominować, gdy jądra są dalej od siebie.

Jak pokazał G. Gamov, prawdopodobieństwo reakcji dwóch zbliżających się jąder lekkich jest proporcjonalne do , gdzie mi – podstawa logarytmów naturalnych, Z 1 oraz Z 2 to liczba protonów w oddziałujących jądrach, W jest energią ich względnego podejścia i K jest stałym mnożnikiem. Energia wymagana do przeprowadzenia reakcji zależy od liczby protonów w każdym jądrze. Jeśli jest więcej niż trzy, to energia ta jest zbyt wysoka i reakcja jest praktycznie niemożliwa. Tak więc, wraz ze wzrostem Z 1 i Z 2 prawdopodobieństwo reakcji maleje.

Prawdopodobieństwo interakcji dwóch jąder charakteryzuje „przekrój reakcji”, mierzony w oborach (1 b = 10–24 cm 2). Przekrój reakcyjny to obszar efektywnego przekroju poprzecznego jądra, do którego musi „dostać się” kolejne jądro, aby doszło do ich interakcji. Przekrój dla reakcji deuteru z trytem osiąga maksymalną wartość (~5 b), gdy oddziałujące cząstki mają względną energię zbliżenia około 200 keV. Przy energii 20 keV przekrój staje się mniejszy niż 0,1 b.

Z miliona przyspieszonych cząstek uderzających w cel, nie więcej niż jedna wchodzi w oddziaływanie jądrowe. Pozostałe rozpraszają swoją energię na elektronach docelowych atomów i zwalniają do prędkości, przy których reakcja staje się niemożliwa. W konsekwencji metoda bombardowania stałego celu przyspieszonymi jądrami (jak miało to miejsce w eksperymencie Cockcroft-Walton) jest nieodpowiednia dla CTS, ponieważ energia uzyskana w tym przypadku jest znacznie mniejsza niż energia zużyta.

Paliwa termojądrowe.

Reakcje z udziałem p, które odgrywają główną rolę w procesach syntezy jądrowej na Słońcu i innych jednorodnych gwiazdach, nie mają praktycznego znaczenia w warunkach ziemskich, ponieważ mają zbyt mały przekrój. Do realizacji syntezy termojądrowej na Ziemi, bardziej odpowiednim rodzajem paliwa, jak wspomniano powyżej, jest deuter.

Jednak najbardziej prawdopodobna reakcja zachodzi w równoskładnikowej mieszaninie deuteru i trytu (mieszanina DT). Niestety tryt jest radioaktywny i ze względu na: krótki okres okres półtrwania (T 1/2 ~ 12,3 lat) praktycznie nie występuje w naturze. Jest odbierany sztucznymi środkami w reaktorach rozszczepiania, a także jako produkt uboczny w reakcjach z deuterem. Jednak brak trytu w przyrodzie nie jest przeszkodą w stosowaniu DT - reakcji fuzji, ponieważ Tryt może być wytwarzany przez napromieniowanie izotopu 6 Li neutronami wytwarzanymi podczas fuzji: n+ 6 Li® 4 He + t.

Jeśli komora termojądrowa jest otoczona warstwą 6 Li (naturalny lit zawiera 7%), to możliwe jest całkowite odtworzenie zużywalnego trytu. I choć w praktyce część neutronów jest nieuchronnie tracona, to ich utratę można łatwo uzupełnić, wprowadzając do powłoki taki pierwiastek, jak beryl, którego jądro, gdy uderzy w niego jeden neutron prędki, emituje dwa.

Zasada działania reaktora termojądrowego.

Reakcja syntezy jąder lekkich, której celem jest uzyskanie użytecznej energii, nazywana jest kontrolowaną fuzją termojądrową. Przeprowadza się go w temperaturach rzędu setek milionów kelwinów. Do tej pory proces ten był realizowany tylko w laboratoriach.

Warunki czasowe i temperaturowe.

Uzyskanie użytecznej energii termojądrowej jest możliwe tylko wtedy, gdy spełnione są dwa warunki. Po pierwsze, mieszanina przeznaczona do fuzji musi zostać podgrzana do temperatury, w której energia kinetyczna jąder zapewnia wysokie prawdopodobieństwo ich fuzji po zderzeniu. Po drugie, mieszanina reagująca musi być bardzo dobrze izolowana termicznie (tj. wysoka temperatura musi być utrzymywana wystarczająco długo, aby zaszła wymagana liczba reakcji, a energia uwolniona z tego powodu przewyższa energię zużytą na podgrzanie paliwa).

W formie ilościowej warunek ten wyraża się w następujący sposób. Aby ogrzać mieszaninę termojądrową, jeden centymetr sześcienny jej objętości musi zostać doprowadzony w energię P 1 = knt, gdzie k- współczynnik liczbowy, n- gęstość mieszaniny (liczba jąder w 1 cm3), T- wymagana temperatura. Aby utrzymać reakcję, energia przekazana mieszaninie termojądrowej musi być zachowana przez czas t. Aby reaktor był energetycznie opłacalny, konieczne jest, aby w tym czasie uwalniało się w nim więcej energii termojądrowej niż zostało wydane na ogrzewanie. Uwolniona energia (również na 1 cm3) jest wyrażona w następujący sposób:

gdzie f(T) to współczynnik zależny od temperatury mieszanki i jej składu, R to energia uwalniana w jednym elementarnym akcie syntezy. Wtedy warunek opłacalności energii P 2 > P 1 przyjmie formę

Ostatnia nierówność, znana jako kryterium Lawsona, to: wyrażenie ilościowe wymagania dotyczące doskonałości izolacji termicznej. Prawa strona – „liczba Lawsona” – zależy tylko od temperatury i składu mieszanki, a im większa, tym bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące izolacyjności termicznej, tj. tym trudniej jest stworzyć reaktor. W zakresie dopuszczalnych temperatur liczba Lawsona dla czystego deuteru wynosi 10 16 s/cm 3 , a dla jednoskładnikowej mieszaniny DT 2×10 14 s/cm 3 . Więc mieszanka DT jest bardziej preferowana paliwo termojądrowe.

Zgodnie z kryterium Lawsona, które określa energetycznie korzystną wartość iloczynu gęstości i czasu utrzymywania, w reaktorze termojądrowym należy stosować jak największe. n lub t. W związku z tym badania CTS podzieliły się na dwie części różne kierunki: w pierwszym badacze próbowali utrzymać stosunkowo rozrzedzoną plazmę za pomocą pola magnetycznego przez wystarczająco długi czas; w drugim za pomocą laserów na krótki czas wytworzyć plazmę o bardzo dużej gęstości. Dużo więcej pracy poświęcono pierwszemu podejściu niż drugiemu.

Magnetyczne zamknięcie plazmy.

Podczas reakcji syntezy jądrowej gęstość gorącego reagenta musi pozostać na poziomie, który zapewni wystarczająco wysoką wydajność użytecznej energii na jednostkę objętości przy ciśnieniu, jakie może wytrzymać komora plazmowa. Na przykład dla mieszaniny deuter - tryt w temperaturze 108 K wydajność określa wyrażenie

Jeśli akceptujesz P równy 100 W/cm 3 (co w przybliżeniu odpowiada uwolnionej energii ogniwa paliwowe w reaktorach rozszczepienia jądrowego), to gęstość n powinna wynosić ok. 10 15 rdzeni/cm 3 i odpowiednie ciśnienie nie- około 3 MPa. Czas retencji w tym przypadku, zgodnie z kryterium Lawsona, powinien wynosić co najmniej 0,1 s. Do plazmy deuterowo-deuterowej w temperaturze 10 9 K

W takim przypadku, kiedy P\u003d 100 W / cm3, n» 3×10 15 rdzeni/cm 3 i ciśnieniu ok. 100 MPa, wymagany czas przetrzymania będzie dłuższy niż 1 s. Należy zauważyć, że te gęstości wynoszą tylko 0,0001 powietrza atmosferycznego, więc komora reaktora musi zostać opróżniona do wysokiej próżni.

Powyższe oszacowania czasu retencji, temperatury i gęstości są typowymi minimalnymi parametrami wymaganymi do działania reaktora syntezy jądrowej i są łatwiejsze do osiągnięcia w przypadku mieszaniny deuteru z trytem. Jeśli chodzi o termo reakcje jądrowe, płynących podczas wybuchu bomby wodorowej i we wnętrzach gwiazd, należy pamiętać, że ze względu na zupełnie inne warunki w pierwszym przypadku przebiegają one bardzo szybko, a w drugim niezwykle wolno w porównaniu z procesami w reaktorze termojądrowym.

Osocze.

Gdy gaz jest mocno podgrzany, jego atomy częściowo lub całkowicie tracą elektrony, w wyniku czego powstają dodatnio naładowane cząstki, zwane jonami, i wolne elektrony. W temperaturach powyżej miliona stopni gaz składający się z lekkich pierwiastków ulega całkowitej jonizacji, tj. każdy atom traci wszystkie swoje elektrony. Gaz w stanie zjonizowanym nazywany jest plazmą (termin wprowadził I. Langmuir). Właściwości plazmy znacznie różnią się od właściwości gazu obojętnego. Ponieważ w plazmie znajdują się wolne elektrony, plazma bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny, a jej przewodność jest proporcjonalna do T 3/2. Plazmę można ogrzać, przepuszczając przez nią prąd elektryczny. Przewodność plazmy wodorowej w 10 8 K jest taka sama jak miedzi w temperatura pokojowa. Przewodność cieplna plazmy jest również bardzo wysoka.

Aby utrzymać plazmę na przykład w temperaturze 108 K, musi być ona niezawodnie izolowana termicznie. W zasadzie plazmę można odizolować od ścian komory poprzez umieszczenie jej w silnym polu magnetycznym. Zapewniają to siły, które powstają, gdy prądy oddziałują z pole magnetyczne w plazmie.

Pod działaniem pola magnetycznego jony i elektrony poruszają się spiralnie wzdłuż jego linie siły. Przejście od jednej linii siły do ​​drugiej jest możliwe w zderzeniach cząstek i przy nałożeniu poprzecznej pole elektryczne. W przypadku braku pól elektrycznych rozrzedzona plazma o wysokiej temperaturze, w której rzadko dochodzi do zderzeń, będzie powoli dyfundować w poprzek linii pola magnetycznego. Jeśli linie siły pola magnetycznego zamkną się, nadając im kształt pętli, to cząstki plazmy będą poruszać się wzdłuż tych linii, utrzymywane w rejonie pętli. Oprócz tak zamkniętej konfiguracji magnetycznej zaproponowano również uwięzienie plazmy systemy otwarte(z liniami pola rozciągającymi się na zewnątrz od końców komory), w której cząstki pozostają wewnątrz komory dzięki magnetycznym „zatyczkom”, które ograniczają ruch cząstek. Na końcach komory powstają zwierciadła magnetyczne, gdzie w wyniku stopniowego wzrostu natężenia pola powstaje zwężająca się wiązka linii pola.

W praktyce magnetyczne uwięzienie plazmy o wystarczająco dużej gęstości nie było proste: często w niej występują niestabilności magnetohydrodynamiczne i kinetyczne.

Niestabilności magnetohydrodynamiczne są związane z załamaniami i przerwami linii pola magnetycznego. W takim przypadku plazma może zacząć przemieszczać się w poprzek pola magnetycznego w postaci wiązek, opuścić strefę przechowania w ciągu kilku milionowych części sekundy i oddać ciepło ściankom komory. Takie niestabilności można stłumić przez nadanie polu magnetycznemu określonej konfiguracji.

Niestabilności kinetyczne są bardzo zróżnicowane i zostały zbadane mniej szczegółowo. Wśród nich są takie, które zakłócają uporządkowane procesy, takie jak przepływ stałego prądu elektrycznego lub strumień cząstek przez plazmę. Inne niestabilności kinetyczne powodują wyższą poprzeczną dyfuzję plazmy w polu magnetycznym niż przewidywana przez teorię zderzeń dla cichej plazmy.

Systemy z zamkniętą konfiguracją magnetyczną.

Jeśli do zjonizowanego przewodzącego gazu zostanie przyłożone silne pole elektryczne, pojawi się w nim prąd wyładowania, a jednocześnie pojawi się otaczające go pole magnetyczne. Oddziaływanie pola magnetycznego z prądem doprowadzi do pojawienia się sił ściskających działających na naładowane cząstki gazu. Jeżeli prąd płynie wzdłuż osi przewodzącego żarnika plazmowego, to powstające siły promieniowe, jak gumki, ściskają włókno, odsuwając granicę plazmy od ścianek komory, w której się znajduje. Zjawisko to, przewidziane teoretycznie przez W. Bennetta w 1934 r. i po raz pierwszy zademonstrowane eksperymentalnie przez A. Ware w 1951 r., nazywa się efektem uszczypnięcia. Metodę zaciskania stosuje się do zamknięcia plazmy; jego godną uwagi cechą jest to, że gaz jest podgrzewany do wysokich temperatur przez sam prąd elektryczny (ogrzewanie omowe). Podstawowa prostota metody doprowadziła do jej zastosowania w pierwszych próbach powstrzymania gorącej plazmy, a badanie prostego efektu ściskania, mimo że później zastąpiono go bardziej zaawansowanymi metodami, pozwoliło lepiej zrozumieć problemy, z którymi borykają się dziś eksperymentatorzy.

Oprócz dyfuzji plazmy w kierunku promieniowym występuje również dryf wzdłużny i jego wyjście przez końce kolumny plazmowej. Straty na końcach można wyeliminować, jeśli komora z plazmą ma kształt pączka (torusa). W tym przypadku uzyskuje się ściskanie toroidalne.

Dla opisanego powyżej prostego szczypania, tkwiące w nim niestabilności magnetohydrodynamiczne stanowią poważny problem. Jeżeli na kolumnie plazmowej wystąpi małe zgięcie, to gęstość linii pola magnetycznego z w środku zginanie wzrasta (rys. 1). Magnetyczne linie siły, które zachowują się jak pasma odporne na ściskanie, szybko zaczną się „wybrzuszać”, tak że zagięcie będzie się zwiększać, aż do zniszczenia całej struktury filamentu plazmowego. W efekcie plazma wejdzie w kontakt ze ściankami komory i ostygnie. Aby wykluczyć to katastrofalne zjawisko, przed przejściem głównego prądu osiowego w komorze wytwarzane jest podłużne pole magnetyczne, które wraz z przyłożonym później kołowym polem „prostuje” początkowe zginanie kolumny plazmy (rys. 2). ). Zasada stabilizacji kolumny plazmowej polem osiowym jest podstawą dwóch obiecujących projektów reaktory termojądrowe– tokamak i szczypta z odwróconym polem magnetycznym.

Otwarte konfiguracje magnetyczne.

chwyt bezwładnościowy.

Obliczenia teoretyczne pokazują, że fuzja termojądrowa jest możliwa bez użycia pułapek magnetycznych. W tym celu specjalnie przygotowana tarcza (kulka deuterowa o promieniu około 1 mm) jest szybko kompresowana do tak dużej gęstości, że reakcja termojądrowa ma czas na zakończenie, zanim tarcza paliwowa wyparuje. Sprężanie i podgrzewanie do temperatur termojądrowych może odbywać się za pomocą super silnych impulsów laserowych, równomiernie i jednocześnie napromieniających kulę paliwową ze wszystkich stron (rys. 4). Wraz z natychmiastowym odparowaniem jej warstw powierzchniowych wyrzucane cząstki nabierają bardzo dużych prędkości, a na kulkę działają duże siły ściskające. Są one podobne do sił reaktywnych napędzających rakietę, z tą różnicą, że tutaj siły te są skierowane do wewnątrz, w kierunku środka celu. Ta metoda może wytworzyć ciśnienia rzędu 10 11 MPa i gęstości 10 000 razy wyższe niż gęstość wody. Przy tej gęstości prawie cała energia termojądrowa zostanie uwolniona w postaci małej eksplozji w ciągu ~10–12 s. Występujące mikroeksplozje, z których każdy odpowiada 1–2 kg trotylu, nie spowodują uszkodzenia reaktora, a realizacja sekwencji takich mikrowybuchów w krótkich odstępach czasu pozwoliłaby na niemal ciągłą produkcję energii użytecznej. W przypadku obudowy bezwładnościowej bardzo ważne jest rozmieszczenie tarczy paliwowej. Tarcza w postaci koncentrycznych kul ciężkich i lekkie materiały osiągnie najefektywniejsze odparowanie cząstek, a co za tym idzie największą kompresję.

Obliczenia pokazują, że przy energii promieniowanie laserowe rzędu megadżula (106 J) i wydajności lasera co najmniej 10%, wytworzona energia termojądrowa musi przekraczać energię zużytą na pompowanie lasera. Urządzenia do laserów termojądrowych są dostępne w laboratoriach badawczych w Rosji, USA, Europie Zachodniej i Japonii. Obecnie badana jest możliwość zastosowania wiązki ciężkich jonów zamiast wiązki laserowej lub połączenia takiej wiązki z wiązką światła. Dzięki nowoczesna technologia ta metoda inicjowania reakcji ma przewagę nad metodą laserową, ponieważ pozwala uzyskać więcej użytecznej energii. Wadą jest trudność w skupieniu wiązki na celu.

INSTALACJE Z RETENCJĄ MAGNETYCZNĄ

Metody uwięzienia za pomocą plazmy magnetycznej są badane w Rosji, USA, Japonii i wielu krajach europejskich. Główną uwagę przywiązuje się do urządzeń typu toroidalnego, takich jak tokamak i pinch z odwróconym polem magnetycznym, które pojawiły się w wyniku opracowania prostszych pinchów ze stabilizującym podłużnym polem magnetycznym.

Do ograniczania plazmy toroidalnym polem magnetycznym Bj konieczne jest stworzenie warunków, w których plazma nie zostanie przemieszczona do ścian torusa. Osiąga się to poprzez „skręcanie” linii pola magnetycznego (tzw. „transformacja rotacyjna”). To skręcanie odbywa się na dwa sposoby. W pierwszej metodzie przez plazmę przepływa prąd, co prowadzi do ukształtowania się już uważanego za stabilne zaciskanie. Prąd pola magnetycznego B q J - B q wraz z B j tworzy całkowite pole z niezbędnym skrętem. Jeśli B j B q , otrzymujemy konfigurację znaną jako tokamak (skrót od wyrażenia „TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS”). Tokamak (ryc. 5) został opracowany pod kierownictwem L.A. Artsimovicha w Instytucie energia atomowa ich. IV Kurczatow w Moskwie. Na B j ~ B q uzyskuje się konfigurację zacisku z odwróconym polem magnetycznym.

W drugiej metodzie stosuje się specjalne spiralne uzwojenia wokół toroidalnej komory plazmy, aby zapewnić równowagę zamkniętej plazmy. Prądy w tych uzwojeniach wytwarzają złożone pole magnetyczne, które prowadzi do skręcania linii sił pola całkowitego wewnątrz torusa. Taką instalację, zwaną stellaratorem, opracował na Uniwersytecie Princeton (USA) L. Spitzer i jego współpracownicy.

Tokamak.

Ważnym parametrem, od którego zależy uwięzienie plazmy toroidalnej, jest „margines stabilności” q, równy rB j / R.B. q , gdzie r oraz R są odpowiednio małymi i dużymi promieniami toroidalnej plazmy. W małym q może rozwinąć się niestabilność spiralna, analogiczna do niestabilności zginania prostego zacisku. Naukowcy w Moskwie eksperymentalnie wykazali, że kiedy q> 1 (tj. B j B q) możliwość niestabilności spiralnej jest znacznie zmniejszona. Umożliwia to efektywne wykorzystanie ciepła uwalnianego przez prąd do ogrzania plazmy. W wyniku wieloletnich badań właściwości tokamaków uległy znacznej poprawie, w szczególności poprzez zwiększenie jednorodności pola oraz efektywne czyszczenie komory próżniowej.

Zachęcające wyniki uzyskane w Rosji pobudziły powstawanie tokamaków w wielu laboratoriach na całym świecie, a ich konfiguracja stała się przedmiotem intensywnych badań.

Ogrzewanie omowe plazmy w tokamaku nie wystarcza do przeprowadzenia reakcji fuzji termojądrowej. Wynika to z faktu, że gdy plazma jest podgrzewana, jej opór elektryczny, w wyniku czego wytwarzanie ciepła podczas przepływu prądu jest znacznie zmniejszone. Niemożliwe jest zwiększenie prądu w tokamaku powyżej pewnej granicy, ponieważ kolumna plazmowa może stracić stabilność i zostać przeniesiona na ściany komory. Dlatego do podgrzewania plazmy stosuje się różne dodatkowe metody. Najskuteczniejsze z nich to wstrzykiwanie wiązek wysokoenergetycznych neutralnych atomów oraz promieniowanie mikrofalowe. W pierwszym przypadku jony rozpędzone do energii 50–200 keV są neutralizowane (aby uniknąć ich „odbicia” z powrotem przez pole magnetyczne po wprowadzeniu do komory) i wstrzykiwane do plazmy. Tutaj są ponownie zjonizowane iw procesie zderzeń oddają swoją energię plazmie. W drugim przypadku stosuje się promieniowanie mikrofalowe, którego częstotliwość jest równa częstotliwości cyklotronu jonów (częstotliwość rotacji jonów w polu magnetycznym). Przy tej częstotliwości gęsta plazma zachowuje się jak całkowicie czarne ciało, tj. całkowicie pochłania energię padającą. W krajach tokamaka JET Unia Europejska Przez wstrzyknięcie obojętnych cząstek otrzymano plazmę o temperaturze jonów 280 milionów Kelvinów i czasie utrzymywania 0,85 s. Na plazmie deuterowo-trytowej uzyskano moc termojądrową sięgającą 2 MW. Czas trwania reakcji jest ograniczony pojawieniem się zanieczyszczeń w wyniku rozpylania ścian komory: zanieczyszczenia wnikają w plazmę i ulegając jonizacji znacznie zwiększają straty energii na skutek promieniowania. Obecnie prace nad programem JET skupiają się na badaniach nad możliwością kontrolowania zanieczyszczeń i ich usuwania, tzw. „odwracacz magnetyczny”.

Duże tokamaki powstały także w USA - TFTR, w Rosji - T15 oraz w Japonii - JT60. Badania prowadzone na tych i innych obiektach położyły podwaliny pod kolejny etap prac w zakresie kontrolowanej syntezy termojądrowej: w 2010 roku planowane jest uruchomienie dużego reaktora do prób technicznych. Zakłada się, że będzie to wspólne dzieło Stanów Zjednoczonych, Rosji, krajów Unii Europejskiej i Japonii. Zobacz też TOKAMAK.

Odwrócona szczypta pola (FOP).

Konfiguracja POP różni się od tokamaka tym, że ma B q~ B j, ale kierunek pola toroidalnego na zewnątrz plazmy jest przeciwny do jego kierunku wewnątrz kolumny plazmowej. J.Taylor wykazał, że taki układ jest w stanie z minimalną energią i pomimo tego q

Zaletą konfiguracji POP jest to, że stosunek objętościowych gęstości energii plazmy i pola magnetycznego (wartość b) w niej jest większy niż w tokamaku. Zasadniczo ważne jest, aby b był jak największy, ponieważ zmniejszy to pole toroidalne, a w konsekwencji zmniejszy koszt cewek, które je tworzą, oraz całej konstrukcji nośnej. Słabością POP jest to, że izolacyjność termiczna tych systemów jest gorsza niż tokamaków, a problem utrzymania odwróconego pola nie został rozwiązany.

Stellarator.

W stellaratorze na zamknięte toroidalne pole magnetyczne nakłada się pole wytwarzane przez specjalne spiralne uzwojenie owinięte wokół korpusu aparatu. Całkowite pole magnetyczne zapobiega oddalaniu się plazmy od środka i tłumi niektóre rodzaje niestabilności magnetohydrodynamicznych. Sama plazma może być wytwarzana i podgrzewana dowolną z metod stosowanych w tokamaku.

Główną zaletą stellaratora jest to, że zastosowany w nim sposób utrzymywania nie jest związany z obecnością prądu w plazmie (jak w tokamakach czy w urządzeniach opartych na efekcie uszczypnięcia), dzięki czemu stellarator może pracować w trybie stacjonarnym . Ponadto uzwojenie śrubowe może mieć efekt „odwracacza”, tj. oczyścić plazmę z zanieczyszczeń i usunąć produkty reakcji.

Uwięzienie plazmy w stellaratorach jest szeroko badane w obiektach w Unii Europejskiej, Rosji, Japonii i Stanach Zjednoczonych. Na stellaratorze „Wendelstein VII” w Niemczech udało się utrzymać nieprzewodzącą prąd plazmę o temperaturze powyżej 5x106 kelwinów, ogrzewając ją poprzez wstrzyknięcie wysokoenergetycznej wiązki atomowej.

Ostatnie badania teoretyczne i eksperymentalne wykazały, że w większości opisywanych instalacji, a zwłaszcza w zamkniętych układach toroidalnych, czas utrzymywania plazmy można wydłużyć poprzez zwiększenie jej wymiarów promieniowych i ograniczenie pola magnetycznego. Np. dla tokamaka oblicza się, że kryterium Lawsona zostanie spełnione (a nawet z pewnym marginesem) przy natężeniu pola magnetycznego ~50 ± 100 kG i małym promieniu komory toroidalnej około. 2 m. Są to parametry instalacji dla 1000 MW energii elektrycznej.

Przy tworzeniu tak dużych instalacji z zamknięciem plazmy magnetycznej pojawiają się zupełnie nowe problemy technologiczne. Aby wytworzyć pole magnetyczne rzędu 50 kG w objętości kilku metry sześcienne przy użyciu chłodzonych wodą cewek miedzianych wymagane byłoby źródło zasilania o mocy kilkuset megawatów. Jest więc oczywiste, że uzwojenia cewek muszą być wykonane z materiałów nadprzewodzących, takich jak stopy niobu z tytanem lub cyną. Odporność tych materiałów na prąd elektryczny w stanie nadprzewodzącym jest równa zeru, a zatem będzie przeznaczona na utrzymanie pola magnetycznego minimalna ilość Elektryczność.

technologia reaktora.

Perspektywy badań termojądrowych.

Eksperymenty przeprowadzone na instalacjach typu tokamak wykazały, że układ ten jest bardzo obiecujący jako możliwa baza dla reaktora UTS. Najlepsze dotychczas wyniki osiągnięto na tokamakach i jest nadzieja, że ​​przy odpowiednim wzroście skali instalacji będą one w stanie wdrożyć przemysłową sterowaną syntezę termojądrową. Jednak tokamak nie jest wystarczająco ekonomiczny. Aby wyeliminować tę wadę, konieczne jest, aby nie działała w trybie pulsacyjnym, jak to jest teraz, ale w trybie ciągłym. Jednak fizyczne aspekty tego problemu są nadal słabo poznane. Niezbędny jest również rozwój środki techniczne, co poprawiłoby parametry plazmy i wyeliminowało jej niestabilności. Biorąc to wszystko pod uwagę, nie należy zapominać o innych możliwych, choć mniej rozbudowanych opcjach reaktora termojądrowego, na przykład stellaratorze lub odwróconym zacisku pola. Stan badań w tej dziedzinie osiągnął etap, w którym istnieją koncepcyjne projekty reaktorów dla większości systemów magnetycznego utrzymywania plazmy w wysokiej temperaturze oraz dla niektórych systemów utrzymywania bezwładnościowego. Przykładem przemysłowego rozwoju tokamaka jest projekt Aries (USA).

Shikanov A.S. // Dziennik Edukacyjny Sorosa, nr 8, 1997, s. 86-91

Przyjrzymy się fizycznym zasadom fuzji laserowej, szybko rozwijającej się dziedzinie naukowej opartej na dwóch wybitnych odkryciach XX wieku: reakcjach termojądrowych i laserach.

Reakcje termojądrowe zachodzą podczas fuzji (syntezy) jąder lekkich pierwiastków. Jednocześnie wraz z edukacją ciężkie elementy nadmiar energii jest uwalniany w postaci energii kinetycznej końcowych produktów reakcji i promieniowania gamma. Duże uwalnianie energii podczas reakcji termojądrowych przyciąga uwagę naukowców ze względu na możliwość ich praktycznego zastosowania w warunkach ziemskich. Tak więc reakcje termojądrowe na dużą skalę przeprowadzono w bombie wodorowej (lub termojądrowej).

Niezwykle atrakcyjna jest możliwość wykorzystania energii uwalnianej podczas reakcji termojądrowych do rozwiązania problemu energetycznego. Faktem jest, że paliwem dla tej metody pozyskiwania energii jest izotop wodoru deuter (D), którego rezerwy w oceanach są praktycznie niewyczerpane.

Reakcje fuzji i kontrolowana fuzja

Reakcja termojądrowa to proces fuzji (lub fuzji) lekkich jąder w cięższe. Ponieważ w tym przypadku następuje tworzenie się jąder silnie związanych z luźniejszych, procesowi temu towarzyszy uwolnienie energii wiązania. Najprostszym sposobem jest fuzja izotopów wodoru - deuteru D i trytu T. Jądro deuteru - deuteron zawiera jeden proton i jeden neutron. Deuter znajduje się w wodzie w proporcji 1 część do 6500 części wodoru. Jądro trytu, tryton, składa się z protonu i dwóch neutronów. Tryt jest niestabilny (okres półtrwania 12,4 roku), ale można go otrzymać w wyniku reakcji jądrowych.

Podczas fuzji jąder deuteru i trytu powstaje hel He o masie atomowej cztery i neutron n. W wyniku reakcji uwalniana jest energia 17,6 MeV.

Fuzja jąder deuteru zachodzi wzdłuż dwóch kanałów z w przybliżeniu takim samym prawdopodobieństwem: w pierwszym z nich powstaje tryt i proton p oraz uwalniana jest energia równa 4 MeV; w drugim kanale - hel o masie atomowej 3 i neutron, a uwolniona energia wynosi 3,25 MeV. Reakcje te są przedstawione w postaci wzorów

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

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

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

Przed procesem fuzji jądra deuteru i trytu mają energię rzędu 10 keV; energia produktów reakcji osiąga wartości rzędu jednostek i dziesiątek megaelektronowoltów. Należy również zauważyć, że przekrój poprzeczny reakcji D + T i jej szybkość są znacznie większe (setki razy) niż dla reakcji D + D. Dlatego znacznie łatwiej reakcji D + T osiągnąć warunki, gdy uwolniona energia termojądrowa przewyższa koszty organizacji fuzji procesów.

Możliwe są również reakcje syntezy z udziałem innych jąder pierwiastków (na przykład litu, boru itp.). Jednak przekroje poprzeczne reakcji i ich szybkości dla tych pierwiastków są znacznie mniejsze niż dla izotopów wodoru i osiągają znaczące wartości tylko dla temperatur rzędu 100 keV. Osiągnięcie takich temperatur w instalacjach termojądrowych jest obecnie całkowicie nierealne, więc tylko reakcje fuzji izotopów wodoru mogą mieć praktyczne użycie wkrótce.

Jak można przeprowadzić reakcję termojądrową? Problem polega na tym, że fuzji jąder zapobiegają elektryczne siły odpychania. Zgodnie z prawem Coulomba, elektryczna siła odpychania rośnie odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między oddziałującymi jądrami F ~ 1/ r 2. Dlatego dla fuzji jąder tworzenie nowych pierwiastków i uwalnianie nadmiaru energii, konieczne jest pokonanie bariery kulombowskiej, czyli wykonanie pracy przeciw siłom odpychania, informując jądra o niezbędną energię.

Istnieją dwie możliwości. Jedna z nich polega na zderzeniu dwóch wiązek atomów światła przyspieszonych ku sobie. Takie podejście okazało się jednak nieefektywne. Faktem jest, że prawdopodobieństwo fuzji jądrowej w przyspieszonych wiązkach jest niezwykle małe ze względu na małą gęstość jąder i znikomy czas ich oddziaływania, chociaż tworzenie wiązek o wymaganej energii w istniejących akceleratorach nie stanowi problemu.

Innym sposobem, na którym zatrzymali się współcześni badacze, jest podgrzewanie substancji do wysokich temperatur (około 100 mln stopni). Im wyższa temperatura, tym wyższa średnia energia kinetyczna cząstek i tym większa ich liczba może pokonać barierę Coulomba.

Aby określić ilościowo wydajność reakcji termojądrowych, wprowadza się współczynnik wzmocnienia energii Q, który jest równy

gdzie Eout to energia uwalniana w wyniku reakcji syntezy jądrowej, Eset to energia wykorzystywana do podgrzewania plazmy do temperatur termojądrowych.

Aby energia uwalniana w wyniku reakcji była równa kosztom energii na podgrzanie plazmy do temperatur rzędu 10 keV, musi być spełnione tzw. kryterium Lawsona:

(Nt) 1014 $ s/cm3 dla reakcji D-T,

(Nt) 1015 $ s/cm3 dla reakcji D-D.

Tutaj N jest gęstością mieszaniny deuteru z trytem (liczba cząstek w centymetrze sześciennym), t jest czasem efektywnych reakcji syntezy jądrowej.

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 (N © 1014-1015 cm-3) przez pole magnetyczne o specjalnej konfiguracji przez stosunkowo długi czas (t © 1 -10 s). Do takich systemów należy „Tokamak” (skrót od „komora toroidalna z cewkami magnetycznymi”), zaproponowany w latach 50. w ZSRR.

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 podczas istnienia nieograniczonej lub, jak mówią, bezwładnościowej plazmy. Szacunki pokazują, że zagęszczenie materii do gęstości 100-1000 g/cm pozwoliłoby na dostarczenie energii do docelowej powierzchni o gęstości mocy q © 1015 W/cm2.

FIZYCZNE ZASADY FUZJI LASEROWEJ

Pomysł wykorzystania promieniowania laserowego o 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).

Zastanówmy się pokrótce, jakie podstawowe zasady fizyczne są zawarte w koncepcji osiągania? wysokie stopnie kompresja substancji i uzyskiwanie wysokich zysków energetycznych za pomocą mikroeksplozji laserowych. Rozważania zostaną zbudowane na przykładzie tzw. trybu kompresji bezpośredniej. W tym trybie mikrosfera (rys. 1) 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 107–108 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.

Jak już widzieliśmy, promieniowanie świetlne nie może wnikać w gęste warstwy celu (gęstość ciała stałego wynosi 1023 cm-3). Ze względu na przewodnictwo cieplne energia pochłonięta w plazmie o gęstości elektronowej mniejszej niż ncr jest przekazywana do gęstszych warstw, gdzie substancja docelowa ulega ablacji. Pozostałe nieodparowane warstwy tarczy przyspieszają w kierunku środka pod działaniem ciśnienia termicznego i odrzutowego, zagęszczając i podgrzewając zawarte w nim paliwo (rys. 2). W rezultacie energia promieniowania laserowego jest przekształcana na rozważanym etapie na energia kinetyczna materia leci w kierunku środka i w energię rozszerzającej się korony. Jest oczywiste, że użyteczna energia jest skoncentrowana w ruchu w kierunku centrum. Sprawność wkładu energii światła do celu charakteryzuje się stosunkiem energii indykowanej do całkowitej energii promieniowania, tzw. współczynnikiem sprawności hydrodynamicznej (COP). Osiągnięcie odpowiednio wysokiej sprawności hydrodynamicznej (10-20%) jest jednym z ważnych problemów laserowej fuzji termojądrowej.

Ryż. 2. Promieniowy rozkład temperatury i gęstości materii w tarczy na etapie przyspieszania pocisku do środka

Jakie procesy mogą utrudniać osiągnięcie wysokich stopni sprężania? Jednym z nich jest to, że przy gęstościach promieniowania termojądrowego q > 1014 W/cm2 znaczna część pochłoniętej energii zamienia się nie na klasyczną falę przewodnictwa elektronowego, ale na szybkie przepływy elektronów, których energia jest znaczna. więcej motywów temperatury korony plazmy (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 będzie prowadzić do wstępnego nagrzania ściśliwego paliwa i niemożliwości uzyskania sprężeń granicznych. Wysokoenergetyczne kwanty rentgenowskie (twarde promieniowanie rentgenowskie), towarzyszące elektronom epitermalnym, mają również dużą zdolność penetracji.

Trendem badań eksperymentalnych w ostatnich latach jest przejście na stosowanie krótkofalowego promieniowania laserowego (l< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). praktyczna okazja przejście na nagrzewanie plazmy promieniowaniem o krótkiej długości fali wynika z faktu, że współczynniki konwersji promieniowania z lasera neodymowego na ciele stałym (główny kandydat na sterowniki do laserowej fuzji termojądrowej) o długości fali l = 1,06 μm na promieniowanie drugiego , trzecia i czwarta harmoniczna za pomocą kryształów nieliniowych osiąga 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 plazmy 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 trybu 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 środku 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 przesuwania 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 efekcie w stanie końcowym może pojawić się formacja, której kształt odbiega znacznie od kulistego rdzenia, a średnia gęstość i temperatura są znacznie niższe niż wartości odpowiadające jednowymiarowej kompresji. 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. Schemat obwodu eksperyment w trybie kompresji pośredniej pokazano na ryc. 3. Do wnęki (hohlraum) wprowadzane jest promieniowanie laserowe, skupiające 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. Jaki jest obecny stan badań nad fuzją laserową? Eksperymenty mające na celu osiągnięcie wysokich gęstości ściśliwego paliwa w reżimie bezpośredniego sprężania rozpoczęły się w połowie lat 70. w V.I. PN Lebiediew, gdzie gęstość ściśliwego deuteru © 10 g/cm3 została osiągnięta na obiekcie Kalmar przy energii E = 200 J. Następnie programy prac nad LTS były aktywnie rozwijane w USA (obiekty Shiva i Nova w Livermore National Laboratory, Omega na University of Rochester), Japonii (Gekko-12), Rosji (Dolphin w FIAN, Iskra-4", " Iskra-5” w Arzamas-16) na poziomie energii lasera 1-100 kJ. Wszystkie aspekty ogrzewania i kompresji celów o różnych konfiguracjach w trybie bezpośredniego i pośredniego sprężania są szczegółowo badane. Ciśnienie ablacji ~100 Mbar i prędkość zapadania się mikrosfer V > 200 km/s osiągane są przy wartościach sprawności hydrodynamicznej około 10%. Postęp w rozwoju systemów laserowych i struktur docelowych umożliwił zapewnienie stopnia równomierności napromieniowania ściśliwej powłoki na poziomie 1–2%, zarówno przy bezpośrednim, jak i pośrednim ściskaniu. W obu reżimach osiągnięto zagęszczenia sprężony gaz 20-40 g/cm3, a na instalacji Gekko-12 gęstość sprasowanej skorupy wynosiła 600 g/cm3. Maksymalna wydajność neutronów N = 1014 neutronów na impuls.

WNIOSEK

Tak więc całość uzyskanych wyników eksperymentalnych i ich analiza wskazuje na praktyczną wykonalność kolejnego etapu w rozwoju laserowej fuzji termojądrowej — osiągnięcie gęstości gazu deuter-tryt 200–300 g/cm 1 MJ (patrz ryc. 4 i ).

Obecnie baza elementów jest intensywnie rozwijana i powstają projekty instalacji laserowych na poziomie megadżuli. W Laboratorium Livermore 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. Obiekt ten ma osiągnąć zysk energetyczny 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 - mikroeksplozja z uwolnieniem energii 107-109 J, potężne źródło neutronów, neutrin, promieniowania rentgenowskiego i grawitacyjnego. Będzie to miało nie tylko duże znaczenie ogólnofizyczne (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.

Niektórzy optymiści twierdzą, że innowacyjne projekty wykorzystujące nowoczesne nadprzewodniki wkrótce umożliwią kontrolowaną fuzję termojądrową. Eksperci przewidują jednak, że praktyczne zastosowanie zajmie kilkadziesiąt lat.

Dlaczego to takie trudne?

Energia syntezy jest uważana za potencjalne źródło, jest to czysta energia atomu. Ale co to jest i dlaczego tak trudno to osiągnąć? Najpierw musisz zrozumieć różnicę między fuzją klasyczną a termojądrową.

Rozszczepienie atomu polega na tym, że radioaktywne izotopy - uran lub pluton - są rozszczepiane i przekształcane w inne wysoce radioaktywne izotopy, które następnie muszą być zakopane lub poddane recyklingowi.

Synteza polega na tym, że dwa izotopy wodoru - deuter i tryt - łączą się w jedną całość, tworząc nietoksyczny hel i jeden neutron, nie wytwarzając odpadów radioaktywnych.

Problem z kontrolą

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

To jest coś, nad czym naukowcy pracowali od lat 60. XX wieku. Inny eksperymentalny reaktor termojądrowy o nazwie Wendelstein 7-X został uruchomiony w północnoniemieckim mieście Greifswald. Nie jest jeszcze zaprojektowany do wywoływania reakcji - to tylko specjalny projekt, który jest testowany (stellarator zamiast tokamaka).

plazma wysokoenergetyczna

Wszystkie rośliny termojądrowe mają wspólna cecha- w kształcie pierścienia. Opiera się na idei wykorzystania potężnych elektromagnesów do stworzenia silnego pole elektromagnetyczne, który ma kształt torusa - napompowana komora rowerowa.

To pole elektromagnetyczne musi być tak gęste, że po podgrzaniu w kuchence mikrofalowej do miliona stopni Celsjusza w samym środku pierścienia musi pojawić się plazma. Następnie jest zapalany, aby rozpocząć fuzję termojądrową.

Demonstracja możliwości

W Europie są obecnie dwa podobne eksperymenty. Jednym z nich jest Wendelstein 7-X, który niedawno wygenerował swoją pierwszą plazmę helową. Drugi to ITER, ogromny eksperymentalny obiekt syntezy jądrowej na południu Francji, który wciąż jest w budowie i będzie gotowy do uruchomienia w 2023 roku.

Oczekuje się, że w ITER zajdą prawdziwe reakcje jądrowe, aczkolwiek tylko przez krótki czas iz pewnością nie dłużej niż 60 minut. Ten reaktor to tylko jeden z wielu kroków na drodze do urzeczywistnienia fuzji jądrowej.

Reaktor termojądrowy: mniejszy i mocniejszy

Ostatnio kilku projektantów ogłosiło nowy projekt reaktora. Według grupy studentów z Massachusetts Institute of Technology, a także przedstawicieli koncernu zbrojeniowego Lockheed Martin, fuzję można przeprowadzić w obiektach znacznie potężniejszych i mniejszych niż ITER i są gotowi to zrobić w ciągu dziesięciu lat.

Ideą nowego projektu jest zastosowanie w elektromagnesach nowoczesnych nadprzewodników wysokotemperaturowych, które wykazują swoje właściwości chłodzone ciekłym azotem, a nie konwencjonalnych, które wymagają nowej, bardziej elastycznej technologii, która całkowicie zmieni konstrukcję reaktor.

Klaus Hesch, który odpowiada za technologię w Instytucie Technologii w Karlsruhe w południowo-zachodnich Niemczech, jest sceptyczny. Wspiera stosowanie nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych w nowych projektach reaktorów. Ale według niego nie wystarczy opracować coś na komputerze, biorąc pod uwagę prawa fizyki. Niezbędne jest uwzględnienie wyzwań, które pojawiają się przy wdrażaniu pomysłu w życie.

Fantastyka naukowa

Według Hesha, model studenta MIT pokazuje tylko możliwość projektu. Ale w rzeczywistości jest to dużo science fiction. Projekt zakłada, że ​​poważne problemy techniczne rozwiązano fuzję termojądrową. Ale współczesna nauka nie ma pojęcia, jak je rozwiązać.

Jednym z takich problemów jest idea zwijanych cewek. Elektromagnesy można rozmontować, aby dostać się do pierścienia, w którym znajduje się plazma w modelu projektowym MIT.

Byłoby to bardzo przydatne, ponieważ można by uzyskać dostęp do obiektów podczas system wewnętrzny i wymień je. Ale w rzeczywistości nadprzewodniki są zrobione materiał ceramiczny. Setki z nich muszą być splecione w wyrafinowany sposób, aby uformować właściwe pole magnetyczne. I tu pojawiają się bardziej fundamentalne trudności: powiązania między nimi nie są tak proste, jak powiązania kable miedziane. Nikt nawet nie pomyślał o koncepcjach, które pomogłyby rozwiązać takie problemy.

za gorące

Problemem jest również wysoka temperatura. W jądrze plazmy termojądrowej temperatura osiągnie około 150 milionów stopni Celsjusza. To ekstremalne ciepło pozostaje na miejscu - w samym środku zjonizowanego gazu. Ale nawet wokół niego wciąż jest bardzo gorąco – od 500 do 700 stopni w strefie reaktora, czyli wewnętrznej warstwie metalowej rury, w której „reprodukuje się” tryt niezbędny do zajścia fuzji jądrowej.

Ma wiecej wielki problem- tak zwane uwolnienie mocy. Jest to część układu, która odbiera zużyte paliwo z procesu syntezy jądrowej, głównie hel. Pierwsze metalowe elementy, do których wchodzi gorący gaz, nazywane są „dywertorem”. Może nagrzewać się do ponad 2000°C.

Problem z rozdzielaczem

Aby instalacja wytrzymała takie temperatury, inżynierowie próbują wykorzystać metalowy wolfram stosowany w staromodnych żarówkach. Temperatura topnienia wolframu wynosi około 3000 stopni. Ale są też inne ograniczenia.

W ITER można to zrobić, ponieważ ogrzewanie w nim nie występuje stale. Zakłada się, że reaktor będzie działał tylko 1-3% czasu. Ale to nie jest opcja dla elektrowni, która musi działać 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. A jeśli ktoś twierdzi, że jest w stanie zbudować mniejszy reaktor o takiej samej mocy jak ITER, to można śmiało powiedzieć, że nie ma rozwiązania problemu z dywertorem.

Elektrownia za kilkadziesiąt lat

Niemniej naukowcy są optymistycznie nastawieni do rozwoju reaktorów termojądrowych, choć nie będzie to tak szybkie, jak przewidują niektórzy entuzjaści.

Projekt ITER powinien wykazać, że kontrolowana fuzja może w rzeczywistości wytworzyć więcej energii, niż zostałoby wydane na ogrzewanie plazmy. Następnym krokiem jest zbudowanie zupełnie nowej hybrydowej elektrowni demonstracyjnej, która faktycznie wytwarza energię elektryczną.

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

Zimna Fuzja Rossi

W 2014 roku niezależny test reaktora E-Cat wykazał, że urządzenie osiągało średnio 2800 watów mocy wyjściowej w okresie 32 dni przy zużyciu 900 watów. To więcej niż jakakolwiek reakcja chemiczna jest w stanie wyizolować. Wynik mówi albo o przełomie w fuzji termojądrowej, albo o jawnym oszustwie. Raport rozczarował sceptyków, którzy wątpią, czy test był rzeczywiście niezależny i sugerują możliwość zafałszowania wyników testu. Inni byli zajęci odkrywaniem „tajnych składników”, które umożliwiają fuzji Rossi replikację technologii.

Rossi jest oszustem?

Andrea jest imponująca. Publikuje odezwy dla świata w unikalnym języku angielskim w sekcji komentarzy na swojej stronie internetowej pod pretensjonalnym tytułem „Dziennik Fizyka nuklearna”. Ale jego poprzednie nieudane próby obejmowały włoski projekt przetwarzania odpadów na paliwo i generator termoelektryczny. Petroldragon, projekt polegający na przetwarzaniu odpadów w energię, poniósł porażkę, ponieważ nielegalne składowanie odpadów jest kontrolowane przez włoską przestępczość zorganizowaną, która wniosła przeciwko niej oskarżenie o naruszenie przepisów dotyczących gospodarowania odpadami. Stworzył również urządzenie termoelektryczne dla Korpusu Inżynierów Armii USA, ale podczas testów gadżet wytwarzał tylko ułamek deklarowanej mocy.

Wielu nie ufa Rossiemu, a redaktor naczelny New Energy Times bez ogródek nazwał go przestępcą mającym za sobą szereg nieudanych projektów energetycznych.

Niezależna weryfikacja

Rossi podpisał kontrakt z amerykańską firmą Industrial Heat na przeprowadzenie całorocznego tajnego testu 1-MW instalacji do zimnej syntezy jądrowej. Urządzenie było kontenerem transportowym wypełnionym dziesiątkami E-Catów. Eksperyment musiał być kontrolowany przez osobę trzecią, która mogła potwierdzić, że rzeczywiście zachodzi wytwarzanie ciepła. Rossi twierdzi, że spędził większość zeszłego roku praktycznie mieszkając w kontenerze i nadzorując operacje przez ponad 16 godzin dziennie, aby udowodnić komercyjną opłacalność E-Cat.

Test zakończył się w marcu. Zwolennicy Rossiego z niecierpliwością oczekiwali na raport obserwatorów, licząc na uniewinnienie swojego bohatera. Ale w końcu zostali pozwani.

Test

We wniosku sądowym na Florydzie Rossi twierdzi, że test zakończył się sukcesem, a niezależny arbiter potwierdził, że reaktor E-Cat wytwarza sześć razy więcej energii niż zużywa. Twierdził również, że Industrial Heat zgodził się zapłacić mu 100 milionów dolarów – 11,5 miliona dolarów z góry po 24-godzinnym okresie próbnym (rzekomo za prawa licencyjne, aby firma mogła sprzedawać technologię w USA) i kolejne 89 milionów dolarów po pomyślnym zakończeniu przedłużonego okresu próbnego w ciągu 350 dni. Rossi oskarżył IH o prowadzenie „oszukańczego planu” kradzieży jego własności intelektualnej. Zarzucił też firmie sprzeniewierzenie reaktorów E-Cat, nielegalne kopiowanie innowacyjne technologie produktów, funkcji i projektów oraz niewłaściwą próbę uzyskania patentu na swoją własność intelektualną.

Kopalnia złota

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

IH nie wierzy w E-Cat, a New Energy Times nie widzi powodu, by w to wątpić. W czerwcu 2011 roku przedstawiciel publikacji odwiedził Włochy, przeprowadził wywiad z Rossim i sfilmował pokaz jego E-Cat. Dzień później zgłosił swoje poważne obawy dotyczące metody pomiaru mocy cieplnej. Po 6 dniach dziennikarz opublikował swój film na YouTube. Eksperci z całego świata przysłali mu analizy, które zostały opublikowane w lipcu. Stało się jasne, że to oszustwo.

Eksperymentalne potwierdzenie

Niemniej jednak wielu badaczom – Aleksandrowi Parkhomowowi z Rosyjskiego Uniwersytetu Przyjaźni Narodów i Projektowi Pamięci Martina Fleishmana (MFPM) – udało się odtworzyć zimną fuzję w Rosji. Raport MFPM został zatytułowany „Zbliża się koniec ery węgla”. Powodem takiego zachwytu było odkrycie, którego nie da się wytłumaczyć inaczej niż reakcją termojądrową. Według naukowców Rossi ma dokładnie to, o czym mówi.

Realna, otwarta recepta na zimną fuzję może wywołać energetyczną gorączkę złota. Można znaleźć alternatywne metody obejścia patentów Rossiego i powstrzymania go od wielomiliardowego biznesu energetycznego.

Być może więc Rossi wolałby uniknąć tego potwierdzenia.

Niezwykle optymistyczną prognozę na najbliższą przyszłość przedstawia portal Good News of Russia. Co więcej, dotyczy to nie tylko naszego kraju, ale w równym stopniu reszty świata:

Rewolucje są społeczno-polityczne (socjalistyczna, burżuazyjna, kolorowa), są też naukowe i techniczne (NTR). Rewolucja energetyczna to rodzaj rewolucji naukowo-technicznej.

Rewolucja (łac. revolutio) to rewolucja, transformacja - radykalna, radykalna, głęboka, jakościowa zmiana, skok rozwojowy.

Jaka jest rewolucja energetyczna, u progu której stoi nasz świat?

Jaka rewolucja w dziedzinie energetyki nas czeka? Jaka jest zmiana jakościowa? Jaki będzie skok w rozwoju i jak do niego dojdzie?

Wszystko nowoczesne widoki Energetycy mają różne wady, z których większość to albo wysoki koszt (instalacje, przyłącza, kilowaty) albo niska dostępność.

Każdy, kto kiedykolwiek miał do czynienia z podłączeniem do sieci, wie, że problemów jest wiele, a dostępność pozostawia wiele do życzenia. Tak, i koszt też.

Gaz jest jednym z najtańszych i najbardziej ekologicznych czysty gatunek paliwo - przeprowadzane nie wszędzie. Doprowadzenie gazociągu do odległych osad jest bardzo kosztowne. Gaz płynny jest drogi. Kocioł gazowy też dużo kosztuje. Kupić butla gazowa a podłączenie do pieca nie jest trudne, jednak ogrzewanie i zaopatrzenie domu w prąd przez zakup butli nie jest rozwiązane. Ponadto gaz jest wybuchowy.

Olej napędowy, olej opałowy – do stosowania w kotłowniach (generatorach) jest jeszcze droższy niż gaz. Do użytku w prywatnych (w niepełnym wymiarze godzin) gospodarstwach można umieścić generator, ale wyjściowa energia elektryczna okaże się dość droga. A generator też kosztuje.

Elektrownia wodna wymaga budowy elektrowni wodnych – są to duże koszty kapitałowe. A operacja jest również daleka od darmowej. I nie wszędzie dostępne. I skutki uboczne dla środowiska. W sumie daleko mu do ideału. Nie nadaje się do małych generacji.

Energetyka jądrowa wiąże się z ryzykiem awarii (Czarnobyl, Fukushima) i bez względu na to, jak jesteśmy przekonani, że nowoczesne elektrownie jądrowe są absolutnie niezawodne, nadal nie jest wygodnie mieszkać obok bloku jądrowego. Ponadto elektrownie jądrowe wytwarzają wypalone paliwo, a jest ono radioaktywne, trzeba je gdzieś przechowywać, najlepiej w bezpiecznym miejscu, aby nie było wycieków. A budowa elektrowni jądrowej to znowu wysoki koszt kapitałowy. Małe elektrownie jądrowe nie istnieją i nie mogą istnieć, przynajmniej ze względów bezpieczeństwa.

Energia słoneczna jest droga i nie zawsze efektywna, biorąc pod uwagę liczbę słonecznych dni w roku. Nadaje się do dostarczania energii do odległych wiosek i domów jednorodzinnych w słonecznych regionach, ale tam, gdzie potrzebna jest duża moc, a dni słonecznych jest niewiele, nie nadaje się.

Stopniowo rozwija się energetyka wiatrowa, rośnie wielkość i moc generatorów, maleją koszty energii, ale i tego typu energii nie można nazwać panaceum. Niezbyt tani i niezbyt stabilny. I nie wszędzie to obowiązuje.

Nie ma jeszcze idealnego źródła energii

Niektóre są drogie, inne nie wszędzie są dostępne, inne są niebezpieczne. A wszystkie są bardzo ograniczone pod względem mocy, nie pozwalają na arbitralne zwiększanie zużycia w razie potrzeby - nie można włożyć do elektrowni jądrowych dodatkowych elementów paliwowych ponad moc projektową, nie można rozbudować gazociągu, a kilka dodatkowe turbiny nie mogą być dodawane do elektrowni wodnych.

Ogólnie rzecz biorąc, solidne ograniczenia ...

Żywym przykładem niedociągnięć współczesnej energetyki jest historia Krymu, kiedy półwysep borykał się z niedoborem energii, którego nie można było szybko uzupełnić. Zabrakło generatorów, nie dało się szybko zbudować elektrowni gazowej, nawet rozciągnąć kabel przez cieśninę - a to zajęło sporo czasu.

I nie tylko dostępność energii pozostawia wiele do życzenia, ale także koszt.

Energia stanowi znaczną część kosztów wszystkich towarów i usług, ponieważ energia i paliwo (nośnik energii) są wykorzystywane na wszystkich etapach produkcji i dostawy.

Urządzenia przemysłowe zasilane są energią elektryczną, piece zasilane są gazem lub ponownie energią elektryczną, koszt transportu kolejowego obejmuje również koszt energii elektrycznej. Koszt usług transportu samochodowego obejmuje koszt paliwa.

Rachunki za media prawie w całości składają się z kosztów energii - prąd, ciepła woda, ogrzewanie - to wszystko energia. A nawet koszt zimna woda zależy od kosztów energii, ponieważ woda jest pompowana pompami elektrycznymi.

Koszt cementu (który stanowi znaczną część kosztów mieszkania) jest również silnie uzależniony od kosztów energii elektrycznej i paliwa. Koszt aluminium (jeden z głównych nowoczesne materiały) składa się prawie w całości z kosztów energii elektrycznej, ponieważ aluminium jest produkowane w procesie elektrolizy.

Udział energii i paliw w kosztach różnych towarów i usług jest bardzo zróżnicowany, ale prawie wszędzie jest dość wysoki, biorąc pod uwagę koszty energii na wszystkich etapach produkcji, od wydobycia, oczyszczania i przetwarzania surowców.

Dlatego chcę, aby energia była zarówno tańsza, jak i bardziej dostępna.

Chciałbym, żeby skalowalność była wysoka - od kilowatów do gigawatów, aby można było tanią energię zapewnić dużemu miastu i małej wsi, a nawet osobno stojący dom. I tak, aby sprawdził się wszędzie, niezależnie od ilości dni słonecznych w roku, obecności wiatru, rzek, ukształtowania terenu i innych czynników naturalnych. I udostępnić paliwo. I być przyjaznym dla środowiska.

Ale czy to możliwe?

Czy istnieje takie źródło energii, które spełnia wszystkie powyższe kryteria (dostępność, skalowalność, niska cena instalacja i eksploatacja, przyjazność dla środowiska)?

Takiego źródła nie ma dziś na rynku.

Wszystkie istniejące źródła energii mają pewne wady i ograniczenia – względnie tania instalacja, ale droga energia, wysokie koszty kapitałowe, ryzyko środowiskowe lub inne ograniczenia.

W niedalekiej przyszłości będzie nowe źródło energia

Źródło, które będzie charakteryzowało się zarówno wysoką skalowalnością (od kilowata do gigawata), możliwością szerokiej instalacji (od dużych miast i zakładów przemysłowych po małe miasteczka i domy jednorodzinne), jak i przyjaznością dla środowiska oraz niskim kosztem pozyskiwanej energii ( kilka razy, a nawet kilkadziesiąt razy taniej niż wszystkie istniejące).

Energia, która będzie wielokrotnie i dziesiątki razy tańsza zarówno pod względem kosztów, jak i możliwości instalacji w dowolnym obszarze - w górach, na dalekiej północy, w odległych wioskach, na wyspach i półwyspach.

Każde przedsiębiorstwo będzie mogło pozwolić sobie na zainstalowanie własnej elektrowni, która produkuje energię tańszą niż obecnie dostępna w jakiejkolwiek sieci.

Do budowy wsi czy nowego osiedla nie będzie konieczne uzyskanie odprowadzenia mocy z istniejących elektrowni wodnych, cieplnych czy atomowych - będzie można zainstalować własny blok energetyczny.

Wielokrotna redukcja kosztów energii doprowadzi do zmiany cen wszystkich towarów i usług, udostępni nowe materiały i technologie, które są obecnie nieopłacalne w użyciu ze względu na wysokie koszty energii.

Rewolucja energetyczna przyniesie ze sobą wielkie zmiany we wszystkich innych dziedzinach, być może także rewolucyjne.

W ślad za energetyką zmieni się struktura gospodarki, a za gospodarką zmieni się także struktura społeczno-polityczna.

Ale jakie nowe źródło energii doprowadzi do globalnej rewolucji energetycznej i wszystkich wynikających z niej zmian?

Skąd będą pochodzić tanie kilowaty, megawaty i gigawaty w dowolnym miejscu i ilości, a nawet przy stanie czystości środowiska?

Energia syntezy jądrowej

Istniejące dzisiaj energia atomowa opiera się na reakcjach rozszczepienia ciężkich pierwiastków promieniotwórczych (izotopy uranu są wykorzystywane w elektrowniach jądrowych). To jest powód dużej złożoności i kosztów. elektrownie jądrowe, poważne konsekwencje wypadków, a także problemy ze zużytym paliwem.

Paliwo radioaktywne jest trudne i drogie w produkcji, użytkowaniu i usuwaniu. Wysokie koszty i zagrożenia wpływają na koszt otrzymywanej energii i nie pozwalają na budowę małych elektrowni jądrowych w dowolnym miejscu i miejscu, przekazując je do eksploatacji nieprzeszkolonemu i niekontrolowanemu personelowi.

Jednak wraz z reakcjami rozszczepienia zachodzą reakcje syntezy jądrowej, które dają znacznie większą wydajność energetyczną, a jednocześnie na wyjściu nie tworzą się izotopy promieniotwórcze, co oznacza, że ​​nie ma problemów ze zużytym paliwem.

Produkty syntezy jądrowej są prawie zawsze stabilnymi izotopami, które nie różnią się od tych, które występują w naturze. Są oczywiście reakcje syntezy jądrowej z uwolnieniem izotopów promieniotwórczych, ale nikt nie zmusza do ich przeprowadzenia.

Od dawna mówi się i pisze o perspektywach energetyki jądrowej.

Rewolucji energetycznej związanej z rozwojem technologii syntezy jądrowej oczekiwano pod koniec ubiegłego wieku – czekali, ale nigdy tego nie zrobili.

Około pół wieku temu rozpoczęto próby uruchomienia fuzji jądrowej i tym samym zapewnić całemu światu czystą i praktycznie niewyczerpalną energię (1 gram zsyntetyzowanej substancji daje więcej energii niż 100 litrów benzyny, pomimo faktu, że w fuzji może być potencjalnie wszystko reakcje, w tym zwykłą wodę).

Jednak próby rozpoczęcia reakcji syntezy jądrowej w praktyce natrafiły na barierę kulombowska, która okazała się bardzo trudna do pokonania.

Bariera kulombowska to siła odpychająca jąder atomowych, która zapobiega ich fuzji (syntezie). To właśnie z powodu bariery kulombowskiej fuzja jądrowa nie zachodzi samoistnie wszędzie i dookoła. Bez tej bariery cała materia już dawno zamieniłaby się w żelazo i szereg innych ciężkich pierwiastków.

Ze względu na tę samą barierę Coulomba wybuch termojądrowy nie może wywołać reakcji łańcuchowej, podczas której wypaliłaby się cała planeta. W wybuchu termojądrowym fuzja jądrowa zachodzi tylko w objętości materii, która została „zapalona” w momencie wybuchu pierwszego etapu, który jest konwencjonalnym ładunkiem jądrowym rozszczepienia.

Przez pół wieku, odkąd pojawiły się pomysły na wykorzystanie reakcji syntezy jądrowej w gospodarka narodowa, próby wytworzenia energii syntezy stabilnie zderzyły się z tą samą barierą Coulomba.

Tokamaki (rodzaj reaktorów termojądrowych) zostały zbudowane (i nadal są budowane) jeden więcej niż drugi, jednak dodatnia produkcja energii przewyższałaby koszty ogrzewania i utrzymywania plazmy wysokotemperaturowej wewnątrz magnetycznego pączka (torusa, stąd nazwa - tokamak, toroidalna cewka magnetyczna) - jak nie było, to nie było. I są powody, by sądzić, że nigdy się to nie stanie.

Ale jeśli dotychczas wszystkie próby rozpoczęcia wydajnej energetycznie syntezy jądrowej rozbiły się o barierę Coulomba, jeśli tokamaki nie dały jeszcze dodatniej energii i nie wiadomo, czy kiedykolwiek ją dadzą, skąd wzięła się zapowiedź rychłej rewolucji energetycznej od?

LENR lub LENR - niskoenergetyczna synteza jądrowa

Wraz z próbami budowy tokamaków i uruchomienia fuzji jądrowej w plazmie wysokotemperaturowej istnieje kierunek, który często nazywa się zimną fuzją, chociaż nie jest to do końca poprawne określenie, co wielu wprowadza w błąd.

Najważniejsze jest to, że fuzja jądrowa może zachodzić nie tylko w plazmie wysokotemperaturowej, ale także w innych warunkach, w szczególności przy silnym wyładowaniu elektrycznym, w którym jądra atomów uzyskują energię wystarczającą do fuzji (dlatego jest to niepoprawne aby nazwać tę fuzję zimną, energia przekazana cząstkom w ta sprawa nie mniej niż w plazmie wysokotemperaturowej). Odkryto inne warunki, w których zachodzi „ciepła” fuzja jądrowa – w temperaturach „poniżej plazmy, ale powyżej temperatury pokojowej”.

Przez długi czas nauka akademicka nie dostrzegała samej możliwości fuzji jądrowej w warunkach innych niż plazma wysokotemperaturowa. Wyjątek stworzono dla „katalizy mezonowej”, w której fuzja nie wymagała podgrzewania substancji, ale nie była opłacalna energetycznie, ponieważ koszty pozyskania mezonów są wyższe niż wydajność energetyczna syntezy.

Wielu naukowców prowadzących badania w dziedzinie syntezy niskoenergetycznej (LENR) zostało ostro skrytykowanych przez społeczność akademicką, uznanych za „alchemików”, a niektórych nawet wyrzucono ze swoich instytutów „za herezję”.

Ale bez względu na to, jak bardzo "ortodoksyjny z fizyki" twierdził, że synteza jądrowa nie może przebiegać przy niskich energiach, bo nawet tego nie da się zrobić - badania w tej dziedzinie trwały, dołączali do nich nowi. ośrodki naukowe, fundusze wzrosły, baza eksperymentalna rosła i… w końcu okazało się, że niemożliwe jest nadal możliwe, a fuzja jądrowa zachodzi nie tylko w plazmie wysokotemperaturowej, ale także w innych warunkach i stanach materii.

Za ostatnie lata szereg eksperymentów nad wdrożeniem „ciepłej” syntezy i syntezy w wyładowaniach elektrycznych zostało powtórzonych przez różne niezależne grupy badawcze, aby osiągnąć stabilny, powtarzalny efekt i, co najważniejsze, uzyskać dodatnią wydajność energetyczną, która okazała się większa niż w przypadku reakcji rozszczepienia uranu (tak jak powinno być, ponieważ reakcje syntezy są energetycznie silniejsze niż reakcje rozszczepienia).

Ponadto jednocześnie opracowano kilka teorii wyjaśniających dokładnie, w jaki sposób jądra atomów potrafią pokonać upartą barierę Coulomba i dlaczego dzieje się to w ściśle określonych warunkach.

W środowisku naukowym wciąż nie ma zgody, która z teorii jest poprawna. Są też tacy, którzy z uporem powtarzają „to nie może być, bo nigdy nie może być”. Ale uznanie faktów jest nieuniknione, podobnie jak udoskonalenie podstawy teoretycznej do jednego państwa uznawanego przez społeczność naukową.

Przełamana została bariera kulombowska

Bariera kulombowska została pod każdym względem pokonana i obecnie pojawienie się reaktorów jądrowych działających na zasadzie syntezy jądrowej jest przede wszystkim zadaniem inżynierskim i kwestią czasu.

Oczywiście do pojawienia się przemysłowych reaktorów syntezy jądrowej może minąć jeszcze wiele lat. Może nawet kilkadziesiąt lat. Droga od zakładu pilotażowego do wzoru przemysłowego nie zawsze jest łatwa. A nauka musi dojść do… zgoda na fundamenty fizyczne te reakcje, bez tego proces wdrażania zostanie mocno zahamowany.

Jako przykład możemy przywołać historię budowy śmigłowców. Pierwsze eksperymentalne śmigłowce pojawiły się na początku XX wieku, ale były niebezpieczne, niestabilne i nieefektywne. Dopiero kilkadziesiąt lat później, po II wojnie światowej, udało się opracować niezawodne i naprawdę wydajne śmigłowce, wprowadzić je do produkcji i przekształcić z modeli eksperymentalnych w modele przemysłowe.

Jest prawdopodobne, że reaktory syntezy jądrowej pójdą tą samą drogą - od obiektów eksperymentalnych działających dzisiaj po urządzenia przemysłowe, które zaczną być produkowane za 10-20 lat.

Ale najważniejsze już się wydarzyło – powstały eksperymentalne próbki reaktorów termojądrowych, naukowcy osiągnęli stabilny, powtarzalny efekt i dodatnią produkcję energii, przewyższającą energię uzyskiwaną z prętów paliwowych stosowanych w nowoczesnych elektrowniach jądrowych.

Prototypy pozwalają wnioskować, że reaktory termojądrowe będą bardzo skalowalne – minimalna efektywna moc zacznie się od kilku kilowatów, a jednostka mocy tej mocy może być wielkości jednostki systemu komputerowego. Koszt instalacji na kilowat mocy będzie niższy niż w przypadku jakichkolwiek istniejących generatorów. Koszt paliwa (opłaty) będzie znikomy ze względu na użycie wszechobecnej substancji.

Wymień badaczy i obiekty doświadczalne, na których uzyskano efekt syntezy jądrowej, w ten materiał Nie zrobię, bo zasługują na osobną recenzję, którą dodatkowo przygotuję i opublikuję.

Na razie wskażę tylko kraje, w których przeprowadzono badania i uzyskano pozytywne wyniki – to Rosja, Japonia, Włochy i Stany Zjednoczone. W tym samym czasie pierwsza instalacja syntezy jądrowej najwyraźniej powstała w ZSRR, ale projekt nie został opracowany na czas i został zamknięty.

Szczególnie ważne jest to, że naukowcom z Chin udało się odtworzyć efekt fuzji jądrowej, a jeśli coś zostało odtworzone w Chinach, to pojawienia się wzorów przemysłowych nie da się powstrzymać.

Energia syntezy jądrowej zmienia się z fantazji w rzeczywistość.

Świat stoi u progu rewolucji energetycznej, której nie można odwołać.

Nie anulować wszystkich innych rewolucji, które nastąpią po energetycznej, bo energia jest podstawą wszystkiego – produkcji, transportu, podtrzymywania życia, podstawy całej gospodarki. A gospodarka jest podstawą polityki i porządku społecznego. Dlatego po rewolucji energetycznej nastąpi cała reszta, aż do społeczno-politycznych.

to proces, w którym dwa jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądro. Procesowi temu zwykle towarzyszy uwalnianie energii. Fuzja jądrowa jest źródłem energii w gwiazdach i bombie wodorowej.
Aby zbliżyć jądra atomowe wystarczająco blisko, aby zaszła reakcja jądrowa, nawet w przypadku najlżejszego pierwiastka, wodoru, potrzebna jest bardzo znaczna ilość energii. Jednak w przypadku jąder lekkich, w wyniku połączenia dwóch jąder w cięższe jądro uwalniane jest znacznie więcej energii, niż potrzeba do pokonania odpychania kulombowskiego między nimi. Dzięki temu fuzja jądrowa jest bardzo obiecującym źródłem energii i jest jednym z głównych obszarów badań współczesnej nauki.
Ilość energii uwalnianej w większości reakcji jądrowych jest znacznie większa niż w reakcjach chemicznych, ponieważ energia wiązania nukleonów w jądrze jest znacznie większa niż energia wiązania elektronów w atomie. Na przykład energia jonizacji, która wynika z wiązania elektronu z protonem w celu utworzenia atomu wodoru, wynosi 13,6 elektronowoltów — mniej niż jedna milionowa z 17 MeV uwolnionych w reakcji deuteru z trytem, ​​co opisano poniżej.
W jądrze atomowym działają dwa rodzaje interakcji: silne oddziaływanie, które utrzymuje razem protony i neutrony, oraz znacznie słabsze odpychanie elektrostatyczne między równo naładowanymi protonami jądra, które usiłują rozerwać jądro. Oddziaływanie silne przejawia się tylko w bardzo krótkich odległościach między protonami i neutronami, które sąsiadują ze sobą. Oznacza to również, że protony i neutrony na powierzchni jądra są słabsze niż protony i neutrony wewnątrz jądra. Siła odpychania elektrostatycznego działa na dowolnych odległościach i jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ładunkami, to znaczy każdy proton w jądrze oddziałuje z każdy kolejny proton w jądrze. Prowadzi to do tego, że wraz ze wzrostem wielkości jądra siły trzymające jądro wzrastają do pewnej liczby atomowej (atom żelaza), a następnie zaczynają słabnąć. Począwszy od uranu, energia wiązania staje się ujemna, a jądra ciężkich pierwiastków stają się niestabilne.
Tak więc, aby przeprowadzić reakcję syntezy jądrowej, konieczne jest wydatkowanie pewnej energii na pokonanie elektrostatycznej siły odpychania między nimi jądra atomowe i sprowadź ich na odległość, w której zaczyna się pojawiać silna interakcja. Energia potrzebna do pokonania elektrostatycznej siły odpychania nazywana jest barierą Coulomba.
Bariera kulombowska jest niska dla izotopów wodoru, ponieważ mają one tylko jeden proton w jądrze. Dla mieszaniny DT uzyskana bariera energetyczna wynosi 0,1 MeV. Dla porównania, do usunięcia elektronu z atomu wodoru potrzeba tylko 13 eV, czyli 7500 razy mniej. Po zakończeniu reakcji syntezy jądrowej nowe jądro przesuwa się na niższy poziom energetyczny i uwalnia dodatkową energię, emitując neutron o energii 17,59 MeV, czyli znacznie więcej niż potrzeba do rozpoczęcia reakcji. Oznacza to, że reakcja fuzji DT jest wysoce egzotermiczna i stanowi źródło energii.
Jeśli jądro jest częścią plazmy znajdującej się w stanie równowagi termicznej, reakcja fuzji nazywana jest fuzją termojądrową. Ponieważ temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząstek, ogrzewanie plazmy może dostarczyć jąderom energii wystarczającej do pokonania bariery 0,1 MeV. Konwertując eV na Kelvin, uzyskujemy temperatury powyżej 1 GK, co jest ekstremalnie wysoką temperaturą.
Istnieją jednak dwa zjawiska, które umożliwiają obniżenie wymaganej temperatury reakcji. Po pierwsze, odbijanie temperatury środek energia kinetyczna, tj. nawet w niskich temperaturach niż ekwiwalent 0,1 MeV, niektóre jądra będą miały energie znacznie wyższe niż 0,1 MeV, reszta będzie miała energie znacznie niższą. Po drugie, należy wziąć pod uwagę zjawisko tunelowania kwantowego, gdy jądra pokonują barierę kulombowska, dysponując niewystarczającą energią. Umożliwia to uzyskanie (powolnych) reakcji fuzji w niskich temperaturach.
Ważna dla zrozumienia reakcji fuzji jest koncepcja Przekrój reakcje?: miary prawdopodobieństwa reakcji fuzji jako funkcja względnej prędkości dwóch oddziałujących jąder. W przypadku reakcji syntezy termojądrowej wygodniej jest wziąć pod uwagę średnią wartość rozkładu iloczynu przekroju i prędkości jądrowej . Za jego pomocą można zapisać szybkość reakcji (fuzja jąder na objętość na czas) jako

Gdzie n 1 i n 2 to gęstość reagentów. wzrasta od zera w temperaturze pokojowej do znaczącej wartości już w temperaturach )