Em que condições ocorre a fusão nuclear? Fusão termonuclear

Das quatro principais fontes de energia nuclear, apenas duas foram atualmente implementadas industrialmente: energia decaimento radioativoé utilizado em fontes atuais, e a reação em cadeia de fissão - em reatores nucleares. A terceira fonte de energia nuclear é a aniquilação partículas elementares até que ele deixou o reino da fantasia. A quarta fonte é termo controlado fusão nuclear, UTS, está na ordem do dia. Embora esta fonte tenha menos potencial que a terceira, ela excede significativamente a segunda.

A fusão termonuclear em laboratório é bastante simples de realizar, mas a reprodução de energia ainda não foi alcançada. No entanto, estão em curso trabalhos neste sentido e estão a ser desenvolvidas técnicas radioquímicas, em primeiro lugar, tecnologias para a produção de combustível de trítio para instalações CTS.

Este capítulo examina alguns aspectos radioquímicos da fusão termonuclear e discute as perspectivas de utilização de instalações para fusão controlada na energia nuclear.

Fusão termonuclear controlada- a reação de fusão de núcleos atômicos leves em núcleos mais pesados, ocorrendo em temperaturas ultra-altas e acompanhada pela liberação de grandes quantidades de energia. Ao contrário da fusão termonuclear explosiva (usada numa bomba de hidrogénio), ela é controlada. Nas principais reações nucleares planejadas para implementar a fusão termonuclear controlada, serão utilizados -H e 3 H e, no longo prazo, 3 He e “B”.

As esperanças de uma fusão termonuclear controlada estão associadas a duas circunstâncias: i) acredita-se que as estrelas existem devido a uma reação termonuclear estacionária, e 2) o processo termonuclear descontrolado foi simplesmente realizado na explosão de uma bomba de hidrogênio. Parece não haver nenhum obstáculo fundamental à manutenção de uma reacção de fusão nuclear controlada. Porém, tentativas intensivas de implementação de CTS em condições de laboratório com obtenção de ganhos de energia fracassaram completamente.

No entanto, a CVT é agora vista como uma importante solução tecnológica destinada a substituir os combustíveis fósseis na produção de energia. A procura global de energia, que exige o aumento da produção de eletricidade e o esgotamento de matérias-primas não renováveis, estimula a procura de novas soluções.

Os reatores termonucleares utilizam a energia liberada pela fusão de núcleos atômicos leves. Napoimeu:

A reação de fusão dos núcleos de trítio e deutério é promissora para a fusão termonuclear controlada, uma vez que sua seção transversal é bastante grande mesmo em baixas energias. Esta reação fornece um valor calorífico específico de 3,5-11 J/g. A reação principal D+T=n+a tem a maior seção transversal ah, ah=5 celeiro em ressonância na energia deutério E pSh x= 0,108 MeV, comparado às reações D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn; E máx = 1,9 MeV, D+D=p+T sobre isso = 0,09 celeiro; E máx = 2,0 MeV, bem como com a reação 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotah= 0,4MeV. A última reação libera 18,4 MeV. Na reação (3) a soma das energias p+a igual a 17,6 MeV, a energia dos nêutrons resultantes?„=14,1 MeV; e a energia das partículas alfa resultantes é 3,5 MeV. Se nas reações T(d,n)a e:) He(d,p)a as ressonâncias são bastante estreitas, então nas reações D(d,n)3He e D(d,p)T há ressonâncias muito amplas ressonâncias com grandes valores seções transversais na região de 1 a 10 MeV e crescimento linear de 0,1 MeV a 1 MeV.

Comente. Os problemas com o combustível DT fácil de inflamar são que o trítio não ocorre naturalmente e deve ser produzido a partir do lítio na manta geradora do reator de fusão; o trítio é radioativo (Ti/ 2 =12,6 anos), o sistema do reator DT contém de 10 a 10 kg de trítio; 80% da energia na reação DT é liberada com nêutrons de 14 MeV, que induzem radioatividade artificial nas estruturas do reator e causam danos por radiação.

Na Fig. A Figura 1 mostra as dependências energéticas das seções transversais da reação (1 - h). Os gráficos das seções transversais das reações (1) e (2) são praticamente os mesmos - à medida que a energia aumenta, a seção transversal aumenta e em altas energias a probabilidade da reação tende a um valor constante. A seção transversal da reação (3) primeiro aumenta, atinge um máximo de 10 celeiros em energias da ordem de 90 MeV e depois diminui com o aumento da energia.

Arroz. 1. Secções transversais de algumas reações termonucleares em função da energia das partículas no sistema de centro de massa: 1 - reação nuclear (3); 2 - reações (1) e (2).

Devido à grande seção transversal de espalhamento ao bombardear núcleos de trítio com deutérios acelerados, o balanço de energia do processo de fusão termonuclear na reação D - T pode ser negativo, porque Mais energia é gasta na aceleração dos deutérios do que liberada durante a fusão. Um balanço energético positivo é possível se as partículas bombardeadas, após uma colisão elástica, forem capazes de participar novamente da reação. Para superar a repulsão elétrica, os núcleos devem ter uma grande energia cinética. Essas condições podem ser criadas em plasma de alta temperatura, no qual átomos ou moléculas estão em estado totalmente ionizado. Por exemplo, a reação DT começa a ocorrer apenas em temperaturas acima de 100 8 K. Somente nessas temperaturas é liberada mais energia por unidade de volume e por unidade de tempo do que é gasta. Uma vez que uma reação de fusão DT é responsável por ~ 105 colisões nucleares comuns, o. problema CTS consiste em resolver dois problemas: aquecer uma substância até temperaturas necessárias e segurá-lo por tempo suficiente para “queimar” uma parte perceptível do combustível termonuclear.

Acredita-se que a fusão termonuclear controlada pode ser realizada se o critério de Lawson for cumprido (m>10'4 s cm-3, onde P - densidade do plasma de alta temperatura, t - tempo de sua retenção no sistema).

Quando este critério é atendido, a energia liberada durante o CTS excede a energia introduzida no sistema.

O plasma deve ser mantido dentro de um determinado volume, pois no espaço livre o plasma se expande instantaneamente. Devido a temperaturas altas o plasma não pode ser colocado em um reservatório de qualquer

material. Para conter o plasma, é necessário utilizar um campo magnético de alta intensidade, que é criado por meio de ímãs supercondutores.

Arroz. 2. Diagrama esquemático tokamak.

Se você não definir a meta de obter ganho de energia, então em condições de laboratório é bastante simples implementar o CTS. Para isso, basta colocar uma ampola de deutereto de lítio no canal de qualquer reator lento operando na reação de fissão do urânio (pode-se usar lítio com composição isotópica natural (7% 6 Li), mas é melhor se é enriquecido com o isótopo estável 6 Li). Sob a influência de nêutrons térmicos, ocorre a seguinte reação nuclear:

Como resultado desta reação, aparecem átomos de trítio “quentes”. A energia do átomo de recuo do trítio (~3 MeV) é suficiente para que ocorra a interação do trítio com o deutério presente no LiD:

Este método não é adequado para fins energéticos: os custos de energia para o processo excedem a energia libertada. Portanto, temos que buscar outras opções de implementação do CTS, opções que proporcionem um grande ganho energético.

Eles estão tentando implementar CTS com ganho de energia em regime quase estacionário (t>1 s, tg>você vê "Oh, ou em sistemas pulsados ​​(t*io -8 s, n>u 22 cm*w). No primeiro (tokamak, stellarator, mirror trap, etc.), o confinamento do plasma e o isolamento térmico são realizados em campos magnéticos de diversas configurações. Em sistemas pulsados, o plasma é criado pela irradiação de um alvo sólido (grãos de uma mistura de deutério e trítio) com radiação focada de um poderoso laser ou feixes de elétrons: quando um feixe de pequenos alvos sólidos atinge o foco, uma série sucessiva de microexplosões termonucleares ocorre.

Dentre as diversas câmaras para confinamento de plasma, uma câmara com configuração toroidal é promissora. Neste caso, o plasma é criado dentro de uma câmara toroidal usando uma descarga de anel sem eletrodo. Em um tokamak, a corrente induzida no plasma é como o enrolamento secundário de um transformador. O campo magnético que retém o plasma é criado tanto pela corrente que flui através do enrolamento ao redor da câmara, quanto pela corrente induzida no plasma. Para obter um plasma estável, é utilizado um campo magnético longitudinal externo.

Um reator termonuclear é um dispositivo para produzir energia por meio de reações de fusão de núcleos atômicos leves que ocorrem no plasma em temperaturas muito altas (> 10 8 K). O principal requisito que um reator de fusão deve satisfazer é que a energia liberada como resultado

as reações termonucleares mais do que compensaram os custos de energia de fontes externas para manter a reação.

Arroz. h. Principais componentes de um reator para fusão termonuclear controlada.

Um reator termonuclear do tipo TO-CAMAK (Câmara Toroidal com Bobinas Magnéticas) consiste em uma câmara de vácuo que forma um canal por onde circula o plasma, ímãs que criam um campo e sistemas de aquecimento de plasma. Anexados a isso estão bombas de vácuo que bombeiam constantemente gases para fora do canal, um sistema de fornecimento de combustível à medida que ele queima e um desviador - um sistema através do qual a energia obtida como resultado de uma reação termonuclear é removida do reator. O plasma toroidal está em um invólucro de vácuo. a-Partículas formadas no plasma como resultado da fusão termonuclear e nele localizadas aumentam sua temperatura. Os nêutrons penetram através da parede da câmara de vácuo na zona da manta contendo lítio líquido ou um composto de lítio enriquecido em 6 Li. Ao interagir com o lítio, a energia cinética dos nêutrons é convertida em calor e o trítio é gerado simultaneamente. A manta é colocada em um invólucro especial, que protege o ímã da fuga de nêutrons, radiação y e fluxos de calor.

Nas instalações do tipo tokamak, o plasma é criado dentro de uma câmara toroidal usando uma descarga de anel sem eletrodo. Para isso, uma corrente elétrica é criada no coágulo de plasma e, ao mesmo tempo, desenvolve seu próprio campo magnético - o próprio coágulo de plasma se torna um ímã. Agora, utilizando um campo magnético externo de determinada configuração, é possível suspender a nuvem de plasma no centro da câmara, sem permitir que ela entre em contato com as paredes.

Desviador - conjunto de dispositivos (bobinas magnéticas poloidais especiais; painéis em contato com o plasma - neutralizadores de plasma), com a ajuda dos quais a área de contato direto da parede com o plasma é removida ao máximo do plasma quente principal. É usado para remover o calor do plasma na forma de um fluxo de partículas carregadas e para bombear os produtos da reação neutralizados nas placas divertoras: hélio e prótio. Limpa o plasma de contaminantes que interferem na reação de síntese.

Um reator de fusão é caracterizado por um ganho de potência, igual à razão energia térmica do reator aos custos de energia de sua produção. Poder Térmico dobras do reator:

• - da energia liberada durante uma reação termonuclear no plasma;
• - da potência que é introduzida no plasma para manter a temperatura de combustão da reação termonuclear ou a corrente estacionária no plasma;
• - da energia liberada na manta - uma concha que envolve o plasma na qual é utilizada a energia dos nêutrons termonucleares e que serve para proteger as bobinas magnéticas da exposição à radiação. Manta do reator de fusão - uma das partes principais de um reator termonuclear, um invólucro especial que envolve o plasma no qual ocorrem as reações termonucleares e que serve para utilizar a energia dos nêutrons termonucleares.

O cobertor cobre um anel de plasma por todos os lados, e aqueles que nascem com Síntese DT os principais portadores de energia - nêutrons de 14 MeV - liberam-na para a manta)", aquecendo-a. A manta contém trocadores de calor pelos quais a água passa. Quando o tokamak opera como parte de uma usina, o vapor gira turbina a vapor, e ela é o rotor do gerador.

A principal tarefa da manta é coletar energia, transformá-la em calor e transferi-la para sistemas de geração elétrica, além de proteger os operadores e o meio ambiente da radiação ionizante gerada por um reator termonuclear. Atrás da manta de um reator termonuclear há uma camada de proteção contra radiação, cujas funções são enfraquecer ainda mais o fluxo de nêutrons e quanta y formados durante as reações com a matéria para garantir a operabilidade do sistema eletromagnético. Isto é seguido pela proteção biológica, que pode ser seguida pelo pessoal da planta.

Um gerador de manta “ativo” é projetado para produzir um dos componentes do combustível termonuclear. Em reatores que consomem trítio, materiais reprodutores (compostos de lítio) são incluídos na manta para garantir a produção eficiente de trítio.

Ao operar um reator termonuclear utilizando combustível deutério-trítio, é necessário reabastecer a quantidade de combustível (D+T) no reator e remover 4He do plasma. Como resultado das reações no plasma, o trítio é queimado e a maior parte da energia de fusão é transferida para os nêutrons, para os quais o plasma é transparente. Isto leva à necessidade de colocar uma zona especial entre o plasma e o sistema eletromagnético, na qual o trítio queimado é reproduzido e a maior parte das energias dos nêutrons é absorvida. Esta zona é chamada de manta reprodutora. Reproduz trítio queimado em plasma.

O trítio na manta pode ser produzido pela irradiação de lítio com fluxos de nêutrons através de reações nucleares: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV e 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.

Ao produzir trítio a partir do lítio, deve-se levar em consideração que o lítio natural consiste em dois isótopos: 6 Li (7,52%) e 7 Li (92,48%). A seção transversal de absorção de nêutrons térmicos de 6 Li puro 0 = 945 celeiros, e a seção transversal de ativação para a reação (p, p) é 0,028 celeiros. Para o lítio natural, a seção transversal para a remoção de nêutrons formados durante a fissão do urânio é igual a 1,01 celeiro, e a seção transversal para a absorção de nêutrons térmicos é a = 70,4 celeiro.

Os espectros de energia da radiação y durante a captura radiativa de nêutrons térmicos 6 Li são caracterizados pelos seguintes valores: a energia média dos quanta y emitidos por nêutron absorvido, na faixa de energia 6 ^ -7 MeV = 0,51 MeV, na energia faixa 7-r8 MeV - 0,94 MeV. Energia Total

Em um reator termonuclear alimentado por Combustível DT, como resultado da reação:

a radiação y por captura de nêutrons é de 1,45 MeV. Para 7 Li, a seção transversal de absorção é de 0,047 celeiros e a seção transversal de ativação é de 0,033 celeiros (em energias de nêutrons acima de 2,8 MeV). A seção transversal para a remoção de nêutrons de fissão de LiH de composição natural = 1,34 celeiro, Li metálico - 1,57 celeiro, LiF - 2,43 celeiro.

Formam-se nêutrons termonucleares que, saindo do volume plasmático, entram na região da manta contendo lítio e berílio, onde ocorrem as seguintes reações:

Assim, um reator termonuclear queimará deutério e lítio, e como resultado das reações serão formados gás inerte hélio.

Durante a reação DT, o trítio queima no plasma e um nêutron com energia de 14,1 MeV é produzido. Na manta é necessário que esse nêutron gere pelo menos um átomo de trítio para cobrir suas perdas no plasma. Taxa de reprodução de trítio Para("a quantidade de trítio formada na manta por nêutron termonuclear incidente) depende do espectro de nêutrons na manta, da magnitude da absorção e do vazamento de nêutrons. Com 0% de cobertura de plasma pela manta, o valor k> 1,05.

Arroz. 4. Dependência da seção transversal das reações nucleares de formação de trítio na energia de nêutrons: 1 - reação 6 Li(n,t)'»He, 2 - reação 7 Li(n,n',0 4 He.

O núcleo de 6 Li tem uma seção transversal de absorção muito grande para nêutrons térmicos com a formação de trítio (953 celeiros a 0,025 eV). Em baixas energias, a seção transversal de absorção de nêutrons em Li segue a lei (l/u) e no caso do lítio natural atinge um valor de 71 celeiros para nêutrons térmicos. Para 7 Li, a seção transversal para interação com nêutrons é de apenas 0,045 celeiros. Portanto, para aumentar a produtividade do melhorador, o lítio natural deve ser enriquecido no isótopo 6 Li. Porém, um aumento no teor de 6 Li em uma mistura de isótopos tem pouco efeito no coeficiente de reprodução do trítio: há um aumento de 5% com um aumento no enriquecimento do isótopo 6 Li para 50% na mistura. Na reação 6 Li(n, T) “Todos os nêutrons desacelerados não serão absorvidos. Além da forte absorção na região térmica, há uma pequena absorção (

A dependência da seção transversal da reação 6 Li(n,T) 4 He com a energia dos nêutrons é mostrada na Fig. 7. Como é típico para muitas outras reações nucleares, a seção transversal da reação 6 Li(n,f) 4 He diminui à medida que a energia do nêutron aumenta (com exceção da ressonância com uma energia de 0,25 MeV).

A reação com formação de trítio no isótopo Li ocorre com nêutrons rápidos com energia >2,8 MeV. Nesta reação

o trítio é produzido e não há perda de nêutrons.

A reação nuclear ao 6 Li não pode produzir produção expandida de trítio e apenas compensa o trítio queimado

A reação a ?1l resulta no aparecimento de um núcleo de trítio para cada nêutron absorvido e na regeneração desse nêutron, que é então absorvido na desaceleração e produz outro núcleo de trítio.

Comente. No Li natural, a taxa de reprodução do trítio é Para"2. Para Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k = 2,0; 0,95; 1.1; 1,05 e i.6, respectivamente. Sal fundido LiF (66%) + BeF 2 (34%) é chamado flyb ( FLiBe), seu uso é preferível devido às condições de segurança e redução das perdas de trítio.

Como nem todo nêutron da reação D-T participa da formação de um átomo de trítio, é necessário multiplicar os nêutrons primários (14,1 MeV) usando a reação (n, 2n) ou (n, sn) em elementos que tenham uma cruz suficientemente grande seção para a interação de nêutrons rápidos, por exemplo, em Be, Pb, Mo, Nb e muitos outros materiais com Z> 25. Para limite de berílio (n, 2 P) reações 2,5 MeV; a 14 MeV 0=0,45 celeiro. Como resultado, em versões de manta com lítio líquido ou cerâmico (LiA10 2) é possível obter Para* 1,1+1,2. No caso de envolver a câmara do reator com uma manta de urânio, a multiplicação de nêutrons pode ser significativamente aumentada devido às reações de fissão e às reações (n, 2n), (n, zl).

Nota 1. A atividade induzida do lítio durante a irradiação com nêutrons está praticamente ausente, uma vez que o isótopo radioativo resultante 8 Li (radiação cr com energia de 12,7 MeV e radiação / com energia de ~6 MeV) tem uma metade muito curta -vida - 0,875 s. A baixa ativação e a meia-vida curta do lítio facilitam a bioproteção das plantas.

Nota 2. A atividade do trítio contido na manta de um reator termonuclear DT é de ~*10 6 Ci, portanto o uso de combustível DT não exclui a possibilidade teórica de um acidente na escala de vários por cento do de Chernobyl (o liberação foi 510 7 Ci). A liberação de trítio com a formação de T 2 0 pode levar à precipitação radioativa, à entrada de trítio em águas subterrâneas, reservatórios, organismos vivos, plantas com acúmulo, em última análise, em produtos alimentícios.

A escolha do material e do estado físico do criador é problema sério. O material reprodutor deve garantir uma elevada percentagem de conversão de lítio em trítio e fácil extração deste último para posterior transferência para o sistema de preparação de combustível.

As principais funções da manta reprodutora incluem: formação de uma câmara de plasma; produção de trítio com coeficiente k>i; conversão de energia cinética de nêutrons em calor; recuperação do calor gerado na manta durante a operação de um reator termonuclear; proteção radiológica do sistema eletromagnético; proteção biológica contra radiação.

Um reator termonuclear usando combustível DT, dependendo do material da manta, pode ser “puro” ou híbrido. A manta de um reator termonuclear “puro” contém Li, no qual o trítio é produzido sob a influência de nêutrons e a reação termonuclear é aumentada de 17,6 MeV para 22,4.

EuV. Na manta de um reator termonuclear híbrido (“ativo”), não só é produzido trítio, mas também existem zonas nas quais os resíduos 2 39Pi são colocados e para produzir 2 39Pi. Neste caso, uma energia igual a 140 MeV por nêutron é liberada na manta. A eficiência energética de um reator de fusão híbrido é seis vezes maior que a de um reator puro. Ao mesmo tempo, consegue-se uma melhor absorção de nêutrons termonucleares, o que aumenta a segurança da instalação. Contudo, a presença de substâncias radioactivas cindíveis cria um ambiente de radiação semelhante ao existente nos reactores de fissão nuclear.

Arroz. 5.

Existem dois conceitos de manta reprodutora pura baseados no uso de materiais reprodutores líquidos de trítio ou no uso de materiais sólidos contendo lítio. As opções de projeto das mantas estão relacionadas ao tipo de refrigerante escolhido (metal líquido, sal líquido, gás, orgânico, água) e à classe de possíveis materiais estruturais.

Na versão líquida da manta, o lítio é o refrigerante e o trítio é o material reprodutivo. A seção da manta consiste na primeira parede, uma zona reprodutora (sal de lítio fundido, um refletor (aço ou tungstênio) e um componente de proteção contra luz (por exemplo, hidreto de titânio). A principal característica de uma manta auto-resfriada de lítio é a ausência de um moderador adicional e multiplicador de nêutrons Em uma manta com um reprodutor líquido você pode usar os seguintes sais: Li 2 BeF 4 (. Tpl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Entre os sais acima, Li 2 BeF 4 tem a viscosidade mais baixa, mas a mais alta Twl. Prospect Pb-Li eutético e FLiNaBe fundido, que também atua como um auto-resfriador. Os multiplicadores de nêutrons em tal criador são grânulos Be esféricos com um diâmetro de 2 mm.

Em uma manta com reprodutor sólido, a cerâmica contendo lítio é usada como material reprodutor e o berílio serve como multiplicador de nêutrons. A composição dessa manta inclui elementos como a primeira parede com coletores de refrigerante; zona de reprodução de nêutrons; zona de produção de trítio; canais de resfriamento para zonas de reprodução e reprodução de trítio; proteção ferro-água; Elementos de fixação de manta; linhas para fornecimento e descarga de refrigerante e gás de arraste de trítio. Materiais de construção- ligas de vanádio e aços da classe ferrítica ou ferrítico-martensítica. A proteção contra radiação é feita de chapas de aço. O refrigerante utilizado é gás hélio sob pressão yMPa com temperatura de entrada de 300°C e temperatura de saída do refrigerante de 650°C.

A tarefa radioquímica é isolar, purificar e devolver o trítio ao ciclo do combustível. Neste caso, a escolha de materiais funcionais para sistemas de regeneração de componentes de combustível (materiais reprodutores) é importante. O material reprodutor deve garantir a remoção da energia de fusão termonuclear, a geração de trítio e a sua extração eficaz para posterior purificação e transformação em combustível de reator. Para tanto, é necessário um material com alta temperatura, radiação e resistência mecânica. Não menos importantes são as características de difusão do material, que garantem alta mobilidade do trítio e, como consequência, boa eficiência extração de trítio do material reprodutor em relativamente Baixas temperaturas.

As substâncias de trabalho da manta podem ser: cerâmica Li 4 Si0 4 (ou Li 2 Ti0 3) - um material de reprodução e berílio - um multiplicador de nêutrons. Tanto o reprodutor quanto o berílio são utilizados na forma de uma camada de seixos monodispersos (grânulos com formato próximo ao esférico). Os diâmetros dos grânulos de Li 4 Si0 4 e Li 2 Ti0 3 variam na faixa de 0,2-10,6 mm e cerca de 8 mm, respectivamente, e os grânulos de berílio têm um diâmetro de 1 mm. A parcela do volume efetivo da camada granular é de 63%. Para reproduzir o trítio, o reprodutor cerâmico é enriquecido com o isótopo 6 Li. Nível típico de enriquecimento de 6 Li: 40% para Li 4 Si0 4 e 70% para Li 2 Ti0 3.

Atualmente, o metatitanato de lítio 1L 2 TIu 3 é considerado o mais promissor devido à taxa relativamente alta de liberação de trítio em temperaturas relativamente baixas (de 200 a 400 0), à radiação e à resistência química. Foi demonstrado que grânulos de titanato de lítio, enriquecidos a 96% de 6 Li sob condições de intensa irradiação de nêutrons e efeitos térmicos, permitem gerar lítio em dois anos com quase velocidade constante. O trítio é extraído de cerâmicas irradiadas com nêutrons por aquecimento programado do material reprodutor em modo de bombeamento contínuo.

Supõe-se que na indústria nuclear as instalações de fusão termonuclear podem ser utilizadas em três áreas:

• - reatores híbridos nos quais a manta contém nuclídeos físseis (urânio, plutônio), cuja fissão é controlada por um poderoso fluxo de nêutrons de alta energia (14 MeV);
• - iniciadores de combustão em reatores eletronucleares subcríticos;
• - transmutação de radionuclídeos de longa duração perigosos para o ambiente para efeitos de eliminação de resíduos radioactivos.

A alta energia dos nêutrons termonucleares oferece grandes oportunidades para separar grupos de energia de nêutrons para queimar um radionuclídeo específico na região ressonante das seções transversais.

O otimismo é uma coisa boa, mas não autossuficiente. Por exemplo, de acordo com a teoria da probabilidade, às vezes um tijolo deve cair sobre cada mortal. Absolutamente nada pode ser feito sobre isso: a lei do Universo. Acontece que a única coisa que pode levar um mortal às ruas em tempos tão turbulentos é a fé no melhor. Mas para um trabalhador do sector da habitação e serviços comunitários, a motivação é mais complicada: é empurrado para a rua pelo próprio tijolo que tenta cair sobre alguém. Afinal, o trabalhador conhece esse tijolo e pode consertar tudo. É igualmente provável que ele não seja corrigido, mas o principal é que, com qualquer decisão, o otimismo puro não o consolará mais.

Uma indústria inteira encontrou-se nesta situação no século XX – a energia global. As pessoas com poder de decisão decidiram que o carvão, o petróleo e o gás natural estariam sempre lá, como o sol na canção, que o tijolo ficaria firme e não iria a lugar nenhum. Digamos que desaparece – isso é fusão termonuclear, mesmo que ainda não seja completamente controlável. A lógica é esta: eles abriram rapidamente, o que significa que irão conquistá-lo com a mesma rapidez. Mas os anos passaram, os patronímicos dos tiranos foram esquecidos e a fusão termonuclear não foi conquistada. Ele apenas flertou e exigiu mais cortesia do que os mortais. A propósito, eles não decidiram nada, estavam silenciosamente otimistas.

A razão para me contorcer na minha cadeira apareceu quando começaram a falar publicamente sobre a finitude dos combustíveis fósseis. Além disso, que tipo de membro é não está claro. Em primeiro lugar, o volume exacto de petróleo ou, digamos, de gás que ainda não foi encontrado é bastante difícil de calcular. Em segundo lugar, a previsão é complicada pelas flutuações nos preços de mercado, que afectam a taxa de produção. E terceiro, o consumo de combustível varia ao longo do tempo e do espaço: por exemplo, em 2015, a procura mundial de carvão (um terço de todas as fontes de energia existentes) caiu pela primeira vez desde 2009, mas espera-se que aumente acentuadamente até 2040, especialmente na China. e o Médio Oriente.

O volume plasmático no JET já era de cerca de 100 metros cúbicos. Ao longo de 30 anos, ele bateu uma série de recordes: resolveu o primeiro problema da fusão termonuclear, aquecendo o plasma a 150 milhões de graus Celsius; gerou uma potência de 1 megawatt e, em seguida, 16 megawatts com um indicador de eficiência energética Q ~ 0,7... A relação entre energia gasta e energia recebida é o terceiro problema da fusão termonuclear. Teoricamente, para combustão de plasma autossustentável, Q deveria exceder a unidade. Mas a prática tem mostrado que isso não é suficiente: na verdade, Q deveria ser superior a 20. Entre os tokamaks, o Q JET permanece invicto.

A nova esperança para a indústria é o tokamak ITER, que está sendo construído atualmente por todo o mundo na França. O indicador Q do ITER deverá chegar a 10, a sua potência deverá ser de 500 megawatts, que, para começar, serão simplesmente dissipados no espaço. O trabalho neste projeto está em andamento desde 1985 e deveria terminar em 2016. Mas gradualmente o custo de construção aumentou de 5 para 19 mil milhões de euros e a data de comissionamento foi adiada em 9 a 11 anos. Ao mesmo tempo, o ITER posiciona-se como uma ponte para o reator DEMO, que, segundo o plano, irá gerar a primeira eletricidade de “fusão” na década de 2040.

A biografia dos sistemas de “pulso” foi menos dramática. Quando os físicos reconheceram, no início da década de 1970, que a opção de fusão “permanente” não era ideal, propuseram remover o confinamento do plasma da equação. Em vez disso, os isótopos tiveram que ser colocados em uma esfera plástica milimétrica, que em uma cápsula de ouro resfriada até o zero absoluto, e a cápsula em uma câmara. Em seguida, a cápsula foi simultaneamente “disparada” com lasers. A ideia é que se você aquecer e comprimir o combustível de maneira rápida e uniforme, a reação ocorrerá antes que o plasma se dissipe. E em 1974, a empresa privada KMS Fusion recebeu tal reação.

Após várias instalações experimentais e anos, ficou claro que nem tudo é tão tranquilo com a síntese “pulsada”. A uniformidade da compressão acabou por ser um problema: os isótopos congelados transformaram-se não numa bola perfeita, mas num “haltere”, o que reduziu drasticamente a pressão e, portanto, a eficiência energética. A situação fez com que em 2012, após quatro anos de operação, o maior reator inercial americano NIF quase fechasse por desespero. Mas já em 2013, ele fez o que o JET não conseguiu fazer: foi o primeiro na física nuclear a produzir 1,5 vezes mais energia do que consumia.

Agora, além dos grandes, os problemas da fusão termonuclear são resolvidos por instalações “de bolso”, puramente experimentais e “start-up” de vários designs. Às vezes eles conseguem fazer um milagre. Por exemplo, físicos da Universidade de Rochester ultrapassaram recentemente o recorde de eficiência energética estabelecido em 2013 em quatro e depois cinco vezes. É verdade que as novas restrições à temperatura e pressão de ignição não desapareceram e as experiências foram realizadas num reactor aproximadamente três vezes menor que o NIF. A dimensão linear, como sabemos, é importante.

Por que se preocupar tanto, você se pergunta? Para deixar claro por que a fusão termonuclear é tão atraente, vamos compará-la com o combustível “comum”. Digamos que a cada momento haja um grama de isótopos no “donut” do tokamak. A colisão de um deutério e um trítio libera 17,6 megaelétron-volts de energia, ou 0,000000000002 joules. Agora as estatísticas: queimar um grama de madeira nos dará 7 mil joules, carvão - 34 mil joules, gás ou petróleo - 44 mil joules. A queima de um grama de isótopos deveria levar à liberação de 170 bilhões de joules de calor. Isto é o que o mundo inteiro consome em cerca de 14 minutos.

Nêutrons refugiados e usinas hidrelétricas mortais

Além disso, a fusão termonuclear é quase inofensiva. “Quase” - porque o nêutron, que voa e não volta, tendo tirado parte da energia cinética, sairá da armadilha magnética, mas não poderá ir longe. Em breve a inquietação será capturada pelo núcleo atômico de uma das folhas da manta - a “manta” metálica do reator. Um núcleo que “capturou” um nêutron se transformará em um isótopo estável, isto é, seguro e relativamente durável, ou em um isótopo radioativo - dependendo da sua sorte. A irradiação de um reator por nêutrons é chamada de radiação induzida. Por causa disso, o cobertor terá que ser trocado em algum lugar a cada 10–100 anos.

É hora de esclarecer que o esquema de “ligação” isotópica descrito acima foi simplificado. Ao contrário do deutério, que pode ser consumido com uma colher, é facilmente criado e encontrado na água do mar comum, o trítio é um radioisótopo e é sintetizado artificialmente a um preço obsceno. Ao mesmo tempo, não faz sentido armazená-lo: o kernel rapidamente “desmorona”. No ITER, o trítio será produzido no local através da colisão de nêutrons com lítio-6 e adição separada de deutério acabado. Como resultado, haverá ainda mais nêutrons tentando “escapar” (junto com o trítio) e ficar presos no cobertor do que pode parecer.

Apesar disso, a área de impacto radioativo de um reator termonuclear será insignificantemente pequena. A ironia é que a segurança é proporcionada pela própria imperfeição da tecnologia. Dado que o plasma tem de ser retido e o “combustível” adicionado repetidamente, sem supervisão externa o sistema funcionará durante alguns minutos no máximo (o tempo de retenção planeado do ITER é de 400 segundos) e apagar-se-á. Mas mesmo com destruição instantânea, de acordo com opinião físico Christopher Llewellyn-Smith, não haverá necessidade de despejar cidades: devido à baixa densidade do plasma de trítio, ele conterá apenas 0,7 gramas.

É claro que a luz não convergiu para o deutério e o trítio. Para a fusão termonuclear, os cientistas também estão considerando outros pares: deutério e deutério, hélio-3 e boro-11, deutério e hélio-3, hidrogênio e boro-11. Nos últimos três não haverá nêutrons “fugitivos”, e duas empresas americanas já estão trabalhando com pares hidrogênio-boro-11 e deutério-hélio-3. Só que por enquanto, no atual estágio de ignorância tecnológica, é um pouco mais fácil colidir deutério e trítio.

E a aritmética simples está do lado da nova indústria. Nos últimos 55 anos, o mundo viu: cinco falhas de energia hidrelétrica, que resultaram na morte de pelo menos Estradas russas morre dentro de oito anos; 26 acidentes em usinas nucleares, devido aos quais morreram dezenas de milhares de vezes menos pessoas do que em descobertas de usinas hidrelétricas; e centenas de incidentes em redes de energia térmica com só Deus sabe quais consequências. Mas durante a operação dos reatores termonucleares, parece que nada foi danificado até agora, exceto células nervosas e orçamentos.

Fusão a frio

Por menor que fosse, a chance de ganhar a sorte grande na loteria “termonuclear” entusiasmava a todos, não apenas aos físicos. Em março de 1989, dois químicos bastante conhecidos, o americano Stanley Pons e o britânico Martin Fleischman, reuniram jornalistas para mostrar ao mundo a fusão nuclear “fria”. Foi assim que ele trabalhou. Um eletrodo de paládio foi colocado em uma solução com deutério e lítio e passado por ele. DC. O deutério e o lítio foram absorvidos pelo paládio e, colidindo, às vezes “travaram-se” em trítio e hélio-4, aquecendo repentinamente a solução. E é quando temperatura do quarto e pressão atmosférica normal.

A perspectiva de obter energia sem o incômodo de temperatura, pressão e instalações complexas era muito tentadora, e no dia seguinte Fleischmann e Pons acordaram famosos. As autoridades do estado de Utah alocaram US$ 5 milhões para suas pesquisas sobre fusão a frio, e a universidade onde Pons trabalhava solicitou outros US$ 25 milhões ao Congresso dos EUA. Dois pontos acrescentaram uma mosca na sopa à história. Primeiro, detalhes do experimento apareceram em O Jornal de Química Eletroanalítica e Eletroquímica Interfacial somente em abril, um mês após a coletiva de imprensa. Isso era contrário à etiqueta científica.

Em segundo lugar, os especialistas em física nuclear tinham muitas perguntas para Fleischmann e Pons. Por exemplo, por que em seu reator a colisão de dois deutérios produz trítio e hélio-4, quando deveria produzir trítio e um próton ou um nêutron e hélio-3? Além disso, era fácil verificar: desde que ocorresse a fusão nuclear no eletrodo de paládio, os nêutrons com uma energia cinética previamente conhecida “voariam” dos isótopos. Mas nem os sensores de nêutrons nem a reprodução do experimento por outros cientistas levaram a tais resultados. E por falta de dados, já em maio a sensação dos químicos foi reconhecida como “pato”.

Apesar disso, o trabalho de Pons e Fleischmann trouxe confusão à física e à química nuclear. Afinal, o que aconteceu: uma certa reação de isótopos, paládio e eletricidade levou à liberação de energia positiva, ou mais precisamente, ao aquecimento espontâneo da solução. Em 2008, cientistas japoneses mostraram uma instalação semelhante aos jornalistas. Eles colocaram paládio e óxido de zircônio em um frasco e bombearam deutério sob pressão. Devido à pressão, os núcleos “esfregaram” uns nos outros e se transformaram em hélio, liberando energia. Tal como na experiência Fleischmann-Pons, os autores avaliaram a reacção de fusão “sem neutrões” apenas pela temperatura no frasco.

A física não tinha explicação. Mas a química poderia ter feito isso: e se a substância for alterada por catalisadores - “aceleradores” de reações? Um desses “aceleradores” teria sido usado pelo engenheiro italiano Andrea Rossi. Em 2009, ele e o físico Sergio Focardi apresentaram um pedido para inventar um dispositivo para uma “reação nuclear de baixa energia”. Este é um tubo de cerâmica de 20 centímetros no qual é colocado pó de níquel, um catalisador desconhecido e o hidrogênio é bombeado sob pressão. O tubo é aquecido por um aquecedor elétrico convencional, convertendo parcialmente o níquel em cobre com liberação de nêutrons e energia positiva.

Antes da patente de Rossi e Focardi, a mecânica do “reator” não era divulgada por princípio. Então - com referência a um segredo comercial. Em 2011, jornalistas e cientistas (por algum motivo os mesmos) começaram a verificar a instalação. As verificações foram as seguintes. O tubo foi aquecido por várias horas, a potência de entrada e saída foi medida e a composição isotópica do níquel foi estudada. Era impossível abri-lo. As palavras dos desenvolvedores foram confirmadas: a produção de energia é 30 vezes maior, a composição do níquel está mudando. Mas como? Para tal reação, não são necessários 200 graus, mas todos os 20 bilhões de graus Celsius, já que o núcleo de níquel é ainda mais pesado que o ferro.

Andrea Rossi durante teste de um dispositivo para uma “reação nuclear de baixa energia” (esquerda). / © Blog de Vessy

Ninguém Revista Ciência ele nunca publicou os “feiticeiros” italianos. Muitos desistiram rapidamente das “reações de baixa energia”, embora o método tenha seguidores. Rossi está agora processando a detentora da patente, a empresa americana Industrial Heat, sob a acusação de roubo de propriedade intelectual. Ela o considera um fraudador e as verificações com especialistas são “falsas”.

E ainda assim existe fusão nuclear “fria”. Na verdade, é baseado em um “catalisador” - múons. Múons (com carga negativa) “expulsam” elétrons do orbital atômico, formando mesoátomos. Se você colidir mesoátomos com, por exemplo, deutério, obterá mesomoléculas carregadas positivamente. E como um múon é 207 vezes mais pesado que um elétron, os núcleos das mesomoléculas estarão 207 vezes mais próximos uns dos outros - o mesmo efeito pode ser alcançado se os isótopos forem aquecidos a 30 milhões de graus Celsius. Portanto, os núcleos dos mesoátomos “grudam” por conta própria, sem aquecimento, e o múon “salta” sobre outros átomos até “ficar preso” no mesoátomo de hélio.

Em 2016, o múon havia sido treinado para realizar aproximadamente 100 “saltos” desse tipo. Então - mesoátomo de hélio ou decaimento (o tempo de vida de um múon é de apenas 2,2 microssegundos). O jogo não vale a pena: a quantidade de energia recebida de 100 “saltos” não excede 2 gigaelétron-volts, e a criação de um múon requer de 5 a 10 gigaelétron-volts. Para que a fusão “fria”, ou mais precisamente, a “catálise de múons”, seja lucrativa, cada múon deve aprender 10 mil “saltos” ou, finalmente, parar de exigir demais dos mortais. Afinal, faltam cerca de 250 anos para a Idade da Pedra – com incêndios pioneiros em vez de centrais térmicas.

No entanto, nem todos acreditam na finitude dos combustíveis fósseis. Mendeleev, por exemplo, negou a esgotabilidade do petróleo. Ela, pensava o químico, é produto de reações abióticas, e não de pterodáctilos decompostos, e portanto se auto-regenera. Mendeleev atribuiu os rumores em contrário aos irmãos Nobel, que no final do século XIX visavam o monopólio do petróleo. Seguindo-o, o físico soviético Lev Artsimovich expressou plenamente a convicção de que a energia termonuclear só aparecerá quando a humanidade “realmente” precisar dela. Acontece que Mendeleev e Artsimovich eram, embora fossem figuras decisivas, mas ainda assim otimistas.

E na verdade ainda não precisamos de energia termonuclear.

“Dissemos que colocaríamos o Sol em uma caixa. A ideia é ótima. Mas o problema é que não sabemos como criar esta caixa” - Pierre Gilles de Gennes, laureado premio Nobel em Física 1991.

Enquanto elementos pesados Existem alguns elementos necessários para reações nucleares na Terra e no espaço em geral; existem muitos elementos leves para reações termonucleares tanto na Terra como no espaço; Portanto, a ideia de usar a energia termonuclear em benefício da humanidade surgiu quase imediatamente com a compreensão dos processos que lhe estão subjacentes - isto é verdadeiramente prometido possibilidades ilimitadas, uma vez que as reservas de combustível termonuclear na Terra deveriam ter sido suficientes durante dezenas de milhares de anos.

Já em 1951, surgiram duas direções principais para o desenvolvimento de reatores termonucleares: Andrei Sakharov e Igor Tamm desenvolveram uma arquitetura tokamak em que a câmara de trabalho era um toro, enquanto Lyman Spitzer propôs uma arquitetura de design mais complexo em forma que mais lembra um tira de Mobius invertida não uma, mas várias vezes.

A simplicidade do design fundamental do tokamak permitiu muito tempo desenvolver essa direção melhorando as características dos ímãs convencionais e supercondutores, bem como aumentando gradativamente o tamanho do reator. Mas com o aumento dos parâmetros do plasma, gradualmente começaram a aparecer problemas com seu comportamento instável, o que retardou o processo.

A complexidade do projeto do estelar levou ao fato de que após os primeiros experimentos na década de 50, o desenvolvimento dessa direção por muito tempo parou. Recebeu uma nova vida recentemente com o advento do sistemas modernos projeto auxiliado por computador, o que possibilitou projetar o stellador Wendelstein 7-X com os parâmetros e precisão de projeto necessários ao seu funcionamento.

Física do processo e problemas na sua implementação

Os átomos de ferro têm uma energia de ligação máxima por núcleon - isto é, uma medida da energia que deve ser gasta para dividir um átomo em seus nêutrons e prótons constituintes, divididos por seus total. Todos os átomos com massa menor e maior têm este indicador abaixo do ferro:

Ao mesmo tempo, nas reações termonucleares de fusão de átomos leves até o ferro, a energia é liberada e a massa do átomo resultante torna-se ligeiramente menos que a quantia massas dos átomos originais por uma quantidade que se correlaciona com a energia liberada de acordo com a fórmula E=mc² (o chamado defeito de massa). Da mesma forma, a energia é liberada durante as reações de fissão nuclear de átomos mais pesados ​​que o ferro.

Durante as reações de fusão dos átomos, uma enorme energia é liberada, mas para extrair essa energia, primeiro precisamos fazer um certo esforço para superar as forças repulsivas entre os núcleos atômicos que estão carregados positivamente (superar a barreira de Coulomb). Depois que conseguimos aproximar alguns átomos distância necessária forte entra em jogo interação nuclear, que conecta nêutrons e prótons. Para cada tipo de combustível, a barreira de Coulomb para o início de uma reação é diferente, assim como a temperatura ótima de reação é diferente:

Nesse caso, as primeiras reações termonucleares dos átomos começam a ser registradas muito antes de atingirem temperatura média substâncias desta barreira devido ao fato da energia cinética dos átomos estar sujeita à distribuição de Maxwell:

Mas a reação a uma temperatura relativamente baixa (da ordem de vários milhões de °C) prossegue extremamente lentamente. Então, digamos que no centro a temperatura atinja 14 milhões de °C, mas o poder específico da reação termonuclear em tais condições é de apenas 276,5 W/m³, e o Sol leva vários bilhões de anos para consumir completamente o seu combustível. Tais condições são inaceitáveis ​​para um reator termonuclear, uma vez que com um nível tão baixo de liberação de energia, inevitavelmente gastaremos mais no aquecimento e na compressão do combustível termonuclear do que receberemos em troca da reação.

À medida que a temperatura do combustível aumenta, uma proporção crescente de átomos passa a ter energia excedendo a barreira de Coulomb e a eficiência da reação aumenta, atingindo seu pico. Com um novo aumento na temperatura, a taxa de reação começa a cair novamente devido ao fato de que a energia cinética dos átomos se torna muito alta e eles “ultrapassam” uns aos outros, incapazes de serem mantidos juntos por uma forte interação nuclear.

Assim, a solução de como obter energia a partir de uma reação termonuclear controlada foi obtida com bastante rapidez, mas a implementação desta tarefa se arrastou por meio século e ainda não foi concluída. A razão para isto reside nas condições verdadeiramente insanas em que se revelou necessário colocar combustível termonuclear– para um rendimento positivo da reação, sua temperatura deveria ter sido de várias dezenas de milhões de °C.

Nenhuma parede poderia suportar fisicamente tal temperatura, mas este problema levou quase imediatamente à sua solução: uma vez que uma substância aquecida a tais temperaturas é um plasma quente (gás totalmente ionizado) que é carregado positivamente, a solução acabou por estar na superfície - nós apenas tivemos que colocar esse plasma aquecido em um campo magnético forte, que manterá o combustível termonuclear em distância segura das paredes.

Progressos na sua implementação

A pesquisa sobre este tópico está indo em várias direções ao mesmo tempo:

1. Ao usar ímãs supercondutores, os cientistas estão tentando reduzir a energia gasta na ignição e manutenção da reação;
2. com a ajuda de novas gerações de supercondutores, a indução do campo magnético no interior do reator aumenta, o que permite conter plasma com maiores densidades e temperaturas, o que aumenta densidade de potência reatores por unidade de volume;
3. pesquisas na área de plasma quente e avanços na área tecnologia informática permitir um melhor controlo dos fluxos de plasma, aproximando assim os reactores de fusão dos seus limites teóricos de eficiência;
4. O progresso na área anterior também nos permite manter o plasma num estado estável por mais tempo, o que aumenta a eficiência do reator devido ao fato de não precisarmos reaquecer o plasma com tanta frequência.

Apesar de todas as dificuldades e problemas que enfrentam uma reação termonuclear controlada, esta história já se aproxima do fim. Na indústria energética, é habitual utilizar o indicador EROEI - retorno energético do investimento energético (a relação entre a energia despendida na produção de combustível e a quantidade de energia que dele obtemos) para calcular a eficiência do combustível. E embora o EROEI do carvão continue a crescer, este indicador do petróleo e do gás atingiu o seu pico em meados do século passado e está agora em queda constante devido ao facto de novos depósitos destes combustíveis estarem localizados em locais cada vez mais inacessíveis e em locais cada vez mais inacessíveis. maiores profundidades:

Ao mesmo tempo, também não podemos aumentar a produção de carvão porque a obtenção de energia a partir dele é um processo muito sujo e está literalmente a tirar a vida de pessoas que sofrem neste momento de várias doenças pulmonares. De uma forma ou de outra, estamos agora à beira do fim da era dos combustíveis fósseis - e não se trata de maquinações de ambientalistas, mas de cálculos económicos banais quando se olha para o futuro. Ao mesmo tempo, o EROI dos reatores termonucleares experimentais, que também surgiu em meados do século passado, cresceu de forma constante e em 2007 atingiu a barreira psicológica de um - ou seja, este ano pela primeira vez a humanidade conseguiu obter mais energia através de uma reação termonuclear do que gastou em sua implementação. E apesar de a implementação do reactor, as experiências com o mesmo e a produção da primeira central termonuclear de demonstração DEMO com base na experiência adquirida durante a implementação do ITER ainda levarão muito tempo. Não há mais dúvidas de que o nosso futuro reside em tais reatores.

Projetos inovadores utilizando supercondutores modernos permitirão em breve implementar a fusão termonuclear controlada, como dizem alguns otimistas. Os especialistas, no entanto, prevêem que a aplicação prática levará várias décadas.

Por que é tão difícil?

A energia de fusão é considerada uma fonte potencial. É energia atômica pura. Mas o que é e por que é tão difícil de conseguir? Primeiro, você precisa entender a diferença entre fusão clássica e termonuclear.

A fissão atómica ocorre onde os isótopos radioactivos – urânio ou plutónio – são divididos e convertidos noutros isótopos altamente radioactivos, que devem então ser eliminados ou reciclados.

A fusão consiste em dois isótopos de hidrogênio - deutério e trítio - fundindo-se em um único todo, formando hélio atóxico e um único nêutron, sem produzir resíduos radioativos.

Problema de controle

As reações que ocorrem no Sol ou em uma bomba de hidrogênio são de fusão termonuclear, e os engenheiros enfrentam uma enorme tarefa - como controlar esse processo em uma usina?

Isso é algo em que os cientistas vêm trabalhando desde a década de 1960. Outro reator experimental de fusão termonuclear chamado Wendelstein 7-X começou a operar na cidade de Greifswald, no norte da Alemanha. Ainda não se pretende criar uma reação - é apenas um projeto especial que está sendo testado (um stellarator em vez de um tokamak).

Plasma de alta energia

Todas as instalações termonucleares têm característica comum- em forma de anel. Baseia-se na ideia de usar eletroímãs poderosos para criar um forte campo eletromagnetico, tendo a forma de um toro - uma câmara de ar de bicicleta inflada.

Este campo eletromagnético deve ser tão denso que quando aquecido em forno de micro-ondas a um milhão de graus Celsius, o plasma deve aparecer bem no centro do anel. É então aceso para que a fusão nuclear possa começar.

Demonstração de capacidades

Na Europa existem actualmente dois experimento semelhante. Um deles é o Wendelstein 7-X, que gerou recentemente seu primeiro plasma de hélio. A outra é o ITER, uma enorme instalação experimental de fusão no sul de França que ainda está em construção e estará pronta para arrancar em 2023.

Presume-se que ocorrerão reações nucleares reais no ITER, embora apenas por período curto tempo e certamente não superior a 60 minutos. Este reator é apenas um dos muitos passos para tornar prática a fusão nuclear.

Reator de fusão: menor e mais potente

Recentemente, vários projetistas anunciaram um novo projeto de reator. Segundo um grupo de estudantes do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, bem como representantes do fabricante de armas Lockheed Martin, a fusão nuclear pode ser alcançada em instalações muito mais poderosas e menores que o ITER, e eles estão prontos para fazê-lo dentro de dez anos.

A ideia do novo design é usar supercondutores modernos de alta temperatura em eletroímãs, que exibem suas propriedades quando resfriados com nitrogênio líquido, em vez dos convencionais, que exigem um novo, mais tecnologia flexível nos permitirá mudar completamente o design do reator.

Klaus Hesch, responsável pela tecnologia do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, no sudoeste da Alemanha, está cético. Ele suporta o uso de novos supercondutores de alta temperatura para novos projetos de reatores. Mas, segundo ele, não basta desenvolver algo em um computador levando em conta as leis da física. É preciso levar em conta os desafios que surgem na hora de colocar uma ideia em prática.

ficção científica

Segundo Hesch, o modelo dos estudantes do MIT mostra apenas a viabilidade do projeto. Mas na verdade há muito nisso ficção científica. O projeto pressupõe que sérios problemas técnicos fusão termonuclear resolvida. Mas a ciência moderna não tem ideia de como resolvê-los.

Um desses problemas é a ideia de bobinas dobráveis. No projeto do MIT, os eletroímãs podem ser desmontados para entrar no anel que contém o plasma.

Isto seria muito útil porque seria possível acessar objetos em sistema interno e substitua-os. Mas, na realidade, os supercondutores são feitos de material cerâmico. Centenas deles devem ser entrelaçados de maneira sofisticada para formar o campo magnético correto. E aí surge uma dificuldade mais fundamental: as conexões entre eles não são tão simples quanto as conexões entre cabos de cobre. Ninguém sequer pensou em conceitos que ajudariam a resolver tais problemas.

Muito quente

A alta temperatura também é um problema. No núcleo do plasma de fusão a temperatura atingirá cerca de 150 milhões de graus Celsius. Este calor extremo permanece no lugar – bem no centro do gás ionizado. Mas mesmo em torno dele ainda faz muito calor - de 500 a 700 graus na área do reator, que é camada interna tubo de metal, em que o trítio necessário para que ocorra a fusão nuclear será “reproduzido”.

Tem mais grande problema- a chamada potência de saída. Esta é a parte do sistema para a qual o combustível utilizado, principalmente o hélio, vem do processo de síntese. Os primeiros componentes metálicos nos quais entra o gás quente são chamados de "desviadores". Pode aquecer até mais de 2.000 °C.

Problema de desviador

Para ajudar a unidade a suportar tais temperaturas, os engenheiros estão tentando usar o tungstênio metálico usado nas antigas lâmpadas incandescentes. O ponto de fusão do tungstênio é de cerca de 3.000 graus. Mas existem outras restrições.

Isto pode ser feito no ITER porque o aquecimento não ocorre constantemente. Espera-se que o reator opere apenas 1-3% do tempo. Mas esta não é uma opção para uma central eléctrica que deve funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana. E, se alguém afirma ser capaz de construir um reactor mais pequeno e com a mesma potência do ITER, é seguro dizer que não tem uma solução para o problema do divertor.

Usina depois de algumas décadas

No entanto, os cientistas estão optimistas quanto ao desenvolvimento de reactores termonucleares, embora não seja tão rápido como alguns entusiastas prevêem.

O ITER deverá mostrar que a fusão controlada pode realmente produzir mais energia do que seria gasta no aquecimento do plasma. O próximo passo será construir uma central elétrica de demonstração híbrida completamente nova que realmente produza eletricidade.

Os engenheiros já estão trabalhando em seu projeto. Terão de aprender lições com o ITER, cujo lançamento está previsto para 2023. Dado o tempo necessário para a concepção, planeamento e construção, parece improvável que a primeira central eléctrica de fusão entre em funcionamento muito antes de meados do século XXI.

Fusão a Frio Rússia

Em 2014, um teste independente do reator E-Cat concluiu que o dispositivo produziu uma média de 2.800 watts de potência durante um período de 32 dias, enquanto consumia 900 watts. Isso é mais do que qualquer reação química pode liberar. O resultado fala de um avanço na fusão termonuclear ou de fraude total. O relatório decepcionou os céticos, que questionam se a revisão foi verdadeiramente independente e sugerem uma possível falsificação dos resultados dos testes. Outros começaram a descobrir os “ingredientes secretos” que permitem a fusão de Rossi para replicar a tecnologia.

Rossi é uma fraude?

Andréa é impressionante. Ele faz proclamações ao mundo em um inglês único na seção de comentários de seu website, pretensiosamente chamado de Journal of Nuclear Physics. Mas as suas tentativas anteriores falhadas incluíram um projecto italiano de transformação de resíduos em combustível e um gerador termoeléctrico. O Petroldragon, um projecto de transformação de energia a partir de resíduos, fracassou em parte porque o despejo ilegal de resíduos é controlado pelo crime organizado italiano, que apresentou acusações criminais contra ele por violar os regulamentos sobre resíduos. Ele também criou um dispositivo termoelétrico para o Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, mas durante os testes o dispositivo produziu apenas uma fração da potência declarada.

Muitos não confiam na Rússia, mas Editor chefe O New Energy Times o chamou diretamente de criminoso com uma série de projetos de energia malsucedidos por trás dele.

Verificação independente

Rossi assinou contrato com a empresa americana Industrial Heat para realizar um teste secreto de um ano de uma planta de fusão a frio de 1 MW. O dispositivo era um contêiner embalado com dezenas de E-Cats. O experimento teve que ser monitorado por terceiros que pudessem confirmar se o calor estava realmente sendo gerado. Rossi afirma ter passado grande parte do ano passado praticamente vivendo em um contêiner e observando as operações por mais de 16 horas por dia para comprovar a viabilidade comercial do E-Cat.

O teste terminou em março. Os apoiantes de Rossi aguardavam ansiosamente o relatório dos observadores, esperando a absolvição do seu herói. Mas eles acabaram entrando com uma ação judicial.

Julgamento

Em seu processo perante o tribunal da Flórida, Rossi afirma que o teste foi bem-sucedido e um árbitro independente confirmou que o reator E-Cat produziu seis vezes mais energia do que consumiu. Ele também alegou que a Industrial Heat concordou em pagar-lhe US$ 100 milhões - US$ 11,5 milhões adiantados após um teste de 24 horas (aparentemente para direitos de licenciamento para que a empresa pudesse vender a tecnologia nos EUA) e outros US$ 89 milhões após a conclusão bem-sucedida de um julgamento estendido em 350 dias. Rossi acusou IH de executar um “esquema fraudulento” para roubar sua propriedade intelectual. Ele também acusou a empresa de se apropriar indevidamente de reatores E-Cat, de copiar ilegalmente tecnologias inovadoras e produtos, funcionalidade e designs e uma tentativa indevida de obter uma patente sobre sua propriedade intelectual.

Mina de ouro

Noutro lugar, Rossi afirma que numa das suas manifestações, IH recebeu 50-60 milhões de dólares de investidores e outros 200 milhões de dólares da China, após uma reconstituição envolvendo altos funcionários chineses. Se isto for verdade, então há muito mais de cem milhões de dólares em jogo. A Industrial Heat rejeitou estas alegações como infundadas e pretende defender-se vigorosamente. Mais importante ainda, ela afirma que “trabalhou durante mais de três anos para confirmar os resultados que Rossi alegadamente alcançou com a sua tecnologia E-Cat, sem sucesso”.

A IH não acredita que o E-Cat funcione, e o New Energy Times não vê razão para duvidar disso. Em junho de 2011, um representante da publicação visitou a Itália, entrevistou Rossi e filmou uma demonstração do seu E-Cat. Um dia depois, ele relatou sérias preocupações sobre a forma como a energia térmica era medida. Seis dias depois, o jornalista postou seu vídeo no YouTube. Especialistas de todo o mundo enviaram-lhe análises publicadas em julho. Ficou claro que isso era uma farsa.

Confirmação experimental

No entanto, vários pesquisadores - Alexander Parkhomov de Universidade Russa Amizade dos Povos e Projeto Memorial Martin Fleischmann (MFPM) - conseguiram reproduzir a fusão termonuclear fria da Rússia. O relatório do MFPM foi intitulado “O fim da era do carbono está próximo”. O motivo dessa admiração foi uma descoberta que só pode ser explicada por uma reação termonuclear. Segundo os pesquisadores, Rossi tem exatamente o que diz.

Viável receita aberta a fusão a frio pode causar uma “corrida do ouro” energética. Pode ser encontrado métodos alternativos, o que contornará as patentes de Rossi e o manterá fora do negócio multibilionário de energia.

Então talvez Rossi preferisse evitar esta confirmação.

Como as forças de atração nuclear atuam entre núcleos atômicos a curtas distâncias, quando dois núcleos se aproximam, é possível sua fusão, ou seja, a síntese de um núcleo mais pesado. Todos núcleos atômicos têm carga elétrica positiva e, portanto, se repelem por grandes distâncias. Para que os núcleos se unam e entrem numa reação de fusão nuclear, eles devem ter energia cinética suficiente para superar a repulsão elétrica mútua, que é tanto maior quanto maior for a carga do núcleo. Portanto, a maneira mais fácil é sintetizar núcleos leves com baixa carga elétrica. No laboratório, as reações de fusão podem ser observadas disparando núcleos rápidos contra um alvo, acelerados em um acelerador especial (ver Aceleradores de partículas carregadas). Na natureza, as reações de fusão ocorrem em matéria muito quente, por exemplo, no interior das estrelas, inclusive no centro do Sol, onde a temperatura é de 14 milhões de graus e a energia movimento térmico algumas das partículas mais rápidas são suficientes para superar a repulsão elétrica. A fusão nuclear que ocorre em matéria aquecida é chamada de fusão termonuclear.

As reações termonucleares que ocorrem nas profundezas das estrelas desempenham um papel muito importante na evolução do Universo. Eles são a fonte dos núcleos dos elementos químicos que são sintetizados a partir do hidrogênio nas estrelas. Eles são a fonte de energia das estrelas. A principal fonte de energia do Sol são as reações do chamado ciclo próton-próton, como resultado do qual nasce um núcleo de hélio de 4 prótons. A energia liberada durante a fusão é levada pelos núcleos resultantes, quanta de radiação eletromagnética, nêutrons e neutrinos. Ao observar o fluxo de neutrinos vindo do Sol, é possível estabelecer quais reações de fusão nuclear e com que intensidade ocorrem em seu centro.

Uma característica única das reações termonucleares como fonte de energia é a grande liberação de energia por unidade de massa das substâncias reagentes - 10 milhões de vezes mais do que nas reações químicas. A entrada na síntese de 1 g de isótopos de hidrogênio equivale à combustão de 10 toneladas de gasolina. Portanto, os cientistas há muito se esforçam para dominar essa gigantesca fonte de energia. Em princípio, já sabemos como obter hoje energia de fusão termonuclear na Terra. É possível aquecer matéria a temperaturas estelares usando a energia de uma explosão atômica. É assim que funciona Bomba H- a arma mais terrível do nosso tempo, em que a explosão de um fusível nuclear leva ao aquecimento instantâneo de uma mistura de deutério e trítio e a uma subsequente explosão termonuclear.

Mas os cientistas não lutam por uma síntese tão incontrolável, capaz de destruir toda a vida na Terra. Eles estão procurando maneiras de implementar a fusão termonuclear controlada. Que condições devem ser atendidas para isso? Em primeiro lugar, é claro, é necessário aquecer o combustível termonuclear a uma temperatura onde as reações de fusão possam ocorrer com uma probabilidade notável. Mas isto não é o suficiente. É necessário que durante a fusão seja liberada mais energia do que a gasta no aquecimento da substância, ou, melhor ainda, que as próprias partículas rápidas criadas durante a fusão mantenham a temperatura necessária do combustível. Para fazer isso, é necessário que a substância que entra na síntese seja isolada termicamente de forma confiável do ambiente circundante e, naturalmente, frio da Terra, ou seja, que o tempo de resfriamento, ou, como dizem, o tempo de retenção de energia, seja suficientemente longo .

Os requisitos de temperatura e tempo de retenção dependem do combustível utilizado. A maneira mais fácil de realizar a síntese é entre os isótopos pesados ​​​​do hidrogênio - deutério (D) e trítio (T). Neste caso, a reação resulta em um núcleo de hélio (He 4) e um nêutron. O deutério é encontrado na Terra em grandes quantidades na água do mar (um átomo de deutério para cada 6.000 átomos de hidrogênio). O trítio não existe na natureza. Hoje é produzido artificialmente pela irradiação de lítio em reatores nucleares com nêutrons. A ausência de trítio, no entanto, não é um obstáculo ao uso Reações DT síntese, uma vez que o nêutron produzido durante a reação pode ser usado para reproduzir o trítio por meio da irradiação de lítio, cujas reservas são bastante grandes na Terra.

Para implementação de DT A reação é mais favorável em temperaturas de cerca de 100 milhões de graus. A exigência de tempo de retenção de energia depende da densidade da substância reagente, que a tal temperatura estará inevitavelmente na forma de plasma, isto é, gás ionizado. Como a intensidade das reações termonucleares é maior, quanto maior a densidade do plasma, os requisitos para o tempo de retenção de energia são inversamente proporcionais à densidade. Se expressarmos a densidade como o número de íons por 1 cm 3, então para a reação D-T na temperatura ideal a condição para obtenção de energia útil pode ser escrita na forma: o produto da densidade n e o tempo de retenção de energia τ deve ser superior a 10 14 cm −3 s, ou seja, ou seja, um plasma com uma densidade de 10 14 íons por 1 cm 3 não deve esfriar visivelmente mais rápido do que em 1 s.

Como a velocidade térmica dos íons de hidrogênio na temperatura exigida é de 10 8 cm/s, os íons voam 1.000 km em 1 s. Portanto, são necessários dispositivos especiais para evitar que o plasma atinja as paredes que o isolam. O plasma é um gás que consiste em uma mistura de íons e elétrons. Partículas carregadas que se movem através de um campo magnético estão sujeitas a uma força que curva sua trajetória e as força a se moverem em círculos com raios proporcionais ao momento das partículas e inversamente proporcionais ao campo magnético. Assim, um campo magnético pode impedir que partículas carregadas escapem numa direção perpendicular às linhas do campo. Esta é a base para a ideia do isolamento térmico magnético do plasma. O campo magnético, entretanto, não impede o movimento das partículas ao longo das linhas de força: no caso geral, as partículas se movem em espirais, enrolando-se em torno das linhas de força.

Os físicos criaram vários truques para evitar que as partículas escapassem ao longo das linhas de campo. Você pode, por exemplo, fazer “tampões magnéticos” - áreas com um campo magnético mais forte que refletem algumas das partículas, mas é melhor enrolar as linhas de campo em um anel e usar um campo magnético toroidal. Mas um campo toroidal não é suficiente.

Um campo toroidal é heterogêneo no espaço - sua intensidade diminui ao longo do raio, e em um campo não uniforme ocorre um movimento lento de partículas carregadas - a chamada deriva - através do campo magnético. Este desvio pode ser eliminado passando uma corrente através do plasma ao longo do circuito do toro. O campo magnético da corrente, somado ao campo externo toroidal, tornará o campo geral helicoidal.

Movendo-se em espirais ao longo das linhas de força, as partículas carregadas se moverão do semiplano superior do toro para o inferior e para trás. Ao mesmo tempo, eles sempre irão flutuar em uma direção, por exemplo, para cima. Mas, estando no semiplano superior e flutuando para cima, as partículas se afastam do plano médio do toro, e estando no semiplano inferior e também flutuando para cima, as partículas retornam para ele. Assim, os desvios nas metades superior e inferior do toro são mutuamente compensados ​​e não levam a perdas de partículas. É exatamente assim que é projetado o sistema magnético das instalações do tipo Tokamak, sobre o qual melhores resultados sobre aquecimento e isolamento térmico de plasma.

Além do isolamento térmico do plasma, também é necessário garantir o seu aquecimento. Em um Tokamak, a corrente que flui através de um cabo de plasma pode ser usada para esse propósito. Em outros dispositivos, onde o confinamento é feito sem corrente, assim como no próprio Tokamak, outros métodos de aquecimento são utilizados para aquecer a temperaturas muito elevadas, por exemplo, por meio de ondas eletromagnéticas de alta frequência, injeção (introdução) no plasma de feixes de partículas rápidas, feixes de luz gerados por lasers potentes, etc. Quanto maior a potência do dispositivo de aquecimento, mais rápido o plasma pode ser aquecido até a temperatura necessária. O desenvolvimento nos últimos anos tem sido muito lasers poderosos e fontes de feixes de partículas carregadas relativísticas possibilitaram aquecer pequenos volumes de matéria a temperaturas termonucleares em um tempo muito curto, tão curto que a matéria tem tempo para aquecer e entrar em reações de fusão antes de se espalhar devido ao movimento térmico. Em tais condições isolamento térmico adicional acabou por ser desnecessário. A única coisa que impede as partículas de se separarem é a sua própria inércia. Os dispositivos de fusão baseados neste princípio são chamados de dispositivos de confinamento inercial. Esta nova direção de pesquisa, chamada fusão termonuclear inercial, está sendo rapidamente desenvolvida na atualidade.