termotuumasüntees, kergete aatomituumade ühinemise reaktsioon raskemateks tuumadeks, mis toimub ülikõrgetel temperatuuridel ja millega kaasneb tohutute energiahulkade vabanemine. Tuumasüntees on aatomi lõhustumise pöördreaktsioon: viimases vabaneb energia raskete tuumade lõhenemise tõttu kergemateks tuumadeks. Vaata ka TUUMALÕHUTUD; TUUMAENERGIA.
Kaasaegsete astrofüüsikaliste kontseptsioonide kohaselt on Päikese ja teiste tähtede peamine energiaallikas nende sügavustes toimuv termotuumasüntees. Maapealsetes tingimustes viiakse see läbi vesinikupommi plahvatuse ajal. Termotuumasünteesiga kaasneb kolossaalne energia vabanemine reageerivate ainete massiühiku kohta (umbes 10 miljonit korda suurem kui keemiliste reaktsioonide korral). Seetõttu pakub suurt huvi selle protsessi valdamine ja selle alusel odava ja keskkonnasõbraliku energiaallika loomine. Vaatamata asjaolule, et paljudes arenenud riikides tegelevad kontrollitud termotuumasünteesi (CTF) uurimistööga suured teadus- ja tehnikarühmad, tuleb enne termotuumaenergia tööstusliku tootmise tegelikkuseks saamist lahendada veel palju keerulisi probleeme.
Tänapäevased lõhustumisprotsessi kasutavad tuumaelektrijaamad rahuldavad maailma elektrivajaduse vaid osaliselt. Nende kütuseks on looduslikud radioaktiivsed elemendid uraan ja toorium, mille levimus ja varud looduses on väga piiratud; seetõttu on paljude riikide jaoks probleem nende impordiga. Termotuumakütuse põhikomponendiks on vesiniku isotoop deuteerium, mida leidub merevees. Selle varud on avalikult kättesaadavad ja väga suured (ookeanid katavad ~ 71% Maa pindalast ja deuteerium moodustab umbes 0,016% vee moodustavate vesinikuaatomite koguarvust). Lisaks kütuse kättesaadavusele on termotuumaenergiaallikatel tuumajaamade ees järgmised olulised eelised: 1) UTS-i reaktor sisaldab palju vähem radioaktiivseid aineid kui tuumalõhustumisreaktor ja seetõttu on radioaktiivsete saaduste juhusliku eraldumise tagajärjed väiksemad. ohtlik; 2) termotuumareaktsioonide käigus tekib vähem pikaealisi radioaktiivseid jäätmeid; 3) TCB võimaldab elektri otsetootmist.
Artsimovitš L.A. Kontrollitud termotuumareaktsioonid. M., 1963
Soojus- ja tuumaelektrijaamad(1. raamatu 6. jagu; 3. raamatu 8. jagu). M., 1989
Otsige üles "NUCLEAR FUSION".
Esmakordselt sõnastas juhitava termotuumasünteesi probleemi Nõukogude Liidus ja pakkus sellele mõne konstruktiivse lahenduse nõukogude füüsik O. A. Lavrentjev. Lisaks temale andsid probleemi lahendamisele olulise panuse sellised silmapaistvad füüsikud nagu A. D. Sahharov ja I. E. Tamm, samuti L. A. Artsimovitš, kes juhtis nõukogude juhitud termotuumasünteesi programmi alates 1951. aastast.
Ajalooliselt kerkis kontrollitud termotuumasünteesi küsimus globaalsel tasandil üles 20. sajandi keskel. Teatavasti tegi I. V. Kurchatov 1956. aastal ettepaneku erinevate riikide aatomiteadlaste koostööks selle teadusprobleemi lahendamisel. See juhtus Briti tuumakeskuse Harwelli visiidi ajal ( Inglise) .
Reaktsiooni tüübid
Fusioonireaktsioon on järgmine: kaks või enam aatomituuma lähenevad teatud jõu rakendamisel nii palju, et sellistel kaugustel mõjuvad jõud on ülekaalus võrdselt laetud tuumade vaheliste Coulombi tõukejõudude üle, mille tulemusena. moodustub uus tuum. Uue tuuma loomisel vabaneb suur tugeva interaktsiooni energia. Tuntud valemi E=mc² järgi kaotab nukleonide süsteem pärast energia vabanemist osa oma massist. Aatomituumi, millel on väike elektrilaeng, on lihtsam õigele kaugusele viia, seega on rasked vesiniku isotoobid üks parimaid kütuseid termotuumasünteesi reaktsiooniks.
On leitud, et kahe isotoobi, deuteeriumi ja triitiumi segu nõuab termotuumasünteesi reaktsiooniks kõige vähem energiat võrreldes reaktsiooni käigus vabaneva energiaga. Kuigi deuteeriumi ja triitiumi segu (D-T) on enamiku termotuumasünteesiuuringute objektiks, pole see sugugi ainus potentsiaalne kütus. Teisi segusid võib olla lihtsam valmistada; nende reaktsiooni saab paremini kontrollida või, mis veelgi olulisem, toota vähem neutroneid. Eriti huvitavad on niinimetatud "neutroniteta" reaktsioonid, kuna sellise kütuse edukas tööstuslik kasutamine tähendab materjalide ja reaktori konstruktsiooni pikaajalise radioaktiivse saastumise puudumist, mis omakorda võib positiivselt mõjutada avalikku arvamust ja üldist reaktori käitamise kulud, mis vähendavad oluliselt kulusid.dekomisjoneerimiseks ja kõrvaldamiseks. Probleemiks jääb see, et alternatiivkütuseid kasutavat termotuumasünteesi reaktsiooni on palju keerulisem hooldada, seega peetakse D-T reaktsiooni vaid vajalikuks esimeseks sammuks.
Kontrollitud termotuumasüntees võib sõltuvalt kasutatava kütuse tüübist kasutada erinevat tüüpi termotuumareaktsioone.
Deuteeriumi + triitiumi reaktsioon (D-T kütus)
Kõige hõlpsamini teostatav reaktsioon on deuteerium + triitium:
2 H + 3 H = 4 He + n energiaväljundi jaoks 17,6 MeV (MeV).
Sellist reaktsiooni on kaasaegsete tehnoloogiate seisukohast kõige lihtsam rakendada, see annab märkimisväärse energiasaagi ja kütusekomponendid on odavad. Puuduseks on soovimatu neutronkiirguse vabanemine.
Kaks tuuma: deuteerium ja triitium ühinevad heeliumi tuuma (alfaosakeste) ja suure energiaga neutroni moodustamiseks:
Tokamak (TOroidaalne kamber magnetpoolidega) on toroidaalne seade plasma magnetiliseks sulgemiseks. Plasmat hoiavad mitte kambri seinad, mis ei suuda selle temperatuuri taluda, vaid spetsiaalselt loodud magnetväli. Tokamaki eripäraks on plasmat läbiva elektrivoolu kasutamine plasma tasakaalu saavutamiseks vajaliku toroidvälja tekitamiseks.
Reaktsioon deuteerium + heelium-3
Võimaluse piiril on palju keerulisem läbi viia reaktsiooni deuteerium + heelium-3
2 H + 3 He = 4 He + väljundenergial 18,4 MeV.Selle saavutamise tingimused on palju keerulisemad. Heelium-3 on samuti haruldane ja ülikallis isotoop. Praegu seda tööstuslikus mastaabis ei toodeta. Seda saab aga triitiumist, mida saadakse omakorda tuumaelektrijaamades; või kaevandatakse Kuul.
Termotuumareaktsiooni läbiviimise keerukust saab iseloomustada kolmikproduktiga ntτ (tihedus temperatuuri kohta hoidmisaja kohta). Selle parameetri järgi on reaktsioon D-3 He umbes 100 korda raskem kui D-T.
Reaktsioon deuteeriumi tuumade vahel (D-D, monopropellent)
Lisaks peamisele reaktsioonile DD-plasmas ilmnevad ka järgmised:
Need reaktsioonid kulgevad aeglaselt paralleelselt deuteerium + heelium-3 reaktsiooniga ning nende käigus tekkinud triitium ja heelium-3 reageerivad suure tõenäosusega kohe deuteeriumiga.
Muud tüüpi reaktsioonid
Võimalikud on ka mitmed muud tüüpi reaktsioonid. Kütuse valik sõltub paljudest teguritest – selle kättesaadavusest ja madalast maksumusest, energiasaagisest, termotuumasünteesi reaktsiooniks vajalike tingimuste (eeskätt temperatuuri) saavutamise lihtsusest, reaktori vajalikest projekteerimisomadustest jne.
"neutroniteta" reaktsioonid
Kõige lootustandvamad on niinimetatud "neutroniteta" reaktsioonid, kuna termotuumasünteesi (näiteks deuteeriumi-triitiumi reaktsioonis) tekitatud neutronivoog kannab ära olulise osa võimsusest ja tekitab reaktori konstruktsioonis indutseeritud radioaktiivsust. Deuteerium + heelium-3 reaktsioon on paljutõotav, seda ka neutronite saagise puudumise tõttu.
Reaktsioonid kergel vesinikul
D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).
Kuid sel juhul langeb suurem osa (üle 80%) vabanenud kineetilisest energiast täpselt neutronile. Fragmentide kokkupõrke tagajärjel teiste aatomitega muudetakse see energia soojusenergiaks. Lisaks tekitavad kiired neutronid märkimisväärse koguse radioaktiivseid jäätmeid. Seevastu deuteeriumi ja heelium-3 liitmisel radioaktiivseid tooteid peaaegu ei teki:
D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), kus p on prooton.
See võimaldab lihtsamaid ja tõhusamaid termotuumasünteesi kineetiliste reaktsioonide muundamise süsteeme, nagu magnetohüdrodünaamiline generaator.
Reaktori konstruktsioonid
Kontrollitud termotuumasünteesi rakendamiseks on kaks peamist skeemi, mille väljatöötamine on praegu käimas (2012):
Esimest tüüpi termotuumareaktorid on palju paremini välja töötatud ja uuritud kui teist.
Kiirgusohutus
Termotuumareaktor on kiirguse poolest palju ohutum kui tuumareaktor. Esiteks on radioaktiivsete ainete hulk selles suhteliselt väike. Energia, mis võib eralduda iga õnnetuse tagajärjel, on samuti väike ega saa viia reaktori hävimiseni. Samas on reaktori konstruktsioonis mitmeid looduslikke barjääre, mis takistavad radioaktiivsete ainete levikut. Näiteks vaakumkamber ja krüostaadi kest tuleb tihendada, vastasel juhul ei saa reaktor lihtsalt tööle. Sellegipoolest pöörati ITERi projekteerimisel suurt tähelepanu kiirgusohutusele nii tavatöö kui ka võimalike õnnetuste ajal.
Võimalikul radioaktiivsel saastel on mitu allikat:
- vesiniku radioaktiivne isotoop on triitium;
- käitise materjalides neutronkiirguse tagajärjel tekkinud radioaktiivsus;
- radioaktiivne tolm, mis tekib plasmalöögi tagajärjel esimesele seinale;
- radioaktiivsed korrosiooniproduktid, mis võivad tekkida jahutussüsteemis.
Et vältida triitiumi ja tolmu levikut, kui need lähevad vaakumkambrist ja krüostaadist kaugemale, on vaja spetsiaalset ventilatsioonisüsteemi, et hoida reaktorihoones alandatud rõhku. Seetõttu ei leki hoonest õhku, välja arvatud ventilatsioonifiltrite kaudu.
Reaktori, näiteks ITERi ehitamisel kasutatakse võimalusel juba tuumaenergias katsetatud materjale. Tänu sellele on indutseeritud radioaktiivsus suhteliselt väike. Täpsemalt, isegi jahutussüsteemide rikke korral piisab loomulikust konvektsioonist vaakumkambri ja muude konstruktsioonielementide jahutamiseks.
Hinnangud näitavad, et isegi õnnetuse korral ei kujuta radioaktiivsed eraldumised avalikkust ohtu ega vaja evakueerimist.
Kütusetsükkel
Esimese põlvkonna reaktorid töötavad suure tõenäosusega deuteeriumi ja triitiumi seguga. Reaktsiooni käigus tekkivad neutronid neelavad reaktori varjestust ning eralduv soojus läheb soojusvaheti jahutusvedeliku soojendamiseks ning see energia omakorda generaatori pöörlemiseks.
. .Termotuumareaktsioon tööstusliku jõuallikana
Paljud teadlased (eriti Christopher Llewellyn-Smith) peavad tuumasünteesienergiat pikas perspektiivis "looduslikuks" energiaallikaks. Tuumasünteesireaktorite kaubandusliku kasutamise pooldajad energiatootmiseks esitavad enda kasuks järgmised argumendid:
Elektrienergia maksumus võrreldes traditsiooniliste allikatega
Kriitikud juhivad tähelepanu, et küsimus tuumasünteesi tasuvuse kohta üldkasutatava elektri tootmisel jääb lahtiseks. Sama Briti parlamendi teaduse ja tehnoloogia büroo tellitud uuring näitab, et termotuumasünteesireaktori abil elektri tootmise kulud on tõenäoliselt traditsiooniliste energiaallikate kuluspektri tipus. Palju sõltub tulevikus saadaolevast tehnoloogiast, turu struktuurist ja regulatsioonist. Elektrienergia maksumus sõltub otseselt kasutamise efektiivsusest, töö kestusest ja reaktori utiliseerimise maksumusest.
Küsimus on ka uuringute maksumuses. EL-i riigid kulutavad aastas teadusuuringutele umbes 200 miljonit eurot ning prognooside kohaselt kulub veel mitu aastakümmet, enne kui tuumasünteesi tööstuslik kasutamine võimalikuks saab. Alternatiivsete mittetuumaenergiaallikate pooldajad leiavad, et õigem oleks need vahendid suunata taastuvate elektrienergiaallikate kasutuselevõtuks.
Kaubandusliku termotuumasünteesienergia kättesaadavus
Vaatamata laialdasele optimismile (alates 1950. aastate varajastest uuringutest), ei ole veel ületatud olulisi takistusi tuumasünteesiprotsesside tänapäeva mõistmise, tehnoloogiliste võimaluste ja tuumasünteesi praktilise kasutamise vahel. Pole isegi selge, kui kulutõhus võib olla termotuumasünteesi abil elektri tootmine. Kuigi teadusuuringutes on tehtud pidevaid edusamme, seisavad teadlased pidevalt silmitsi uute väljakutsetega. Näiteks on väljakutseks välja töötada materjal, mis taluks neutronpommitamist, mis on hinnanguliselt 100 korda intensiivsem kui tavalised tuumareaktorid. Probleemi tõsidust süvendab asjaolu, et neutronite ja tuumade vastastikmõju ristlõige lakkab sõltumast kasvava energiaga prootonite ja neutronite arvust ning kaldub aatomituuma ristlõikele – ja 14 MeV neutronite jaoks on olemas lihtsalt puudub piisavalt väikese interaktsiooni ristlõikega isotoop. See tingib D-T ja D-D reaktorikonstruktsioonide väga sagedase väljavahetamise ning vähendab selle kasumlikkust sedavõrd, et nende kahe tüübi jaoks moodsatest materjalidest valmistatud reaktoriprojektide maksumus osutub suuremaks kui neil toodetud energia maksumus. Võimalikud on kolme tüüpi lahendused:
- Puhta tuumasünteesi tagasilükkamine ja selle kasutamine neutronite allikana uraani või tooriumi lõhustamiseks.
- D-T ja D-D sünteesi tagasilükkamine teiste sünteesireaktsioonide kasuks (näiteks D-He).
- Konstruktsioonimaterjalide maksumuse järsk langus või nende taastamise protsesside väljatöötamine pärast kiiritamist. Samuti on vaja suuri investeeringuid materjaliteadusesse, kuid väljavaated on ebakindlad.
Kõrvalreaktsioonid D-D (3%) D-He sünteesi ajal raskendavad reaktori kuluefektiivsete konstruktsioonide tootmist, kuid ei ole praegusel tehnoloogilisel tasemel võimatud.
Seal on järgmised uurimisfaasid:
1. Tasakaalurežiim või "läbilaskmine".(tasuvus): kui termotuumasünteesi käigus vabanev koguenergia on võrdne reaktsiooni käivitamiseks ja säilitamiseks kulutatud koguenergiaga. See suhe on tähistatud sümboliga K.
2. Lõõgastav plasma(Põletav plasma): vaheetapp, milles reaktsiooni toetavad peamiselt reaktsiooni käigus tekkivad alfaosakesed, mitte välise kuumutamise teel. Q ≈ 5. Seni (2012) pole jõutud.
3. Süütamine(Süütamine): stabiilne isemajandav reaktsioon. Tuleb saavutada kõrgetel väärtustel K. Seni pole saavutatud.
Järgmine samm teadusuuringutes peaks olema rahvusvaheline termotuumakatsereaktor (ITER). Selles reaktoris on kavas uurida kõrgtemperatuurse plasma (leegiv plasma koos K~ 30) ja tööstusliku reaktori konstruktsioonimaterjalid.
Uuringu viimane etapp on DEMO: tööstusliku reaktori prototüüp, mis saavutab süttimise ja demonstreerib uute materjalide praktilist sobivust. Kõige optimistlikumad prognoosid DEMO etapi lõppemiseks: 30 aastat. Tööstusreaktori ehitamise ja kasutuselevõtu orienteeruvat aega arvestades lahutab meid termotuumaenergia tööstuslikust kasutusest ~40 aastat.
Olemasolevad tokamakid
Kokku ehitati maailmas umbes 300 tokamaki. Suurimad neist on loetletud allpool.
- NSVL ja Venemaa
- T-3 on esimene funktsionaalne seade.
- T-4 - T-3 suurendatud versioon
- T-7 on ainulaadne installatsioon, milles esmakordselt maailmas rakendati tinaniobaadil põhineva ülijuhtiva solenoidiga suhteliselt suurt magnetsüsteemi, mida jahutatakse vedela heeliumiga. T-7 põhiülesanne sai täidetud: valmistati ette termotuumaenergeetika järgmise põlvkonna ülijuhtivate solenoidide väljavaade.
- T-10 ja PLT on termotuumasünteesiuuringute maailmas järgmine samm, need on peaaegu ühesuurused, võrdse võimsusega ja sama suletusteguriga. Ja saadud tulemused on identsed: termotuumasünteesi ihaldatud temperatuur on saavutatud mõlemas reaktoris ning mahajäämus Lawsoni kriteeriumi järgi on vaid kahesajakordne.
- T-15 on tänapäeva reaktor ülijuhtiva solenoidiga, mis annab välja 3,6 T.
- Liibüa
- TM-4A
Lingid
- E.P. Velikhov; S.V. Mirnov Kontrollitud termotuumasünteesi jõuab finišisse (PDF). Troitski innovatsiooni ja termotuumauuringute instituut. Venemaa uurimiskeskus "Kurtšatovi Instituut".. ac.ru. - Populaarne probleemiavaldus. Arhiveeritud originaalist 5. veebruaril 2012. Laaditud 8. augustil 2007.
- C. Llewellyn-Smith. Teel termotuumaenergia poole. 17. mail 2009 FIANis peetud loengu materjalid.
- USA-s viiakse läbi suurejooneline termotuumasünteesi eksperiment.
Vaata ka
Märkmed
- Bondarenko B. D. "O. A. Lavrentjevi roll kontrollitava termotuumasünteesi küsimuse püstitamisel ja uuringute algatamisel NSV Liidus" // UFN 171 , 886 (2001).
- A. D. Sahharovi ülevaade, avaldatud rubriigis "Vene Föderatsiooni presidendi arhiivist". UFN 171 , 902 (2001), lk 908.
- NSV Liidu füüsikute teadusringkond. 1950.-1960. aastad. Dokumendid, mälestused, uurimused/ Koostanud ja toimetanud P. V. Vizgin ja A. V. Kessenikh. - Peterburi. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 lk. - 1000 eksemplari.
- USA varases termotuumamoonas kasutati ka looduslikku liitiumdeuteriidi, mis sisaldab peamiselt liitiumi isotoopi massinumbriga 7. See toimib ka triitiumi allikana, kuid selleks peab reaktsioonis osalevate neutronite energia olema 10 MeV ja kõrgem. .
- Neutroniteta tsükliga (näiteks D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) termotuumaelektrijaamad MHD generaatoriga kõrgtemperatuursel plasmal;
- E. P. Velikhov, S. V. Putvinski Termotuumareaktor. Fornit (22. oktoober 1999). - Aruanne 22.10.1999, tehtud Maailma Teadlaste Föderatsiooni Energiakeskuse raames. Arhiveeritud originaalist 5. veebruaril 2012. Laaditud 16. jaanuaril 2011.
- (inglise) Järelmärkus: Nuclear Fusion, 2003
- EFDA | Euroopa termotuumasünteesi arendamise leping
- Tore Supra
- Tokamaki termotuumasünteesi katsereaktor
- Princetoni plasmafüüsika labori ülevaade
- MIT Plasma Science & Fusion Center: uuringud>alcator>
- Avaleht – Fusioni veebisait
- Fusioonplasma uurimine
- Kunstlik päike
- Thermonuclear tuli nullist välja – Ajaleht. Ru
- Teave filmi "Ämblikmees 2" ("Ämblikmees 2") kohta - kino "Kosmos"
| Tuumatehnoloogiad | |
|---|---|
| Tehnika | |
| materjalid | |
| Tuumaenergia | |
| tuumameditsiin | |
| Tuumarelv | |
| Energia struktuur toodete ja tööstusharude kaupa |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Energeetikatööstus: elektrit |
| |||||||||||||||||||||||||
Kõik tähed, sealhulgas meie Päike, toodavad energiat termotuumasünteesi abil. Teadusmaailm on hädas. Teadlased ei tea kõiki viise, kuidas sellist (termotuuma) sulamist on võimalik saavutada. Kergete aatomituumade ühinemine ja muundumine raskemateks viitab sellele, et on saadud energiat, mis võib olla kas juhitav või plahvatusohtlik. Viimast kasutatakse termotuuma plahvatusohtlikes struktuurides. Kontrollitud termotuumaprotsess erineb ülejäänud tuumaenergiast selle poolest, et see kasutab lagunemisreaktsiooni, kui rasked tuumad jagunevad kergemateks tuumadeks, kuid tuumareaktsioonid, mis kasutavad deuteeriumi (2 N) ja triitiumi (3 N) - termotuumasünteesi, st kontrollitud termotuuma. sulandumine. Edaspidi on plaanis kasutada heelium-3 (3 He) ja boor-11 (11 V).
Unistus
Ei tohiks segi ajada traditsioonilist ja tuntud termotuumasünteesi tänapäeva füüsikute unistusega, mille kehastusse veel keegi ei usu. See viitab tuumareaktsioonile mis tahes, isegi toatemperatuuril. Samuti on see kiirguse ja külma termotuumasünteesi puudumine. Entsüklopeediad räägivad, et tuumasünteesi reaktsioon aatom-molekulaarsetes (keemilistes) süsteemides on protsess, mis ei nõua aine märkimisväärset kuumutamist, kuid inimkond pole veel sellist energiat tootnud. Seda hoolimata asjaolust, et absoluutselt kõik tuumareaktsioonid, milles termotuumasünteesi toimub, on plasma olekus ja selle temperatuur on miljoneid kraadi.
Praegu pole see isegi mitte füüsikute, vaid ulmekirjanike unistus, kuid sellegipoolest on arendused kestnud juba pikka aega ja visalt. Termotuumasüntees ilma pidevalt kaasneva Tšernobõli ja Fukushima taseme ohuta – kas see pole mitte suur eesmärk inimkonna hüvanguks? Välismaa teaduskirjandus on andnud sellele nähtusele erinevaid nimetusi. Näiteks LENR tähistab madala energiaga tuumareaktsioone ja CANR keemiliselt indutseeritud (abistatud) tuumareaktsioone. Selliste katsete edukat rakendamist kuulutati üsna sageli, esindades kõige ulatuslikumaid andmebaase. Kuid kas meedia andis välja järjekordse "pardi" või rääkisid tulemused valesti lavastatud katsetest. Külm termotuumasünteesi olemasolu pole veel tõeliselt veenvaid tõendeid saanud.
tähe element
Vesinik on kosmose kõige levinum element. Sellele langeb ligikaudu pool Päikese massist ja enamik teisi tähti. Vesinik ei ole ainult nende koostises – seda on palju tähtedevahelises gaasis ja gaasiudukogudes. Ja tähtede, sealhulgas Päikese sügavustes luuakse tingimused termotuumasünteesiks: seal muudetakse vesinikuaatomite tuumad heeliumi aatomiteks, mille kaudu tekib tohutu energia. Vesinik on selle peamine allikas. Iga sekund kiirgab meie Päike kosmosesse energiat, mis võrdub nelja miljoni tonni ainega.
Seda annab nelja vesiniku tuuma ühinemine üheks heeliumi tuumaks. Ühe grammi prootonite põlemisel vabaneb termotuumasünteesi energia kakskümmend miljonit korda rohkem kui sama koguse kivisöe põletamisel. Maapealsetes tingimustes on termotuumasünteesi võimsus võimatu, kuna tähtede sügavuses eksisteerivaid temperatuure ja rõhku pole inimene veel saavutanud. Arvutused näitavad, et veel vähemalt kolmkümmend miljardit aastat ei sure ega nõrgene meie Päike vesiniku olemasolu tõttu. Ja Maal hakkavad inimesed alles mõistma, mis on vesinikuenergia ja mis on termotuumasünteesi reaktsioon, kuna selle gaasiga töötamine on väga riskantne ja seda on äärmiselt raske säilitada. Siiani suudab inimkond ainult aatomit poolitada. Ja iga reaktor (tuuma) on ehitatud sellel põhimõttel.
Termotuumasünteesi
Tuumaenergia on aatomite lõhenemise saadus. Süntees aga saab energiat teistmoodi - neid omavahel kombineerides, kui surmavaid radioaktiivseid jäätmeid ei teki ning piisaks väikesest kogusest mereveest, et toota sama palju energiat, kui saadakse kahe tonni kivisöe põletamine. Maailma laborites on juba tõestatud, et juhitav termotuumasünteesi on täiesti võimalik. Seda energiat kasutavaid elektrijaamu pole aga veel ehitatud, isegi nende ehitamist pole ette näha. Kuid ainuüksi USA kulutas kakssada viiskümmend miljonit dollarit juhitava termotuumasünteesi nähtuse uurimiseks.
Siis need uuringud sõna otseses mõttes diskrediteeriti. 1989. aastal teatasid keemikud S. Pons (USA) ja M. Fleshman (Suurbritannia) kogu maailmale, et on saavutanud positiivse tulemuse ja käivitanud termotuumasünteesi. Probleemiks oli see, et teadlased kiirustasid liiga palju ega allutanud oma avastust teadusmaailmale. Meedia haaras selle sensatsiooni kohe kinni ja esitas selle väite kui sajandi avastust. Kontrollimine viidi läbi hiljem ja katses ei avastatud mitte ainult vigu - see oli ebaõnnestumine. Ja siis ei allunud pettumusele mitte ainult ajakirjanikud, vaid ka paljud kõrgelt austatud maailmatasemel füüsikud. Princetoni ülikooli mainekad laborid kulutasid katse testimiseks üle viiekümne miljoni dollari. Seega kuulutati külm termotuumasünteesi, selle tootmise põhimõte, pseudoteaduseks. Neid õpinguid jätkasid vaid väikesed ja hajutatud entusiastide rühmad.
olemus
Nüüd tehakse ettepanek see termin asendada ja külma tuumasünteesi asemel kõlab järgmine määratlus: kristallvõre poolt indutseeritud tuumaprotsess. Selle nähtuse all mõistetakse anomaalseid madalatemperatuurilisi protsesse, mis vaakumis toimuvate tuumakokkupõrgete seisukohalt on lihtsalt võimatud – neutronite vabanemine tuumade sulandumise kaudu. Need protsessid võivad esineda mittetasakaalustes tahketes ainetes, mida stimuleerivad elastse energia muundumised kristallvõres mehaaniliste mõjude, faasisiirde, deuteeriumi (vesiniku) sorptsiooni või desorptsiooni tõttu. See on juba tuntud kuuma termotuumareaktsiooni analoog, kui vesiniku tuumad ühinevad ja muutuvad heeliumi tuumadeks, vabastades kolossaalset energiat, kuid see toimub toatemperatuuril.
Külmtuumasünteesi all mõistetakse täpsemalt keemiliselt indutseeritud fototuumareaktsioone. Otsest külma termotuumasünteesi ei saavutatud kunagi, kuid otsingud pakkusid välja täiesti teistsuguseid strateegiaid. Termotuumareaktsiooni käivitab neutronite teke. Mehaaniline stimulatsioon keemiliste reaktsioonidega viib sügavate elektronkihtide ergastamiseni, tekitades gamma- või röntgenikiirgust, mille tuumad kinni püüavad. See tähendab, et toimub fototuumareaktsioon. Tuumad lagunevad ja tekitavad seega neutroneid ja üsna tõenäoliselt gammakiirgust. Mis võib sisemisi elektrone ergutada? Tõenäoliselt lööklaine. Tavaliste lõhkeainete plahvatusest.
Reaktor
Üle neljakümne aasta on maailma termotuumafoorum kulutanud umbes miljon dollarit aastas termotuumasünteesi uurimisele, mis peaks saama TOKAMAKi abiga. Kuid peaaegu kõik edumeelsed teadlased on sellistele uuringutele vastu, kuna positiivne tulemus on tõenäoliselt võimatu. Lääne-Euroopa ja USA hakkasid pettunult kõiki oma TOKAMAKSe lammutama. Ja ainult Venemaal usutakse ikka veel imedesse. Kuigi paljud teadlased peavad seda ideed ideaalseks pidurdusalternatiiviks tuumasünteesile. Mis on TOKAMAK? See on üks kahest termotuumasünteesi reaktori projektist, mis on magnetpoolidega toroidkamber. Ja on ka stellaraator, milles plasmat hoitakse magnetväljas, kuid magnetvälja indutseerivad poolid on erinevalt TOKAMAKist välised.
See on väga keeruline disain. TOKAMAK on keerukuse poolest igati Suure Hadronipõrgeti vääriline: üle kümne miljoni elemendi ning kogumaksumused koos ehitus- ja projektikuludega ületavad oluliselt paarkümmend miljardit eurot. Põrkur oli palju odavam ja ka ISS-i ülalpidamine ei maksa rohkem. Toroidmagnetid vajavad kaheksakümmend tuhat kilomeetrit ülijuhtivat hõõgniiti, nende kogukaal ületab neljasaja tonni ja kogu reaktor kaalub umbes kakskümmend kolm tuhat tonni. Näiteks Eiffeli torn kaalub veidi üle seitsme tuhande. TOKAMAKi plasma on kaheksasada nelikümmend kuupmeetrit. Kõrgus - seitsekümmend kolm meetrit, neist kuuskümmend - maa all. Võrdluseks: Spasskaja torn on vaid seitsekümmend üks meetrit kõrge. Reaktori platvormi pindala on nelikümmend kaks hektarit, nagu kuuskümmend jalgpalliväljakut. Plasma temperatuur on sada viiskümmend miljonit kraadi Celsiuse järgi. Päikese keskpunktis on see kümme korda madalam. Ja seda kõike kontrollitud termotuumasünteesi (kuuma) nimel.
Füüsikud ja keemikud
Kuid tuleme tagasi Fleshmani ja Ponsi "tõrjutud" avastuse juurde. Kõik nende kolleegid väidavad, et siiski õnnestus luua tingimused, kus deuteeriumiaatomid alluvad laineefektidele, tuumaenergia vabaneb soojuse kujul vastavalt kvantväljade teooriale. Viimane, muide, on suurepäraselt arenenud, kuid põrgulikult keeruline ja mõne konkreetse füüsikanähtuse kirjeldamisel vaevalt kasutatav. Ilmselt sellepärast ei taha inimesed seda tõestada. Flashman demonstreerib sisselõiget labori betoonpõrandas, mille põhjustas tema sõnul külmsünteesi plahvatus. Füüsikud aga keemikuid ei usu. Huvitav miks?
Lõppude lõpuks, kui palju võimalusi inimkonna jaoks sulgub sellesuunaliste uuringute lõpetamine! Probleemid on lihtsalt globaalsed ja neid on palju. Ja nad kõik nõuavad lahendust. Tegemist on keskkonnasõbraliku energiaallikaga, mille kaudu oleks võimalik pärast tuumajaamade tööle hakkamist desinfitseerida tohutul hulgal radioaktiivseid jäätmeid, magestada merevett ja palju muud. Kui suudaksime juhtida energia tootmist, muutes mõned perioodilisuse tabeli elemendid täiesti erinevateks, kasutamata selleks neutronvooge, mis tekitavad indutseeritud radioaktiivsust. Kuid teadus peab ametlikult ja praegugi võimatuks keemiliste elementide muutmist täiesti erinevateks.
Rossi-Parkhomov
2009. aastal patenteeris leiutaja A. Rossi aparaadi nimega Rossi Energy Catalyst, mis rakendab külma termotuumasünteesi. Seda seadet on korduvalt avalikkusele demonstreeritud, kuid seda pole sõltumatult kinnitatud. Füüsik Mark Gibbs hävitas ajakirja lehtedel moraalselt nii autori kui ka tema avastuse: ilma objektiivse analüüsita, kinnitades saadud tulemuste kokkulangevust deklareeritud tulemustega, ei saa see olla teadusuudis.
Kuid 2015. aastal kordas Aleksander Parkhomov edukalt Rossi katset oma madala energiatarbega (külma) tuumareaktoriga (LENR) ja tõestas, et viimasel on suured väljavaated, kuigi selle äriline tähtsus on küsitav. Katsed, mille tulemusi esitleti ülevenemaalise tuumaelektrijaamade töö uurimisinstituudi seminaril, näitavad, et Rossi vaimusünnituse kõige primitiivsem koopia, tema tuumareaktor, suudab toota kaks ja pool korda rohkem energiat. kui see tarbib.
Energoniva
Magnitogorskist pärit legendaarne teadlane A. V. Vachaev lõi Energoniva installatsiooni, mille abil avastas selles protsessis teatud elementide transmutatsiooni ja elektri tekke efekti. Seda oli raske uskuda. Katsed juhtida fundamentaalteaduse tähelepanu sellele avastusele olid asjatud. Kriitikat tuli igalt poolt. Tõenäoliselt ei olnud autoritel vaja vaadeldavate nähtuste kohta iseseisvalt teoreetilisi arvutusi koostada või oleksid kõrgema klassikalise koolkonna füüsikud pidanud olema tähelepanelikumad kõrgepinge elektrolüüsi katsete suhtes.
Kuid teisest küljest täheldati sellist seost: ükski detektor ei registreerinud ainsatki kiirgust, kuid töötava paigaldise läheduses oli võimatu viibida. Uurimisrühm koosnes kuuest inimesest. Neist viis suri peagi neljakümne viie kuni viiekümne viie aasta vanuselt ja kuues sai invaliidi. Surm saabus mõne aja pärast (umbes seitse kuni kaheksa aastat) täiesti erinevatel põhjustel. Sellegipoolest tegid Energoniva installatsioonis kolmanda põlvkonna järgijad ja Vachaevi õpilane katseid ja eeldasid, et surnud teadlase katsetes toimus madala energiaga tuumareaktsioon.
I. S. Filimonenko
Külma termotuumasünteesi uuriti NSV Liidus juba eelmise sajandi viiekümnendate lõpus. Reaktori projekteeris Ivan Stepanovitš Filimonenko. Selle üksuse tööpõhimõtetest ei õnnestunud aga kellelgi aru saada. Seetõttu on meie riik tuumaenergiatehnoloogiate valdkonna vaieldamatu liidri asemel astunud omaenda loodusvarasid müüva toorainelisandi asemele, jättes ilma terveid põlvkondi tulevikust. Kuid piloottehas oli juba loodud ja see tekitas sooja termotuumasünteesi reaktsiooni. Kõige läbimurdelisemate kiirgust pärssivate energiastruktuuride autor oli Irkutski oblastist pärit põliselanik, kes läbis kogu sõja kuueteistkümnest kuni kahekümne aastani skaudina, käsukandjana, energilise ja andeka füüsiku I. S. Filimonenkona.
Külma tüüpi termotuumasüntees oli lähemal kui kunagi varem. Soe sulandumine toimus vaid 1150 kraadi Celsiuse juures ja selle aluseks oli raske vesi. Filimonenkole keelduti patenti andmast: väidetavalt on tuumareaktsioon nii madalal temperatuuril võimatu. Aga süntees oli käimas! Raske vesi lagundati elektrolüüsil deuteeriumiks ja hapnikuks, deuteerium lahustati katoodi pallaadiumis, kus toimus tuumasünteesi reaktsioon. Tootmine on jäätmevaba ehk kiirguseta, samuti puudus neutronkiirgus. Alles 1957. aastal õnnestus Filimonenkol asjad käima lükata, saades akadeemikute Keldõši, Kurtšatovi ja Koroljovi toetuse, kelle autoriteet oli vaieldamatu.
Lagunemine
1960. aastal alustati seoses NSV Liidu Ministrite Nõukogu ja NLKP Keskkomitee salajase määrusega kaitseministeeriumi kontrolli all tööd Filimonenko leiutamisega. Teadlane leidis katsete käigus, et reaktori töötamise ajal tekib mingisugune kiirgus, mis vähendab isotoopide poolestusaega väga kiiresti. Selle kiirguse olemuse mõistmiseks kulus pool sajandit. Nüüd teame, mis see on – neutroonium dineutrooniumiga. Ja siis 1968. aastal töö praktiliselt seiskus. Filimonenkot süüdistati poliitilises ebalojaalsuses.
1989. aastal teadlane rehabiliteeriti. Tema installatsioone hakati uuesti looma MTÜs Luch. Kuid asi ei ulatunud katsetest kaugemale – neil polnud aega. Riik hukkus ja uuel venelasel polnud aega fundamentaalteaduseks. Kahekümnenda sajandi üks parimaid insenere suri 2013. aastal, nägemata inimkonna õnne. Maailm mäletab Ivan Stepanovitš Filimonenkot. Külma termotuumasünteesi rajavad kunagi tema järgijad.
Princetoni plasmafüüsika laboratooriumi teadlased on välja pakkunud idee kõige vastupidavamast tuumasünteesiseadmest, mis võib töötada rohkem kui 60 aastat. Praegu on see hirmutav ülesanne: teadlased näevad vaeva, et saada termotuumasünteesi reaktor mõneks minutiks – ja siis aastateks – tööle. Hoolimata keerukusest on termotuumasünteesi reaktori ehitamine üks teaduse lootustandvamaid ülesandeid, millest võib palju kasu tuua. Me räägime teile, mida peate termotuumasünteesi kohta teadma.
1. Mis on termotuumasüntees?
Ärge kartke seda tülikat fraasi, tegelikult on kõik üsna lihtne. Termotuumasüntees on teatud tüüpi tuumareaktsioon.
Tuumareaktsiooni käigus interakteerub aatomi tuum kas elementaarosakesega või mõne teise aatomi tuumaga, mille tõttu muutub tuuma koostis ja struktuur. Raske aatomituum võib laguneda kaheks või kolmeks kergemaks – see on lõhustumisreaktsioon. Samuti toimub termotuumasünteesi reaktsioon: see on siis, kui kaks kerget aatomituuma ühinevad üheks raskeks tuumaks.
Erinevalt tuumalõhustumisest, mis võib toimuda nii spontaanselt kui ka sunniviisiliselt, on tuumasüntees võimatu ilma välise energiata. Teatavasti tõmbuvad vastandid, kuid aatomituumad on positiivselt laetud – seepärast tõrjuvad nad üksteist. Seda olukorda nimetatakse Coulombi barjääriks. Tõrjumisest ülesaamiseks on vaja need osakesed meeletu kiirusega hajutada. Seda saab teha väga kõrgetel temperatuuridel, suurusjärgus mitu miljonit kelvinit. Neid reaktsioone nimetatakse termotuumadeks.
2. Miks me vajame termotuumasünteesi?
Tuuma- ja termotuumareaktsioonide käigus eraldub tohutul hulgal energiat, mida saab kasutada erinevatel eesmärkidel – saab luua võimsaima relva või muuta tuumaenergia elektriks ja varustada sellega kogu maailma. Tuumalagunemisenergiat on tuumaelektrijaamades kasutatud pikka aega. Kuid termotuumaenergia tundub paljulubavam. Termotuumareaktsioonis vabaneb iga nukleoni (nn koostistuumade, prootonite ja neutronite) kohta palju rohkem energiat kui tuumareaktsioonis. Näiteks millal uraani tuuma lõhustumine nukleoni kohta moodustab 0,9 MeV (megaelektronvolti) ja kuiHeeliumi tuuma sünteesil eraldub vesiniku tuumadest energia, mis võrdub 6 MeV-ga. Seetõttu õpivad teadlased termotuumareaktsioone läbi viima.
Termotuumauuringud ja reaktorite ehitamine võimaldavad laiendada kõrgtehnoloogilist tootmist, mis on kasulik ka muudes teaduse ja kõrgtehnoloogia valdkondades.
3. Mis on termotuumareaktsioonid?
Termotuumareaktsioonid jagunevad iseseisvateks, kontrollimatuteks (kasutatakse vesinikupommides) ja juhitavateks (sobivad rahumeelseks otstarbeks).
Tähtede sisemuses toimuvad isemajandavad reaktsioonid. Maal pole aga tingimusi selliste reaktsioonide toimumiseks.
Inimesed on pikka aega korraldanud kontrollimatut või plahvatusohtlikku termotuumasünteesi. 1952. aastal lõhkasid ameeriklased operatsiooni Evie Mike käigus maailma esimese termotuumalõhkekeha, millel relvana praktilist väärtust polnud. Ja 1961. aasta oktoobris katsetati maailma esimest termotuuma- (vesinik)pommi (tsaar Bomba, Kuzkini ema), mille töötasid välja Nõukogude teadlased Igor Kurtšatovi juhtimisel. Tegemist oli inimkonna ajaloo võimsaima lõhkekehaga: plahvatuse koguenergia jäi erinevate allikate andmetel vahemikku 57–58,6 megatonni trotüüli. Vesinikupommi plahvatamiseks on kõigepealt vaja tavapärase tuumaplahvatuse käigus saada kõrge temperatuur – alles siis hakkavad aatomituumad reageerima.
Plahvatuse võimsus kontrollimatu tuumareaktsiooni korral on väga suur, lisaks on suur radioaktiivse saaste osakaal. Seetõttu on termotuumaenergia kasutamiseks rahumeelsetel eesmärkidel vaja õppida seda juhtima.
4. Mida on vaja kontrollitud termotuumareaktsiooni jaoks?
Hoidke plasmat!
Ebaselge? Nüüd selgitame.
Esiteks aatomituumad. Tuumaenergia kasutab isotoope - aatomeid, mis erinevad üksteisest neutronite arvu ja vastavalt ka aatommassi poolest. Vesiniku isotoop deuteerium (D) ekstraheeritakse veest. Üliraske vesinik ehk triitium (T) on vesiniku radioaktiivne isotoop, mis on tavalistes tuumareaktorites toimuvate lagunemisreaktsioonide kõrvalsaadus. Ka termotuumareaktsioonides kasutatakse vesiniku kerget isotoopi protiumi: see on ainus stabiilne element, mille tuumas ei ole neutroneid. Heelium-3 sisaldub Maal tühistes kogustes, kuid seda on väga palju Kuu pinnases (regoliit): 80ndatel töötas NASA välja plaani hüpoteetiliste seadmete jaoks regoliidi ja isotoopide ekstraheerimiseks. Teisest küljest on meie planeedil laialt levinud teine isotoop, boor-11. 80% Maal leiduvast boorist on tuumateadlastele vajalik isotoop.
Teiseks on temperatuur väga kõrge. Termotuumareaktsioonis osalev aine peab olema peaaegu täielikult ioniseeritud plasma - see on gaas, milles ujuvad eraldi vabad elektronid ja erineva laenguga ioonid. Aine plasmaks muutmiseks on vaja temperatuuri 10 7–10 8 K - need on sadu miljoneid Celsiuse kraadi! Selliseid ülikõrgeid temperatuure saab saavutada plasmas suure võimsusega elektrilahenduste tekitamisega.
Vajalikke keemilisi elemente on aga võimatu lihtsalt soojendada. Iga reaktor aurustub nendel temperatuuridel koheselt. Siin on vaja täiesti teistsugust lähenemist. Tänaseks on plasmat võimalik hoida piiratud alal tugevate elektrimagnetite abil. Kuid termotuumareaktsiooni tulemusena saadud energiat pole veel suudetud täielikult ära kasutada: isegi magnetvälja mõjul levib plasma kosmoses.
5. Millised reaktsioonid on kõige lootustandvamad?
Peamistes tuumareaktsioonides, mida kavatsetakse kasutada kontrollitud termotuumasünteesiks, kasutatakse deuteeriumi (2H) ja triitiumi (3H) ning pikemas perspektiivis heelium-3 (3He) ja boor-11 (11B).
Siin on kõige huvitavamad reaktsioonid.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - deuteeriumi-triitiumi reaktsioon.
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50% on nn deuteeriumi monopropellent.
Reaktsioonid 1 ja 2 on täis neutronite radioaktiivset saastumist. Seetõttu on "neutroniteta" reaktsioonid kõige paljutõotavamad.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuteerium reageerib heelium-3-ga. Probleem on selles, et heelium-3 on äärmiselt haruldane. Kuid neutronivaba saagis muudab selle reaktsiooni paljulubavaks.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - boor-11 reageerib protiumiga, mille tulemusena tekivad alfaosakesed, mida alumiiniumfoolium suudab absorbeerida.
6. Kus sellist reaktsiooni läbi viia?
Looduslik termotuumasünteesi reaktor on täht. Selles hoitakse plasmat gravitatsiooni mõjul ja kiirgus neeldub - seega tuum ei jahtu.
Maal saab termotuumareaktsioone läbi viia ainult spetsiaalsetes rajatistes.
impulsssüsteemid. Sellistes süsteemides kiiritatakse deuteeriumi ja triitiumi ülisuure võimsusega laser- või elektron-/ioonkiirtega. Selline kiiritamine põhjustab termotuuma mikroplahvatuste jada. Kuid selliste süsteemide kasutamine tööstuslikus mastaabis on kahjumlik: aatomite kiirendamiseks kulutatakse palju rohkem energiat, kui saadakse termotuumasünteesi tulemusena, kuna kõik kiirendatud aatomid ei astu reaktsiooni. Seetõttu ehitavad paljud riigid kvaasistatsionaarseid süsteeme.
Kvaasistatsionaarsed süsteemid. Sellistes reaktorites hoiab plasmat madalal rõhul ja kõrgel temperatuuril magnetväli. Erinevatel magnetvälja konfiguratsioonidel põhinevaid reaktoreid on kolme tüüpi. Need on tokamakid, stellaraatorid (torsatronid) ja peegellõksud.
tokamak tähistab "toroidaalset kambrit magnetpoolidega". See on "sõõriku" (torus) kujul olev kaamera, millele on keritud mähised. Tokamaki põhiomaduseks on vahelduva elektrivoolu kasutamine, mis voolab läbi plasma, soojendab seda ja, tekitades enda ümber magnetvälja, hoiab seda kinni.
AT stellaraator (torsatron) magnetväli on täielikult kaetud magnetpoolidega ja erinevalt tokamakist saab seda pidevalt kasutada.
W peegel (avatud) püünised kasutatakse peegelduse põhimõtet. Kamber on mõlemalt poolt suletud magnetiliste "pistikutega", mis peegeldavad plasmat, hoides seda reaktoris.
Pikka aega võitlesid peegellõksud ja tokamakid ülemvõimu eest. Algselt tundus lõksu kontseptsioon lihtsam ja seetõttu odavam. 60ndate alguses rahastati palju avatud püüniseid, kuid plasma ebastabiilsus ja ebaõnnestunud katsed seda magnetväljaga piirata sundisid neid installatsioone keerulisemaks muutma – lihtsa välimusega konstruktsioonid muutusid põrgulikeks masinateks ja seda ei õnnestunud saavutada. stabiilne tulemus. Seetõttu tõusid tokamakid 1980. aastatel esiplaanile. 1984. aastal lasti käiku Euroopa JET tokamak, mille maksumus oli vaid 180 miljonit dollarit ja mille parameetrid võimaldasid läbi viia termotuumareaktsiooni. NSV Liidus ja Prantsusmaal konstrueeriti ülijuhtivad tokamakid, mis ei kulutanud peaaegu üldse energiat magnetsüsteemi tööks.
7. Kes nüüd õpib termotuumareaktsioone läbi viima?
Paljud riigid ehitavad oma termotuumasünteesi reaktoreid. Eksperimentaalreaktoreid on Kasahstanis, Hiinas, USA-s ja Jaapanis. Kurtšatovi instituut töötab IGNITORi reaktori kallal. Saksamaa käivitas Wendelsteini 7-X stellaraatori termotuumasünteesireaktori.
Tuntuim rahvusvaheline projekt on Cadarache'i uurimiskeskuses (Prantsusmaa) asuv ITER tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Selle ehitus pidi lõppema 2016. aastal, kuid vajaliku rahalise toetuse maht on kasvanud ning katsete ajastus on nihkunud 2025. aastasse. ITERi tegevuses osalevad Euroopa Liit, USA, Hiina, India, Jaapan, Lõuna-Korea ja Venemaa. Põhiosa rahastamises on EL-l (45%), ülejäänud osalejad tarnivad kõrgtehnoloogilisi seadmeid. Eelkõige toodab Venemaal ülijuhtivaid materjale ja kaableid, plasmakütteks mõeldud raadiotorusid (gürotronid) ja ülijuhtivate mähiste kaitsmeid, aga ka reaktori kõige keerulisema osa – esimese seina – komponente, mis peavad vastu pidama elektromagnetilistele jõududele, neutronkiirgusele ja plasma kiirgus.
8. Miks me ikka veel termotuumareaktoreid ei kasuta?
Kaasaegsed tokamakipaigaldised ei ole termotuumareaktorid, vaid uurimispaigaldised, milles plasma olemasolu ja säilimine on võimalik vaid mõnda aega. Fakt on see, et teadlased pole veel õppinud, kuidas plasmat reaktoris pikka aega hoida.
Hetkel on tuumasünteesi vallas üks suuremaid saavutusi Saksa teadlaste edu, kes suutsid vesinikgaasi kuumutada 80 miljoni kraadini Celsiuse järgi ja hoida veerand sekundit vesinikplasma pilve. Ja Hiinas kuumutati vesinikplasma 49,999 miljoni kraadini ja hoiti 102 sekundit. Vene teadlastel (G. I. Budkeri tuumafüüsika instituut, Novosibirsk) õnnestus saavutada plasma stabiilne kuumutamine kuni kümne miljoni kraadini Celsiuse järgi. Ameeriklased on aga hiljuti välja pakkunud meetodi plasma 60 aastaks piiramiseks – ja see sisendab optimismi.
Lisaks on vaidlusi termotuumasünteesi tasuvuse üle tööstuses. Ei ole teada, kas elektritootmisest saadav kasu korvab termotuumasünteesi kulud. Tehakse ettepanek katsetada reaktsioone (näiteks loobuda traditsioonilisest deuteeriumi-triitiumi või monopropellendi reaktsioonist muude reaktsioonide kasuks), konstruktsioonimaterjalidega - või isegi loobuda tööstusliku termotuumasünteesi ideest, kasutades seda ainult üksikute lõhustumise reaktsioonide jaoks. reaktsioonid. Teadlased jätkavad siiski katsetamist.
9. Kas termotuumasünteesi reaktorid on ohutud?
Suhteliselt. Triitium, mida kasutatakse termotuumareaktsioonides, on radioaktiivne. Lisaks kiiritavad termotuumasünteesi tulemusena vabanevad neuronid reaktori struktuuri. Reaktori elemendid ise on plasmaga kokkupuute tõttu kaetud radioaktiivse tolmuga.
Tuumasünteesireaktor on aga kiirguse poolest palju ohutum kui tuumareaktor. Radioaktiivseid aineid on reaktoris suhteliselt vähe. Lisaks eeldab reaktori konstruktsioon ise "aukude" puudumist, mille kaudu kiirgus võib lekkida. Reaktori vaakumkamber peab olema tihendatud, muidu ei saa reaktor lihtsalt tööle. Termotuumareaktorite ehitamisel kasutatakse tuumaenergiaga katsetatud materjale ning ruumides hoitakse alandatud rõhku.
Millal termotuumasünteesi elektrijaamad ilmuvad?
Teadlased ütlevad enamasti midagi sellist: "20 aasta pärast lahendame kõik põhiküsimused". Tuumainsenerid räägivad 21. sajandi teisest poolest. Poliitikud räägivad ühe sendi eest puhta energia merest, nägemata end kohtingutega.
Kuidas teadlased otsivad Maa soolestikust tumeainet
Sadu miljoneid aastaid tagasi võisid maapinna all olevad mineraalid säilitada salapärase aine jälgi. Jääb vaid nendeni jõuda. Rohkem kui kaks tosinat maa-alust laborit, mis on hajutatud üle maailma, otsivad usinalt tumeainet.
Kuidas Siberi teadlased aitasid inimesel tähtede poole lennata
12. aprillil 1961 tegi Juri Gagarin esimese kosmoselennu – piloodi heatujuline naeratus ja rõõmsameelne "Let's go!" sai Nõukogude kosmonautika võidukäiguks. Et see lend teoks saaks, turgutasid teadlased üle kogu riigi, kuidas teha selline rakett, mis peaks vastu kõigile uurimata kosmoseohtudele – siin võiksid Teaduste Akadeemia Siberi filiaali teadlaste ideed. pole ilma teinud.
Neljast peamisest tuumaenergia allikast on nüüdseks tööstuslikuks rakendamiseks viidud vaid kaks: radioaktiivse lagunemise energiat kasutatakse praegustes allikates ja lõhustumisahelreaktsiooni kasutatakse tuumareaktorites. Kolmas tuumaenergia allikas – elementaarosakeste hävitamine pole veel fantaasia vallast lahkunud. Neljas allikas juhitav termotuumasünteesi, UTS, on päevakorras. Kuigi see allikas on oma potentsiaalilt väiksem kui kolmas, ületab see oluliselt teist.
Termotuumasüntees on laboritingimustes üsna lihtne teostada, kuid seni pole suudetud saavutada energia taastootmist. Sellesuunalist tööd aga tehakse ja samuti töötatakse välja radiokeemilisi meetodeid, ennekõike tehnoloogiaid triitiumkütuse tootmiseks UTS-seadmete jaoks.
Selles peatükis käsitletakse termotuumasünteesi mõningaid radiokeemilisi aspekte ja CTS-i rajatiste kasutamise väljavaateid tuumaenergiatööstuses.
Kontrollitud termotuumasünteesi- kergete aatomituumade sulamise reaktsioon raskemateks tuumadeks, mis toimub ülikõrgetel temperatuuridel ja millega kaasneb tohutu hulga energia vabanemine. Erinevalt plahvatusohtlikust termotuumasünteesist (kasutatakse vesinikupommis) juhitakse seda. Peamistes tuumareaktsioonides, mida plaanitakse kasutada juhitava termotuumasünteesi elluviimiseks, kasutatakse -H ja 3 H ning kaugemas tulevikus 3 He ja B.
Lootused juhitavale termotuumasünteesile on seotud kahe asjaoluga: i) arvatakse, et tähed eksisteerivad statsionaarse termotuumareaktsiooni tõttu ja 2) kontrollimatu termotuumaprotsess viidi vesinikupommi plahvatuses lihtsalt ellu. Tundub, et kontrollitud tuumasünteesireaktsiooni säilitamisel pole põhimõttelisi takistusi. Intensiivsed katsed rakendada CTS-i laboritingimustes koos energia suurendamisega lõppesid aga täieliku ebaõnnestumisega.
TCF-i peetakse aga nüüd oluliseks tehnoloogiliseks lahenduseks fossiilkütuste asendamiseks energiatootmises. Ülemaailmne elektritootmise suurendamist nõudev energiavajadus ja taastumatute toorainete ammendumine stimuleerivad uute lahenduste otsimist.
Termotuumareaktorid kasutavad kergete aatomituumade ühinemisel vabanevat energiat. Tuletab meelde:
Triitiumi ja deuteeriumi tuumade ühinemisreaktsioon on paljulubav kontrollitud termotuumasünteesi rakendamiseks, kuna selle ristlõige on isegi madalate energiate korral üsna suur. See reaktsioon annab spetsiifiliseks kütteväärtuseks 3,5-11 J/g. Põhireaktsioon D+T=n+a on suurima ristlõikega o t ah=5 ait resonantsil deuteroni energial E pSh x= 0,108 MeV, võrreldes reaktsioonidega D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 laut; E max = 2,0 MeV, samuti reaktsiooniga 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotax= 0,4 MeV. Viimases reaktsioonis vabaneb 18,4 MeV. Reaktsioonis (3) energiate summa n+a on võrdne 17,6 MeV, saadud neutronite energia n = 14,1 MeV; ja tekkivate a-osakeste energia on 3,5 MeV. Kui reaktsioonides T(d,n)a ja:) He(d,p)a on resonantsid üsna kitsad, siis reaktsioonides D(d,n)3He ja D(d,p)T on need väga laiad. resonants suurte väärtustega ristlõigetega piirkonnas 1 kuni 10 MeV ja lineaarne kasv 0,1 MeV kuni 1 MeV.
Kommenteeri. Kergestisüttiva DT-kütuse probleemid seisnevad selles, et triitiumi looduses ei leidu ja see tuleb saada liitiumist termotuumasünteesi reaktori kattekihis; triitium on radioaktiivne (Ti/ 2 =12,6 aastat), DT-reaktori süsteem sisaldab 10-10 kg triitiumi; 80% DT reaktsiooni energiast vabaneb 14-MeV neutronitega, mis kutsuvad esile kunstliku radioaktiivsuse reaktori struktuurides ja tekitavad kiirguskahjustusi.
Joonisel fig. 1 on näidatud reaktsiooni ristlõigete (1 - h) energiasõltuvused. Reaktsioonide (1) ja (2) ristlõigete graafikud on praktiliselt samad - energia suurenemisega ristlõige suureneb ja suurte energiate korral kaldub reaktsiooni tõenäosus konstantsele väärtusele. Reaktsiooni (3) ristlõige esmalt suureneb, jõuab maksimaalselt 10 barini energia suurusjärgus 90 MeV ja seejärel väheneb energia suurenedes.
Riis. 1. Mõnede termotuumareaktsioonide ristlõiked osakeste energia funktsioonina massikeskmes süsteemis: 1 - tuumareaktsioon (3); 2 - reaktsioonid (1) ja (2).
Suure hajumise ristlõike tõttu triitiumi tuumade pommitamisel kiirendatud deuteroonidega võib termotuumasünteesi protsessi energiabilanss vastavalt D-T reaktsioonile olla negatiivne, kuna deuteroonide kiirendamisele kulutatakse rohkem energiat, kui eraldub termotuumasünteesi käigus. Positiivne energiabilanss on võimalik, kui pommitavad osakesed suudavad pärast elastset kokkupõrget uuesti reaktsioonis osaleda. Elektrilise tõukejõu ületamiseks peab tuumadel olema suur kineetiline energia. Neid tingimusi saab luua kõrgtemperatuurilises plasmas, milles aatomid või molekulid on täielikult ioniseeritud. Näiteks D-T reaktsioon hakkab kulgema ainult temperatuuril üle 10 8 K. Ainult sellistel temperatuuridel vabaneb ruumalaühiku ja ajaühiku kohta rohkem energiat kui kulutatakse. CTS seisneb kahe ülesande lahendamises: aine kuumutamine nõutavad temperatuurid ja hoides seda piisavalt kaua, et "põletada" ära oluline osa termotuumakütusest.
Arvatakse, et kontrollitud termotuumasünteesi saab realiseerida, kui Lawsoni kriteerium on täidetud (lt>10’4 s cm-z, kus P - kõrgtemperatuurse plasma tihedus, t - selle süsteemis püsimise aeg).
Kui see kriteerium on täidetud, ületab CTS-i käigus vabanev energia süsteemi sisestatud energia.
Plasmat tuleb hoida etteantud mahus, sest vabas ruumis paisub plasma koheselt. Kõrgete temperatuuride tõttu ei saa plasmat ühestki paaki panna
materjalist. Plasma hoidmiseks on vaja kasutada ülitugevat magnetvälja, mis luuakse ülijuhtivate magnetite abil.
Riis. 2. Tokamaki skemaatiline diagramm.
Kui te ei sea eesmärgiks energiakasu saada, on laboritingimustes CTS-i rakendamine üsna lihtne. Selleks piisab liitiumdeuteriidiga ampulli langetamisest iga aeglase uraani lõhustumise reaktsioonil töötava reaktori kanalisse (võite kasutada loodusliku isotoobi koostisega liitiumi (7% 6 Li), kuid parem on see on rikastatud stabiilse isotoobiga 6 Li). Termiliste neutronite toimel toimub järgmine tuumareaktsioon:
Selle reaktsiooni tulemusena tekivad "kuumad" triitiumi aatomid. Triitiumi tagasilöögiaatomi energia (~3 MeV) on piisav triitiumi ja LiD-s paikneva deuteeriumi interaktsiooni reaktsiooniks:
Energiatarbeks see meetod ei sobi: protsessi energiakulud ületavad vabanevat energiat. Seetõttu tuleb CTS-i rakendamiseks otsida muid võimalusi, mis annavad suure energiakasu.
Nad püüavad rakendada CTS-i energia suurendamisega kas kvaasistatsionaarselt (t > 1 s, tg> näete "Oh, või impulsssüsteemides (t * io -8 s, n>u 22 cm*h). Esimeses (tokamak, stellaraator, peegellõks jne) on plasma piiratud ja termiliselt isoleeritud erineva konfiguratsiooniga magnetväljades. Impulsssüsteemides luuakse plasma tahke sihtmärgi (deuteeriumi ja triitiumi segu terad) kiiritamisel võimsa laser- või elektronkiirte fokuseeritud kiirgusega: kui väikeste tahkete sihtmärkide kiir tabab fookust, toimub järjestikuste termotuumade mikroplahvatuste jada. esineb.
Erinevate plasma piiramiseks mõeldud kambrite hulgast on paljulubav toroidse konfiguratsiooniga kamber. Sel juhul luuakse plasma toroidaalses kambris, kasutades elektroodideta ringlahendust. Tokamakis on plasmas indutseeritud vool justkui trafo sekundaarmähis. Magnetväli, hoides plasmat, tekib nii kambri ümber mähise kaudu voolavast voolust kui ka plasmas indutseeritud voolust. Stabiilse plasma saamiseks kasutatakse välist pikisuunalist magnetvälja.
Termotuumareaktor on seade energia tootmiseks plasmas väga kõrgetel temperatuuridel (> 0,8 K) toimuvate kergete aatomituumade ühinemisreaktsioonide tõttu. Peamine nõue, millele termotuumareaktor peab vastama, on energia vabanemine selle tulemusena
termotuumareaktsioonid kompenseerisid enam kui välistest allikatest saadud energiakulud reaktsiooni säilitamiseks.
Riis. h. Reaktori põhikomponendid juhitava termotuumasünteesi jaoks.
TOKAMAK-tüüpi termotuumareaktor (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) koosneb vaakumkambrist, mis moodustab kanali, kus plasma ringleb, välja tekitavatest magnetitest ja plasmaküttesüsteemidest. Sellega kaasnevad vaakumpumbad, mis pidevalt kanalist gaase välja pumpavad, kütuse väljastamise süsteem selle läbipõlemisel ja diverter - süsteem, mille kaudu eemaldatakse reaktorist termotuumareaktsiooni tulemusena saadud energia. Toroidaalne plasma on vaakumkestas. a-Plasmas termotuumasünteesi tulemusena tekkinud ja selles paiknevad osakesed tõstavad selle temperatuuri. Neutronid tungivad läbi vaakumkambri seina vedelat liitiumi või 6 Li-ga rikastatud liitiumiühendit sisaldava teki tsooni. Liitiumiga suhtlemisel muundub neutronite kineetiline energia soojuseks ja samaaegselt tekib triitium. Tekk asetatakse spetsiaalsesse kesta, mis kaitseb magnetit emiteeritud neutronite, y-kiirguse ja soojusvoogude eest.
Tokamak-tüüpi seadmetes luuakse plasma toroidaalses kambris, kasutades elektroodideta ringlahendust. Selleks tekitatakse plasmakimbus elektrivool ja samal ajal on sellel oma magnetväli - plasmakimp ise muutub magnetiks. Nüüd on teatud konfiguratsiooniga välist magnetvälja kasutades võimalik kambri keskele riputada plasmapilv, mis ei lase sellel seinu puutuda.
Divertor - seadmete komplekt (spetsiaalsed poloidsed magnetmähised; plasmaga kokkupuutuvad paneelid - plasma neutralisaatorid), mille abil eemaldatakse peamisest kuumast plasmast maksimaalselt seina plasmaga kokkupuute ala. Selle eesmärk on eemaldada plasmast kuumus laetud osakeste voona ja välja pumbata divertori plaatidel neutraliseeritud reaktsiooniproduktid: heelium ja protium. Puhastab plasma saasteainetest, mis segavad termotuumasünteesi reaktsiooni.
Termotuumareaktorit iseloomustab võimsuse võimendustegur, mis on võrdne reaktori soojusliku võimsuse ja selle tootmiskulude võimsuse suhtega. Reaktori soojusvõimsus liidetakse:
- - plasmas termotuumareaktsiooni käigus vabanevast võimsusest;
- - võimsusest, mis sisestatakse plasmasse termotuumareaktsiooni põlemistemperatuuri või plasma statsionaarse voolu säilitamiseks;
- - tekis vabanevast võimsusest - plasmat ümbritsev kest, milles kasutatakse termotuumaneutronite energiat ja mis kaitseb magnetpooli kiirgusega kokkupuute eest. Kattetuumasünteesi reaktor - termotuumareaktori üks peamisi osi, plasmat ümbritsev spetsiaalne kest, milles toimuvad termotuumareaktsioonid ja mille ülesandeks on kasutada termotuumaneutronite energiat.
Tekk katab plasmarõnga igast küljest ning D-T termotuumasünteesi käigus sündinud peamised energiakandjad - 14-MeV neutronid - annavad selle tekile), soojendades seda Tekk sisaldab soojusvahetiid, mille kaudu juhitakse vett Elektrijaama aur pöörleb auruturbiin ja ta - generaatori rootor.
Teki põhiülesanne on koguda energiat, muuta see soojuseks ja üle kanda elektrit tootvatele süsteemidele, samuti kaitsta operaatoreid ja keskkonda termotuumareaktori tekitatava ioniseeriva kiirguse eest. Termotuumareaktoris teki taga on kiirguskaitsekiht, mille ülesanneteks on neutronivoo ja ainega reaktsioonide käigus tekkivate y-kvantide edasine nõrgendamine, et tagada elektromagnetilise süsteemi töövõime. Sellele järgneb bioloogiline kaitse, mille nimel saavad töötada jaama personal.
"Aktiivne" tekk - aretaja, mis on mõeldud ühe termotuumakütuse komponendi tootmiseks. Reaktorites, mis tarbivad triitiumi, sisaldab tekk paljundusmaterjale (liitiumiühendeid), mis on loodud triitiumi tõhusa tootmise tagamiseks.
Termotuumareaktori töötamisel deuteerium-triitiumkütusel on vaja reaktoris kütusekogust (D + T) täiendada ja plasmast eemaldada 4He. Plasmas toimuvate reaktsioonide tulemusena põleb triitium läbi ja põhiline osa termotuumasünteesi energiast kandub üle neutronitele, mille jaoks plasma on läbipaistev. See toob kaasa vajaduse paigutada plasma ja elektromagnetilise süsteemi vahele spetsiaalne tsoon, milles taastoodetakse põlevat triitiumit ja neeldub põhiosa neutronite energiatest. Seda piirkonda nimetatakse aretajatekiks. See taastoodab plasmas põletatud triitiumi.
Tekis olevat triitiumi saab toota liitiumi kiiritamisel neutronvoogudega vastavalt tuumareaktsioonidele: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV ja 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.
Liitiumist triitiumi valmistamisel tuleb arvestada, et looduslik liitium koosneb kahest isotoobist: 6 Li (7,52%) ja 7 Li (92,48%). Puhta 6 Li 0 = 945 barniga termiliste neutronite neeldumisristlõige ja reaktsiooni aktiveerimise ristlõige (p, p) on 0,028 barn. Looduslikus liitiumis on uraani lõhustumisel tekkivate neutronite eemaldamise ristlõige 1,01 barni ja termiliste neutronite neeldumise ristlõige on umbes a = 70,4 barn.
Y-kiirguse energiaspektreid termiliste neutronite 6 Li kiirgusel püüdmisel iseloomustavad järgmised väärtused: ,94 MeV. koguenergia
D-T kütusel töötavas termotuumareaktoris reaktsiooni tulemusena:
y-kiirgus neutronite püüdmise kohta võrdub 1,45 MeV. 7 Li puhul on neeldumisristlõige 0,047 barn ja aktiveerimisristlõige 0,033 barn (neutronite energiate korral üle 2,8 MeV). Ristlõige lõhustumisneutronite ekstraheerimiseks loodusliku koostisega LiH = 1,34 ait, metalliline Li - 1,57 ait, LiF - 2,43 ait.
Moodustuvad termotuumaneutronid, mis plasmamahust väljudes langevad liitiumi ja berülliumi sisaldavasse kattepiirkonda, kus toimuvad järgmised reaktsioonid:
Seega põletab termotuumasünteesi reaktor deuteeriumi ja liitiumi ning reaktsioonide tulemusena tekib inertgaasi heelium.
Plasmas D-T reaktsiooni käigus triitium põleb läbi ja tekib neutron energiaga 14,1 MeV. Teki sees peab see neutron tekitama vähemalt ühe triitiumi aatomi, et katta oma kadusid plasmas. Triitiumi paljunemiskiirus juurde("tekis moodustunud triitiumi kogus ühe langeva termotuumaneutroni kohta") sõltub tekis olevast neutronite spektrist, neutronite neeldumise ja lekke suurusest. k> 1,05.
Riis. Joonis 4. Triitiumi moodustumise tuumareaktsioonide ristlõike sõltuvused neutroni energiast: 1 - reaktsioon 6 Li(n,t)'»He, 2 - reaktsioon 7 Li(n,n',0 4 He).
6 Li tuuma puhul on termiliste neutronite neeldumisristlõige koos triitiumi moodustumisega väga suur (953 barn 0,025 eV juures). Madala energia korral järgib neutronite neeldumise ristlõige Li-s seadust (l/u) ja ulatub loodusliku liitiumi puhul termiliste neutronite jaoks 71 barni. 7 Li puhul on neutronitega interaktsiooni ristlõige ainult 0,045 barni. Seetõttu tuleks kasvataja jõudluse suurendamiseks looduslikku liitiumi rikastada 6 Li isotoobiga. 6 Li sisalduse suurenemine isotoopide segus avaldab aga vähe mõju triitiumi aretussuhtele: 5% suurenemine toimub isotoobi 6 Li rikastamise suurenemisega segus 50% -ni. Reaktsioonis 6 Li(n, T)» Kõik aeglustunud neutronid ei neeldu. Lisaks tugevale neeldumisele termilises piirkonnas on väike neeldumine (
Reaktsiooni 6 Li(n,T) 4 He ristlõike sõltuvus neutroni energiast on näidatud joonisel. 7. Nagu paljudele teistele tuumareaktsioonidele omane, väheneb 6 Li(n,f) 4 He reaktsiooni ristlõige neutronite energia kasvades (välja arvatud resonants 0,25 MeV juures).
Reaktsioon triitiumi moodustumisega ALi isotoobile kulgeb kiirete neutronitega energiaga n>2,8 MeV. Selles reaktsioonis
tekib triitium ja neutronit ei kao.
6 Li tuumareaktsioon ei saa anda triitiumi pikendatud paljunemist ja kompenseerib ainult triitiumi läbipõlemist
Reaktsioonil 1 l tekib iga neeldunud neutroni kohta üks triitiumituum ja see neutron taastub, mis seejärel neeldub aeglustamisel ja annab juurde ühe triitiumi tuuma.
Kommenteeri. Looduslikus Lis triitiumi paljunemiskoefitsient juurde"2. Li jaoks Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1,1; 1.05 ja i.6 vastavalt. Sulasoola LiF (66%) + BeF 2 (34%) nimetatakse flyb ( FLiBe), on selle kasutamine ohutuse ja triitiumikadude vähendamise seisukohalt eelistatavam.
Kuna mitte kõik D-T reaktsiooni neutronid ei osale triitiumi aatomi moodustumisel, tuleb primaarsed neutronid (14,1 MeV) korrutada (n, 2n) või (n, cn) reaktsiooni abil elementidel, millel on piisavalt aatomit. suur ristlõige kiirete neutronite interaktsiooni ajal, näiteks y Be, Pb, Mo, Nb ja paljudel muudel materjalidel Z> 25. Berülliumi puhul lävi (n, 2 P) reaktsioonid 2,5 MeV; 14 MeV juures 0=0,45 ait. Selle tulemusel on vedela või keraamilise liitiumiga (LiA10 2) teki versioonides võimalik saavutada kuni* 1,1+1,2. Kui reaktorikamber on ümbritsetud uraanikattega, võib neutronite paljunemine oluliselt suureneda tänu lõhustumisreaktsioonidele ja (n, 2n), (n, zl) reaktsioonidele.
Märkus 1. Liitiumi indutseeritud aktiivsus neutronitega kiiritamisel praktiliselt puudub, kuna tekkival radioaktiivsel isotoobil 8Li (cr-kiirgus energiaga 12,7 MeV ja /?-kiirgus energiaga ~6 MeV) on väga lühike pool. -eluiga - 0,875 s. Liitiumi madal aktivatsioon ja lühike poolestusaeg soodustavad taime bioloogilist kaitset.
Märkus 2. Termotuuma DT-reaktori kattekihis sisalduva triitiumi aktiivsus on ~*10 6 Ci, seega ei välista DT-kütuse kasutamine teoreetilist avarii võimalust mitme protsendi ulatuses Tšernobõli. üks (väljalase oli 510 7 Ci). Triitiumi eraldumine koos T 2 0 moodustumisega võib põhjustada radioaktiivse sadestumise, triitiumi sattumise põhjavette, veekogudesse, elusorganismidesse, taimedesse, mis akumuleeruvad lõpuks toidus.
Tõsiseks probleemiks on kasvataja materjali ja täiteseisundi valik. Kasvataja materjal peaks tagama liitiumi suure protsentuaalse konversiooni triitiumiks ja selle lihtsa ekstraheerimise, et viia see edasi kütuse ettevalmistussüsteemi.
Kasvatuskatte põhifunktsioonide hulka kuuluvad: plasmakambri moodustamine; triitiumi tootmine koefitsiendiga k>i; neutroni kineetilise energia muundamine soojuseks; termotuumareaktori töötamise ajal tekis tekkiva soojuse ärakasutamine; elektromagnetsüsteemi kiirguskaitse; bioloogiline kiirguskaitse.
D-T-kütusel töötav termotuumareaktor võib olenevalt teki materjalist olla "puhas" või hübriid. "Puhta" termotuumareaktori tekk sisaldab Li, milles neutronite toimel saadakse triitium ja termotuumareaktsioon tõstetakse 17,6 MeV-lt 22,4-ni.
MeV. Hübriidse ("aktiivse") termotuumareaktori kattes ei toodeta mitte ainult triitiumi, vaid on ka tsoone, kuhu paigutatakse jäätmed 2 s 8, et saada 2 39 Pu. Sel juhul vabaneb tekis energia, mis võrdub 140 MeV neutroni kohta. Hübriidsünteesireaktori energiatõhusus on kuus korda kõrgem kui puhtal. Samal ajal saavutatakse termotuumaneutronite parem neeldumine, mis suurendab rajatise ohutust. Lõhustuvate radioaktiivsete ainete olemasolu loob aga tuumalõhustumisreaktorite omaga sarnase kiirguskeskkonna.
Riis. 5.
On olemas kaks puhta aretuskatte kontseptsiooni, mis põhinevad vedelate triitiumi sisaldavate viljakate materjalide kasutamisel või tahkete liitiumit sisaldavate materjalide kasutamisel. Tekkide disainivalikud on seotud valitud jahutusvedelike tüübiga (vedel metall, vedel sool, gaas, orgaaniline, vesi) ja võimalike konstruktsioonimaterjalide klassiga.
Teki vedelas versioonis on liitium jahutusvedelik ja triitium on viljakas materjal. Teki sektsioon koosneb esimesest seinast, paisutustsoonist (sula liitiumsool, reflektor (teras või volfram) ja valgust varjestavast komponendist (näiteks titaanhüdriid). Isejahutuva liitiumteki põhiomadus on selle puudumine). täiendava neutronite moderaatori ja neutronite kasvataja. Kasutage järgmisi sooli: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (T wx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Antud sooladest on madalaima viskoossusega, kuid kõrgeima viskoossusega Li 2 BeF 4 Twl. Perspektiiviks on Pb-Li eutektika ja FLiNaBe sula, mis toimib ka isejahutajana. Sellise aretaja neutronite aretajad on sfäärilised 2 mm läbimõõduga Be graanulid.
Tahke aretajaga tekis kasutatakse aretusmaterjalina liitiumi sisaldavat keraamikat ja neutronite kasvatajana berüllium. Sellise teki koostis sisaldab selliseid elemente nagu esimene sein jahutusvedeliku kollektoritega; neutronite paljunemistsoon; triitiumi aretusvöönd; kanalid triitiumi sigimis- ja paljunemispiirkondade jahutamiseks; rauakaitse; tekikinnituselemendid; jahutusvedeliku ja triitiumi kandegaasi sisse- ja väljalasketorud. Konstruktsioonimaterjalid - vanaadiumisulamid ja ferriit- või ferriit-martensiitklassi teras. Kiirguskaitse on valmistatud teraslehtedest. Kasutatav jahutusvedelik on UMPa rõhu all olev gaasiline heelium, mille sisselasketemperatuur on 300 0 0 ja jahutusvedeliku väljundtemperatuur on 650 0 .
Radiokeemiline ülesanne on triitiumi eraldamine, puhastamine ja tagastamine kütusetsüklisse. Samal ajal on oluline kütusekomponentide regenereerimissüsteemide funktsionaalsete materjalide valik (aretusmaterjalid). Aretaja (kasvataja) materjal peab tagama termotuumasünteesienergia eemaldamise, triitiumi tekke ja selle tõhusa ekstraheerimise järgnevaks puhastamiseks ja muundamiseks reaktori kütuseks. Selleks on vaja kõrge temperatuuri-, kiirgus- ja mehaanilise vastupidavusega materjali. Sama olulised on materjali difusiooniomadused, mis tagavad triitiumi suure liikuvuse ja sellest tulenevalt aretusmaterjalist triitiumi ekstraheerimise hea efektiivsuse suhteliselt madalatel temperatuuridel.
Teki tööaineteks võivad olla: keraamika Li 4 Si0 4 (või Li 2 Ti0 3) - paljunemismaterjal ja berüllium - neutronite aretaja. Nii aretajat kui ka berülliumi kasutatakse monodispersse veerise kihina (sfäärilise kujuga graanulid). Li 4 Si0 4 ja Li 2 Ti0 3 graanulite läbimõõt varieerub vastavalt 0,2–10,6 mm ja 0,8 mm, berülliumi graanulite läbimõõt on aga 1 mm. Graanulikihi efektiivse mahu osakaal on 63%. Triitiumi aretamiseks on keraamilist aretajat rikastatud 6 Li isotoobiga. Tüüpiline rikastusaste 6 Li puhul: 40% Li 4 Si0 4 ja 70% Li 2 Ti0 3 puhul.
Praegu peetakse liitiummetatitanaati 1l 2 TiO 3 kõige lootustandvamaks, kuna triitiumi vabanemise kiirus suhteliselt madalatel temperatuuridel (200–400 0), kiirgus- ja kemikaalikindlus on suhteliselt kõrge. Näidati, et liitiumtitanaadi graanulid, mis on intensiivse neutronkiirguse ja termilise mõju tingimustes rikastatud kuni 96% 6 Li-ni, võimaldavad liitiumi genereerida praktiliselt konstantse kiirusega kahe aasta jooksul. Triitiumi ekstraheerimine neutroniga kiiritatud keraamikast toimub aretusmaterjali programmeeritud kuumutamisega pidevas pumpamise režiimis.
Eeldatakse, et tuumatööstuses saab termotuumasünteesi rajatisi kasutada kolmes valdkonnas:
- - hübriidreaktorid, milles tekk sisaldab lõhustuvaid nukliide (uraan, plutoonium), mille lõhustumist juhib võimas suure energiaga (14 MeV) neutronite voog;
- - põlemise initsiaatorid elektrontuumaalakriitilistes reaktorites;
- - pikaealiste keskkonnaohtlike radionukliidide transmutatsioon radioaktiivsete jäätmete neutraliseerimiseks.
Termotuumaneutronite kõrge energia annab suurepärased võimalused neutronite energiarühmade eraldamiseks konkreetse radionukliidi põletamiseks ristlõigete resonantspiirkonnas.