termonukleáris fúzió, a könnyű atommagok nehezebb atommagokká való fúziójának reakciója, amely szupermagas hőmérsékleten megy végbe, és hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával jár. A magfúzió az atommaghasadás fordított reakciója: az utóbbiban a nehéz atommagok könnyebb magokra való szétválása következtében energia szabadul fel. Lásd még NUKLEÁRIS MAGHASADÁS; ATOMENERGIA.
A modern asztrofizikai elképzelések szerint a Nap és más csillagok fő energiaforrása a mélységükben végbemenő termonukleáris fúzió. Földi körülmények között egy hidrogénbomba robbanása során hajtják végre. A termonukleáris fúziót a reagáló anyagok egységnyi tömegére vetített kolosszális energiafelszabadulás kíséri (körülbelül 10 milliószor nagyobb, mint a kémiai reakciók esetében). Ezért nagyon érdekes ennek a folyamatnak az elsajátítása, és ennek alapján olcsó és környezetbarát energiaforrás létrehozása. Mindazonáltal annak ellenére, hogy számos fejlett országban nagy tudományos és műszaki csapatok foglalkoznak a szabályozott termonukleáris fúzióval (CTF) kapcsolatos kutatásokkal, még mindig sok összetett probléma vár megoldásra, mielőtt a termonukleáris energia ipari termelése valósággá válik.
A hasadási eljárást alkalmazó modern atomerőművek csak részben elégítik ki a világ villamosenergia-szükségletét. Tüzelőanyaguk a természetes radioaktív elemek, az urán és a tórium, amelyek előfordulása és készletei a természetben nagyon korlátozottak; ezért sok ország számára problémát jelent ezek behozatala. A termonukleáris üzemanyag fő összetevője a deutérium hidrogénizotópja, amely a tengervízben található. Tartalékai nyilvánosan elérhetők és nagyon nagyok (az óceánok a Föld felszínének ~ 71%-át fedik le, és a deutérium a vizet alkotó hidrogénatomok teljes számának körülbelül 0,016%-át teszi ki). A fűtőanyag elérhetőségén túl a termonukleáris energiaforrások a következő fontos előnyökkel rendelkeznek az atomerőművekkel szemben: 1) az UTS reaktor sokkal kevesebb radioaktív anyagot tartalmaz, mint egy maghasadásos reaktor, ezért a radioaktív termékek véletlenszerű kibocsátásának következményei kisebbek. veszélyes; 2) a termonukleáris reakciók kevesebb hosszú élettartamú radioaktív hulladékot termelnek; 3) A TCB lehetővé teszi a közvetlen villamosenergia-termelést.
Artsimovich L.A. Szabályozott termonukleáris reakciók. M., 1963
Hő- és atomerőművek(1. könyv 6. szakasza; 3. könyv 8. szakasza). M., 1989
Keresse meg a „NUCLEAR FUSION” elemet
A Szovjetunióban a szabályozott termonukleáris fúzió problémáját először O. A. Lavrentiev szovjet fizikus fogalmazta meg és kínált rá valami konstruktív megoldást. Rajta kívül olyan kiváló fizikusok járultak hozzá a probléma megoldásához, mint A. D. Szaharov és I. E. Tamm, valamint L. A. Artsimovich, aki 1951 óta vezette a szovjet irányított termonukleáris fúziós programot.
Történelmileg a 20. század közepén merült fel az irányított termonukleáris fúzió globális szintű kérdése. Ismeretes, hogy I. V. Kurchatov 1956-ban javaslatot tett a különböző országok atomtudósainak együttműködésére e tudományos probléma megoldásában. Ez a "Harwell" brit nukleáris központban tett látogatás során történt ( angol) .
Reakció típusok
A fúziós reakció a következő: két vagy több atommag egy bizonyos erő hatására annyira közeledik, hogy az ilyen távolságra ható erők felülkerekednek az egyenlő töltésű atommagok közötti Coulomb taszító erőkkel szemben, aminek következtében új mag képződik. Egy új atommag létrehozásakor az erős kölcsönhatás nagy energiája szabadul fel. A jól ismert E=mc² képlet szerint az energia felszabadulása után a nukleonrendszer elveszíti tömegének egy részét. A kis elektromos töltéssel rendelkező atommagokat könnyebb a megfelelő távolságra hozni, így a nehéz hidrogénizotópok az egyik legjobb üzemanyag a fúziós reakcióhoz.
Azt találták, hogy két izotóp, a deutérium és a trícium keveréke igényel a legkevesebb energiát a fúziós reakcióhoz a reakció során felszabaduló energiához képest. Azonban bár a deutérium és trícium keveréke (D-T) a legtöbb fúziós kutatás tárgya, korántsem ez az egyetlen lehetséges üzemanyag. Más keverékek gyártása könnyebb lehet; reakciójuk jobban szabályozható, vagy ami még fontosabb, kevesebb neutront termelnek. Különösen érdekesek az úgynevezett "neutronmentes" reakciók, mivel az ilyen üzemanyagok sikeres ipari felhasználása az anyagok hosszú távú radioaktív szennyeződésének és a reaktor tervezésének hiányát jelenti, ami viszont pozitívan befolyásolhatja a közvéleményt és az általános a reaktor üzemeltetési költsége, jelentősen csökkentve a költségeket. A probléma továbbra is az, hogy az alternatív tüzelőanyagokat használó fúziós reakciót sokkal nehezebb fenntartani, ezért a D-T reakciót csak egy szükséges első lépésnek tekintik.
A szabályozott termonukleáris fúzió a felhasznált tüzelőanyag típusától függően különféle típusú termonukleáris reakciókat alkalmazhat.
Deutérium + trícium reakció (D-T üzemanyag)
A legkönnyebben megvalósítható reakció a deutérium + trícium:
2 H + 3 H = 4 He + n 17,6 MeV (MeV) kimenő energia esetén.
Egy ilyen reakció a legkönnyebben megvalósítható a modern technológiák szempontjából, jelentős energiahozamot ad, és az üzemanyag-komponensek olcsók. Hátránya a nem kívánt neutronsugárzás felszabadulása.
Két atommag: a deutérium és a trícium összeolvad, és héliummagot (alfa-részecskét) és nagy energiájú neutront képez:
A Tokamak (TOroidal Chamber with Magnetic Coils) egy toroid eszköz a mágneses plazma bezárására. A plazmát nem a kamra falai tartják, amelyek nem képesek ellenállni annak hőmérsékletének, hanem egy speciálisan létrehozott mágneses tér. A tokamak jellemzője, hogy a plazmán átfolyó elektromos áramot a plazmaegyensúlyhoz szükséges toroidális mező létrehozására használják.
Reakció deutérium + hélium-3
A deutérium + hélium-3 reakció végrehajtása a lehetséges határokon sokkal nehezebb
2 H + 3 He = 4 He + 18,4 MeV kimenő energia mellett.Ennek megvalósításának feltételei sokkal bonyolultabbak. A hélium-3 szintén ritka és rendkívül drága izotóp. Jelenleg nem gyártják ipari méretben. Előállítható azonban tríciumból, amelyet viszont atomerőművekben nyernek; vagy a Holdon bányásznak.
A termonukleáris reakció lebonyolításának összetettsége a hármas termékkel jellemezhető ntτ (sűrűség per hőmérséklet per tartási idő). E paraméter szerint a D-3 He reakció körülbelül 100-szor nehezebb, mint a D-T.
Reakció a deutériummagok között (D-D, monopropelent)
A DD-plazmában a fő reakción kívül a következők is előfordulnak:
Ezek a reakciók lassan párhuzamosan zajlanak a deutérium + hélium-3 reakciójával, és az ezek során keletkező trícium és hélium-3 nagy valószínűséggel azonnal reagál a deutériummal.
Más típusú reakciók
Számos más típusú reakció is lehetséges. A tüzelőanyag megválasztása sok tényezőtől függ - elérhetősége és alacsony költsége, energiahozam, a fúziós reakcióhoz szükséges feltételek (elsősorban hőmérséklet) elérhetőségének könnyűsége, a reaktor szükséges tervezési jellemzői stb.
"Neutronmentes" reakciók
A legígéretesebbek az úgynevezett „neutronmentes” reakciók, mivel a termonukleáris fúzió során keletkező neutronfluxus (például a deutérium-trícium reakcióban) a teljesítmény jelentős részét elviszi és indukált radioaktivitást generál a reaktor tervezésében. A deutérium + hélium-3 reakció ígéretes, a neutronhozam hiánya miatt is.
Reakciók könnyű hidrogénnel
D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).
Ebben az esetben azonban a felszabaduló mozgási energia nagy része (több mint 80%) pontosan a neutronra esik. A töredékek más atomokkal való ütközésének eredményeként ez az energia hőenergiává alakul. Ezenkívül a gyors neutronok jelentős mennyiségű radioaktív hulladékot hoznak létre. Ezzel szemben a deutérium és a hélium-3 fúziója szinte semmilyen radioaktív terméket nem termel:
D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), ahol p egy proton.
Ez egyszerűbb és hatékonyabb fúziós kinetikus reakciókonverziós rendszereket tesz lehetővé, mint például a magnetohidrodinamikus generátor.
Reaktortervek
A szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítására két fő séma létezik, amelyek fejlesztése jelenleg is folyamatban van (2012):
Az első típusú termonukleáris reaktor sokkal jobban kifejlesztett és tanulmányozott, mint a második.
Sugárbiztonság
A termonukleáris reaktor sugárzás szempontjából sokkal biztonságosabb, mint egy atomreaktor. Először is, a radioaktív anyagok mennyisége viszonylag kicsi. Az esetleges balesetek következtében felszabaduló energia is kicsi, és nem vezethet a reaktor tönkremeneteléhez. A reaktor kialakításában ugyanakkor több olyan természetes akadály is található, amely megakadályozza a radioaktív anyagok terjedését. Például a vákuumkamrát és a kriosztát héját le kell zárni, különben a reaktor egyszerűen nem tud működni. Az ITER tervezése során azonban nagy figyelmet fordítottak a sugárbiztonságra mind a normál üzemben, mind az esetleges balesetek során.
A lehetséges radioaktív szennyeződésnek számos forrása van:
- a hidrogén radioaktív izotópja a trícium;
- a létesítmény anyagaiban a neutronbesugárzás következtében indukált radioaktivitás;
- az első falra gyakorolt plazma becsapódása következtében keletkező radioaktív por;
- radioaktív korróziós termékek, amelyek a hűtőrendszerben képződhetnek.
A trícium és a por terjedésének megakadályozása érdekében, ha azok túllépnek a vákuumkamrán és a kriosztáton, speciális szellőzőrendszerre van szükség a reaktorépület csökkentett nyomásának fenntartásához. Ezért nem szivárog ki levegő az épületből, kivéve a szellőzőszűrőkön keresztül.
Egy reaktor, például az ITER építésénél, ahol lehetséges, atomenergiában már tesztelt anyagokat használnak fel. Emiatt az indukált radioaktivitás viszonylag kicsi lesz. Különösen, még a hűtőrendszerek meghibásodása esetén is elegendő a természetes konvekció a vákuumkamra és más szerkezeti elemek hűtéséhez.
A becslések azt mutatják, hogy a radioaktív kibocsátások még baleset esetén sem jelentenek veszélyt a lakosságra, és nem teszik szükségessé a evakuálást.
Üzemanyag ciklus
Az első generációs reaktorok nagy valószínűséggel deutérium és trícium keverékével működnek majd. A reakció során megjelenő neutronokat a reaktor pajzsa elnyeli, a felszabaduló hőt pedig a hőcserélőben lévő hűtőközeg felmelegítésére, ezt az energiát pedig a generátor forgatására fordítják.
. .Fúziós reakció, mint ipari energiaforrás
A fúziós energiát sok kutató (különösen Christopher Llewellyn-Smith) hosszú távon „természetes” energiaforrásnak tekinti. A fúziós reaktorok villamosenergia-termelésre való kereskedelmi felhasználásának támogatói a következő érveket hozták fel maguk mellett:
A villamos energia költsége a hagyományos forrásokhoz képest
A kritikusok rámutatnak, hogy a magfúzió költséghatékonyságának kérdése az általános felhasználású villamosenergia-termelésben továbbra is nyitott marad. Ugyanez a brit parlament Tudományos és Technológiai Hivatala megbízásából készült tanulmány azt jelzi, hogy a fúziós reaktorral történő villamosenergia-termelés költsége valószínűleg a hagyományos energiaforrások költségspektrumának tetején áll. Sok múlik a jövőben elérhető technológián, a piac szerkezetén és szabályozásán. A villamos energia költsége közvetlenül függ a felhasználás hatékonyságától, a működés időtartamától és a reaktor ártalmatlanításának költségétől.
Felmerül a kutatás költségének kérdése is. Az EU-tagországok évente mintegy 200 millió eurót költenek kutatásra, és az előrejelzések szerint még több évtizednek kell eltelnie, amíg lehetővé válik a magfúzió ipari felhasználása. Az alternatív, nem nukleáris villamosenergia-források támogatói úgy vélik, hogy célszerűbb lenne ezeket a forrásokat a megújuló villamosenergia-források bevezetésére fordítani.
Kereskedelmi fúziós energia rendelkezésre állása
A széles körben elterjedt optimizmus ellenére (az 1950-es évek korai tanulmányozása óta) a nukleáris fúziós folyamatok mai ismerete, a technológiai lehetőségek és a magfúzió gyakorlati alkalmazása között jelentős akadályokat még nem sikerült leküzdeni. Még az sem világos, hogy a termonukleáris fúzióval történő villamosenergia-termelés mennyire lehet költséghatékony. Miközben a kutatás folyamatosan halad, a kutatók folyamatosan új kihívásokkal szembesülnek. A kihívás például egy olyan anyag kifejlesztése, amely ellenáll a neutronbombázásnak, amely a becslések szerint 100-szor intenzívebb, mint a hagyományos atomreaktorok. A probléma súlyosságát súlyosbítja, hogy a neutronok és az atommagok kölcsönhatási keresztmetszete megszűnik a növekvő energiájú protonok és neutronok számától függeni, és az atommag keresztmetszete felé hajlik – a 14 MeV-os neutronok esetében pedig egyszerűen nincs elég kis kölcsönhatási keresztmetszetű izotóp. Ez szükségessé teszi a D-T és D-D reaktortervek nagyon gyakori cseréjét, és olyan mértékben csökkenti a jövedelmezőségét, hogy a modern reaktortervek költsége e két típus esetében meghaladja az általuk előállított energia költségét. Háromféle megoldás lehetséges:
- A tiszta magfúzió elutasítása és neutronforrásként való felhasználása urán vagy tórium hasadásához.
- A D-T és D-D szintézis elutasítása más szintézisreakciók javára (például D-He).
- A szerkezeti anyagok költségének éles csökkenése vagy a besugárzás utáni helyreállításukra szolgáló eljárások kidolgozása. Hatalmas anyagtudományi beruházásokra is szükség van, de a kilátások bizonytalanok.
A D-He szintézise során fellépő D-D (3%) mellékreakciók bonyolítják a költséghatékony reaktortervek előállítását, de a jelenlegi technológiai szinten nem lehetetlenek.
A következő kutatási fázisok vannak:
1. Egyensúlyi vagy „pass” mód(Break-even): amikor a fúziós folyamat során felszabaduló összenergia egyenlő a reakció elindításához és fenntartásához felhasznált teljes energiával. Ezt az arányt a szimbólum jelöli K.
2. Lángoló plazma(Burning Plasma): Egy köztes szakasz, amelyben a reakciót elsősorban a reakció során keletkező alfa-részecskék támogatják, nem pedig külső melegítés. Q ≈ 5. Eddig (2012) nem sikerült elérni.
3. Gyújtás(Ignition): stabil önfenntartó reakció. Magas értékeken kell elérni K. Eddig nem sikerült.
A kutatás következő lépése a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor (ITER). Ebben a reaktorban a tervek szerint a magas hőmérsékletű plazma (lángoló plazma viselkedését) vizsgálják K~ 30) és szerkezeti anyagok egy ipari reaktorhoz.
A kutatás utolsó fázisa a DEMO lesz: egy prototípus ipari reaktor, amely gyulladást ér el, és bemutatja az új anyagok gyakorlati alkalmasságát. A legoptimistább előrejelzések a DEMO fázis befejezésére: 30 év. Az ipari reaktor építésének és üzembe helyezésének becsült idejét figyelembe véve ~40 év választ el bennünket a termonukleáris energia ipari felhasználásától.
Meglévő tokamak
Összesen mintegy 300 tokamakot építettek a világon. Ezek közül a legnagyobbak az alábbiakban találhatók.
- Szovjetunió és Oroszország
- A T-3 az első működőképes készülék.
- T-4 - a T-3 kibővített változata
- A T-7 egy egyedülálló installáció, amelyben a világon először valósítottak meg egy viszonylag nagy mágneses rendszert folyékony héliummal hűtött ón-niobát alapú szupravezető mágneses rendszerrel. A T-7 fő feladata befejeződött: elkészült a termonukleáris energetikai szupravezető mágnesszelepek következő generációjának kilátása.
- A T-10 és a PLT a következő lépés a fúziós kutatások világában, közel azonos méretűek, azonos teljesítményűek, azonos elzáródási tényezővel. A kapott eredmények pedig azonosak: a termonukleáris fúzió hőn áhított hőmérsékletét mindkét reaktorban elértük, és a Lawson-kritérium szerinti lemaradás mindössze kétszázszoros.
- A T-15 egy mai reaktor szupravezető mágnesszeleppel, amely 3,6 T mezőt ad.
- Líbia
- TM-4A
Linkek
- E.P. Velikhov; S.V. Mirnov Az irányított termonukleáris fúzió a célba ér (PDF). Troitsk Innovációs és Termonukleáris Kutatási Intézet. Orosz Kutatóközpont "Kurchatov Intézet".. ac.ru. - Népszerű problémanyilatkozat. Archiválva az eredetiből: 2012. február 5. Letöltve: 2007. augusztus 8..
- C. Llewellyn-Smith.Úton a termonukleáris energia felé. A FIAN-ban 2009. május 17-én elhangzott előadás anyaga.
- Nagyszabású termonukleáris fúziós kísérletet tartanak az Egyesült Államokban.
Lásd még
Megjegyzések
- Bondarenko B. D. "O. A. Lavrentiev szerepe a kérdés felvetésében és a szabályozott termonukleáris fúzióval kapcsolatos kutatások kezdeményezésében a Szovjetunióban" // UFN 171 , 886 (2001).
- A. D. Szaharov áttekintése, az „Orosz Föderáció elnökének archívumából” című részben. UFN 171 , 902 (2001), 908. o.
- A Szovjetunió fizikusainak tudományos közössége. 1950-1960-as évek. Dokumentumok, emlékiratok, kutatások/ Összeállította és szerkesztette: P. V. Vizgin és A. V. Kessenikh. - Szentpétervár. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 p. - 1000 példányban.
- A korai amerikai termonukleáris lőszerek természetes lítium-deuteridet is használtak, amely főleg 7-es tömegszámú lítium izotópot tartalmaz, tríciumforrásként is szolgál, de ehhez a reakcióban résztvevő neutronok energiája 10 MeV, ill. magasabb.
- Neutronmentes ciklusú (például D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) hőelemes erőművek MHD generátorral, magas hőmérsékletű plazmán;
- E. P. Velikhov, S. V. Putvinszkij Termonukleáris reaktor. Fornit (1999. október 22.). - 1999. 10. 22-i jelentés, a Tudományos Világszövetség Energiaközpontja keretében készült. Archiválva az eredetiből: 2012. február 5. Letöltve: 2011. január 16.
- (angol) Utójegyzet: Nuclear Fusion, 2003
- EFDA | Európai Fúziós Fejlesztési Megállapodás
- Tore Supra
- Tokamak fúziós tesztreaktor
- Princeton Plazmafizikai Laboratórium áttekintése
- MIT Plasma Science & Fusion Center: kutatás>alkátor>
- Kezdőlap - Fusion webhely
- Fúziós plazmakutatás
- A mesterséges nap
- A termonukleáris nulláról jött ki - Újság. Ru
- Információ a "Pókember 2" ("Spider-Man 2") filmről - "Kozmosz" mozi
| Nukleáris technológiák | |
|---|---|
| Mérnöki | |
| anyagokat | |
| Atomenergia | |
| nukleáris gyógyszer | |
| Atomfegyver | |
| Energia termékek és iparágak szerinti szerkezet |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Energiaipar: elektromosság |
| |||||||||||||||||||||||||
Minden csillag, beleértve a Napunkat is, termonukleáris fúzióval termel energiát. A tudományos világ bajban van. A tudósok nem ismerik az ilyen fúziós (termonukleáris) összes módját. A könnyű atommagok összeolvadása és nehezebb atommagokká való átalakulása azt jelzi, hogy energiát nyertek, amely lehet szabályozott vagy robbanásveszélyes. Ez utóbbit termonukleáris robbanószerkezetekben használják. A szabályozott termonukleáris folyamat abban különbözik a többi nukleáris energiától, hogy bomlási reakciót alkalmaz, amikor a nehéz atommagokat könnyebb atommagokra osztják, de a deutériumot (2 N) és tríciumot (3 N) használó magreakciókat - fúziót, azaz szabályozott termonukleáris reakciót alkalmaznak. fúzió. A jövőben hélium-3 (3 He) és bór-11 (11 V) alkalmazását tervezik.
Álom
Nem szabad összetéveszteni a hagyományos és jól ismert termonukleáris fúziót azzal, ami a mai fizikusok álma, aminek megtestesülésében még senki sem hisz. Ez bármilyen, akár szobahőmérsékletű nukleáris reakcióra utal. Ezenkívül ez a sugárzás és a hideg termonukleáris fúzió hiánya. Az enciklopédiák azt mondják, hogy az atom-molekuláris (kémiai) rendszerekben zajló magfúziós reakció olyan folyamat, ahol nincs szükség az anyag jelentős felmelegítésére, de az emberiség még nem termelt ilyen energiát. Ez annak ellenére van így, hogy abszolút minden magreakció, amelyben a fúzió megtörténik, plazma állapotú, és hőmérséklete több millió fok.
Jelenleg ez nem is a fizikusok, hanem a science fiction írók álma, ennek ellenére a fejlesztések már régóta és kitartóan zajlanak. Termonukleáris fúzió a folyamatosan kísérő csernobili és fukusimai szint veszélye nélkül – nem nagy cél ez az emberiség javára? A külföldi tudományos irodalom különböző elnevezéseket adott ennek a jelenségnek. Például a LENR az alacsony energiájú nukleáris reakciókat, a CANR pedig a kémiailag indukált (segített) nukleáris reakciókat jelenti. A legkiterjedtebb adatbázisokat képviselő ilyen kísérletek sikeres végrehajtását gyakran hirdették. De vagy a média adott ki egy újabb "kacsát", vagy az eredmények helytelenül megrendezett kísérletekről beszéltek. A hideg termonukleáris fúzió még nem kapott igazán meggyőző bizonyítékot létezésére.
csillag elem
A hidrogén a legelterjedtebb elem az űrben. A Nap tömegének körülbelül a fele és a többi csillag nagy része esik rá. A hidrogén nem csak összetételükben van jelen – sok benne a csillagközi gázban és a gázködökben. A csillagok, köztük a Nap mélyén pedig a termonukleáris fúzió feltételei teremtődnek meg: ott a hidrogénatomok magjai hélium atomokká alakulnak, amelyeken keresztül hatalmas energia keletkezik. A hidrogén a fő forrása. Napunk minden másodpercben négymillió tonna anyagnak megfelelő energiát sugároz az űrbe.
Ezt adja négy hidrogénmag fúziója egy héliummaggá. Egy gramm proton elégésekor a termonukleáris fúzió energiája húszmilliószor több szabadul fel, mint azonos mennyiségű szén elégetésekor. Földi körülmények között a termonukleáris fúzió ereje lehetetlen, mivel a csillagok mélyén létező hőmérsékleteket és nyomásokat az ember még nem uralta. A számítások azt mutatják, hogy Napunk még legalább harmincmilliárd évig nem fog kialudni vagy gyengülni a hidrogén jelenléte miatt. És a Földön az emberek most kezdik megérteni, mi a hidrogénenergia és mi a termonukleáris fúzió reakciója, mivel ezzel a gázzal dolgozni nagyon kockázatos, és rendkívül nehéz tárolni. Az emberiség eddig csak az atomot tudja kettéhasítani. És minden reaktor (nukleáris) ezen az elven épül fel.
Termonukleáris fúzió
Az atomenergia az atomok felhasadásának terméke. A szintézis viszont más módon kap energiát - egymással kombinálva, amikor nem képződik halálos radioaktív hulladék, és egy kis mennyiségű tengervíz is elegendő lenne ugyanannyi energia előállításához, mint amennyit abból nyerünk. két tonna szenet eléget. A világ laboratóriumaiban már bebizonyosodott, hogy az irányított termonukleáris fúzió teljesen lehetséges. Azonban még nem épültek olyan erőművek, amelyek ezt az energiát felhasználnák, még ezek megépítését sem tervezik. De az Egyesült Államok egyedül kétszázötven millió dollárt költött a szabályozott termonukleáris fúzió jelenségének vizsgálatára.
Aztán ezek a tanulmányok szó szerint hiteltelenné váltak. 1989-ben S. Pons (USA) és M. Fleshman (Nagy-Britannia) vegyészek bejelentették az egész világnak, hogy pozitív eredményt értek el, és elindították a termonukleáris fúziót. A probléma az volt, hogy a tudósok túlságosan elhamarkodtak, és nem tették alá felfedezéseiket a tudományos világ felülvizsgálatának. A média azonnal megragadta a szenzációt, és ezt az állítást az évszázad felfedezésének nyilvánította. Az ellenőrzést később végezték el, és nem csak a kísérlet hibáit fedezték fel - ez kudarc volt. És ekkor nem csak az újságírók engedtek a csalódásnak, hanem sok nagy tekintélyű világklasszis fizikus is. A Princeton Egyetem neves laboratóriumai több mint ötvenmillió dollárt költöttek a kísérlet tesztelésére. Így a hideg termonukleáris fúziót, előállítási elvét áltudománynak nyilvánították. Csak a lelkesek kis és szétszórt csoportjai folytatták ezeket a tanulmányokat.
lényeg
Most a kifejezést javasolják lecserélni, és a hideg magfúzió helyett a következő meghatározás fog hangzani: kristályrács által indukált magfolyamat. Ezt a jelenséget anomáliás alacsony hőmérsékletű folyamatoknak kell érteni, amelyek a vákuumban bekövetkező nukleáris ütközések szempontjából egyszerűen lehetetlenek - a neutronok felszabadulása az atommagok fúziója révén. Ezek a folyamatok létezhetnek nem egyensúlyi szilárd anyagokban, amelyeket a kristályrács rugalmas energiájának mechanikai hatások, fázisátalakulások, deutérium (hidrogén) szorpciója vagy deszorpciója hatására stimulálnak. Ez a már jól ismert forró termonukleáris reakció analógja, amikor a hidrogénatommagok egyesülnek és hélium atommagokká alakulnak, és kolosszális energiát szabadítanak fel, de ez szobahőmérsékleten történik.
A hidegfúzió pontosabban kémiailag indukált fotonukleáris reakciókként definiálható. Közvetlen hideg termonukleáris fúziót soha nem sikerült elérni, de a kutatások teljesen más stratégiákat sugalltak. A termonukleáris reakciót neutronok képződése váltja ki. A kémiai reakciókkal végzett mechanikai stimuláció mély elektronhéjak gerjesztéséhez vezet, ami gamma- vagy röntgensugárzást eredményez, amelyet az atommagok elfognak. Vagyis fotonukleáris reakció megy végbe. Az atommagok lebomlanak, és így neutronokat, és nagy valószínűséggel gamma-sugarakat generálnak. Mi gerjesztheti a belső elektronokat? Valószínűleg lökéshullám. A hagyományos robbanóanyagok robbanásából.
Reaktor
A termonukleáris világlobbi több mint negyven éve évente mintegy egymillió dollárt költ a termonukleáris fúzióval kapcsolatos kutatásokra, amelyeket állítólag a TOKAMAK segítségével akarnak megszerezni. Azonban szinte minden haladó tudós ellenzi az ilyen kutatásokat, mivel a pozitív eredmény valószínűleg lehetetlen. Nyugat-Európa és az Egyesült Államok csalódottan megkezdte az összes TOKAMAK szétszerelését. És csak Oroszországban hisznek a csodákban. Bár sok tudós ezt az ötletet a magfúzió ideális fékezési alternatívájának tartja. Mi az a TOKAMAK? Ez az egyik a két fúziós reaktor projektjének, amely egy mágneses tekercsekkel ellátott toroid kamra. És van egy sztellarátor is, amiben a plazmát mágneses térben tartják, de a mágneses teret indukáló tekercsek külsőek, ellentétben a TOKAMAK-kal.
Ez egy nagyon összetett kialakítás. A TOKAMAK összetettségét tekintve igencsak méltó a Nagy Hadronütköztetőhöz: több mint tízmillió elem, az összköltség az építési és projektköltségekkel együtt jelentősen meghaladja a húszmilliárd eurót. Az ütköző sokkal olcsóbb volt, és az ISS fenntartása sem kerül többe. A toroid mágnesek nyolcvanezer kilométernyi szupravezető izzószálat igényelnek, össztömegük meghaladja a négyszáz tonnát, a teljes reaktor tömege pedig körülbelül huszonháromezer tonna. Az Eiffel-torony például alig több mint hétezer. A TOKAMAK plazma nyolcszáznegyven köbméter. Magasság - hetvenhárom méter, ebből hatvan - a föld alatt. Összehasonlításképpen: a Szpasszkaja torony mindössze hetvenegy méter magas. A reaktorplatform területe negyvenkét hektár, mintegy hatvan futballpálya. A plazma hőmérséklete százötvenmillió Celsius-fok. A Nap középpontjában tízszer alacsonyabban van. És mindezt a szabályozott termonukleáris fúzió (forró) érdekében.
Fizikusok és vegyészek
De térjünk vissza Fleshman és Pons „elutasított” felfedezéséhez. Valamennyi kollégájuk azt állítja, hogy mégis sikerült olyan körülményeket teremteni, ahol a deutérium atomok engedelmeskednek a hullámhatásoknak, a nukleáris energia a kvantumterek elméletének megfelelően hő formájában szabadul fel. Ez utóbbi egyébként tökéletesen kidolgozott, de pokolian bonyolult és aligha alkalmazható a fizika egyes konkrét jelenségeinek leírására. Valószínűleg ezért nem akarják bizonyítani az emberek. Flashman bemutatja, hogy egy robbanás okozta vágást a labor betonpadlójában, amelyet állítása szerint hideg fúzió okoz. A fizikusok azonban nem hisznek a kémikusoknak. Vajon miért?
Hiszen mennyi lehetőség zárul be az emberiség számára az ilyen irányú kutatások megszűnésével! A problémák egyszerűen globálisak, és sok van belőlük. És mindegyik megoldást igényel. Ez egy környezetbarát energiaforrás, amelyen keresztül hatalmas mennyiségű radioaktív hulladékot lehetne mentesíteni az atomerőművek működése után, sótalanítani a tengervizet és még sok minden mást. Ha el tudnánk uralni az energiatermelést úgy, hogy a periódusos rendszer egyes elemeit teljesen mássá alakítjuk anélkül, hogy erre a célra indukált radioaktivitást létrehozó neutronfluxusokat használnánk fel. De a tudomány hivatalosan és most is lehetetlennek tartja, hogy bármely kémiai elemet teljesen mássá alakítson át.
Rossi-Parkhomov
2009-ben A. Rossi feltaláló szabadalmaztatta a Rossi Energy Catalyst nevű berendezést, amely hideg termonukleáris fúziót valósít meg. Ezt az eszközt többször is bemutatták a nyilvánosságnak, de független ellenőrzést nem végeztek. Mark Gibbs fizikus a folyóirat oldalain erkölcsileg megsemmisítette mind a szerzőt, mind a felfedezését: objektív elemzés nélkül azt mondják, megerősítve a kapott eredmények egybeesését a bejelentettekkel, ez nem lehet tudományos hír.
Ám 2015-ben Alekszandr Parkhomov sikeresen megismételte Rossi kisenergiájú (hideg) atomreaktorával (LENR) végzett kísérletét, és bebizonyította, hogy ez utóbbinak nagy kilátásai vannak, bár kereskedelmi jelentősége megkérdőjelezhető. A kísérletek, amelyek eredményeit az Összoroszországi Atomerőművek Üzemeltetési Kutatóintézetében tartott szemináriumon mutatták be, azt mutatják, hogy Rossi ötletének legprimitívebb másolata, az atomreaktora két és félszer több energiát képes termelni. mint amennyit fogyaszt.
Energoniva
A legendás magnyitogorszki tudós, A. V. Vachaev megalkotta az Energoniva installációt, amelynek segítségével felfedezte az elemek transzmutációjának és az elektromosság keletkezésének bizonyos hatását ebben a folyamatban. Nehéz volt elhinni. Hiábavaló volt a kísérlet, hogy felhívja az alaptudomány figyelmét erre a felfedezésre. Kritika mindenhonnan jött. Valószínűleg a szerzőknek nem kellett önálló elméleti számításokat készíteniük a megfigyelt jelenségekre vonatkozóan, vagy a magasabb klasszikus iskola fizikusainak jobban oda kellett volna figyelniük a nagyfeszültségű elektrolízissel végzett kísérletekre.
Másrészt azonban egy ilyen összefüggést észleltek: egyetlen detektor sem regisztrált egyetlen sugárzást sem, de nem lehetett a működő létesítmény közelében lenni. A kutatócsoport hat főből állt. Közülük öten hamarosan meghaltak negyvenöt és ötvenöt éves korukban, a hatodik pedig rokkant lett. A halál egy idő után (körülbelül hét-nyolc év) teljesen más okok miatt következett be. És mégis, az Energoniva installációnál a harmadik generáció követői és Vachaev tanítványa kísérleteket végeztek, és azt a feltételezést tették, hogy az elhunyt tudós kísérletei során alacsony energiájú nukleáris reakció játszódik le.
I. S. Filimonyenko
A hideg termonukleáris fúziót a Szovjetunióban már a múlt század ötvenes éveinek végén tanulmányozták. A reaktort Ivan Sztepanovics Filimonyenko tervezte. Azonban senkinek sem sikerült megértenie ennek az egységnek a működési elveit. Éppen ezért hazánk vitathatatlanul vezető pozíciója helyett az atomenergia-technológiák terén a saját természeti erőforrásait értékesítő nyersanyag-függelék helyébe lépett, egész generációkat megfosztva a jövőtől. De a kísérleti üzemet már létrehozták, és meleg fúziós reakciót váltott ki. A sugárzást elnyomó legáttörőbb energiastruktúrák szerzője az irkutszki régió szülötte volt, aki az egész háborút átélte, tizenhat és húsz év közötti cserkészként, rendhordozóként, energikus és tehetséges fizikusként, I. S. Filimonyenkoként.
A hideg típusú termonukleáris fúzió közelebb volt, mint valaha. A meleg fúzió mindössze 1150 Celsius fokos hőmérsékleten ment végbe, és a nehézvíz volt az alap. Filimonyenkotól megtagadták a szabadalmat: állítólag ilyen alacsony hőmérsékleten nukleáris reakció lehetetlen. De a szintézis megvolt! A nehézvizet elektrolízissel deutériumra és oxigénre bontották, a deutériumot a katód palládiumában oldották fel, ahol a magfúziós reakció lezajlott. A termelés hulladékmentes, azaz sugárzásmentes, és a neutronsugárzás sem volt jelen. Csak 1957-ben, Keldysh, Kurchatov és Koroljev akadémikusok támogatását kérve, akiknek tekintélye vitathatatlan, Filimonyenkónak sikerült elindítania a dolgokat.
Hanyatlás
1960-ban, a Szovjetunió Minisztertanácsának és az SZKP Központi Bizottságának titkos rendeletével összefüggésben, a védelmi minisztérium irányítása alatt megkezdődött Filimonyenko találmányának feltalálása. A kísérletek során a kutató felfedezte, hogy a reaktor működése során valamilyen sugárzás jelenik meg, ami nagyon gyorsan csökkenti az izotópok felezési idejét. Fél évszázadba telt, mire megértették ennek a sugárzásnak a természetét. Most már tudjuk, mi az - neutrónium dineutróniummal. Aztán 1968-ban a munka gyakorlatilag leállt. Filimonyenkot politikai hűtlenséggel vádolták.
1989-ben a tudóst rehabilitálták. Installációit a Luch NPO-ban kezdték újra létrehozni. De a dolog nem ment tovább a kísérleteknél – nem volt idejük. Az ország elpusztult, és az új orosznak nem maradt ideje az alaptudományra. A huszadik század egyik legjobb mérnöke 2013-ban halt meg anélkül, hogy látta volna az emberiség boldogságát. A világ emlékezni fog Ivan Sztepanovics Filimonyenkora. A hideg termonukleáris fúziót egyszer majd létrehozzák követői.
A Princeton Plazmafizikai Laboratórium tudósai a legtartósabb magfúziós eszköz ötletét javasolták, amely több mint 60 évig képes működni. Jelenleg ez ijesztő feladat: a tudósok azért küzdenek, hogy egy fúziós reaktort néhány percre – majd évekre – működőképessé tegyenek. A bonyolultság ellenére a fúziós reaktor megépítése a tudomány egyik legígéretesebb feladata, amely nagy haszonnal járhat. Elmondjuk, mit kell tudni a termonukleáris fúzióról.
1. Mi az a termonukleáris fúzió?
Ne féljen ettől a nehézkes kifejezéstől, valójában minden nagyon egyszerű. A termonukleáris fúzió a nukleáris reakció egy fajtája.
A magreakció során az atommag kölcsönhatásba lép vagy egy elemi részecskével, vagy egy másik atom magjával, aminek következtében az atommag összetétele és szerkezete megváltozik. Egy nehéz atommag két vagy három könnyebb atommagra bomlik – ez egy hasadási reakció. Van egy fúziós reakció is: ilyenkor két könnyű atommag egyesül egy nehéz atommaggá.
A maghasadástól eltérően, amely spontán és kényszerből is végbemehet, a magfúzió nem lehetséges külső energiaellátás nélkül. Tudniillik az ellentétek vonzzák egymást, de az atommagok pozitív töltésűek – tehát taszítják egymást. Ezt a helyzetet Coulomb-gátnak nevezik. A taszítás leküzdéséhez ezeket a részecskéket őrült sebességre kell szétszórni. Ez nagyon magas, több millió kelvin nagyságrendű hőmérsékleten is megtehető. Ezeket a reakciókat nevezzük termonukleárisnak.
2. Miért van szükségünk termonukleáris fúzióra?
A nukleáris és termonukleáris reakciók során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, amelyet különféle célokra lehet felhasználni - létrehozhatja a legerősebb fegyvert, vagy átalakíthatja az atomenergiát elektromos árammá, és elláthatja az egész világot. A nukleáris bomlási energiát régóta használják az atomerőművekben. De a termonukleáris energia ígéretesebbnek tűnik. Termonukleáris reakcióban minden egyes nukleonhoz (az úgynevezett alkotómagokhoz, protonokhoz és neutronokhoz) sokkal több energia szabadul fel, mint egy magreakcióban. Például mikor egy uránmag hasadása nukleononként 0,9 MeV (megaelektronvolt), és amikorA héliummag szintézise során a hidrogénatommagokból 6 MeV-nak megfelelő energia szabadul fel. Ezért a tudósok megtanulják termonukleáris reakciókat végrehajtani.
A fúziós kutatás és a reaktorok építése lehetővé teszi a csúcstechnológiás termelés kiterjesztését, ami a tudomány és a csúcstechnológia más területein is hasznos.
3. Mik azok a termonukleáris reakciók?
A termonukleáris reakciókat önfenntartó, ellenőrizetlen (hidrogénbombákban használt) és irányított (békés célokra alkalmas) reakciókra osztják.
Önfenntartó reakciók mennek végbe a csillagok belsejében. A Földön azonban nincsenek feltételek ahhoz, hogy ilyen reakciók végbemenjenek.
Az emberek már régóta végeznek ellenőrizetlen vagy robbanásveszélyes termonukleáris fúziót. 1952-ben, az Evie Mike hadművelet során az amerikaiak felrobbantották a világ első termonukleáris robbanószerkezetét, amelynek fegyverként nem volt gyakorlati értéke. 1961 októberében pedig tesztelték a világ első termonukleáris (hidrogén) bombáját (Cár Bomba, Kuzkin anyja), amelyet szovjet tudósok fejlesztettek ki Igor Kurchatov vezetésével. Ez volt az emberiség történetének legerősebb robbanószerkezete: a robbanás teljes energiája különböző források szerint 57 és 58,6 megatonna TNT között mozgott. A hidrogénbomba felrobbantásához először magas hőmérsékletet kell elérni egy hagyományos nukleáris robbanás során - csak ezután kezdenek el reagálni az atommagok.
A robbanás ereje egy ellenőrizetlen nukleáris reakcióban nagyon nagy, emellett magas a radioaktív szennyeződés aránya. Ezért a termonukleáris energia békés célú felhasználásához meg kell tanulni a kezelését.
4. Mi szükséges a szabályozott termonukleáris reakcióhoz?
Tartsd a plazmát!
Homályos? Most magyarázzuk el.
Először is az atommagok. Az atomenergia izotópokat használ - olyan atomokat, amelyek különböznek egymástól a neutronok számában és ennek megfelelően az atomtömegben. A deutérium (D) hidrogénizotópot vízből vonják ki. A szupernehéz hidrogén vagy trícium (T) a hidrogén radioaktív izotópja, amely a hagyományos atomreaktorokban végzett bomlási reakciók mellékterméke. A termonukleáris reakciókban is a hidrogén könnyű izotópját, a protiumot használják: ez az egyetlen stabil elem, amelynek nincs neutronja az atommagban. A hélium-3 elhanyagolható mennyiségben található meg a Földön, de a Hold talajában (regolitban) igen nagy mennyiségben fordul elő: a 80-as években a NASA kidolgozott egy tervet a regolit és az izotópkinyerés feldolgozására szolgáló hipotetikus létesítményekre. Másrészt egy másik izotóp, a bór-11 elterjedt bolygónkon. A Földön található bór 80%-a a nukleáris tudósok számára szükséges izotóp.
Másodszor, a hőmérséklet nagyon magas. A termonukleáris reakcióban részt vevő anyagnak szinte teljesen ionizált plazmának kell lennie - ez egy olyan gáz, amelyben a szabad elektronok és a különböző töltésű ionok külön-külön lebegnek. Egy anyag plazmává alakításához 10 7 -10 8 K hőmérséklet szükséges - ezek több százmillió Celsius fok! Ilyen ultramagas hőmérséklet érhető el nagy teljesítményű elektromos kisülések létrehozásával a plazmában.
A szükséges kémiai elemeket azonban lehetetlen egyszerűen felmelegíteni. Ezen a hőmérsékleten minden reaktor azonnal elpárolog. Itt teljesen más megközelítésre van szükség. A mai napig lehetőség van a plazma korlátozott területen tartására nagy teljesítményű elektromos mágnesek segítségével. De a termonukleáris reakció eredményeként kapott energiát még nem sikerült maradéktalanul hasznosítani: a plazma még mágneses tér hatására is szétterül az űrben.
5. Mely reakciók a legígéretesebbek?
Az irányított fúzióhoz tervezett fő nukleáris reakciók deutériumot (2H) és tríciumot (3H), hosszabb távon pedig hélium-3-at (3He) és bór-11-et (11B) használnak.
Így néznek ki a legérdekesebb reakciók.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - deutérium-trícium reakció.
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% az úgynevezett deutérium-monohajtóanyag.
Az 1. és 2. reakció tele van radioaktív neutronszennyezéssel. Ezért a "neutronmentes" reakciók a legígéretesebbek.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - a deutérium reagál a hélium-3-mal. A probléma az, hogy a hélium-3 rendkívül ritka. A neutronmentes hozam azonban ígéretessé teszi ezt a reakciót.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - a bór-11 reakcióba lép a protiummal, így alfa-részecskék keletkeznek, amelyeket az alufólia képes elnyelni.
6. Hol lehet ilyen reakciót végrehajtani?
A természetes fúziós reaktor a csillag. Ebben a plazmát a gravitáció hatása alatt tartják, és a sugárzás elnyelődik - így a mag nem hűl le.
A Földön termonukleáris reakciókat csak speciális létesítményekben lehet végrehajtani.
impulzusrendszerek. Az ilyen rendszerekben a deutériumot és a tríciumot ultranagy teljesítményű lézersugárral vagy elektron-/ionsugárral sugározzák be. Az ilyen besugárzás termonukleáris mikrorobbanások sorozatát okozza. Az ilyen rendszerek ipari méretekben történő alkalmazása azonban veszteséges: sokkal több energiát fordítanak az atomok gyorsítására, mint amennyi a fúzió eredményeként keletkezik, mivel nem minden felgyorsult atom lép reakcióba. Ezért sok országban kvázi-stacionárius rendszereket építenek.
Kvázi-stacionárius rendszerek. Az ilyen reaktorokban a plazmát mágneses tér tartja alacsony nyomáson és magas hőmérsékleten. Háromféle reaktor létezik, amelyek különböző mágneses mező konfigurációkon alapulnak. Ezek a tokamak, a sztellarátorok (torzatronok) és a tükörcsapdák.
tokamak jelentése "toroidális kamra mágneses tekercsekkel". Ez egy "fánk" (tórusz) formájú kamera, amelyre tekercsek vannak feltekerve. A tokamak fő jellemzője a váltakozó elektromos áram alkalmazása, amely átfolyik a plazmán, felmelegíti azt, és mágneses teret hozva létre maga körül, megtartja azt.
NÁL NÉL sztellarátor (torzatron) a mágneses mezőt teljesen magukba foglalják a mágnestekercsek, és a tokamaktól eltérően folyamatosan működtethető.
W tükör (nyitott) csapdák a tükrözés elvét alkalmazzák. A kamrát mindkét oldalon mágneses "dugók" zárják le, amelyek visszaverik a plazmát, és a reaktorban tartják.
Hosszú ideig a tükörcsapdák és a tokamakok küzdöttek a fölényért. Kezdetben a csapda koncepciója egyszerűbbnek és ezért olcsóbbnak tűnt. A 60-as évek elején a nyitott csapdákat jelentős mértékben finanszírozták, de a plazma instabilitása és a sikertelen kísérletek mágneses térrel visszatartani ezeket a berendezéseket bonyolultabbá kényszerítették - a látszólag egyszerű tervek pokolgépekké változtak, és nem sikerült elérni stabil eredmény. Ezért az 1980-as években a tokamakok kerültek előtérbe. 1984-ben indult útjára az európai JET tokamak, amelynek költsége mindössze 180 millió dollár volt, és paraméterei lehetővé tették a termonukleáris reakció végrehajtását. A Szovjetunióban és Franciaországban szupravezető tokamakat terveztek, amelyek szinte nem fordítottak energiát a mágneses rendszer működésére.
7. Ki tanul most termonukleáris reakciókat?
Sok ország saját fúziós reaktort épít. Kísérleti reaktorok vannak Kazahsztánban, Kínában, az USA-ban és Japánban. A Kurchatov Intézet az IGNITOR reaktoron dolgozik. Németország elindította a Wendelstein 7-X sztellarátoros fúziós reaktort.
A leghíresebb nemzetközi projekt az ITER tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) a Cadarache Research Centerben (Franciaország). Építését 2016-ban kellett volna befejezni, de a szükséges anyagi támogatás összege megnőtt, a kísérletek időpontja pedig 2025-re tolódott. Az ITER tevékenységében az Európai Unió, az USA, Kína, India, Japán, Dél-Korea és Oroszország vesz részt. A finanszírozásban a fő részesedést az EU játssza (45%), a többi résztvevő high-tech berendezéseket szállít. Oroszország különösen szupravezető anyagokat és kábeleket, rádiócsöveket plazmafűtéshez (girotron) és biztosítékokat szupravezető tekercsekhez, valamint a reaktor legbonyolultabb részéhez - az első falhoz - alkatrészeket gyárt, amelyeknek ellenállniuk kell az elektromágneses erőknek, a neutronsugárzásnak és plazmasugárzás.
8. Miért nem használunk még mindig termonukleáris reaktorokat?
A modern tokamak létesítmények nem termonukleáris reaktorok, hanem olyan kutató létesítmények, amelyekben a plazma léte és megőrzése csak egy ideig lehetséges. A tény az, hogy a tudósok még nem tanulták meg, hogyan kell a plazmát hosszú ideig a reaktorban tartani.
Jelenleg az egyik legnagyobb eredmény a magfúzió területén a német tudósok sikere, akiknek sikerült 80 millió Celsius-fokra felmelegíteniük a hidrogéngázt, és negyed másodpercig fenntartani a hidrogénplazma felhőjét. Kínában pedig a hidrogénplazmát 49,999 millió fokra melegítették, és 102 másodpercig tartották. A (Novoszibirszk, G. I. Budker Nukleáris Fizikai Intézet) orosz tudósainak sikerült elérniük a plazma stabil felmelegedését akár tízmillió Celsius-fokra. Az amerikaiak azonban a közelmúltban javasoltak egy módszert a plazma 60 évre történő elzárására – és ez optimizmusra ad okot.
Ezenkívül viták vannak a fúzió ipari jövedelmezőségét illetően. Nem ismert, hogy a villamosenergia-termelés előnyei ellensúlyozzák-e a fúzió költségeit. Javasoljuk, hogy kísérletezzenek reakciókkal (például hagyják fel a hagyományos deutérium-trícium vagy monopropeláns reakciót más reakciók helyett), szerkezeti anyagokkal - vagy akár az ipari termonukleáris fúzió ötletét is, csak az egyedi hasadási reakciókhoz használják. reakciók. A tudósok azonban továbbra is kísérleteznek.
9. Biztonságosak a fúziós reaktorok?
Viszonylag. A termonukleáris reakciókban használt trícium radioaktív. Ezenkívül a fúzió eredményeként felszabaduló neuronok besugározzák a reaktor szerkezetét. Magukat a reaktor elemeit a plazma becsapódása miatt radioaktív por borítja.
A fúziós reaktor azonban sugárzás szempontjából sokkal biztonságosabb, mint egy atomreaktor. A reaktorban viszonylag kevés radioaktív anyag található. Ezenkívül maga a reaktor kialakítása feltételezi a "lyukak" hiányát, amelyeken keresztül a sugárzás szivároghat. A reaktor vákuumkamráját le kell zárni, különben a reaktor egyszerűen nem tud működni. A termonukleáris reaktorok építése során atomenergiával tesztelt anyagokat használnak, a helyiségekben csökkentett nyomást tartanak fenn.
Mikor jelennek meg a fúziós erőművek?
A tudósok legtöbbször olyasmit mondanak, hogy „20 év múlva minden alapvető kérdést megoldunk”. Az atommérnökök a 21. század második feléről beszélnek. A politikusok egy fillérért tiszta energia tengeréről beszélnek, anélkül, hogy a datolyákkal bajlódnának.
Hogyan keresik a tudósok a sötét anyagot a Föld belsejében
Több száz millió évvel ezelőtt a Föld felszíne alatt található ásványok egy titokzatos anyag nyomait őrizhették meg. Már csak el kell jutni hozzájuk. A világon szétszórtan több mint két tucat földalatti laboratórium keresi a sötét anyagot.
Hogyan segítettek a szibériai tudósok egy embernek a csillagok felé repülni
Jurij Gagarin 1961. április 12-én hajtotta végre az első repülést az űrbe – a pilóta jókedvű mosolyával és vidám „Menjünk!” a szovjet űrhajózás diadala lett. Ahhoz, hogy ez a repülés megtörténjen, a tudósok az egész országban azon törték a fejüket, hogyan készítsenek egy ilyen rakétát, amely ellenáll a feltáratlan űr minden veszélyének – itt a Tudományos Akadémia szibériai részlegének tudósainak ötletei. nem nélkülözte.
Az atomenergia négy fő forrása közül mára csak kettő került ipari megvalósításba: a radioaktív bomlás energiáját a jelenlegi forrásokban, a hasadási láncreakciót pedig az atomreaktorokban hasznosítják. A harmadik nukleáris energiaforrás - az elemi részecskék megsemmisítése még nem hagyta el a fantázia birodalmát. A negyedik forrás szabályozott termonukleáris fúzió, UTS, napirenden van. Bár ez a forrás potenciálját tekintve kisebb a harmadiknál, de jelentősen meghaladja a másodikat.
A termonukleáris fúzió laboratóriumi körülmények között meglehetősen egyszerűen megvalósítható, de eddig nem sikerült elérni az energia újratermelését. Azonban ez irányú munka folyik, és radiokémiai módszereket is fejlesztenek, elsősorban az UTS-létesítmények trícium-üzemanyagának előállítására szolgáló technológiákat.
Ez a fejezet a termonukleáris fúzió néhány radiokémiai vonatkozását tárgyalja, és tárgyalja a CTS-létesítmények atomenergia-iparban való felhasználásának kilátásait.
Irányított termonukleáris fúzió- könnyű atommagok nehezebb atommagokká való fúziójának reakciója, amely szupermagas hőmérsékleten megy végbe, és hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával jár. Ellentétben a robbanó termonukleáris fúzióval (a hidrogénbombában használják), ez irányított. A szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítására tervezett fő nukleáris reakciókban a -H és a 3 H, a távolabbi jövőben pedig a 3 He és a „B.
A szabályozott termonukleáris fúzió reményei két körülményhez kapcsolódnak: i) feltételezik, hogy a csillagok egy álló termonukleáris reakció miatt léteznek, és 2) egy szabályozatlan termonukleáris folyamat egész egyszerűen megvalósult egy hidrogénbomba robbanásában. Úgy tűnik, hogy nincs alapvető akadálya a szabályozott magfúziós reakció fenntartásának. Az intenzív kísérletek azonban a CTS laboratóriumi körülmények között, energianöveléssel történő megvalósítására teljes kudarccal végződtek.
A TCF-re azonban ma már fontos technológiai megoldásnak tekintik a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítését az energiatermelésben. A villamosenergia-termelés növelését igénylő világméretű energiaszükséglet és a nem megújuló nyersanyagok kimeríthetősége új megoldások keresését ösztönzi.
A termonukleáris reaktorok a könnyű atommagok fúziója során felszabaduló energiát használják fel. Emlékeztet:
A trícium és deutérium magok fúziós reakciója ígéretes a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósításához, mivel keresztmetszete alacsony energiák mellett is meglehetősen nagy. Ez a reakció 3,5-11 J/g fajlagos fűtőértéket biztosít. A D+T=n+a főreakció a legnagyobb keresztmetszetű o t ah=5 pajta rezonancia deuteron energián E pSh x= 0,108 MeV, összehasonlítva a D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn reakciókkal; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 pajta; E max = 2,0 MeV, valamint a reakciónál 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotax= 0,4 MeV. Az utolsó reakcióban 18,4 MeV szabadul fel. A (3) reakcióban az energiák összege n+a egyenlő 17,6 MeV, a keletkező neutronok energiája n = 14,1 MeV; a keletkező a-részecskék energiája pedig 3,5 MeV. Ha a T(d,n)a és:) He(d,p)a reakciókban a rezonanciák meglehetősen szűkek, akkor a D(d,n)3He és D(d,p)T reakciókban nagyon szélesek rezonanciák nagy értékű keresztmetszetek a régióban 1-10 MeV és lineáris növekedés 0,1 MeV-1 MeV.
Megjegyzés. A könnyen gyulladó DT tüzelőanyag problémája az, hogy a trícium nem található meg a természetben, és azt a fúziós reaktor tenyésztőköpenyében lévő lítiumból kell előállítani; a trícium radioaktív (Ti/ 2 =12,6 év), a DT-reaktor rendszer 10-10 kg tríciumot tartalmaz; A DT-reakció energiájának 80%-a 14 MeV-os neutronokkal szabadul fel, amelyek mesterséges radioaktivitást indukálnak a reaktorszerkezetekben és sugárzási károsodást okoznak.
ábrán. Az 1. ábra a reakciókeresztmetszetek energiafüggését mutatja (1 - h). Az (1) és (2) reakciók keresztmetszete grafikonjai gyakorlatilag megegyeznek - az energia növekedésével a keresztmetszet növekszik, és nagy energiáknál a reakció valószínűsége állandó értékre hajlik. A (3) reakció keresztmetszete először növekszik, 90 MeV nagyságrendű energiáknál eléri a maximum 10 barn-ot, majd az energia növekedésével csökken.
Rizs. 1. Néhány termonukleáris reakció keresztmetszete a részecske energia függvényében a tömegközéppontban rendszer: 1 - magreakció (3); 2 - (1) és (2) reakció.
A tríciummagok gyorsított deuteronokkal történő bombázása során a nagy szórási keresztmetszet miatt a termonukleáris fúziós folyamat D - T reakció szerinti energiamérlege negatív lehet, mert több energiát fordítanak a deuteronok gyorsítására, mint amennyi a fúzió során felszabadul. Pozitív energiamérleg akkor lehetséges, ha a bombázó részecskék rugalmas ütközés után ismét részt tudnak venni a reakcióban. Az elektromos taszítás leküzdéséhez az atommagoknak nagy kinetikus energiával kell rendelkezniük. Ezeket a feltételeket magas hőmérsékletű plazmában lehet létrehozni, amelyben az atomok vagy molekulák teljesen ionizált állapotban vannak. Például a D-T reakció csak 10 8 K feletti hőmérsékleten kezd lezajlani. Csak ilyen hőmérsékleten több energia szabadul fel egységnyi térfogatra és időegységre vetítve, mint amennyit elhasználunk. A CTS két probléma megoldásából áll: az anyagot melegítjük megfelelő hőmérsékleten és elegendő ideig tartva a termonukleáris tüzelőanyag észrevehető részének „elégetéséhez”.
Úgy gondolják, hogy a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítható, ha a Lawson-kritérium teljesül (lt>10’4 s cm-z, ahol P - a magas hőmérsékletű plazma sűrűsége, t - a rendszerben való retenció ideje).
Ha ez a kritérium teljesül, a CTS során felszabaduló energia meghaladja a rendszerbe bevitt energiát.
A plazmát egy adott térfogaton belül kell tartani, mert a szabad térben a plazma azonnal kitágul. A magas hőmérséklet miatt a plazmát egyikből sem lehet tartályba helyezni
anyag. A plazma visszatartásához nagy erősségű mágneses mezőt kell használni, amelyet szupravezető mágnesekkel hoznak létre.
Rizs. 2. Egy tokamak sematikus diagramja.
Ha nem tűzi ki célul az energianyereség elérését, akkor laboratóriumi körülmények között meglehetősen egyszerű a CTS megvalósítása. Ehhez elegendő egy lítium-deuterid ampullát leengedni bármely, az uránhasadási reakción működő lassú reaktor csatornájába (használhat természetes izotóp összetételű lítiumot (7% 6 Li), de jobb, ha stabil izotóppal dúsított 6 Li). A termikus neutronok hatására a következő nukleáris reakció megy végbe:
A reakció eredményeként "forró" trícium atomok keletkeznek. A trícium visszapattanó atomjának energiája (~3 MeV) elegendő a trícium és a LiD-ben található deutérium kölcsönhatásának reakciójához:
Energetikai célokra ez a módszer nem alkalmas: a folyamat energiaköltsége meghaladja a felszabaduló energiát. Ezért más lehetőségeket kell keresni a CTS megvalósítására, olyan lehetőségeket, amelyek nagy energianyereséget biztosítanak.
Megpróbálják megvalósítani a CTS-t energianöveléssel vagy kvázi-stacionáriusban (t > 1 s, tg> látod: "Ó, vagy impulzusrendszerekben (t * io -8 s, n>u 22 cm*h). Az előbbiekben (tokamak, sztellarátor, tükörcsapda stb.) a plazmát különböző konfigurációjú mágneses mezőkbe zárják és termikusan izolálják. Az impulzusos rendszerekben a plazma úgy jön létre, hogy egy szilárd célpontot (deutérium és trícium keverékének szemcséit) erős lézer- vagy elektronsugarak fókuszált sugárzásával sugározzák be: amikor kis szilárd céltárgyak nyalábja találja el a fókuszt, termonukleáris mikrorobbanások sorozata következik be. bekövetkezik.
A különféle plazmaelzáró kamrák közül egy toroid alakú kamra ígéretes. Ebben az esetben a plazma a toroid kamrában elektród nélküli gyűrűs kisüléssel jön létre. A tokamaknál a plazmában indukált áram mintegy a transzformátor szekunder tekercse. A mágneses mezőt a plazma megtartása közben a kamra körüli tekercsen átfolyó áram és a plazmában indukált áram egyaránt létrehozza. A stabil plazma eléréséhez külső hosszanti mágneses mezőt használnak.
A termonukleáris reaktor olyan berendezés, amely a plazmában nagyon magas hőmérsékleten (> 0 8 K) lejátszódó könnyű atommagok fúziós reakcióiból eredő energiát állít elő. A fő követelmény, amelyet egy termonukleáris reaktornak teljesítenie kell, az, hogy az energia felszabaduljon
A termonukleáris reakciók több mint kompenzálták a reakció fenntartásához szükséges külső forrásokból származó energiaköltségeket.
Rizs. h. A reaktor fő alkotóelemei szabályozott termonukleáris fúzióhoz.
A TOKAMAK típusú termonukleáris reaktor (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) egy vákuumkamrából, amely egy csatornát képez, ahol a plazma kering, mezőt létrehozó mágnesekből és plazma fűtőrendszerekből áll. Ehhez társulnak vákuumszivattyúk, amelyek folyamatosan szivattyúzzák ki a gázokat a csatornából, egy tüzelőanyag-szállító rendszer, amikor az kiég, és egy terelő - egy olyan rendszer, amelyen keresztül a termonukleáris reakció eredményeként nyert energiát eltávolítják a reaktorból. A toroid plazma vákuumhéjban van. a-A plazmában a termonukleáris fúzió eredményeként képződő és abban elhelyezkedő részecskék növelik annak hőmérsékletét. A neutronok behatolnak a vákuumkamra falán egy folyékony lítiumot vagy 6 Li-ben dúsított lítiumvegyületet tartalmazó takaró zónájába. A lítiummal való kölcsönhatás során a neutronok kinetikus energiája hővé alakul, és egyidejűleg trícium is keletkezik. A takarót egy speciális héjba helyezik, amely megvédi a mágnest a kibocsátott neutronoktól, az y-sugárzástól és a hőáramoktól.
A tokamak típusú eszközökben a plazma egy toroid kamrában jön létre elektróda nélküli gyűrűs kisüléssel. Ebből a célból a plazmakötegben elektromos áramot hoznak létre, ugyanakkor saját mágneses mezővel rendelkezik - maga a plazmaköteg mágnessé válik. Mostantól egy bizonyos konfigurációjú külső mágneses mező segítségével fel lehet függeszteni egy plazmafelhőt a kamra közepén, megakadályozva, hogy az hozzáérjen a falakhoz.
Divertor - eszközkészlet (speciális poloid mágneses tekercsek; plazmával érintkező panelek - plazma semlegesítők), amelyek segítségével a fal és a plazma közvetlen érintkezési területe maximálisan eltávolítható a fő forró plazmából. A hő eltávolítására szolgál a plazmából töltött részecskék áramlása formájában, és kiszivattyúzza a divertorlemezeken semlegesített reakciótermékeket: héliumot és protiumot. Megtisztítja a plazmát a fúziós reakciót zavaró szennyeződésektől.
A termonukleáris reaktort teljesítményerősítési tényező jellemzi, amely megegyezik a reaktor hőteljesítményének és az előállítási költség teljesítményének arányával. A reaktor hőteljesítménye összeadódik:
- - a plazmában a termonukleáris reakció során felszabaduló teljesítményből;
- - abból a teljesítményből, amelyet a plazmába vezetnek be, hogy fenntartsák a termonukleáris reakció égési hőmérsékletét vagy a plazmában lévő állóáramot;
- - a takaróban felszabaduló erőből - a plazmát körülvevő héj, amelyben a termonukleáris neutronok energiája hasznosul, és amely a mágnestekercsek sugárzás elleni védelmét szolgálja. Takaró fúziós reaktor - a termonukleáris reaktor egyik fő része, a plazmát körülvevő speciális héj, amelyben termonukleáris reakciók mennek végbe, és amely a termonukleáris neutronok energiájának hasznosítására szolgál.
A takaró minden oldalról befedi a plazmagyűrűt, és a D-T fúzió során megszületett fő energiahordozók - 14-MeV neutronok - adják a takarónak), felmelegítik A takaró hőcserélőket tartalmaz, amelyeken keresztül víz áramlik át Erőművi gőz forog a gőzturbina, és ő - a generátor forgórésze.
A takaró fő feladata az energia begyűjtése, hővé alakítása és áramtermelő rendszerekbe történő átadása, valamint a kezelők és a környezet védelme a termonukleáris reaktor által keltett ionizáló sugárzástól. A termonukleáris reaktorban a takaró mögött egy sugárvédelmi réteg található, melynek feladata az elektromágneses rendszer működőképességének biztosítása érdekében az anyaggal való reakciók során keletkező neutronfluxus és y-kvantumok további csillapítása. Ezt követi a biológiai védelem, amiért az állomás személyzete dolgozhat.
"Aktív" takaró - tenyésztő, amelyet a termonukleáris üzemanyag egyik összetevőjének előállítására terveztek. A tríciumot fogyasztó reaktorokban a takaró olyan tápanyagokat (lítiumvegyületeket) tartalmaz, amelyeket a trícium hatékony előállítására terveztek.
A termonukleáris reaktor deutérium-trícium tüzelőanyaggal történő működtetésekor szükséges a reaktorban lévő üzemanyag mennyiségének (D + T) utánpótlása és a 4He eltávolítása a plazmából. A plazmában zajló reakciók eredményeként a trícium kiég, és a fúziós energia nagy része neutronokba kerül, amelyek számára a plazma átlátszó. Ez ahhoz vezet, hogy a plazma és az elektromágneses rendszer közé egy speciális zónát kell elhelyezni, amelyben az éghető trícium reprodukálódik és a neutronenergiák nagy része elnyelődik. Ezt a területet tenyésztő takarónak nevezik. A plazmában elégetett tríciumot reprodukálja.
A takaróban lévő trícium előállítható lítium neutronáramokkal történő besugárzásával a magreakciók szerint: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV és 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.
A trícium lítiumból történő előállításánál figyelembe kell venni, hogy a természetes lítium két izotópból áll: 6 Li (7,52%) és 7 Li (92,48%). A tiszta 6 Li 0 = 945 barn termikus neutronok abszorpciós keresztmetszete, a reakció aktiválási keresztmetszete (p, p) 0,028 barn. A természetes lítiumban az urán hasadása során keletkező neutronok eltávolításának keresztmetszete 1,01 barn, a termikus neutronok abszorpciójának keresztmetszete pedig körülbelül a = 70,4 barn.
Az y-sugárzás energiaspektrumait a termikus neutronok 6 Li sugárzási befogása során a következő értékekkel jellemezzük: .94 MeV. teljes energia
D-T tüzelőanyaggal működő termonukleáris reaktorban a reakció eredményeként:
A neutronbefogásonkénti y-sugárzás 1,45 MeV. 7 Li esetében az abszorpciós keresztmetszete 0,047 barn, az aktiválási keresztmetszete pedig 0,033 barn (2,8 MeV feletti neutronenergiáknál). A természetes összetételű LiH hasadási neutronok eltávolításának keresztmetszete = 1,34 barn, fémes Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.
termonukleáris neutronok képződnek, amelyek a plazma térfogatát elhagyva a lítiumot és berilliumot tartalmazó takaró tartományba esnek, ahol a következő reakciók mennek végbe:
Így a fúziós reaktor a deutériumot és a lítiumot égeti el, és a reakciók eredményeként az inert gáz hélium képződik.
A plazmában a D-T reakció során a trícium kiég, és 14,1 MeV energiájú neutron keletkezik. Egy takaróban ennek a neutronnak legalább egy trícium atomot kell generálnia, hogy fedezze a plazmaveszteségét. A trícium szaporodási sebessége nak nek("a takaróban képződő trícium mennyisége egy beeső termonukleáris neutrononként") függ a takaró neutronspektrumától, a neutronelnyelés és -szivárgás nagyságától. k> 1,05.
Rizs. 4. ábra A tríciumképződés magreakcióinak keresztmetszetének függőségei a neutronenergiától: 1 - reakció 6 Li (n, t) ‘» He, 2 – reakció 7 Li (n, n’, 0 4 He.
A 6 Li atommag esetében a trícium képződésével járó termikus neutronok abszorpciós keresztmetszete nagyon nagy (953 barn 0,025 eV-on). Alacsony energiáknál a neutronelnyelési keresztmetszet Li-ben követi a törvényt (l/u), és a természetes lítium esetében eléri a 71 barn-ot a termikus neutronoknál. 7 Li esetében a neutronokkal való kölcsönhatás keresztmetszete csak 0,045 barn. Ezért a tenyésztő teljesítményének növelése érdekében a természetes lítiumot dúsítani kell a 6Li izotóppal. Az izotópkeverék 6 Li-tartalmának növekedése azonban csekély hatással van a trícium szaporodási arányára: 5%-os növekedés tapasztalható, ha a 6 Li izotópban való dúsulás 50%-ra nő a keverékben. A reakcióban 6 Li(n, T)» Nem minden lelassult neutron nyelődik el. A termikus régióban az erős abszorpció mellett van egy kis abszorpció (
A 6 Li(n,T) 4 He reakció keresztmetszetének a neutronenergiától való függését a ábra mutatja. 7. Mint sok más magreakcióra jellemző, a 6 Li(n,f) 4 He reakció keresztmetszete a neutronenergia növekedésével csökken (kivéve a 0,25 MeV-os rezonanciát).
Az αLi izotópon trícium képződéssel járó reakció gyors neutronokkal megy végbe, αn>2,8 MeV energiával. Ebben a reakcióban
trícium keletkezik, és nincs neutronveszteség.
A 6 Li magreakciója nem képes a trícium kiterjesztett szaporodására, és csak a kiégett tríciumot kompenzálja
Az A1l-re történő reakció eredményeképpen minden elnyelt neutronhoz egy tríciummag jelenik meg, és ez a neutron regenerálódik, amely a lassítás során abszorbeálódik, és egy további tríciummagot ad.
Megjegyzés. A természetes Li-ben a trícium szaporodási együtthatója nak nek"2. Li esetén LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1,1; 1.05 és i.6. Az olvadt só LiF (66%) + BeF 2 (34%) az úgynevezett flyb ( FLiBe), használata előnyösebb a biztonság és a tríciumveszteség csökkentése szempontjából.
Mivel a D-T reakció nem minden neutronja vesz részt a trícium atom kialakulásában, az elsődleges neutronokat (14,1 MeV) az (n, 2n) vagy (n, cn) reakció segítségével meg kell szorozni azokon az elemeken, amelyek rendelkeznek kellően nagy keresztmetszet gyors neutronok kölcsönhatása során, például y Be, Pb, Mo, Nb és sok más anyagon Z> 25. A berillium esetében a küszöbérték (n, 2 P) reakciók 2,5 MeV; 14 MeV-nál 0=0,45 pajta. Ennek eredményeként a takaró folyékony vagy kerámia lítiummal (LiA10 2) tartalmazó változataiban elérhető nak nek* 1,1+1,2. Ha a reaktorkamrát urántakaró veszi körül, a neutronszaporodás jelentősen megnőhet a hasadási reakciók és (n, 2n), (n, zl) reakciók miatt.
Megjegyzés 1. A lítium neutronos besugárzással indukált aktivitása gyakorlatilag hiányzik, mivel a keletkező 8 Li radioaktív izotóp (12,7 MeV energiájú cr-sugárzás és ~6 MeV energiájú /?-sugárzás) nagyon rövid ideig tart. felezési idő - 0,875 s. A lítium alacsony aktivációja és rövid felezési ideje elősegíti a növény biológiai védelmét.
Megjegyzés 2. A termonukleáris DT-reaktor burkolatában lévő trícium aktivitása ~*10 6 Ci, így a DT-üzemanyag alkalmazása nem zárja ki a csernobili több százalékos léptékű baleset elméleti lehetőségét. (a kiadás 510 7 Ci volt). A trícium felszabadulása T 2 0 képződésével radioaktív kicsapódáshoz, a trícium talajvízbe, víztestekbe, élő szervezetekbe, növényekbe, végső soron az élelmiszerekben történő felhalmozódásához vezethet.
Komoly problémát jelent a tenyésztő anyag és adalékanyag megválasztása. A tenyésztő anyagának biztosítania kell a lítium tríciummá való nagy százalékos átalakulását, és az utóbbi könnyű extrakcióját az üzemanyag-előkészítő rendszerbe történő későbbi átvitelhez.
A tenyésztakaró fő funkciói a következők: plazmakamra kialakítása; trícium előállítás k>i együtthatóval; a neutron kinetikus energiájának hővé alakítása; a termonukleáris reaktor működése során a takaróban keletkező hő hasznosítása; az elektromágneses rendszer sugárvédelme; biológiai sugárvédelem.
A D-T-üzemanyaggal működő termonukleáris reaktor a takaró anyagától függően lehet "tiszta" vagy hibrid. A "tiszta" termonukleáris reaktor takarója Li-t tartalmaz, amelyben neutronok hatására trícium keletkezik, és a termonukleáris reakció 17,6 MeV-ról 22,4-re fokozódik.
MeV. A hibrid ("aktív") termonukleáris reaktor takarójában nem csak trícium keletkezik, hanem vannak olyan zónák is, amelyekben 2 s 8 és 2 39 Pu hulladékot helyeznek el. Ebben az esetben neutrononként 140 MeV-nak megfelelő energia szabadul fel a takaróban. A hibrid fúziós reaktor energiahatékonysága hatszor magasabb, mint egy tiszta reaktoré. Ugyanakkor a termonukleáris neutronok jobb abszorpciója érhető el, ami növeli a létesítmény biztonságát. A hasadó radioaktív anyagok jelenléte azonban a maghasadásos reaktorokhoz hasonló sugárzási környezetet hoz létre.
Rizs. 5.
Két tiszta tenyésztakaró koncepció létezik, amelyek folyékony trícium-termékeny anyagok vagy szilárd lítiumtartalmú anyagok használatán alapulnak. A takaró tervezési lehetőségei a választott hűtőfolyadék típusához (folyékony fém, folyékony só, gáz, szerves, víz) és a lehetséges szerkezeti anyagok osztályához kapcsolódnak.
A takaró folyékony változatában a lítium a hűtőfolyadék, a trícium pedig a termékeny anyag. A takaró rész az első falból, egy tenyészzónából (olvadt lítium só, reflektor (acél vagy volfrám) és egy fényvédő komponensből (pl. titán-hidrid) áll. Az önhűtéses lítium takaró fő jellemzője a hiánya egy további neutronmoderátor és neutronterjesztő. használja a következő sókat: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (T wx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). A megadott sók közül a Li 2 BeF 4 viszkozitása a legkisebb, de a legmagasabb T wl . Perspektíva a Pb-Li eutektika és az FLiNaBe olvadék, amely egyben önhűtőként is működik. A neutrontenyésztők egy ilyen tenyésztőben gömb alakú, 2 mm átmérőjű Be granulátumok.
A szilárd nemesítővel ellátott takaróban lítiumtartalmú kerámiát használnak tenyésztőanyagként, a berilliumot pedig neutrontenyésztőként. Egy ilyen takaró összetétele olyan elemeket tartalmaz, mint az első fal hűtőfolyadék-gyűjtőkkel; neutrontenyésztő zóna; trícium tenyésztési zóna; csatornák a trícium szaporodási és szaporodási zónáinak hűtésére; vasvédelem; takaró rögzítő elemek; vezetékek a hűtőfolyadék és a trícium vivőgáz be- és kimenetére. Szerkezeti anyagok - vanádiumötvözetek és ferrites vagy ferrites-martenzites osztályú acél. A sugárvédelem acéllemezekből készül. A felhasznált hűtőközeg gázhalmazállapotú hélium UMPa nyomás alatt, 300 0 °C bemeneti hőmérséklettel és 650 0 °C kilépő hőmérséklettel.
A radiokémiai feladat a trícium izolálása, tisztítása és visszavezetése az üzemanyagciklusba. Ugyanakkor fontos a funkcionális anyagok kiválasztása az üzemanyag-komponensek regeneráló rendszereihez (tenyésztőanyagok). A tenyésztő (tenyésztő) anyagának biztosítania kell a termonukleáris fúziós energia eltávolítását, a trícium előállítását és hatékony kinyerését a későbbi tisztításhoz és reaktortüzelőanyaggá alakításhoz. Ehhez magas hőmérséklet-, sugárzás- és mechanikai ellenállású anyag szükséges. Nem kevésbé fontosak az anyag diffúziós jellemzői, amelyek biztosítják a trícium nagy mobilitását, és ennek következtében a trícium extrakciójának jó hatékonyságát a nemesítő anyagból viszonylag alacsony hőmérsékleten.
A takaró munkaanyagai lehetnek: kerámia Li 4 Si0 4 (vagy Li 2 Ti0 3) - szaporodó anyag és berillium - neutrontenyésztő. Mind a nemesítőt, mind a berilliumot monodiszperz kavicsréteg formájában használják (gömb alakúhoz közeli alakú granulátumok). A Li 4 Si0 4 és Li 2 Ti0 3 szemcsék átmérője 0,2-10,6 mm, illetve 0,8 mm között változik, míg a berillium szemcsék átmérője 1 mm. A granulátumréteg effektív térfogatának részesedése 63%. A trícium nemesítéséhez a kerámia nemesítőt 6 Li izotóppal dúsítják. Tipikus dúsítási szint 6 Li esetében: 40% Li 4 Si0 4 és 70% Li 2 Ti0 3 esetében.
Jelenleg a lítium-metatitanát 1l 2 Tiu 3 tekinthető a legígéretesebbnek, mivel viszonylag alacsony hőmérsékleten (200 és 400 0 között) viszonylag magas a trícium felszabadulási sebessége, valamint ellenáll a sugárzásnak és a vegyszerállóságnak. Kimutatták, hogy a 96%-ig 6 Li-ig dúsított lítium-titanát szemcsék intenzív neutronbesugárzás és termikus hatások mellett lehetővé teszik a lítium szinte állandó sebességű előállítását két éven keresztül. A trícium neutronnal besugárzott kerámiából történő kinyerése a nemesítő anyag programozott melegítésével, folyamatos szivattyúzási üzemmódban történik.
Feltételezhető, hogy a nukleáris iparban a termonukleáris fúziós létesítmények három területen használhatók:
- - hibrid reaktorok, amelyekben a takaró hasadó nuklidokat (urán, plutónium) tartalmaz, amelyek hasadását nagy energiájú (14 MeV) neutronok erőteljes fluxusa szabályozza;
- - égési iniciátorok elektronnukleáris szubkritikus reaktorokban;
- - hosszú élettartamú, környezetre veszélyes radionuklidok transzmutációja a radioaktív hulladékok semlegesítése érdekében.
A termonukleáris neutronok nagy energiája nagyszerű lehetőségeket kínál a neutronok energiacsoportjainak szétválasztására egy adott radionuklid elégetéséhez a keresztmetszetek rezonáns tartományában.