kodoltermiskā saplūšana, vieglo atomu kodolu saplūšanas reakcija smagākos kodolos, kas notiek superaugstā temperatūrā un ko pavada milzīga enerģijas daudzuma izdalīšanās. Kodolsintēze ir atomu skaldīšanas apgrieztā reakcija: pēdējā gadījumā enerģija tiek atbrīvota smago kodolu sadalīšanas dēļ vieglākos. Skatīt arī KODOLDALDE; KODOLENERĢIJA.
Saskaņā ar mūsdienu astrofizikas koncepcijām galvenais Saules un citu zvaigžņu enerģijas avots ir kodolsintēze, kas notiek to dziļumos. Sauszemes apstākļos tas tiek veikts ūdeņraža bumbas sprādziena laikā. Kodoltermisko kodolsintēzi pavada milzīga enerģijas izdalīšanās uz reaģējošo vielu masas vienību (apmēram 10 miljonus reižu vairāk nekā ķīmiskās reakcijās). Tāpēc ir liela interese apgūt šo procesu un uz tā pamata izveidot lētu un videi draudzīgu enerģijas avotu. Tomēr, neskatoties uz to, ka daudzās attīstītajās valstīs lielas zinātniskās un tehniskās komandas nodarbojas ar kontrolētās kodoltermiskās kodolsintēzes (CTF) izpēti, joprojām ir jāatrisina daudzas sarežģītas problēmas, pirms kodolenerģijas rūpnieciskā ražošana kļūst par realitāti.
Mūsdienu kodolspēkstacijas, kurās izmanto skaldīšanas procesu, tikai daļēji apmierina pasaules elektroenerģijas vajadzības. To degviela ir dabiskie radioaktīvie elementi urāns un torijs, kuru izplatība un rezerves dabā ir ļoti ierobežotas; tādēļ daudzām valstīm pastāv to importa problēma. Kodoltermiskās degvielas galvenā sastāvdaļa ir ūdeņraža izotops deitērijs, kas atrodas jūras ūdenī. Tās rezerves ir publiski pieejamas un ļoti lielas (okeāni aizņem ~ 71% no Zemes virsmas, un deitērijs veido aptuveni 0,016% no kopējā ūdeņraža atomu skaita, kas veido ūdeni). Papildus degvielas pieejamībai kodoltermiskās enerģijas avotiem ir šādas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar atomelektrostacijām: 1) UTS reaktorā ir daudz mazāk radioaktīvo materiālu nekā kodola skaldīšanas reaktorā, un tāpēc radioaktīvo produktu nejaušas noplūdes sekas ir mazākas. bīstams; 2) kodoltermiskās reakcijas rezultātā rodas mazāk radioaktīvo atkritumu ar ilgu mūžu; 3) TCB pieļauj tiešu elektroenerģijas ražošanu.
Artsimovičs L.A. Kontrolētas kodoltermiskās reakcijas. M., 1963. gads
Termoelektrostacijas un atomelektrostacijas(1. grāmatas 6. sadaļa; 3. grāmatas 8. sadaļa). M., 1989. gads
Atrodiet "NUCLEAR FUSION".
Pirmo reizi kontrolētās kodoltermiskās kodolsintēzes problēmu Padomju Savienībā formulēja un kādu konstruktīvu risinājumu tai piedāvāja padomju fiziķis O. A. Lavrentjevs. Papildus viņam svarīgu ieguldījumu problēmas risināšanā sniedza tādi izcili fiziķi kā A. D. Saharovs un I. E. Tamms, kā arī L. A. Artsimovičs, kurš kopš 1951. gada vadīja padomju programmu par kontrolēto kodolsintēzi.
Vēsturiski jautājums par kontrolētu kodolsintēzi globālā līmenī radās 20. gadsimta vidū. Ir zināms, ka I. V. Kurčatovs 1956. gadā izteica priekšlikumu dažādu valstu atomzinātnieku sadarbībai šīs zinātniskās problēmas risināšanā. Tas notika Lielbritānijas kodolcentra "Hārvela" apmeklējuma laikā ( Angļu) .
Reakciju veidi
Sapludināšanas reakcija ir šāda: divi vai vairāki atomu kodoli noteikta spēka pielikšanas rezultātā tuvojas tik tālu, ka spēki, kas darbojas šādos attālumos, ņem virsroku pār Kulona atgrūšanas spēkiem starp vienādi lādētiem kodoliem, kā rezultātā veidojas jauns kodols. Radot jaunu kodolu, tiks atbrīvota liela spēcīgas mijiedarbības enerģija. Pēc labi zināmās formulas E=mc², atbrīvojot enerģiju, nukleonu sistēma zaudēs daļu no savas masas. Atomu kodolus, kuriem ir neliels elektriskais lādiņš, ir vieglāk nogādāt vajadzīgajā attālumā, tāpēc smagie ūdeņraža izotopi ir viens no labākajiem kodolsintēzes reakcijas kurināmajiem.
Ir konstatēts, ka divu izotopu, deitērija un tritija, maisījums kodolsintēzes reakcijai prasa vismazāko enerģiju, salīdzinot ar enerģiju, kas izdalās reakcijas laikā. Tomēr, lai gan deitērija un tritija (D-T) maisījums ir vairums kodolsintēzes pētījumu priekšmets, tas nebūt nav vienīgais potenciālais kurināmais. Citus maisījumus var būt vieglāk ražot; to reakciju var labāk kontrolēt vai, vēl svarīgāk, ražot mazāk neitronu. Īpaši interesantas ir tā sauktās "bez neitronu" reakcijas, jo veiksmīga šādas degvielas rūpnieciska izmantošana nozīmēs, ka ilgstoši nebūs materiālu radioaktīvā piesārņojuma un reaktora konstrukcijas, kas savukārt varētu pozitīvi ietekmēt sabiedrisko domu un kopējo reaktora ekspluatācijas izmaksas, kas ievērojami samazina ekspluatācijas izbeigšanas un iznīcināšanas izmaksas. Problēma joprojām ir tāda, ka kodolsintēzes reakciju, izmantojot alternatīvās degvielas, ir daudz grūtāk uzturēt, tāpēc D-T reakcija tiek uzskatīta tikai par nepieciešamu pirmo soli.
Kontrolētā kodolsintēze var izmantot dažāda veida kodoltermiskās reakcijas atkarībā no izmantotās degvielas veida.
Deitērija + tritija reakcija (D-T degviela)
Visvieglāk īstenojamā reakcija ir deitērijs + tritijs:
2 H + 3 H = 4 He + n enerģijas izvadei 17,6 MeV (MeV).
Šāda reakcija ir visvieglāk īstenojama no mūsdienu tehnoloģiju viedokļa, dod ievērojamu enerģijas ieguvi, un degvielas sastāvdaļas ir lētas. Trūkums ir nevēlama neitronu starojuma izdalīšanās.
Divi kodoli: deitērijs un tritijs saplūst, veidojot hēlija kodolu (alfa daļiņu) un augstas enerģijas neitronu:
Tokamak (TOroidāla kamera ar magnētiskajām spolēm) ir toroidāla iekārta magnētiskās plazmas norobežošanai. Plazmu notur nevis kameras sienas, kas nespēj izturēt tās temperatūru, bet gan īpaši izveidots magnētiskais lauks. Tokamaka iezīme ir elektriskās strāvas izmantošana, kas plūst caur plazmu, lai izveidotu toroidālo lauku, kas nepieciešams plazmas līdzsvaram.
Reakcija deitērijs + hēlijs-3
Daudz grūtāk ir veikt deitērija + hēlija-3 reakciju, sasniedzot iespēju
2 H + 3 He = 4 He + pie enerģijas izejas 18,4 MeV.Nosacījumi tā sasniegšanai ir daudz sarežģītāki. Hēlijs-3 ir arī rets un ārkārtīgi dārgs izotops. Pašlaik tas netiek ražots rūpnieciskā mērogā. Taču to var iegūt no tritija, ko savukārt iegūst atomelektrostacijās; vai iegūts uz Mēness.
Kodoltermiskās reakcijas veikšanas sarežģītību var raksturot ar trīskāršu produktu ntτ (blīvums uz temperatūru vienā turēšanas laikā). Saskaņā ar šo parametru reakcija D-3 He ir aptuveni 100 reizes grūtāka nekā D-T.
Reakcija starp deitērija kodoliem (D-D, monopropelants)
Papildus galvenajai reakcijai DD-plazmā notiek arī:
Šīs reakcijas lēnām norit paralēli deitērija + hēlija-3 reakcijai, un to laikā izveidojušais tritijs un hēlijs-3, ļoti iespējams, nekavējoties reaģēs ar deitēriju.
Cita veida reakcijas
Iespējamas arī vairākas citas reakcijas. Kurināmā izvēle ir atkarīga no daudziem faktoriem - tās pieejamības un zemajām izmaksām, enerģijas ieguves, kodolsintēzes reakcijai nepieciešamo apstākļu (galvenokārt temperatūras) sasniegšanas viegluma, nepieciešamajiem reaktora konstrukcijas parametriem utt.
"Bez neitronu" reakcijas
Daudzsološākās ir tā sauktās "bez neitronu" reakcijas, jo kodolsintēzes rezultātā radītā neitronu plūsma (piemēram, deitērija-tritija reakcijā) aiznes ievērojamu daļu jaudas un rada inducētu radioaktivitāti reaktora konstrukcijā. Deitērija + hēlija-3 reakcija ir daudzsološa, arī neitronu iznākuma trūkuma dēļ.
Reakcijas uz vieglo ūdeņradi
D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).
Tomēr šajā gadījumā lielākā daļa (vairāk nekā 80%) atbrīvotās kinētiskās enerģijas krīt tieši uz neitronu. Fragmentu sadursmes ar citiem atomiem rezultātā šī enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā. Turklāt ātrie neitroni rada ievērojamu daudzumu radioaktīvo atkritumu. Turpretim deitērija un hēlija-3 saplūšana gandrīz nerada radioaktīvus produktus:
D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), kur p ir protons.
Tas ļauj izveidot vienkāršākas un efektīvākas kodolsintēzes kinētiskās reakcijas pārveidošanas sistēmas, piemēram, magnetohidrodinamisko ģeneratoru.
Reaktoru konstrukcijas
Ir divas galvenās shēmas kontrolētas kodoltermiskās kodolsintēzes īstenošanai, kuru izstrāde pašlaik turpinās (2012):
Pirmais termokodolreaktora veids ir daudz labāk izstrādāts un pētīts nekā otrais.
Radiācijas drošība
Kodolreaktors radiācijas ziņā ir daudz drošāks par kodolreaktoru. Pirmkārt, radioaktīvo vielu daudzums tajā ir salīdzinoši neliels. Arī enerģija, kas var izdalīties jebkuras avārijas rezultātā, ir maza un nevar novest pie reaktora iznīcināšanas. Tajā pašā laikā reaktora konstrukcijā ir vairākas dabiskas barjeras, kas novērš radioaktīvo vielu izplatīšanos. Piemēram, vakuuma kamerai un kriostata apvalkam jābūt noslēgtam, pretējā gadījumā reaktors vienkārši nevar darboties. Taču, projektējot ITER, liela uzmanība tika pievērsta radiācijas drošībai gan normālas ekspluatācijas, gan iespējamo avāriju laikā.
Ir vairāki iespējamā radioaktīvā piesārņojuma avoti:
- ūdeņraža radioaktīvais izotops ir tritijs;
- inducētā radioaktivitāte iekārtas materiālos neitronu apstarošanas rezultātā;
- radioaktīvie putekļi, kas radušies plazmas trieciena rezultātā uz pirmo sienu;
- radioaktīvie korozijas produkti, kas var veidoties dzesēšanas sistēmā.
Lai novērstu tritija un putekļu izplatīšanos, ja tie iziet ārpus vakuuma kameras un kriostata, ir nepieciešama īpaša ventilācijas sistēma, lai uzturētu samazinātu spiedienu reaktora ēkā. Tāpēc no ēkas nebūs gaisa noplūdes, izņemot caur ventilācijas filtriem.
Piemēram, reaktora, ITER, būvniecībā, kur iespējams, tiks izmantoti materiāli, kas jau ir pārbaudīti kodolenerģijā. Sakarā ar to inducētā radioaktivitāte būs salīdzinoši neliela. Jo īpaši pat dzesēšanas sistēmu atteices gadījumā pietiks ar dabisko konvekciju, lai atdzesētu vakuuma kameru un citus konstrukcijas elementus.
Aplēses liecina, ka pat avārijas gadījumā radioaktīvās noplūdes neradīs draudus sabiedrībai un nebūs nepieciešama evakuācija.
Degvielas cikls
Pirmās paaudzes reaktori, visticamāk, darbosies ar deitērija un tritija maisījumu. Neitronus, kas parādās reakcijas laikā, absorbēs reaktora vairogs, un izdalītais siltums tiks izmantots dzesēšanas šķidruma sildīšanai siltummainī, un šī enerģija, savukārt, tiks izmantota ģeneratora rotēšanai.
. .Kodolsintēzes reakcija kā rūpniecisks enerģijas avots
Kodolsintēzes enerģiju daudzi pētnieki (jo īpaši Christopher Llewellyn-Smith) uzskata par "dabisku" enerģijas avotu ilgtermiņā. Kodolsintēzes reaktoru komerciālas izmantošanas atbalstītāji elektroenerģijas ražošanā izsaka šādus argumentus par labu:
Elektroenerģijas izmaksas salīdzinājumā ar tradicionālajiem avotiem
Kritiķi norāda, ka jautājums par kodolsintēzes rentabilitāti vispārējai lietošanai paredzētās elektroenerģijas ražošanā paliek atklāts. Tas pats pētījums, ko pasūtījis Lielbritānijas parlamenta Zinātnes un tehnoloģiju birojs, norāda, ka elektroenerģijas ražošanas izmaksas, izmantojot kodolsintēzes reaktoru, visticamāk, ir tradicionālo enerģijas avotu izmaksu spektra augšgalā. Daudz kas būs atkarīgs no nākotnē pieejamās tehnoloģijas, tirgus struktūras un regulējuma. Elektroenerģijas izmaksas ir tieši atkarīgas no izmantošanas efektivitātes, darbības ilguma un reaktora apglabāšanas izmaksām.
Ir arī jautājums par pētījumu izmaksām. ES valstis pētniecībai ik gadu tērē aptuveni 200 miljonus eiro, un tiek prognozēts, ka paies vēl vairākas desmitgades, līdz kļūs iespējama kodolsintēzes rūpnieciska izmantošana. Alternatīvo ar kodolenerģiju nesaistīto elektroenerģijas avotu atbalstītāji uzskata, ka lietderīgāk būtu šos līdzekļus novirzīt atjaunojamo elektroenerģijas avotu ieviešanai.
Komerciālās kodolsintēzes enerģijas pieejamība
Neskatoties uz plaši izplatīto optimismu (kopš 50. gadu agrīnajiem pētījumiem), būtiski šķēršļi starp mūsdienu izpratni par kodolsintēzes procesiem, tehnoloģiskajām iespējām un kodolsintēzes praktisko izmantošanu vēl nav pārvarēti. Nav pat skaidrs, cik rentabla var būt elektroenerģijas ražošana, izmantojot kodolsintēzi. Lai gan pētniecībā ir vērojams pastāvīgs progress, pētnieki pastāvīgi saskaras ar jauniem izaicinājumiem. Piemēram, izaicinājums ir izstrādāt materiālu, kas spēj izturēt neitronu bombardēšanu, kas tiek lēsts 100 reižu intensīvāka nekā parastajos kodolreaktoros. Problēmas nopietnību pastiprina fakts, ka neitronu un kodolu mijiedarbības šķērsgriezums pārstāj būt atkarīgs no protonu un neitronu skaita ar pieaugošu enerģiju un tiecas uz atoma kodola šķērsgriezumu - un 14 MeV neitroniem ir vienkārši nav izotopu ar pietiekami mazu mijiedarbības šķērsgriezumu. Tas rada nepieciešamību ļoti bieži nomainīt D-T un D-D reaktoru konstrukcijas un samazina tā rentabilitāti tiktāl, ka šiem diviem veidiem no moderniem materiāliem izgatavotu reaktoru konstrukciju izmaksas izrādās lielākas nekā tajos saražotās enerģijas izmaksas. Ir iespējami trīs veidu risinājumi:
- Tīras kodolsintēzes noraidīšana un tās izmantošana par neitronu avotu urāna vai torija skaldīšanai.
- D-T un D-D sintēzes noraidīšana par labu citām sintēzes reakcijām (piemēram, D-He).
- Straujš strukturālo materiālu izmaksu samazinājums vai procesu attīstība to atjaunošanai pēc apstarošanas. Nepieciešamas arī milzīgas investīcijas materiālu zinātnē, taču izredzes ir neskaidras.
Blakusreakcijas D-D (3%) D-He sintēzes laikā sarežģī rentablu reaktora konstrukciju ražošanu, bet nav neiespējamas pašreizējā tehnoloģiskajā līmenī.
Ir šādi izpētes posmi:
1. Līdzsvara vai "iziet" režīms(līdzsvars): ja kopējā kodolsintēzes procesā izdalītā enerģija ir vienāda ar kopējo enerģiju, kas iztērēta reakcijas uzsākšanai un uzturēšanai. Šī attiecība ir atzīmēta ar simbolu J.
2. Degoša plazma(Burning Plazma): starpposms, kurā reakciju galvenokārt nodrošinās alfa daļiņas, kas rodas reakcijas laikā, nevis ārēja karsēšana. Q ≈ 5. Līdz šim (2012) nav sasniegts.
3. Aizdedze(Aizdegšanās): stabila pašpietiekama reakcija. Jāsasniedz ar augstām vērtībām J. Pagaidām nav sasniegts.
Nākamajam solim pētniecībā vajadzētu būt starptautiskajam eksperimentālajam kodoltermiskajam reaktoram (ITER). Šajā reaktorā plānots pētīt augstas temperatūras plazmas uzvedību (liesmojoša plazma ar J~ 30) un konstrukciju materiāli rūpnieciskajam reaktoram.
Pētījuma noslēguma fāze būs DEMO: industriālā reaktora prototips, kas panāks aizdegšanos un demonstrēs jaunu materiālu praktisko piemērotību. Optimistiskākās prognozes DEMO fāzes pabeigšanai: 30 gadi. Ņemot vērā aptuveno rūpnieciskā reaktora izbūves un nodošanas ekspluatācijā laiku, mūs no kodoltermiskās enerģijas rūpnieciskās izmantošanas šķir ~40 gadi.
Esošie tokamaki
Kopumā pasaulē tika uzbūvēti aptuveni 300 tokamaki. Lielākie no tiem ir uzskaitīti zemāk.
- PSRS un Krievija
- T-3 ir pirmais funkcionālais aparāts.
- T-4 - palielināta T-3 versija
- T-7 ir unikāla instalācija, kurā pirmo reizi pasaulē tika realizēta salīdzinoši liela magnētiskā sistēma ar supravadošu solenoīdu uz alvas niobāta bāzes, kas dzesēts ar šķidru hēliju. T-7 galvenais uzdevums tika izpildīts: tika sagatavota nākamās paaudzes kodolenerģijas supravadošo solenoīdu perspektīva.
- T-10 un PLT ir nākamais solis kodolsintēzes pētniecības pasaulē, tie ir gandrīz vienāda izmēra, vienāda jauda, ar tādu pašu norobežojuma koeficientu. Un iegūtie rezultāti ir identiski: abos reaktoros sasniegta kārotā kodolsintēzes temperatūra, un nobīde pēc Lousona kritērija ir tikai divsimt reižu.
- T-15 ir mūsdienu reaktors ar supravadošu solenoīdu, kas nodrošina lauku 3,6 T.
- Lībija
- TM-4A
Saites
- E.P. Veļihovs; S.V. Mirnovs Kontrolēta kodolsintēze nonāk finiša taisnē (PDF). Troickas Inovāciju un kodoltermiskās pētniecības institūts. Krievijas pētniecības centrs "Kurčatova institūts".. ac.ru. - Populārs problēmas paziņojums. Arhivēts no oriģināla 2012. gada 5. februārī. Iegūts 2007. gada 8. augustā.
- C. Levellina-Smita. Ceļā uz kodoltermisko enerģiju. 2009. gada 17. maijā FIAN nolasītās lekcijas materiāli.
- Amerikas Savienotajās Valstīs tiks rīkots grandiozs eksperiments par kodolsintēzi.
Skatīt arī
Piezīmes
- Bondarenko B. D. "O. A. Lavrentjeva loma jautājuma uzdošanā un pētījumu uzsākšanā par kontrolētu kodolsintēzi PSRS" // UFN 171 , 886 (2001).
- A. D. Saharova apskats, kas publicēts sadaļā “No Krievijas Federācijas prezidenta arhīva”. UFN 171 , 902 (2001), 908. lpp.
- PSRS fiziķu zinātniskā kopiena. 1950.-1960. Dokumenti, memuāri, pētījumi/ Sastādījuši un rediģējuši P. V. Vizgins un A. V. Kesenihs. - Sanktpēterburga. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 lpp. - 1000 eksemplāru.
- Agrīnā ASV kodoltermiskā munīcija izmantoja arī dabisko litija deiterīdu, kas satur galvenokārt litija izotopu ar masas skaitli 7. Tas kalpo arī kā tritija avots, taču tam reakcijā iesaistīto neitronu enerģijai jābūt 10 MeV un lielākai. .
- Bez neitronu cikla (piemēram, D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) termoelektrostacijas ar MHD ģeneratoru uz augstas temperatūras plazmas;
- E. P. Veļihovs, S. V. Putvinskis Termonukleārais reaktors. Fornīts (1999. gada 22. oktobris). - Ziņojums, kas datēts ar 22.10.1999., Pasaules Zinātnieku federācijas Enerģētikas centra ietvaros. Arhivēts no oriģināla 2012. gada 5. februārī. Iegūts 2011. gada 16. janvārī.
- (angļu valodā) Postnote: Nuclear Fusion, 2003
- EFDA | Eiropas kodolsintēzes attīstības nolīgums
- Tore Supra
- Tokamaka kodolsintēzes testa reaktors
- Prinstonas plazmas fizikas laboratorijas pārskats
- MIT plazmas zinātnes un kodolsintēzes centrs: pētījumi>alcator>
- Sākums — Fusion vietne
- Kodolsintēzes plazmas izpēte
- Mākslīgā saule
- Thermonoclear iznāca no nulles - Avīze. Ru
- Informācija par filmu "Zirnekļcilvēks 2" ("Zirnekļcilvēks 2") - Kino "Cosmos"
| Kodoltehnoloģijas | |
|---|---|
| Inženierzinātnes | |
| materiāliem | |
| Kodolenerģija | |
| kodolmedicīna | |
| Atomierocis | |
| Enerģija struktūra pēc produktiem un nozarēm |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Enerģētikas nozare: elektrība |
| |||||||||||||||||||||||||
Visas zvaigznes, tostarp mūsu Saule, ražo enerģiju, izmantojot kodolsintēzi. Zinātniskā pasaule ir nonākusi grūtībās. Zinātnieki nezina visus veidus, kā šādu saplūšanu (termonukleāru) var iegūt. Vieglo atomu kodolu saplūšana un pārtapšana smagākos liecina, ka ir iegūta enerģija, kas var būt vai nu vadāma, vai sprādzienbīstama. Pēdējo izmanto kodoltermiskās sprādzienbīstamās konstrukcijās. Kontrolēts kodoltermiskais process no pārējās kodolenerģijas atšķiras ar to, ka izmanto sabrukšanas reakciju, kad smagie kodoli tiek sadalīti vieglākos, bet kodolreakcijās, kurās izmanto deitēriju (2 N) un tritiju (3 N) - saplūšana, tas ir, kontrolējama kodoltermiskā. saplūšana. Nākotnē plānots izmantot hēliju-3 (3 He) un boru-11 (11 V).
Sapņot
Nevajag jaukt tradicionālo un labi zināmo kodolsintēzi ar to, kas ir mūsdienu fiziķu sapnis, kura iemiesojumam vēl neviens netic. Tas attiecas uz kodolreakciju jebkurā pat istabas temperatūrā. Tas ir arī starojuma un aukstās kodolsintēzes trūkums. Enciklopēdijas vēsta, ka kodolsintēzes reakcija atomu molekulārās (ķīmiskās) sistēmās ir process, kas neprasa būtisku vielas karsēšanu, taču cilvēce šādu enerģiju vēl nav radījusi. Tas notiek neskatoties uz to, ka absolūti visas kodolreakcijas, kurās notiek saplūšana, ir plazmas stāvoklī, un tās temperatūra ir miljoniem grādu.
Šobrīd tas nav pat fiziķu, bet zinātniskās fantastikas sapnis, taču, neskatoties uz to, attīstība notiek jau ilgu laiku un neatlaidīgi. Kodoltermiskā kodolsintēze bez nepārtraukti pavadošām Černobiļas un Fukušimas līmeņa briesmām - vai tas nav liels mērķis cilvēces labā? Ārzemju zinātniskajā literatūrā šai parādībai ir doti dažādi nosaukumi. Piemēram, LENR apzīmē zemas enerģijas kodolreakcijas, un CANR apzīmē ķīmiski inducētas (palīdzētas) kodolreakcijas. Par veiksmīgu šādu eksperimentu realizāciju tika paziņots diezgan bieži, pārstāvot visplašākās datu bāzes. Bet vai nu mediji izlaida vēl vienu "pīli", vai arī rezultāti runāja par nepareizi iestudētiem eksperimentiem. Aukstā kodolsintēze vēl nav saņēmusi patiesi pārliecinošus pierādījumus par tās pastāvēšanu.
zvaigznes elements
Ūdeņradis ir visizplatītākais elements kosmosā. Apmēram puse no Saules masas un lielākā daļa citu zvaigžņu krīt uz tās daļu. Ūdeņradis ir ne tikai to sastāvā – daudz tā ir starpzvaigžņu gāzē un gāzu miglājos. Un zvaigžņu, tostarp Saules, dziļumos tiek radīti apstākļi kodolsintēzei: tur ūdeņraža atomu kodoli tiek pārvērsti hēlija atomos, caur kuriem rodas milzīga enerģija. Ūdeņradis ir tā galvenais avots. Katru sekundi mūsu Saule kosmosā izstaro enerģiju, kas līdzvērtīga četriem miljoniem tonnu vielas.
To dod četru ūdeņraža kodolu saplūšana vienā hēlija kodolā. Sadegot vienam gramam protonu, kodolsintēzes enerģija izdalās divdesmit miljonus reižu vairāk nekā tad, kad tiek sadedzināts tāds pats ogļu daudzums. Sauszemes apstākļos kodolsintēzes spēks nav iespējams, jo tādas temperatūras un spiedienus, kādi pastāv zvaigžņu dziļumos, cilvēks vēl nav apguvis. Aprēķini liecina, ka vēl vismaz trīsdesmit miljardus gadu mūsu Saule neizmirs un nepasliktinās ūdeņraža klātbūtnes dēļ. Un uz Zemes cilvēki tikai sāk saprast, kas ir ūdeņraža enerģija un kāda ir kodolsintēzes reakcija, jo darbs ar šo gāzi ir ļoti riskants, un to ir ārkārtīgi grūti uzglabāt. Līdz šim cilvēce var tikai sadalīt atomu. Un katrs reaktors (kodolreaktors) ir veidots pēc šī principa.
Termiskā kodolsintēze
Kodolenerģija ir atomu sadalīšanās produkts. Savukārt sintēze enerģiju saņem citādāk - tos savienojot savā starpā, kad neveidojas nāvējoši radioaktīvie atkritumi, un pietiktu ar nelielu jūras ūdens daudzumu, lai saražotu tādu pašu enerģijas daudzumu, kādu iegūst no sadedzinot divas tonnas ogļu. Pasaules laboratorijās jau ir pierādīts, ka kontrolēta kodolsintēze ir pilnīgi iespējama. Taču spēkstacijas, kas izmantotu šo enerģiju, vēl nav uzbūvētas, pat to būvniecība nav paredzēta. Taču ASV vien iztērēja divsimt piecdesmit miljonus dolāru, lai izpētītu kontrolētās kodoltermiskās kodolsintēzes fenomenu.
Tad šie pētījumi tika burtiski diskreditēti. 1989. gadā ķīmiķi S. Pons (ASV) un M. Flešmans (Lielbritānija) visai pasaulei paziņoja, ka ir sasnieguši pozitīvu rezultātu un uzsākuši kodolsintēzi. Problēmas bija tādas, ka zinātnieki bija pārāk pārsteidzīgi, nepakļaujot savus atklājumus zinātniskās pasaules pārskatīšanai. Plašsaziņas līdzekļi nekavējoties pārtvēra sensāciju un iesniedza šo prasību kā gadsimta atklājumu. Pārbaude tika veikta vēlāk, un tika atklātas ne tikai kļūdas eksperimentā - tā bija neveiksme. Un tad vilšanās padevās ne tikai žurnālisti, bet arī daudzi augsti cienīti pasaules līmeņa fiziķi. Prinstonas universitātes cienījamās laboratorijas eksperimenta pārbaudei iztērēja vairāk nekā piecdesmit miljonus dolāru. Tādējādi aukstā kodolsintēze, tās ražošanas princips, tika pasludināta par pseidozinātni. Šos pētījumus turpināja tikai nelielas un izkaisītas entuziastu grupas.
būtība
Tagad šo terminu tiek ierosināts aizstāt, un aukstās kodolsintēzes vietā skanēs šāda definīcija: kodolprocess, ko izraisa kristāla režģis. Ar šo parādību saprot anomālus zemas temperatūras procesus, kas no kodolieroču sadursmēm vakuumā – neitronu izdalīšanās kodolu saplūšanas rezultātā – viedokļa ir vienkārši neiespējami. Šie procesi var pastāvēt nelīdzsvarotās cietās vielās, ko stimulē elastīgās enerģijas transformācijas kristāla režģī mehāniskās ietekmēs, fāzu pārejas, deitērija (ūdeņraža) sorbcija vai desorbcija. Tas ir jau labi zināmās karstās kodoltermiskās reakcijas analogs, kad ūdeņraža kodoli saplūst un pārvēršas hēlija kodolos, atbrīvojot kolosālu enerģiju, bet tas notiek istabas temperatūrā.
Aukstā kodolsintēze ir precīzāk definēta kā ķīmiski izraisītas fotokodolu reakcijas. Tieša aukstā kodolsintēze nekad netika sasniegta, taču meklējumos tika ieteiktas pilnīgi atšķirīgas stratēģijas. Kodoltermisko reakciju izraisa neitronu veidošanās. Mehāniskā stimulācija ar ķīmiskām reakcijām izraisa dziļu elektronu apvalku ierosmi, izraisot gamma vai rentgena starojumu, ko pārtver kodoli. Tas ir, notiek fotonukleārā reakcija. Kodoli sadalās un tādējādi rada neitronus un, ļoti iespējams, gamma starus. Kas var uzbudināt iekšējos elektronus? Droši vien triecienvilnis. No parasto sprāgstvielu sprādziena.
Reaktors
Jau vairāk nekā četrdesmit gadus pasaules kodoltermiskās lobijs ik gadu tērē aptuveni miljonu dolāru kodolsintēzes pētījumiem, ko paredzēts iegūt ar TOKAMAK palīdzību. Tomēr gandrīz visi progresīvie zinātnieki ir pret šādu pētījumu, jo pozitīvs rezultāts, visticamāk, nav iespējams. Rietumeiropa un ASV vīlušies sāka demontēt visus savus TOKAMAKU. Un tikai Krievijā viņi joprojām tic brīnumiem. Lai gan daudzi zinātnieki uzskata šo ideju par ideālu bremžu alternatīvu kodolsintēzei. Kas ir TOKAMAK? Šis ir viens no diviem projektiem kodolsintēzes reaktoram, kas ir toroidāla kamera ar magnētiskām spolēm. Un ir arī stellarators, kurā plazma tiek turēta magnētiskajā laukā, bet spoles, kas inducē magnētisko lauku, ir ārējās, atšķirībā no TOKAMAK.
Šis ir ļoti sarežģīts dizains. TOKAMAK pēc sarežģītības ir Lielā hadronu paātrinātāja cienīgs: vairāk nekā desmit miljoni elementu, un kopējās izmaksas kopā ar būvniecības un projekta izmaksām ievērojami pārsniedz divdesmit miljardus eiro. Koliders bija daudz lētāks, un arī ISS uzturēšana nemaksā vairāk. Toroidālajiem magnētiem ir nepieciešami astoņdesmit tūkstoši kilometru supravadoša kvēldiega, to kopējais svars pārsniedz četrsimt tonnu, un viss reaktors sver apmēram divdesmit trīs tūkstošus tonnu. Piemēram, Eifeļa tornis sver nedaudz vairāk par septiņiem tūkstošiem. TOKAMAK plazma ir astoņi simti četrdesmit kubikmetri. Augstums - septiņdesmit trīs metri, sešdesmit no tiem - pazemē. Salīdzinājumam: Spasskaya tornis ir tikai septiņdesmit vienu metru augsts. Reaktora platformas platība ir četrdesmit divi hektāri, piemēram, sešdesmit futbola laukumi. Plazmas temperatūra ir simts piecdesmit miljoni grādu pēc Celsija. Saules centrā tas ir desmit reizes zemāks. Un tas viss kontrolētas kodolsintēzes dēļ (karsti).
Fiziķi un ķīmiķi
Bet atgriezīsimies pie Fleshman un Pons "noraidītā" atklājuma. Visi viņu kolēģi apgalvo, ka tomēr izdevies radīt apstākļus, kuros deitērija atomi pakļaujas viļņu iedarbībai, kodolenerģija izdalās siltuma veidā atbilstoši kvantu lauku teorijai. Pēdējais, starp citu, ir lieliski izstrādāts, taču ellīgi sarežģīts un diez vai piemērojams kādu konkrētu fizikas parādību aprakstam. Iespējams, tāpēc cilvēki nevēlas to pierādīt. Flashmens demonstrē iegriezumu laboratorijas betona grīdā, ko izraisījis sprādziens, ko viņš apgalvo, ka izraisīja aukstā kodolsintēze. Tomēr fiziķi netic ķīmiķiem. ES brīnos kāpēc?
Galu galā, cik daudz iespēju cilvēcei tiek aizvērtas, pārtraucot pētījumus šajā virzienā! Problēmas ir vienkārši globālas, un to ir daudz. Un tiem visiem ir nepieciešams risinājums. Šis ir videi draudzīgs enerģijas avots, ar kura palīdzību pēc atomelektrostaciju darbības būtu iespējams attīrīt milzīgus radioaktīvo atkritumu apjomus, atsāļot jūras ūdeni un daudz ko citu. Ja mēs varētu apgūt enerģijas ražošanu, pārvēršot dažus periodiskās tabulas elementus par pilnīgi citiem, neizmantojot šim nolūkam neitronu plūsmas, kas rada inducētu radioaktivitāti. Bet zinātne oficiāli un tagad uzskata, ka nav iespējams pārveidot jebkurus ķīmiskos elementus pilnīgi citos.
Rosi-Parkhomovs
2009. gadā izgudrotājs A. Rosi patentēja aparātu ar nosaukumu Rossi Energy Catalyst, kas realizē auksto kodoltermisko kodolsintēzi. Šī ierīce ir atkārtoti demonstrēta sabiedrībai, taču tā nav neatkarīgi pārbaudīta. Fiziķis Marks Gibss žurnāla lapās morāli iznīcināja gan autoru, gan viņa atklājumu: bez objektīvas analīzes viņi saka, apstiprinot iegūto rezultātu sakritību ar deklarētajiem, tās nevar būt zinātnes ziņas.
Taču 2015. gadā Aleksandrs Parkhomovs veiksmīgi atkārtoja Rosi eksperimentu ar savu zemas enerģijas (auksto) kodolreaktoru (LENR) un pierādīja, ka pēdējam ir lielas izredzes, lai gan tā komerciālā nozīme ir apšaubāma. Eksperimenti, kuru rezultāti tika prezentēti seminārā Viskrievijas Atomelektrostaciju darbības pētniecības institūtā, liecina, ka pati primitīvākā Rosi prāta kopija, viņa kodolreaktors, spēj saražot divarpus reizes vairāk enerģijas. nekā tas patērē.
Energoniva
Leģendārais Magņitogorskas zinātnieks A. V. Vačajevs izveidoja Energonivas instalāciju, ar kuras palīdzību atklāja noteiktu elementu transmutācijas un elektroenerģijas ģenerēšanas efektu šajā procesā. Tam bija grūti noticēt. Mēģinājumi pievērst fundamentālās zinātnes uzmanību šim atklājumam bija veltīgi. Kritika nāca no visur. Iespējams, autoriem nevajadzēja patstāvīgi veidot teorētiskos aprēķinus par novērotajām parādībām, vai arī augstākās klasiskās skolas fiziķiem vajadzēja būt uzmanīgākiem eksperimentiem ar augstsprieguma elektrolīzi.
Bet, no otras puses, tika atzīmēta šāda saistība: neviens detektors nereģistrēja nevienu starojumu, bet nebija iespējams atrasties darbības iekārtas tuvumā. Pētnieku grupā bija seši cilvēki. Pieci no viņiem drīz nomira vecumā no četrdesmit pieciem līdz piecdesmit pieciem gadiem, bet sestais kļuva par invalīdu. Pēc kāda laika (apmēram septiņus līdz astoņus gadus) nāve iestājās pavisam citu iemeslu dēļ. Neskatoties uz to, Energoniva instalācijā trešās paaudzes sekotāji un Vačajeva students veica eksperimentus un izdarīja pieņēmumu, ka mirušā zinātnieka eksperimentos notika zemas enerģijas kodolreakcija.
I. S. Fiļimonenko
Aukstā kodolsintēze tika pētīta PSRS jau pagājušā gadsimta piecdesmito gadu beigās. Reaktoru projektēja Ivans Stepanovičs Fiļimonenko. Taču nevienam neizdevās izprast šīs vienības darbības principus. Tāpēc mūsu valsts neapšaubāma līdera pozīcijas vietā kodolenerģijas tehnoloģiju jomā ir ieņēmusi izejvielu piedēkli, kas pārdod savus dabas resursus, atņemot nākotni veselām paaudzēm. Taču izmēģinājuma iekārta jau bija izveidota, un tā radīja siltu kodolsintēzes reakciju. Revolucionārāko enerģētisko struktūru, kas nomāc starojumu, autors bija Irkutskas apgabala pamatiedzīvotājs, kurš izdzīvoja visu karu no sešpadsmit līdz divdesmit gadiem, būdams skauts, pasūtījuma nesējs, enerģisks un talantīgs fiziķis I. S. Fiļimonenko.
Aukstā tipa kodoltermiskā kodolsintēze bija tuvāka nekā jebkad agrāk. Siltā saplūšana notika tikai 1150 grādu pēc Celsija temperatūrā, un pamats bija smagais ūdens. Fiļimonenko tika liegts patents: domājams, kodolreakcija nav iespējama tik zemā temperatūrā. Bet sintēze bija ieslēgta! Smagais ūdens elektrolīzes ceļā tika sadalīts deitērijs un skābeklis, deitērijs tika izšķīdināts katoda pallādijā, kur notika kodolsintēzes reakcija. Ražošana ir bez atkritumiem, tas ir, bez starojuma, un arī neitronu starojuma nebija. Tikai 1957. gadā, piesaistot akadēmiķu Keldiša, Kurčatova un Koroļeva atbalstu, kuru autoritāte bija neapstrīdama, Fiļimonenko izdevās panākt, lai lietas tiktu sāktas.
Sabrukšana
1960. gadā saistībā ar PSRS Ministru padomes un PSKP CK slepeno dekrētu Aizsardzības ministrijas pārziņā sākās darbs pie Fiļimonenko izgudrošanas. Eksperimentu laikā pētnieks konstatējis, ka reaktora darbības laikā parādās kaut kāds starojums, kas ļoti ātri samazina izotopu pussabrukšanas periodu. Bija vajadzīgs pusgadsimts, lai izprastu šī starojuma būtību. Tagad mēs zinām, kas tas ir - neitronijs ar dineitroniju. Un tad 1968. gadā darbs praktiski apstājās. Fiļimonenko tika apsūdzēts politiskā nelojalitātē.
1989. gadā zinātnieks tika reabilitēts. Viņa instalācijas sāka atjaunot NPO Luch. Bet lieta netika tālāk par eksperimentiem - viņiem nebija laika. Valsts gāja bojā, un jaunajam krievam nebija laika fundamentālajai zinātnei. Viens no divdesmitā gadsimta labākajiem inženieriem nomira 2013. gadā, neredzot cilvēces laimi. Pasaule atcerēsies Ivanu Stepanoviču Fiļimonenko. Viņa sekotāji kādreiz izveidos auksto kodolsintēzi.
Prinstonas plazmas fizikas laboratorijas zinātnieki ir ierosinājuši ideju par visizturīgāko kodolsintēzes ierīci, kas var darboties vairāk nekā 60 gadus. Šobrīd tas ir biedējošs uzdevums: zinātnieki cīnās, lai panāktu, ka kodolsintēzes reaktors darbotos dažas minūtes – un pēc tam gadus. Neskatoties uz sarežģītību, kodolsintēzes reaktora būvniecība ir viens no daudzsološākajiem zinātnes uzdevumiem, kas var dot lielu labumu. Mēs jums pastāstīsim, kas jums jāzina par kodolsintēzi.
1. Kas ir kodoltermiskā kodolsintēze?
Nebaidieties no šīs apgrūtinošās frāzes, patiesībā viss ir pavisam vienkārši. Kodoltermiskā saplūšana ir kodolreakcijas veids.
Kodolreakcijas laikā atoma kodols mijiedarbojas vai nu ar elementārdaļiņu, vai ar cita atoma kodolu, kā rezultātā mainās kodola sastāvs un struktūra. Smags atomu kodols var sadalīties divos vai trīs vieglākos - tā ir dalīšanās reakcija. Ir arī saplūšanas reakcija: tas ir tad, kad divi vieglie atomu kodoli saplūst vienā smagā kodolā.
Atšķirībā no kodola skaldīšanas, kas var notikt gan spontāni, gan piespiedu kārtā, kodolsintēze nav iespējama bez ārējas enerģijas piegādes. Kā zināms, pretstati pievelkas, bet atomu kodoli ir pozitīvi uzlādēti – tātad viens otru atgrūž. Šo situāciju sauc par Kulona barjeru. Lai pārvarētu atgrūšanos, šīs daļiņas ir jāizkliedē neprātīgā ātrumā. To var izdarīt ļoti augstā temperatūrā, kas ir aptuveni vairāki miljoni kelvinu. Tieši šīs reakcijas sauc par kodoltermiskām.
2. Kāpēc mums ir vajadzīga kodolsintēze?
Kodolreakciju un kodoltermisko reakciju laikā izdalās milzīgs enerģijas daudzums, ko var izmantot dažādiem mērķiem – var izveidot jaudīgāko ieroci, vai arī var pārvērst kodolenerģiju elektroenerģijā un piegādāt to visai pasaulei. Kodolsabrukšanas enerģija jau sen ir izmantota atomelektrostacijās. Taču kodolenerģija izskatās daudzsološāka. Kodoltermiskajā reakcijā katram nukleonam (tā saucamajiem kodoliem, protoniem un neitroniem) izdalās daudz vairāk enerģijas nekā kodolreakcijā. Piemēram, kad urāna kodola skaldīšanās uz vienu nukleonu veido 0,9 MeV (megaelektronvolti), un kadHēlija kodola sintēzē no ūdeņraža kodoliem izdalās enerģija, kas vienāda ar 6 MeV. Tāpēc zinātnieki mācās veikt kodoltermiskās reakcijas.
Kodolsintēzes pētījumi un reaktoru būvniecība ļauj paplašināt augsto tehnoloģiju ražošanu, kas ir noderīga citās zinātnes un augsto tehnoloģiju jomās.
3. Kas ir kodoltermiskās reakcijas?
Kodoltermiskās reakcijas iedala pašpietiekamajās, nekontrolējamās (izmanto ūdeņraža bumbās) un kontrolētās (piemērotas miermīlīgiem mērķiem).
Zvaigžņu interjerā notiek pašpietiekamas reakcijas. Tomēr uz Zemes nav apstākļu, lai šādas reakcijas notiktu.
Cilvēki jau ilgu laiku ir veikuši nekontrolētu vai sprādzienbīstamu kodolsintēzi. 1952. gadā operācijas Evie Mike laikā amerikāņi uzspridzināja pasaulē pirmo kodoltermisko sprādzienbīstamo ierīci, kurai kā ierocim nebija nekādas praktiskas vērtības. Un 1961. gada oktobrī tika izmēģināta pasaulē pirmā kodoltermiskā (ūdeņraža) bumba (car Bomba, Kuz'kina māte), kuru izstrādāja padomju zinātnieki Igora Kurčatova vadībā. Tā bija jaudīgākā sprādzienbīstamā ierīce cilvēces vēsturē: sprādziena kopējā enerģija, pēc dažādiem avotiem, svārstījās no 57 līdz 58,6 megatonnām trotila. Lai uzspridzinātu ūdeņraža bumbu, vispirms ir nepieciešams iegūt augstu temperatūru parastā kodolsprādziena laikā – tikai tad sāks reaģēt atomu kodoli.
Sprādziena jauda nekontrolētā kodolreakcijā ir ļoti liela, turklāt liels ir radioaktīvā piesārņojuma īpatsvars. Tāpēc, lai kodolenerģiju izmantotu mierīgiem mērķiem, ir jāiemācās to pārvaldīt.
4. Kas nepieciešams kontrolētai kodoltermiskai reakcijai?
Turiet plazmu!
Vai nav skaidrs? Tagad paskaidrosim.
Pirmkārt, atomu kodoli. Kodolenerģētikā tiek izmantoti izotopi - atomi, kas atšķiras viens no otra ar neitronu skaitu un attiecīgi ar atomu masu. Ūdeņraža izotopu deitēriju (D) ekstrahē no ūdens. Supersmagais ūdeņradis jeb tritijs (T) ir radioaktīvs ūdeņraža izotops, kas ir parastos kodolreaktoros veikto sabrukšanas reakciju blakusprodukts. Arī kodoltermiskās reakcijās tiek izmantots viegls ūdeņraža izotops protijs: tas ir vienīgais stabilais elements, kura kodolā nav neitronu. Hēlijs-3 uz Zemes atrodas niecīgā daudzumā, bet Mēness augsnē (regolītā) tas ir ļoti daudz: 80. gados NASA izstrādāja plānu hipotētiskām iekārtām regolīta un izotopu ieguves apstrādei. No otras puses, uz mūsu planētas ir plaši izplatīts cits izotops – bors-11. 80% bora uz Zemes ir izotops, kas nepieciešams kodolzinātniekiem.
Otrkārt, temperatūra ir ļoti augsta. Vielai, kas piedalās termokodolreakcijā, jābūt gandrīz pilnībā jonizētai plazmai – tā ir gāze, kurā atsevišķi peld brīvie elektroni un dažādu lādiņu joni. Lai vielu pārvērstu plazmā, ir nepieciešama 10 7 -10 8 K temperatūra - tie ir simtiem miljonu grādu pēc Celsija! Šādas īpaši augstas temperatūras var iegūt, radot lielas jaudas elektriskās izlādes plazmā.
Tomēr nav iespējams vienkārši uzsildīt nepieciešamos ķīmiskos elementus. Jebkurš reaktors šajās temperatūrās uzreiz iztvaiko. Šeit ir nepieciešama pavisam cita pieeja. Līdz šim ir iespējams noturēt plazmu ierobežotā vietā ar lieljaudas elektrisko magnētu palīdzību. Bet vēl nav izdevies pilnībā izmantot kodoltermiskās reakcijas rezultātā iegūto enerģiju: pat magnētiskā lauka ietekmē plazma izplatās telpā.
5. Kādas reakcijas ir daudzsološākās?
Galvenajās kodolreakcijās, ko plānots izmantot kontrolētai kodolsintēzei, tiks izmantots deitērijs (2H) un tritijs (3H), bet tālākā nākotnē - hēlijs-3 (3He) un bors-11 (11B).
Šeit ir interesantākās reakcijas.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - deitērija-tritija reakcija.
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% ir tā sauktais deitērija monopropelants.
1. un 2. reakcija ir saistīta ar neitronu radioaktīvo piesārņojumu. Tāpēc "bez neitronu" reakcijas ir daudzsološākās.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deitērijs reaģē ar hēliju-3. Problēma ir tā, ka hēlijs-3 ir ārkārtīgi reti sastopams. Tomēr raža bez neitronu padara šo reakciju daudzsološu.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bors-11 reaģē ar protiju, kā rezultātā veidojas alfa daļiņas, kuras var absorbēt alumīnija folija.
6. Kur veikt šādu reakciju?
Dabiskais kodolsintēzes reaktors ir zvaigzne. Tajā plazma tiek turēta gravitācijas ietekmē, un starojums tiek absorbēts - tādējādi kodols neatdziest.
Uz Zemes kodoltermiskās reakcijas var veikt tikai īpašās iekārtās.
impulsu sistēmas. Šādās sistēmās deitēriju un tritiju apstaro ar īpaši lieljaudas lāzera stariem vai elektronu/jonu stariem. Šāda apstarošana izraisa kodoltermisko mikrosprādzienu secību. Tomēr ir neizdevīgi izmantot šādas sistēmas rūpnieciskā mērogā: atomu paātrināšanai tiek tērēts daudz vairāk enerģijas, nekā tiek iegūts saplūšanas rezultātā, jo ne visi paātrinātie atomi nonāk reakcijā. Tāpēc daudzas valstis veido gandrīz stacionāras sistēmas.
Kvazistacionāras sistēmas. Šādos reaktoros plazmu notur magnētiskais lauks zemā spiedienā un augstā temperatūrā. Ir trīs veidu reaktori, kuru pamatā ir dažādas magnētiskā lauka konfigurācijas. Tie ir tokamaki, stellaratori (torsatroni) un spoguļu lamatas.
tokamaks apzīmē "toroidālo kameru ar magnētiskajām spolēm". Šī ir kamera "donut" (torusa) formā, uz kuras ir uztītas spoles. Tokamaka galvenā iezīme ir maiņstrāvas izmantošana, kas plūst cauri plazmai, sasilda to un, radot ap sevi magnētisko lauku, notur to.
AT stellarators (torsatrons) magnētisko lauku pilnībā satur magnētiskās spoles, un atšķirībā no tokamaka to var darbināt nepārtraukti.
W spoguļu (atvērtie) slazdi tiek izmantots refleksijas princips. Kamera no abām pusēm ir slēgta ar magnētiskiem "spraudņiem", kas atspoguļo plazmu, noturot to reaktorā.
Ilgu laiku spoguļu lamatas un tokamaki cīnījās par pārākumu. Sākotnēji slazda koncepcija šķita vienkāršāka un līdz ar to lētāka. Sešdesmito gadu sākumā atklātie slazdi tika plaši finansēti, taču plazmas nestabilitāte un neveiksmīgie mēģinājumi to ierobežot ar magnētisko lauku lika šīm instalācijām sarežģīt - vienkārša izskata konstrukcijas pārvērtās par elles mašīnām, un to neizdevās sasniegt. stabils rezultāts. Tāpēc tokamaki priekšplānā izvirzījās 80. gados. 1984. gadā tika palaists Eiropas JET tokamaks, kura izmaksas bija tikai 180 miljoni dolāru un kura parametri ļāva veikt kodoltermisko reakciju. PSRS un Francijā tika konstruēti supravadoši tokamaki, kas gandrīz netērēja enerģiju magnētiskās sistēmas darbībai.
7. Kurš tagad mācās veikt kodoltermiskās reakcijas?
Daudzas valstis būvē savus kodolsintēzes reaktorus. Eksperimentālie reaktori ir Kazahstānā, Ķīnā, ASV un Japānā. Kurčatova institūts strādā pie IGNITOR reaktora. Vācija uzsāka Wendelstein 7-X stellaratora kodolsintēzes reaktoru.
Slavenākais starptautiskais projekts ir ITER tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) Kadarašas pētniecības centrā (Francija). Tā celtniecību bija paredzēts pabeigt 2016. gadā, taču nepieciešamā finansiālā atbalsta apjoms ir audzis, un eksperimentu laiks pārcelts uz 2025. gadu. ITER aktivitātēs piedalās Eiropas Savienība, ASV, Ķīna, Indija, Japāna, Dienvidkoreja un Krievija. Galvenā finansējuma daļa ir ES (45%), pārējie dalībnieki piegādā augsto tehnoloģiju aprīkojumu. Jo īpaši Krievijā ražo supravadošus materiālus un kabeļus, radiolampas plazmas sildīšanai (žirotronus) un supravadošo spoļu drošinātājus, kā arī komponentus reaktora sarežģītākajai daļai – pirmajai sienai, kurai jāiztur elektromagnētiskie spēki, neitronu starojums un plazmas starojums.
8. Kāpēc mēs joprojām neizmantojam kodoltermiskos reaktorus?
Mūsdienu tokamaka iekārtas nav kodolreaktori, bet gan pētniecības iekārtas, kurās plazmas pastāvēšana un saglabāšana iespējama tikai uz laiku. Fakts ir tāds, ka zinātnieki vēl nav iemācījušies ilgstoši saglabāt plazmu reaktorā.
Šobrīd viens no lielākajiem sasniegumiem kodolsintēzes jomā ir vācu zinātnieku panākumi, kuriem izdevies uzsildīt ūdeņraža gāzi līdz 80 miljoniem grādu pēc Celsija un uz ceturtdaļu sekundes uzturēt ūdeņraža plazmas mākoni. Un Ķīnā ūdeņraža plazma tika uzkarsēta līdz 49,999 miljoniem grādu un noturēta 102 sekundes. Krievu zinātniekiem no (G. I. Budkera Kodolfizikas institūta Novosibirskā) izdevās panākt stabilu plazmas uzsildīšanu līdz desmit miljoniem grādu pēc Celsija. Tomēr amerikāņi nesen ir ierosinājuši metodi plazmas ierobežošanai uz 60 gadiem - un tas iedvesmo optimismu.
Turklāt pastāv strīdi par kodolsintēzes rentabilitāti rūpniecībā. Nav zināms, vai elektroenerģijas ražošanas priekšrocības kompensēs kodolsintēzes izmaksas. Tiek ierosināts eksperimentēt ar reakcijām (piemēram, atteikties no tradicionālās deitērija-tritija vai monopropelenta reakcijas par labu citām reakcijām), strukturālajiem materiāliem - vai pat atteikties no rūpnieciskās kodolsintēzes idejas, izmantojot to tikai atsevišķām dalīšanās reakcijām. reakcijas. Tomēr zinātnieki joprojām turpina eksperimentēt.
9. Vai kodolsintēzes reaktori ir droši?
Relatīvi. Tritijs, ko izmanto kodoltermiskās reakcijās, ir radioaktīvs. Turklāt kodolsintēzes rezultātā atbrīvotie neironi apstaro reaktora struktūru. Paši reaktora elementi plazmas iedarbības dēļ ir pārklāti ar radioaktīviem putekļiem.
Tomēr kodolsintēzes reaktors radiācijas ziņā ir daudz drošāks par kodolreaktoru. Reaktorā ir salīdzinoši maz radioaktīvo vielu. Turklāt paša reaktora konstrukcija paredz, ka nav "caurumu", caur kuriem var noplūst starojums. Reaktora vakuuma kamerai jābūt noslēgtai, pretējā gadījumā reaktors vienkārši nevar darboties. Kodolreaktoru būvniecībā tiek izmantoti ar kodolenerģiju pārbaudīti materiāli, telpās tiek uzturēts pazemināts spiediens.
Kad parādīsies kodolsintēzes spēkstacijas?
Zinātnieki visbiežāk saka kaut ko līdzīgu "20 gadu laikā mēs atrisināsim visus fundamentālos jautājumus". Kodolenerģijas inženieri runā par 21. gadsimta otro pusi. Politiķi runā par tīras enerģijas jūru par santīmu, neuztraucoties ar randiņiem.
Kā zinātnieki meklē tumšo vielu Zemes zarnās
Pirms simtiem miljonu gadu minerāli zem zemes virsmas varēja saglabāt noslēpumainas vielas pēdas. Atliek tikai tikt pie tiem. Vairāk nekā divi desmiti pazemes laboratoriju, kas izkaisītas visā pasaulē, ir aizņemtas, meklējot tumšo vielu.
Kā Sibīrijas zinātnieki palīdzēja cilvēkam aizlidot uz zvaigznēm
1961. gada 12. aprīlī Jurijs Gagarins veica pirmo lidojumu kosmosā - pilota labsirdīgais smaids un viņa jautrais "Ejam!" kļuva par padomju kosmonautikas triumfu. Lai šis lidojums notiktu, zinātnieki visā valstī lauza savas smadzenes, kā izveidot tādu raķeti, kas izturētu visas neizpētītā kosmosa briesmas - šeit varēja zināt Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas zinātnieku idejas. nav iztikuši bez.
No četriem galvenajiem kodolenerģijas avotiem tikai divi tagad ir nodoti rūpnieciskai ieviešanai: radioaktīvās sabrukšanas enerģija tiek izmantota pašreizējos avotos, bet skaldīšanas ķēdes reakcija tiek izmantota kodolreaktoros. Trešais kodolenerģijas avots – elementārdaļiņu iznīcināšana vēl nav atstājusi fantāzijas sfēru. Ceturtais avots kontrolēta kodoltermiskā kodolsintēze, UTS, ir darba kārtībā. Lai gan šis avots savā potenciālā ir mazāks par trešo, tas ievērojami pārsniedz otro.
Kodoltermiskā kodolsintēze laboratorijas apstākļos ir diezgan vienkārši īstenojama, taču līdz šim nav izdevies panākt enerģijas reproducēšanu. Tomēr darbs šajā virzienā tiek veikts, un tiek izstrādātas arī radioķīmiskās metodes, pirmkārt, tehnoloģijas tritija degvielas ražošanai UTS iekārtām.
Šajā nodaļā apskatīti daži kodoltermiskās kodolsintēzes radioķīmiskie aspekti un apskatītas CTS iekārtu izmantošanas perspektīvas kodolenerģijas nozarē.
Kontrolēta kodolsintēze- vieglo atomu kodolu saplūšanas reakcija smagākos kodolos, kas notiek īpaši augstā temperatūrā un ko pavada milzīga enerģijas daudzuma izdalīšanās. Atšķirībā no sprādzienbīstamas kodolsintēzes (izmanto ūdeņraža bumbā), to kontrolē. Galvenajās kodolreakcijās, kuras plānots izmantot kontrolētas kodolsintēzes īstenošanai, tiks izmantots -H un 3H, bet tālākā nākotnē - 3 He un "B".
Cerības uz kontrolētu kodolsintēzi ir saistītas ar diviem apstākļiem: i) tiek uzskatīts, ka zvaigznes pastāv stacionāras kodoltermiskās reakcijas dēļ, un 2) nekontrolēts kodoltermiskais process tika gluži vienkārši īstenots ūdeņraža bumbas sprādzienā. Šķiet, ka nav nekādu būtisku šķēršļu kontrolētas kodolsintēzes reakcijas uzturēšanai. Tomēr intensīvie mēģinājumi ieviest CTS laboratorijas apstākļos ar enerģijas pieaugumu beidzās ar pilnīgu neveiksmi.
Tomēr tagad TCF tiek uzskatīts par svarīgu tehnoloģisku risinājumu fosilā kurināmā aizstāšanai enerģijas ražošanā. Vispasaules nepieciešamība pēc enerģijas, kas prasa palielināt elektroenerģijas ražošanu, un neatjaunojamo izejvielu izsmelšana stimulē jaunu risinājumu meklējumus.
Kodoltermoreaktori izmanto enerģiju, kas izdalās vieglo atomu kodolu saplūšanas laikā. Atgādina:
Tritija un deitērija kodolu saplūšanas reakcija ir daudzsološa kontrolētas kodolsintēzes īstenošanai, jo tās šķērsgriezums ir diezgan liels pat pie zemām enerģijām. Šī reakcija nodrošina īpašu siltumspēju 3,5-11 J/g. Galvenās reakcijas D+T=n+a šķērsgriezums ir vislielākais o t ah=5 šķūnis pie rezonanses pie deuterona enerģijas E pSh x= 0,108 MeV, salīdzinot ar reakcijām D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 kūts; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 klēts; E max = 2,0 MeV, kā arī ar reakciju 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotax= 0,4 MeV. Pēdējā reakcijā tiek atbrīvots 18,4 MeV. Reakcijā (3) enerģiju summa n+a ir vienāds ar 17,6 MeV, iegūto neitronu enerģija n = 14,1 MeV; un iegūto a-daļiņu enerģija ir 3,5 MeV. Ja reakcijās T(d,n)a un:) He(d,p)a rezonanses ir diezgan šauras, tad reakcijās D(d,n)3He un D(d,p)T ir ļoti plašas. rezonanses ar lielām vērtībām šķērsgriezumiem reģionā no 1 līdz 10 MeV un lineāro pieaugumu no 0,1 MeV līdz 1 MeV.
komentēt. Problēmas ar viegli uzliesmojošu DT degvielu ir tādas, ka tritijs dabā nav sastopams, un tas ir jāiegūst no litija kodolsintēzes reaktora ģenerācijas segā; tritijs ir radioaktīvs (Ti/ 2 =12,6 gadi), DT-reaktora sistēmā ir no 10 līdz 10 kg tritija; 80% enerģijas DT reakcijā tiek atbrīvoti ar 14-MeV neitroniem, kas izraisa mākslīgu radioaktivitāti reaktora struktūrās un rada radiācijas bojājumus.
Uz att. 1 parāda reakcijas šķērsgriezumu (1 - h) enerģijas atkarības. Reakciju (1) un (2) šķērsgriezumu grafiki ir praktiski vienādi - palielinoties enerģijai, šķērsgriezums palielinās un pie lielām enerģijām reakcijas iespējamība tiecas uz nemainīgu vērtību. Šķērsgriezums reakcijai (3) vispirms palielinās, sasniedz maksimumu 10 barnu pie enerģijām, kas ir aptuveni 90 MeV, un pēc tam samazinās, palielinoties enerģijai.
Rīsi. 1. Dažu kodoltermisko reakciju šķērsgriezumi kā daļiņu enerģijas funkcija masas centrā: 1 - kodolreakcija (3); 2 - reakcijas (1) un (2).
Tā kā tritija kodolu bombardēšanas laikā ar paātrinātiem deuteroniem ir liels izkliedes šķērsgriezums, termokodolsintēzes procesa enerģijas bilance saskaņā ar D-T reakciju var būt negatīva, jo vairāk enerģijas tiek tērēts deuteronu paātrināšanai, nekā tiek atbrīvots saplūšanas laikā. Pozitīvs enerģijas bilance ir iespējams, ja bombardējošās daļiņas pēc elastīgas sadursmes atkal spēj piedalīties reakcijā. Lai pārvarētu elektrisko atgrūšanos, kodoliem jābūt ar lielu kinētisko enerģiju. Šos apstākļus var radīt augstas temperatūras plazmā, kurā atomi vai molekulas atrodas pilnībā jonizētā stāvoklī. Piemēram, D-T reakcija sāk noritēt tikai temperatūrā virs 10 8 K. Tikai šādās temperatūrās uz tilpuma vienību un laika vienību izdalās vairāk enerģijas, nekā tas tiek iztērēts. CTS sastāv no divu problēmu risināšanas: vielas karsēšanas līdz nepieciešamo temperatūru un noturēt to pietiekami ilgu laiku, lai “sadedzinātu” ievērojamu kodoldegvielas daļu.
Tiek uzskatīts, ka kontrolētu kodolsintēzi var realizēt, ja ir izpildīts Lousona kritērijs (lt>10’4 s cm-z, kur P - augstas temperatūras plazmas blīvums, t - tās aiztures laiks sistēmā).
Ja šis kritērijs ir izpildīts, CTS laikā izdalītā enerģija pārsniedz sistēmā ievadīto enerģiju.
Plazma ir jātur noteiktā tilpumā, jo brīvā telpā plazma uzreiz izplešas. Augstās temperatūras dēļ plazmu nevar ievietot tvertnē no jebkuras
materiāls. Plazmas saturēšanai nepieciešams izmantot augstas stiprības magnētisko lauku, kas tiek radīts, izmantojot supravadošus magnētus.
Rīsi. 2. Tokamaka shematiska diagramma.
Ja jūs nenospraužat mērķi iegūt enerģijas pieaugumu, tad laboratorijas apstākļos ir diezgan vienkārši ieviest CTS. Lai to izdarītu, pietiek nolaist ampulu ar litija deuterīdu jebkura lēna reaktora kanālā, kas darbojas ar urāna skaldīšanas reakciju (varat izmantot litiju ar dabīgu izotopu sastāvu (7% 6 Li), bet labāk, ja tas ir bagātināts ar stabilu izotopu 6 Li). Termisko neitronu iedarbībā notiek šāda kodolreakcija:
Šīs reakcijas rezultātā rodas "karstie" tritija atomi. Tritija atsitiena atoma enerģija (~3 MeV) ir pietiekama tritija mijiedarbības reakcijai ar deitēriju, kas atrodas LiD:
Enerģijas vajadzībām šī metode nav piemērota: procesa enerģijas izmaksas pārsniedz atbrīvoto enerģiju. Tāpēc ir jāmeklē citi CTS ieviešanas varianti, kas nodrošina lielu enerģijas ieguvumu.
Viņi cenšas ieviest CTS ar enerģijas pieaugumu vai nu kvazistacionāri (t > 1 s, tg> jūs redzat "Ak, vai impulsu sistēmās (t * io -8 s, n>u 22 cm*h). Pirmajā (tokamaks, stellarators, spoguļu slazds utt.) plazma ir ierobežota un termiski izolēta dažādu konfigurāciju magnētiskajos laukos. Impulsu sistēmās plazma tiek radīta, apstarojot cietu mērķi (deitērija un tritija maisījuma graudus) ar fokusētu starojumu no jaudīga lāzera vai elektronu stariem: kad mazu cietu mērķu stars trāpa fokusā, notiek secīga kodoltermisko mikrosprādzienu sērija. rodas.
Starp dažādām kamerām plazmas ierobežošanai daudzsološa ir kamera ar toroidālu konfigurāciju. Šajā gadījumā plazma tiek izveidota toroidālās kameras iekšpusē, izmantojot bezelektrodu gredzena izlādi. Tokamakā plazmā inducētā strāva it kā ir transformatora sekundārais tinums. Magnētiskais lauks, turot plazmu, tiek radīts gan caur spoli ap kameru plūstošajai strāvai, gan plazmā inducētajai strāvai. Lai iegūtu stabilu plazmu, tiek izmantots ārējais gareniskais magnētiskais lauks.
Kodolreaktors ir ierīce enerģijas ģenerēšanai vieglo atomu kodolu saplūšanas reakcijās, kas notiek plazmā ļoti augstā temperatūrā (> 0,8 K). Galvenā prasība, kas jāatbilst termokodolreaktoram, ir tāda, ka enerģijas izdalīšanās rezultātā
kodoltermiskās reakcijas vairāk nekā kompensēja enerģijas izmaksas no ārējiem avotiem, lai uzturētu reakciju.
Rīsi. h. Galvenās reaktora sastāvdaļas kontrolētai kodolsintēzei.
TOKAMAK tipa kodoltermiskais reaktors (Toroidālā kamera ar magnētiskajām spolēm) sastāv no vakuuma kameras, kas veido kanālu, kurā cirkulē plazma, magnēti, kas rada lauku un plazmas sildīšanas sistēmas. Tam līdzi nāk vakuumsūkņi, kas nepārtraukti izsūknē gāzes no kanāla, degvielas padeves sistēma, tai izdegot, un divertors – sistēma, caur kuru no reaktora tiek izņemta kodoltermiskās reakcijas rezultātā iegūtā enerģija. Toroidālā plazma atrodas vakuuma apvalkā. a-Daļiņas, kas veidojas plazmā kodoltermiskās kodolsintēzes rezultātā un atrodas tajā, paaugstina tās temperatūru. Neitroni iekļūst vakuuma kameras sienā segas zonā, kas satur šķidru litiju vai litija savienojumu, kas bagātināts ar 6 Li. Mijiedarbojoties ar litiju, neitronu kinētiskā enerģija tiek pārvērsta siltumā un vienlaikus rodas tritijs. Sega ir ievietota īpašā apvalkā, kas aizsargā magnētu no izstarotajiem neitroniem, y-starojuma un siltuma plūsmām.
Tokamaka tipa ierīcēs plazma tiek izveidota toroidālās kameras iekšpusē, izmantojot bezelektrodu gredzena izlādi. Šim nolūkam plazmas saišķī tiek radīta elektriskā strāva, un tajā pašā laikā tai ir savs magnētiskais lauks - pats plazmas ķekars kļūst par magnētu. Tagad, izmantojot noteiktas konfigurācijas ārējo magnētisko lauku, kameras centrā ir iespējams apturēt plazmas mākoni, neļaujot tam pieskarties sienām.
Divertors - ierīču komplekts (īpašas poloidālās magnētiskās spoles; paneļi saskarē ar plazmu - plazmas neitralizatori), ar kuru palīdzību no galvenās karstās plazmas tiek maksimāli noņemts sienas tiešā kontakta laukums ar plazmu. Tas kalpo, lai noņemtu siltumu no plazmas lādētu daļiņu plūsmas veidā un izsūknētu reakcijas produktus, kas neitralizēti uz divertora plāksnēm: hēliju un protiju. Attīra plazmu no piesārņotājiem, kas traucē saplūšanas reakciju.
Kodolreaktoru raksturo jaudas pastiprināšanas koeficients, kas ir vienāds ar reaktora siltuma jaudas attiecību pret tā ražošanas izmaksu jaudu. Reaktora siltuma jauda tiek summēta:
- - no jaudas, kas izdalās kodoltermiskās reakcijas laikā plazmā;
- - no jaudas, kas tiek ievadīta plazmā, lai uzturētu kodoltermiskās reakcijas degšanas temperatūru vai stacionāro strāvu plazmā;
- - no segā atbrīvotās jaudas - plazmu apņemošs apvalks, kurā tiek izmantota kodoltermisko neitronu enerģija un kas kalpo, lai aizsargātu magnētiskās spoles no starojuma iedarbības. Segas kodolsintēzes reaktors - viena no galvenajām kodoltermiskā reaktora daļām, īpašs apvalks, kas ieskauj plazmu, kurā notiek kodoltermiskās reakcijas un kas kalpo kodoltermisko neitronu enerģijas izmantošanai.
Sega pārklāj plazmas gredzenu no visām pusēm, un galvenie enerģijas nesēji, kas dzimuši D-T saplūšanas laikā - 14-MeV neitroni - dod to segai), sildot to Segā ir siltummaiņi, caur kuriem tiek izvadīts ūdens Elektrostacijas tvaiki rotē tvaika turbīna, bet viņa - ģeneratora rotors.
Segas galvenais uzdevums ir iegūt enerģiju, pārveidot to siltumā un nodot elektroenerģijas ražošanas sistēmām, kā arī aizsargāt operatorus un vidi no kodoltermiskā reaktora radītā jonizējošā starojuma. Aiz segas termokodolreaktorā ir radiācijas aizsardzības slānis, kura funkcijas ir vēl vairāk vājināt neitronu plūsmu un y-kvantus, kas veidojas reakcijās ar vielu, lai nodrošinātu elektromagnētiskās sistēmas darbspēju. Pēc tam seko bioloģiskā aizsardzība, kuras labā var strādāt stacijas personāls.
"Aktīvā" sega - audzētava, kas paredzēta vienas no kodoltermiskās degvielas sastāvdaļām. Reaktoros, kas patērē tritiju, pārklājums ietver izejmateriālus (litija savienojumus), kas paredzēti efektīvas tritija ražošanas nodrošināšanai.
Darbinot kodoltermisko reaktoru ar deitērija-tritija degvielu, ir nepieciešams papildināt degvielas daudzumu (D + T) reaktorā un noņemt 4He no plazmas. Reakciju rezultātā plazmā tritijs izdeg, un galvenā kodolsintēzes enerģijas daļa tiek pārnesta uz neitroniem, kuriem plazma ir caurspīdīga. Tas noved pie nepieciešamības starp plazmu un elektromagnētisko sistēmu izvietot īpašu zonu, kurā tiek reproducēts degošais tritijs un tiek absorbēta galvenā neitronu enerģijas daļa. Šo apgabalu sauc par selekcionāra segu. Tas atveido plazmā sadedzināto tritiju.
Segā esošo tritiju var iegūt, litiju apstarojot ar neitronu plūsmām atbilstoši kodolreakcijām: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV un 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.
Ražojot tritiju no litija, jāņem vērā, ka dabiskais litijs sastāv no diviem izotopiem: 6 Li (7,52%) un 7 Li (92,48%). Termisko neitronu absorbcijas šķērsgriezums ar tīru 6 Li 0 = 945 barns, un reakcijas aktivācijas šķērsgriezums (p, p) ir 0,028 barns. Dabiskajā litijā šķērsgriezums urāna skaldīšanas laikā radušos neitronu noņemšanai ir 1,01 barns, bet termisko neitronu absorbcijas šķērsgriezums ir aptuveni a = 70,4 barns.
Y-starojuma enerģijas spektrus termisko neitronu 6 Li radiācijas uztveršanas laikā raksturo šādi lielumi: .94 MeV. kopējā enerģija
Kodolreaktorā, kas darbojas ar D-T degvielu, reakcijas rezultātā:
y-starojums uz neitronu uztveršanu ir vienāds ar 1,45 MeV. 7 Li absorbcijas šķērsgriezums ir 0,047 barns un aktivācijas šķērsgriezums ir 0,033 barns (pie neitronu enerģijas virs 2,8 MeV). Šķērsgriezums dalīšanās neitronu ieguvei dabiskā sastāva LiH = 1,34 šķūnis, metāliskais Li - 1,57 šķūnis, LiF - 2,43 šķūnis.
veidojas kodoltermiski neitroni, kas, atstājot plazmas tilpumu, iekrīt litiju un beriliju saturošajā segas apgabalā, kur notiek šādas reakcijas:
Tādējādi kodolsintēzes reaktorā tiks sadedzināts deitērijs un litijs, un reakciju rezultātā veidosies inertās gāzes hēlijs.
D-T reakcijas laikā plazmā tritijs izdeg un veidojas neitrons ar enerģiju 14,1 MeV. Segā šim neitronam ir jāģenerē vismaz viens tritija atoms, lai segtu tā zudumus plazmā. Tritija reprodukcijas ātrums uz("segajā izveidotā tritija daudzums uz vienu krītošu kodoltermisko neitronu") ir atkarīgs no neitronu spektra segā, neitronu absorbcijas un noplūdes lieluma. k> 1,05.
Rīsi. 4. att. Tritija veidošanās kodolreakciju šķērsgriezuma atkarības no neitrona enerģijas: 1 - reakcija 6 Li (n, t) ‘» He, 2 – reakcija 7 Li (n, n’, 0 4 He.
6 Li kodolam termisko neitronu absorbcijas šķērsgriezums ar tritija veidošanos ir ļoti liels (953 barns pie 0,025 eV). Pie zemām enerģijām neitronu absorbcijas šķērsgriezums Li atbilst likumam (l/u) un dabīgā litija gadījumā sasniedz 71 barnu termiskajiem neitroniem. 7 Li šķērsgriezums mijiedarbībai ar neitroniem ir tikai 0,045 barns. Tāpēc, lai palielinātu selekcionāra veiktspēju, dabiskais litijs ir jābagātina ar 6 Li izotopu. Tomēr 6 Li satura palielināšanai izotopu maisījumā ir maza ietekme uz tritija vairošanās attiecību: tas palielinās par 5%, palielinoties bagātinājumam ar izotopu 6 Li līdz 50% maisījumā. Reakcijā 6 Li(n, T)» Ne visi palēninātie neitroni tiek absorbēti. Papildus spēcīgai absorbcijai termiskajā reģionā ir arī neliela absorbcija (
Šķērsgriezuma atkarība reakcijai 6 Li(n,T) 4 He no neitrona enerģijas ir parādīta attēlā. 7. Kā tas ir raksturīgs daudzām citām kodolreakcijām, 6 Li(n,f) 4 He reakcijas šķērsgriezums samazinās, palielinoties neitronu enerģijai (izņemot rezonansi pie 0,25 MeV).
Reakcija ar tritija veidošanos uz αLi izotopa notiek ar ātriem neitroniem ar enerģiju βn>2,8 MeV. Šajā reakcijā
tiek ražots tritijs un netiek zaudēts neitrons.
Kodolreakcija uz 6 Li nevar nodrošināt ilgstošu tritija reprodukciju un tikai kompensē izdegušo tritiju
Reakcijā uz 1l parādās viens tritija kodols katram absorbētajam neitronam un šī neitrona reģenerācija, kas pēc tam tiek absorbēta palēnināšanās laikā un dod vēl vienu tritija kodolu.
komentēt. Dabiskajā Li, tritija reprodukcijas koeficients uz"2. Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1,1; 1.05 un i.6 attiecīgi. Izkausēto sāli LiF (66%) + BeF 2 (34%) sauc par flyb ( FLiBe), tā lietošana ir vēlama drošības un tritija zudumu samazināšanas ziņā.
Tā kā ne katrs D-T reakcijas neitrons piedalās tritija atoma veidošanā, primāros neitronus (14,1 MeV) nepieciešams reizināt, izmantojot (n, 2n) vai (n, cn) reakciju uz elementiem, kuriem ir pietiekami daudz liels šķērsgriezums ātro neitronu mijiedarbības laikā, piemēram, uz y Be, Pb, Mo, Nb un daudziem citiem materiāliem ar Z> 25. Berilijam slieksnis (n, 2 P) reakcijas 2,5 MeV; pie 14 MeV 0=0,45 kūts. Tā rezultātā segas versijās ar šķidru vai keramikas litiju (LiA10 2) ir iespējams sasniegt uz* 1,1+1,2. Ja reaktora kameru ieskauj urāna sega, neitronu pavairošana var ievērojami palielināties skaldīšanas reakciju un (n, 2n), (n, zl) reakciju dēļ.
1. piezīme. Litija inducētās aktivitātes, apstarojot ar neitroniem, praktiski nav, jo iegūtajam radioaktīvajam izotopam 8Li (cr-starojums ar enerģiju 12,7 MeV un /?-starojums ar enerģiju ~6 MeV) ir ļoti īss. -dzīve - 0,875 s. Zemā litija aktivācija un īsais pussabrukšanas periods atvieglo auga bioloģisko aizsardzību.
2. piezīme. Termonukleārā DT-reaktora segā esošā tritija aktivitāte ir ~*10 6 Ci, tāpēc DT-degvielas izmantošana neizslēdz teorētisku avārijas iespējamību vairāku procentu apmērā no Černobiļas. viens (izlaidums bija 510 7 Ci). Tritija izdalīšanās, veidojot T 2 0, var izraisīt radioaktīvu nokrišņu veidošanos, tritija iekļūšanu gruntsūdeņos, ūdenstilpēs, dzīvos organismos, augos, kas uzkrājas, galu galā, pārtikā.
Selekcionāra materiāla un kopējā stāvokļa izvēle ir nopietna problēma. Selekcionāra materiālam jānodrošina liels litija pārvēršanās procents par tritiju un tā viegla ekstrakcija, lai pēc tam pārnestu uz degvielas sagatavošanas sistēmu.
Galvenās selekcionāra segas funkcijas ietver: plazmas kameras veidošanos; tritija ražošana ar koeficientu k>i; neitrona kinētiskās enerģijas pārvēršana siltumā; termokodolreaktora darbības laikā segā radītā siltuma izmantošana; elektromagnētiskās sistēmas aizsardzība pret radiāciju; aizsardzība pret bioloģisko starojumu.
Termonukleārais reaktors ar D-T degvielu atkarībā no segas materiāla var būt "tīrs" vai hibrīds. "Tīra" kodoltermiskā reaktora sega satur Li, kurā neitronu iedarbībā tiek iegūts tritijs un kodoltermiskā reakcija tiek pastiprināta no 17,6 MeV līdz 22,4
MeV. Hibrīda ("aktīvā") kodoltermiskā reaktora segumā tiek ražots ne tikai tritijs, bet ir arī zonas, kurās tiek novietoti atkritumi 2 s 8, lai iegūtu 2 39Pu. Šajā gadījumā segā tiek atbrīvota enerģija, kas vienāda ar 140 MeV uz neitronu. Hibrīda kodolsintēzes reaktora energoefektivitāte ir sešas reizes augstāka nekā tīram. Tajā pašā laikā tiek panākta labāka kodoltermisko neitronu absorbcija, kas palielina objekta drošību. Tomēr skaldāmo radioaktīvo vielu klātbūtne rada radiācijas vidi, kas ir līdzīga tai, kāda ir kodola skaldīšanas reaktoros.
Rīsi. 5.
Ir divas tīras selekcijas segas koncepcijas, kuru pamatā ir šķidru tritiju auglīgu materiālu izmantošana vai cietu litiju saturošu materiālu izmantošana. Segas dizaina iespējas ir saistītas ar izvēlēto dzesēšanas šķidrumu veidu (šķidrais metāls, šķidrais sāls, gāze, organiskais, ūdens) un iespējamo konstrukcijas materiālu klasi.
Segas šķidrajā versijā litijs ir dzesēšanas šķidrums, bet tritijs ir auglīgais materiāls. Segas sekcija sastāv no pirmās sienas, izkausētās litija sāls, atstarotāja (tērauda vai volframa) un gaismas aizsargkomponenta (piemēram, titāna hidrīda).Pašdzesētās litija segas galvenā iezīme ir tās trūkums. papildu neitronu regulētājs un neitronu audzētājs. izmantojiet šādus sāļus: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (T wx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). No dotajiem sāļiem Li 2 BeF 4 ir viszemākā viskozitāte, bet visaugstākā Twl. Perspektīva ir Pb-Li eitektika un FLiNaBe kausējums, kas darbojas arī kā pašdzesētājs. Neitronu audzētāji šādā selekcionārā ir sfēriskas Be granulas ar diametru 2 mm.
Segā ar cieto selekcionāru kā vaislas materiāls tiek izmantota litiju saturoša keramika, bet berilijs kalpo kā neitronu selekcionārs. Šādas segas sastāvā ietilpst tādi elementi kā pirmā siena ar dzesēšanas šķidruma kolektoriem; neitronu vairošanās zona; tritija audzēšanas zona; kanāli tritija vairošanās un reprodukcijas zonu dzesēšanai; dzelzs aizsardzība; segu stiprinājuma elementi; līnijas dzesēšanas šķidruma un tritija nesējgāzes ieplūdei un izplūdei. Konstrukciju materiāli - vanādija sakausējumi un ferīta vai ferīta-martensīta klases tērauds. Radiācijas aizsardzība ir izgatavota no tērauda loksnēm. Izmantotais dzesēšanas šķidrums ir gāzveida hēlijs zem UMPa spiediena ar ieplūdes temperatūru 300 0 un dzesēšanas šķidruma izplūdes temperatūru 650 0 .
Radioķīmiskais uzdevums ir izolēt, attīrīt un atgriezt tritiju degvielas ciklā. Tajā pašā laikā svarīga ir funkcionālo materiālu izvēle degvielas komponentu (selekcijas materiālu) reģenerācijas sistēmām. Selekcionāra (selekcionāra) materiālam jānodrošina kodolsintēzes enerģijas izvadīšana, tritija ģenerēšana un tā efektīva ekstrakcija turpmākai attīrīšanai un pārvēršanai reaktora degvielā. Šim nolūkam ir nepieciešams materiāls ar augstu temperatūru, starojumu un mehānisko izturību. Tikpat svarīgas ir materiāla difūzijas īpašības, kas nodrošina augstu tritija mobilitāti un līdz ar to arī labu tritija ekstrakcijas efektivitāti no selekcijas materiāla salīdzinoši zemās temperatūrās.
Segas darba vielas var būt: keramika Li 4 Si0 4 (vai Li 2 Ti0 3) - reproducējošs materiāls un berilijs - neitronu audzētājs. Gan selekcionārs, gan berilijs tiek izmantoti monodispersu oļu slāņa veidā (granulas, kuru forma ir tuvu sfēriskai). Li 4 Si0 4 un Li 2 Ti0 3 granulu diametrs svārstās attiecīgi 0,2–10,6 mm un 0,8 mm robežās, savukārt berilija granulu diametrs ir 1 mm. Granulu slāņa efektīvā tilpuma daļa ir 63%. Lai audzētu tritiju, keramikas selekcionārs ir bagātināts ar 6 Li izotopu. Tipisks bagātināšanas līmenis 6 Li: 40 % Li 4 Si0 4 un 70 % Li 2 Ti0 3 .
Patlaban litija metatitanāts 1l 2 TiO 3 tiek uzskatīts par visdaudzsološāko, jo relatīvi zemā temperatūrā (no 200 līdz 400 0) ir relatīvi augsts tritija izdalīšanās ātrums, radiācijas un ķīmiskā izturība. Tika pierādīts, ka litija titanāta granulas, kas bagātinātas līdz 96% 6 Li intensīvas neitronu apstarošanas un termiskās iedarbības apstākļos, ļauj ģenerēt litiju praktiski nemainīgā ātrumā divus gadus. Tritija ekstrakcija no neitronu apstarotās keramikas tiek veikta, ieprogrammējot selekcijas materiāla karsēšanu nepārtrauktas sūknēšanas režīmā.
Tiek pieņemts, ka kodolrūpniecībā kodolsintēzes iekārtas var izmantot trīs jomās:
- - hibrīdreaktori, kuros sega satur skaldāmos nuklīdus (urānu, plutoniju), kuru skaldīšanu kontrolē spēcīga augstas enerģijas (14 MeV) neitronu plūsma;
- - sadegšanas iniciatori elektroniskajos subkritiskajos reaktoros;
- - ilgmūžīgu videi bīstamu radionuklīdu transmutācija, lai neitralizētu radioaktīvos atkritumus.
Kodoltermisko neitronu augstā enerģija sniedz lielas iespējas neitronu enerģētisko grupu atdalīšanai konkrēta radionuklīda sadedzināšanai šķērsgriezumu rezonanses zonā.