fuzja termojądrowa, reakcja fuzji lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, zachodząca w superwysokich temperaturach i której towarzyszy uwalnianie ogromnych ilości energii. Fuzja jądrowa jest odwrotną reakcją rozszczepienia atomowego: w tym ostatnim uwalniana jest energia w wyniku rozszczepienia ciężkich jąder na lżejsze. Zobacz też ROZSZCZEPIENIA JĄDROWEGO; ENERGIA ATOMOWA.
Według współczesnych koncepcji astrofizycznych głównym źródłem energii dla Słońca i innych gwiazd jest zachodząca w ich głębi fuzja termojądrowa. W warunkach ziemskich odbywa się to podczas wybuchu bomby wodorowej. Fuzji termojądrowej towarzyszy kolosalne uwalnianie energii na jednostkę masy reagujących substancji (około 10 milionów razy większe niż w reakcjach chemicznych). Dlatego bardzo ważne jest opanowanie tego procesu i stworzenie na jego podstawie taniego i przyjaznego środowisku źródła energii. Jednak pomimo faktu, że w badania nad kontrolowaną syntezą termojądrową (CTF) zaangażowane są duże zespoły naukowe i techniczne w wielu rozwiniętych krajach, nadal istnieje wiele złożonych problemów, które należy rozwiązać, zanim przemysłowa produkcja energii termojądrowej stanie się rzeczywistością.
Nowoczesne elektrownie jądrowe wykorzystujące proces rozszczepienia tylko częściowo zaspokajają światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Paliwem dla nich są naturalne pierwiastki promieniotwórcze, uran i tor, których występowanie i rezerwy w przyrodzie są bardzo ograniczone; dlatego dla wielu krajów pojawia się problem ich importu. Głównym składnikiem paliwa termojądrowego jest deuter, izotop wodoru, który znajduje się w wodzie morskiej. Jego rezerwy są ogólnodostępne i bardzo duże (oceany pokrywają ~71% powierzchni Ziemi, a deuter stanowi około 0,016% całkowitej liczby atomów wodoru tworzących wodę). Oprócz dostępności paliwa, źródła energii termojądrowej mają następujące ważne zalety w porównaniu z elektrowniami jądrowymi: 1) reaktor UTS zawiera znacznie mniej materiałów promieniotwórczych niż reaktor rozszczepienia jądrowego, a zatem konsekwencje przypadkowego uwolnienia produktów promieniotwórczych są mniejsze niebezpieczny; 2) reakcje termojądrowe wytwarzają mniej długożyciowych odpadów promieniotwórczych; 3) TCB umożliwia bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej.
Artsimovich L.A. Kontrolowane reakcje termojądrowe. M., 1963
Elektrownie cieplne i jądrowe(książka 1, sekcja 6; księga 3, sekcja 8). M., 1989
Znajdź "FUZJA JĄDROWA" na
Po raz pierwszy problem kontrolowanej syntezy termojądrowej w Związku Radzieckim został sformułowany i zaproponował pewne konstruktywne rozwiązanie przez sowieckiego fizyka O. A. Lavrentiewa. Oprócz niego tak wybitni fizycy, jak A. D. Sacharow i I. E. Tamm, a także L. A. Artsimovich, który kierował sowieckim programem dotyczącym kontrolowanej syntezy termojądrowej od 1951 r., Wnieśli ważny wkład w rozwiązanie problemu.
Historycznie kwestia kontrolowanej syntezy termojądrowej na poziomie globalnym pojawiła się w połowie XX wieku. Wiadomo, że I. V. Kurczatow w 1956 r. Przedstawił propozycję współpracy atomistów z różnych krajów w rozwiązaniu tego problemu naukowego. Stało się to podczas wizyty w brytyjskim centrum nuklearnym „Harwell” ( język angielski) .
Rodzaje reakcji
Reakcja fuzji jest następująca: dwa lub więcej jąder atomowych, w wyniku przyłożenia określonej siły, zbliżają się tak bardzo, że siły działające na takich odległościach przeważają nad siłami odpychania kulombowskiego pomiędzy równo naładowanymi jądrami, w wyniku czego powstaje nowe jądro. Podczas tworzenia nowego jądra zostanie uwolniona duża energia silnego oddziaływania. Zgodnie ze znanym wzorem E=mc² , po uwolnieniu energii układ nukleonów straci część swojej masy. Jądra atomowe, które mają niewielki ładunek elektryczny, są łatwiejsze do przeniesienia na odpowiednią odległość, więc ciężkie izotopy wodoru są jednym z najlepszych paliw do reakcji fuzji.
Stwierdzono, że mieszanina dwóch izotopów, deuteru i trytu, wymaga najmniej energii do reakcji fuzji w porównaniu z energią uwalnianą podczas reakcji. Jednak chociaż mieszanina deuteru i trytu (D-T) jest przedmiotem większości badań nad syntezą jądrową, nie jest to bynajmniej jedyne potencjalne paliwo. Inne mieszaniny mogą być łatwiejsze do wytworzenia; ich reakcja może być lepiej kontrolowana lub, co ważniejsze, wytwarzać mniej neutronów. Szczególnie interesujące są tak zwane reakcje „bezneutronowe”, ponieważ pomyślne przemysłowe wykorzystanie takiego paliwa oznaczać będzie brak długotrwałego skażenia radioaktywnego materiałów i konstrukcji reaktora, co z kolei może pozytywnie wpłynąć na opinię publiczną i ogólną koszty eksploatacji reaktora, co znacznie obniża koszty likwidacji i utylizacji. Problemem pozostaje to, że reakcja syntezy jądrowej z wykorzystaniem paliw alternatywnych jest znacznie trudniejsza do utrzymania, więc reakcję D-T uważa się jedynie za niezbędny pierwszy etap.
Kontrolowana fuzja termojądrowa może wykorzystywać różne rodzaje reakcji termojądrowych w zależności od rodzaju użytego paliwa.
Reakcja deuteru + trytu (paliwo D-T)
Najłatwiej zaimplementowaną reakcją jest deuter + tryt:
2 H + 3 H = 4 He + n dla energii wyjściowej 17,6 MeV (MeV).
Taka reakcja jest najłatwiej realizowana z punktu widzenia nowoczesnych technologii, daje znaczny uzysk energii, a komponenty paliwowe są tanie. Wadą jest uwalnianie niepożądanego promieniowania neutronowego.
Dwa jądra: deuter i tryt łączą się, tworząc jądro helu (cząstka alfa) i neutron o wysokiej energii:
Tokamak (TOroidalna komora z cewkami magnetycznymi) to toroidalny obiekt do utrzymywania plazmy magnetycznej. Plazma jest utrzymywana nie przez ścianki komory, które nie są w stanie wytrzymać jej temperatury, ale przez specjalnie wytworzone pole magnetyczne. Cechą tokamaka jest wykorzystanie prądu elektrycznego przepływającego przez plazmę do wytworzenia pola toroidalnego niezbędnego do równowagi plazmy.
Reakcja deuter + hel-3
O wiele trudniej, na granicy możliwości, przeprowadzić reakcję deuter + hel-3
2 H + 3 He = 4 He + przy mocy wyjściowej 18,4 MeV.Warunki jego osiągnięcia są znacznie bardziej skomplikowane. Hel-3 jest także rzadkim i niezwykle drogim izotopem. Obecnie nie jest produkowany na skalę przemysłową. Można go jednak pozyskać z trytu, pozyskiwanego z kolei w elektrowniach jądrowych; lub wydobyty na Księżycu.
Złożoność prowadzenia reakcji termojądrowej można scharakteryzować przez potrójny produkt ntτ (gęstość na temperaturę na czas przetrzymania). Zgodnie z tym parametrem reakcja D-3He jest około 100 razy trudniejsza niż D-T.
Reakcja między jądrami deuteru (D-D, monopropelent)
Oprócz głównej reakcji w plazmie DD występują również:
Reakcje te powoli przebiegają równolegle z reakcją deuter + hel-3, a powstałe podczas nich tryt i hel-3 z dużym prawdopodobieństwem natychmiast zareagują z deuterem.
Inne rodzaje reakcji
Możliwych jest również kilka innych typów reakcji. Wybór paliwa zależy od wielu czynników – jego dostępności i niskiego kosztu, uzysku energii, łatwości uzyskania warunków wymaganych do reakcji syntezy (przede wszystkim temperatury), niezbędnych cech konstrukcyjnych reaktora itp.
Reakcje „bezneutronowe”
Najbardziej obiecujące są tak zwane reakcje „bezneutronowe”, ponieważ strumień neutronów generowany przez fuzję termojądrową (na przykład w reakcji deuter-tryt) zabiera znaczną część energii i generuje indukowaną radioaktywność w konstrukcji reaktora. Reakcja deuter + hel-3 jest obiecująca, również ze względu na brak wydajności neutronowej.
Reakcje na lekki wodór
D + T → 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV).
Jednak w tym przypadku większość (ponad 80%) uwolnionej energii kinetycznej przypada właśnie na neutron. W wyniku zderzeń fragmentów z innymi atomami energia ta zamieniana jest na energię cieplną. Ponadto prędkie neutrony wytwarzają znaczną ilość odpadów radioaktywnych. Natomiast fuzja deuteru i helu-3 nie wytwarza prawie żadnych produktów radioaktywnych:
D + 3 He → 4 He (3,7 MeV) + p (14,7 MeV), gdzie p jest protonem.
Pozwala to na prostsze i wydajniejsze systemy konwersji kinetycznej reakcji syntezy jądrowej, takie jak generator magnetohydrodynamiczny.
Projekty reaktorów
Istnieją dwa główne schematy wdrażania kontrolowanej syntezy termojądrowej, których rozwój trwa obecnie (2012):
Pierwszy typ reaktora termojądrowego jest znacznie lepiej opracowany i zbadany niż drugi.
Bezpieczeństwo promieniowania
Reaktor termojądrowy jest znacznie bezpieczniejszy niż reaktor jądrowy pod względem promieniowania. Przede wszystkim ilość zawartych w nim substancji promieniotwórczych jest stosunkowo niewielka. Energia, która może zostać uwolniona w wyniku jakiegokolwiek wypadku, jest również niewielka i nie może doprowadzić do zniszczenia reaktora. Jednocześnie w konstrukcji reaktora istnieje kilka naturalnych barier, które zapobiegają rozprzestrzenianiu się substancji radioaktywnych. Na przykład komora próżniowa i skorupa kriostatu muszą być uszczelnione, w przeciwnym razie reaktor po prostu nie może działać. Jednak podczas projektowania ITER dużą uwagę zwrócono na bezpieczeństwo radiacyjne zarówno podczas normalnej eksploatacji, jak i podczas ewentualnych wypadków.
Istnieje kilka źródeł możliwego skażenia radioaktywnego:
- radioaktywnym izotopem wodoru jest tryt;
- radioaktywność indukowana w materiałach instalacji w wyniku napromieniowania neutronami;
- pył radioaktywny powstały w wyniku uderzenia plazmy o pierwszą ścianę;
- radioaktywne produkty korozji, które mogą tworzyć się w układzie chłodzenia.
Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się trytu i pyłu, jeśli wyjdą one poza komorę próżniową i kriostat, potrzebny jest specjalny system wentylacji, aby utrzymać obniżone ciśnienie w budynku reaktora. Dlatego nie będzie wycieków powietrza z budynku, z wyjątkiem filtrów wentylacyjnych.
Przy budowie reaktora, na przykład ITER, tam gdzie to możliwe, zostaną wykorzystane materiały już przetestowane w energetyce jądrowej. Z tego powodu indukowana radioaktywność będzie stosunkowo niewielka. W szczególności, nawet w przypadku awarii systemów chłodzenia, konwekcja naturalna wystarczy do schłodzenia komory próżniowej i innych elementów konstrukcyjnych.
Szacunki pokazują, że nawet w razie wypadku uwolnienia radioaktywne nie będą stanowić zagrożenia dla społeczeństwa i nie będą wymagać ewakuacji.
Cykl paliwowy
Reaktory pierwszej generacji będą najprawdopodobniej działać na mieszaninie deuteru i trytu. Pojawiające się podczas reakcji neutrony zostaną wchłonięte przez osłonę reaktora, a uwolnione ciepło posłuży do podgrzania chłodziwa w wymienniku ciepła, a ta energia z kolei zostanie wykorzystana do obracania generatora.
. .Reakcja syntezy jako przemysłowe źródło energii
Energia syntezy jądrowej jest uważana przez wielu badaczy (w szczególności Christophera Llewellyna-Smitha) za „naturalne” źródło energii w perspektywie długoterminowej. Zwolennicy komercyjnego wykorzystania reaktorów termojądrowych do wytwarzania energii przemawiają za następującymi argumentami:
Koszt energii elektrycznej w porównaniu do tradycyjnych źródeł
Krytycy zwracają uwagę, że kwestia opłacalności syntezy jądrowej w produkcji energii elektrycznej do powszechnego użytku pozostaje otwarta. To samo badanie, zlecone przez Biuro Nauki i Technologii brytyjskiego parlamentu, wskazuje, że koszt wytwarzania energii elektrycznej za pomocą reaktora termojądrowego prawdopodobnie będzie na szczycie spektrum kosztów konwencjonalnych źródeł energii. Wiele będzie zależeć od technologii dostępnej w przyszłości, struktury i regulacji rynku. Koszt energii elektrycznej zależy bezpośrednio od wydajności użytkowania, czasu pracy i kosztu utylizacji reaktora.
Jest też kwestia kosztów badań. Kraje UE wydają około 200 milionów euro rocznie na badania i przewiduje się, że upłynie jeszcze kilkadziesiąt lat, zanim możliwe będzie przemysłowe zastosowanie syntezy jądrowej. Zwolennicy alternatywnych niejądrowych źródeł energii elektrycznej uważają, że właściwsze byłoby skierowanie tych środków na wprowadzenie odnawialnych źródeł energii elektrycznej.
Dostępność komercyjnej energii termojądrowej
Pomimo powszechnego optymizmu (od wczesnych badań z lat 50. XX wieku) nie udało się jeszcze pokonać istotnych przeszkód między dzisiejszym rozumieniem procesów syntezy jądrowej, możliwościami technologicznymi i praktycznym wykorzystaniem syntezy jądrowej. Nie jest nawet jasne, jak opłacalna może być produkcja energii elektrycznej za pomocą syntezy termojądrowej. Mimo stałego postępu w badaniach naukowcy stale stają przed nowymi wyzwaniami. Na przykład wyzwaniem jest opracowanie materiału, który wytrzyma bombardowanie neutronami, którego intensywność szacuje się na 100 razy większą niż w konwencjonalnych reaktorach jądrowych. Dotkliwość problemu potęguje fakt, że przekrój oddziaływania neutronów z jądrami przestaje zależeć od liczby protonów i neutronów wraz ze wzrostem energii i dąży do przekroju jądra atomowego - a dla neutronów 14 MeV po prostu nie istnieje izotop o wystarczająco małym przekroju oddziaływania. Powoduje to konieczność bardzo częstej wymiany projektów reaktorów D-T i D-D i obniża ich opłacalność do tego stopnia, że koszt nowoczesnych konstrukcji reaktorów dla tych dwóch typów jest większy niż koszt wyprodukowanej na nich energii. Możliwe są trzy rodzaje rozwiązań:
- Odrzucenie czystej syntezy jądrowej i jej wykorzystanie jako źródła neutronów do rozszczepienia uranu lub toru.
- Odrzucenie syntezy D-T i D-D na rzecz innych reakcji syntezy (na przykład D-He).
- Gwałtowne obniżenie kosztów materiałów konstrukcyjnych lub opracowanie procesów ich odzyskiwania po napromieniowaniu. Potrzebne są również ogromne inwestycje w materiałoznawstwo, ale perspektywy są niepewne.
Reakcje uboczne D-D (3%) podczas syntezy D-He komplikują wytwarzanie opłacalnych projektów reaktora, ale nie są niemożliwe na obecnym poziomie technologicznym.
Istnieją następujące fazy badawcze:
1. Tryb równowagi lub „przejścia”(Brak progu): gdy całkowita energia uwolniona podczas procesu syntezy jądrowej jest równa całkowitej energii zużytej na rozpoczęcie i utrzymanie reakcji. Ten stosunek jest oznaczony symbolem Q.
2. Płonąca Plazma(płonąca plazma): etap pośredni, w którym reakcja będzie wspierana głównie przez cząstki alfa powstające podczas reakcji, a nie przez zewnętrzne ogrzewanie. P ≈ 5. Do tej pory (2012) nie został osiągnięty.
3. Zapłon(zapłon): stabilna, samopodtrzymująca się reakcja. Należy osiągnąć przy wysokich wartościach Q. Jak dotąd nie osiągnięto.
Kolejnym krokiem w badaniach powinien być Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER). W tym reaktorze planowane jest badanie zachowania plazmy wysokotemperaturowej (płonącej plazmy z Q~30) i materiałów konstrukcyjnych reaktora przemysłowego.
Ostatnią fazą badań będzie DEMO: prototypowy reaktor przemysłowy, który osiągnie zapłon i zademonstruje praktyczną przydatność nowych materiałów. Najbardziej optymistyczne prognozy na zakończenie fazy DEMO: 30 lat. Biorąc pod uwagę przybliżony czas budowy i uruchomienia reaktora przemysłowego, od przemysłowego wykorzystania energii termojądrowej dzieli nas ok. 40 lat.
Istniejące tokamaki
W sumie na świecie zbudowano około 300 tokamaków. Największe z nich wymieniono poniżej.
- ZSRR i Rosja
- T-3 to pierwszy funkcjonalny aparat.
- T-4 - powiększona wersja T-3
- T-7 to wyjątkowa instalacja, w której po raz pierwszy na świecie zaimplementowano stosunkowo duży układ magnetyczny z nadprzewodnikowym solenoidem na bazie niobianu cyny, chłodzony ciekłym helem. Wykonano główne zadanie T-7: przygotowano perspektywę następnej generacji nadprzewodzących elektrozaworów energetyki termojądrowej.
- T-10 i PLT to kolejny krok w świecie badań nad syntezą jądrową, są prawie tej samej wielkości, mają taką samą moc i mają ten sam współczynnik zamknięcia. Uzyskane wyniki są identyczne: pożądana temperatura syntezy termojądrowej została osiągnięta w obu reaktorach, a opóźnienie według kryterium Lawsona jest tylko dwustukrotne.
- T-15 to dzisiejszy reaktor z elektromagnesem nadprzewodzącym, który daje pole 3,6 T.
- Libia
- TM-4A
Spinki do mankietów
- E.P. Wielichow; S.V. Mirnow Na metę wchodzi kontrolowana fuzja termojądrowa (PDF). Troicki Instytut Innowacji i Badań Termojądrowych. Rosyjskie Centrum Badawcze „Instytut Kurczatowa”.. ac.ru. – Popularne przedstawienie problemu, zarchiwizowane z oryginału 5 lutego 2012 r. Pobrane 8 sierpnia 2007 r.
- C. Llewellyn-Smith. W drodze do energii termojądrowej. Materiały z wykładu wygłoszonego 17 maja 2009 w FIAN.
- W Stanach Zjednoczonych odbędzie się wspaniały eksperyment dotyczący syntezy termojądrowej.
Zobacz też
Uwagi
- Bondarenko B. D. „Rola O. A. Lavrentieva w stawianiu pytania i inicjowaniu badań nad kontrolowaną fuzją termojądrową w ZSRR” // UFN 171 , 886 (2001).
- Recenzja A. D. Sacharowa, opublikowana w dziale „Z archiwum Prezydenta Federacji Rosyjskiej”. UFN 171 , 902 (2001), s. 908.
- Środowisko naukowe fizyków ZSRR. 1950-1960. Dokumenty, wspomnienia, badania/ Opracowane i zredagowane przez P. V. Vizgina i A. V. Kessenikha. - Petersburg. : RGHA, 2005. - T. I. - S. 23. - 720 s. - 1000 egzemplarzy.
- Wczesne amerykańskie pociski termojądrowe również wykorzystywały naturalny deuterek litu, który zawiera głównie izotop litu o liczbie masowej 7. Służy również jako źródło trytu, ale w tym celu neutrony biorące udział w reakcji muszą mieć energię 10 MeV i wyższy.
- Elektrownie termojądrowe o cyklu bezneutronowym (na przykład D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV) z generatorem MHD na plazmie wysokotemperaturowej;
- E. P. Velikhov, S. V. Putvinsky Reaktor termojądrowy. Fornit (22 października 1999). - Raport z dnia 22.10.1999, sporządzony w ramach Centrum Energetycznego Światowej Federacji Naukowców. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 5 lutego 2012 r. Źródło 16 stycznia 2011 r.
- (Angielski) Postnote: Fuzja jądrowa, 2003 r.
- EFDA | Europejska umowa na rzecz rozwoju syntezy jądrowej
- Tore Supra
- Reaktor testowy syntezy Tokamak
- Przegląd laboratorium fizyki plazmy Princeton
- MIT Plasma Science & Fusion Center: badania>alkator>
- Strona główna - Witryna Fusion
- Badania plazmy termojądrowej
- Sztuczne Słońce
- Termojądrowy wyszedł z zera - Gazeta. Ru
- Informacje o filmie „Spider-Man 2” („Spider-Man 2”) – Kino „Kosmos”
| Technologie jądrowe | |
|---|---|
| Inżynieria | |
| materiały | |
| Energia atomowa | |
| Medycyna nuklearna | |
| Broń nuklearna | |
| Energia struktura według produktów i branż |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Energetyka: Elektryczność |
| |||||||||||||||||||||||||
Wszystkie gwiazdy, w tym nasze Słońce, wytwarzają energię za pomocą syntezy termojądrowej. Świat nauki ma kłopoty. Naukowcy nie znają wszystkich sposobów uzyskania takiej fuzji (termonuklearnej). Fuzja lekkich jąder atomowych i ich przekształcenie w cięższe wskazuje, że uzyskano energię, która może być kontrolowana lub wybuchowa. Ten ostatni jest stosowany w termojądrowych strukturach wybuchowych. Kontrolowany proces termojądrowy różni się od reszty energii jądrowej tym, że wykorzystuje reakcję rozpadu, gdy ciężkie jądra są dzielone na lżejsze, ale reakcje jądrowe z wykorzystaniem deuteru (2 N) i trytu (3 N) - syntezy, czyli kontrolowanej termojądrowej połączenie. W przyszłości planowane jest użycie helu-3 (3 He) i boru-11 (11 V).
Śnić
Nie należy mylić tradycyjnej i dobrze znanej fuzji termojądrowej z marzeniem dzisiejszych fizyków, w którego ucieleśnienie nikt jeszcze nie wierzy. Odnosi się to do reakcji jądrowej w dowolnej, nawet temperaturze pokojowej. Jest to również brak promieniowania i zimnej fuzji termojądrowej. Encyklopedie mówią nam, że reakcja syntezy jądrowej w układach atomowo-molekularnych (chemicznych) jest procesem, w którym nie jest wymagane znaczne ogrzewanie substancji, ale ludzkość jeszcze nie wyprodukowała takiej energii. Dzieje się tak pomimo faktu, że absolutnie wszystkie reakcje jądrowe, w których zachodzi fuzja, są w stanie plazmy, a jej temperatura wynosi miliony stopni.
W tej chwili nie jest to nawet marzenie fizyków, ale pisarzy science fiction, niemniej jednak rozwój trwa od dawna i wytrwale. Fuzja termojądrowa bez stale towarzyszącego niebezpieczeństwa poziomu Czarnobyla i Fukushimy - czy nie jest to wielki cel dla dobra ludzkości? Zagraniczna literatura naukowa nadała temu zjawisku różne nazwy. Na przykład LENR oznacza niskoenergetyczne reakcje jądrowe, a CANR oznacza chemicznie indukowane (wspomagane) reakcje jądrowe. Pomyślna realizacja takich eksperymentów była deklarowana dość często, reprezentując najobszerniejsze bazy danych. Ale albo media wydały kolejną „kaczkę”, albo wyniki mówiły o błędnie zainscenizowanych eksperymentach. Zimna fuzja termojądrowa nie otrzymała jeszcze naprawdę przekonujących dowodów na jej istnienie.
gwiazda element
Wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym w kosmosie. Na jego udział przypada około połowa masy Słońca i większości innych gwiazd. Wodór znajduje się nie tylko w ich składzie - jest go dużo w gazie międzygwiazdowym iw mgławicach gazowych. A w głębinach gwiazd, w tym Słońca, powstają warunki do fuzji termojądrowej: tam jądra atomów wodoru przekształcają się w atomy helu, generując w ten sposób ogromną energię. Jej głównym źródłem jest wodór. W każdej sekundzie nasze Słońce wypromieniowuje w kosmos energię odpowiadającą czterem milionom ton materii.
To właśnie daje fuzja czterech jąder wodoru w jedno jądro helu. Kiedy pali się jeden gram protonów, energia syntezy termojądrowej jest uwalniana dwadzieścia milionów razy więcej niż przy spalaniu tej samej ilości węgla. W warunkach ziemskich moc syntezy termojądrowej jest niemożliwa, ponieważ takie temperatury i ciśnienia, jakie istnieją w głębinach gwiazd, nie zostały jeszcze opanowane przez człowieka. Obliczenia pokazują, że przez co najmniej kolejne trzydzieści miliardów lat nasze Słońce nie wygaśnie ani nie osłabnie z powodu obecności wodoru. A na Ziemi ludzie dopiero zaczynają rozumieć, czym jest energia wodorowa i jaka jest reakcja syntezy termojądrowej, ponieważ praca z tym gazem jest bardzo ryzykowna i niezwykle trudno ją przechowywać. Jak dotąd ludzkość może tylko rozszczepić atom. I każdy reaktor (jądrowy) zbudowany jest na tej zasadzie.
Fuzja termojądrowa
Energia jądrowa jest produktem rozpadu atomów. Synteza natomiast odbiera energię w inny sposób – łącząc je ze sobą, gdy nie powstają śmiertelne odpady radioaktywne, a niewielka ilość wody morskiej wystarczyłaby do wytworzenia takiej samej ilości energii, jaka jest pozyskiwana z spalanie dwóch ton węgla. W laboratoriach świata udowodniono już, że kontrolowana fuzja termojądrowa jest całkiem możliwa. Jednak nie zbudowano jeszcze elektrowni, które miałyby wykorzystać tę energię, nawet ich budowa nie jest przewidziana. Ale tylko Stany Zjednoczone wydały dwieście pięćdziesiąt milionów dolarów na zbadanie zjawiska kontrolowanej syntezy termojądrowej.
Następnie te badania zostały dosłownie zdyskredytowane. W 1989 roku chemicy S. Pons (USA) i M. Fleshman (Wielka Brytania) ogłosili całemu światu, że osiągnęli pozytywny wynik i rozpoczęli fuzję termojądrową. Problem polegał na tym, że naukowcy byli zbyt pochopni, nie poddając swojego odkrycia ocenie świata naukowego. Media natychmiast podchwyciły sensację i uznały to twierdzenie za odkrycie stulecia. Weryfikacja została przeprowadzona później i wykryto nie tylko błędy w eksperymencie - była to porażka. I wtedy nie tylko dziennikarze ulegli rozczarowaniu, ale także wielu szanowanych, światowej klasy fizyków. Renomowane laboratoria na Uniwersytecie Princeton wydały ponad pięćdziesiąt milionów dolarów na przetestowanie eksperymentu. Tak więc zimną fuzję termojądrową, zasadę jej wytwarzania, uznano za pseudonaukę. Badania te kontynuowały jedynie niewielkie i rozproszone grupy entuzjastów.
istota
Teraz proponuje się zastąpienie tego terminu i zamiast zimnej syntezy jądrowej zabrzmi następująca definicja: proces jądrowy indukowany przez sieć krystaliczną. Zjawisko to jest rozumiane jako anomalne procesy niskotemperaturowe, które są po prostu niemożliwe z punktu widzenia zderzeń jądrowych w próżni - uwalnianie neutronów poprzez fuzję jąder. Procesy te mogą zachodzić w ciałach stałych nierównowagowych stymulowanych przemianami energii sprężystości w sieci krystalicznej pod wpływem czynników mechanicznych, przemianami fazowymi, sorpcją lub desorpcją deuteru (wodoru). Jest to analogia znanej już gorącej reakcji termojądrowej, kiedy jądra wodoru łączą się i zamieniają w jądra helu, uwalniając kolosalną energię, ale dzieje się to w temperaturze pokojowej.
Zimna fuzja jest dokładniej zdefiniowana jako chemicznie indukowane reakcje fotojądrowe. Nigdy nie osiągnięto bezpośredniej zimnej fuzji termojądrowej, ale poszukiwania zasugerowały zupełnie inne strategie. Reakcja termojądrowa jest wyzwalana przez generowanie neutronów. Mechaniczna stymulacja reakcjami chemicznymi prowadzi do wzbudzenia głębokich powłok elektronowych, powodując promieniowanie gamma lub rentgenowskie, które jest przechwytywane przez jądra. Oznacza to, że zachodzi reakcja fotojądrowa. Jądra rozpadają się, a tym samym generują neutrony i prawdopodobnie promieniowanie gamma. Co może wzbudzać elektrony wewnętrzne? Prawdopodobnie fala uderzeniowa. Od wybuchu konwencjonalnych materiałów wybuchowych.
Reaktor
Światowe lobby termojądrowe od ponad czterdziestu lat wydaje rocznie około miliona dolarów na badania nad fuzją termojądrową, które ma pozyskać za pomocą TOKAMAKA. Jednak prawie wszyscy postępowi naukowcy są przeciwni takim badaniom, ponieważ pozytywny wynik jest najprawdopodobniej niemożliwy. Europa Zachodnia i Stany Zjednoczone z rozczarowaniem zaczęły demontować wszystkie swoje TOKAMAKI. I tylko w Rosji nadal wierzą w cuda. Chociaż wielu naukowców uważa ten pomysł za idealną alternatywę hamulca dla syntezy jądrowej. Czym jest TOKAMAK? To jeden z dwóch projektów reaktora termojądrowego, czyli komory toroidalnej z cewkami magnetycznymi. Jest też stellarator, w którym plazma jest utrzymywana w polu magnetycznym, ale cewki indukujące pole magnetyczne są zewnętrzne, w przeciwieństwie do TOKAMAKA.
To bardzo złożony projekt. TOKAMAK jest godny Wielkiego Zderzacza Hadronów pod względem złożoności: ponad dziesięć milionów elementów, a łączne koszty, łącznie z kosztami budowy i projektu, znacznie przekraczają dwadzieścia miliardów euro. Zderzacz był znacznie tańszy, a utrzymanie ISS również nie kosztuje więcej. Magnesy toroidalne wymagają osiemdziesięciu tysięcy kilometrów włókna nadprzewodzącego, ich łączna waga przekracza czterysta ton, a cały reaktor waży około dwudziestu trzech tysięcy ton. Na przykład wieża Eiffla waży nieco ponad siedem tysięcy. Plazma TOKAMAK ma osiemset czterdzieści metrów sześciennych. Wysokość - siedemdziesiąt trzy metry, z czego sześćdziesiąt - pod ziemią. Dla porównania: Wieża Spasska ma tylko siedemdziesiąt jeden metrów wysokości. Powierzchnia platformy reaktora to czterdzieści dwa hektary, jak sześćdziesiąt boisk piłkarskich. Temperatura plazmy wynosi sto pięćdziesiąt milionów stopni Celsjusza. W centrum Słońca jest dziesięć razy niższy. A wszystko to ze względu na kontrolowaną fuzję termojądrową (na gorąco).
Fizycy i chemicy
Wróćmy jednak do „odrzuconego” odkrycia Fleshmana i Ponsa. Wszyscy ich koledzy twierdzą, że wciąż udało im się stworzyć warunki, w których atomy deuteru podlegają efektom falowym, energia jądrowa jest uwalniana w postaci ciepła zgodnie z teorią pól kwantowych. Ta ostatnia, nawiasem mówiąc, jest doskonale rozwinięta, ale piekielnie skomplikowana i mało dająca się zastosować do opisu niektórych konkretnych zjawisk fizycznych. Pewnie dlatego ludzie nie chcą tego udowadniać. Flashman demonstruje rozcięcie w betonowej podłodze laboratorium spowodowane eksplozją, która, jak twierdzi, była spowodowana zimną fuzją. Jednak fizycy nie wierzą chemikom. Zastanawiam się dlaczego?
W końcu, ile szans dla ludzkości zamyka się wraz z zaprzestaniem badań w tym kierunku! Problemy są po prostu globalne i jest ich wiele. I wszystkie wymagają rozwiązania. Jest to przyjazne dla środowiska źródło energii, dzięki któremu możliwe byłoby odkażenie ogromnych ilości odpadów radioaktywnych po eksploatacji elektrowni jądrowych, odsalanie wody morskiej i wiele innych. Gdybyśmy mogli opanować wytwarzanie energii, zamieniając niektóre elementy układu okresowego w zupełnie inne bez użycia do tego celu strumieni neutronów, które wytwarzają radioaktywność indukowaną. Ale nauka oficjalnie i teraz uważa za niemożliwe przekształcenie jakichkolwiek pierwiastków chemicznych w zupełnie inne.
Rossi-Parkhomov
W 2009 roku wynalazca A. Rossi opatentował urządzenie o nazwie Rossi Energy Catalyst, które realizuje zimną fuzję termojądrową. To urządzenie było wielokrotnie demonstrowane publicznie, ale nie zostało niezależnie zweryfikowane. Fizyk Mark Gibbs na łamach czasopisma moralnie zniszczył zarówno autora, jak i jego odkrycie: mówią, że bez obiektywnej analizy, potwierdzającej zbieżność uzyskanych wyników z deklarowanymi, nie może to być wiadomość naukowa.
Ale w 2015 roku Alexander Parkhomov z powodzeniem powtórzył eksperyment Rossiego z jego niskoenergetycznym (zimnym) reaktorem jądrowym (LENR) i udowodnił, że ten ostatni ma wielkie perspektywy, choć jego komercyjne znaczenie jest wątpliwe. Eksperymenty, których wyniki zostały zaprezentowane na seminarium w Wszechrosyjskim Instytucie Badawczym Eksploatacji Elektrowni Jądrowych, pokazują, że najbardziej prymitywna kopia pomysłu Rossiego, jego reaktor jądrowy, może wyprodukować dwa i pół razy więcej energii niż zużywa.
Energoniowa
Legendarny naukowiec z Magnitogorska, A. V. Vachaev, stworzył instalację Energoniva, za pomocą której odkrył pewien efekt transmutacji pierwiastków i wytwarzania energii elektrycznej w tym procesie. Trudno było w to uwierzyć. Próby zwrócenia uwagi nauk podstawowych na to odkrycie były daremne. Krytyka pochodziła zewsząd. Prawdopodobnie autorzy nie musieli samodzielnie budować obliczeń teoretycznych dotyczących obserwowanych zjawisk, albo też fizycy wyższej szkoły klasycznej powinni byli bardziej przywiązywać wagę do eksperymentów z elektrolizą wysokonapięciową.
Ale z drugiej strony zauważono taką zależność: ani jeden detektor nie zarejestrował ani jednego promieniowania, ale nie można było znaleźć się w pobliżu działającej instalacji. Zespół badawczy składał się z sześciu osób. Pięciu z nich wkrótce zmarło w wieku od czterdziestu pięciu do pięćdziesięciu pięciu lat, a szósty został niepełnosprawny. Śmierć przyszła z zupełnie innych powodów po pewnym czasie (przez około siedem do ośmiu lat). Niemniej jednak w instalacji Energoniva zwolennicy trzeciego pokolenia i uczeń Waczajewa przeprowadzili eksperymenty i założyli, że w eksperymentach zmarłego naukowca miała miejsce reakcja jądrowa o niskiej energii.
I. S. Filimonenko
Zimną syntezę termojądrową badano w ZSRR już pod koniec lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Reaktor zaprojektował Iwan Stiepanowicz Filimonenko. Nikomu jednak nie udało się zrozumieć zasad działania tej jednostki. Dlatego zamiast pozycji niekwestionowanego lidera w dziedzinie technologii energetyki jądrowej, nasz kraj zajął miejsce dodatku surowcowego, który sprzedaje własne zasoby naturalne, pozbawiając przyszłości całe pokolenia. Ale instalacja pilotażowa została już stworzona i wywołała ciepłą reakcję termojądrową. Autorem najbardziej przełomowych struktur energetycznych tłumiących promieniowanie był pochodzący z obwodu irkuckiego, który przeszedł całą wojnę od szesnastu do dwudziestu lat jako zwiadowca, rozkazodawca, energiczny i utalentowany fizyk I.S. Filimonenko.
Fuzja termojądrowa typu zimnego była bliżej niż kiedykolwiek. Ciepła fuzja odbywała się w temperaturze zaledwie 1150 stopni Celsjusza, a podstawą była ciężka woda. Filimonenko odmówiono patentu: podobno reakcja jądrowa jest niemożliwa w tak niskiej temperaturze. Ale synteza trwała! Ciężka woda została rozłożona przez elektrolizę na deuter i tlen, deuter został rozpuszczony w palladu katody, gdzie zachodziła reakcja syntezy jądrowej. Produkcja jest bezodpadowa, to znaczy bez promieniowania, nie było też promieniowania neutronowego. Dopiero w 1957 r. Filimonenko zdołał pozyskać poparcie akademików Kieldysza, Kurczatowa i Korolowa, których autorytet był niepodważalny.
Rozkład
W 1960 roku, w związku z tajnym dekretem Rady Ministrów ZSRR i KC KPZR, pod kontrolą Ministerstwa Obrony rozpoczęto prace nad wynalazkiem Filimonenko. Podczas eksperymentów badacz stwierdził, że podczas pracy reaktora pojawia się pewien rodzaj promieniowania, które bardzo szybko skraca okres półtrwania izotopów. Zrozumienie natury tego promieniowania zajęło pół wieku. Teraz wiemy, co to jest - neutronium z dineutronium. A potem, w 1968 roku, prace praktycznie ustały. Filimonenko został oskarżony o polityczną nielojalność.
W 1989 roku naukowiec został zrehabilitowany. Jego instalacje zaczęto odtwarzać w NPO Luch. Ale sprawa nie poszła dalej niż eksperymenty - nie mieli czasu. Kraj zginął, a nowy Rosjanin nie miał czasu na nauki podstawowe. Jeden z najlepszych inżynierów XX wieku zmarł w 2013 roku nie widząc szczęścia ludzkości. Świat zapamięta Iwana Stiepanowicza Filimonenko. Jego zwolennicy pewnego dnia ustanowią zimną fuzję termojądrową.
Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory zaproponowali ideę najtrwalszego urządzenia do syntezy jądrowej, które może działać przez ponad 60 lat. W tej chwili jest to trudne zadanie: naukowcy walczą, aby reaktor termojądrowy działał przez kilka minut, a potem lata. Mimo złożoności budowa reaktora termojądrowego jest jednym z najbardziej obiecujących zadań nauki, które może przynieść ogromne korzyści. Powiemy Ci, co musisz wiedzieć o fuzji termojądrowej.
1. Co to jest fuzja termojądrowa?
Nie bój się tego kłopotliwego wyrażenia, w rzeczywistości wszystko jest dość proste. Fuzja termojądrowa jest rodzajem reakcji jądrowej.
Podczas reakcji jądrowej jądro atomu oddziałuje albo z cząstką elementarną, albo z jądrem innego atomu, dzięki czemu zmienia się skład i struktura jądra. Ciężkie jądro atomowe może rozpaść się na dwa lub trzy lżejsze - jest to reakcja rozszczepienia. Istnieje również reakcja fuzji: to jest, gdy dwa lekkie jądra atomowe łączą się w jedno ciężkie.
W przeciwieństwie do rozszczepienia jądrowego, które może zachodzić zarówno spontanicznie, jak i siłą, fuzja jądrowa jest niemożliwa bez dostarczenia energii z zewnątrz. Jak wiadomo, przeciwieństwa się przyciągają, ale jądra atomowe są naładowane dodatnio - więc się odpychają. Ta sytuacja nazywana jest barierą Coulomba. Aby przezwyciężyć odpychanie, konieczne jest rozproszenie tych cząstek do szalonych prędkości. Można to zrobić w bardzo wysokich temperaturach, rzędu kilku milionów kelwinów. To właśnie te reakcje nazywane są termojądrowymi.
2. Dlaczego potrzebujemy fuzji termojądrowej?
W trakcie reakcji jądrowych i termojądrowych uwalniana jest ogromna ilość energii, która może być wykorzystana do różnych celów - możesz stworzyć najpotężniejszą broń, lub możesz przekształcić energię jądrową w energię elektryczną i dostarczyć ją całemu światu. Energia rozpadu jądrowego jest od dawna wykorzystywana w elektrowniach jądrowych. Ale energia termojądrowa wygląda bardziej obiecująco. W reakcji termojądrowej na każdy nukleon (tzw. jądra składowe, protony i neutrony) uwalnia się znacznie więcej energii niż w reakcji jądrowej. Na przykład, kiedy rozszczepienie jądra uranu na nukleon odpowiada 0,9 MeV (megaelektronowolt), a kiedyW syntezie jądra helu z jąder wodoru uwalniana jest energia równa 6 MeV. Dlatego naukowcy uczą się przeprowadzać reakcje termojądrowe.
Badania nad syntezą jądrową i budowa reaktorów pozwalają na rozszerzenie produkcji high-tech, która jest przydatna w innych dziedzinach nauki i high-tech.
3. Czym są reakcje termojądrowe?
Reakcje termojądrowe dzielą się na samowystarczalne, niekontrolowane (stosowane w bombach wodorowych) i kontrolowane (nadające się do celów pokojowych).
We wnętrzach gwiazd zachodzą samopodtrzymujące się reakcje. Jednak na Ziemi nie ma warunków, aby takie reakcje miały miejsce.
Ludzie od dawna przeprowadzają niekontrolowaną lub wybuchową fuzję termojądrową. W 1952 roku, podczas operacji Evie Mike, Amerykanie zdetonowali pierwsze na świecie termojądrowe urządzenie wybuchowe, które nie miało praktycznej wartości jako broń. A w październiku 1961 r. Przetestowano pierwszą na świecie bombę termojądrową (wodór) (Car Bomba, Matka Kuzkina), opracowaną przez radzieckich naukowców pod kierownictwem Igora Kurchatova. Było to najpotężniejsze urządzenie wybuchowe w historii ludzkości: całkowita energia wybuchu, według różnych źródeł, wahała się od 57 do 58,6 megaton trotylu. Aby zdetonować bombę wodorową, trzeba najpierw uzyskać wysoką temperaturę podczas konwencjonalnej eksplozji jądrowej - dopiero wtedy jądra atomowe zaczną reagować.
Siła wybuchu w niekontrolowanej reakcji jądrowej jest bardzo duża, ponadto wysoki jest udział skażenia radioaktywnego. Dlatego, aby wykorzystać energię termojądrową do celów pokojowych, trzeba nauczyć się nią zarządzać.
4. Co jest potrzebne do kontrolowanej reakcji termojądrowej?
Trzymaj plazmę!
Niejasny? Teraz wyjaśnijmy.
Po pierwsze, jądra atomowe. Energia jądrowa wykorzystuje izotopy - atomy różniące się między sobą liczbą neutronów i odpowiednio masą atomową. Izotop wodoru deuter (D) jest ekstrahowany z wody. Superciężki wodór lub tryt (T) to radioaktywny izotop wodoru, który jest produktem ubocznym reakcji rozpadu prowadzonych w konwencjonalnych reaktorach jądrowych. Również w reakcjach termojądrowych stosuje się lekki izotop wodoru, prot: jest to jedyny stabilny pierwiastek, który nie ma neutronów w jądrze. Hel-3 występuje na Ziemi w znikomych ilościach, ale w glebie księżycowej (regolit) występuje bardzo obficie: w latach 80. NASA opracowała plan hipotetycznych instalacji do przetwarzania regolitu i ekstrakcji izotopów. Z drugiej strony inny izotop, bor-11, jest szeroko rozpowszechniony na naszej planecie. 80% boru na Ziemi to izotop niezbędny naukowcom jądrowym.
Po drugie, temperatura jest bardzo wysoka. Substancja biorąca udział w reakcji termojądrowej musi być prawie całkowicie zjonizowaną plazmą - jest to gaz, w którym swobodne elektrony i jony o różnych ładunkach unoszą się osobno. Aby zamienić substancję w plazmę, wymagana jest temperatura 10 7 -10 8 K - to setki milionów stopni Celsjusza! Takie ultrawysokie temperatury można uzyskać, wytwarzając w plazmie wyładowania elektryczne o dużej mocy.
Nie można jednak po prostu podgrzać niezbędnych pierwiastków chemicznych. Każdy reaktor natychmiast wyparuje w tych temperaturach. Wymagane jest tutaj zupełnie inne podejście. Do tej pory możliwe jest utrzymywanie plazmy w ograniczonym obszarze za pomocą wytrzymałych magnesów elektrycznych. Ale nie udało się jeszcze w pełni wykorzystać energii uzyskanej w wyniku reakcji termojądrowej: nawet pod wpływem pola magnetycznego plazma rozprzestrzenia się w przestrzeni.
5. Jakie reakcje są najbardziej obiecujące?
Główne reakcje jądrowe planowane do zastosowania w kontrolowanej fuzji będą wykorzystywały deuter (2H) i tryt (3H), a w dalszej perspektywie hel-3 (3He) i bor-11 (11B).
Oto najciekawsze reakcje.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reakcja deuter-tryt.
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% to tzw. monopropelent deuterowy.
Reakcje 1 i 2 są obarczone skażeniem radioaktywnym neutronami. Dlatego najbardziej obiecujące są reakcje „bezneutronowe”.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuter reaguje z helem-3. Problem w tym, że hel-3 jest niezwykle rzadki. Jednak wydajność bez neutronów czyni tę reakcję obiecującą.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bor-11 reaguje z protium, w wyniku czego powstają cząstki alfa, które mogą być wchłonięte przez folię aluminiową.
6. Gdzie przeprowadzić taką reakcję?
Naturalny reaktor termojądrowy jest gwiazdą. W nim plazma jest utrzymywana pod wpływem grawitacji, a promieniowanie jest pochłaniane - dzięki temu rdzeń nie ochładza się.
Na Ziemi reakcje termojądrowe mogą być przeprowadzane tylko w specjalnych obiektach.
systemy impulsowe. W takich układach deuter i tryt są napromieniowane wiązkami lasera o ultrawysokiej mocy lub wiązkami elektronów/jonów. Takie napromieniowanie powoduje sekwencję mikroeksplozji termojądrowych. Jednak stosowanie takich systemów na skalę przemysłową jest nieopłacalne: na przyspieszanie atomów zużywa się znacznie więcej energii niż uzyskuje się w wyniku fuzji, ponieważ nie wszystkie przyspieszone atomy wchodzą w reakcję. Dlatego wiele krajów buduje systemy quasi-stacjonarne.
Systemy quasi-stacjonarne. W takich reaktorach plazma jest utrzymywana przez pole magnetyczne o niskim ciśnieniu i wysokiej temperaturze. Istnieją trzy typy reaktorów oparte na różnych konfiguracjach pola magnetycznego. Są to tokamaki, stellaratory (torsatrony) i pułapki lustrzane.
tokamak oznacza „komorę toroidalną z cewkami magnetycznymi”. Jest to kamera w formie „pączka” (torusa), na której nawinięte są cewki. Główną cechą tokamaka jest wykorzystanie zmiennego prądu elektrycznego, który przepływa przez plazmę, podgrzewa ją i wytwarzając wokół siebie pole magnetyczne, utrzymuje ją.
W stellarator (torsatron) pole magnetyczne jest całkowicie ograniczane przez cewki magnetyczne i, w przeciwieństwie do tokamaka, może działać w sposób ciągły.
W pułapki lustrzane (otwarte) stosowana jest zasada refleksji. Komora zamknięta jest z obu stron magnetycznymi „zatyczkami”, które odbijają plazmę, utrzymując ją w reaktorze.
Przez długi czas o dominację walczyły lustrzane pułapki i tokamaki. Początkowo koncepcja pułapki wydawała się prostsza, a przez to tańsza. Na początku lat 60. otwarte pułapki były mocno finansowane, ale niestabilność plazmy i nieudane próby powstrzymania jej za pomocą pola magnetycznego zmusiły te instalacje do skomplikowania tych instalacji - pozornie proste konstrukcje zamieniły się w piekielne maszyny, a to nie wyszło. osiągnąć stabilny wynik. Dlatego w latach 80. do głosu doszły tokamaki. W 1984 roku wystrzelono europejski tokamak JET, którego koszt wyniósł zaledwie 180 mln dolarów, a parametry umożliwiły przeprowadzenie reakcji termojądrowej. W ZSRR i Francji zaprojektowano tokamaki nadprzewodnikowe, które prawie nie zużywały energii na działanie układu magnetycznego.
7. Kto teraz uczy się przeprowadzać reakcje termojądrowe?
Wiele krajów buduje własne reaktory termojądrowe. Eksperymentalne reaktory znajdują się w Kazachstanie, Chinach, USA i Japonii. Instytut Kurchatowa pracuje nad reaktorem IGNITOR. Niemcy uruchomiły reaktor termojądrowy Wendelstein 7-X.
Najbardziej znanym międzynarodowym projektem jest tokamak ITER (ITER, Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy) w Centrum Badawczym Cadarache (Francja). Jej budowa miała zakończyć się w 2016 roku, ale kwota niezbędnego wsparcia finansowego wzrosła, a czas eksperymentów przesunął się na 2025 rok. W działaniach ITER uczestniczą Unia Europejska, USA, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa i Rosja. Główny udział w finansowaniu ma UE (45%), pozostali uczestnicy dostarczają sprzęt high-tech. W szczególności Rosja produkuje materiały i kable nadprzewodzące, lampy radiowe do ogrzewania plazmowego (żyrotrony) i bezpieczniki do cewek nadprzewodzących, a także komponenty do najbardziej złożonej części reaktora - pierwszej ściany, która musi wytrzymać siły elektromagnetyczne, promieniowanie neutronowe i promieniowanie plazmowe.
8. Dlaczego nadal nie używamy reaktorów termojądrowych?
Nowoczesne instalacje tokamakowe to nie reaktory termojądrowe, ale instalacje badawcze, w których istnienie i zachowanie plazmy jest możliwe tylko przez chwilę. Faktem jest, że naukowcy przez długi czas nie nauczyli się jeszcze utrzymywać plazmy w reaktorze.
W tej chwili jednym z największych osiągnięć w dziedzinie syntezy jądrowej jest sukces niemieckich naukowców, którym udało się podgrzać gaz wodorowy do 80 milionów stopni Celsjusza i utrzymać chmurę plazmy wodorowej przez ćwierć sekundy. A w Chinach plazma wodorowa została podgrzana do 49,999 milionów stopni i utrzymywała się przez 102 sekundy. Rosyjskim naukowcom z (Instytut Fizyki Jądrowej im. G. I. Budkera, Nowosybirsk) udało się osiągnąć stabilne ogrzewanie plazmy do dziesięciu milionów stopni Celsjusza. Jednak Amerykanie zaproponowali ostatnio metodę ograniczania plazmy na 60 lat - i to napawa optymizmem.
Ponadto istnieją kontrowersje dotyczące opłacalności fuzji w przemyśle. Nie wiadomo, czy korzyści z wytwarzania energii elektrycznej zrekompensują koszty fuzji. Proponuje się eksperymentowanie z reakcjami (na przykład porzucenie tradycyjnej reakcji deuter-tryt lub monopropelent na rzecz innych reakcji), materiałami konstrukcyjnymi - lub nawet porzuceniem idei przemysłowej fuzji termojądrowej, wykorzystując ją tylko do indywidualnych reakcji w rozszczepieniu reakcje. Jednak naukowcy nadal eksperymentują.
9. Czy reaktory termojądrowe są bezpieczne?
Stosunkowo. Tryt, który jest używany w reakcjach termojądrowych, jest radioaktywny. Ponadto neurony uwolnione w wyniku fuzji naświetlają strukturę reaktora. Same elementy reaktora pokryte są radioaktywnym pyłem w wyniku ekspozycji na plazmę.
Jednak reaktor termojądrowy jest znacznie bezpieczniejszy niż reaktor jądrowy pod względem promieniowania. W reaktorze jest stosunkowo mało substancji radioaktywnych. Ponadto sama konstrukcja reaktora zakłada brak „dziur”, przez które może przenikać promieniowanie. Komora próżniowa reaktora musi być szczelna, w przeciwnym razie reaktor po prostu nie może działać. Przy budowie reaktorów termojądrowych wykorzystuje się materiały przebadane energią jądrową, a w pomieszczeniach utrzymuje się obniżone ciśnienie.
Kiedy pojawią się elektrownie termojądrowe?
Naukowcy najczęściej mówią coś w stylu „za 20 lat rozwiążemy wszystkie podstawowe problemy”. Inżynierowie jądrowi mówią o drugiej połowie XXI wieku. Politycy mówią o morzu czystej energii za grosz, nie przejmując się datami.
Jak naukowcy szukają ciemnej materii w trzewiach Ziemi
Setki milionów lat temu minerały pod powierzchnią ziemi mogły zawierać ślady tajemniczej substancji. Pozostaje tylko do nich dotrzeć. Ponad dwa tuziny podziemnych laboratoriów rozsianych po całym świecie zajmują się poszukiwaniem ciemnej materii.
Jak syberyjscy naukowcy pomogli mężczyźnie polecieć do gwiazd
12 kwietnia 1961 r. Jurij Gagarin odbył pierwszy lot w kosmos - dobroduszny uśmiech pilota i jego wesołe „Let's go!” stał się triumfem sowieckiej kosmonautyki. Aby ten lot mógł się odbyć, naukowcy w całym kraju zastanawiali się, jak zrobić taką rakietę, która wytrzymałaby wszelkie niebezpieczeństwa niezbadanego kosmosu - tu mogły idee naukowców z Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk nie obejdzie się bez.
Spośród czterech głównych źródeł energii jądrowej tylko dwa zostały obecnie wprowadzone do zastosowań przemysłowych: energia rozpadu promieniotwórczego jest wykorzystywana w źródłach prądu, a łańcuchowa reakcja rozszczepienia jest wykorzystywana w reaktorach jądrowych. Trzecie źródło energii jądrowej - anihilacja cząstek elementarnych nie opuściła jeszcze sfery fantazji. Czwarte źródło kontrolowana fuzja termojądrowa, UTS, jest w porządku obrad. Chociaż to źródło ma mniejszy potencjał niż trzecie, to znacznie przewyższa drugie.
Fuzja termojądrowa w warunkach laboratoryjnych jest dość prosta w realizacji, ale do tej pory nie udało się osiągnąć reprodukcji energii. Prowadzone są jednak prace w tym kierunku, a także opracowywane są metody radiochemiczne, w pierwszej kolejności technologie wytwarzania paliwa trytowego dla instalacji UTS.
W niniejszym rozdziale omówiono niektóre radiochemiczne aspekty syntezy termojądrowej i omówiono perspektywy wykorzystania urządzeń do CTS w energetyce jądrowej.
Kontrolowana fuzja termojądrowa- reakcja fuzji lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, zachodząca w superwysokich temperaturach i towarzysząca uwalnianiu ogromnych ilości energii. W przeciwieństwie do wybuchowej syntezy termojądrowej (stosowanej w bombie wodorowej) jest kontrolowana. W głównych reakcjach jądrowych planowanych do realizacji kontrolowanej fuzji termojądrowej będą wykorzystywane -H i 3 H, aw dalszej przyszłości 3 He i „B”.
Nadzieje na kontrolowaną fuzję termojądrową wiążą się z dwoma okolicznościami: i) uważa się, że gwiazdy istnieją w wyniku stacjonarnej reakcji termojądrowej, oraz 2) niekontrolowany proces termojądrowy został po prostu zaimplementowany w eksplozji bomby wodorowej. Wydaje się, że nie ma fundamentalnych przeszkód w utrzymaniu kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej. Jednak intensywne próby wdrożenia CTS w warunkach laboratoryjnych z zyskiem energetycznym zakończyły się całkowitym niepowodzeniem.
Jednak TCF jest obecnie postrzegany jako ważne rozwiązanie technologiczne zastępujące paliwa kopalne w produkcji energii. Światowe zapotrzebowanie na energię, wymagające zwiększenia produkcji energii elektrycznej oraz wyczerpywania się surowców nieodnawialnych, stymuluje poszukiwania nowych rozwiązań.
Reaktory termojądrowe wykorzystują energię uwalnianą podczas fuzji lekkich jąder atomowych. Przypomina:
Reakcja fuzji jąder trytu i deuteru jest obiecująca dla realizacji kontrolowanej fuzji termojądrowej, ponieważ jej przekrój jest dość duży nawet przy niskich energiach. Ta reakcja zapewnia konkretną wartość kaloryczną 3,5-11 J/g. Reakcja główna D+T=n+a ma największy przekrój o ta ah=5 stodoła w rezonansie przy energii deuteronu E pSh x= 0,108 MeV, w porównaniu z reakcjami D+D=n+3He a,„a*=0,05 barn; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 obora; E max = 2,0 MeV, a także w reakcji 3He+D=p+a a max=0,7 barn; Eotax= 0,4 MeV. W ostatniej reakcji uwalniane jest 18,4 MeV. W reakcji (3) suma energii n+a jest równa 17,6 MeV, energia powstałych neutronów n = 14,1 MeV; a energia powstałych cząstek α wynosi 3,5 MeV. Jeżeli w reakcjach T(d,n)a i:) He(d,p)a rezonanse są raczej wąskie, to w reakcjach D(d,n)3He i D(d,p)T są bardzo szerokie rezonanse o dużych przekrojach w zakresie od 1 do 10 MeV i liniowym wzroście od 0,1 MeV do 1 MeV.
Komentarz. Problemy z łatwo palnym paliwem DT polegają na tym, że tryt nie występuje w naturze i musi być pozyskiwany z litu w płaszczu rozrodczym reaktora termojądrowego; tryt jest radioaktywny (Ti/2 =12,6 lat), układ DT-reaktor zawiera od 10 do 10 kg trytu; 80% energii w reakcji DT jest uwalniane przez neutrony 14 MeV, które indukują sztuczną radioaktywność w strukturach reaktora i powodują uszkodzenia radiacyjne.
Na ryc. 1 przedstawia zależności energetyczne przekrojów reakcyjnych (1 - h). Wykresy dla przekrojów dla reakcji (1) i (2) są praktycznie takie same - wraz ze wzrostem energii przekrój poprzeczny wzrasta, a przy wysokich energiach prawdopodobieństwo reakcji ma tendencję do stałej wartości. Przekrój dla reakcji (3) najpierw rośnie, osiąga maksimum 10 barn przy energiach rzędu 90 MeV, a następnie maleje wraz ze wzrostem energii.
Ryż. 1. Przekroje niektórych reakcji termojądrowych w funkcji energii cząstek w układzie środka masy: 1 - reakcja jądrowa (3); 2 - reakcje (1) i (2).
Ze względu na duży przekrój rozpraszania podczas bombardowania jąder trytu przez przyspieszone deuterony, bilans energetyczny procesu fuzji termojądrowej według reakcji D - T może być ujemny, ponieważ więcej energii zużywa się na przyspieszanie deuteronów niż uwalnia się podczas fuzji. Dodatni bilans energetyczny jest możliwy, jeśli bombardujące cząstki po zderzeniu sprężystym są w stanie ponownie uczestniczyć w reakcji. Aby przezwyciężyć odpychanie elektryczne, jądra muszą mieć dużą energię kinetyczną. Warunki te można stworzyć w wysokotemperaturowej plazmie, w której atomy lub cząsteczki znajdują się w stanie całkowicie zjonizowanym. Na przykład reakcja D-T zaczyna przebiegać dopiero w temperaturach powyżej 10 8 K. Tylko w takich temperaturach uwalnia się więcej energii na jednostkę objętości i na jednostkę czasu, niż jest zużywane. CTS polega na rozwiązaniu dwóch problemów: podgrzaniu substancji do wymagane temperatury i utrzymywanie przez czas wystarczający do „spalenia” zauważalnej części paliwa termojądrowego.
Uważa się, że kontrolowana fuzja termojądrowa może być zrealizowana, jeśli spełnione jest kryterium Lawsona (lt>10‘4 s cm-z, gdzie P - gęstość plazmy wysokotemperaturowej, t - czas jej retencji w układzie).
Gdy to kryterium jest spełnione, energia uwalniana podczas CTS przekracza energię wprowadzoną do systemu.
Plazma musi być przechowywana w określonej objętości, ponieważ w wolnej przestrzeni plazma natychmiast się rozszerza. Ze względu na wysokie temperatury plazma nie może być umieszczona w zbiorniku z żadnego
materiał. Aby zatrzymać plazmę, konieczne jest użycie pola magnetycznego o dużej sile, które jest wytwarzane za pomocą magnesów nadprzewodzących.
Ryż. 2. Schemat ideowy tokamaka.
Jeśli nie wyznaczysz sobie celu uzyskania zysku energetycznego, to w warunkach laboratoryjnych wdrożenie CTS jest dość proste. W tym celu wystarczy opuścić ampułkę z deuterkiem litu do kanału dowolnego wolnego reaktora działającego na reakcję rozszczepienia uranu (można użyć litu o naturalnym składzie izotopowym (7% 6 Li), ale lepiej, jeśli jest wzbogacony stabilnym izotopem 6 Li). Pod działaniem neutronów termicznych zachodzi następująca reakcja jądrowa:
W wyniku tej reakcji powstają „gorące” atomy trytu. Energia odrzutowego atomu trytu (~3 MeV) jest wystarczająca do reakcji oddziaływania trytu z deuterem znajdującym się w LiD:
Do celów energetycznych ta metoda nie jest odpowiednia: koszty energii procesu przewyższają energię uwolnioną. Dlatego trzeba szukać innych możliwości wdrożenia CTS, opcji, które zapewniają duży zysk energetyczny.
Próbują realizować CTS z zyskiem energii albo w trybie quasi-stacjonarnym (t > 1 s, tg>widzisz "Och, lub w systemach impulsowych (t * io -8 s, n>u 22 cm*h). W tych pierwszych (tokamak, stellarator, pułapka lustrzana itp.) plazma jest ograniczona i izolowana termicznie w polach magnetycznych o różnych konfiguracjach. W systemach impulsowych plazma jest wytwarzana przez napromieniowanie stałego celu (ziarna mieszaniny deuteru i trytu) skupionym promieniowaniem z silnego lasera lub wiązek elektronów: gdy wiązka małych stałych celów trafia w ognisko, następuje seria kolejnych mikroeksplozji termojądrowych występuje.
Spośród różnych komór do ograniczania plazmy obiecująca jest komora o konfiguracji toroidalnej. W takim przypadku plazma jest wytwarzana wewnątrz komory toroidalnej za pomocą bezelektrodowego wyładowania pierścieniowego. W tokamaku prąd indukowany w plazmie jest jakby uzwojeniem wtórnym transformatora. Pole magnetyczne utrzymujące plazmę jest wytwarzane zarówno przez prąd przepływający przez cewkę wokół komory, jak i przez prąd indukowany w plazmie. Aby uzyskać stabilną plazmę, stosuje się zewnętrzne podłużne pole magnetyczne.
Reaktor termojądrowy to urządzenie do wytwarzania energii w wyniku reakcji fuzji lekkich jąder atomowych zachodzących w plazmie w bardzo wysokich temperaturach (> 0 8 K). Głównym wymaganiem, które musi spełnić reaktor termojądrowy, jest uwolnienie energii w wyniku
reakcje termojądrowe z nadwyżką kompensowały koszty energii ze źródeł zewnętrznych w celu utrzymania reakcji.
Ryż. h. Główne elementy reaktora do kontrolowanej fuzji termojądrowej.
Reaktor termojądrowy typu TOKAMAK (Toroid Chamber with Magnetic Coils) składa się z komory próżniowej tworzącej kanał, w którym krąży plazma, magnesów tworzących pole oraz systemów ogrzewania plazmy. Towarzyszą temu pompy próżniowe, które w sposób ciągły wypompowują gazy z kanału, układ podawania paliwa podczas jego wypalania oraz diverter – układ, przez który z reaktora usuwana jest energia uzyskana w wyniku reakcji termojądrowej. Plazma toroidalna znajduje się w powłoce próżniowej. a- Cząstki powstałe w plazmie w wyniku fuzji termojądrowej i znajdujące się w niej, zwiększają jej temperaturę. Neutrony przenikają przez ścianę komory próżniowej do strefy koca zawierającego ciekły lit lub związek litu wzbogacony w 6 Li. Podczas interakcji z litem energia kinetyczna neutronów jest zamieniana na ciepło, a jednocześnie generowany jest tryt. Koc jest umieszczony w specjalnej powłoce, która chroni magnes przed emitowanymi neutronami, promieniowaniem y i strumieniami ciepła.
W urządzeniach typu tokamak plazma wytwarzana jest w komorze toroidalnej za pomocą bezelektrodowego wyładowania pierścieniowego. W tym celu w wiązce plazmy wytwarzany jest prąd elektryczny, który jednocześnie posiada własne pole magnetyczne - sama wiązka plazmy staje się magnesem. Teraz, wykorzystując zewnętrzne pole magnetyczne o określonej konfiguracji, można zawiesić chmurę plazmy w centrum komory, zapobiegając jej zetknięciu się ze ścianami.
Divertor - zestaw urządzeń (specjalne cewki magnetyczne poloidalne; panele stykające się z plazmą) - neutralizatory plazmy), za pomocą których obszar bezpośredniego kontaktu ściany z plazmą jest maksymalnie usuwany z głównej gorącej plazmy. Służy do odprowadzania ciepła z plazmy w postaci strumienia naładowanych cząstek oraz wypompowywania produktów reakcji zobojętnionych na płytkach dywertora: helu i protu. Oczyszcza osocze z zanieczyszczeń, które zakłócają reakcję fuzji.
Reaktor termojądrowy charakteryzuje się współczynnikiem wzmocnienia mocy równym stosunkowi mocy cieplnej reaktora do mocy kosztu jego wytworzenia. Moc cieplną reaktora sumuje się:
- - z mocy uwalnianej podczas reakcji termojądrowej w plazmie;
- - z mocy wprowadzanej do plazmy w celu utrzymania temperatury spalania reakcji termojądrowej lub prądu stacjonarnego w plazmie;
- - od mocy uwalnianej w kocu - otoczce otaczającej plazmę, w której wykorzystywana jest energia neutronów termojądrowych i która służy do ochrony cewek magnetycznych przed promieniowaniem. Kocowy reaktor termojądrowy - jedna z głównych części reaktora termojądrowego, specjalna powłoka otaczająca plazmę, w której zachodzą reakcje termojądrowe i służąca do wykorzystania energii neutronów termojądrowych.
Koc przykrywa pierścień plazmowy ze wszystkich stron, a główne nośniki energii powstałe podczas fuzji D-T - neutrony 14 MeV - przekazują go do koca, podgrzewając go.Koc zawiera wymienniki ciepła, przez które przepływa woda.Para elektrowni obraca się turbina parowa, a ona - wirnik generatora.
Głównym zadaniem koca jest pozyskiwanie energii, przekształcanie jej w ciepło i przekazywanie do systemów wytwarzania energii, a także ochrona operatorów i środowiska przed promieniowaniem jonizującym generowanym przez reaktor termojądrowy. Za kocem w reaktorze termojądrowym znajduje się warstwa ochrony przed promieniowaniem, której funkcją jest dalsze tłumienie strumienia neutronów i kwantów y powstających w reakcjach z materią, aby zapewnić sprawność układu elektromagnetycznego. Za tym idzie ochrona biologiczna, dla której może pracować personel stacji.
Koc „aktywny” - hodowca, przeznaczony do produkcji jednego ze składników paliwa termojądrowego. W reaktorach zużywających tryt koc zawiera materiały rozrodcze (związki litu) zaprojektowane w celu zapewnienia wydajnej produkcji trytu.
Podczas pracy reaktora termojądrowego na paliwie deuterowo-trytowym konieczne jest uzupełnienie ilości paliwa (D + T) w reaktorze i usunięcie 4He z plazmy. W wyniku reakcji w plazmie tryt ulega wypaleniu, a główna część energii syntezy jądrowej jest przekazywana do neutronów, dla których plazma jest przezroczysta. Prowadzi to do konieczności umieszczenia między plazmą a systemem elektromagnetycznym specjalnej strefy, w której odtwarzany jest palny tryt i pochłaniana jest główna część energii neutronów. Ten obszar nazywa się kocem hodowcy. Odtwarza tryt spalony w plazmie.
Tryt w kocu można wytworzyć przez napromieniowanie litu strumieniami neutronów według reakcji jądrowych: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV i 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.
Przy wytwarzaniu trytu z litu należy wziąć pod uwagę, że naturalny lit składa się z dwóch izotopów: 6 Li (7,52%) i 7 Li (92,48%). Przekrój absorpcji neutronów termicznych o czystym 6 Li 0 = 945 barn, a przekrój aktywacji reakcji (p, p) wynosi 0,028 barn. W litie naturalnym przekrój do usuwania neutronów powstałych podczas rozszczepiania uranu wynosi 1,01 barna, a przekrój do pochłaniania neutronów termicznych wynosi około a = 70,4 barna.
Widma energetyczne promieniowania y podczas radiacyjnego wychwytywania neutronów termicznych 6 Li charakteryzują się następującymi wartościami: 0,94 MeV. całkowita energia
W reaktorze termojądrowym pracującym na paliwie D-T w wyniku reakcji:
Promieniowanie y na wychwytywanie neutronów wynosi 1,45 MeV. Dla 7 Li, przekrój absorpcji wynosi 0,047 barn, a przekrój aktywacji 0,033 barn (przy energiach neutronów powyżej 2,8 MeV). Przekrój do ekstrakcji neutronów rozszczepieniowych LiH o składzie naturalnym = 1,34 barn, metaliczny Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.
Tworzą się neutrony termojądrowe, które opuszczając objętość plazmy wpadają w obszar płaszcza zawierający lit i beryl, gdzie zachodzą następujące reakcje:
W ten sposób reaktor syntezy jądrowej będzie spalał deuter i lit, aw wyniku reakcji powstanie gaz obojętny hel.
Podczas reakcji D-T w plazmie tryt wypala się i powstaje neutron o energii 14,1 MeV. W kocu ten neutron musi generować co najmniej jeden atom trytu, aby pokryć straty w plazmie. Wskaźnik reprodukcji trytu do(„ilość trytu utworzonego w kożuchu na jeden padający neutron termojądrowy”) zależy od widma neutronów w kożuchu, wielkości absorpcji neutronów i wycieku. k> 1,05.
Ryż. Rys. 4. Zależności przekroju poprzecznego reakcji jądrowych tworzenia trytu od energii neutronów: 1 - reakcja 6 Li (n, t) ‘» He, 2 – reakcja 7 Li (n, n’, 0 4 He.
Dla jądra 6 Li przekrój poprzeczny absorpcji neutronów termicznych z powstawaniem trytu jest bardzo duży (953 barn przy 0,025 eV). Przy niskich energiach przekrój absorpcji neutronów w Li jest zgodny z prawem (l/u), aw przypadku litu naturalnego osiąga 71 barów dla neutronów termicznych. Dla 7 Li przekrój dla oddziaływania z neutronami wynosi tylko 0,045 barna. Dlatego, aby zwiększyć wydajność hodowcy, naturalny lit powinien być wzbogacony w izotop 6 Li. Jednak wzrost zawartości 6 Li w mieszaninie izotopów ma niewielki wpływ na stosunek rozmnażania trytu: następuje wzrost o 5% przy wzroście wzbogacenia w izotop 6 Li do 50% w mieszaninie. W reakcji 6 Li(n, T)» Nie wszystkie spowolnione neutrony są absorbowane. Oprócz silnej absorpcji w obszarze termicznym występuje niewielka absorpcja (
Zależność przekroju dla reakcji 6 Li(n,T) 4 He od energii neutronów pokazano na rys. . 7. Jak to jest typowe dla wielu innych reakcji jądrowych, przekrój dla reakcji 6 Li(n,f) 4 He maleje wraz ze wzrostem energii neutronów (z wyjątkiem rezonansu przy 0,25 MeV).
Reakcja z utworzeniem trytu na izotopie Li przebiega z prędkimi neutronami przy energii n>2,8 MeV. W tej reakcji
wytwarzany jest tryt i nie dochodzi do utraty neutronu.
Reakcja jądrowa dla 6 Li nie może dać przedłużonej reprodukcji trytu i tylko kompensuje wypalony tryt
Reakcja na a1l powoduje pojawienie się jednego jądra trytu na każdy zaabsorbowany neutron i regenerację tego neutronu, który jest następnie absorbowany podczas spowalniania i daje jeszcze jedno jądro trytu.
Komentarz. W naturalnym Li współczynnik reprodukcji trytu do"2. Dla Li, LiFBeF 2 , Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2.0; 0,95; 1.1; 1,05 i i.6, odpowiednio. Stopiona sól LiF (66%) + BeF 2 (34%) nazywana jest flyb ( FLiBe), jego zastosowanie jest preferowane z punktu widzenia bezpieczeństwa i zmniejszenia strat trytu.
Ponieważ nie każdy neutron reakcji D-T bierze udział w tworzeniu atomu trytu, konieczne jest pomnożenie neutronów pierwotnych (14,1 MeV) za pomocą reakcji (n, 2n) lub (n, cn) na pierwiastkach, które mają wystarczająco duży przekrój podczas oddziaływania szybkich neutronów np. na yBe, Pb, Mo, Nb i wiele innych materiałów z Z> 25. Dla berylu próg (n, 2 P) reakcje 2,5 MeV; przy 14 MeV 0=0,45 barn. Dzięki temu w wersjach koca z litem płynnym lub ceramicznym (LiA10 2) można osiągnąć do* 1.1+1,2. Jeśli komora reaktora jest otoczona płaszczem uranowym, namnażanie neutronów może znacznie wzrosnąć w wyniku reakcji rozszczepienia i reakcji (n, 2n), (n, zl).
Uwaga 1. Aktywność indukowana litu po napromieniowaniu neutronami jest praktycznie nieobecna, ponieważ powstały radioaktywny izotop 8Li (promieniowanie cr o energii 12,7 MeV i promieniowanie /a o energii ~6 MeV) ma bardzo krótką połowę -życie - 0,875 s. Niska aktywacja litu i krótki okres półtrwania ułatwiają biologiczną ochronę rośliny.
Uwaga 2. Aktywność trytu zawartego w płaszczu termojądrowego reaktora DT wynosi ~106 Ci, więc użycie paliwa DT nie wyklucza teoretycznej możliwości wypadku w skali kilku procent czarnobylskiego uwolnienie wynosiło 510 7 Ci). Uwolnienie trytu z utworzeniem T 2 0 może prowadzić do opadu radioaktywnego, wnikania trytu do wód gruntowych, zbiorników wodnych, organizmów żywych, roślin z akumulacją, ostatecznie w żywności.
Poważnym problemem jest dobór materiału i stanu kruszywa hodowcy. Materiał hodowcy powinien zapewniać wysoki procent konwersji litu w tryt i łatwą ekstrakcję tego ostatniego w celu późniejszego przeniesienia do układu przygotowania paliwa.
Do głównych funkcji koca hodowlanego należą: tworzenie komory plazmowej; produkcja trytu o współczynniku k>i; konwersja energii kinetycznej neutronu na ciepło; wykorzystanie ciepła wytworzonego w kocu podczas pracy reaktora termojądrowego; ochrona przed promieniowaniem systemu elektromagnetycznego; biologiczna ochrona przed promieniowaniem.
Reaktor termojądrowy na paliwie D-T, w zależności od materiału płaszcza, może być „czysty” lub hybrydowy. Płaszcz „czystego” reaktora termojądrowego zawiera Li, w którym pod działaniem neutronów otrzymuje się tryt, a reakcja termojądrowa zostaje wzmocniona z 17,6 MeV do 22,4
MeV. W płaszczu hybrydowego („aktywnego”) reaktora termojądrowego nie tylko wytwarzany jest tryt, ale są też strefy, w których umieszczane są odpady 2 s 8 i 2 39 Pu. W tym przypadku w kocu uwalniana jest energia równa 140 MeV na neutron. Wydajność energetyczna hybrydowego reaktora termojądrowego jest sześć razy wyższa niż czystego. Jednocześnie uzyskuje się lepszą absorpcję neutronów termojądrowych, co zwiększa bezpieczeństwo obiektu. Jednak obecność rozszczepialnych substancji radioaktywnych tworzy środowisko promieniowania podobne do tego w reaktorach rozszczepienia jądrowego.
Ryż. 5.
Istnieją dwie koncepcje czystych koców hodowlanych, oparte na wykorzystaniu płynnych materiałów płodnych trytem lub na wykorzystaniu materiałów stałych zawierających lit. Opcje projektowania koca są związane z rodzajem wybranych chłodziw (ciekły metal, płynna sól, gaz, organiczna, woda) oraz klasą możliwych materiałów konstrukcyjnych.
W płynnej wersji koca lit jest chłodziwem, a tryt jest materiałem płodnym. Sekcja koca składa się z pierwszej ściany, strefy hodowlanej (roztopiona sól litowa, reflektora (stal lub wolfram) oraz elementu osłony przed światłem (na przykład wodorek tytanu). Główną cechą samochłodzącego koca litowego jest brak dodatkowego moderatora i hodowcy neutronów. Stosuj następujące sole: Li 2 BeF 4 ( T.pl = 459°), LiBeF 3 (T wx .=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Spośród podanych soli Li 2 BeF 4 ma najniższą lepkość, ale najwyższą Twl. Perspektywa to eutektyka Pb-Li i stop FLiNaBe, który działa również jako samoochładzacz. Reduktorami neutronów w takim reaktorze są kuliste granulki Be o średnicy 2 mm.
W kocu z solidnym materiałem rozrodczym jako materiał rozrodczy stosuje się ceramikę zawierającą lit, a jako rozmnażacz neutronów służy beryl. W skład takiego koca wchodzą takie elementy jak pierwsza ściana z kolektorami chłodziwa; strefa hodowli neutronów; strefa hodowli trytu; kanały do chłodzenia stref rozrodu i rozrodu trytu; żelazna ochrona; elementy mocujące koc; linie do wlotu i wylotu chłodziwa i gazu nośnego trytu. Materiały konstrukcyjne - stopy wanadu i stal klasy ferrytycznej lub ferrytyczno-martenzytycznej. Ochrona przed promieniowaniem wykonana jest z blach stalowych. Stosowanym chłodziwem jest gazowy hel pod ciśnieniem UMPA o temperaturze na wlocie 300° i temperaturze na wylocie 650°C.
Zadaniem radiochemicznym jest izolowanie, oczyszczanie i zawracanie trytu do cyklu paliwowego. Jednocześnie ważny jest dobór materiałów funkcjonalnych do układów regeneracji komponentów paliwowych (materiałów hodowlanych). Materiał hodowcy (hodowca) musi zapewniać usuwanie energii termojądrowej, wytwarzanie trytu i jego wydajną ekstrakcję w celu późniejszego oczyszczenia i przekształcenia w paliwo reaktorowe. W tym celu wymagany jest materiał o wysokiej odporności termicznej, radiacyjnej i mechanicznej. Nie mniej ważne są właściwości dyfuzyjne materiału, które zapewniają wysoką mobilność trytu, a w konsekwencji dobrą wydajność ekstrakcji trytu z materiału hodowlanego w stosunkowo niskich temperaturach.
Substancjami roboczymi koca mogą być: ceramika Li 4 Si0 4 (lub Li 2 Ti0 3) – materiał rozmnażający oraz beryl – hodowca neutronów. Zarówno rozpłodnik, jak i beryl są stosowane w postaci warstwy monodyspersyjnych kamyków (granulek o kształcie zbliżonym do kulistego). Średnice granulek Li 4 SiO 4 i Li 2 Ti0 3 wahają się odpowiednio w zakresie 0,2–10,6 mm i 0,8 mm, natomiast granulki berylu mają średnicę 1 mm. Udział objętości efektywnej warstwy granulatu wynosi 63%. Aby hodować tryt, ceramiczny hodowca wzbogaca się izotopem 6 Li. Typowy poziom wzbogacenia dla 6 Li: 40% dla Li 4 Si0 4 i 70% dla Li 2 Ti0 3 .
Obecnie metatytanian litu 1l 2 Tiu 3 jest uważany za najbardziej obiecujący ze względu na stosunkowo dużą szybkość uwalniania trytu w stosunkowo niskich temperaturach (od 200 do 400 0 °C), odporność na promieniowanie i chemikalia. Wykazano, że granulki tytanianu litu wzbogacone do 96% 6 Li w warunkach intensywnego napromieniania neutronami i efektów termicznych umożliwiają wytwarzanie litu z praktycznie stałą szybkością przez dwa lata. Ekstrakcja trytu z ceramiki napromieniowanej neutronami odbywa się poprzez programowane ogrzewanie materiału hodowlanego w trybie ciągłego pompowania.
Zakłada się, że w przemyśle jądrowym obiekty do syntezy termojądrowej mogą być wykorzystywane w trzech obszarach:
- - reaktory hybrydowe, w których płaszcz zawiera rozszczepialne nuklidy (uran, pluton), których rozszczepienie jest kontrolowane przez potężny strumień wysokoenergetycznych (14 MeV) neutronów;
- - inicjatory spalania w elektrojądrowych reaktorach podkrytycznych;
- - transmutacja długożyciowych radionuklidów niebezpiecznych dla środowiska w celu unieszkodliwienia odpadów promieniotwórczych.
Wysoka energia neutronów termojądrowych daje duże możliwości rozdzielenia grup energetycznych neutronów w celu spalenia określonego radionuklidu w obszarze rezonansowym przekrojów poprzecznych.