Fuziunea termonucleară controlată ( CTF ) este sinteza nucleelor atomice mai grele din cele mai ușoare pentru a obține energie, care, spre deosebire de fuziunea termonucleară explozivă (folosită în dispozitivele explozive termonucleare ), este controlată. Fuziunea termonucleară controlată diferă de energia nucleară tradițională prin aceea că cea din urmă utilizează o reacție de descompunere , în timpul căreia nuclee mai ușoare sunt obținute din nuclee grele. În principalele reacții nucleare care sunt planificate a fi utilizate pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate, se vor folosi deuteriu ( 2 H) și tritiu ( 3 H) , iar în viitorul mai îndepărtat, heliu-3 ( 3 He) și bor . -11 ( 11 B) .
Din punct de vedere istoric, problema fuziunii termonucleare controlate la nivel global a apărut la mijlocul secolului al XX-lea. Se știe că Igor Kurchatov a propus în 1956 cooperarea oamenilor de știință atomici din diferite țări în rezolvarea acestei probleme științifice. Acest lucru s-a întâmplat în timpul unei vizite la centrul nuclear britanic „Harwell”[1] .
Primul[ când? ] problema fuziunii termonucleare controlate în Uniunea Sovietică a fost formulată și propusă o soluție constructivă pentru aceasta de către fizicianul sovietic Oleg Lavrentiev [2] [3] . Pe lângă el, fizicieni remarcabili precum Andrei Saharov și Igor Tamm [2] [3] , precum și Lev Artsimovici , care a condus programul sovietic de fuziune termonucleară controlată din 1951, au adus o contribuție importantă la soluționarea problemei [4]. ] .
Nucleele atomice sunt formate din două tipuri de nucleoni , protoni și neutroni . Ele sunt ținute împreună de așa-numita forță puternică . În acest caz, energia de legare a fiecărui nucleon cu alții depinde de numărul total de nucleoni din nucleu, așa cum se arată în grafic. Din grafic se poate observa că pentru nucleele ușoare, cu creșterea numărului de nucleoni, energia de legare crește, în timp ce pentru nucleele grele scade. Dacă nucleonii sunt adăugați la nucleii ușori sau nucleonii sunt îndepărtați din atomii grei, atunci această diferență de energie de legare se va evidenția ca diferență între costul reacției și energia cinetică a particulelor eliberate. Energia cinetică (energia de mișcare) a particulelor este convertită în mișcarea termică a atomilor după ciocnirea particulelor cu atomii. Astfel, energia nucleară se manifestă sub formă de căldură.
Modificarea compoziției nucleului se numește transformare nucleară sau reacție nucleară . O reacție nucleară cu o creștere a numărului de nucleoni din nucleu se numește reacție termonucleară sau fuziune nucleară. O reacție nucleară cu o scădere a numărului de nucleoni din nucleu - dezintegrare nucleară sau fisiune nucleară .
Protonii din nucleu au o sarcină electrică , ceea ce înseamnă că experimentează repulsie coulombiană . În nucleu, această repulsie este compensată de forța puternică care menține nucleonii împreună. Dar interacțiunea puternică are o rază de acțiune mult mai mică decât repulsia coulombiană. Prin urmare, pentru a fuziona două nuclee într-unul singur, este necesar mai întâi să le apropiem, depășind repulsia coulombiană. Sunt cunoscute mai multe astfel de metode. În interiorul stelelor, acestea sunt forțe gravitaționale. În acceleratoare, este energia cinetică a nucleelor accelerate sau a particulelor elementare. În reactoarele termonucleare și armele termonucleare, energia mișcării termice a nucleelor atomice. În zilele noastre, forțele gravitaționale nu sunt sub controlul omului. Accelerația particulelor este atât de consumatoare de energie încât nu are nicio șansă de un echilibru energetic pozitiv. Și numai metoda termică pare potrivită pentru fuziunea controlată cu un randament energetic pozitiv.
Reacția de fuziune este următoarea: ca urmare a mișcării termice , două sau mai multe nuclee atomice relativ ușoare se apropie unul de celălalt atât de mult încât interacțiunea puternică pe distanță scurtă , care se manifestă la astfel de distanțe, începe să prevaleze asupra forțelor de repulsie coulombiane dintre nuclee încărcate egal, având ca rezultat formarea nucleelor altor elemente mai grele. Sistemul de nucleoni își va pierde o parte din masa, egală cu energia de legare , iar conform binecunoscutei formule E=mc² , atunci când se creează un nou nucleu, se va elibera o energie semnificativă de interacțiune puternică. Nucleele atomice, care au o sarcină electrică mică, sunt mai ușor de adus la distanța potrivită, așa că izotopii de hidrogen grei sunt cel mai bun combustibil pentru o reacție de fuziune controlată.
S-a descoperit că un amestec de doi izotopi , deuteriu și tritiu, necesită mai puțină energie pentru reacția de fuziune în comparație cu energia eliberată în timpul reacției. Cu toate acestea, deși un amestec de deuteriu și tritiu (DT) este subiectul majorității cercetărilor de fuziune, nu este în niciun caz singurul combustibil potențial. Alte amestecuri pot fi mai ușor de fabricat; reacția lor poate fi controlată mai bine sau, mai important, poate produce mai puțini neutroni . De un interes deosebit sunt așa-numitele reacții „fără neutroni”, deoarece utilizarea industrială cu succes a unui astfel de combustibil va însemna absența contaminării radioactive pe termen lung a materialelor și a designului reactorului, care, la rândul său, ar putea afecta pozitiv opinia publică și costul de funcționare a reactorului, reducând semnificativ costurile pentru dezafectare și eliminare. Problema rămâne că reacția de fuziune folosind combustibili alternativi este mult mai dificil de întreținut, așa că reacția DT este considerată doar un prim pas necesar.
Fuziunea termonucleară controlată poate folosi diferite tipuri de reacții termonucleare în funcție de tipul de combustibil utilizat.
Reacția care este fezabilă la cea mai scăzută temperatură este deuteriu + tritiu [5] :
Două nuclee : deuteriul și trițiul fuzionează pentru a forma un nucleu de heliu ( particulă alfa ) și un neutron de înaltă energie .
Această reacție oferă o eliberare semnificativă de energie. Dezavantaje - prețul ridicat al tritiului, producția de radiații neutronice nedorite .
Este mult mai dificil, la limita a ceea ce este posibil, să se realizeze reacția deuteriu + heliu-3
[5]Condițiile pentru realizarea acesteia sunt mult mai complicate. Heliul-3 este, de asemenea, un izotop rar și extrem de scump. Nu este produs în prezent comercial[ specificați ] . Cu toate acestea, poate fi obținut din tritiu, obținut la rândul său la centralele nucleare [6] ; sau minat pe Lună [7] [8] .
Complexitatea conducerii unei reacții termonucleare poate fi caracterizată prin produsul triplu nT τ (densitate ori temperatură ori timp de retenție). Conform acestui parametru, reacția D- 3 He este de aproximativ 100 de ori mai complicată decât DT.
Reacțiile între nucleele de deuteriu sunt, de asemenea, posibile , sunt puțin mai dificile decât reacțiile care implică heliu-3 :
În plus față de reacția principală în DD-plasma, apar și următoarele:
Aceste reacții se desfășoară încet în paralel cu reacția deuteriu + heliu-3 , iar trițiul și heliul-3 formate în timpul lor sunt foarte probabil să reacționeze imediat cu deuteriu .
Sunt posibile și alte câteva tipuri de reacții. Alegerea combustibilului depinde de mulți factori - disponibilitatea și costul scăzut al acestuia, randamentul energetic, ușurința de a realiza condițiile necesare reacției de fuziune (în primul rând temperatura), caracteristicile necesare de proiectare ale reactorului etc.
Reacții „fără neutroni”Cele mai promițătoare sunt așa-numitele reacții „fără neutroni”, deoarece fluxul de neutroni generat de fuziunea termonucleară (de exemplu, în reacția deuteriu-tritiu) preia o parte semnificativă a puterii și generează radioactivitate indusă în proiectarea reactorului. Reacția deuteriu + heliu-3 este promițătoare, printre alte motive, din cauza lipsei unui randament de neutroni (dar reacția deuteriu-deuteriu produce tritiu, care poate interacționa cu deuteriul, ca urmare a fuziunii termonucleare „fără neutroni”, până acum nu).
Reacții la hidrogen ușorReacțiile de fuziune proton-proton care au loc în stele nu sunt considerate un combustibil termonuclear promițător. Reacțiile proton-proton trec printr-o interacțiune slabă cu radiația neutrino și, din acest motiv, necesită dimensiuni astronomice ale reactoarelor pentru orice eliberare de energie vizibilă.
p + p → ²D + e + + ν e + 0,42 MeVFuziunea termonucleară controlată este posibilă în îndeplinirea simultană a două condiții:
unde n este densitatea plasmei la temperatură înaltă și τ este timpul de izolare a plasmei în sistem.
Valoarea acestor două criterii determină în principal viteza unei anumite reacții termonucleare.
Fuziunea termonucleară controlată nu a fost încă realizată la scară industrială. Cea mai dificilă sarcină cu care se confruntă implementarea fuziunii termonucleare controlate este izolarea plasmei de pereții reactorului [9] .
Construcția Reactorului Termonuclear Experimental Internațional (ITER) este în fazele sale incipiente.
Există două scheme principale pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate, a cărei dezvoltare este în prezent în curs (2017):
Primul tip de reactor termonuclear este mult mai bine dezvoltat și studiat decât al doilea.
În fizica nucleară , în studiul fuziunii termonucleare , pentru a menține plasma într-un anumit volum, se folosește o capcană magnetică - un dispozitiv care ține plasma de contactul cu elementele unui reactor termonuclear . Capcana magnetică este folosită în primul rând ca izolator termic . Principiul confinării plasmei se bazează pe interacțiunea particulelor încărcate cu un câmp magnetic, și anume pe rotația în spirală a particulelor încărcate de-a lungul liniilor câmpului magnetic. Cu toate acestea, o plasmă magnetizată este foarte instabilă. Ca urmare a ciocnirilor, particulele încărcate au tendința de a părăsi câmpul magnetic. Prin urmare, pentru a crea o capcană magnetică eficientă, se folosesc electromagneți puternici, care consumă o cantitate imensă de energie, sau se folosesc supraconductori.
Un reactor termonuclear este mult mai sigur decât un reactor nuclear în ceea ce privește radiația . În primul rând, cantitatea de substanțe radioactive din acesta este relativ mică. Energia care poate fi eliberată în urma oricărui accident este, de asemenea, mică și nu poate duce la distrugerea reactorului. În același timp, în proiectarea reactorului există mai multe bariere naturale care împiedică răspândirea substanțelor radioactive. De exemplu, camera de vid și carcasa criostatului trebuie sigilate, altfel reactorul pur și simplu nu poate funcționa. Cu toate acestea, la proiectarea ITER, s-a acordat multă atenție siguranței radiațiilor atât în timpul funcționării normale, cât și în timpul posibilelor accidente.
Există mai multe surse de posibilă contaminare radioactivă:
Pentru a preveni răspândirea tritiului și a prafului dacă acestea depășesc camera de vid și criostat, este necesar un sistem special de ventilație pentru a menține o presiune redusă în clădirea reactorului . Prin urmare, nu vor exista scurgeri de aer din clădire, decât prin filtrele de ventilație.
În construcția unui reactor, de exemplu ITER , acolo unde este posibil, vor fi utilizate materiale deja testate în energie nucleară. Din această cauză, radioactivitatea indusă va fi relativ mică. În special, chiar și în cazul defecțiunii sistemelor de răcire, convecția naturală va fi suficientă pentru a răci camera de vid și alte elemente structurale.
Estimările arată că, chiar și în cazul unui accident, emisiile radioactive nu vor reprezenta un pericol pentru public și nu vor necesita evacuarea.
Reactoarele de prima generație vor funcționa cel mai probabil cu un amestec de deuteriu și tritiu. Neutronii care apar în timpul reacției vor fi absorbiți de scutul reactorului, iar căldura degajată va fi folosită pentru a încălzi lichidul de răcire din schimbătorul de căldură , iar această energie, la rândul său, va fi folosită pentru a roti generatorul .
. .Reacția cu 6 Li este exotermă , oferind puțină energie pentru reactor. Reacția cu 7 Li este endotermă – dar nu consumă neutroni [12] . Sunt necesare cel puțin aproximativ 7 reacții Li pentru a înlocui neutronii pierduți în reacții cu alte elemente. Majoritatea modelelor de reactoare folosesc amestecuri naturale de izotopi de litiu.
Acest combustibil are o serie de dezavantaje:
Există, teoretic, combustibili alternativi care nu prezintă aceste dezavantaje. Dar utilizarea lor este împiedicată de o limitare fizică fundamentală. Pentru a obține suficientă energie din reacția de fuziune, este necesar să se păstreze o plasmă suficient de densă la temperatura de fuziune (10 8 K) pentru un anumit timp. Acest aspect fundamental al sintezei este descris de produsul dintre densitatea plasmei n și timpul τ al conținutului de plasmă încălzită , care este necesar pentru a ajunge la punctul de echilibru. Produsul n τ depinde de tipul de combustibil și este o funcție de temperatura plasmei. Dintre toate tipurile de combustibil, amestecul de deuteriu-tritiu necesită cea mai mică valoare a lui n τ , cel puțin un ordin de mărime și cea mai scăzută temperatură de reacție, de cel puțin 5 ori. Astfel, reacția DT este un prim pas necesar, dar utilizarea altor combustibili rămâne un obiectiv important de cercetare.
Energia de fuziune este considerată de mulți cercetători drept o sursă „naturală” de energie pe termen lung. Susținătorii utilizării comerciale a reactoarelor de fuziune pentru producerea de energie electrică prezintă următoarele argumente în favoarea lor:
Criticii subliniază că problema rentabilității fuziunii nucleare în producția de energie electrică în scopuri generale rămâne deschisă. Același studiu, comandat de Biroul de Știință și Tehnologie al Parlamentului Britanic, indică faptul că costul de producere a energiei electrice folosind un reactor de fuziune este probabil să fie în vârful spectrului de costuri pentru sursele convenționale de energie. Mult va depinde de tehnologia disponibilă în viitor, de structura și reglementarea pieței. Costul energiei electrice depinde direct de eficiența utilizării, de durata de funcționare și de costul eliminării reactorului [17] .
În ciuda optimismului larg răspândit (încă de la primele studii din anii 1950), obstacolele semnificative dintre înțelegerea actuală a proceselor de fuziune nucleară, posibilitățile tehnologice și utilizarea practică a fuziunii nucleare nu au fost încă depășite. Nici măcar nu este clar cât de rentabilă poate fi producția de electricitate prin fuziune termonucleară. Deși s-au înregistrat progrese constante în cercetare, cercetătorii se confruntă în mod constant cu noi provocări. De exemplu, provocarea este de a dezvolta un material care poate rezista bombardamentului cu neutroni , care este estimat a fi de 100 de ori mai intens decât în reactoarele nucleare convenționale. Severitatea problemei este exacerbată de faptul că secțiunea transversală a interacțiunii neutronilor cu nucleele încetează să mai depindă de numărul de protoni și neutroni cu energie în creștere și tinde spre secțiunea transversală a nucleului atomic - iar pentru neutroni de 14 MeV există pur și simplu nu există un izotop cu o secțiune transversală de interacțiune suficient de mică. Acest lucru necesită o înlocuire foarte frecventă a proiectelor de reactoare DT și DD și reduce profitabilitatea acestuia într-o asemenea măsură încât costul proiectelor de reactoare realizate din materiale moderne pentru aceste două tipuri se dovedește a fi mai mare decât costul energiei produse de acestea. Există trei tipuri de soluții :
Reacțiile secundare DD (3%) în timpul sintezei D-He complică fabricarea structurilor rentabile pentru reactor, deși sunt posibile la nivelul tehnologic actual.
Există următoarele faze de cercetare:
Următorul pas în cercetare ar trebui să fie Reactorul Experimental Termonuclear Internațional (ITER). La acest reactor, este planificat să se studieze comportamentul plasmei la temperatură înaltă (plasmă în flăcări cu Q ~ 30) și materialelor structurale pentru un reactor industrial.
Faza finală a cercetării va fi DEMO : un prototip de reactor industrial care va realiza aprinderea și va demonstra adecvarea practică a noilor materiale. Cele mai optimiste prognoze pentru finalizarea fazei DEMO: 30 de ani. În urma DEMO, poate începe proiectarea și construcția reactoarelor termonucleare comerciale (denumite în mod convențional TNPP - centrale termonucleare). Construcția TNPP ar putea să nu înceapă până în 2045. [19]
În total, aproximativ 300 de tokamak -uri au fost construite în lume . Cele mai mari dintre ele sunt enumerate mai jos.
Dicționare și enciclopedii |
---|
Tehnologii nucleare | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Inginerie | |||||||
materiale | |||||||
Energia nucleară |
| ||||||
Medicina nucleara |
| ||||||
Arme nucleare |
| ||||||
|
Energie | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
structura pe produse si industrii | |||||||||||||||||||||||||||
Industria energetică : electricitate |
| ||||||||||||||||||||||||||
Furnizare de căldură : energie termică |
| ||||||||||||||||||||||||||
Industria combustibilului : combustibil |
| ||||||||||||||||||||||||||
Energie promițătoare : |
| ||||||||||||||||||||||||||
Portal: Energie |
Instalații experimentale de fuziune termonucleară | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Limitare magnetică cu plasmă |
| ||||||||||||||||
Fuziune termonucleară controlată inerțial |
| ||||||||||||||||
internațională de iradiere a materialelor de fuziune |