Термоядерная реакция

Содержание

Содержание

Термоядерное оружие

Море зеленой энергии

— Инициатором этой работы выступил академик Евгений Велихов еще в разгар перестройки в СССР, — вспоминает ученый. — Тогда же Михаилу Горбачеву удалось договориться с Рональдом Рейганом о совместном создании термоядерного реактора. Соединенные Штаты Америки в консультациях с Японией и Европейским сообществом выдвинули предложение относительно того, каким образом осуществлять такую деятельность. Уже в 1988 году началась фаза концептуального проектирования, затем был создан технический проект.

К участникам проекта присоединились Китай, Корея и Индия. Местом строительства выбрали юг Франции, неподалеку от Марселя, где находятся французский ядерный центр Кадараш и Комиссариат по альтернативным видам энергетики CEA. Кроме большого опыта в области создания оборудования для ядерной энергетики для строительства ИТЭР нужен был участок, доступный для крупного судоходства, поскольку масса деталей реактора составляет сотни тонн и превышает допустимые пределы возможностей наземных видов грузового транспорта.

Первый прообраз термоядерного реактора — ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками) — был изобретен и построен в СССР в 1954 году. Она представляет собой обмотанную магнитными катушками вакуумную камеру, внутри которой находится плазма, нагретая до десятков миллионов градусов. С того момента как в СССР появился первый работающий ТОКАМАК, в мире начался настоящий бум в области физики плазмы. Все поняли, что создание настоящего термоядерного реактора позволило бы отказаться от всех остальных видов энергии, прекратить сжигание топлива и выбросы в атмосферу двуокиси углерода и целого списка других вредных веществ. Непрерывно горящая плазма, процесс горения которой однажды вышел бы в режим самоподдержания — а именно это и должно произойти в ИТЭР, правда, на короткие промежутки времени, — это была бы победа над ресурсоемким производством энергии, над добывающей промышленностью, выкачивающей из недр все мыслимые и немыслимые ресурсы — уголь, нефть, газ. Никаких ресурсов, ноль выбросов и целое море энергии.

Texничecкиe xapaктepиcтики

Почему создание термоядерных установок столь затянулось?

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность.

На основании оценок Геологической службы США (2009) рост мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет (другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже через 5–10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со скоростью около 3 % в год. Перспективы добычи природного газа выглядят ненамного лучше. Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но этот прогноз основан на сохранении существующего уровня добычи и расхода. Между тем, потребление угля сейчас возрастает на 4,5 % в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет! Из сказанного ясно, что уже сейчас мы должны готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего.

2. Термоядерную установку нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

Термоядерное горючее

Термоядерное горючее, к которому относятся дейтерий ( 2Н), тритий ( 3Н) и литий ( 6Li), в настоящее время используют только в термоядерном оружии в виде сжиженного дейтерия или в виде гидрида лития. Проблема применения термоядерного горючего в стационарных источниках энергии еще не решена.
 

Термоядерное горючее используется в термоядерном оружии в виде сжиженного водорода ( Н2, смесь Н2 Н3) пли в виде гидрида Li6H2 окружающего запал. Созданные мировые запасы термоядерного горючего эквивалентны энергии взрыва, исчисляемые сотнями миллиардов тонн тротила.
 

Термоядерное горючее равнопроцентная смесь дейтерия и трития) и окружающие его слои др. веществ, имеющие разл.
 

Производство термоядерного горючего началось позже, чем производство делящихся веществ, но значение его все более возрастает.
 

& Ш — термоядерное горючее; — Efc топливные ресурсы; — топливохранйлище.
 

Использование в качестве термоядерного горючего смеси дейтерия с тритием в соотношении 111, как следует из приведенных уравнений, более перспективно — ее энергетическая ценность выше, чем у чистого дейтерия.
 

С этой точки зрения наилучшим термоядерным горючим является протай, поскольку его ядро ( протон) не.
 

С этой точки зрения наилучшим термоядерным горючим является протпй, поскольку его ядро ( протон) не имеет дефекта массы.
 

Термоядерное топливо ( ТТ) или термоядерное горючее, к к-рому относятся изотопы водорода D и Т; а также литий-6.
 

Большое место в книге уделяется производству термоядерного горючего, приручению человеком реакций, пока осуществленных лишь в виде взрыва водородных бомб. На конкретных цифрах показано, какой грандиозный скачок в развитии энергетики будет означать создание термоядерного реактора, топливо для которого можно найти в любом водоеме земного шара.
 

Правда, для использования в качестве термоядерного горючего годен лишь дейтерий и тритий.
 

Работы по изучению возможности создания стационарных систем, использующих термоядерное горючее, ведутся в ряде стран уже несколько лет, но пока не удалось еще создать конструкции, к-рая позволила бы поддержать высокую темп-ру порядка 108 градусов и удерживать Я.
 

Изотопы водорода — дейтерий и тритий — применяют как термоядерное горючее. Водород необходим для получения Ge, W, Mo и Re из их оксидов и фторидов, для производства капрона, найлона, высших жирных спиртов.
 

Применяется как замедлитель нейтронов в атомных реакторах и как термоядерное горючее; в науч.
 

Аспекты экологии и безопасности

Термоядерные электростанции должны были заменить электростанции, основанные на ядерном расщеплении и ископаемом топливе.

• в отличие от обычных электростанций на угле, нефти или газе
  • отсутствие выбросов выхлопных газов, особенно парниковых газов, таких как CO ₂ ;
  • отсутствие проблем с подачей топлива в течение очень долгого времени, а ископаемое топливо может стать слишком дорогим;
  • пренебрежимо малая стоимость топлива, производство которого не представляет проблемы и с точки зрения экологических рисков.

• в отличие от ядерных реакторов деления
  • нет реакции, которая могла бы стать сверхкритической или протекать термически . Если магнитное поле не может удерживать плазму вместе, она остывает на стенке, и реакция синтеза прекращается.
  • нет проблем с удалением из-за очень долгоживущих радиоактивных материалов.
  • Транспортировка радиоактивного топлива необходима только для разовой первоначальной поставки с запасом трития около 1 кг. Исходные материалы литий и дейтерий не радиоактивны.

• аналогично ядерным реакторам деления
  • значительная нейтронная активация конструкционных материалов. Общий радиоактивный запас станции будет сопоставим с таковым у электростанции с реактором деления той же мощности во время работы. Однако можно избежать очень долгоживущих отходов.
  • Части растений, которые будут подвергаться настолько сильному нейтронному излучению, что их придется регулярно заменять и временно хранить. В обычных ядерных реакторах, в частности, кожухи тепловыделяющих элементов, в которых находится урановое топливо, заменяются вместе с топливом; в случае термоядерных реакторов, это, в частности, части дивертора и бланкета. Однако из-за сложной геометрии замена требует больше времени, чем замена тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе.
  • Загрязнение, которое еще больше затруднило бы техническое обслуживание: хотя газообразный тритий окисляется до воды, откачивается и собирается в холодных ловушках, загрязнение материала стенок является серьезной проблемой. Тритий имплантируется ионами или снова осаждается с помощью эродированного углерода. Этот тритий нелегко собрать, но он также не связан надежно.
  • Мобильный радиоактивный инвентарь, который может быть выпущен в случае бедствия: радиоактивный тритий, вылупившийся из бланкета , извлекается внутри объекта и используется снова. Запасы для однонедельной работы будут составлять несколько килограммов с системой мощностью 1 ГВт и иметь активность 10 18  Бк . Речь идет об активности радиоактивного йода, высвободившегося в результате Чернобыльской ядерной катастрофы , но только небольшой части от более 600 кг трития, который был выброшен в атмосферу в результате испытаний ядерного оружия в прошлом веке .

Реакторы синтеза дейтерия и трития, следовательно, не будут свободны от проблем радиоактивности, но будут шагом вперед по сравнению с обычными реакторами ядерного деления с точки зрения безопасности и экологической совместимости .

На грани возможностей

Сложность конструкции порт-плага в том, что у датчиков внутри него должен быть обеспечен доступ к плазме, а у плазмы к датчику — нет. Port — ‘вход’, plug — ‘пробка’. То есть в сторону плазмы будет вход, а в сторону бункера пробка. Это как прикоснуться к огню и не обжечься, а точнее — измерить параметры горения плазмы, но не пропустить нейтронное излучение от нее к человеку.

Большая часть измерений предполагает обратную связь, то есть производится не только с целью контроля, но и для управления процессами горения. Например, можно следить за движением плазмы, чтобы с помощью магнитного поля не допустить ее прикосновения к стенкам вакуумной камеры, — из всех деталей реактора только вольфрамовый дивертор рассчитан на непосредственный кратковременный контакт с плазмой. Между тем, тепловые нагрузки на дивертор очень близки к предельным и даже превышают нагрузки на внутренние стенки жидкостного ракетного двигателя.

Дивертор — важнейшая часть вакуумной камеры, через которую из камеры постоянно с высокой скоростью уходит загрязненная заряженная плазма, которая очищается от примесей, нейтрализуется, охлаждается и возвращается обратно. Он покрыт сантиметровыми вольфрамовыми плиточками, внутри которых находятся трубки охлаждения. Масса одних только вольфрамовых плиток составляет 50 тонн. Причем конструкция выглядит так, что грань одной плитки должна лежать в тени предыдущей, чтобы не расплавиться. Несмотря на все использованные технические возможности для создания термоустойчивой конструкции, за весь срок службы ИТЭР дивертор будет полностью заменяться дважды, то есть каждые десять лет.

литература

• TC Hender et al.: Fusion Technology
• Центр энергетических исследований Нидерландов : долгосрочные энергетические сценарии
• Т. Хамахер: Слияние, инженерия и дизайн
• Дж. Дж. Делен, Дж. Шеффилд, К. А. Уильямс, Р. Л. Рид, С. Хэдли: Оценка экономики будущих вариантов производства электроэнергии
• Институт управления (IIM), Институт физики плазмы Макса Планка (IPP), Нидерландский фонд энергетических исследований (ECN): долгосрочные энергетические сценарии для Индии
• Александр М. Брэдшоу (IPP), Рейнхард Машув (FZK), Герд Айзенбайс (FJZ): Ядерный синтез (брошюра Ассоциации Гельмгольца )

Конструкции термоядерных реакторов

Сегодня для создания высокотемпературной плазмы используются два основных типа устройств:

• квазистационарные;
• импульсные.

К первой группе относятся устройства, в которых нагрев плазмы, а также ее удержание осуществляется с помощью мощного магнитного поля — токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки. Они отличаются лишь конфигурацией магнитного поля.

Российский токамак Т-15МД. Его запуск состоится в декабре 2020 года

Сейчас основные надежды инженеров и ученых связаны с токамаками. Эти устройства представляют собой тороидальные камеры со множеством внешних магнитов, которые удерживают плазму, не давая ей коснуться стенок. Кроме того, электрический ток непосредственно проходит по плазменному шнуру в вакуумной камере, что является главным отличием токамаков от других устройств данного типа. В мире построено более трехсот токамаков, такую же схему будет иметь реактор, разрабатываемый сейчас в рамках проекта ITER. В 2003 году на токамаке Tore Supra был поставлен рекорд длительности удержания плазмы – 6,5 минут. Еще в 90-е годы на токамаках TFTR и JET удалось добиться получения энергии, практически равной затратам на разогрев плазмы. Никакие другие установки похвастать подобным достижениями пока не могут.

Вторым распространенным типом термоядерного реактора является стелларатор. В нем магнитное поле для удержания плазмы создается только внешними источниками

Такие устройства имеют более сложную конструкцию по сравнению с токамаками, и стоят они дороже, но поведение плазмы в стеллараторах более спокойное и предсказуемое, что очень важно для коммерческого использования технологии

Самый большой в мире реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Его строили почти 15 лет

Импульсные или инерциальные системы работают совсем по другому принципу. Если в токамаках и стеллараторах до огромных температур нагревается плазма сравнительно небольшой концентрации, то в инерциальных устройствах она сжимается до огромной плотности с помощью лазерного излучения или потока частиц. Подобная схема выглядит весьма заманчиво, но на практике все не так просто.

Первые попытки создать инерциальное устройство относятся к 60-м годам прошлого века. Первоначально из термоядерного топлива формировали небольшой шарик, который облучали множеством мощных лазерных лучей. Однако оказалось, что сфера нагревается неравномерно и слабо. Чтобы решить эти проблемы, мишень стали заключать в особый контейнер с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Излучение поглощается специальными кристаллами, что превращают поступающее излучение в ультрафиолетовое. Прогрессу инерциального метода способствовала концепция «быстрого поджига», предполагающая использование двух лазерных импульсов: один сжимает топливную капсулу, другой – разогревает ее.

Термоядерные реакции

Причина появления сторожевых кораблей проекта 11540

К концу 1970-х годов перед Советским союзом остро встала задача активной обороны своих морских рубежей. Холодная война, которая хотя и немного затихла после Карибского кризиса, всё ещё заставляла правительство СССР опасаться вражеского нападения, а особенно диверсий, которые могли исходить со стороны США. Для надёжной обороны морских границ требовалось создать новые современные сторожевые корабли, которые не только бы не уступали, а превосходили американские корабли по всем параметрам.

Литература

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme «тепло, жар»).

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия

выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития

выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции

выделяется 17,6 МэВ энергии.

В настоящее время контролируемая термоядерная реакция осуществляется путем синтеза дейтерия \(~^2H\) и трития \(~^3H\). Запасов дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития (для получения трития) вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет.

Однако при этой реакции большая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов.

Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции, например, дейтерий + гелий-3.

У этой реакции отсутствует нейтронный выход, который уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Кроме того, запасы гелия-3 на Земле составляют от 500 кг до 1 тонны, однако на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Конструкци токамака.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.

Что такое термоядерная реакция?

Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжелых ядер и синтезом (слиянием) легких ядер. Для слияния легких ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстоянии около 10 в минус 12 см, так как ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер. Следовательно, подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным (термоядерная реакция).

Рис. 1. Термоядерная энергия.

Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они – источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах.

Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии – это очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ, примерно в 10 миллионов раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез одного грамма изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 тонн бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сейчас получать энергию в результате реакции термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба – самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения.

Рис. 2. Солнце.

Кулоновский барьер[править | править код]

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»).

Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

История становления задачи

В то время, как тяжёлых элементов, требующихся для ядерных реакций на Земле и в целом в космосе довольно мало, лёгких элементов для термоядерных реакций очень много как на Земле, так и в космосе. Поэтому идея использовать термоядерную энергию во благо человечества пришла практически сразу с пониманием процессов, лежащих в её основе – это сулило поистине безграничные возможности, так как запасов термоядерного топлива на Земле должно было хватить на десятки тысяч лет вперёд.

Уже в 1951 году появились два основных направления развития термоядерных реакторов: Андреем Сахаровым и Игорем Таммом была разработана архитектура токамака в котором рабочая камера представляла из себя тор, в то время как Лайманом Спитцером была предложена архитектура стеллатора более замысловатой конструкции по форме более всего напоминающая лист Мёбиуса перевёрнутый не один, а несколько раз.

Простота принципиальной конструкции токамака позволила длительное время развивать это направление за счёт повышения характеристик обычных и сверхпроводящих магнитов, а также путём постепенного увеличения размеров реактора. Но с повышением параметров плазмы постепенно стали также проявляться и проблемы с её нестабильным поведением, которые тормозили процесс.

Сложность конструкции стеллатора и вовсе привела к тому что после первых экспериментов в 50-х годах развитие этого направления на долгое время остановилось. Новое дыхание оно получило совсем недавно с появлением современных систем автоматизированного проектирования, которые позволили спроектировать стеллатор Wendelstein 7-X с необходимыми для его работы параметрами и точностью конструкции.

Видео про ШРУС