Thermonucleaire reactie- Dit is de reactie van de fusie van lichte kernen tot zwaardere kernen.

Voor de implementatie ervan is het noodzakelijk dat de oorspronkelijke nucleonen of lichte kernen dichter bij afstanden komen die gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de straal van de werkingssfeer van nucleaire aantrekkingskrachten (dat wil zeggen, tot afstanden van 10 -15 m). Deze wederzijdse benadering van kernen wordt voorkomen door de afstotende krachten van Coulomb die tussen positief geladen kernen werken. Om een ​​fusiereactie te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk een stof met een hoge dichtheid te verwarmen tot ultrahoge temperaturen (in de orde van honderden miljoenen Kelvin), zodat de kinetische energie van de thermische beweging van kernen voldoende is om de Coulomb te overwinnen. afstotende krachten. Bij dergelijke temperaturen bestaat materie in de vorm van plasma. Omdat kernfusie alleen bij zeer hoge temperaturen kan plaatsvinden, worden kernfusiereacties thermonucleaire reacties genoemd (van het Griekse woord voor kernfusie). thermisch"warmte, hitte").

Bij thermonucleaire reacties komt enorme energie vrij. Bijvoorbeeld bij de reactie van deuteriumsynthese met de vorming van helium

\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2He + \ ^1_0n\)

Er komt 3,2 MeV aan energie vrij. In de reactie van deuteriumsynthese met de vorming van tritium

\(~^2_1D + \ ^2_1D \naar \ ^3_1T + \ ^1_1p\)

Bij de reactie komt 4,0 MeV aan energie vrij

\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)

Er komt 17,6 MeV aan energie vrij.

Rijst. 1. Schema van de deuterium-tritiumreactie

Momenteel wordt een gecontroleerde thermonucleaire reactie uitgevoerd door de synthese van deuterium \(~^2H\) en tritium \(~^3H\). Deuteriumreserves zouden miljoenen jaren mee moeten gaan, en gemakkelijk te winnen lithiumreserves (om tritium te produceren) zijn voldoende om voor honderden jaren in de behoeften te voorzien.

Tijdens deze reactie is het grootste deel (ruim 80%) van de vrijkomende kinetische energie echter afkomstig van het neutron. Als gevolg van botsingen van fragmenten met andere atomen wordt deze energie omgezet in thermische energie. Bovendien creëren snelle neutronen een aanzienlijke hoeveelheid radioactief afval.

Daarom zijn de meest veelbelovende "neutronenvrije" reacties, bijvoorbeeld deuterium + helium-3.

\(~D + \ ^3Hij \naar \ ^4Hij + p\)

Deze reactie heeft geen neutronenproductie, waardoor een aanzienlijk deel van het vermogen wordt verwijderd en geïnduceerde radioactiviteit in het reactorontwerp ontstaat. Bovendien variëren de reserves van helium-3 op aarde van 500 kg tot 1 ton, maar op de maan wordt het in aanzienlijke hoeveelheden aangetroffen: tot 10 miljoen ton (volgens minimale schattingen - 500 duizend ton). Tegelijkertijd kan het op aarde gemakkelijk worden geproduceerd uit lithium-6, dat wijdverspreid van aard is, met behulp van bestaande kernsplijtingsreactoren.

Thermonucleaire wapens

Op aarde werd de eerste thermonucleaire reactie uitgevoerd tijdens de explosie van een waterstofbom op 12 augustus 1953 op de testlocatie van Semipalatinsk. “Haar vader” was academicus Andrei Dmitrievich Sacharov, die driemaal de titel Held van de Socialistische Arbeid kreeg voor de ontwikkeling van thermonucleaire wapens. De hoge temperatuur die nodig is voor het starten van een thermonucleaire reactie in een waterstofbom werd verkregen als gevolg van de explosie van de atoombom die deel uitmaakte van de samenstelling ervan en die de rol speelde van een ontsteker. Thermonucleaire reacties die optreden tijdens waterstofbomexplosies zijn oncontroleerbaar.

Rijst. 2. Waterstofbom

zie ook

Gecontroleerde thermonucleaire reacties

Als het onder aardse omstandigheden mogelijk zou zijn om gemakkelijk gecontroleerde thermonucleaire reacties uit te voeren, zou de mensheid een vrijwel onuitputtelijke energiebron ontvangen, aangezien de waterstofvoorraden op aarde enorm zijn. Grote technische moeilijkheden staan ​​echter de implementatie van energetisch gunstige gecontroleerde thermonucleaire reacties in de weg. Allereerst is het noodzakelijk om temperaturen in de orde van 10,8 K te creëren. Dergelijke ultrahoge temperaturen kunnen worden bereikt door elektrische ontladingen met een hoog vermogen in het plasma te creëren.

Tokamak

Deze methode wordt gebruikt in installaties van het Tokamak-type (TORiodal CHAMBER with Magnetic Coils), voor het eerst gemaakt bij het vernoemde Institute of Atomic Energy. I.V. Kurchatova. In dergelijke installaties wordt plasma gecreëerd in een ringkernkamer, de secundaire wikkeling van een krachtige pulstransformator. De primaire wikkeling is verbonden met een reeks condensatoren met een zeer grote capaciteit. De kamer is gevuld met deuterium. Wanneer een batterij condensatoren wordt ontladen via de primaire wikkeling in een toroïdale kamer, wordt een elektrisch wervelveld opgewekt, waardoor ionisatie van deuterium en het verschijnen van een krachtige elektrische stroompuls daarin ontstaat, wat leidt tot sterke verwarming van het gas en de vorming van plasma op hoge temperatuur waarin een thermonucleaire reactie kan optreden.

Rijst. 3. Schematisch diagram van de werking van de reactor

De grootste moeilijkheid is om het plasma 0,1-1 seconde in de kamer te houden zonder contact met de wanden van de kamer, aangezien er geen materialen zijn die zulke hoge temperaturen kunnen weerstaan. Deze moeilijkheid kan gedeeltelijk worden overwonnen met behulp van een torusvormig magnetisch veld waarin de camera zich bevindt. Onder invloed van magnetische krachten wordt het plasma tot een koord gedraaid en “hangt” als het ware aan de inductielijnen van het magnetische veld, zonder de wanden van de kamer te raken.

Het begin van de moderne tijd bij het bestuderen van de mogelijkheden van thermonucleaire fusie moet worden beschouwd als 1969, toen een temperatuur van 3 M°C werd bereikt in een plasma met een volume van ongeveer 1 m 3 in de Russische Tokamak T3-installatie. Hierna erkenden wetenschappers over de hele wereld het tokamak-ontwerp als het meest veelbelovende voor magnetische plasma-opsluiting. Binnen een paar jaar werd het moedige besluit genomen om een ​​JET-installatie (Joint European Torus) te realiseren met een aanzienlijk groter plasmavolume (100 m 3). De werkingscyclus van het apparaat bedraagt ​​ongeveer 1 minuut, omdat de ringkernspoelen van koper zijn en snel opwarmen. Deze installatie werd in 1983 in gebruik genomen en is nog steeds de grootste tokamak ter wereld, die plasmaverwarming levert tot een temperatuur van 150 M°C.

Rijst. 4. Ontwerp van de JET-reactor

In 2006 ondertekenden vertegenwoordigers van Rusland, Zuid-Korea, China, Japan, India, de Europese Unie en de Verenigde Staten in Parijs een overeenkomst om te beginnen met de bouw van de eerste Internationale Tokamak Experimentele Reactor (ITER). De magnetische spoelen van de ITER-reactor zullen gebaseerd zijn op supergeleidende materialen (die in principe een continue werking mogelijk maken zolang er stroom in het plasma blijft), dus de ontwerpers hopen een gegarandeerde werkcyclus van minimaal 10 minuten te bieden.

Rijst. 5. Ontwerp van de ITER-reactor.

De reactor wordt gebouwd nabij de stad Cadarache, 60 kilometer van Marseille in het zuiden van Frankrijk. Volgend voorjaar beginnen de werkzaamheden om de bouwplaats gereed te maken. De bouw van de reactor zelf zal naar verwachting in 2009 beginnen.

De bouw zal tien jaar duren, de verwachting is dat er twintig jaar aan de reactor wordt gewerkt. De totale kosten van het project bedragen ongeveer $ 10 miljard. Veertig procent van de kosten zal worden gedragen door de Europese Unie, zestig procent zal in gelijke delen worden gedeeld door de andere projectdeelnemers.

zie ook

1. Internationale experimentele fusiereactor
2. Nieuwe installatie voor de lancering van thermonucleaire fusie: 25/01/2010

Laserfusie (LSF)

Een andere manier om dit doel te bereiken is laserthermonucleaire fusie. De essentie van deze methode is als volgt. Een bevroren mengsel van deuterium en tritium, bereid in de vorm van balletjes met een diameter van minder dan 1 mm, wordt van alle kanten gelijkmatig bestraald met krachtige laserstraling. Dit leidt tot verwarming en verdamping van de substantie van het oppervlak van de ballen. In dit geval neemt de druk in de ballen toe tot waarden in de orde van 10 15 Pa. Onder invloed van een dergelijke druk vindt een toename van de dichtheid en een sterke verwarming van de substantie in het centrale deel van de ballen plaats en begint een thermonucleaire reactie.

In tegenstelling tot magnetische plasma-opsluiting bedraagt ​​bij laseropsluiting de opsluitingstijd (d.w.z. de levensduur van een plasma met hoge dichtheid en temperatuur, die de duur van thermonucleaire reacties bepaalt) 10–10 - 10–11 s, dus LTS kan alleen uitgevoerd in een gepulseerde modus. Het voorstel om lasers te gebruiken voor thermonucleaire fusie werd voor het eerst gedaan bij het Fysisch Instituut. P. N. Lebedev van de USSR Academie van Wetenschappen in 1961 door N. G. Basov en O. N. Krokhin.

In het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië werd de bouw van 's werelds krachtigste lasercomplex voltooid (mei 2009). Het heette de “Nationale Ontstekingsfaciliteit” (NIF). De bouw duurde 12 jaar. Er werd 3,5 miljard dollar uitgegeven aan het lasercomplex.

Rijst. 7. Schematisch diagram van de UGT

NIF is gebaseerd op 192 krachtige lasers, die tegelijkertijd op een bolvormig doel van een millimeter zullen worden gericht (ongeveer 150 microgram thermonucleaire brandstof - een mengsel van deuterium en tritium; in de toekomst kan radioactief tritium worden vervangen door een lichte isotoop van helium-3 ). Als gevolg hiervan zal de temperatuur van het doel 100 miljoen graden bereiken, terwijl de druk in de bal 100 miljard keer hoger zal zijn dan de druk van de atmosfeer van de aarde.

zie ook

1. Gecontroleerde thermonucleaire fusie: TOKAMAK versus laserfusie 16/05/2009

Voordelen van synthese

Voorstanders van het gebruik van fusiereactoren voor de productie van elektriciteit halen de volgende argumenten in hun voordeel aan:

• vrijwel onuitputtelijke brandstofvoorraden (waterstof). De hoeveelheid steenkool die nodig is om een ​​thermische elektriciteitscentrale met een capaciteit van 1 GW te laten functioneren is bijvoorbeeld 10.000 ton per dag (tien treinwagons), en een thermonucleaire centrale met hetzelfde vermogen zal slechts ongeveer 1 kilogram van het mengsel per dag verbruiken. D + T . Een middelgroot meer kan elk land honderden jaren van energie voorzien. Dit maakt het voor één of een groep landen onmogelijk om brandstof te monopoliseren;
• afwezigheid van verbrandingsproducten;
• het is niet nodig materialen te gebruiken die kunnen worden gebruikt voor de productie van kernwapens, waardoor gevallen van sabotage en terrorisme worden geëlimineerd;
• vergeleken met kernreactoren wordt een kleine hoeveelheid radioactief afval met een korte halfwaardetijd geproduceerd;
• de fusiereactie veroorzaakt geen uitstoot van kooldioxide in de atmosfeer, wat een belangrijke bijdrage levert aan de opwarming van de aarde.

Waarom duurde de bouw van thermonucleaire installaties zo lang?

1. Lange tijd werd aangenomen dat het probleem van het praktische gebruik van thermonucleaire fusie-energie geen urgente beslissingen en acties vereiste, aangezien fossiele brandstoffen in de jaren 80 van de vorige eeuw onuitputtelijk leken, en milieuproblemen en klimaatverandering ging het publiek niet aan. Op basis van schattingen van de US Geological Survey (2009) zal de groei van de mondiale olieproductie niet langer dan twintig jaar aanhouden (andere deskundigen voorspellen dat de piekproductie binnen vijf tot tien jaar zal worden bereikt), waarna het volume van de olieproductie zal toenemen. De geproduceerde olie zal beginnen te dalen met ongeveer 3% per jaar. De vooruitzichten voor de aardgasproductie zien er niet veel beter uit. Meestal wordt gezegd dat we nog 200 jaar genoeg steenkool zullen hebben, maar deze voorspelling is gebaseerd op het handhaven van het bestaande productie- en consumptieniveau. Ondertussen stijgt het steenkoolverbruik nu met 4,5% per jaar, wat de genoemde periode van 200 jaar meteen terugbrengt tot slechts 50 jaar! Uit wat er is gezegd blijkt duidelijk dat we ons nu op het einde moeten voorbereiden tijdperk van gebruik van fossiele brandstoffen. 2. Een thermonucleaire installatie kan niet in kleine omvang worden gemaakt en gedemonstreerd. De wetenschappelijke en technische mogelijkheden en voordelen van thermonucleaire installaties kunnen alleen worden getest en gedemonstreerd op vrij grote stations, zoals de genoemde ITER-reactor. De samenleving was eenvoudigweg niet bereid zulke grote projecten te financieren totdat er voldoende vertrouwen in succes was.

Is gecontroleerde thermonucleaire fusie mogelijk onder aardse omstandigheden?

Het idee om thermonucleaire fusie voor industriële doeleinden te gebruiken ontstond zestig jaar geleden, in 1950. Het idee leek eenvoudig. Vier waterstofatomen versmelten tot één heliumatoom, waarbij een enorme hoeveelheid energie en geen straling vrijkomt. Er is veel waterstof op aarde, waardoor er veel schone energie kan zijn. Al snel werd dit idee werkelijkheid, alleen niet voor industriële, maar voor militaire doeleinden - er werd een waterstofbom gemaakt. Het leek erop dat er weinig meer te doen was: het proces vertragen, zodat het niet explosief zou zijn, maar met een gecontroleerde snelheid zou verlopen. Het probleem leek oplosbaar. Er werd over de komende energieovervloed geschreven in schoolboeken, er werd over gesproken in de media, en er werden populaire films gemaakt.

Het begon met de constructie van tokomaks - toroïdale installaties voor magnetische opsluiting van plasma om de omstandigheden te bereiken die nodig zijn voor gecontroleerde thermonucleaire fusie (Fig. 1, http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA% E0%EC% E0%EA).

In totaal werden er wereldwijd ongeveer 300 tokamaks gebouwd (volgens de meest conservatieve schattingen kostte dit $150 miljard). Maar tot op de dag van vandaag is geen van de gebouwde tokamaks geschikt voor industriële doeleinden. Het grootste probleem is dat een ringplasmakoord met parameters die voldoende zijn om thermonucleaire reacties te laten plaatsvinden, van korte duur is. Onlangs verscheen er nog een “bemoedigend” bericht op internet (http://science.compulenta.ru/268602): “Japanse wetenschappers hebben een nieuw record gevestigd in de plasmafysica - ze konden plasma 28,6 jaar lang vasthouden in de JT-60 tokamak. seconden Dit cijfer is bijna het dubbele van het record uit 2004 van 16,5 seconden. Een dergelijke “bemoedigende” boodschap, als het gaat om het gebruik van kernfusie voor industriële doeleinden, kan alleen maar als belachelijk worden opgevat. “Wetenschappers komen aan het werk, zetten de reactor aan, de reactie vindt snel plaats, ze lijken hem uit te zetten, en denken na: wat is de reden dat we nu moeten doen? Er is een lange weg afgelegd en er is veel gedaan om het uiteindelijke doel te bereiken. Maar helaas is het resultaat negatief. Er is nog geen gecontroleerde thermonucleaire reactor gecreëerd zal worden vervuld. Maar zal er over 60 jaar geen resultaat zijn? Waarom zou dit over 30...40 jaar gebeuren? (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). Momenteel in het nieuws ITER- project van een internationale experimentele thermonucleaire reactor. Het ontwerp van de reactor is voltooid en er is een locatie gekozen voor de bouw ervan: in het zuiden van Frankrijk. Het ITER-bouwproject omvat China, Japan, Zuid-Korea, Rusland, de VS, EU-landen en India. De kosten van het project werden aanvankelijk geschat op $ 12 miljard. In juli 2010 werden als gevolg van veranderingen in het ontwerp en de stijgende materiaalkosten de kosten voor de bouw van de internationale thermonucleaire reactor ITER aangepast en verhoogd tot 15 miljard euro. De geplande voltooiingsdatum van de reactor is 2015. Wat kun je verwachten van de volgende tokamak, zij het een hele grote? Maar er vindt voortdurend een niet-explosieve thermonucleaire reactie plaats op de zon!

Het verhaal met tokamaks doet me denken aan het verhaal met perpetuum mobile-machines. Elke volgende uitvinder van een perpetuum mobile wacht tot deze begint te werken. Maar het werkt niet. Maar de uitvinders van eeuwigdurende bewegingsmachines kennen een van de basiswetten van de natuurkunde niet: de wet van behoud van energie. Misschien weten de makers van tokamaks ook iets niet? Ja, dat is waarschijnlijk waar. Ze kennen de eigenschappen van de recent ontdekte structuur van het vacuüm van de ruimte niet (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). Het is echter beter om het woord te geven aan de auteur van de ontdekking, A.V. Rykov:

“Astrofysici bevestigden na 1998 dat het heelal ‘donkere’ energie en materie verborgen heeft. De ontdekking van de structuur van het vacuüm maakt het mogelijk om deze ‘donkere’ entiteiten van het heelal te begrijpen onlosmakelijk verband tussen zwaartekracht en anti-zwaartekracht, die verantwoordelijk is voor de ‘donkere’ ‘energie. De structuur van het vacuüm is elektromagnetisch van aard en wordt gevormd door een kristalrooster met elementaire ladingen in de knooppunten van grootte (+.-)1,602176462е -19 coulomb en magnetische inductiefluxen geassocieerd met ladingen, omvang Ф=4,8032042е -18 Weber. Rooster met elementgrootte 1.3987631е -15 m vervult de functie van “donkere” energie, de stroom van magnetische inductie vervult de functie van “donkere” materie.

Vacuümstructuur stap in 37832 kleiner dan de straal van het waterstofatoom, wat de onmogelijkheid verklaart om de zwaartekracht en andere soortgelijke acties af te schermen (het verwijderen van elektrische spanning uit de ladingen van de structuur). Het is bewegingloos en star verbonden met het vacuüm van het heelal, waarin licht zich volgens Maxwell voortplant. De kleinheid van de structuur zorgt voor de aanwezigheid en penetratie ervan in alle objecten en apparaten die door mensen zijn gemaakt. Deze penetratie komt ook voor in experimentele installaties van het Tokamak-type. In moderne installaties met magnetische vallen van deuterium- of tritiumplasma vernietigt de doordringende vacuümstructuur de magnetische isolatie en maakt het plasma daaruit vrij. Dit is de reden voor het mislukken van pogingen om thermonucleaire energie op aarde te verkrijgen. Op de zon worden alle thermonucleaire reacties in de ruimte beperkt door de zwaartekracht, met zwaartekrachtversnellingen van 273 m/sec 2, wat op aarde onmogelijk te verwezenlijken is."

Uit eigen naam kan ik er alleen maar aan toevoegen dat de temperatuur in het centrum van de zon ongeveer 15 miljoen graden bedraagt, en dat de druk en dichtheid ook niet vergelijkbaar zijn met wat op aarde kan worden bereikt.

Het aanhoudende verlangen om thermonucleaire energie onder de knie te krijgen is te wijten aan de gigantische energiebehoeften van de industrie, en zelfs van de hele infrastructuur van onze beschaving. Ondertussen is het moment al lang rijp dat het mogelijk en noodzakelijk is om van oude energieverslindende technologieën over te stappen op nieuwe technologieën gebaseerd op de ideeën van de bionica. En als, ook al was het niet 60 jaar geleden, maar minstens 20-30 jaar geleden, het geld dat in die tijd in de creatie van tokamaks werd geïnvesteerd, gericht was geweest op de ontwikkeling van energiebesparende technologieën, zou onze planeet niet met de problemen te maken hebben gehad van energiehonger en milieurampen.

1. Opgesteld door het Astrogalaxy-project 2. Publicatie van het project, 5 oktober 2011 3. Auteur van het artikel L.M. Toptunov voor het project "Astrogalaxy"

In de herfst van 1981 kwamen vooraanstaande wetenschappers uit 27 landen naar Moskou voor de Europese Conferentie over gecontroleerde thermonucleaire fusie en plasmafysica. Het belangrijkste resultaat van de conferentie is de unanieme conclusie dat de wetenschap vandaag dicht bij de uiteindelijke oplossing is voor het “probleem van de eeuw”: gecontroleerde thermonucleaire fusie (CTF). Dit verhaal is tot stand gekomen op basis van gesprekken met vooraanstaande wetenschappers.

Veel deskundigen vragen zich tegenwoordig af of een kerncentrale al had kunnen functioneren als het onderzoek naar kernfusie niet lange tijd geheim was gehouden? Wat als wetenschappers en ingenieurs uit verschillende landen vanaf het allereerste begin de kans zouden krijgen om hun krachten te bundelen? En hoewel niemand deze vraag met volledig vertrouwen bevestigend kan beantwoorden, is het voor iedereen duidelijk dat de weg naar het ‘energie-eldorado’ veel korter zou zijn.

Waarom verliep niet alles zoals de behoeften van de mensen vereisten? Deze kwestie werd niet rechtstreeks besproken op de laatste wetenschappelijke conferentie over kernfusie. Achter de schermen bezat hij er echter veel. Want een eerlijk antwoord daarop kan je helpen veel fouten in de toekomst te voorkomen.

Laten we kort naar de geschiedenis kijken - slechts een paar data en feiten. Eind jaren dertig werd een kettingreactie van kernsplijting ontdekt, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Helaas gebruikten ze het niet in de eerste plaats voor energiebehoeften. In augustus 1945 lieten de Verenigde Staten atoombommen vallen op de Japanse steden Hiroshima en Nagasaki. De Sovjet-Unie werd gedwongen haar eigen atoomwapens te creëren. Het werd getest in 1949. Maar al in 1954 werd in ons land de eerste kerncentrale ter wereld in bedrijf genomen, waarmee het tijdperk van het vreedzaam gebruik van kernenergie werd geopend... Een soortgelijk verhaal met thermonucleaire fusie. De mogelijkheid om energie te verkrijgen uit de fusie van kernen werd eind jaren dertig theoretisch bewezen (bij fusie komt trouwens ongeveer honderden keren meer energie vrij dan bij kernsplijting!). En nogmaals, eerst werden thermonucleaire wapens gemaakt. Het werk aan thermonucleaire wapens werd niet alleen afgeleid van het vreedzame onderzoek naar thermonucleaire fusie, het scheidde wetenschappers uit verschillende landen ook als een blinde muur: geen uitwisseling van informatie, onderzoeksresultaten, ideeën. Iemand moest de eerste stap vooruit zetten. En in 1956 markeerde het rapport van academicus I.V. Kurchatov, dat hij in de Engelse stad Harwell las, op initiatief van de Sovjetregering het begin van een regelmatige uitwisseling van wetenschappelijke informatie om, door de gezamenlijke inspanningen van wetenschappers uit verschillende landen, de weg vrijmaken voor het vreedzaam gebruik van thermonucleaire energie. Een jaar later deelden Sovjetwetenschappers met hun buitenlandse collega's een idee dat de algemene richting van de aanval op de TCB bepaalde. De naam van de installaties die op dit idee zijn gebaseerd, ‘Tokamak’, is nu in alle wetenschappelijke woordenboeken van de wereld terechtgekomen, op dezelfde manier als bijvoorbeeld het woord ‘satelliet’.

Vooral over deze installaties - de leiders van vandaag bij het oplossen van het CTS-probleem, over projecten van nieuwe "Tokamaks" werden besproken op het laatste forum in Moskou van wetenschappers uit verschillende landen.

Het idee van thermonucleaire fusie zelf lijkt eenvoudig. Het is noodzakelijk om de kernen te dwingen te convergeren op een afstand van ongeveer 10 miljardsten van een millimeter en samen te smelten en te synthetiseren tot één kern. Tijdens het fusieproces komt overtollige energie vrij. In principe kunnen alle elementen aan het begin van het periodiek systeem worden gesynthetiseerd. De gemakkelijkste (meer precies, relatief gemakkelijk) fusiereacties kunnen echter optreden tussen de kernen van waterstofisotopen - deuterium en tritium. Maar om dit te doen, moet je het mengsel van deze kernen verwarmen tot 100 miljoen graden Celsius. En voor een fusiereactie op puur deuterium zelfs nog meer: ​​tot een miljard!

Dit is de grootste moeilijkheid. Een stof opwarmen tot zulke temperaturen is op zichzelf al een fantastische opgave! Zelfs in de diepten van de zon is het “koeler” - niet meer dan 20 miljoen graden. Al bij enkele duizenden graden wordt de substantie plasma - een chaos van elektronen en kernen die met enorme snelheden in de kamer snellen en botsen. En deze chaos wordt actiever naarmate de temperatuur stijgt. Wat voor soort teugel kan het op tientallen miljoenen graden houden? Op de zon is dit een gigantische zwaartekracht. En op aarde, in een kunstmatige installatie? Het verraderlijke van plasma is ook dat het, dankzij zijn hoge thermische geleidbaarheid, onmiddellijk zijn energie afgeeft aan de wanden van de kamer en afkoelt. Zoals de beroemde Sovjet-fysicus professor D. Frank-Kamensky treffend opmerkte, is het verwarmen van plasma in een gesloten vat tot miljoenen graden hetzelfde als het koken van water in een glas... van ijs!

De hoofdtaak is dus om het plasma tot de vereiste temperatuur te verwarmen en het niet in aanraking te laten komen met de wanden zolang het nodig is voordat een voldoende aantal deuterium- en tritiumkernen reageert en er een reactie plaatsvindt, waarbij enorme energie vrijkomt.

De oplossing voor dit probleem is het idee dat het beste werkt in Tokamak-installaties. (Dit woord is gevormd uit de eerste lettergrepen van de naam van de installatie “TORoidal CHAMBER with a MAGNETIC FIELD”) Uit de natuurkunde op school is bekend dat een geladen deeltje niet over een magnetische veldlijn kan bewegen. In een uniform magnetisch veld bewegen deeltjes langs de krachtlijnen en draaien er omheen. Als je daarom een ​​systeem van gesloten magnetische krachtlijnen creëert, kun je met hun hulp in principe het plasma in een bepaald beperkt volume houden. Figuurlijk gesproken zijn de onzichtbare ‘palmen’ van magnetische velden in staat superzonnewarmte vast te houden! "Tokamak" moest een betrouwbare teugel worden voor de deeltjes, "woedend" door de ongelooflijke, fantastische hitte.

Wat is Tokamak structureel? Uiterlijk ziet het eruit als een grote transformator met een gesloten ijzeren kern en een wikkeling waardoor een zeer sterke stroom stroomt. In plaats van de secundaire wikkeling van de transformator is er een holle ringkernkamer die lijkt op een grote donut. In deze kamer wordt de overgang van de substantie naar de plasmatoestand bereikt. Het plasma wordt tot de vereiste temperatuur verwarmd door een sterke elektrische ontlading, krachtige ultrahoogfrequente stromen en andere methoden. En een sterk magnetisch veld comprimeert het plasma tot een dicht ringvormig koord.

Als je kennis maakt met het Tokamak-schakelschema, sta je versteld van de eenvoud ervan - het lijkt erop dat ze zelfs in een schoolboek complexere diagrammen geven. Grofweg is het zo, als je even het echte apparaat vergeet, het ontwerp dat unieke materialen vereist; vergeet die onvoorstelbaar hete substantie die wordt getemd in de “donut”. Dus al bij de allereerste experimenten werd duidelijk dat plasma magnetische wanden niet wil herkennen. Op onverklaarbare wijze slaagt het erin om naar buiten te lekken voordat het tot de vereiste temperatuur kan worden verwarmd. Natuurkundigen zochten naar een manier om de instabiliteit van het plasma te onderdrukken, herwerkten de installatie, verhoogden de temperatuur, en... opnieuw vond het plasma een nieuwe manier om uit magnetische gevangenschap te ontsnappen! Het is net als reizen in de bergen: je hebt weer een moeilijke top bereikt, maar vanaf de hoogte kun je nieuwe passen, kloven en afgronden zien die je moet overwinnen op weg naar je doel...

In drie decennia is het grootste deel van het moeilijke pad afgelegd. Elke fase ervan bestaat niet uit dagen of maanden, maar uit jaren van aanhoudende, complexe experimenten, berekeningen, tientallen teleurstellende mislukkingen en briljante successen. En het woord “voor de eerste keer” kon worden toegepast op elk probleem dat moest worden opgelost.

Zo moesten we voor het eerst leren hoe we in vrij grote kamers een supersterk magnetisch veld konden creëren. Bovendien is het veld zeer symmetrisch. Toen de symmetrie slechts een fractie van een millimeter afweek, probeerde het plasma door de wanden van de kamer heen te breken en af ​​te koelen.

Er was ook een periode waarin het plasma, dat betrouwbaar werd vastgehouden door een magnetisch veld, niet boven een paar miljoen graden wilde opwarmen. Uiteindelijk bleek dat verwaarloosbare onzuiverheden van zware elementen in het plasma de oorzaak van alles waren. Maar hoe kwamen ze in de camera? Er ontstond een veronderstelling: ze verdampen van het oppervlak van het metaal. waaruit de kamerwanden zijn gemaakt. Als gevolg hiervan worden plasma-elektronen vertraagd in het elektrische veld van deze elementen, waardoor hun energie verloren gaat, wat leidt tot een temperatuurdaling. Het kostte vele jaren om deze reden te begrijpen en, belangrijker nog, te elimineren.

Hoe zit het met het probleem van de zogenaamde eerste wand van de reactor? Stel je voor: er zijn miljoenen graden in de kamer achter deze muur! Het verdampt niet onmiddellijk omdat plasma, zoals we weten, ‘gewikkeld’ is in een onzichtbaar magnetisch veld. Maar krachtige stromen neutronen vallen van binnenuit op de muur! Het wandmateriaal moet extreem resistent zijn om niet kapot te gaan onder invloed van hoge temperaturen en neutronen, en tegelijkertijd zo “transparant” mogelijk zijn ten opzichte van diezelfde neutronen! Zij zijn tenslotte degenen die de energie van thermonucleaire fusie uit de kamer halen, die we verder willen omzetten in warmte en elektriciteit. de muur zal niet “transparant” zijn, de gewenste energie zal in de “donut” blijven. Dit zijn de paradoxale eisen waaraan het materiaal van de eerste wand van de reactor moet voldoen. Het is hetzelfde als het transparant maken van een bakstenen muur voor artilleriegranaten. We hebben haar nauwkeurig neergeschoten met een miljoen granaten, maar ze was intact - geen enkel gat.

Het creëren van krachtige magnetische velden neemt het leeuwendeel van de energie die de Tokamak verbruikt voor zijn rekening, en tot nu toe kost het meer dan het oplevert. Hoe de energiehonger verminderen?

Een oplossing voor het probleem is supergeleiding. Het is bekend dat bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt de elektrische weerstand van sommige geleiders oneindig klein wordt. De stroom, eenmaal in de ring van zo'n geleider gelanceerd, kan daarin zo lang als gewenst circuleren, vrijwel zonder verliezen. Om de mogelijkheid om supergeleiding in Tokamaks te gebruiken praktisch te bestuderen, bouwden wetenschappers van het I.V. Kurchatov Institute of Atomic Energy de Tokamak-7-installatie, waarvan de magnetische spoelen zijn gemaakt van supergeleidende materialen. Dit was vooral voor ingenieurs en materiaalwetenschappers een unieke ervaring. Feit is dat de sterkste magnetische velden in de Tokamak de vijanden van supergeleiding worden en deze vernietigen. Hier was het noodzakelijk om volledig speciale magnetisch resistente supergeleidende legeringen te maken en te testen. Vergeleken met een conventioneel magnetisch systeem maakten de supergeleidende wikkelingen van de T-7 het mogelijk om het stroomverbruik van het netwerk met ongeveer 100 keer te verminderen!

In 1975 werd de Tokamak-10-installatie gelanceerd bij het Institute of Atomic Energy. Deze installatie slaagde erin plasma te verkrijgen met een voor die tijd recordtemperatuur: 15 miljoen graden Celsius! Hier verschenen voor het eerst betrouwbare tekenen dat er een thermonucleaire reactie in de kamer "ontbrandde", zelfs met de eerste vonken. Ja, een vonk kan een vuur aansteken. Maar zelfs honderd individuele vonken zijn geen vreugdevuur. De thermonucleaire vonken gingen uit. Maar door hun uiterlijk overtuigden ze natuurkundigen over de hele wereld van de juistheid van het gekozen pad.

Nu wordt een nieuwe installatie - Tokamak-15 - gebouwd bij het Institute of Atomic Energy. Het volume van de plasma-"donut" erin zal ongeveer vijf keer groter zijn dan in de T-10. Waarom is dit nodig? Feit is dat naarmate het volume van de kamer toeneemt, het aantal deeltjes toeneemt, en daarmee de kans op hun botsingen, die een reactie veroorzaken. Het plasma in de T-15 zal opwarmen tot 70-80 miljoen graden - dit komt al heel dicht in de buurt van wat nodig is. De wikkelingen van de magnetische spoelen van de T-15 zullen supergeleidend zijn. Dit zal het energieverbruik aanzienlijk verminderen.

Experimenten met de T-15 en andere Tokamaks zouden, zo hopen wetenschappers, eindelijk de haalbaarheid van een zichzelf in stand houdende fusiereactie moeten bevestigen. Als alles goed gaat, rest ons alleen nog de laatste stap op weg naar thermonucleaire energiecentrales. In deze laatste fase moet een antwoord worden gegeven op de vraag: wat en hoe moet er worden gedaan om de thermische energie van neutronen te verzamelen en, om deze in elektriciteit om te zetten, naar fabrieken, steden en dorpen te sturen.

Het beheersen van de energie van kernfusie, het beheersen van een werkelijk onuitputtelijke energiebron is een enorme opgave. De vooruitgang van de hele mensheid hangt af van het succes van haar oplossing. Daarom is het beter om dit probleem gezamenlijk op te lossen, door de inspanningen van alle landen die hiervoor over de nodige wetenschappelijke en technische capaciteiten beschikken. Het wordt vooral belangrijk om de krachten te bundelen in de huidige fase van het onderzoek – de meest verantwoordelijke fase en misschien wel de moeilijkste, die enorme materiaalkosten met zich meebrengt.

In 1978 sprak in Wenen tijdens een bijeenkomst van de Internationale Organisatie voor Atoomenergie het hoofd van het Sovjet thermonucleaire programma, academicus E.P. Velikhov, namens de Sovjetregering en nodigde specialisten uit leidende landen uit om gezamenlijk een grote demonstratie-tokamak te ontwerpen en te bouwen. reactor. De betekenis van deze toespraak is, net als de toespraak van I.V. Kurchatov in 1956, moeilijk te overschatten. Dit is een stap in de richting van een nieuwe fase van vreedzame samenwerking op het gebied van kernfusie. Het voorstel werd aanvaard en tot de deelnemers aan de bouw van de eerste internationale thermonucleaire reactor in de geschiedenis behoorden de USSR, de VS, Japan en de tien meest ontwikkelde landen van West-Europa. INTOR - dit is de naam die aan de toekomstige reactor wordt gegeven na de eerste letters van de Engelse naam - International Tokamak Reactor.

Hoe gaat INTOR er uit zien?

Uiterlijk zal het lijken op zijn voorgangers uit de Tokamak-familie - T-10, T-15 en hun buitenlandse tegenhangers, en van hen verschillen in zijn grotere formaat. Het plasmavolume in INTOR zal ongeveer vijf keer groter zijn dan in de huidige generatie Tokamaks, en, zoals we al weten, vergroot dit de kans op het ontsteken van een thermonucleaire reactie. In 5-6 seconden wordt het plasma verwarmd tot een temperatuur boven de 100 miljoen graden. Gedurende 100 seconden zal er in de kamer een thermonucleaire reactie plaatsvinden, waarbij energie vrijkomt die gelijk is aan de energie die vandaag de dag wordt geleverd door kernreactoren met gemiddeld vermogen - ongeveer 600 MW. (Ter vergelijking wil ik u eraan herinneren dat het vermogen van de eerste kerncentrale 5 MW was.) De reactie wordt dan onderbroken om verbrandingsproducten uit de kamer te verwijderen (voornamelijk heliumkernen), die de kamer vervuilen. Vervolgens wordt opnieuw een deel van de thermonucleaire brandstof geïnjecteerd en herhaalt de cyclus zich.

Misschien wel het belangrijkste kenmerk van INTOR is dit. dat er voor het eerst serieuze tests zullen worden uitgevoerd op elementen van systemen die het mogelijk maken de energie van thermonucleaire fusie praktisch te gebruiken. Dergelijke systemen worden "dekens" genoemd (van het Engelse woord deken - deken.) In het eenvoudigste geval is een deken een holle schaal die de reactor omringt, waarin een vloeistof circuleert, bijvoorbeeld water. Neutronen die tijdens de reactie worden geproduceerd en die de energie van thermonucleaire fusie dragen, zullen door de vloeistof worden geabsorbeerd en deze hun energie geven door deze te verwarmen. En dan volgens het gebruikelijke schema, zoals in thermische of kerncentrales: water verandert bij verhitting in stoom, die een turbine met een elektrische generator aandrijft.

De INTOR-deken zou een ander belangrijk probleem moeten helpen oplossen.

We hebben al gezegd dat thermonucleaire reactoren in eerste instantie zullen werken op een mengsel van deuterium en tritium - voor een dergelijk mengsel is de ontstekingstemperatuur lager vereist dan voor puur deuterium. De vraag rijst: wat is de situatie met de hulpbronnen van deze brandstof? Wat deuterium betreft. dan is het in overvloed beschikbaar in zeewater, een hele oceaan, genoeg voor meer dan een eeuw. Waar kan ik tritium krijgen? In de natuur. zoals je weet is daar heel weinig van.

Ook hier suggereerde de kernfysica een uitweg. Het is mogelijk om tritium kunstmatig te verkrijgen uit een ander chemisch element, dat vrij overvloedig aanwezig is op aarde: lithium, door het te bestralen met neutronen. En dit is erg belangrijk; dit kan in dezelfde thermonucleaire reactor worden gedaan. Dit is de tweede belangrijke functie van de deken: het daarin geplaatste lithium wordt verwerkt tot tritium.

Theoretisch zou de reactor dus niet alleen energie moeten opwekken, maar zichzelf ook van brandstof moeten voorzien, zoals dat overigens nu gebeurt in snelle neutronenkerncentrales.

De aanval op het probleem van de gecontroleerde kernfusie vindt nu op een breed front plaats. De afgelopen jaren zijn op andere onderzoeksgebieden bemoedigende resultaten geboekt. Men kan in het bijzonder opties noemen als "laser thermonucleair", waarbij thermonucleaire brandstof van alle kanten wordt verwarmd door krachtige laserstralen. Of ‘elektronische fusie’. waar in plaats van laserstralen krachtige elektronenbundels werken.

Het is nog te vroeg om te praten over de manier waarop deze ideeën in de praktijk zullen worden geïmplementeerd. Tokamaks bracht wetenschappers het dichtst bij de oplossing van het CTS-probleem. En het is in deze richting dat de belangrijkste inspanningen en middelen vandaag de dag worden geconcentreerd, wat ons dichter bij het beheersen van een vrijwel onuitputtelijke energiebron brengt.

De toekomst. Wetenschappers waren 60-70 jaar geleden op zoek naar manieren om goedkopere energie te creëren. De methode is al lang bekend, maar het beheersen van de energie van een dergelijk vermogen blijft vandaag de dag onmogelijk. We hebben het over thermonucleaire fusie. Gecontroleerde thermonucleaire fusie is de synthese van zwaardere atoomkernen uit lichtere om enorme energie te verkrijgen, die, in tegenstelling tot explosieve thermonucleaire fusie (gebruikt in waterstofbommen), volledig controleerbaar is.

Gecontroleerde thermonucleaire fusie verschilt van traditionele fusie doordat bij deze laatste gebruik wordt gemaakt van een vervalreactie waarbij uit zware kernen lichtere kernen kunnen worden verkregen. Een fusiereactor is qua straling veel veiliger dan een kernreactor (kernreactor). Allereerst is de hoeveelheid radioactieve stoffen die erin zit relatief klein, waardoor het bijna milieuvriendelijk is.

Ook de energie die bij een of ander ongeval vrij kan komen is relatief klein en kan niet leiden tot de vernietiging van de reactor. Het reactorontwerp kent echter verschillende natuurlijke barrières die de verspreiding van radioactieve stoffen voorkomen. De vacuümkamer en de cthiostaatomhulling moeten bijvoorbeeld volledig worden afgedicht, anders kan de reactor eenvoudigweg niet werken. Bij het ontwerp is echter veel aandacht besteed aan de stralingsveiligheid, zowel tijdens normaal bedrijf als bij eventuele ongevallen.

Thermonucleaire fusie, de reactie van waterstofisotopen, in tegenstelling tot de atoomreactie, is een thermonucleaire reactie een fusiereactie, uiteindelijk wordt helium gevormd, en helium wordt gevormd met het vrijkomen van kolossale thermische energie. Thermonucleaire fusie kan alleen worden bereikt in een speciaal apparaat genaamd tokamak (ringkernkamer met magnetische spoelen), het Sovjet-analoog is een synchrofasotron. Experimenten op het gebied van thermonucleaire energie werden al in de jaren dertig van de vorige eeuw in de Sovjet-Unie uitgevoerd, maar de kwestie is nog niet volledig opgelost.

De enorme thermische energie is oncontroleerbaar en wordt alleen gebruikt in thermonucleaire wapens. Het project van 's werelds eerste thermonucleaire reactor is al tien jaar van start; de bouw begon in Frankrijk en volgens wetenschappers zal de wereld in 2026 de eerste gecontroleerde thermonucleaire fusie meemaken. Als het mogelijk is om fusie uit te voeren, zullen de prijzen voor elektrische energie hoogstwaarschijnlijk scherp dalen, omdat voor thermonucleaire fusie alleen water nodig is...

Laten we ter vergelijking zeggen dat als 1 glas water wordt onderworpen aan thermonucleaire fusie, je een kleine stad voor 1 dag van elektriciteit kunt voorzien! Zo krachtig is water! (meer precies waterstof). Maar naast thermonucleaire fusie zijn er nog verschillende andere soorten alternatieve methoden voor de productie van elektriciteit, maar u kunt hierover meer lezen in deze review, bedankt voor uw aandacht - A. Kasyan.

Bespreek het artikel GECONTROLEERDE THERMONUCLEAR-fusie

Van de vier belangrijkste bronnen van kernenergie zijn er nu slechts twee industrieel geïmplementeerd: de energie van radioactief verval wordt gebruikt in energiebronnen, en de kettingreactie van kernsplijting wordt gebruikt in kernreactoren. De derde bron van kernenergie – de vernietiging van elementaire deeltjes – heeft het domein van de sciencefiction nog niet verlaten. De vierde bron is gecontroleerde thermonucleaire fusie, gecontroleerde thermonucleaire fusie, staat op de agenda. Hoewel deze bron minder potentieel heeft dan de derde, is deze aanzienlijk groter dan de tweede.

Thermonucleaire fusie onder laboratoriumomstandigheden is vrij eenvoudig uit te voeren, maar energiereproductie is nog niet bereikt. Er wordt echter in deze richting gewerkt en er worden radiochemische technieken ontwikkeld, in de eerste plaats technologieën voor de productie van tritiumbrandstof voor CTS-installaties.

Dit hoofdstuk onderzoekt enkele radiochemische aspecten van thermonucleaire fusie en bespreekt de vooruitzichten voor het gebruik van installaties voor gecontroleerde fusie in kernenergie.

Gecontroleerde thermonucleaire fusie- de reactie van de fusie van lichte atoomkernen tot zwaardere kernen, die plaatsvindt bij ultrahoge temperaturen en gepaard gaat met het vrijkomen van enorme hoeveelheden energie. In tegenstelling tot explosieve thermonucleaire fusie (gebruikt in een waterstofbom) wordt deze gecontroleerd. In de belangrijkste kernreacties die naar verwachting zullen worden gebruikt om gecontroleerde thermonucleaire fusie te implementeren, zullen -H en 3H worden gebruikt, en op de langere termijn 3He en “B.”

De hoop op gecontroleerde thermonucleaire fusie houdt verband met twee omstandigheden: i) er wordt aangenomen dat sterren bestaan ​​als gevolg van een stationaire thermonucleaire reactie, en 2) het ongecontroleerde thermonucleaire proces werd eenvoudigweg gerealiseerd door de explosie van een waterstofbom. Er lijkt geen fundamenteel obstakel te zijn voor het handhaven van een gecontroleerde kernfusiereactie. Intensieve pogingen om CTS in laboratoriumomstandigheden te implementeren met het verkrijgen van energiewinst eindigden echter in een volledige mislukking.

CVT wordt nu echter gezien als een belangrijke technologische oplossing gericht op het vervangen van fossiele brandstoffen in de energieproductie. De mondiale vraag naar energie, die een toename van de elektriciteitsproductie en de uitputting van niet-hernieuwbare grondstoffen vereist, stimuleert de zoektocht naar nieuwe oplossingen.

Thermonucleaire reactoren gebruiken de energie die vrijkomt bij de fusie van lichte atoomkernen. Napoimeo:

De fusiereactie van tritium- en deuteriumkernen is veelbelovend voor gecontroleerde thermonucleaire fusie, omdat de doorsnede ervan zelfs bij lage energieën vrij groot is. Deze reactie levert een specifieke calorische waarde op van 3,5-11 J/g. De hoofdreactie D+T=n+a heeft de grootste doorsnede o t ah=5 schuur in resonantie met deuteron-energie EpSh x= 0,108 MeV, vergeleken met reacties D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 schuur; Emax = 1,9 MeV, D+D=p+T over tah = 0,09 schuur; Emax = 2,0 MeV, evenals met de reactie 3He+D=p+a a m ax=0,7 schuur; Eota = 0,4 MeV. Bij de laatste reactie komt 18,4 MeV vrij. In reactie (3) de som van energieën p+a gelijk aan 17,6 MeV, de energie van de resulterende neutronen? „=14,1 MeV; en de energie van de resulterende alfadeeltjes is 3,5 MeV. Als in de reacties T(d,n)a en:) He(d,p)a de resonanties vrij smal zijn, dan zijn er in de reacties D(d,n)3He en D(d,p)T zeer brede resonanties met grote dwarsdoorsneden in het gebied van 1 tot 10 MeV en een lineaire toename van 0,1 MeV tot 1 MeV.

Opmerking. De problemen met gemakkelijk te ontsteken DT-brandstof zijn dat tritium niet van nature voorkomt en uit lithium moet worden geproduceerd in de kweekdeken van de fusiereactor; tritium is radioactief (Ti/2 = 12,6 jaar), het DT-reactorsysteem bevat 10 tot 10 kg tritium; 80% van de energie in de DT-reactie komt vrij met 14 MeV-neutronen, die kunstmatige radioactiviteit in de reactorstructuren induceren en stralingsschade veroorzaken.

In afb. Figuur 1 toont de energie-afhankelijkheid van de reactiedoorsneden (1 - h). De grafieken voor de dwarsdoorsneden van reacties (1) en (2) zijn vrijwel hetzelfde: naarmate de energie toeneemt, neemt de dwarsdoorsnede toe en bij hoge energieën neigt de waarschijnlijkheid van de reactie naar een constante waarde. De dwarsdoorsnede van reactie (3) neemt eerst toe, bereikt een maximum van 10 barn bij energieën in de orde van 90 MeV, en neemt vervolgens af met toenemende energie.

Rijst. 1. Dwarsdoorsneden van enkele thermonucleaire reacties als functie van de deeltjesenergie in het massamiddelpuntsysteem: 1 - kernreactie (3); 2 - reacties (1) en (2).

Vanwege de grote verstrooiingsdwarsdoorsnede bij het bombarderen van tritiumkernen met versnelde deuteronen, kan de energiebalans van het thermonucleaire fusieproces in de D - T-reactie negatief zijn, omdat Er wordt meer energie besteed aan het versnellen van deuteronen dan er vrijkomt bij fusie. Een positieve energiebalans is mogelijk als de bombarderende deeltjes na een elastische botsing weer aan de reactie kunnen deelnemen. Om elektrische afstoting te overwinnen, moeten kernen een hoge kinetische energie hebben. Deze omstandigheden kunnen worden gecreëerd in plasma op hoge temperatuur, waarin atomen of moleculen zich in een volledig geïoniseerde toestand bevinden. De D-T-reactie begint bijvoorbeeld alleen plaats te vinden bij temperaturen boven 100,8 K. Alleen bij dergelijke temperaturen komt er meer energie vrij per volume-eenheid en per tijdseenheid dan er wordt verbruikt probleem CTS bestaat uit het oplossen van twee problemen: het verwarmen van een stof tot de vereiste temperatuur en het vasthouden ervan gedurende een tijd die voldoende is om een ​​merkbaar deel van de thermonucleaire brandstof te “verbranden”.

Er wordt aangenomen dat gecontroleerde thermonucleaire fusie kan worden gerealiseerd als aan het Lawson-criterium wordt voldaan (m>10'4 s cm-3, waarbij P - dichtheid van plasma op hoge temperatuur, t - tijd van retentie in het systeem).

Wanneer aan dit criterium wordt voldaan, overschrijdt de energie die vrijkomt tijdens CTS de energie die in het systeem wordt geïntroduceerd.

Het plasma moet binnen een bepaald volume worden gehouden, omdat het plasma in de vrije ruimte onmiddellijk uitzet. Vanwege de hoge temperaturen kan plasma vanuit geen enkel reservoir in een reservoir worden geplaatst

materiaal. Om het plasma vast te houden is het nodig een magnetisch veld met hoge intensiteit te gebruiken, dat wordt gecreëerd met behulp van supergeleidende magneten.

Rijst. 2. Schematisch diagram van een tokamak.

Als je niet het doel stelt om energiewinst te behalen, dan is het in laboratoriumomstandigheden vrij eenvoudig om CTS te implementeren. Om dit te doen, volstaat het om een ​​ampul lithiumdeuteride in het kanaal van een langzame reactor te laten zakken die werkt op de splijtingsreactie van uranium (je kunt lithium gebruiken met een natuurlijke isotopensamenstelling (7% 6 Li), maar het is beter als het is verrijkt met de stabiele isotoop 6 Li). Onder invloed van thermische neutronen vindt de volgende kernreactie plaats:

Als resultaat van deze reactie verschijnen er ‘hete’ tritiumatomen. De energie van het tritium-terugslagatoom (~ 3 MeV) is voldoende om de interactie van tritium met deuterium aanwezig in LiD te laten plaatsvinden:

Voor energiedoeleinden is deze methode niet geschikt: de energiekosten voor het proces overschrijden de energie die vrijkomt. Daarom moeten we op zoek naar andere opties voor de implementatie van het CTS, opties die een grote energiewinst opleveren.

Ze proberen CTS te implementeren met energiewinst, hetzij in quasi-stationaire (t>1 s, tg> je ziet "Oh, of in gepulseerde systemen (t*io -8 s, n>u 22 cm*z). In de eerste (tokamak, stellarator, spiegelval, enz.) worden plasma-opsluiting en thermische isolatie uitgevoerd in magnetische velden met verschillende configuraties. In gepulseerde systemen wordt plasma gecreëerd door een vast doel (korrels van een mengsel van deuterium en tritium) te bestralen met gefocusseerde straling van een krachtige laser- of elektronenbundel: wanneer een straal van kleine vaste doelen het brandpunt raakt, vindt een opeenvolgende reeks thermonucleaire micro-explosies plaats. komt voor.

Van de verschillende kamers voor plasma-opsluiting is een kamer met een toroïdale configuratie veelbelovend. In dit geval wordt plasma gecreëerd in een toroïdale kamer met behulp van een elektrodeloze ringontlading. In een tokamak is de stroom die in het plasma wordt geïnduceerd vergelijkbaar met een secundaire wikkeling van een transformator. Het magnetische veld dat het plasma vasthoudt, wordt gecreëerd door de stroom die door de wikkeling rond de kamer vloeit, en door de stroom die in het plasma wordt geïnduceerd. Om een ​​stabiel plasma te verkrijgen wordt gebruik gemaakt van een extern longitudinaal magnetisch veld.

Een thermonucleaire reactor is een apparaat dat energie produceert door middel van fusiereacties van lichte atoomkernen die in plasma plaatsvinden bij zeer hoge temperaturen (> 10,8 K). De belangrijkste eis waar een fusiereactor aan moet voldoen is dat er energie vrijkomt

thermonucleaire reacties compenseerden ruimschoots de energiekosten van externe bronnen om de reactie in stand te houden.

Rijst. H. Hoofdcomponenten van een reactor voor gecontroleerde thermonucleaire fusie.

Een thermonucleaire reactor van het TO-CAMAK-type (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) bestaat uit een vacuümkamer die een kanaal vormt waar het plasma circuleert, magneten die een veld creëren en plasmaverwarmingssystemen. Hieraan zijn vacuümpompen bevestigd die voortdurend gassen uit het kanaal pompen, een brandstoftoevoersysteem terwijl het uitbrandt, en een omleider - een systeem waarmee de energie die wordt verkregen als gevolg van een thermonucleaire reactie uit de reactor wordt verwijderd. Torusvormig plasma bevindt zich in een vacuümomhulsel. a-De deeltjes die in het plasma worden gevormd als gevolg van thermonucleaire fusie en zich daarin bevinden, verhogen de temperatuur ervan. Neutronen dringen door de wand van de vacuümkamer binnen in de zone van de deken die vloeibaar lithium of een lithiumverbinding verrijkt met 6 Li bevat. Bij interactie met lithium wordt de kinetische energie van neutronen omgezet in warmte en wordt tegelijkertijd tritium gegenereerd. De deken wordt in een speciale schaal geplaatst, die de magneet beschermt tegen ontsnappende neutronen, y-straling en warmtestromen.

In tokamak-achtige installaties wordt plasma gecreëerd in een toroïdale kamer met behulp van een elektrodeloze ringontlading. Voor dit doel wordt in het plasmastolsel een elektrische stroom gecreëerd en tegelijkertijd ontwikkelt het zijn eigen magnetisch veld - het plasmastolsel zelf wordt een magneet. Nu is het met behulp van een extern magnetisch veld met een bepaalde configuratie mogelijk om de plasmawolk in het midden van de kamer op te hangen, zonder dat deze in contact komt met de wanden.

Diverter - een reeks apparaten (speciale poloïdale magnetische spoelen; panelen in contact met het plasma - plasmaneutralisatoren), met behulp waarvan het gebied van direct contact van de muur met het plasma maximaal wordt verwijderd van het hete hoofdplasma. Het wordt gebruikt om warmte uit het plasma te verwijderen in de vorm van een stroom geladen deeltjes en om reactieproducten weg te pompen die op de divertorplaten zijn geneutraliseerd: helium en protium. Verwijdert het plasma van verontreinigingen die de synthesereactie verstoren.

Een thermonucleaire reactor wordt gekenmerkt door een vermogensversterkingsfactor die gelijk is aan de verhouding tussen het thermische vermogen van de reactor en de energiekosten van de productie ervan. Het thermische vermogen van de reactor wordt opgeteld:

• - uit de energie die vrijkomt bij een thermonucleaire reactie in plasma;
• - uit de energie die in het plasma wordt ingebracht om de verbrandingstemperatuur van de thermonucleaire reactie of de stationaire stroom in het plasma op peil te houden;
• - van de kracht die vrijkomt in de deken - een omhulsel dat het plasma omringt waarin de energie van thermonucleaire neutronen wordt gebruikt en dat dient om de magnetische spoelen te beschermen tegen blootstelling aan straling. Deken van de fusiereactor - een van de belangrijkste onderdelen van een thermonucleaire reactor, een speciale schaal die het plasma omringt waarin thermonucleaire reacties plaatsvinden en die dient om de energie van thermonucleaire neutronen te benutten.

De deken bedekt de ring van plasma aan alle kanten, en de belangrijkste energiedragers die worden gegenereerd tijdens D-T-fusie - 14-MeV-neutronen - geven deze af aan de deken en verwarmen deze. De deken bevat warmtewisselaars waardoor water wordt geleid In een energiecentrale roteert stoom een ​​stoomturbine en een generatorrotor.

De belangrijkste taak van de deken is het verzamelen van energie, het omzetten ervan in warmte en het overbrengen ervan naar elektrische opwekkingssystemen, en het beschermen van operators en het milieu tegen ioniserende straling die wordt veroorzaakt door een thermonucleaire reactor. Achter de deken in een thermonucleaire reactor bevindt zich een laag stralingsbescherming, waarvan de functies het verder verzwakken van de stroom neutronen en y-quanta gevormd tijdens reacties met materie zijn om de werking van het elektromagnetische systeem te garanderen. Dit wordt gevolgd door biologische bescherming, die kan worden gevolgd door fabriekspersoneel.

Een “actieve” dekenkweker is ontworpen om een ​​van de componenten van thermonucleaire brandstof te produceren. In reactoren die tritium verbruiken, worden kweekmaterialen (lithiumverbindingen) in de deken opgenomen om een ​​efficiënte productie van tritium te garanderen.

Wanneer een thermonucleaire reactor gebruik maakt van deuterium-tritiumbrandstof, is het noodzakelijk om de hoeveelheid brandstof (D+T) in de reactor aan te vullen en 4He uit het plasma te verwijderen. Als gevolg van reacties in het plasma brandt tritium uit en wordt het grootste deel van de fusie-energie overgedragen op neutronen, waarvoor het plasma transparant is. Dit leidt tot de noodzaak om een ​​speciale zone te plaatsen tussen het plasma en het elektromagnetische systeem, waarin het verbrande tritium wordt gereproduceerd en het grootste deel van de neutronenenergie wordt geabsorbeerd. Deze zone wordt de kweekdeken genoemd. Het reproduceert tritium verbrand in plasma.

Tritium in de deken kan worden geproduceerd door lithium te bestralen met neutronenstromen via kernreacties: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV en 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.

Bij de productie van tritium uit lithium moet er rekening mee worden gehouden dat natuurlijk lithium uit twee isotopen bestaat: 6 Li (7,52%) en 7 Li (92,48%). De thermische neutronenabsorptiedoorsnede van zuiver 6 Li 0 = 945 barn, en de activeringsdoorsnede voor de reactie (p, p) is 0,028 barn. Voor natuurlijk lithium is de doorsnede voor de verwijdering van neutronen gevormd tijdens de splijting van uranium gelijk aan 1,01 schuur, en de doorsnede voor de absorptie van thermische neutronen a = 70,4 schuur.

De energiespectra van y-straling tijdens stralingsvangst van thermische neutronen 6 Li worden gekenmerkt door de volgende waarden: de gemiddelde energie van y-quanta uitgezonden per geabsorbeerd neutron, in het energiebereik 6^-7 MeV = 0,51 MeV, in de energie bereik 7-r8 MeV - 0,94 MeV. Totale energie

In een thermonucleaire reactor die werkt op D-T-brandstof, als resultaat van de reactie:

y-straling per neutronenvangst is 1,45 MeV. Voor 7 Li is de absorptiedoorsnede 0,047 barn, en de activeringsdoorsnede 0,033 barn (bij neutronenenergieën boven 2,8 MeV). De doorsnede voor de verwijdering van splijtingsneutronen van LiH met natuurlijke samenstelling = 1,34 schuur, metallisch Li - 1,57 schuur, LiF - 2,43 schuur.

Er worden thermonucleaire neutronen gevormd, die, terwijl ze het plasmavolume verlaten, het dekengebied binnengaan dat lithium en beryllium bevat, waar de volgende reacties optreden:

Een thermonucleaire reactor zal dus deuterium en lithium verbranden, en als gevolg van de reacties zal het inerte gas helium worden gevormd.

Tijdens de D-T-reactie verbrandt tritium in het plasma en ontstaat er een neutron met een energie van 14,1 MeV. In de deken is het noodzakelijk dat dit neutron ten minste één tritiumatoom genereert om zijn verliezen in het plasma te dekken. Vervangingspercentage van tritium Naar("de hoeveelheid tritium die in de deken wordt gevormd per invallend thermonucleair neutron) hangt af van het spectrum van neutronen in de deken, de omvang van de absorptie en lekkage van neutronen. Bij 0% plasmadekking door de deken is de waarde k> 1,05.

Rijst. Fig. 4. Afhankelijkheid van de dwarsdoorsnede van kernreacties van tritiumvorming op neutronenenergie: 1 - reactie 6 Li(n,t)'»He, 2 - reactie 7 Li(n,n',0 4 He.

De 6 Li-kern heeft een zeer grote absorptiedoorsnede voor thermische neutronen met de vorming van tritium (953 schuur bij 0,025 eV). Bij lage energieën volgt de in Li de wet (l/u) en bereikt in het geval van natuurlijk lithium een ​​waarde van 71 barn voor thermische neutronen. Voor 7 Li is de doorsnede voor interactie met neutronen slechts 0,045 schuur. Om de productiviteit van de fokker te verhogen, moet natuurlijk lithium daarom worden verrijkt met de 6 Li-isotoop. Een toename van het 6Li-gehalte in een mengsel van isotopen heeft echter weinig effect op de tritiumreproductiecoëfficiënt: er is een toename van 5% bij een toename van de verrijking van de 6Li-isotoop tot 50% in het mengsel. Bij de reactie 6 Li(n, T) "worden niet alle vertraagde neutronen geabsorbeerd. Naast een sterke absorptie in het thermische gebied is er een kleine absorptie (

De afhankelijkheid van de dwarsdoorsnede voor de reactie 6 Li(n,T) 4 He van neutronenenergie wordt getoond in Fig. 7. Zoals typisch is voor veel andere kernreacties, neemt de dwarsdoorsnede van de 6 Li(n,f) 4He-reactie af naarmate de neutronenenergie toeneemt (met uitzondering van resonantie bij een energie van 0,25 MeV).

De reactie met de vorming van tritium op de Li-isotoop vindt plaats met snelle neutronen bij een energie van> 2,8 MeV. Bij deze reactie

tritium wordt geproduceerd en er is geen neutronenverlies.

De kernreactie op 6 Li kan geen uitgebreide tritiumproductie opleveren en compenseert alleen het uitgebrande tritium

De reactie op μ1l resulteert in het verschijnen van één tritiumkern voor elk geabsorbeerd neutron en de regeneratie van dit neutron, dat vervolgens bij vertraging wordt geabsorbeerd en een nieuwe tritiumkern produceert.

Opmerking. In natuurlijk Li is de reproductiesnelheid van tritium gelijk Naar"2. Voor Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1.1; 1.05 en i.6 respectievelijk. Gesmolten zout LiF (66%) + BeF 2 (34%) wordt flyb genoemd ( FLiBe), verdient het gebruik ervan de voorkeur vanwege de veiligheidsomstandigheden en de vermindering van tritiumverliezen.

Omdat niet elk neutron van de D-T-reactie deelneemt aan de vorming van een tritiumatoom, is het noodzakelijk om primaire neutronen (14,1 MeV) te vermenigvuldigen met behulp van de (n, 2n) of (n, sn) reactie op elementen die een voldoende grote kruissnelheid hebben. sectie voor de interactie van snelle neutronen, bijvoorbeeld op Be, Pb, Mo, Nb en vele andere materialen met Z> 25. Voor berylliumdrempel (n, 2 P) reacties 2,5 MeV; bij 14 MeV 0=0,45 schuur. Hierdoor is het mogelijk om in dekenversies met vloeibaar of keramisch lithium (LiA10 2) dit te bereiken Naar* 1,1+1,2. In het geval dat de reactorkamer wordt omgeven met een uraniumdeken, kan de vermenigvuldiging van neutronen aanzienlijk worden verhoogd als gevolg van splijtingsreacties en (n, 2n), (n, zl) reacties.

Noot 1. De geïnduceerde activiteit van lithium tijdens bestraling met neutronen is vrijwel afwezig, aangezien de resulterende radioactieve isotoop 8 Li (cr-straling met een energie van 12,7 MeV en /-straling met een energie van ~6 MeV) een zeer korte helft heeft. -levensduur - 0,875 s. De lage activering en korte halfwaardetijd van lithium vergemakkelijken de biobescherming van planten.

Noot 2. De activiteit van tritium in de deken van een thermonucleaire DT-reactor bedraagt ​​~*10 6 Ci, dus het gebruik van DT-brandstof sluit de theoretische mogelijkheid van een ongeval op de schaal van enkele procenten van die van Tsjernobyl (de ramp) niet uit. de afgifte bedroeg 510 7 Ci). Het vrijkomen van tritium met de vorming van T 2 0 kan leiden tot radioactieve neerslag, het binnendringen van tritium in het grondwater, reservoirs, levende organismen en planten met ophoping en uiteindelijk in voedselproducten.

De materiaalkeuze en de algehele staat van de fokker is een serieus probleem. Het kweekmateriaal moet zorgen voor een hoog omzettingspercentage van lithium in tritium en een gemakkelijke extractie van dit laatste voor latere overdracht naar het brandstofbereidingssysteem.

De belangrijkste functies van de kweekdeken zijn onder meer: ​​vorming van een plasmakamer; tritiumproductie met coëfficiënt k>i; omzetting van kinetische energie van neutronen in warmte; terugwinning van warmte die in de deken wordt gegenereerd tijdens de werking van een thermonucleaire reactor; stralingsbescherming van het elektromagnetische systeem; biologische bescherming tegen straling.

Een thermonucleaire reactor die D-T-brandstof gebruikt, kan, afhankelijk van het mantelmateriaal, ‘puur’ of hybride zijn. De deken van een “zuivere” thermonucleaire reactor bevat Li, waarin tritium wordt geproduceerd onder invloed van neutronen en de thermonucleaire reactie wordt versterkt van 17,6 MeV naar 22,4 MeV

MeV. In de deken van een hybride (“actieve”) thermonucleaire reactor wordt niet alleen tritium geproduceerd, maar zijn er ook zones waarin afval 2 39Pi wordt geplaatst en 2 39Pi wordt geproduceerd. In dit geval komt er een energie gelijk aan 140 MeV per neutron vrij in de deken. De energie-efficiëntie van een hybride fusiereactor is zes keer hoger dan die van een zuivere. Tegelijkertijd wordt een betere absorptie van thermonucleaire neutronen bereikt, wat de veiligheid van de installatie vergroot. De aanwezigheid van splijtbare radioactieve stoffen creëert echter een stralingsomgeving die vergelijkbaar is met die in kernsplijtingsreactoren.

Rijst. 5.

Er zijn twee zuivere kweekdekenconcepten die gebaseerd zijn op het gebruik van vloeibare tritium-kweekmaterialen, of op het gebruik van vaste lithiumhoudende materialen. Ontwerpopties voor dekens houden verband met het gekozen type koelmiddel (vloeibaar metaal, vloeibaar zout, gas, organisch, water) en de klasse van mogelijke structurele materialen.

In de vloeibare versie van de deken is lithium het koelmiddel en tritium het voortplantingsmateriaal. Het dekengedeelte bestaat uit de eerste wand, een kweekzone (gesmolten lithiumzout, een reflector (staal of wolfraam) en een lichtbeschermingscomponent (bijvoorbeeld titaniumhydride). Het belangrijkste kenmerk van een zelfkoelende lithiumdeken is de afwezigheid van een extra moderator en neutronenvermenigvuldiger In een deken met een vloeibare kweeker kun je de volgende zouten gebruiken: Li 2 BeF 4 (. T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Van de bovengenoemde zouten heeft Li 2 BeF 4 de laagste, maar de hoogste viscositeit Twl. Prospect Pb-Li eutectic en FLiNaBe smelten, die ook als zelfkoeler fungeert. Neutronenvermenigvuldigers in zo'n kweekbak zijn bolvormige Be-korrels met een diameter van 2 mm.

In een deken met een vaste kweekstof wordt lithiumhoudend keramiek als kweekmateriaal gebruikt en dient beryllium als neutronenvermenigvuldiger. De samenstelling van een dergelijke deken omvat elementen als de eerste muur met koelmiddelcollectoren; neutronenbroedzone; tritiumproductiezone; koelkanalen voor tritiumkweek- en voortplantingszones; ijzer-waterbescherming; Dekenbevestigingselementen; leidingen voor de aan- en afvoer van koelvloeistof en tritiumdraaggas. Structurele materialen zijn vanadiumlegeringen en staal van de ferritische of ferritisch-martensitische klasse. Stralingsbescherming is gemaakt van staalplaten. Het gebruikte koelmiddel is heliumgas onder druk yMPa met een inlaattemperatuur van 300 0 en een uitlaatkoelmiddeltemperatuur van 650 0.

De radiochemische taak is het isoleren, zuiveren en terugbrengen van tritium naar de brandstofcyclus. In dit geval is de keuze van functionele materialen voor regeneratiesystemen van brandstofcomponenten (kweekmaterialen) belangrijk. Het kweekmateriaal moet zorgen voor de verwijdering van thermonucleaire fusie-energie, de opwekking van tritium en de effectieve extractie ervan voor daaropvolgende zuivering en transformatie in reactorbrandstof. Voor dit doel is een materiaal met hoge temperatuur-, stralings- en mechanische weerstand vereist. Niet minder belangrijk zijn de diffusie-eigenschappen van het materiaal, die zorgen voor een hoge mobiliteit van tritium en, als gevolg daarvan, een goede efficiëntie van tritiumextractie uit het kweekmateriaal bij relatief lage temperaturen.

De werkende stoffen van de deken kunnen zijn: keramiek Li 4 Si0 4 (of Li 2 Ti0 3) - een reproductiemateriaal en beryllium - een neutronenvermenigvuldiger. Zowel de fokker als beryllium worden gebruikt in de vorm van een laag monodisperse kiezelstenen (korrels met een vorm die bijna bolvormig is). De diameters van Li 4 Si0 4- en Li 2 Ti0 3-korrels variëren in het bereik van respectievelijk 0,2-10,6 mm en ongeveer 8 mm, en berylliumkorrels hebben een diameter van 1 mm. Het aandeel van het effectieve volume van de korrellaag bedraagt ​​63%. Om tritium te reproduceren, wordt de keramische veredelaar verrijkt met de 6 Li-isotoop. Typisch 6 Li-verrijkingsniveau: 40% voor Li 4 Si0 4 en 70% voor Li 2 Ti0 3.

Momenteel wordt lithiummetatitanaat 1L 2 TIu 3 als het meest veelbelovend beschouwd vanwege de relatief hoge snelheid van tritiumafgifte bij relatief lage temperaturen (van 200 tot 400 0), straling en chemische resistentie. Er werd aangetoond dat korrels lithiumtitanaat, verrijkt tot 96% 6 Li onder omstandigheden van intense neutronenbestraling en thermische effecten, het mogelijk maken om gedurende twee jaar met een vrijwel constante snelheid lithium te genereren. Tritium wordt gewonnen uit met neutronen bestraalde keramiek door geprogrammeerde verwarming van het kweekmateriaal in continue pompmodus.

Er wordt aangenomen dat in de nucleaire industrie thermonucleaire fusie-installaties op drie gebieden kunnen worden gebruikt:

• - hybride reactoren waarin de deken splijtbare nucliden bevat (uranium, plutonium), waarvan de splijting wordt gecontroleerd door een krachtige stroom hoogenergetische (14 MeV) neutronen;
• - verbrandingsinitiatoren in subkritische elektronucleaire reactoren;
• - transmutatie van langlevende, voor het milieu gevaarlijke radionucliden met het oog op de opslag van radioactief afval.

De hoge energie van thermonucleaire neutronen biedt geweldige mogelijkheden voor het scheiden van energiegroepen van neutronen voor het verbranden van een specifiek radionuclide in het resonantiegebied van dwarsdoorsneden.