Yu.N. Dnestrovsky - Ph.D. Scienze, Professore, Istituto di Fusione Nucleare,
RRC "Istituto Kurchatov", Mosca, Russia
Atti del Convegno Internazionale
"VIA PER IL FUTURO - SCIENZA, PROBLEMI GLOBALI, SOGNI E SPERANZA"
26–28 novembre 2007 Istituto di matematica applicata. MV Keldysh RAS, Mosca

La fusione termonucleare controllata (CNF) può risolvere il problema energetico a lungo termine? Quale parte del percorso per padroneggiare il TCB è già stata percorsa e quanto resta da fare? Quali difficoltà sono previste per il futuro? Questi problemi sono discussi in questo documento.

1. Prerequisiti fisici per CTS

Le reazioni di fusione nucleare dei nuclei leggeri dovrebbero essere utilizzate per la produzione di energia. Tra le molte reazioni di questo tipo, la reazione più facilmente implementabile è la fusione dei nuclei di deuterio e trizio.

Qui, viene indicato un nucleo di elio stabile (particella alfa), N è un neutrone e l'energia della particella dopo la reazione è indicata tra parentesi, . In questa reazione, l'energia rilasciata per particella con massa di neutroni è di circa 3,5 MeV. Questa è circa 3-4 volte più energia per particella rilasciata durante la fissione dell'uranio.

Quali problemi sorgono quando si cerca di implementare la reazione (1) per ottenere energia?

Il problema principale è che il trizio non esiste in natura. È radioattivo, la sua emivita è approssimativamente pari a 12 anni, quindi, se una volta era in grandi quantità sulla Terra, non ne è rimasto nulla per molto tempo. La quantità di trizio ottenuta sulla Terra per radioattività naturale o per radiazione cosmica è trascurabile. Una piccola quantità di trizio si ottiene nelle reazioni che avvengono all'interno di un reattore nucleare di uranio. Uno dei reattori in Canada organizza la raccolta di tale trizio, ma la sua produzione nei reattori è molto lenta e la produzione risulta essere troppo costosa.

Pertanto, la produzione di energia in un reattore termonucleare basato sulla reazione (1) deve essere accompagnata dalla contemporanea produzione di trizio nello stesso reattore. Come questo può essere fatto sarà discusso di seguito.

Entrambe le particelle, i nuclei di deuterio e trizio, che partecipano alla reazione (1), hanno una carica positiva e quindi si respingono per la forza di Coulomb. Per vincere questa forza, le particelle devono avere una grande energia. La dipendenza della velocità di reazione (1), , dalla temperatura della miscela trizio-deuterio è mostrata in Fig. 1 su una doppia scala logaritmica.

Si può vedere che la probabilità di reazione (1) aumenta rapidamente all'aumentare della temperatura. La velocità di reazione accettabile per un reattore si ottiene a una temperatura T > 10 keV. Se prendiamo in considerazione quei gradi, la temperatura nel reattore dovrebbe superare i 100 milioni di gradi. Tutti gli atomi di una sostanza a tale temperatura devono essere ionizzati e la sostanza stessa in questo stato viene solitamente chiamata plasma. Ricordiamo che secondo le moderne stime, la temperatura al centro del Sole raggiunge "solo" 20 milioni di gradi.

Esistono altre reazioni di fusione, adatte, in linea di principio, alla generazione di energia termonucleare. Qui notiamo solo due reazioni ampiamente discusse in letteratura

Qui c'è un isotopo del nucleo dell'elio con una massa pari a 3, p è un protone (nucleo dell'idrogeno). La reazione (2) è buona perché c'è abbastanza carburante (deuterio) per essa sulla Terra. La tecnologia per separare il deuterio dall'acqua di mare è stata sviluppata ed è relativamente poco costosa. Sfortunatamente, la velocità di questa reazione è notevolmente inferiore alla velocità di reazione (1) (vedi Fig. 1), quindi la reazione (2) richiede una temperatura di circa 500 milioni di gradi.

La reazione (3) sta attualmente suscitando grande entusiasmo tra le persone coinvolte nei voli spaziali. È noto che c'è molto dell'isotopo sulla Luna, quindi la possibilità del suo trasporto sulla Terra è discussa come uno dei compiti prioritari dell'astronautica. Sfortunatamente, anche la velocità di questa reazione (Fig. 1) è notevolmente inferiore, anche le velocità di reazione (1) e le temperature richieste per questa reazione sono al livello di 500 milioni di gradi.

Per contenere il plasma con una temperatura di circa 100 - 500 milioni di gradi, è stato proposto di utilizzare un campo magnetico (I.E. Tamm, A.D. Sakharov). Le più promettenti ora sembrano essere le installazioni in cui il plasma ha la forma di un toro (ciambella). Indichiamo il grande raggio di questo toro con R, e piccolo attraverso un. Per sopprimere i movimenti plasmatici instabili oltre a quelli toroidali (longitudinali) campo magnetico B 0 richiede anche un campo trasversale (poloidale). Esistono due tipi di installazioni in cui viene implementata una tale configurazione magnetica. Nei dispositivi di tipo tokamak, un campo poloidale è creato da una corrente longitudinale I, che scorre nel plasma nella direzione del campo. Nelle installazioni di tipo stellarator, il campo poloidale è creato da avvolgimenti esterni elicoidali portatori di corrente. Ognuna di queste impostazioni ha i suoi vantaggi e svantaggi. In un tokamak, la corrente I deve essere abbinata al campo. Lo stellarator è tecnicamente più complesso. Oggi, le installazioni di tipo tokamak sono più avanzate. Sebbene ci siano anche grandi stellarator che operano con successo.

2. Condizioni per il reattore tokamak

Indichiamo qui solo due condizioni necessarie che determinano la "finestra" nello spazio dei parametri del plasma del tokamak del reattore. Ci sono, ovviamente, molte altre condizioni che riducono questa "finestra", ma non sono ancora così significative.

1). Affinché il reattore sia commercialmente valido (non troppo grande), la potenza specifica P dell'energia rilasciata deve essere sufficientemente grande

Qui n 1 e n 2 sono le densità del deuterio e il trizio è l'energia rilasciata in un atto di reazione (1). La condizione (4) limita le densità n 1 e n 2 dal basso.

2). Affinché il plasma sia stabile, la pressione del plasma deve essere notevolmente inferiore alla pressione del campo magnetico longitudinale Per un plasma con una geometria ragionevole, questa condizione ha la forma

Per un dato campo magnetico, questa condizione limita la densità del plasma e la temperatura dall'alto. Se la reazione richiede un aumento della temperatura (ad esempio, dalla reazione (1) alle reazioni (2) o (3)), per soddisfare la condizione (5), è necessario aumentare il campo magnetico.

Quale campo magnetico è necessario per implementare il CTS? Consideriamo prima una reazione di tipo (1). Assumiamo per semplicità che n 1 = n 2 = n /2 , dove n è la densità del plasma. Quindi alla condizione di temperatura (1) si ottiene

Usando la condizione (5), troviamo il limite inferiore per il campo magnetico

Nella geometria toroidale, il campo magnetico longitudinale diminuisce come 1/r quando ci si allontana dall'asse principale del toro. Il campo è il campo al centro della sezione meridionale del plasma. Sul contorno interno del toro, il campo sarà più ampio. Con proporzioni

R/ un~ 3 il campo magnetico all'interno delle bobine del campo toroidale risulta essere 2 volte maggiore. Pertanto, per soddisfare le condizioni (4-5), le bobine di campo longitudinale devono essere realizzate con un materiale in grado di operare in un campo magnetico dell'ordine di 13-14 Tesla.

Per il funzionamento stazionario del reattore tokamak, i conduttori nelle bobine devono essere realizzati in materiale superconduttore. Alcune proprietà dei moderni superconduttori sono mostrate in Fig.2.

Attualmente nel mondo sono stati costruiti diversi tokamak con avvolgimenti superconduttori. Il primissimo tokamak di questo tipo (T-7 tokamak), costruito in URSS negli anni settanta, utilizzava il niobio-titanio (NbTi) come superconduttore. Lo stesso materiale è stato utilizzato nel grande tokamak francese Tore Supra (metà anni '80). Si può vedere dalla Fig. 2 che alla temperatura dell'elio liquido il campo magnetico in un tokamak con un tale superconduttore può raggiungere 4 Tesla. Per il reattore tokamak internazionale ITER si è deciso di utilizzare un superconduttore niobio-stagno dalle grandi potenzialità, ma anche con una tecnologia più sofisticata. Questo superconduttore viene utilizzato nell'installazione russa del T-15 lanciata nel 1989. Si può vedere dalla Fig. 2 che in ITER ad una temperatura dell'elio dell'ordine di grandezza, il campo magnetico nel plasma con un ampio margine può raggiungere i valori di campo richiesti di 6 Tesla.

Per le reazioni (2) e (3), le condizioni (4)–(5) risultano essere molto più stringenti. Per soddisfare la condizione (4), la temperatura del plasma nel reattore T deve essere 4 volte superiore e la densità del plasma n 2 volte superiore rispetto al reattore in base alla reazione (1). Di conseguenza, la pressione del plasma aumenta di un fattore 8 e l'intensità del campo magnetico richiesta di un fattore 2,8. Ciò significa che il campo magnetico sul superconduttore dovrebbe raggiungere valori di 30 Tesla. Finora, nessuno ha lavorato con tali campi su larga scala modalità stazionaria. La figura 2 mostra che c'è speranza di creare un superconduttore per un tale campo in futuro. Tuttavia, al momento, le condizioni (4)-(5) per reazioni del tipo (2)-(3) non possono essere implementate in un'installazione tokamak.

3. Produzione di trizio

In un reattore tokamak, la camera con il plasma deve essere circondata da uno spesso strato di materiali che proteggano gli avvolgimenti del campo toroidale dalla distruzione della superconduttività da parte dei neutroni. Tale strato, spesso circa un metro, era chiamato coperta. Qui, nella coperta, dovrebbe essere rimosso il calore rilasciato dai neutroni durante la decelerazione. In questo caso, parte dei neutroni può essere utilizzata per produrre trizio all'interno della coperta. La reazione nucleare più adatta per un tale processo è la reazione successiva, che procede con il rilascio di energia

Qui c'è un isotopo di litio con una massa di 6. Poiché il neutrone è una particella neutra, non c'è barriera di Coulomb e la reazione (8) può procedere con un'energia del neutrone molto inferiore a 1 MeV. Per una produzione efficiente di trizio, il numero di reazioni di tipo (8) deve essere sufficientemente grande e per questo deve esserci gran numero neutroni che reagiscono. Per aumentare il numero di neutroni, i materiali in cui si verificano le reazioni di moltiplicazione dei neutroni dovrebbero essere collocati qui nella coperta. Poiché l'energia dei neutroni primari prodotti nella reazione (1) è alta (14 MeV) e la reazione (8) richiede neutroni a bassa energia, allora, in linea di principio, il numero di neutroni nella coperta può essere aumentato di un fattore di 10–15, e quindi , chiudere il bilancio del trizio: per ogni evento di reazione (1) ottenere uno o più eventi di reazione (8). Questo equilibrio può essere realizzato nella pratica? La risposta a questa domanda richiede esperimenti e calcoli dettagliati. Il reattore ITER non è tenuto a dotarsi di combustibile, ma verranno effettuati esperimenti su di esso per chiarire il problema dell'equilibrio del trizio.

Quanto trizio è necessario per far funzionare il reattore? Semplici stime mostrano che un reattore con una potenza termica di 3 GW (potenza elettrica dell'ordine di 1 GW) richiederebbe 150 kg di trizio all'anno. Questo è circa una volta in meno rispetto al peso dell'olio combustibile richiesto lavoro annuale centrale termica di pari capacità.

In virtù della (8), il "combustibile" primario per il reattore è l'isotopo di litio. Ce n'è molto in natura? Il litio naturale contiene due isotopi

Si può notare che il contenuto dell'isotopo nel litio naturale è piuttosto elevato. Le riserve di litio sulla Terra all'attuale livello di consumo energetico dureranno per diverse migliaia di anni e nell'oceano per decine di milioni di anni. Le stime basate sulle formule (8)-(9) mostrano che il litio naturale deve essere estratto 50-100 volte di più del trizio. Pertanto, per un reattore con la capacità discussa, saranno necessarie 15 tonnellate di litio naturale all'anno. Questo è 10 5 volte inferiore alla quantità di olio combustibile necessaria per una centrale termica. Sebbene sia necessaria un'energia significativa per la separazione degli isotopi nel litio naturale, l'energia aggiuntiva rilasciata nella reazione (8) può compensare questi costi.

4. Storia breve ricerca su TCB

Storicamente, il rapporto segreto di I.E. Tamm e A.D. Sakharov, pubblicato nel marzo-aprile 1950, è considerato il primo studio sulla CTS nel nostro paese. Fu pubblicato più tardi nel 1958 . Il rapporto conteneva una panoramica delle idee principali per il confinamento del plasma caldo da parte di un campo magnetico in una struttura toroidale e una stima delle dimensioni di un reattore termonucleare. Sorprendentemente, il tokamak ITER attualmente in costruzione è vicino nei suoi parametri alle previsioni del Rapporto storico.

Gli esperimenti con il plasma caldo iniziarono in URSS nei primi anni Cinquanta. All'inizio si trattava di piccole installazioni tipi diversi, rettilineo e toroidale, ma già a metà del decennio il lavoro congiunto di sperimentatori e teorici portò a installazioni chiamate "tokamak". Di anno in anno, le dimensioni e la complessità degli impianti aumentavano e nel 1962 fu lanciata l'installazione T-3 con dimensioni R = 100 cm, a = 20 cm e un campo magnetico fino a quattro Tesla. L'esperienza accumulata in un decennio e mezzo ha dimostrato che in una configurazione con una camera metallica, pareti ben pulite e un alto vuoto (fino a mm Hg), si può ottenere plasma pulito e stabile con un'elevata temperatura degli elettroni. LA Artsimovich ha riferito su questi risultati alla Conferenza Internazionale sulla Fisica del Plasma e CTS nel 1968 a Novosibirsk. Successivamente, la direzione dei tokamak è stata riconosciuta dalla comunità scientifica mondiale e in molti paesi hanno cominciato a essere costruite installazioni di questo tipo.

I tokamak di seconda generazione (T-10 in URSS e PLT negli USA) iniziarono a lavorare con il plasma nel 1975. Hanno mostrato che le speranze generate dai tokamak di prima generazione vengono confermate. E nei tokamak di grandi dimensioni è possibile lavorare con plasma stabile e caldo. Tuttavia, anche allora divenne chiaro che era impossibile creare un reattore di piccole dimensioni e che la dimensione del plasma doveva essere aumentata.

La progettazione dei tokamak di terza generazione ha richiesto circa cinque anni e la loro costruzione è iniziata alla fine degli anni settanta. Nel decennio successivo furono successivamente messi in funzione e nel 1989 operavano 7 grandi tokamak: TFTR e DIII - D negli USA, JET (il più grande) nell'Europa unita, ASDEX - U in Germania, TORE - SUPRA in Francia, JT 60-U in Giappone e T-15 in URSS. Queste strutture sono state utilizzate per ottenere la temperatura e la densità del plasma richieste per il reattore. Naturalmente, mentre sono stati ottenuti separatamente, separatamente per la temperatura e separatamente per la densità. Gli impianti TFTR e JET hanno consentito di lavorare con il trizio, e per la prima volta su di essi è stata ottenuta una potenza termonucleare P DT apprezzabile (secondo la reazione (1)), paragonabile alla potenza esterna P aux introdotta nel plasma. La potenza massima P DT presso l'impianto JET negli esperimenti del 1997 ha raggiunto 16 MW con una potenza P aux di circa 25 MW. Sezione dell'installazione JET e vista interna fotocamera è mostrata in Fig. 3 bis, b. Qui, per confronto, vengono mostrate le dimensioni di una persona.

Proprio all'inizio degli anni '80, un gruppo internazionale di scienziati (Russia, USA, Europa, Giappone) iniziò a lavorare insieme per progettare il tokamak di prossima (quarta) generazione, il reattore INTOR. In questa fase, il compito era quello di esaminare i "colli di bottiglia" della futura installazione senza creare un progetto completo. Tuttavia, a metà degli anni '80, divenne chiaro che doveva essere stabilito un compito più completo, inclusa la creazione di un progetto. Su suggerimento di E.P. Velikhov, dopo lunghe trattative a livello di leader di stato (M.S. Gorbachev e R. Reagan), nel 1988 fu firmato l'Accordo e iniziarono i lavori sul progetto del reattore tokamak ITER. I lavori si sono svolti in tre fasi con interruzioni e, in totale, sono durati 13 anni. La stessa storia diplomatica del progetto ITER è drammatica, ha portato più di una volta a vicoli ciechi e merita una descrizione a parte (vedi, ad esempio, il libro). Formalmente, il progetto è stato completato nel luglio 2000, ma era ancora necessario selezionare un sito per la costruzione e sviluppare il Contratto di costruzione e la Carta ITER. In tutto ci sono voluti quasi 6 anni e finalmente, nel novembre 2006, è stato firmato l'Accordo sulla costruzione di ITER nel sud della Francia. La costruzione stessa dovrebbe durare circa 10 anni. Passeranno così circa 30 anni dall'inizio delle trattative alla produzione del primo plasma nel reattore termonucleare ITER. Questo è già paragonabile al tempo della vita attiva di una persona. Queste sono le realtà del progresso.

In termini di dimensioni lineari, ITER è circa il doppio della struttura JET. Secondo il progetto, il campo magnetico al suo interno = 5,8 Tesla e la corrente I = 12-14 MA. Si presume che la potenza termonucleare raggiunga il valore immesso nel plasma per il riscaldamento, che sarà dell'ordine di 10.

5. Sviluppo di mezzi per il riscaldamento al plasma.

Parallelamente alla crescita delle dimensioni del tokamak, è stata sviluppata la tecnologia dei mezzi di riscaldamento al plasma. Attualmente sono in uso tre diversi metodi di riscaldamento:

Riscaldamento ohmico di un plasma da parte di una corrente che lo attraversa.
Riscaldamento mediante fasci di particelle neutre calde di deuterio o trizio.
Riscaldamento mediante onde elettromagnetiche in diverse gamme di frequenza.

Il riscaldamento del plasma ohmico in un tokamak è sempre presente, ma è insufficiente per il riscaldamento a temperature termonucleari dell'ordine di 10–15 keV (100–150 milioni di gradi). Il fatto è che con il riscaldamento degli elettroni, la resistenza del plasma diminuisce rapidamente (inversamente proporzionale a ), quindi, a corrente fissa, diminuisce anche la potenza in ingresso. A titolo di esempio, segnaliamo che nella struttura JET con una corrente di 3–4 MA, è possibile riscaldare il plasma solo fino a ~ 2–3 keV. Allo stesso tempo, la resistenza del plasma è così bassa che una corrente di diversi milioni di ampere (MA) viene mantenuta da una tensione di 0,1 - 0,2 V.

Gli iniettori a raggi neutri caldi sono apparsi per la prima volta nell'impianto PLT americano nel 1976-77 e da allora hanno fatto molta strada. Ora un tipico iniettore ha un fascio di particelle con un'energia di 80 - 150 keV e una potenza fino a 3 - 5 MW. Su un'installazione di grandi dimensioni, vengono solitamente installati fino a 10 - 15 iniettori di diversa potenza. La potenza totale del raggio catturata dal plasma raggiunge 25 – 30 MW. Questo è paragonabile alla capacità di una piccola centrale termica. In ITER è prevista l'installazione di iniettori con energia particellare fino a 1 MeV e potenza totale fino a 50 MW. Non ci sono ancora tali fasci, ma è in corso uno sviluppo intensivo. Il Giappone si è assunto la responsabilità di questi sviluppi nell'accordo ITER.

Si ritiene ora che il riscaldamento del plasma mediante onde elettromagnetiche sia efficace in tre gamme di frequenza:

riscaldamento degli elettroni alla loro frequenza di ciclotrone f ~ 170 GHz;
riscaldamento di ioni ed elettroni alla frequenza del ciclotrone ionico f ~ 100 MHz;
riscaldamento a frequenza intermedia (ibrida inferiore) f ~ 5 GHz.

Per le ultime due gamme di frequenza esistono da tempo potenti sorgenti di radiazioni e il problema principale qui sta nel corretto abbinamento delle sorgenti (antenne) con il plasma per ridurre gli effetti della riflessione d'onda. In un certo numero di grandi installazioni, grazie all'elevata abilità degli sperimentatori, è stato possibile immettere nel plasma fino a 10 MW di potenza in questo modo.

Per la prima gamma di frequenza più alta, il problema consisteva inizialmente nello sviluppo di potenti sorgenti di radiazioni con una lunghezza d'onda l ~ 2 mm. Il pioniere qui è stato l'Istituto di Fisica Applicata di Nizhny Novgorod. Per mezzo secolo di lavoro mirato, è stato possibile creare sorgenti di radiazioni (girotroni) con una potenza fino a 1 MW in modalità stazionaria. Sono questi gli strumenti che verranno installati presso ITER. Nei girotroni, la tecnologia è stata portata al livello dell'arte. Il risonatore in cui le onde sono eccitate da un fascio di elettroni ha dimensioni dell'ordine di 20 cm e la lunghezza d'onda richiesta è 10 volte più piccola. Pertanto, è necessario investire in modo risonante fino al 95% della potenza in un'armonica spaziale molto elevata e in tutte le altre insieme - non più del 5%. In uno dei girotroni per ITER, viene utilizzata come armonica selezionata un'armonica con numeri (numero di nodi) lungo il raggio = 25 e lungo l'angolo = 10. Per estrarre la radiazione dal girotrone, un disco di diamante policristallino di 1,85 mm di spessore e 106 mm di diametro viene utilizzato come finestra. Pertanto, per risolvere il problema del riscaldamento del plasma, è stato necessario sviluppare la produzione di diamanti artificiali giganti.

6. Diagnostica

Ad una temperatura del plasma di 100 milioni di gradi, nessun dispositivo di misurazione può essere inserito nel plasma. Evaporerà, non avendo il tempo di trasmettere informazioni ragionevoli. Pertanto, tutte le misurazioni sono indirette. Vengono misurate le correnti, i campi e le particelle al di fuori del plasma, quindi, con l'ausilio di modelli matematici, vengono interpretati i segnali registrati.

Cosa viene effettivamente misurato?

Prima di tutto, si tratta di correnti e tensioni nei circuiti che circondano il plasma. Le sonde locali misurano i campi elettrici e magnetici al di fuori del plasma. Il numero di tali sonde può raggiungere diverse centinaia. Da queste misurazioni, risolvendo problemi inversi, è possibile ricostruire la forma del plasma, la sua posizione nella camera e l'entità della corrente.

Entrambi i metodi attivi e passivi vengono utilizzati per misurare la temperatura e la densità del plasma. Un metodo attivo è inteso come un metodo in cui una qualsiasi radiazione (ad esempio un raggio laser o un raggio di particelle neutre) viene iniettata nel plasma e viene misurata la radiazione diffusa, che trasporta informazioni sui parametri del plasma. Una delle difficoltà del problema è che, di regola, solo una piccola frazione della radiazione iniettata viene dispersa. Pertanto, quando si utilizza un laser per misurare la temperatura e la densità degli elettroni, viene disperso solo il 10 -10 dell'energia dell'impulso laser. Quando un raggio neutro viene utilizzato per misurare la temperatura ionica, vengono misurate l'intensità, la forma e la posizione delle linee ottiche che appaiono durante lo scambio di carica degli ioni plasma ai neutri del raggio. L'intensità di queste righe è molto bassa e sono necessari spettrometri ad alta sensibilità per analizzarne la forma.

I metodi passivi sono intesi come metodi che misurano la radiazione costantemente emessa dal plasma. In questo caso si misura radiazioni elettromagnetiche in diverse gamme di frequenza o flussi e spettri di particelle neutre in uscita. Ciò include misurazioni di raggi X duri e morbidi, ultravioletti, misurazioni nelle gamme ottiche, infrarosse e radio. Interessanti sono sia le misurazioni degli spettri che le posizioni e le forme delle singole linee. Il numero di canali spaziali nella diagnostica individuale raggiunge diverse centinaia. La frequenza di registrazione del segnale raggiunge diversi MHz. Ogni installazione che si rispetti ha un set di 25-30 diagnostiche. Al reattore tokamak ITER, solo nella fase iniziale, dovrebbe avere diverse dozzine di diagnostiche passive e attive.

7. Modelli matematici del plasma

Compiti modellazione matematica i plasmi possono essere approssimativamente divisi in due gruppi. Il primo gruppo comprende i problemi di interpretazione dell'esperimento. Di solito sono errati e richiedono lo sviluppo di metodi di regolarizzazione. Ecco alcuni esempi di problemi in questo gruppo.

Ricostruzione del confine del plasma da misurazioni magnetiche (sonda) di campi esterni al plasma. Questo problema porta a equazioni integrali di Fredholm del primo tipo oa sistemi algebrici lineari fortemente degenerati.
Elaborazione di misure di accordi. Veniamo qui alle equazioni integrali del primo tipo di tipo misto Volterra-Fredholm.
Elaborazione di misure di righe spettrali. Qui è necessario prendere in considerazione le funzioni strumentali e arriviamo di nuovo alle equazioni integrali di Fredholm del primo tipo.
Elaborazione di segnali temporali rumorosi. Qui vengono utilizzate varie decomposizioni spettrali (Fourier, anni d'onda), calcoli di correlazioni di vari ordini.
Analisi degli spettri delle particelle. Qui abbiamo a che fare con equazioni integrali non lineari del primo tipo.

Le figure seguenti illustrano alcuni degli esempi precedenti. La figura 4 mostra il comportamento temporale dei segnali soft. radiazioni a raggi X presso la struttura MAST (Inghilterra), misurata lungo le corde con rivelatori collimati.

La diagnostica installata registra oltre 100 di questi segnali. I picchi acuti sulle curve corrispondono a rapidi movimenti interni ("rotture") del plasma. La struttura bidimensionale di tali movimenti può essere trovata utilizzando l'elaborazione tomografica un largo numero segnali.

La Figura 5 mostra la distribuzione spaziale della pressione elettronica per due impulsi dalla stessa configurazione MAST.

Gli spettri di radiazione diffusa del raggio laser sono misurati in 300 punti lungo il raggio. Ogni punto in Fig.5 è il risultato di una complessa elaborazione dello spettro energetico dei fotoni registrati dai rivelatori. Poiché solo una piccola parte dell'energia del raggio laser viene dispersa, il numero di fotoni nello spettro è piccolo e la ricostruzione della temperatura dall'ampiezza dello spettro risulta essere un problema errato.

Il secondo gruppo include i problemi reali dei processi di modellazione che si verificano nel plasma. Il plasma caldo in un tokamak ha un gran numero di tempi caratteristici, il cui estremo differisce di 12 ordini di grandezza. Pertanto, è vano aspettarsi che possano essere creati modelli contenenti "tutti" i processi al plasma. Dobbiamo utilizzare modelli validi solo in una fascia abbastanza ristretta di tempi caratteristici.

I modelli principali includono:

Descrizione girocinetica del plasma. Qui, l'incognita è la funzione di distribuzione ionica, che dipende da sei variabili: tre coordinate spaziali nella geometria toroidale, velocità longitudinale e trasversale e tempo. Per descrivere gli elettroni in tali modelli, vengono utilizzati metodi di media. Codici giganti sono stati sviluppati in numerosi centri stranieri per risolvere questo problema. Il calcolo da parte loro richiede molto tempo sui supercomputer. Non ci sono codici del genere in Russia ora, nel resto del mondo ce ne sono circa una dozzina. Attualmente, i codici girocinetici descrivono i processi plasmatici nell'intervallo di tempo 10 -5 -10 -2 sec. Ciò include lo sviluppo di instabilità e il comportamento della turbolenza del plasma. Sfortunatamente, questi codici non forniscono ancora un quadro ragionevole del trasporto nel plasma. Il confronto dei risultati dei calcoli con l'esperimento è ancora nella fase iniziale.
Descrizione magnetoidrodinamica (MHD) del plasma. In quest'area, alcuni centri hanno creato codici per modelli tridimensionali linearizzati. Sono usati per studiare la stabilità del plasma. Di norma si cercano i confini delle instabilità nello spazio dei parametri e degli incrementi. Parallelamente, sono in fase di sviluppo codici non lineari.

Si noti che l'atteggiamento dei fisici nei confronti delle instabilità plasmatiche è notevolmente cambiato negli ultimi 2 decenni. Negli anni '50 e '60 furono scoperte instabilità plasmatiche "quasi ogni giorno". Ma nel tempo è diventato chiaro che solo alcuni di essi portano alla distruzione parziale o completa del plasma, mentre il resto aumenta solo (o non aumenta) il trasferimento di energia e particelle. L'instabilità più pericolosa, che porta alla completa distruzione del plasma, è chiamata "instabilità di stallo" o semplicemente "stallo". Non è lineare e si sviluppa quando modalità MHD lineari più elementari associate a singole superfici risonanti si intersecano nello spazio e, quindi, distruggono le superfici magnetiche. I tentativi di descrivere il processo di scomposizione hanno portato alla creazione di codici non lineari. Sfortunatamente, finora nessuno di loro è in grado di descrivere il quadro della distruzione del plasma.

Nel plasma degli esperimenti odierni, oltre all'instabilità dello stallo, un piccolo numero di instabilità è considerato pericoloso. Qui ne nomineremo solo due. Si tratta della cosiddetta modalità RWM, associata alla conduttività finita delle pareti della camera e all'attenuazione delle correnti in essa contenute che stabilizzano il plasma, e la modalità NTM, associata alla formazione di isole magnetiche su superfici magnetiche risonanti. Ad oggi, sono stati creati diversi codici MHD 3D in geometria toroidale per studiare questi tipi di perturbazioni. Ci sono ricerche attive di metodi per sopprimere queste instabilità, sia nella fase iniziale che nella fase di turbolenza sviluppata.

Descrizione del trasporto nel plasma, conducibilità termica e diffusione. Circa quarant'anni fa fu creata la teoria classica (basata su collisioni di coppie di particelle) del trasporto in un plasma toroidale. Questa teoria è stata chiamata "neoclassica". Tuttavia, già alla fine degli anni '60, gli esperimenti hanno dimostrato che il trasferimento di energia e particelle nel plasma è molto maggiore di quello neoclassico (di 1-2 ordini di grandezza). Su questa base, il trasporto ordinario nel plasma sperimentale è chiamato "anomalo".

Sono stati fatti molti tentativi per descrivere il trasporto anomalo attraverso lo sviluppo di cellule turbolente nel plasma. Il modo consueto, adottato nell'ultimo decennio in molti laboratori in tutto il mondo, è il seguente. Si presume che la ragione principale del trasporto anomalo siano instabilità di tipo drift associate a gradienti di temperatura di ioni ed elettroni o alla presenza di particelle intrappolate nella geometria toroidale del plasma. I risultati dei calcoli per tali codici portano all'immagine seguente. Se i gradienti di temperatura superano un certo valore critico, l'instabilità in via di sviluppo porta a turbolenze plasmatiche e un forte aumento dei flussi di energia. Si presume che questi flussi crescano in proporzione alla distanza (in alcune metriche) tra i gradienti sperimentali e critici. In questo modo, nell'ultimo decennio, sono stati costruiti diversi modelli di trasporto per descrivere il trasferimento di energia nel plasma del tokamak. Tuttavia, i tentativi di confrontare i calcoli basati su questi modelli con gli esperimenti non portano sempre al successo. Per descrivere gli esperimenti, si deve presumere che in diverse modalità di scarica e in diversi punti spaziali della sezione d'urto del plasma, diverse instabilità giocano il ruolo principale nel trasferimento. Di conseguenza, la previsione non è sempre affidabile.

La questione è ulteriormente complicata dal fatto che nell'ultimo quarto di secolo sono stati scoperti molti segni di "auto-organizzazione" plasmatica. Un esempio di tale effetto è mostrato in Fig. 6a, b.

La Figura 6a mostra i profili di densità del plasma n(r) per due scariche MAST con le stesse correnti e campi magnetici, ma con diverse portate di gas deuterio per mantenere la densità. Qui r è la distanza di asse centrale Torah. Si può notare che i profili di densità differiscono notevolmente nella loro forma. La Figura 6b per gli stessi impulsi mostra i profili di pressione degli elettroni normalizzati nel punto: il profilo della temperatura degli elettroni. Si può notare che le “ali” dei profili di pressione coincidono bene. Ne consegue che i profili di temperatura degli elettroni sembrano "regolarsi" per rendere uguali i profili di pressione. Ma questo significa che i coefficienti di trasferimento sono “aggiustati”, cioè non sono funzioni dei parametri plasmatici locali. Tale quadro nel suo insieme è chiamato auto-organizzazione. La discrepanza tra i profili di pressione nella parte centrale è spiegata dalla presenza di oscillazioni periodiche MHD nella zona centrale dello scarico a densità maggiore. I profili di pressione sulle ali coincidono, nonostante questa non stazionarietà.

Nel nostro lavoro si assume che l'effetto di autorganizzazione sia determinato dall'azione simultanea di molte instabilità. È impossibile individuare la principale instabilità tra di loro, quindi la descrizione del trasferimento dovrebbe essere associata ad alcuni principi variazionali che si realizzano nel plasma a causa di processi dissipativi. Come tale principio, si propone di utilizzare il principio della minima energia magnetica proposto da Kadomtsev. Questo principio permette di distinguere alcuni particolari profili di corrente e di pressione, comunemente detti canonici. Nei modelli di trasporto, svolgono lo stesso ruolo dei gradienti critici. I modelli costruiti lungo questo percorso consentono di descrivere ragionevolmente i profili sperimentali di temperatura e densità del plasma in diverse modalità operative del tokamak.

8. Via al futuro. Speranze e sogni.

Per oltre mezzo secolo di ricerca sul plasma caldo, è stata coperta una parte significativa del percorso verso un reattore termonucleare. Al momento, l'uso di installazioni di tipo tokamak per questo scopo sembra essere il più promettente. Parallelamente, sebbene con un ritardo di 10-15 anni, si sta sviluppando la direzione degli stellarators. Non si può ora dire quale di queste installazioni alla fine si rivelerà più adatta per un reattore commerciale. Questo può essere deciso solo in futuro.

I progressi della ricerca sulla CTS dagli anni '60 sono mostrati in Fig. 7 su una doppia scala logaritmica.

I principali problemi legati all'implementazione delle reazioni termonucleari

In un reattore a fusione, la reazione di fusione deve essere lenta e deve essere possibile controllarla. Lo studio delle reazioni che si verificano nel plasma di deuterio ad alta temperatura è base teorica ottenere reazioni termonucleari artificiali controllate. La difficoltà principale è mantenere le condizioni necessarie per ottenere una reazione termonucleare autosufficiente. Per tale reazione, è necessario che la velocità di rilascio di energia nel sistema in cui si verifica la reazione non sia inferiore alla velocità di rimozione di energia dal sistema. A temperature dell'ordine di 10 8 K, le reazioni termonucleari in un plasma di deuterio hanno un'intensità notevole e sono accompagnate dal rilascio di grande energia. In un'unità di volume del plasma, quando i nuclei di deuterio sono combinati, viene rilasciata una potenza di 3 kW/m 3 . A temperature dell'ordine di 10 6 K, la potenza è di soli 10 -17 W/m 3 .

Ma come utilizzare praticamente l'energia rilasciata? Durante la sintesi del deuterio con il triterio, la parte principale dell'energia rilasciata (circa l'80%) si manifesta sotto forma di energia cinetica dei neutroni. Se questi neutroni vengono rallentati al di fuori della trappola magnetica, è possibile ottenere calore e quindi convertito in energia elettrica. Durante la reazione di fusione nel deuterio, circa 2/3 dell'energia rilasciata viene trasportata da particelle cariche - prodotti di reazione e solo 1/3 dell'energia sono neutroni. MA energia cinetica le particelle cariche possono essere convertite direttamente in energia elettrica.

Quali condizioni sono necessarie per l'implementazione delle reazioni di sintesi? In queste reazioni, i nuclei devono combinarsi tra loro. Ma ogni nucleo è caricato positivamente, il che significa che tra di loro agiscono forze repulsive, che sono determinate dalla legge di Coulomb:

Dove Z 1 e è la carica di un nucleo, Z 2 e è la carica del secondo nucleo ed e è il modulo di carica dell'elettrone. Per connettersi tra loro, i nuclei devono superare le forze repulsive di Coulomb. Queste forze diventano molto grandi man mano che i nuclei si avvicinano. Le forze repulsive più piccole saranno nel caso di nuclei di idrogeno con la carica più piccola (Z=1). Per superare le forze repulsive di Coulomb e connettersi, i nuclei devono avere un'energia cinetica di circa 0,01 - 0,1 MeV. Tale energia corrisponde ad una temperatura dell'ordine di 10 8 - 10 9 K. E questa è più della temperatura anche nelle viscere del Sole! A causa del fatto che le reazioni di fusione si verificano a temperature molto elevate, sono chiamate termonucleari.

Le reazioni termonucleari possono essere una fonte di energia se il rilascio di energia supererà i costi. Allora, come si suol dire, il processo di sintesi sarà autosufficiente.

La temperatura alla quale ciò si verifica è chiamata temperatura di accensione o temperatura critica. Per la reazione DT (deuterio - triterio), la temperatura di accensione è di circa 45 milioni di K e per la reazione DD (deuterio - deuterio), di circa 400 milioni di K. Pertanto, le reazioni DT richiedono temperature molto inferiori rispetto alle reazioni DD. Pertanto, i ricercatori del plasma preferiscono le reazioni DT, sebbene il trizio non sia presente in natura e devono essere create condizioni speciali per la sua riproduzione in un reattore termonucleare.

Come mantenere il plasma in una sorta di installazione - un reattore termonucleare - e riscaldarlo in modo che inizi il processo di fusione? Le perdite di energia nel plasma ad alta temperatura sono principalmente associate alla fuoriuscita di calore attraverso le pareti del dispositivo. Il plasma deve essere quindi isolato dalle pareti. A tale scopo vengono utilizzati forti campi magnetici (isolamento termico magnetico del plasma). Se un grande elettricità, quindi nel campo magnetico di questa corrente sorgono forze che comprimono il plasma in un filamento di plasma staccato dalle pareti. Mantenere il plasma separato dalle pareti e combattere varie instabilità plasmatiche sono i problemi più complessi, la cui soluzione dovrebbe portare all'attuazione pratica di reazioni termonucleari controllate.

È chiaro che maggiore è la concentrazione di particelle, più spesso si scontrano tra loro. Pertanto, può sembrare che per l'implementazione di reazioni termonucleari sia necessario utilizzare un plasma ad alta concentrazione di particelle. Tuttavia, se la concentrazione di particelle è la stessa della concentrazione di molecole nei gas in condizioni normali (10 25 m -3), a temperature termonucleari la pressione nel plasma sarebbe colossale - circa 10 12 Pa. Nessun dispositivo tecnico può resistere a tale pressione! Affinché la pressione sia dell'ordine di 10 6 Pa e corrisponda alla forza del materiale, il plasma termonucleare deve essere altamente rarefatto (la concentrazione delle particelle deve essere dell'ordine di 10 21 m -3). in un plasma rarefatto, le collisioni delle particelle tra loro si verificano meno frequentemente. Affinché una reazione termonucleare possa essere mantenuta in queste condizioni, è necessario aumentare il tempo di permanenza delle particelle nel reattore. A questo proposito, la capacità di tenuta della trappola è caratterizzata dal prodotto della concentrazione n di particelle per il tempo t della loro ritenzione nella trappola.

Si scopre che per la reazione DD

nt>10 22 m -3. Insieme a,

e per la reazione DT

nt>10 20 m -3. Insieme a.

Ciò mostra che per la reazione DD a n=10 21 m -3 il tempo di ritenzione deve essere maggiore di 10 s; se n=10 24 m -3 , allora è sufficiente che il tempo di ritenzione superi 0,1 s.

Per una miscela di deuterio e trizio a n=10 21 m -3, può iniziare una reazione di fusione termonucleare se il tempo di confinamento del plasma è maggiore di 0,1 s, e a n=10 24 m -3 è sufficiente che questo tempo sia maggiore di 10 -4 s. Pertanto, nelle stesse condizioni, il tempo di ritenzione richiesto della reazione DT può essere significativamente inferiore rispetto alle reazioni DD. In questo senso, la reazione DT è più facile da eseguire rispetto alla reazione DD.

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Sicurezza energetica della Russia

Il campo della fisica del plasma è nato dal desiderio di imbottigliare una stella. Negli ultimi decenni, il campo è cresciuto in innumerevoli direzioni, dall'astrofisica alla meteorologia spaziale alla nanotecnologia.

Man mano che la nostra comprensione generale del plasma è cresciuta, è cresciuta anche la nostra capacità di mantenere le condizioni di fusione per più di un secondo. All'inizio di quest'anno, un nuovo reattore a fusione superconduttore in Cina è stato in grado di contenere un plasma a 50 milioni di gradi Celsius per un record di 102 secondi. Il Wendelstein X-7 Stellarator, che è stato lanciato per la prima volta in Germania lo scorso autunno, dovrebbe battere quel record e mantenere il plasma per un massimo di 30 minuti alla volta.

Il recente aggiornamento di NSTX-U sembra modesto rispetto a questi mostri: l'esperimento ora può trattenere il plasma per cinque secondi invece di uno. Ma anche questo è un traguardo importante.

"La creazione di un plasma di fusione che vive solo per cinque secondi potrebbe non sembrare un processo molto lungo, ma nella fisica del plasma, cinque secondi possono essere paragonati alla sua fisica in uno stato stabile", afferma Myers, riferendosi alle condizioni in cui un plasma è stabile. L'obiettivo finale è raggiungere uno stato stabile di "plasma in fiamme" in grado di condurre la fusione da solo con un piccolo apporto di energia dall'esterno. Nessun esperimento ha ancora raggiunto questo obiettivo.

NSTX-U consentirà ai ricercatori di Princeton di colmare alcune delle lacune tra ciò che è noto ora dalla fisica del plasma e ciò che sarà necessario per creare un impianto pilota in grado di ottenere una combustione in stato stazionario e generare elettricità pulita.

Da un lato, per trovare i migliori materiali di contenimento, dobbiamo capire meglio cosa succede tra il plasma di fusione e le pareti del reattore. Princeton sta esplorando la possibilità di sostituire le pareti del suo reattore (realizzate in grafite di carbonio) con una "parete" di litio liquido al fine di ridurre la corrosione a lungo termine.

Inoltre, gli scienziati ritengono che se la fusione aiuta nella lotta contro il riscaldamento globale, devono sbrigarsi. NSTX-U aiuterà i fisici a decidere se continuare a sviluppare il design del tokamak sferico. La maggior parte dei reattori di tipo tokamak ha una forma meno simile a una mela e più simile a una ciambella, un bagel o un toro. La forma insolita del toro sferico consente un uso più efficiente del campo magnetico delle sue bobine.

"A lungo termine, vorremmo capire come ottimizzare la configurazione di una di queste macchine", afferma Martin Greenwald, direttore associato del Center for Plasma and Fusion Sciences presso . "Per farlo, devi sapere in che modo le prestazioni della macchina dipendono da qualcosa che puoi controllare, come la forma."

Myers odia giudicare quanto siamo lontani dall'energia di fusione commercialmente possibile e può essere compreso. Dopo tutto, decenni di inevitabile ottimismo hanno danneggiato gravemente la reputazione di questo campo e rafforzato l'idea che la sintesi sia un sogno irrealizzabile. Con tutte le implicazioni finanziarie.

È stato un duro colpo per il programma di fusione del MIT che i federali abbiano fornito supporto per il tokamak Alcator C-Mid, che produce uno dei campi magnetici più potenti e dimostra la fusione del plasma alla massima pressione. La maggior parte della ricerca NSTX-U in sospeso dipenderà dal continuo supporto federale, che secondo Myers arriverà "in un anno".

Tutti devono stare attenti a spendere i propri soldi per la ricerca e alcuni programmi di fusione hanno già divorato somme incredibili. Prendiamo, ad esempio, ITER, l'enorme reattore a fusione superconduttore attualmente in costruzione in Francia. Quando è iniziata la cooperazione internazionale nel 2005, è stato annunciato come un progetto da 5 miliardi di dollari in 10 anni. Dopo diversi anni di fallimento, il prezzo è salito a $ 40 miliardi. Secondo le stime più ottimistiche, l'impianto sarà completato entro il 2030.

E mentre è probabile che ITER si gonfi come un tumore fino a esaurire le risorse e uccidere il suo ospite, il programma di fusione ridotto del MIT mostra come può essere fatto con un budget molto più piccolo. La scorsa estate, un team di studenti laureati del MIT ha svelato i piani per l'ARC, un reattore a fusione a basso costo che utilizzerà nuovi materiali superconduttori ad alta temperatura per generare la stessa quantità di energia di ITER, solo con un dispositivo molto più piccolo.

"Il problema con la fusione è trovare un percorso tecnico che la renda economicamente sostenibile, cosa che prevediamo di fare presto", afferma Greenwald, osservando che il concetto ARC è attualmente perseguito dall'Energy Initiative del MIT. - Crediamo che se la sintesi farà la differenza il riscaldamento globale dobbiamo muoverci più velocemente".

"La fusione promette di essere la principale fonte di energia - questo è, infatti, il nostro obiettivo finale", afferma Robert Rosner, fisico del plasma presso l'Università di Chicago e co-fondatore dell'Energy Policy Institute. “Allo stesso tempo, c'è una domanda importante: quanto siamo disposti a spendere in questo momento. Se tagliamo i fondi al punto in cui la prossima generazione di ragazzi intelligenti non vuole farlo affatto, potremmo uscirne del tutto".

9 luglio 2016

Progetti innovativi che utilizzano superconduttori moderni consentiranno presto una fusione termonucleare controllata, affermano alcuni ottimisti. Gli esperti, tuttavia, prevedono che l'applicazione pratica richiederà diversi decenni.

perché è così difficile?

L'energia da fusione è considerata una potenziale fonte di energia per il futuro. Questa è la pura energia dell'atomo. Ma cos'è e perché è così difficile da raggiungere? Per cominciare, dobbiamo capire la differenza tra la fissione nucleare classica e la fusione termonucleare.

La fissione dell'atomo consiste nel fatto che gli isotopi radioattivi - uranio o plutonio - vengono scissi e convertiti in altri isotopi altamente radioattivi, che poi devono essere interrati o riciclati.

La reazione di fusione consiste nel fatto che due isotopi dell'idrogeno - deuterio e trizio - si fondono in un unico insieme, formando elio atossico e un solo neutrone, senza produrre scorie radioattive.

Problema di controllo

Reazioni che avvengono al sole o all'interno bomba all'idrogeno, - questa è la fusione termonucleare e gli ingegneri devono affrontare un compito arduo: come controllare questo processo in una centrale elettrica?

Questo è qualcosa su cui gli scienziati hanno lavorato dagli anni '60. Un altro reattore a fusione sperimentale chiamato Wendelstein 7-X è entrato in funzione nella città di Greifswald, nella Germania settentrionale. Non è ancora progettato per creare una reazione: è solo un design speciale che viene testato (uno stellarator invece di un tokamak).

plasma ad alta energia

Tutte le installazioni termonucleari hanno una caratteristica comune: una forma anulare. Si basa sull'idea di utilizzare potenti elettromagneti per creare un forte campo elettromagnetico a forma di toro: un tubo di bicicletta gonfiato.

Questo campo elettromagnetico deve essere così denso che quando viene riscaldato in un forno a microonde a un milione di gradi Celsius, un plasma deve apparire proprio al centro dell'anello. Viene quindi acceso in modo che possa iniziare la fusione termonucleare.

Dimostrazione di possibilità

Due di questi esperimenti sono attualmente in corso in Europa. Uno di questi è il Wendelstein 7-X, che ha recentemente generato il suo primo plasma di elio. L'altro è ITER, un enorme impianto sperimentale di fusione nel sud della Francia che è ancora in costruzione e sarà pronto per entrare in funzione nel 2023.

A ITER si prevedono vere e proprie reazioni nucleari, anche se solo per un breve periodo di tempo e certamente non superiore a 60 minuti. Questo reattore è solo uno dei tanti passi verso la realizzazione della fusione nucleare.

Reattore a fusione: più piccolo e più potente

Di recente, diversi designer hanno annunciato un nuovo design del reattore. Secondo un gruppo di studenti del Massachusetts Institute of Technology, oltre a rappresentanti della compagnia di armi Lockheed Martin, la fusione può essere effettuata in strutture molto più potenti e più piccole di ITER, e sono pronte a farlo entro dieci anni.

L'idea del nuovo design è quella di utilizzare moderni superconduttori ad alta temperatura negli elettromagneti, che mostrano le loro proprietà se raffreddati con azoto liquido, piuttosto che quelli convenzionali, che richiedono elio liquido. La nuova tecnologia più flessibile consentirà di cambiare completamente il design del reattore.

Klaus Hesch, responsabile della tecnologia di fusione nucleare presso il Karlsruhe Institute of Technology nel sud-ovest della Germania, è scettico. Supporta l'uso di nuovi superconduttori ad alta temperatura per nuovi progetti di reattori. Ma, secondo lui, sviluppare qualcosa al computer, tenendo conto delle leggi della fisica, non basta. È necessario tenere conto delle sfide che sorgono quando si mette in pratica un'idea.

Fantascienza

Secondo Hesh, il modello studentesco del MIT mostra solo la possibilità di un progetto. Ma in realtà ha molto fantascienza. Il progetto presuppone che siano risolti seri problemi tecnici di fusione termonucleare. Ma la scienza moderna non ha idea di come risolverli.

Uno di questi problemi è l'idea di bobine pieghevoli. Gli elettromagneti possono essere smontati per entrare nell'anello che contiene il plasma nel modello di progettazione del MIT.

Questo sarebbe molto utile perché si potrebbe accedere agli oggetti nel sistema interno e sostituirli. Ma in realtà i superconduttori sono fatti di materiale ceramico. Centinaia di loro devono essere intrecciati in modo sofisticato per formare il campo magnetico corretto. E qui ci sono difficoltà più fondamentali: le connessioni tra di loro non sono così semplici come le connessioni dei cavi di rame. Nessuno ha mai pensato a concetti che potrebbero aiutare a risolvere tali problemi.

troppo caldo

Anche l'alta temperatura è un problema. Al centro del plasma di fusione, la temperatura raggiungerà circa 150 milioni di gradi Celsius. Questo calore estremo rimane al suo posto, proprio al centro del gas ionizzato. Ma anche intorno fa ancora molto caldo - da 500 a 700 gradi nella zona del reattore, che è lo strato interno di un tubo metallico in cui si "riprodurrà" il trizio necessario per la fusione nucleare.

Il reattore a fusione ha un problema ancora più grande: il cosiddetto rilascio di energia. Questa è la parte del sistema che riceve il combustibile usato dal processo di fusione, principalmente elio. I primi componenti metallici in cui entra il gas caldo sono chiamati "deviatori". Può riscaldare fino a oltre 2000°C.

Problema deviatore

Affinché l'installazione resista a tali temperature, gli ingegneri stanno cercando di utilizzare il metallo tungsteno utilizzato nelle lampade a incandescenza vecchio stile. Il punto di fusione del tungsteno è di circa 3000 gradi. Ma ci sono anche altre limitazioni.

In ITER, questo può essere fatto, perché il riscaldamento al suo interno non avviene costantemente. Si presume che il reattore funzionerà solo l'1-3% delle volte. Ma questa non è un'opzione per una centrale elettrica che deve funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. E, se qualcuno afferma di essere in grado di costruire un reattore più piccolo con la stessa potenza di ITER, è sicuro di non avere una soluzione al problema del deviatore.

Centrale elettrica in pochi decenni

Tuttavia, gli scienziati sono ottimisti sullo sviluppo dei reattori termonucleari, anche se non sarà così veloce come prevedono alcuni entusiasti.

ITER dovrebbe dimostrare che la fusione controllata può effettivamente produrre più energia di quella che verrebbe spesa per riscaldare il plasma. Il prossimo passo è costruire una nuovissima centrale elettrica ibrida dimostrativa che genera effettivamente elettricità.

Gli ingegneri stanno già lavorando al suo design. Dovranno imparare da ITER, il cui lancio è previsto nel 2023. Dato il tempo necessario per la progettazione, la pianificazione e la costruzione, sembra improbabile che la prima centrale a fusione venga avviata molto prima della metà del 21° secolo.

Fusione Fredda Rossi

Nel 2014, un test indipendente del reattore E-Cat ha concluso che il dispositivo ha raggiunto una media di 2.800 watt di potenza in un periodo di 32 giorni con un consumo di 900 watt. Questo è più di qualsiasi altro reazione chimica. Il risultato parla o di una svolta nella fusione termonucleare o di una vera e propria frode. Il rapporto ha deluso gli scettici, che dubitano che il test fosse veramente indipendente e suggeriscono una possibile falsificazione dei risultati del test. Altri sono stati impegnati a capire gli "ingredienti segreti" che consentono alla fusione di Rossi di replicare la tecnologia.

Rossi è un truffatore?

Andrea è imponente. Pubblica proclami al mondo in un inglese unico nella sezione commenti del suo sito web, pretenziosamente chiamato Journal of Nuclear Physics. Ma i suoi precedenti tentativi falliti includevano un progetto italiano di termovalorizzazione e un generatore termoelettrico. Petroldragon, progetto di termovalorizzazione, è fallito anche perché lo scarico illegale di rifiuti è controllato dalla criminalità organizzata italiana, che ha sporto denuncia penale nei suoi confronti per violazione delle norme sulla gestione dei rifiuti. Ha anche creato un dispositivo termoelettrico per il Corpo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti, ma durante i test il gadget ha prodotto solo una frazione della potenza dichiarata.

Molti non si fidano di Rossi e il caporedattore del New Energy Times lo ha definito senza mezzi termini un criminale con una serie di progetti energetici falliti alle spalle.

Verifica indipendente

Rossi ha firmato un contratto con la società americana Industrial Heat per condurre un test segreto della durata di un anno di un impianto di fusione fredda da 1 MW. Il dispositivo era un container pieno di dozzine di E-Cat. L'esperimento doveva essere controllato da una terza parte che potesse confermare che la generazione di calore stava effettivamente avvenendo. Rossi afferma di aver trascorso gran parte dell'ultimo anno praticamente vivendo in un container e supervisionando le operazioni per più di 16 ore al giorno per dimostrare la fattibilità commerciale dell'E-Cat.

La prova si è conclusa a marzo. I sostenitori di Rossi hanno atteso con ansia il resoconto degli osservatori, sperando in un'assoluzione per il loro eroe. Ma alla fine sono stati denunciati.

Prova

In un deposito del tribunale della Florida, Rossi afferma che il test ha avuto successo e un arbitro indipendente ha confermato che il reattore E-Cat produce sei volte più energia di quella che consuma. Ha anche affermato che Industrial Heat ha accettato di pagargli $ 100 milioni - $ 11,5 milioni in anticipo dopo il processo di 24 ore (apparentemente per i diritti di licenza in modo che la società potesse vendere la tecnologia negli Stati Uniti) e altri $ 89 milioni dopo il completamento con successo del processo esteso .entro 350 giorni. Rossi ha accusato IH di eseguire uno "schema fraudolento" per rubare il suo proprietà intellettuale. Ha anche accusato l'azienda di appropriazione indebita di reattori E-Cat, di aver copiato illegalmente tecnologie e prodotti innovativi, funzionalità e design e di aver abusato di un brevetto sulla sua proprietà intellettuale.

Miniera d'oro

Altrove, Rossi afferma che in una delle sue dimostrazioni, IH ha ricevuto $ 50-60 milioni da investitori e altri $ 200 milioni dalla Cina dopo una replica che ha coinvolto funzionari cinesi. livello superiore. Se questo è vero, la posta in gioco è molto più di cento milioni di dollari. Industrial Heat ha respinto queste affermazioni come infondate e si difenderà attivamente. Ancora più importante, afferma di aver "lavorato per più di tre anni per confermare i risultati che Rossi avrebbe ottenuto con la sua tecnologia E-Cat, il tutto senza successo".

IH non crede nell'E-Cat e il New Energy Times non vede motivo di dubitarne. Nel giugno 2011, un rappresentante della pubblicazione ha visitato l'Italia, ha intervistato Rossi e filmato una dimostrazione del suo E-Cat. Il giorno dopo, ha riferito le sue serie preoccupazioni sul metodo di misurazione della potenza termica. Dopo 6 giorni, il giornalista ha pubblicato il suo video su YouTube. Esperti di tutto il mondo gli hanno inviato analisi, che sono state pubblicate a luglio. È diventato chiaro che si trattava di una truffa.

Conferma sperimentale

Tuttavia, un certo numero di ricercatori - Alexander Parkhomov della Peoples' Friendship University of Russia e il Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) - sono riusciti a replicare la fusione fredda della Russia. Il rapporto MFPM era intitolato "La fine dell'era del carbonio è vicina". La ragione di tale ammirazione è stata la scoperta di un'esplosione di radiazioni gamma, che non può essere spiegata altrimenti che da una reazione termonucleare. Secondo i ricercatori, Rossi ha esattamente quello di cui parla.

Una valida ricetta aperta per la fusione fredda potrebbe innescare una corsa all'oro energetica. È possibile trovare metodi alternativi per aggirare i brevetti di Rossi e tenerlo fuori dal business energetico multimiliardario.

Quindi forse Rossi preferirebbe evitare questa conferma.

3. Problemi di fusione termonucleare controllata

I ricercatori di tutti i paesi sviluppati ripongono le loro speranze nel superare la prossima crisi energetica con una reazione termonucleare controllata. Una tale reazione - la sintesi dell'elio da deuterio e trizio - si verifica sul Sole da milioni di anni e in condizioni terrestri da cinquant'anni si cerca di realizzarla in giganteschi e costosissimi impianti laser, i tokamak (un dispositivo per effettuare una reazione di fusione termonucleare in plasma caldo) e stellarators (trappola magnetica chiusa per contenere plasma ad alta temperatura). Tuttavia, ci sono altri modi per risolvere questo difficile problema e, invece di enormi tokamak, sarà probabilmente possibile utilizzare un collisore piuttosto compatto ed economico - un acceleratore sui fasci in collisione - per l'implementazione della fusione termonucleare.

Tokamak richiede quantità molto piccole di litio e deuterio per funzionare. Ad esempio, un reattore con una potenza elettrica di 1 GW brucia circa 100 kg di deuterio e 300 kg di litio all'anno. Se assumiamo che tutte le centrali termonucleari produrranno 10 trilioni. kW / h di elettricità all'anno, cioè quanto producono oggi tutte le centrali elettriche della Terra, allora le riserve mondiali di deuterio e litio saranno sufficienti a fornire energia all'umanità per molti milioni di anni.

Oltre alla fusione di deuterio e litio, è possibile una fusione puramente solare quando vengono combinati due atomi di deuterio. Se questa reazione viene padroneggiata, i problemi energetici saranno risolti immediatamente e per sempre.

In nessuna delle versioni note della fusione termonucleare controllata (CTF), le reazioni termonucleari non possono entrare nella modalità di aumento incontrollato della potenza, pertanto tali reattori non sono intrinsecamente sicuri.

Da un punto di vista fisico, il problema è formulato in modo semplice. Perché avvenga una reazione di fusione nucleare autosufficiente, è necessario e sufficiente soddisfare due condizioni.

1. L'energia dei nuclei partecipanti alla reazione deve essere di almeno 10 keV. Affinché la fusione nucleare proceda, i nuclei che partecipano alla reazione devono cadere nel campo forze nucleari, il cui range è 10-12-10-13 s.cm. Tuttavia, i nuclei atomici hanno una carica elettrica positiva e cariche simili si respingono. Al limite dell'azione delle forze nucleari, l'energia della repulsione di Coulomb è di circa 10 keV. Per superare questa barriera, i nuclei nell'urto devono avere un'energia cinetica almeno non inferiore a questo valore.

2. Il prodotto della concentrazione dei nuclei reagenti per il tempo di ritenzione durante il quale conservano l'energia indicata deve essere almeno 1014 s.cm-3. Questa condizione - il cosiddetto criterio di Lawson - determina il limite della redditività energetica della reazione. Affinché l'energia rilasciata nella reazione di fusione copra almeno i costi energetici dell'avvio della reazione, i nuclei atomici devono subire molte collisioni. In ogni collisione in cui si verifica una reazione di fusione tra deuterio (D) e trizio (T), vengono rilasciati 17,6 MeV di energia, ovvero circa 3,10-12 J. Se, ad esempio, vengono spesi 10 MJ di energia per l'accensione, allora la reazione andrà in pareggio se vi prendono parte almeno 3.1018 coppie DT. E per questo, un plasma ad alta energia piuttosto denso deve essere mantenuto a lungo nel reattore. Questa condizione è espressa dal criterio di Lawson.

Se entrambi i requisiti possono essere soddisfatti contemporaneamente, il problema della fusione termonucleare controllata sarà risolto.

Tuttavia, l'implementazione tecnica di questo problema fisico deve affrontare enormi difficoltà. Dopotutto, un'energia di 10 keV è una temperatura di 100 milioni di gradi. Una sostanza a tale temperatura può essere conservata anche per frazioni di secondo solo nel vuoto, isolandola dalle pareti dell'impianto.

Ma c'è un altro metodo per risolvere questo problema: una fusione fredda. Che cos'è una fusione fredda: questo è un analogo di una reazione termonucleare "calda" che avviene a temperatura ambiente.

In natura, ci sono almeno due modi per cambiare la materia all'interno di una dimensione del continuum. Puoi far bollire l'acqua sul fuoco, ad es. termicamente, o in un forno a microonde, ad es. frequenza. Il risultato è lo stesso: l'acqua bolle, l'unica differenza è che il metodo della frequenza è più veloce. Utilizza anche il raggiungimento di temperature ultra elevate per dividere il nucleo dell'atomo. Il metodo termico dà una reazione nucleare incontrollata. L'energia di una fusione fredda è l'energia dello stato di transizione. Una delle condizioni principali per la progettazione di un reattore per l'esecuzione di una reazione di fusione fredda è la condizione della sua forma piramidale-cristallina. Un'altra condizione importante è la presenza di campi magnetici e di torsione rotanti. L'intersezione dei campi avviene nel punto di equilibrio instabile del nucleo di idrogeno.

Gli scienziati Ruzi Taleiarkhan dell'Oak Ridge National Laboratory, Richard Leikhi della Polytechnic University. Renssilira e l'accademico Robert Nigmatulin - hanno registrato una reazione termonucleare fredda in laboratorio.

Il gruppo ha utilizzato un bicchiere di acetone liquido delle dimensioni di due o tre bicchieri. Le onde sonore sono passate intensamente attraverso il liquido, producendo un effetto noto in fisica come cavitazione acustica, la cui conseguenza è la sonoluminescenza. Durante la cavitazione, nel liquido sono apparse piccole bolle, che sono aumentate fino a due millimetri di diametro ed esplose. Le esplosioni sono state accompagnate da lampi di luce e rilascio di energia, ad es. la temperatura all'interno delle bolle al momento dell'esplosione ha raggiunto i 10 milioni di gradi Kelvin e l'energia rilasciata, secondo gli sperimentatori, è sufficiente per effettuare la fusione termonucleare.

"Tecnicamente" l'essenza della reazione sta nel fatto che come risultato della combinazione di due atomi di deuterio, se ne forma un terzo: un isotopo dell'idrogeno, noto come trizio, e un neutrone, caratterizzato da un'enorme quantità di energia .

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