Yu.N. Dnestrovsky - Ph.D. Științe, profesor, Institutul de fuziune nucleară,
RRC „Institutul Kurchatov”, Moscova, Rusia
Actele Conferinței Internaționale
„CALE STRE VIITOR – ȘTIINȚĂ, PROBLEME GLOBALE, VISE ȘI SPERĂnțe”
26–28 noiembrie 2007 Institutul de Matematică Aplicată. M.V. Keldysh RAS, Moscova

Poate fuziunea termonucleară controlată (CNF) să rezolve problema energetică pe termen lung? Ce parte a drumului către stăpânirea TCB a fost deja parcursă și cât mai rămâne de parcurs? Ce dificultăți sunt așteptate în viitor? Aceste probleme sunt discutate în această lucrare.

1. Precondiții fizice pentru CTS

Reacțiile de fuziune nucleară ale nucleelor ușoare ar trebui folosite pentru producerea de energie. Dintre multe reacții de acest tip, reacția cel mai ușor de implementat este fuziunea nucleelor de deuteriu și tritiu.

Aici, este notat un nucleu stabil de heliu (particulă alfa), N este un neutron, iar energia particulei după reacție este notată în paranteze, . În această reacție, energia eliberată per particulă cu o masă de neutroni este de aproximativ 3,5 MeV. Aceasta este de aproximativ 3-4 ori mai multă energie per particulă eliberată în timpul fisiunii uraniului.

Ce probleme apar atunci când se încearcă implementarea reacției (1) pentru a obține energie?

Principala problemă este că tritiul nu există în natură. Este radioactiv, timpul de înjumătățire este aproximativ egal cu 12 ani, prin urmare, dacă a fost odată în cantități mari pe Pământ, atunci nu a mai rămas nimic din el pentru o lungă perioadă de timp. Cantitatea de tritiu obținută pe Pământ din cauza radioactivității naturale sau din cauza radiațiilor cosmice este neglijabilă. O cantitate mică de tritiu este obținută în reacțiile care au loc în interiorul unui reactor nuclear cu uraniu. Unul dintre reactoarele din Canada organizează colectarea unui astfel de tritiu, dar producția lui în reactoare este foarte lentă și producția se dovedește a fi prea scumpă.

Astfel, producerea de energie într-un reactor termonuclear bazat pe reacția (1) trebuie să fie însoțită de producerea simultană de tritiu în același reactor. Cum se poate face acest lucru va fi discutat mai jos.

Ambele particule, nucleele de deuteriu și tritiu, care participă la reacția (1), au o sarcină pozitivă și, prin urmare, se resping reciproc prin forța Coulomb. Pentru a depăși această forță, particulele trebuie să aibă o energie mare. Dependența vitezei de reacție (1), , de temperatura amestecului de tritiu-deuteriu este prezentată în Fig. 1 pe o scară dublă logaritmică.

Se poate observa că probabilitatea de reacție (1) crește rapid odată cu creșterea temperaturii. Viteza de reacție acceptabilă pentru un reactor se realizează la o temperatură T > 10 keV. Dacă luăm în considerare acele grade, atunci temperatura din reactor ar trebui să depășească 100 de milioane de grade. Toți atomii unei substanțe la o astfel de temperatură trebuie să fie ionizați, iar substanța însăși în această stare se numește de obicei plasmă. Amintiți-vă că, conform estimărilor moderne, temperatura din centrul Soarelui atinge „doar” 20 de milioane de grade.

Există și alte reacții de fuziune, potrivite, în principiu, pentru generarea energiei termonucleare. Aici notăm doar două reacții larg discutate în literatură

Aici, este un izotop al nucleului de heliu cu o masă egală cu 3, p este un proton (nucleu de hidrogen). Reacția (2) este bună deoarece există suficient combustibil (deuteriu) pentru aceasta pe Pământ. Tehnologia de separare a deuteriului de apa de mare a fost dezvoltată și este relativ ieftină. Din păcate, viteza acestei reacții este vizibil mai mică decât viteza de reacție (1) (vezi Fig. 1), astfel încât reacția (2) necesită o temperatură de aproximativ 500 de milioane de grade.

Reacția (3) provoacă în prezent mare entuziasm în rândul persoanelor implicate în zborurile spațiale. Se știe că pe Lună există o mulțime de izotop, așa că posibilitatea transportului acestuia pe Pământ este discutată ca una dintre sarcinile prioritare ale astronauticii. Din păcate, viteza acestei reacții (Fig. 1) este, de asemenea, vizibil mai mică, vitezele de reacție (1) și temperaturile necesare pentru această reacție sunt, de asemenea, la nivelul de 500 de milioane de grade.

Pentru a menține plasmă cu o temperatură de aproximativ 100 - 500 de milioane de grade, s-a propus utilizarea unui câmp magnetic (I.E. Tamm, A.D. Saharov). Cele mai promițătoare acum par a fi instalațiile în care plasma are forma unui tor (goasă). Notăm raza mare a acestui torus prin R, și mici prin A. Pentru a suprima mișcările instabile ale plasmei, pe lângă câmpul magnetic toroidal (longitudinal) B0, este necesar și un câmp transversal (poloidal). Există două tipuri de instalații în care se realizează o astfel de configurație magnetică. În dispozitivele de tip tokamak, un câmp poloidal este creat de un curent longitudinal I, care curge în plasmă în direcția câmpului. În instalațiile de tip stellarator, câmpul poloidal este creat de înfășurări elicoidale externe purtătoare de curent. Fiecare dintre aceste setări are propriile sale avantaje și dezavantaje. Într-un tokamak, curentul I trebuie să fie potrivit cu terenul. Stellaratorul este tehnic mai complex. Astăzi, instalațiile de tip tokamak sunt mai avansate. Deși există și stellaratori mari, care funcționează cu succes.

2. Condiții pentru reactorul tokamak

Indicăm aici doar două condiții necesare care determină „fereastra” în spațiul parametrilor plasmei tokamak din reactor. Există, desigur, multe alte condiții care reduc această „fereastră”, dar încă nu sunt atât de semnificative.

1). Pentru ca reactorul să fie viabil comercial (nu prea mare), puterea specifică P a energiei eliberate trebuie să fie suficient de mare

Aici n 1 și n 2 sunt densitățile deuteriului, iar tritiul este energia eliberată într-un act de reacție (1). Condiția (4) limitează densitățile n 1 și n 2 de jos.

2). Pentru ca plasma să fie stabilă, presiunea plasmei trebuie să fie vizibil mai mică decât presiunea câmpului magnetic longitudinal.Pentru o plasmă cu o geometrie rezonabilă, această condiție are forma

Pentru un câmp magnetic dat, această condiție limitează densitatea plasmei și temperatura de sus. Dacă reacția necesită o creștere a temperaturii (de exemplu, de la reacția (1) la reacțiile (2) sau (3)), atunci pentru a îndeplini condiția (5), este necesară creșterea câmpului magnetic.

Ce câmp magnetic este necesar pentru implementarea CTS? Luați în considerare mai întâi o reacție de tip (1). Să presupunem pentru simplitate că n 1 = n 2 = n /2 , unde n este densitatea plasmei. Apoi, la condiția de temperatură (1) dă

Folosind condiția (5), găsim limita inferioară a câmpului magnetic

În geometria toroidală, câmpul magnetic longitudinal cade ca 1/r pe măsură ce vă îndepărtați de axa principală a torusului. Câmpul este câmpul din centrul secțiunii meridionale a plasmei. Pe conturul interior al torusului, câmpul va fi mai mare. Cu raport de aspect

R/ A~ 3 câmpul magnetic din interiorul bobinelor câmpului toroidal se dovedește a fi de 2 ori mai mare. Astfel, pentru a îndeplini condițiile (4-5), bobinele de câmp longitudinal trebuie să fie realizate dintr-un material capabil să funcționeze într-un câmp magnetic de ordinul a 13-14 Tesla.

Pentru funcționarea staționară a reactorului tokamak, conductoarele din bobine trebuie să fie realizate dintr-un material supraconductor. Unele proprietăți ale supraconductoarelor moderne sunt prezentate în Fig.2.

În prezent, în lume au fost construite mai multe tokamak-uri cu înfășurări supraconductoare. Primul tokamak de acest tip (T-7 tokamak), construit în URSS în anii șaptezeci, folosea niobiu-titan (NbTi) ca supraconductor. Același material a fost folosit și în marele tokamak francez Tore Supra (mijlocul anilor '80). Din figura 2 se poate observa că la temperatura heliului lichid câmpul magnetic dintr-un tokamak cu un astfel de supraconductor poate ajunge la 4 Tesla. Pentru reactorul internațional tokamak ITER s-a decis folosirea unui supraconductor de niobiu-staniu cu mare potențial, dar și cu tehnologie mai sofisticată. Acest supraconductor este folosit în instalația rusă T-15 lansată în 1989. Se poate observa din Fig. 2 că în ITER la o temperatură a heliului de ordinul mărimii, câmpul magnetic din plasmă cu o marjă mare poate atinge valorile de câmp necesare de 6 Tesla.

Pentru reacțiile (2) și (3), condițiile (4)–(5) se dovedesc a fi mult mai stricte. Pentru a îndeplini condiția (4), temperatura plasmei în reactorul T trebuie să fie de 4 ori mai mare, iar densitatea plasmei n de 2 ori mai mare decât în reactor pe baza reacției (1). Ca urmare, presiunea plasmei crește cu un factor de 8, iar intensitatea câmpului magnetic necesar cu un factor de 2,8. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic de pe supraconductor ar trebui să atingă valori de 30 Tesla. Până acum, nimeni nu a lucrat cu astfel de câmpuri într-un volum mare în mod staționar. Figura 2 arată că există speranță de a crea un supraconductor pentru un astfel de câmp în viitor. Totuși, în prezent, condițiile (4)-(5) pentru reacții de tip (2)-(3) nu pot fi implementate într-o instalație de tokamak.

3. Producția de tritiu

Într-un reactor tokamak, camera cu plasmă trebuie să fie înconjurată de un strat gros de materiale care să protejeze înfășurările câmpului toroidal de distrugerea supraconductivității de către neutroni. Un astfel de strat, gros de aproximativ un metru, se numea pătură. Aici, în pătură, căldura eliberată de neutroni în timpul decelerării ar trebui îndepărtată. În acest caz, o parte din neutroni poate fi folosită pentru a produce tritiu în interiorul păturii. Cea mai potrivită reacție nucleară pentru un astfel de proces este următoarea reacție, care are loc cu eliberarea de energie

Aici este un izotop de litiu cu o masă de 6. Deoarece neutronul este o particulă neutră, nu există nicio barieră Coulomb, iar reacția (8) poate avea loc la o energie neutronică mult mai mică de 1 MeV. Pentru producerea eficientă a tritiului, numărul de reacții de tip (8) trebuie să fie suficient de mare, iar pentru aceasta numărul de neutroni care reacţionează trebuie să fie mare. Pentru a crește numărul de neutroni, materialele în care au loc reacții de multiplicare a neutronilor ar trebui să fie amplasate aici în pătură. Deoarece energia neutronilor primari produși în reacția (1) este mare (14 MeV), iar reacția (8) necesită neutroni cu energie scăzută, atunci, în principiu, numărul de neutroni din pătură poate fi mărit cu un factor de 10. –15, și astfel , închideți bilanțul de tritiu: pentru fiecare eveniment de reacție (1) obțineți unul sau mai multe evenimente de reacție (8). Acest echilibru poate fi realizat în practică? Răspunsul la această întrebare necesită experimente și calcule detaliate. Reactorul ITER nu este obligat să se aprovizioneze cu combustibil, dar vor fi efectuate experimente pe el pentru a clarifica problema balanței tritiului.

Cât de mult tritiu este necesar pentru a funcționa reactorul? Estimările simple arată că un reactor cu o putere termică de 3 GW (putere electrică de ordinul a 1 GW) ar necesita 150 kg de tritiu pe an. Aceasta este de aproximativ o dată mai mică decât greutatea păcurului necesară pentru funcționarea anuală a unei centrale termice de aceeași capacitate.

În virtutea (8), „combustibilul” primar pentru reactor este izotopul de litiu. Există multe în natură? Litiul natural conține doi izotopi

Se poate observa că conținutul de izotop în litiu natural este destul de mare. Rezervele de litiu din Pământ la nivelul actual de consum de energie vor dura câteva mii de ani, iar în ocean - timp de zeci de milioane de ani. Estimările bazate pe formulele (8)-(9) arată că litiul natural trebuie extras de 50-100 de ori mai mult decât este necesar tritiul. Astfel, pentru un reactor cu capacitatea discutată vor fi necesare 15 tone de litiu natural pe an. Aceasta este de 10 5 ori mai mică decât cantitatea de păcură necesară pentru o centrală termică. Deși este necesară o energie semnificativă pentru separarea izotopilor în litiul natural, energia suplimentară eliberată în reacție (8) poate compensa aceste costuri.

4. O scurtă istorie a cercetării asupra CTS

Din punct de vedere istoric, Raportul secret al lui I.E. Tamm și A.D. Saharov, publicat în martie-aprilie 1950, este considerat a fi primul studiu despre CTS din țara noastră. A fost publicat mai târziu în 1958 . Raportul conținea o privire de ansamblu asupra ideilor principale pentru izolarea plasmei fierbinți printr-un câmp magnetic într-o instalație toroidală și o estimare a dimensiunii unui reactor termonuclear. În mod surprinzător, tokamak-ul ITER aflat în construcție în prezent este aproape în parametrii săi de previziunile Raportului istoric.

Experimentele cu plasmă fierbinte au început în URSS la începutul anilor cincizeci. La început, acestea erau mici instalații de diferite tipuri, drepte și toroidale, dar deja la mijlocul deceniului, munca comună a experimentatorilor și teoreticienilor a condus la instalații care au fost numite „tokamak”. De la an la an, dimensiunea și complexitatea instalațiilor au crescut, iar în 1962 a fost lansată instalația T-3 cu dimensiunile R = 100 cm, a = 20 cm și un câmp magnetic de până la patru Tesla. Experiența acumulată peste un deceniu și jumătate a arătat că într-o instalație cu o cameră metalică, pereți bine curățați și un vid mare (până la mm Hg), se poate obține plasmă curată, stabilă, cu o temperatură ridicată a electronilor. LA Artsimovici a raportat aceste rezultate la Conferința Internațională privind Fizica Plasmei și CTS din 1968, la Novosibirsk. După aceea, direcția tokamak-urilor a fost recunoscută de comunitatea științifică mondială și au început să fie construite instalații de acest tip în multe țări.

Tokamak-urile din următoarea, a doua generație (T-10 în URSS și PLT în SUA) au început să lucreze cu plasmă în 1975. Ei au arătat că speranțele generate de tokamak-urile din prima generație se confirmă. Și în tokamak-uri cu dimensiuni mari, este posibil să se lucreze cu plasmă stabilă și fierbinte. Cu toate acestea, chiar și atunci a devenit clar că era imposibil să se creeze un reactor de dimensiuni mici și că dimensiunea plasmei trebuia mărită.

Proiectarea tokamak-urilor din a treia generație a durat aproximativ cinci ani, iar construcția lor a început la sfârșitul anilor șaptezeci. În următorul deceniu au fost puse în funcțiune succesiv și până în 1989 funcționau 7 tokamak-uri mari: TFTR și DIII - D în SUA, JET (cel mai mare) din Europa unită, ASDEX - U în Germania, TORE - SUPRA în Franța, JT 60-U în Japonia și T-15 în URSS. Aceste instalații au fost utilizate pentru a obține temperatura și densitatea plasmei necesare pentru reactor. Desigur, în timp ce au fost obținute separat, separat pentru temperatură și separat pentru densitate. Instalațiile TFTR și JET au făcut posibilă lucrul cu tritiu și pentru prima dată s-a obținut asupra acestora o putere termonucleară apreciabilă P DT (conform reacției (1)), comparabilă cu puterea externă P aux introdusă în plasmă. Puterea maximă P DT la instalația JET în experimentele din 1997 a atins 16 MW cu o putere P aux de aproximativ 25 MW. Secțiunea instalației JET și vederea interioară a camerei sunt prezentate în Fig. 3 a, b. Aici, pentru comparație, sunt afișate dimensiunile unei persoane.

La începutul anilor 1980, un grup internațional de oameni de știință (Rusia, SUA, Europa, Japonia) a început să lucreze împreună pentru a proiecta următoarea (a patra) generație de tokamak, reactorul INTOR. În această etapă, sarcina a fost să se uite la „gâturile de sticlă” ale viitoarei instalații fără a crea un proiect complet. Cu toate acestea, la mijlocul anilor 1980, a devenit clar că ar trebui stabilită o sarcină mai completă, inclusiv crearea unui proiect. La propunerea lui E.P.Velikhov, după negocieri îndelungate la nivelul conducătorilor statelor (M.S. Gorbaciov și R. Reagan), în 1988 a fost semnat Acordul și au început lucrările la proiectul reactorului tokamak ITER. Lucrarea s-a desfășurat în trei etape cu întreruperi și, în total, a durat 13 ani. Istoria diplomatică a proiectului ITER în sine este dramatică, a dus la fundături de mai multe ori și merită o descriere separată (a se vedea, de exemplu, cartea). În mod oficial, proiectul a fost finalizat în iulie 2000, dar a fost încă necesar să se selecteze un șantier pentru construcție și să se dezvolte Acordul de construcție și Carta ITER. Toate împreună au durat aproape 6 ani, iar în cele din urmă, în noiembrie 2006, a fost semnat Acordul privind construcția ITER în sudul Franței. Construcția în sine este de așteptat să dureze aproximativ 10 ani. Astfel, vor trece aproximativ 30 de ani de la începerea negocierilor până la producerea primei plasme în reactorul termonuclear ITER. Acest lucru este deja comparabil cu timpul vieții active a unei persoane. Acestea sunt realitățile progresului.

În ceea ce privește dimensiunile sale liniare, ITER este de aproximativ două ori mai mare decât instalația JET. Conform proiectului, câmpul magnetic din acesta = 5,8 Tesla, iar curentul I = 12-14 MA. Se presupune că puterea termonucleară va atinge valoarea introdusă în plasmă pentru încălzire, care va fi de ordinul a 10.

5. Dezvoltarea mijloacelor de încălzire cu plasmă.

În paralel cu creșterea dimensiunii tokamak-ului, a fost dezvoltată tehnologia mijloacelor de încălzire cu plasmă. În prezent sunt utilizate trei metode diferite de încălzire:

Încălzirea ohmică a unei plasme de către un curent care curge prin ea.
Încălzire prin fascicule de particule neutre fierbinți de deuteriu sau tritiu.
Încălzire prin unde electromagnetice în diferite game de frecvență.

Încălzirea cu plasmă ohmică într-un tokamak este întotdeauna prezentă, dar este insuficientă pentru încălzirea la temperaturi termonucleare de ordinul 10-15 keV (100-150 milioane de grade). Faptul este că odată cu încălzirea electronilor, rezistența plasmei scade rapid (invers proporțional cu ), prin urmare, la un curent fix, puterea de intrare scade și ea. Ca exemplu, subliniem că în instalația JET cu un curent de 3–4 MA, este posibil să se încălzească plasma doar până la ~ 2–3 keV. În același timp, rezistența plasmei este atât de scăzută încât un curent de câteva milioane de amperi (MA) este menținut la o tensiune de 0,1 - 0,2 V.

Injectoarele cu fascicul neutru fierbinte au apărut pentru prima dată pe instalația americană PLT în 1976-77 și au parcurs un drum lung de atunci. Acum, un injector tipic are un fascicul de particule cu o energie de 80 - 150 keV și o putere de până la 3 - 5 MW. La o instalație mare, sunt instalate de obicei până la 10 - 15 injectoare de putere diferită. Puterea totală a fasciculului captată de plasmă ajunge la 25 – 30 MW. Aceasta este comparabilă cu capacitatea unei centrale termice mici. Este planificată instalarea de injectoare cu energie de particule de până la 1 MeV și putere totală de până la 50 MW la ITER. Nu există încă astfel de grinzi, dar o dezvoltare intensivă este în curs. Japonia și-a asumat responsabilitatea pentru aceste evoluții în cadrul Acordului ITER.

Acum se crede că încălzirea plasmei prin unde electromagnetice este eficientă în trei intervale de frecvență:

încălzirea electronilor la frecvența lor ciclotronică f ~ 170 GHz;
încălzirea ionilor și electronilor la frecvența ciclotronului ionic f ~ 100 MHz;
încălzire la frecvență intermediară (hibridă inferioară) f ~ 5 GHz.

Pentru ultimele două intervale de frecvență, surse puternice de radiație au existat de mult timp, iar principala problemă aici este de a potrivi corect sursele (antene) cu plasmă pentru a reduce efectele reflexiei undei. La o serie de instalații mari, datorită priceperii înalte a experimentatorilor, a fost posibilă introducerea în plasmă de până la 10 MW de putere în acest fel.

Pentru prima, cea mai înaltă gamă de frecvență, problema a constat inițial în dezvoltarea unor surse de radiații puternice, cu o lungime de undă de l ~ 2 mm. Pionierul aici a fost Institutul de Fizică Aplicată din Nijni Novgorod. Pentru o jumătate de secol de muncă intenționată, a fost posibil să se creeze surse de radiații (girotroni) cu o putere de până la 1 MW într-un mod staționar. Aceste instrumente vor fi instalate la ITER. În girotroni, tehnologia a fost adusă la nivel de artă. Rezonatorul în care undele sunt excitate de un fascicul de electroni are dimensiuni de ordinul a 20 cm, iar lungimea de undă necesară este de 10 ori mai mică. Prin urmare, este necesar să se investească rezonant până la 95% din putere într-o armonică spațială foarte mare și în toate celelalte împreună - nu mai mult de 5%. Într-unul dintre girotroni pentru ITER, este utilizată ca atare armonică selectată o armonică cu numere (număr de noduri) de-a lungul razei = 25 și de-a lungul unghiului = 10. Pentru a extrage radiația din girotron, un disc de diamant policristalin de 1,85 mm grosime iar 106 mm în diametru este folosit ca fereastră. Astfel, pentru a rezolva problema încălzirii cu plasmă, a fost necesară dezvoltarea producției de diamante artificiale gigantice.

6. Diagnosticare

La o temperatură a plasmei de 100 de milioane de grade, niciun dispozitiv de măsurare nu poate fi introdus în plasmă. Se va evapora, neavând timp să transmită informații rezonabile. Prin urmare, toate măsurătorile sunt indirecte. Se măsoară curenții, câmpurile și particulele din afara plasmei, iar apoi, cu ajutorul modelelor matematice, se interpretează semnalele înregistrate.

Ce se măsoară de fapt?

În primul rând, acestea sunt curenți și tensiuni în circuitele din jurul plasmei. Sondele locale măsoară câmpurile electrice și magnetice în afara plasmei. Numărul de astfel de sonde poate ajunge la câteva sute. Din aceste măsurători, prin rezolvarea problemelor inverse, este posibil să se reconstituie forma plasmei, poziția acesteia în cameră și magnitudinea curentului.

Pentru a măsura temperatura și densitatea plasmei sunt utilizate atât metodele active, cât și cele pasive. O metodă activă este înțeleasă ca o metodă atunci când orice radiație (de exemplu, un fascicul laser sau un fascicul de particule neutre) este injectată în plasmă și este măsurată radiația împrăștiată, care poartă informații despre parametrii plasmei. Una dintre dificultățile problemei este că, de regulă, doar o mică parte din radiația injectată este împrăștiată. Astfel, atunci când se folosește un laser pentru a măsura temperatura și densitatea electronilor, doar 10 -10 din energia impulsului laser este împrăștiată. Atunci când un fascicul neutru este utilizat pentru a măsura temperatura ionilor, se măsoară intensitatea, forma și poziția liniilor optice care apar în timpul schimbului de sarcină a ionilor de plasmă la neutrii fasciculului. Intensitatea acestor linii este foarte scăzută și sunt necesare spectrometre de mare sensibilitate pentru a le analiza forma.

Metodele pasive sunt înțelese ca metode care măsoară radiația care este emisă constant din plasmă. În acest caz, radiația electromagnetică este măsurată în diferite intervale de frecvență sau fluxuri și spectre ale particulelor neutre emergente. Aceasta include măsurători ale razelor X dure și moi, ultraviolete, măsurători în domeniul optic, infraroșu și radio. De interes sunt atât măsurătorile spectrelor, cât și pozițiile și formele liniilor individuale. Numărul de canale spațiale în diagnosticarea individuală ajunge la câteva sute. Frecvența de înregistrare a semnalului atinge câțiva MHz. Fiecare instalație care se respectă are un set de 25-30 de diagnostice. La reactorul ITER tokamak, abia în stadiul inițial, se presupune că are câteva zeci de diagnostice pasive și active.

7. Modele matematice ale plasmei

Problemele de modelare matematică a plasmei pot fi împărțite aproximativ în două grupuri. Prima grupă include problemele de interpretare a experimentului. Ele sunt de obicei incorecte și necesită dezvoltarea unor metode de regularizare. Iată câteva exemple de probleme din acest grup.

Reconstituirea limitei plasmei din măsurători magnetice (sondă) ale câmpurilor din afara plasmei. Această problemă duce la ecuații integrale Fredholm de primul fel sau la sisteme algebrice liniare puternic degenerate.
Prelucrarea măsurătorilor coardelor. Aici ajungem la ecuații integrale ale primului tip de tip mixt Volterra-Fredholm.
Prelucrarea măsurătorilor liniilor spectrale. Aici se cere să se țină cont de funcțiile instrumentale și ajungem din nou la ecuațiile integrale Fredholm de primul fel.
Procesarea semnalelor de timp zgomotoase. Aici sunt folosite diverse descompuneri spectrale (Fourier, undă-ani), calcule de corelații de diferite ordine.
Analiza spectrelor de particule. Aici avem de-a face cu ecuații integrale neliniare de primul fel.

Următoarele figuri ilustrează câteva dintre exemplele de mai sus. Figura 4 prezintă comportamentul temporal al semnalelor de raze X moi la instalația MAST (Anglia), măsurate de-a lungul coardelor de detectoare colimate.

Diagnoza instalată înregistrează peste 100 de astfel de semnale. Vârfurile ascuțite de pe curbe corespund mișcărilor interne rapide („ruperi”) ale plasmei. Structura bidimensională a unor astfel de mișcări poate fi găsită folosind procesarea tomografică a unui număr mare de semnale.

Figura 5 arată distribuția spațială a presiunii electronilor pentru două impulsuri din aceeași configurație MAST.

Spectrele de radiații împrăștiate ale fasciculului laser sunt măsurate la 300 de puncte de-a lungul razei. Fiecare punct din Fig.5 este rezultatul procesării complexe a spectrului de energie al fotonilor înregistrați de detectoare. Deoarece doar o mică parte din energia fasciculului laser este împrăștiată, numărul de fotoni din spectru este mic, iar reconstrucția temperaturii din lățimea spectrului se dovedește a fi o problemă incorectă.

Al doilea grup include problemele actuale ale proceselor de modelare care apar în plasmă. Plasma fierbinte dintr-un tokamak are un număr mare de timpi caracteristici, ale căror extreme diferă cu 12 ordine de mărime. Prin urmare, este zadarnic să ne așteptăm că pot fi create modele care conțin „toate” procesele în plasmă. Trebuie să folosim modele care sunt valabile doar într-o bandă destul de îngustă de timpi caracteristici.

Principalele modele includ:

Descrierea girocinetică a plasmei. Aici, necunoscuta este funcția de distribuție a ionilor, care depinde de șase variabile: trei coordonate spațiale în geometria toroidală, viteze longitudinale și transversale și timp. Pentru a descrie electronii în astfel de modele, se folosesc metode de mediere. Au fost dezvoltate coduri uriașe într-o serie de centre străine pentru a rezolva această problemă. Calculul de către aceștia necesită mult timp pe supercalculatoare. Nu există astfel de coduri în Rusia acum, în restul lumii există aproximativ o duzină de ele. În prezent, codurile girocinetice descriu procesele plasmatice în intervalul de timp 10 -5 -10 -2 sec. Aceasta include dezvoltarea instabilităților și comportamentul turbulenței plasmatice. Din păcate, aceste coduri nu oferă încă o imagine rezonabilă a transportului în plasmă. Compararea rezultatelor calculelor cu experimentul este încă la stadiul inițial.
Descrierea magnetohidrodinamică (MHD) a plasmei.În acest domeniu, o serie de centre au creat coduri pentru modele tridimensionale liniarizate. Sunt folosite pentru a studia stabilitatea plasmei. De regulă, se caută granițele instabilităților în spațiul parametrilor și al creșterilor. În paralel, se dezvoltă coduri neliniare.

Rețineți că atitudinea fizicienilor față de instabilitatea plasmei s-a schimbat considerabil în ultimele 2 decenii. În anii 1950 și 1960, instabilitățile plasmatice au fost descoperite „aproape în fiecare zi”. Dar, în timp, a devenit clar că doar unele dintre ele duc la distrugerea parțială sau completă a plasmei, în timp ce restul nu face decât să mărească (sau nu măresc) transferul de energie și particule. Cea mai periculoasă instabilitate, care duce la distrugerea completă a plasmei, se numește „instabilitate de stagnare” sau pur și simplu „de oprire”. Este neliniar și se dezvoltă atunci când modurile MHD liniare mai elementare asociate cu suprafețele rezonante individuale se intersectează în spațiu și, prin urmare, distrug suprafețele magnetice. Încercările de a descrie procesul de defalcare au condus la crearea de coduri neliniare. Din păcate, până acum niciunul dintre ei nu este capabil să descrie imaginea distrugerii plasmei.

În plasma experimentelor de astăzi, pe lângă instabilitatea blocării, un număr mic de instabilități sunt considerate periculoase. Aici vom numi doar două dintre ele. Acestea sunt așa-numitul mod RWM, asociat cu conductivitatea finită a pereților camerei și atenuarea curenților de stabilizare a plasmei din acesta, și modul NTM, asociat cu formarea de insule magnetice pe suprafețele magnetice rezonante. Până în prezent, au fost create mai multe coduri 3D MHD în geometria toroidală pentru a studia aceste tipuri de perturbații. Există căutări active pentru metode de suprimare a acestor instabilități, atât într-un stadiu incipient, cât și în stadiul de turbulență dezvoltată.

Descrierea transportului în plasmă, conductivitate termică și difuzie.În urmă cu aproximativ patruzeci de ani, a fost creată teoria clasică (bazată pe ciocnirile de perechi de particule) a transportului într-o plasmă toroidală. Această teorie a fost numită „neoclasică”. Cu toate acestea, deja la sfârșitul anilor 1960, experimentele au arătat că transferul de energie și particule în plasmă este mult mai mare decât cel neoclasic (cu 1-2 ordine de mărime). Pe această bază, transportul obișnuit în plasmă experimentală este numit „anomal”.

Au fost făcute multe încercări de a descrie transportul anormal prin dezvoltarea celulelor turbulente în plasmă. Modul obișnuit, adoptat în ultimul deceniu în multe laboratoare din întreaga lume, este următorul. Se presupune că motivul principal pentru transportul anormal este instabilitatea de tip deriva asociate cu gradienții de temperatură ai ionilor și electronilor sau cu prezența particulelor prinse în geometria toroidală a plasmei. Rezultatele calculelor pentru astfel de coduri conduc la următoarea imagine. Dacă gradienții de temperatură depășesc o anumită valoare critică, atunci instabilitatea în curs de dezvoltare duce la turbulența plasmei și la o creștere bruscă a fluxurilor de energie. Se presupune că aceste fluxuri cresc proporțional cu distanța (în anumite metrici) dintre gradienții experimentali și critici. În acest fel, în ultimul deceniu, au fost construite mai multe modele de transport pentru a descrie transferul de energie în plasma tokamak. Cu toate acestea, încercările de a compara calculele bazate pe aceste modele cu experimentul nu duc întotdeauna la succes. Pentru a descrie experimentele, trebuie să presupunem că în diferite moduri de descărcare și în diferite puncte spațiale ale secțiunii transversale a plasmei, diferite instabilități joacă rolul principal în transfer. Ca urmare, predicția nu este întotdeauna de încredere.

Problema este și mai complicată de faptul că în ultimul sfert de secol au fost descoperite multe semne de „auto-organizare” plasmatică. Un exemplu de astfel de efect este prezentat în Fig. 6 a, b.

Figura 6a prezintă profilele de densitate a plasmei n(r) pentru două descărcări MAST cu aceiași curenți și câmpuri magnetice, dar cu debite diferite de gaz de deuteriu pentru a menține densitatea. Aici r este distanța până la axa centrală a torului. Se poate observa că profilele de densitate diferă foarte mult ca formă. Figura 6b pentru aceleași impulsuri arată profilurile de presiune a electronilor normalizate în punctul - profilul temperaturii electronilor. Se poate observa că „aripile” profilelor de presiune coincid bine. Rezultă de aici că profilurile de temperatură a electronilor par să se „ajusteze” pentru a face profilurile de presiune la fel. Dar aceasta înseamnă că coeficienții de transfer sunt „ajustați”, adică nu sunt funcții ale parametrilor locali ai plasmei. O astfel de imagine în ansamblu se numește auto-organizare. Discrepanța dintre profilele de presiune din partea centrală se explică prin prezența oscilațiilor MHD periodice în zona centrală a debitului cu o densitate mai mare. Profilurile de presiune de pe aripi coincid, în ciuda acestei nestaționări.

În lucrarea noastră, se presupune că efectul de autoorganizare este determinat de acțiunea simultană a multor instabilități. Este imposibil să se evidențieze instabilitatea principală dintre ele, așa că descrierea transferului ar trebui să fie asociată cu niște principii variaționale care se realizează în plasmă datorită proceselor disipative. Ca atare principiu, se propune utilizarea principiului energiei magnetice minime propus de Kadomtsev. Acest principiu ne permite să distingem unele profiluri speciale de curent și presiune, care sunt denumite în mod obișnuit canonice. În modelele de transport, ele joacă același rol ca și gradienții critici. Modelele construite de-a lungul acestei căi fac posibilă descrierea rezonabilă a profilurilor experimentale de temperatură și densitate a plasmei în diferite moduri de funcționare ale tokamak-ului.

8. Drum spre viitor. Sperante si vise.

Pentru mai mult de o jumătate de secol de cercetări asupra plasmei fierbinți, o parte semnificativă a drumului către un reactor termonuclear a fost acoperită. În prezent, utilizarea instalațiilor de tip tokamak în acest scop pare a fi cea mai promițătoare. În paralel, deși cu o întârziere de 10-15 ani, se dezvoltă direcția stelarelor. Care dintre aceste instalații se va dovedi în cele din urmă a fi mai potrivită pentru un reactor comercial nu se poate spune acum. Acest lucru poate fi decis doar în viitor.

Progresul în cercetarea CTS începând cu anii 1960 este prezentat în Fig. 7 pe o scară dublă logaritmică.

Principalele probleme asociate cu implementarea reacțiilor termonucleare

Într-un reactor de fuziune, reacția de fuziune trebuie să fie lentă și trebuie să fie posibilă controlul acesteia. Studiul reacțiilor care apar în plasma cu deuteriu la temperatură înaltă reprezintă baza teoretică pentru obținerea reacțiilor termonucleare controlate artificiale. Principala dificultate este menținerea condițiilor necesare obținerii unei reacții termonucleare autosusținute. Pentru o astfel de reacție, este necesar ca rata de eliberare a energiei în sistemul în care are loc reacția să nu fie mai mică decât rata de eliminare a energiei din sistem. La temperaturi de ordinul a 10 8 K, reacțiile termonucleare dintr-o plasmă de deuteriu au o intensitate vizibilă și sunt însoțite de eliberarea de energie mare. Într-o unitate de volum de plasmă, atunci când nucleele de deuteriu sunt combinate, se eliberează o putere de 3 kW/m 3 . La temperaturi de ordinul a 10 6 K, puterea este de numai 10 -17 W/m 3 .

Dar cum să folosești practic energia eliberată? În timpul sintezei deuteriului cu triteriu, cea mai mare parte a energiei eliberate (aproximativ 80%) se manifestă sub forma energiei cinetice a neutronilor. Dacă acești neutroni sunt încetiniți în afara capcanei magnetice, atunci căldura poate fi obținută și apoi transformată în energie electrică. În timpul reacției de fuziune în deuteriu, aproximativ 2/3 din energia eliberată este transportată de particulele încărcate - produse de reacție, iar doar 1/3 din energie este neutroni. Iar energia cinetică a particulelor încărcate poate fi transformată direct în energie electrică.

Ce condiții sunt necesare pentru implementarea reacțiilor de sinteză? În aceste reacții, nucleele trebuie să se combine între ele. Dar fiecare nucleu este încărcat pozitiv, ceea ce înseamnă că între ele acționează forțe de respingere, care sunt determinate de legea lui Coulomb:

Unde Z 1 e este sarcina unui nucleu, Z 2 e este sarcina celui de-al doilea nucleu și e este modulul de sarcină a electronilor. Pentru a se conecta între ele, nucleele trebuie să învingă forțele de respingere Coulomb. Aceste forțe devin foarte mari pe măsură ce nucleele se apropie unul de celălalt. Cele mai mici forțe de respingere vor fi în cazul nucleelor de hidrogen cu cea mai mică sarcină (Z=1). Pentru a depăși forțele de respingere Coulomb și a se conecta, nucleele trebuie să aibă o energie cinetică de aproximativ 0,01 - 0,1 MeV. O astfel de energie corespunde unei temperaturi de ordinul 10 8 - 10 9 K. Și aceasta este mai mult decât temperatura chiar și în intestinele Soarelui! Datorită faptului că reacțiile de fuziune au loc la temperaturi foarte ridicate, ele se numesc termonucleare.

Reacțiile termonucleare pot fi o sursă de energie dacă eliberarea de energie va depăși costurile. Apoi, după cum se spune, procesul de sinteză va fi auto-susținut.

Temperatura la care se întâmplă acest lucru se numește temperatură de aprindere sau temperatură critică. Pentru reacția DT (deuteriu - triteriu), temperatura de aprindere este de aproximativ 45 milioane K, iar pentru reacția DD (deuteriu - deuteriu), aproximativ 400 milioane K. Astfel, reacțiile DT necesită temperaturi mult mai scăzute decât reacțiile DD. Prin urmare, cercetătorii de plasmă preferă reacțiile DT, deși tritiul nu apare în natură și trebuie create condiții speciale pentru reproducerea lui într-un reactor termonuclear.

Cum să păstrați plasma într-un fel de instalație - un reactor termonuclear - și să o încălziți astfel încât să înceapă procesul de fuziune? Pierderile de energie în plasma la temperatură înaltă sunt asociate în principal cu scăparea căldurii prin pereții dispozitivului. Plasma trebuie izolată apoi de pereți. În acest scop se folosesc câmpuri magnetice puternice (izolarea termică magnetică a plasmei). Dacă un curent electric mare trece prin coloana de plasmă în direcția axei acesteia, atunci în câmpul magnetic al acestui curent apar forțe care comprimă plasma într-o coloană de plasmă desprinsă de pereți. Menținerea plasmei separate de pereți și combaterea diferitelor instabilități plasmatice sunt cele mai complexe probleme, a căror soluție ar trebui să conducă la implementarea practică a reacțiilor termonucleare controlate.

Este clar că, cu cât concentrația de particule este mai mare, cu atât se ciocnesc mai des unele cu altele. Prin urmare, poate părea că pentru implementarea reacțiilor termonucleare este necesară utilizarea unei plasme cu o concentrație mare de particule. Cu toate acestea, dacă concentrația de particule este aceeași cu concentrația de molecule în gaze în condiții normale (10 25 m -3), atunci la temperaturi termonucleare presiunea în plasmă ar fi colosală - aproximativ 10 12 Pa. Niciun dispozitiv tehnic nu poate rezista la o asemenea presiune! Pentru ca presiunea să fie de ordinul a 10 6 Pa și să corespundă rezistenței materialului, plasma termonucleară trebuie să fie foarte rarefiată (concentrația particulelor trebuie să fie de ordinul a 10 21 m -3). într-o plasmă rarefiată, ciocnirile de particule între ele apar mai rar. Pentru ca o reacție termonucleară să fie menținută în aceste condiții, este necesar să se mărească timpul de rezidență al particulelor în reactor. În acest sens, capacitatea de reținere a capcanei este caracterizată de produsul dintre concentrația n de particule cu timpul t de reținere a acestora în capcană.

Se dovedește că pentru reacția DD

nt>10 22 m -3. din,

iar pentru reacția DT

nt>10 20 m -3. din.

Aceasta arată că pentru reacția DD la n=10 21 m -3 timpul de retenție trebuie să fie mai mare de 10 s; dacă n=10 24 m -3 atunci este suficient ca timpul de retenţie să depăşească 0,1 s.

Pentru un amestec de deuteriu și tritiu la n=10 21 m -3 poate începe o reacție de fuziune termonucleară dacă timpul de izolare a plasmei este mai mare de 0,1 s, iar la n=10 24 m -3 este suficient ca acest timp să fie mai mare. mai mult de 10 -4 s. Astfel, în aceleași condiții, timpul de retenție necesar al reacției DT poate fi semnificativ mai mic decât în reacțiile DD. În acest sens, reacția DT este mai ușor de realizat decât reacția DD.

Studiul mecanismului de funcționare a celulelor solare, compușii acestora - baterii

Eficiența panourilor solare este scăzută și se situează în intervalul 10 - 20%. Celulele solare cu cea mai mare eficienta sunt realizate pe baza de siliciu monocristal si policristal cu o grosime de 300 microni. Este eficiența unor astfel de baterii care ajunge la 20%...

Studiul mișcării unui sistem mecanic cu două grade de libertate

Să determinăm reacțiile în suportul unui corp în rotație prin metoda kinetostatică. Constă în rezolvarea problemei de dinamică prin mijloace (ecuaţii) statice. Pentru fiecare punct al unui sistem mecanic este valabilă ecuația de bază a dinamicii: (4...

Optica si fenomene optice in natura

Curcubeul Un curcubeu este un fenomen optic asociat cu refracția razelor de lumină pe numeroase picături de ploaie. Cu toate acestea, nu toată lumea știe...

Pentru fuziunea nucleelor ușoare, este necesar să se depășească bariera potențială cauzată de repulsia coulombiană a protonilor în nuclee similare încărcate pozitiv. Pentru fuziunea nucleelor de hidrogen 12D, acestea trebuie reunite la o distanță r...

Probleme ale fuziunii termonucleare

Implementarea reacțiilor termonucleare în condiții terestre va crea oportunități uriașe de obținere a energiei. De exemplu, atunci când se utilizează deuteriu conținut într-un litru de apă, aceeași cantitate de energie va fi eliberată într-o reacție de fuziune termonucleară...

Probleme ale fuziunii termonucleare

Fizicienii caută constant modalități de a stăpâni energia reacțiilor de fuziune termonucleară. Deja, astfel de reacții sunt implementate în diferite instalații termonucleare, dar energia eliberată în ele încă nu justifică cheltuirea fondurilor și a forței de muncă ...

Probleme ale fuziunii termonucleare

Direcția principală în cercetarea privind fizica plasmei și fuziunea termonucleară controlată, realizată la Institutul de Fuziune Nucleară...

Importanța excepțională pentru civilizația modernă a satisfacerii nevoilor sale energetice se reflectă în introducerea unei astfel de caracteristici precum „securitatea energetică”...

Procesele de lucru ale instalației de dezaerare și ale elementelor acesteia

Putem vorbi despre trei probleme principale care afectează cel mai mult toate aspectele vieții umane și afectează însăși bazele dezvoltării durabile a civilizației...

Calculul filtrului rezonator pe unde magnetostatice directe în vrac

Îmbunătățirea neuniformității răspunsului în frecvență și lărgirea lățimii de bandă pot fi realizate în cazul cuplării critice între rezonatoare identice. Acest lucru îmbunătățește atât suprimarea în afara benzii, cât și panta pantelor răspunsului în frecvență...

Fuziune termonucleară controlată

Reacția de fuziune este următoarea: se iau două sau mai multe nuclee atomice și, odată cu aplicarea unei anumite forțe, se apropie unul de celălalt încât forțele care acționează la astfel de distanțe...

Fizica compușilor macromoleculari

Transformările chimice ale polimerilor fac posibilă crearea a numeroase noi clase de compuși macromoleculari și modificarea proprietăților și aplicațiilor polimerilor finiți într-o gamă largă...

Stări extreme ale materiei

Când temperatura și presiunea devin suficient de mari, în substanță încep transformări nucleare, care au loc cu eliberarea de energie. Nu este nevoie să explicăm aici importanța studierii acestor procese...

Securitatea energetică a Rusiei

Domeniul fizicii plasmei a înflorit din dorința de a îmbutelia o stea. În ultimele decenii, domeniul a crescut în nenumărate direcții, de la astrofizică la vremea spațială la nanotehnologie.

Pe măsură ce înțelegerea noastră generală despre plasmă a crescut, la fel a crescut și capacitatea noastră de a menține condițiile de fuziune pentru mai mult de o secundă. La începutul acestui an, un nou reactor de fuziune supraconductor din China a fost capabil să țină o plasmă la 50 de milioane de grade Celsius pentru un record de 102 de secunde. Wendelstein X-7 Stellarator, care a intrat în funcțiune în Germania pentru prima dată în toamna anului trecut, este de așteptat să doboare acel record și să păstreze plasma timp de până la 30 de minute la un moment dat.

Actualizarea recentă NSTX-U pare modestă în comparație cu acești monștri: experimentul poate reține acum plasmă timp de cinci secunde în loc de una. Dar aceasta este și o etapă importantă.

„Crearea unei plasme de fuziune care trăiește doar cinci secunde poate să nu pară un proces foarte lung, dar în fizica plasmei, cinci secunde pot fi comparate cu fizica ei într-o stare stabilă”, spune Myers, referindu-se la condițiile în care o plasmă. este stabil. Scopul final este de a obține o stare stabilă de „plasmă de ardere” care poate conduce fuziunea singură cu un mic aport de energie din exterior. Niciun experiment nu a reușit încă acest lucru.

NSTX-U va permite cercetătorilor de la Princeton să completeze unele dintre golurile dintre ceea ce se știe din fizica plasmei acum și ceea ce va fi necesar pentru a crea o instalație pilot capabilă să realizeze arderea la starea de echilibru și să genereze electricitate curată.

Pe de o parte, pentru a găsi cele mai bune materiale de izolare, trebuie să înțelegem mai bine ce se întâmplă între plasma de fuziune și pereții reactorului. Princeton explorează posibilitatea de a înlocui pereții reactorului său (din grafit de carbon) cu un „perete” de litiu lichid pentru a reduce coroziunea pe termen lung.

În plus, oamenii de știință cred că, dacă fuziunea ajută la lupta împotriva încălzirii globale, trebuie să se grăbească. NSTX-U îi va ajuta pe fizicieni să decidă dacă să continue dezvoltarea designului tokamak sferic. Majoritatea reactoarelor de tip tokamak sunt mai puțin ca un măr și mai mult ca o gogoașă, covrigi sau torus. Forma neobișnuită a torului sferic permite utilizarea mai eficientă a câmpului magnetic al bobinelor sale.

„Pe termen lung, am dori să ne dăm seama cum să optimizăm configurația uneia dintre aceste mașini”, spune Martin Greenwald, director asociat al Centrului pentru Științe ale Plasmei și Fuziunii la . „Pentru a face asta, trebuie să știi cum performanța mașinii depinde de ceva ce poți controla, cum ar fi forma.”

Myers urăște să judece cât de departe suntem de puterea de fuziune posibilă din punct de vedere comercial și el poate fi înțeles. La urma urmei, decenii de optimism inevitabil au afectat serios reputația acestui domeniu și au întărit ideea că sinteza este un vis. Cu toate implicațiile financiare.

A fost o lovitură majoră pentru programul de fuziune MIT faptul că federalii au oferit suport pentru tokamak Alcator C-Mid, care produce unul dintre cele mai puternice câmpuri magnetice și demonstrează plasmă de fuziune la cea mai mare presiune. Majoritatea cercetărilor NSTX-U în așteptare vor depinde de sprijinul federal continuu, despre care Myers spune că vine „într-un an”.

Toată lumea trebuie să aibă grijă să-și cheltuiască dolarii de cercetare, iar unele programe de fuziune au înghițit deja sume incredibile. Luați, de exemplu, ITER, uriașul reactor de fuziune supraconductor aflat în prezent în construcție în Franța. Când a început cooperarea internațională în 2005, a fost anunțată ca un proiect de 5 miliarde de dolari, pe 10 ani. După câțiva ani de eșec, prețul a crescut la 40 de miliarde de dolari. Potrivit celor mai optimiste estimări, instalația va fi finalizată până în 2030.

Și acolo unde ITER este probabil să se umfle ca o tumoare până când rămâne fără resurse și își ucide gazda, programul de fuziune redus al MIT arată cum se poate face cu un buget mult mai mic. Vara trecută, o echipă de absolvenți ai MIT a dezvăluit planuri pentru ARC, un reactor de fuziune cu costuri reduse care va folosi noi materiale supraconductoare la temperatură înaltă pentru a genera aceeași cantitate de energie ca ITER, doar cu un dispozitiv mult mai mic.

„Provocarea pentru fuziune este găsirea unei căi tehnice care să o facă viabilă din punct de vedere economic, ceea ce intenționăm să facem în curând”, spune Greenwald, menționând că conceptul ARC este în prezent urmărit de Inițiativa Energetică a MIT. „Credem că, dacă fuziunea va face o diferență în încălzirea globală, trebuie să ne mișcăm mai repede.”

„Fuziunea promite să fie principala sursă de energie – acesta este, de fapt, scopul nostru final”, spune Robert Rosner, un fizician al plasmei la Universitatea din Chicago și co-fondator al Institutului de Politică Energetică din cadrul acesteia. „În același timp, există o întrebare importantă: cât suntem dispuși să cheltuim acum. Dacă reducem finanțarea până la punctul în care următoarea generație de copii inteligenți nu vrea deloc să o facă, s-ar putea să ieșim cu totul din asta.”

9 iulie 2016

Proiectele inovatoare care utilizează supraconductori moderni vor permite în curând fuziunea termonucleară controlată, spun unii optimiști. Experții prevăd însă că aplicarea practică va dura câteva decenii.

De ce este atât de greu?

Energia de fuziune este considerată o sursă potențială de energie pentru viitor. Aceasta este energia pură a atomului. Dar ce este și de ce este atât de greu de realizat? Pentru început, trebuie să înțelegem diferența dintre fisiunea nucleară clasică și fuziunea termonucleară.

Fisiunea atomului constă în faptul că izotopii radioactivi - uraniu sau plutoniu - sunt scindați și transformați în alți izotopi foarte radioactivi, care apoi trebuie îngropați sau reciclați.

Reacția de fuziune constă în faptul că doi izotopi ai hidrogenului - deuteriu și tritiu - se contopesc într-un singur întreg, formând heliu netoxic și un singur neutron, fără a produce deșeuri radioactive.

Problema de control

Reacțiile care au loc pe Soare sau într-o bombă cu hidrogen sunt fuziunea termonucleară, iar inginerii se confruntă cu o sarcină descurajantă - cum să controleze acest proces la o centrală electrică?

Acesta este un lucru la care oamenii de știință au lucrat încă din anii 1960. Un alt reactor experimental de fuziune numit Wendelstein 7-X a început să funcționeze în orașul Greifswald, din nordul Germaniei. Nu este încă conceput pentru a crea o reacție - este doar un design special care este testat (un stellarator în loc de un tokamak).

plasmă de înaltă energie

Toate instalațiile termonucleare au o caracteristică comună - o formă inelară. Se bazează pe ideea de a folosi electromagneți puternici pentru a crea un câmp electromagnetic puternic în formă de torus - un tub umflat de bicicletă.

Acest câmp electromagnetic trebuie să fie atât de dens încât atunci când este încălzit într-un cuptor cu microunde la un milion de grade Celsius, o plasmă trebuie să apară chiar în centrul inelului. Este apoi aprins pentru ca fuziunea termonucleară să poată începe.

Demonstrarea posibilităților

Două astfel de experimente sunt în curs de desfășurare în Europa. Unul dintre ele este Wendelstein 7-X, care a generat recent prima sa plasmă cu heliu. Celălalt este ITER, o uriașă instalație experimentală de fuziune din sudul Franței, care este încă în construcție și va fi gata să funcționeze în 2023.

Reacții nucleare reale sunt de așteptat să aibă loc la ITER, deși doar pentru o perioadă scurtă de timp și cu siguranță nu mai mult de 60 de minute. Acest reactor este doar unul dintre mulți pași pe drumul spre a face fuziunea nucleară o realitate.

Reactorul de fuziune: mai mic și mai puternic

Recent, mai mulți designeri au anunțat un nou design de reactor. Potrivit unui grup de studenți de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, precum și reprezentanți ai companiei de arme Lockheed Martin, fuziunea poate fi realizată în facilități mult mai puternice și mai mici decât ITER și sunt gata să o facă în termen de zece. ani.

Ideea noului design este de a folosi supraconductori moderni de înaltă temperatură în electromagneți, care își prezintă proprietățile atunci când sunt răciți cu azot lichid, mai degrabă decât cei convenționali, care necesită heliu lichid. Noua tehnologie, mai flexibilă, va face posibilă schimbarea completă a designului reactorului.

Klaus Hesch, care este responsabil cu tehnologia fuziunii nucleare la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din sud-vestul Germaniei, este sceptic. Susține utilizarea de noi supraconductori de înaltă temperatură pentru noi modele de reactoare. Dar, potrivit lui, a dezvolta ceva pe un computer, ținând cont de legile fizicii, nu este suficient. Este necesar să se țină cont de provocările care apar la punerea în practică a unei idei.

Operă științifico-fantastică

Potrivit lui Hesh, modelul studentului MIT arată doar posibilitatea unui proiect. Dar de fapt este multă science fiction. Proiectul presupune că sunt rezolvate probleme tehnice serioase ale fuziunii termonucleare. Dar știința modernă nu are idee cum să le rezolve.

O astfel de problemă este ideea bobinelor pliabile. Electromagneții pot fi demontați pentru a intra în inelul care deține plasma în modelul de design MIT.

Acest lucru ar fi foarte util deoarece s-ar putea accesa obiectele din sistemul intern și le-ar putea înlocui. Dar, în realitate, supraconductorii sunt fabricați din material ceramic. Sute dintre ele trebuie să fie împletite într-un mod sofisticat pentru a forma câmpul magnetic corect. Și aici există dificultăți mai fundamentale: conexiunile dintre ele nu sunt la fel de simple ca conexiunile cablurilor de cupru. Nimeni nu s-a gândit măcar la concepte care ar ajuta la rezolvarea unor astfel de probleme.

prea cald

Temperatura ridicată este, de asemenea, o problemă. În miezul plasmei de fuziune, temperatura va ajunge la aproximativ 150 de milioane de grade Celsius. Această căldură extremă rămâne pe loc - chiar în centrul gazului ionizat. Dar chiar și în jurul lui este încă foarte cald - de la 500 la 700 de grade în zona reactorului, care este stratul interior al unei țevi metalice în care se va „reproduce” tritiul necesar pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc.

Reactorul de fuziune are o problemă și mai mare - așa-numita eliberare a puterii. Aceasta este partea sistemului care primește combustibil uzat din procesul de fuziune, în principal heliu. Primele componente metalice în care intră gazul fierbinte se numesc „deviator”. Se poate încălzi până la peste 2000°C.

Problemă cu deviatorul

Pentru ca instalația să reziste la astfel de temperaturi, inginerii încearcă să folosească tungstenul metalic folosit în lămpile cu incandescență de modă veche. Punctul de topire al wolframului este de aproximativ 3000 de grade. Dar există și alte limitări.

În ITER, acest lucru se poate face, deoarece încălzirea în el nu are loc constant. Se presupune că reactorul va funcționa doar 1-3% din timp. Dar aceasta nu este o opțiune pentru o centrală electrică care trebuie să funcționeze 24/7. Și, dacă cineva pretinde că poate construi un reactor mai mic cu aceeași putere ca ITER, este sigur să spunem că nu are o soluție la problema deviatorului.

Centrală electrică în câteva decenii

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt optimiști cu privire la dezvoltarea reactoarelor termonucleare, deși nu va fi atât de rapidă pe cât prevăd unii entuziaști.

ITER ar trebui să arate că fuziunea controlată poate produce de fapt mai multă energie decât ar fi cheltuită pentru încălzirea plasmei. Următorul pas este construirea unei noi centrale electrice hibride demonstrative care generează efectiv electricitate.

Inginerii lucrează deja la proiectarea acestuia. Ei vor trebui să învețe de la ITER, care este programat să fie lansat în 2023. Având în vedere timpul necesar pentru proiectare, planificare și construcție, pare puțin probabil ca prima centrală de fuziune să fie lansată mult mai devreme de mijlocul secolului XXI.

Cold Fusion Rossi

În 2014, un test independent al reactorului E-Cat a concluzionat că dispozitivul avea o putere medie de 2.800 de wați pe o perioadă de 32 de zile, cu un consum de 900 de wați. Aceasta este mai mult decât orice reacție chimică este capabilă să izoleze. Rezultatul vorbește fie despre o descoperire în fuziunea termonucleară, fie despre fraudă totală. Raportul i-a dezamăgit pe sceptici, care se îndoiesc dacă testul a fost cu adevărat independent și sugerează o posibilă falsificare a rezultatelor testului. Alții au fost ocupați să descopere „ingredientele secrete” care permit fuziunii lui Rossi să reproducă tehnologia.

Rossi este un escroc?

Andrea este impunătoare. El publică proclamații către lume într-o engleză unică în secțiunea de comentarii a site-ului său, numită pretențios Journal of Nuclear Physics. Dar încercările sale anterioare eșuate au inclus un proiect italian de transformare a deșeurilor în combustibil și un generator termoelectric. Petroldragon, un proiect de transformare a deșeurilor în energie, a eșuat în parte pentru că aruncarea ilegală a deșeurilor este controlată de crima organizată italiană, care a depus acuzații penale împotriva acesteia pentru încălcarea reglementărilor privind gestionarea deșeurilor. El a creat și un dispozitiv termoelectric pentru Corpul Inginerilor Armatei SUA, dar în timpul testării, gadgetul a produs doar o fracțiune din puterea declarată.

Mulți nu au încredere în Rossi, iar redactorul-șef al New Energy Times l-a numit fără îndoială un criminal, cu un șir de proiecte energetice eșuate în spate.

Verificare independentă

Rossi a semnat un contract cu compania americană Industrial Heat pentru a efectua un test secret de un an al unei centrale de fuziune la rece de 1 MW. Dispozitivul era un container de transport plin cu zeci de E-Cats. Experimentul a trebuit să fie controlat de o terță parte care să poată confirma că generarea de căldură avea într-adevăr loc. Rossi susține că și-a petrecut o mare parte din ultimul an trăind practic într-un container și supravegheând operațiunile mai mult de 16 ore pe zi pentru a dovedi viabilitatea comercială a E-Cat.

Testul s-a încheiat în martie. Susținătorii lui Rossi au așteptat cu nerăbdare raportul observatorilor, sperând o achitare pentru eroul lor. Dar până la urmă au fost dați în judecată.

Proces

Într-un dosar de judecată din Florida, Rossi susține că testul a avut succes și un arbitru independent a confirmat că reactorul E-Cat produce de șase ori mai multă energie decât consumă. El a mai susținut că Industrial Heat a fost de acord să-i plătească 100 de milioane de dolari - 11,5 milioane de dolari în avans după proba de 24 de ore (aparent pentru drepturi de licență, astfel încât compania să poată vinde tehnologia în SUA) și încă 89 de milioane de dolari după finalizarea cu succes a procesului extins. .în termen de 350 de zile. Rossi l-a acuzat pe IH că derulează o „schemă frauduloasă” pentru a-i fura proprietatea intelectuală. El a acuzat, de asemenea, compania că a deturnat reactoare E-Cat, a copiat ilegal tehnologii și produse inovatoare, funcționalități și design și a abuzat de un brevet asupra proprietății sale intelectuale.

Mina de aur

În altă parte, Rossi susține că într-una dintre demonstrațiile sale, IH a primit 50-60 de milioane de dolari de la investitori și alte 200 de milioane de dolari din China, după o reluare la care a implicat înalți oficiali chinezi. Dacă acest lucru este adevărat, atunci sunt în joc mai mult de o sută de milioane de dolari. Industrial Heat a respins aceste afirmații ca fiind lipsite de temei și urmează să se apere în mod activ. Mai important, ea susține că „a lucrat mai bine de trei ani pentru a confirma rezultatele pe care Rossi le-ar fi obținut cu tehnologia sa E-Cat, toate fără succes”.

IH nu crede în E-Cat, iar New Energy Times nu vede niciun motiv să se îndoiască de asta. În iunie 2011, un reprezentant al publicației a vizitat Italia, l-a intervievat pe Rossi și a filmat o demonstrație a lui E-Cat. O zi mai târziu, și-a raportat îngrijorările serioase cu privire la metoda de măsurare a puterii termice. După 6 zile, jurnalistul și-a postat videoclipul pe YouTube. Experți din întreaga lume i-au trimis analize, care au fost publicate în iulie. A devenit clar că aceasta a fost o înșelătorie.

Confirmare experimentală

Cu toate acestea, un număr de cercetători - Alexander Parkhomov de la Universitatea de Prietenie a Popoarelor din Rusia și Proiectul Memorial Martin Fleishman (MFPM) - au reușit să reproducă fuziunea la rece a Rusiei. Raportul MFPM a fost intitulat „Sfârșitul erei carbonului este aproape”. Motivul unei astfel de admirații a fost descoperirea unei explozii de radiații gamma, care nu poate fi explicată altfel decât printr-o reacție termonucleară. Potrivit cercetătorilor, Rossi are exact despre ce vorbește.

O rețetă deschisă viabilă pentru fuziunea la rece ar putea declanșa o goană a aurului energetic. S-ar putea găsi metode alternative pentru a ocoli brevetele lui Rossi și a-l ține departe de afacerile cu energie de mai multe miliarde de dolari.

Deci, poate că Rossi ar prefera să evite această confirmare.

3. Probleme ale fuziunii termonucleare controlate

Cercetătorii din toate țările dezvoltate își pun speranța în depășirea crizei energetice viitoare printr-o reacție termonucleară controlată. O astfel de reacție - sinteza heliului din deuteriu și tritiu - are loc pe Soare de milioane de ani, iar în condiții terestre de cincizeci de ani încearcă să o desfășoare în instalații laser gigantice și foarte scumpe, tokamak-uri. (un dispozitiv pentru efectuarea unei reacții de fuziune termonucleară în plasmă fierbinte) și stelare (capcană magnetică închisă pentru a conține plasmă la temperatură înaltă). Cu toate acestea, există și alte modalități de a rezolva această problemă dificilă și, în loc de tokamak-uri uriașe, va fi probabil posibil să se utilizeze un colisionar destul de compact și ieftin - un accelerator pe fascicule care se ciocnesc - pentru implementarea fuziunii termonucleare.

Tokamak necesită cantități foarte mici de litiu și deuteriu pentru a funcționa. De exemplu, un reactor cu o putere electrică de 1 GW arde aproximativ 100 kg de deuteriu și 300 kg de litiu pe an. Dacă presupunem că toate centralele termonucleare vor produce 10 trilioane. kW/h de electricitate pe an, adică atât cât produc astăzi toate centralele electrice ale Pământului, atunci rezervele mondiale de deuteriu și litiu vor fi suficiente pentru a furniza energie omenirii timp de multe milioane de ani.

Pe lângă fuziunea deuteriului și litiului, o fuziune pur solară este posibilă atunci când doi atomi de deuteriu sunt combinați. Dacă această reacție este stăpânită, problemele energetice vor fi rezolvate imediat și pentru totdeauna.

În oricare dintre variantele cunoscute de fuziune termonucleară controlată (CTF), reacțiile termonucleare nu pot intra în modul de creștere necontrolată a puterii, prin urmare, astfel de reactoare nu sunt intrinsec sigure.

Din punct de vedere fizic, problema este formulată simplu. Pentru ca o reacție de fuziune nucleară auto-susținută să aibă loc, este necesar și suficient să se îndeplinească două condiții.

1. Energia nucleelor care participă la reacție trebuie să fie de cel puțin 10 keV. Pentru ca fuziunea nucleară să înceapă, nucleele care participă la reacție trebuie să se încadreze în câmpul forțelor nucleare, a căror rază este de 10-12-10-13 s.cm. Cu toate acestea, nucleele atomice au o sarcină electrică pozitivă, iar sarcinile asemănătoare se resping reciproc. La limita acțiunii forțelor nucleare, energia de repulsie a lui Coulomb este de aproximativ 10 keV. Pentru a depăși această barieră, nucleele din ciocnire trebuie să aibă o energie cinetică de cel puțin nu mai mică decât această valoare.

2. Produsul concentraţiei nucleelor care reacţionează şi timpul de retenţie în care aceştia reţin energia indicată trebuie să fie de cel puţin 1014 s.cm-3. Această condiție - așa-numitul criteriu Lawson - determină limita rentabilității energetice a reacției. Pentru ca energia eliberată în reacția de fuziune să acopere cel puțin costurile energetice ale inițierii reacției, nucleele atomice trebuie să sufere multe ciocniri. În fiecare ciocnire în care are loc o reacție de fuziune între deuteriu (D) și tritiu (T), se eliberează 17,6 MeV de energie, adică aproximativ 3,10-12 J. Dacă, de exemplu, 10 MJ energie este cheltuită la aprindere, atunci Reacția va fi de echilibru dacă cel puțin 3,1018 perechi DT iau parte la ea. Și pentru aceasta, o plasmă de înaltă energie destul de densă trebuie păstrată în reactor mult timp. Această condiție este exprimată de criteriul Lawson.

Dacă ambele cerințe pot fi îndeplinite simultan, se va rezolva problema fuziunii termonucleare controlate.

Cu toate acestea, implementarea tehnică a acestei probleme fizice se confruntă cu dificultăți enorme. La urma urmei, o energie de 10 keV este o temperatură de 100 de milioane de grade. O substanță la o astfel de temperatură poate fi păstrată chiar și fracțiuni de secundă doar în vid, prin izolarea acesteia de pereții instalației.

Dar există o altă metodă pentru a rezolva această problemă - o fuziune la rece. Ce este o fuziune la rece - acesta este un analog al unei reacții termonucleare „fierbinte” care are loc la temperatura camerei.

În natură, există cel puțin două moduri de a schimba materia într-o dimensiune a continuumului. Puteți fierbe apă pe foc, de exemplu. termic sau într-un cuptor cu microunde, de ex. frecvență. Rezultatul este același - apa fierbe, singura diferență este că metoda frecvenței este mai rapidă. De asemenea, folosește atingerea temperaturii ultra-înalte pentru a împărți nucleul atomului. Metoda termică dă o reacție nucleară necontrolată. Energia unei fuziuni la rece este energia stării de tranziție. Una dintre principalele condiții pentru proiectarea unui reactor pentru efectuarea unei reacții de fuziune la rece este starea formei sale piramidal-cristaline. O altă condiție importantă este prezența câmpurilor magnetice și de torsiune rotative. Intersecția câmpurilor are loc în punctul de echilibru instabil al nucleului de hidrogen.

Oamenii de știință Ruzi Taleiarkhan de la Laboratorul Național Oak Ridge, Richard Leikhi de la Universitatea Politehnică. Renssilira și academicianul Robert Nigmatulin - au înregistrat o reacție termonucleară rece în laborator.

Grupul a folosit un pahar de acetonă lichidă de mărimea a două până la trei pahare. Undele sonore au fost transmise intens prin lichid, producând un efect cunoscut în fizică ca cavitație acustică, a cărei consecință este sonoluminiscența. În timpul cavitației, în lichid au apărut bule mici, care au crescut la doi milimetri în diametru și au explodat. Exploziile au fost însoțite de fulgere de lumină și eliberare de energie, de exemplu. temperatura din interiorul bulelor în momentul exploziei a atins 10 milioane de grade Kelvin, iar energia eliberată, conform experimentatorilor, este suficientă pentru a realiza fuziunea termonucleară.

„Tehnic” esența reacției constă în faptul că, în urma combinării a doi atomi de deuteriu, se formează un al treilea - un izotop de hidrogen, cunoscut sub numele de tritiu, și un neutron, caracterizat printr-o cantitate enormă de energie. .

Curentul în starea supraconductoare este zero și, prin urmare, cantitatea minimă de energie electrică va fi cheltuită pentru menținerea câmpului magnetic. 8. Sisteme superrapide. Fuziunea termonucleară controlată cu izolare inerțială Dificultățile asociate cu închiderea magnetică a plasmei pot fi, în principiu, ocolite dacă combustibilul nuclear este ars în timpi extrem de scurti, când...

Pentru 2004. Următoarele negocieri asupra acestui proiect vor avea loc în mai 2004 la Viena. Reactorul va fi construit în 2006 și este programat să fie lansat în 2014. Cum funcționează Fusion* este o modalitate ieftină și ecologică de a produce energie. De miliarde de ani, fuziunea termonucleară necontrolată are loc pe Soare - heliul se formează din izotopul greu al hidrogenului deuteriu. în care...

Reactorul termonuclear experimental este condus de E.P. Velikhov. Statele Unite, după ce au cheltuit 15 miliarde de dolari, s-au retras din acest proiect, restul de 15 miliarde au fost deja cheltuiți de organizațiile științifice internaționale. 2. Probleme tehnice, de mediu și medicale. În timpul funcționării instalațiilor de fuziune termonucleară controlată (UTF). apar fascicule de neutroni și radiații gamma, precum și...

Energia și ce calitate va fi necesară pentru ca energia eliberată să fie suficientă pentru a acoperi costurile de începere a procesului de eliberare a energiei. Vom discuta mai jos această întrebare în legătură cu problemele fuziunii termonucleare. Despre calitatea energiei laserelor În cele mai simple cazuri, limitările privind conversia energiei de calitate scăzută în energie de înaltă calitate sunt evidente. Iată câteva exemple din...