Nucleul atomului, așa cum ne amintim, constă într-o primă aproximare a protonilor și a neutronilor (= nucleoni). Pentru a distruge toate neutronii și protonii de la un atom, trebuie să folosim o anumită energie - energia obligatorie a nucleului. Această energie este diferită pentru diferiți izotopi și, firește, în reacțiile nucleare, echilibrul energetic trebuie să rămână. Dacă plotăm energia de legare pentru toate izotopii (pe 1 nucleon), obținem următoarele:
De aici vedem că putem primi fie energie prin împărțirea atomilor grei (ca 235 U), fie prin conectarea plămânilor.
Cele mai realiste și mai interesante în practică, următoarele reacții de sinteză:
1) 2 D + 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
2) 2 D + 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%
2 D + 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50%
3) 2 D + 3 El -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
4) p + 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV
În aceste reacții utilizate Deuteriu (D) - este posibil să se obțină direct de la apa de mare, tritiu (T) - un izotop radioactiv al hidrogenului, este acum obținută ca deșeu în reactoare nucleare convenționale pot fi produse special de litiu. Helium-3 - pare să fie pe Lună, așa cum știm deja toți. Bor-11 - bor natural pe 80% constă din bor-11. p (Prothium, atom de hidrogen) este hidrogen obișnuit.
Pentru comparatie, atunci cand divizam 235 U,
202,5 MeV de energie, adică mult mai mult decât o reacție de sinteză la 1 atom (dar per kilogram de combustibil - desigur, combustibilul termonuclear dă mai multă energie).
Conform reacțiilor 1 și 2, sunt produse o mulțime de neutroni de energie foarte ridicată, ceea ce face ca întreaga structură a reactorului să fie radioactivă. Dar reacțiile 3 și 4 - "no-neutron" (aneutronic) - nu produc radiații induse. Din păcate, reacțiile secundare rămân, de exemplu, din reacția de 3 - deuteriu va reacționa cu el însuși, și o mică radiație neutronică va fi în continuare.
Reacția 4 este interesantă prin faptul că, prin urmare, obținem 3 particule alfa, din care teoretic este posibil să tragem direct energia (deoarece reprezintă, de fapt, încărcări în mișcare = curent).
În general, există destule reacții interesante. Singura întrebare este cât de ușor este să le realizăm în realitate?
Cu privire la complexitatea reacției, umanitatea a stăpânit destul de ușor diviziunea de 235 U. Nu există nici o complicație aici - deoarece neutronii nu au o încărcătură, ei pot literalmente "crawl" prin miez, chiar și la o viteză foarte mică. În majoritatea reactoarelor de fisiune sunt folosite doar astfel de neutroni termici - în care viteza de mișcare este comparabilă cu viteza mișcării termice a atomilor.
Dar, cu reacția de sinteză - avem 2 nuclee care au o încărcătură și se resping reciproc. Pentru a le apropia de distanța dorită pentru reacție - este necesar să se miște cu o viteză suficientă. Astfel de viteze pot fi atinse fie în accelerator (atunci când toți atomii se mută cu o viteză optimă), fie prin încălzire (când atomii zboară în direcții aleatorii și la viteză aleatorie).
Iată un grafic care arată viteza de reacție (secțiune transversală) ca funcție a vitezei (= energiei) atomilor de coliziune:
Aici este același lucru, dar este construit din temperatura plasmei, ținând seama de faptul că atomii zboară la viteză aleatorie:
Du-te vezi reacția D + T - cel mai „ușor“ (are nevoie de un nenorocit de 100 de milioane de grade), D + D - aproximativ 100 de ori mai lent la aceleași temperaturi, D + 3 El merge mai repede decât concurente D + D numai la temperaturi de ordinul 1 miliard de grade.
Astfel, doar reacția D + T este accesibilă cel puțin de la distanță unei persoane, cu toate neajunsurile sale (radioactivitatea tritiului, complexitatea cu recepția, radiația indusă de neutroni).
Dar cum înțelegeți, luați și încălziți ceva la o sută de milioane de grade și lăsați să reacționați nu va funcționa - orice obiecte încălzite emite lumină și, astfel, se răcesc rapid. Plasma încălzită la sute de milioane de grade - strălucește în gama de raze X și că cel mai trist lucru este că este transparent pentru el. Ie Plasma cu o astfel de temperatură letale se răcește rapid și, pentru a menține temperatura, este necesar să pompăm constant energia gigantică în menținerea temperaturii.
Cu toate acestea, datorită faptului că foarte puțin (de exemplu, în ITER - numai grame și jumătate), într-un gaz reactor de fuziune, toate se transformă nu sunt așa de rău: să se încălzească 0,5 g de hidrogen la 100 mln K trebuie să cheltuiască aproximativ aceeași cantitate de energie pentru a încălzi 186 litri de apă la 100 de grade.
Există un alt criteriu pentru Lawson. Aceasta arată dacă reacția va da mai multă energie decât este cheltuită. În plus față de temperatură, densitatea este de asemenea importantă (densitatea plasmei în sine este mai rapidă - reacția este mai rapidă) și timpul de retenție plasmatică (pentru a reacționa). În consecință, sistemele pot fi impulsive (Z-Machine, NIF, încărcare termonucleară - timp de reacție scurt, temperatură ridicată și densitate) și constante (tokamak - densitate scăzută și temperatură, timp lung de reacție).
Să vedem acum ce abordări există pentru realizarea unui reactor termonuclear.
desen
Steaua este un reactor termonuclear natural. Plasma fierbinte sub presiune înaltă este menținută de gravitație, iar toate radiografiile radiate - datorită densității și dimensiunilor uriașe, sunt absorbite. Astfel, miezul nu se răcește nici măcar la rate relativ scăzute de reacție. Din acest motiv, nu numai hidrogen și deuteriu arde în nucleu, dar și elemente mult mai grele. Din păcate, pe teren, această construcție este dificil de implementat.
Neutronii "în exces" sunt capturați de litiu-6 cu formarea de tritiu și se formează amestecul încălzit de deuteriu și tritiu de care avem nevoie. Ei încep să reacționeze unul cu celălalt - și îi împiedică să zboare de pe forța de inerție în raport cu carcasa grele de încărcare din uraniu. În plus, corpul uraniului este opac pentru radiația cu raze X - în consecință, pierderea de căldură este mai mică. Întreaga reacție se termină în 1 microsecundă - iar corpul începe să zboare în direcții diferite.
Acesta a fost așa-numitul „circuit de rapel“ taxa nucleară, în cazul în care contribuția unei reacții de fuziune este mică, și vă permite doar pentru a ridica un pic de putere „pe ieftine“ (plutoniu - foarte scump, și litiu - în comparație, este ieftin ca murdărie).
Tritiumul nu este utilizat direct, deoarece este radioactiv și, prin urmare, nu este stocat pentru o lungă perioadă de timp. Și litiul-6 este stabil, iar încărcătura nucleară este întotdeauna gata de luptă. Puteți utiliza litiu-7 - nu numai că dă tritiu, dar și un neutron suplimentar. Această reacție nu a fost cunoscută atunci când americanii au testat bomba "Creveți" ("Creveți"). Din cauza lipsei pure de litiu-6 pus parțial îmbogățit în care litiu-6 a fost de numai 40%, și a numărat pe o explozie de 6 megatons, și dolban cu 15.
Există, de asemenea, o schemă de implantare a radiațiilor - când o explozie nucleară primară de către radiația cu raze X comprimă și încălzește o sferă separată cu combustibil termonuclear.
Acest lucru desigur funcționează bine în scopul distrugerii, dar această abordare nu poate fi folosită pentru a obține energie, puterea minimă de explozie este foarte mare și prea multe produse radioactive obișnuite ale reacției plutoniu / uraniu.
Acceleratoare liniare. ideea este simplă - luăm o țintă de la orice deuterid metal convenabil și într-un mic accelerator liniar acceleram atomii de tritiu la viteza dorită. Obținem reacția termonucleară reală și randamentul energetic și neutronii de 14,1 MeV. O astfel de sursă poate fi utilizată pentru a căuta petrol și apă (de exemplu, pe rotorul MSL marțian există o sursă de neutroni DAN impulsiv rus) și ca un inițiator neutron cu impulsuri neutronice în sarcini nucleare.
De ce este atât de imposibil să se producă energie electrică? Overclockarea atomilor consumă mult mai multă energie decât reacționăm (nu reacționează toți atomii accelerați). Conform calculelor mele, DAN, de exemplu, are o eficiență de aproximativ 0,0016%.
Tokamak (camera toroidală cu bobine magnetice) - ideea este deja puțin mai complicată, într-un toroid cu plasmă, ca într-un transformator, inducem un curent. În jurul torusului sunt magneți supraconductori care "stoarcă" plasma și îi împiedică să atingă pereții. Plasma este încălzită prin radiație cu microunde și încălzirea rezistivă din curentul curge. Când au început să lucreze în această direcție - se părea că tocmai și totul va funcționa.
Problemele pentru tokamaks sunt următoarele (cu utilizarea lor industrială viitoare):- Instabilitatea plasmei. Descărcările de descărcare devin undeva mai subțiri, undeva - mai groase, până la ruperea inelului (cu întreruperea curentului) sau atingerea pereților. Problema a fost rezolvată prin mărirea dimensiunii camerei, adăugând un câmp magnetic poidal (în jurul axei verticale a camerei).
- Tritiuul este costisitor și are nevoie de mult pentru a produce energie. Dacă suntem singurul neutron produs în reacția D + T de litiu-6 convertit la un atom de tritiu - datorită pierderilor inevitabile de neutroni, tritiuul va fi mai puțin și mai puțin. Este necesar să se folosească multiplicarea neutronilor - folosind, de exemplu, litiu-7 sau plumb, care trebuie să suprapună peretele interior al reactorului (pătură) și să iasă tritiu.
- Radiații puternice de neutroni. pentru aceeași putere generată, fluxul de neutroni în
Stellarator - baghetă "înțepată", unde câmpul magnetic este format din magneți externi de o formă foarte vicioasă și asigură stabilitatea plasmei. Comparativ cu tokamak - un design mult mai complex. Prin "calitatea" plasmei în plasmă este acum inferior tokamaks.
NIF - facilitatea de aprindere națională - ideea este să se concentreze lumina de la 192 lasere pulsate pe țintă din jurul capsulei cu un amestec de deuteriu-tritiu. Lumina incalzeste tinta - se incalzeste pana la milioane de grade si uniformizeaza capsula cu combustibil termonuclear. Apropo, de altfel, acum 3 ani au scris că aproape totul este gata acolo.
Sandy idee Z-mașină este aceasta: să ia o grămadă mare de condensatoare de înaltă tensiune, și brusc le descarcă printr-un strat subțire fire de tungsten în centrul mașinii. Firele se evaporă instantaneu, un curent imens de 27 de milioane de amperi continuă să curgă prin ele în decurs de 95 de nanosecunde. Plasma este încălzit la milioane de grade și miliarde (!) - acesta emite radiații cu raze X și le comprimă la o capsulă cu un amestec deuteriu-tritiu in centrul (raze X, energie puls - 2.7 megajouli).
Levitated Dipole - "sa dovedit" tokamak. în centrul camerei de vid există un magnet supraconductor asemănător unui torus care ține plasma. Într-o astfel de schemă, plasma promite să fie stabilă în sine. Însă în prezent nu există finanțare pentru proiect, se pare că reacția de sinteză nu a fost efectuată direct la instalație.
Farnsworth-Hirsch fusor Ideea este simpla - loc două grătare sferice umplut cu deuteriu într-o cameră de vid, sau deuteriu-tritiu amestec este aplicat între potențialul de 50-200 mii de volți. Într-un câmp electric, atomii încep să zboare în jurul centrului camerei, uneori ciocnind unul cu celălalt.
Există o ieșire de neutroni, dar este destul de mică. Pierderi mari de energie la radiația X de raze X, grila internă se încălzește rapid și se evaporă din coliziuni cu atomi și electroni. Deși designul este interesant din punct de vedere academic (orice student îl poate asambla), eficiența generării de neutroni este mult mai mică decât acceleratoarele liniare.
Polywell este un memento bun, că nu toate lucrările asupra fuziunii termonucleare sunt publice. Lucrarea a fost finanțată de marina americană și a fost clasificată până la obținerea rezultatelor negative.
Ideea este dezvoltarea fusorului Farnsworth-Hirsch. Electrodul central negativ, care a avut cele mai multe probleme, înlocuim cu un nor de electroni deținut de un câmp magnetic în centrul camerei. Toate modelele de testare aveau magneți convenționali, mai degrabă decât superconductori. Reacția a produs neutroni unici. În general, nu există nici o revoluție. Poate că o creștere a dimensiunilor și a unor magneți supraconductori ar schimba ceva.
Cataliza Muon este o idee radical diferită. Luăm un muon încărcat negativ și îl înlocuim cu un electron din atom. Deoarece un muon este de 207 ori mai greu decât un electron - într-o moleculă de hidrogen, 2 atomi vor fi mult mai apropiați unul de celălalt și va avea loc o reacție de sinteză. Singura problemă este dacă reacția produce heliu (o șansă
1%) și muonul va zbura cu el - nu poate participa mai mult la reacții (deoarece heliul nu formează un compus chimic cu hidrogen).
Problema aici este că generarea muonului în momentul de față necesită mai multă energie decât poate fi obținută în lanțul de reacții și astfel în timp ce energia nu este obținută.
"Fuzionarea termonucleară" rece "(nu include" cataliza muonului rece ") - a fost de mult timp o pseudo-oameni de știință pentru pășuni. Nu există rezultate pozitive confirmate științific și repetat în mod independent. Și senzațiile la nivelul presei galbene au fost deja de multe ori înaintea E-Cat și Andrea Rossi.
- Energia termonucleară nu este deloc clară. Pe singura reacție reală D + T în acest moment, fluxul de neutroni, care va face orice elemente structurale radioactive - în
Trimiteți-le prietenilor: