Glavni problemi povezani sa provedbom termonuklearnih reakcija. Rešen je jedan od problema termonuklearne fuzije

Ekstrakcija nuklearne energije zasniva se na osnovnoj činjenici da su jezgra hemijskih elemenata iz sredine periodnog sistema čvrsto zbijena, a na ivicama tabele, tj. najlakša i najteža jezgra su manje gustoće. Najgušće zbijena jezgra gvožđa i njihovi susedi su periodni sistem. Dakle, dobijamo energiju u dva slučaja: kada teška jezgra podijelimo na manje fragmente i kada lijepimo laka jezgra u veće.

Shodno tome, energija se može ekstrahovati na dva načina: u nuklearnim reakcijama divizije teški elementi - uranijum, plutonijum, torij ili u nuklearnim reakcijama sinteza(adhezija) lakih elemenata - vodonika, litijuma, berilijuma i njihovih izotopa. U prirodi, u prirodnim uslovima, ostvaruju se obe vrste reakcija. Reakcije fuzije se dešavaju u svim zvijezdama, uključujući Sunce, i praktično su jedini početni izvor energije na Zemlji – ako ne direktno kroz sunčevu svjetlost, onda indirektno kroz naftu, ugalj, plin, vodu i vjetar. Prirodna reakcija fisije dogodila se na Zemlji prije oko 2 milijarde godina u današnjem Gabonu u Africi: mnogo uranijuma se slučajno nakupilo na jednom mjestu, a prirodni nuklearni reaktor je radio 100 miliona godina!

Tada se koncentracija uranijuma smanjila, a prirodni reaktor je stao. Sredinom 20. vijeka, čovječanstvo je počelo umjetno iskorištavati gigantsku energiju sadržanu u jezgrima. Atomska bomba (uranijum, plutonijum) „radi“ na reakcijama fisije, hidrogenska bomba (koja uopšte nije napravljena od vodonika, već se tako zove) – na reakcije fuzije. U bombi se reakcije dešavaju u trenu i eksplozivne su prirode. Moguće je smanjiti intenzitet nuklearnih reakcija, razvući ih tokom vremena i inteligentno ih koristiti kao kontrolirani izvor energije. U svijetu je izgrađeno više stotina nuklearnih reaktora različite vrste

Čovječanstvu je trebalo samo nekoliko godina da provede kontroliranu reakciju fisije. Međutim, pokazalo se da je kontrolirana reakcija sinteze mnogo teži zadatak, koji još uvijek nije u potpunosti savladan.

Činjenica je da kako bi se dvije lake jezgre, na primjer, deuterijum i tricij, spojile, moraju prevladati veliku potencijalnu barijeru. Najjednostavniji način da se to postigne je da se dva laka jezgra ubrzaju do visoke energije, tako da oni sami probiju barijeru. To podrazumijeva da se mješavina deuterijuma i tricijuma mora zagrijati na vrlo visoku temperaturu - oko 100 miliona stepeni! Na ovoj temperaturi smjesa je, naravno, jonizirana, tj. je plazma. Plazma se drži u posudi u obliku krafne pomoću magnetnog polja složene konfiguracije i zagrijava. Ova instalacija, izum I. E. Tamma, A. D. Saharova, L. A. Artsimoviča i drugih, naziva se "tokamak". Ovdje je glavni problem postići stabilnost vrlo vruće plazme kako ne bi "sletjela na zidove" posude. Ovo zahteva velike veličine

instalacije i, shodno tome, vrlo jaka magnetna polja u velikoj zapremini. Ovdje gotovo da nema fundamentalnih poteškoća, ali ih ima mnogo

tehnički problemi koje još nisu riješene. Nedavno je počela izgradnja međunarodnog postrojenja ITER u francuskoj regiji Aix-en-Provence. Rusija takođe aktivno učestvuje u projektu, doprinoseći 1/11 sredstava. Do 2018. međunarodni tokamak bi trebao biti operativan i pokazati fundamentalnu mogućnost proizvodnje energije uslijed reakcije termonuklearne fuzije Gdje d – jezgro deuterijuma (jedan proton i jedan neutron), t – jezgro tricijuma (jedan proton i dva neutrona), On

Ovdje je "gorivo", kao što vidimo, mješavina deuterijuma i tricijuma. Deuterijum („teška voda“) se nalazi kao mala nečistoća u bilo kojoj vodi i tehnički ga nije teško izolovati. Njegove rezerve su zaista neograničene. Tricijum se ne pojavljuje u prirodi, jer je radioaktivan i raspada se za 12 godina. Standardni način proizvodnje tricijuma je iz litijuma bombardiranjem neutronima. Pretpostavlja se da će u ITER-u biti potrebno samo malo “sjeme” tritijuma za pokretanje reakcije, a onda će se ono proizvesti samo od sebe zbog bombardiranja litijumskog “pokriva” neutronima iz reakcije (1), tj. „ćebad“, školjke tokamaka. Dakle, stvarno gorivo je litijum. Ima ga i u zemljinoj kori, ali se ne može reći da postoji neograničena količina litijuma: ako se sva energija svijeta danas proizvodi reakcijom (1), istražena ležišta litijuma neophodna su jer bi ovo bilo dovoljno za 1000 godina. Istraženi uranijum i torij će trajati približno isti broj godina ako se energija proizvodi u konvencionalnim nuklearnim kotlovima.

Na ovaj ili onaj način, samoodrživi termo nuklearna reakcija sintezu (1) je očigledno moguće implementirati na sadašnjem nivou nauke i tehnologije, a postoji nada da će to biti uspješno demonstrirano za deset godina u postrojenju ITER. Ovo je veoma zanimljiv projekat i naučno i tehnološki i dobro je što naša zemlja učestvuje u njemu. Štaviše, ovo nije baš čest slučaj kada je Rusija ne samo na svjetskom nivou, već na mnogo načina postavlja ovaj svjetski nivo.

Pitanje je: može li “termonoksid” poslužiti kao osnova za industrijsku proizvodnju “čiste” i “neograničene” energije, kako tvrde entuzijasti projekta. Čini se da je odgovor ne, a evo i zašto.

Činjenica je da su neutroni proizvedeni tokom sinteze (1) sami po sebi mnogo vrijedniji od energije koja se oslobađa.

Ali grijanje čajnika neutronima je pljačka,

I ovdje ćemo rasipnicima dati borbu:

Pokrijmo aktivnu zonu

Uranijumsko ćebe - izvoli!

(iz „Balade o mionskoj katalizi“, Yu Dokshicer i D. Dyakonov, 1978)

Zaista, ako pokrijete površinu tokamaka debelim „pokrivom“ najobičnijeg prirodnog uranijuma-238, tada se pod utjecajem brzog neutrona iz reakcije (1), jezgro urana rascijepi uz oslobađanje dodatne energije oko 200 MeV. Obratimo pažnju na brojke:

Reakcija fuzije (1) proizvodi energiju od 17,6 MeV u tokomaku, plus neutron

Naknadna reakcija fisije u uranijumskom pokrivaču proizvodi oko 200 MeV.

Dakle, ako smo već izgradili složenu termonuklearnu instalaciju, onda nam relativno jednostavan dodatak u obliku uranijumskog pokrivača omogućava povećanje proizvodnje energije za 12 puta!

Važno je napomenuti da uran-238 u pokrivaču ne mora biti previše čist ili obogaćen: naprotiv, osiromašeni uranijum, od kojeg mnogo ostaje na deponijama nakon obogaćivanja, pa čak i istrošeno nuklearno gorivo iz konvencionalnih termonuklearnih elektrana, su takođe pogodni. Umjesto zakopavanja istrošenog goriva, ono se može iskoristiti u uranijumskom pokrivaču.

U stvari, efikasnost se još više povećava ako uzmemo u obzir da brzi neutron, ulazeći u uranijumski pokrivač, izaziva mnogo različitih reakcija, usled kojih se, osim oslobađanja energije od 200 MeV, formira još nekoliko jezgara plutonijuma. Dakle, uranijumski pokrivač služi i kao moćan proizvođač novog nuklearnog goriva. Plutonijum se zatim može "spaliti" u konvencionalnoj termonuklearnoj elektrani, efektivno oslobađajući još oko 340 MeV po jezgru plutonijuma.

Čak i uzimajući u obzir činjenicu da se jedan od dodatnih neutrona mora koristiti za reprodukciju goriva tricija, dodavanje uranijumskog pokrivača tokamaku i nekoliko konvencionalnih nuklearnih elektrana koje se „pokreću“ plutonijumom iz ovog pokrivača omogućava povećanje energije efikasnost tokamaka barem puta u dvadeset pet, a prema nekim procjenama – pedeset puta! Ovo je sve relativno jednostavna i dokazana tehnologija. Jasno je da ni jedna zdrava osoba, niti jedna vlada, niti jedna privredna organizacija neće propustiti ovu priliku da značajno poveća efikasnost proizvodnje energije.

Ako je u pitanju industrijska proizvodnja, onda će termonuklearna fuzija na tokomaku u suštini biti samo "sjeme", samo izvor dragocjenih neutrona, a 96% energije će se i dalje proizvoditi u reakcijama fisije, a glavno gorivo će shodno tome biti uranijum-238. Dakle, nikada neće biti "čiste" termonuklearne fuzije.

Štaviše, ako najsloženiji, najskuplji i najnerazvijeniji dio ovog lanca - termonuklearna fuzija - proizvodi manje od 4% konačne snage, onda se postavlja prirodno pitanje: je li ta karika uopće neophodna? Možda postoje jeftiniji i efikasniji izvori neutrona?

Moguće je da će se u bliskoj budućnosti izmisliti nešto sasvim novo, ali već postoje pomaci o tome kako koristiti druge izvore neutrona umjesto termonuklearnih kako bi se lakše „spalio“ prirodni uranijum-238 ili torij.

Značenje

Reaktori za razmnožavanje brzih neutrona

(2. tačka nedavnog programa Sarov)

Elektronuklearni uzgoj

Nuklearna fuzija na niskim temperaturama pomoću mionske katalize.

Svaka metoda ima svoje poteškoće i prednosti i svaka je vrijedna posebne priče. Nuklearni ciklus zasnovan na torijumu takođe zaslužuje posebnu raspravu, što je za nas posebno važno, jer Rusija ima više torijuma nego uranijuma. Indija, u kojoj je situacija slična, već je izabrala torij kao osnovu svoje buduće energije. Mnogi ljudi u našoj zemlji skloni su vjerovanju da je torijski ciklus najekonomičniji i najsigurniji način proizvodnje energije u gotovo neograničenim količinama.

Sada je Rusija na raskršću: potrebno je izabrati strategiju razvoja energetike za mnogo decenija koje dolaze. Odabir optimalne strategije zahtijeva otvorenu i kritičku diskusiju između naučne i inženjerske zajednice o svim aspektima programa.

Ova beleška posvećena je sećanju na Jurija Viktoroviča Petrova (1928-2007), izuzetnog naučnika i ličnosti, doktora fizike i matematike. nauka, šef sektora Instituta za nuklearnu fiziku u Sankt Peterburgu Ruske akademije nauka, koji je autoru podučavao ono što je ovde napisano. Yu.V.Petrov, Hibridni nuklearni reaktori i mionska kataliza

, u zborniku „Nuklearna i termonuklearna energija budućnosti“, M., Energoatomizdat (1987), str. 172. S.S.Gershtein, Yu.V.Ponomarev, L.I. mionska kataliza i nuklearno razmnožavanje,

Advances in Physical Sciences, vol. 160, str. 3 (1990).

Na fotografiji: Yu V. Petrov (desno) i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku J. ‘t Hooft, foto D. Dyakonov (1998).

U članku se razmatraju razlozi zašto kontrolirana termonuklearna fuzija još nije našla industrijsku primjenu. Kada su moćne eksplozije potresle Zemlju pedesetih godina prošlog veka termonuklearne bombe , činilo se da prije mirne upotrebe energija nuklearne fuzije

Ostalo je vrlo malo: jedna ili dvije decenije. Bilo je razloga za takav optimizam: od upotrebe atomske bombe do stvaranja reaktora koji proizvodi električnu energiju prošlo je samo 10 godina. Ali zadatak obuzdavanja pokazalo se neobično teškim. Decenije su prolazile jedna za drugom, a pristup neograničenim rezervama energije nikada nije ostvaren. Za to vrijeme, čovječanstvo je spaljivanjem fosilnih resursa zagađivalo atmosferu emisijama i pregrijavalo je gasovima staklene bašte. Katastrofe u Černobilu i Fukušimi-1 diskreditovale su nuklearnu energiju.

Šta nas je spriječilo da ovladamo tako obećavajućim i sigurnim procesom termonuklearne fuzije, koji bi zauvijek mogao riješiti problem snabdijevanja čovječanstva energijom?

U početku je bilo jasno da je za odvijanje reakcije potrebno jezgre vodika spojiti tako čvrsto da nuklearne sile mogu formirati jezgro novog elementa - helija, oslobađajući značajnu količinu energije. Ali jezgra vodika se međusobno odbijaju električnim silama. Procjena temperatura i pritisaka na kojima počinje kontrolirana termonuklearna reakcija pokazala je da nijedan materijal ne može izdržati takve temperature.

Iz istih razloga, odbačen je čisti deuterijum, izotop vodonika. Nakon što su potrošili milijarde dolara i decenije vremena, naučnici su konačno uspjeli da zapale termonuklearni plamen na vrlo kratko vrijeme. Ostaje naučiti kako zadržati termonuklearnu fuzijsku plazmu dovoljno dugo. Od kompjuterskog modeliranja bilo je potrebno preći na izgradnju pravog reaktora.

U ovoj fazi postalo je jasno da napori i sredstva pojedinačne države neće biti dovoljni za izgradnju i rad eksperimentalnih i pilot-industrijskih postrojenja. U okviru međunarodne saradnje odlučeno je da se implementira projekat eksperimentalnog termonuklearnog reaktora vrijedan više od 14 milijardi dolara.

Ali 1996. godine Sjedinjene Države su prestale svoje učešće i, shodno tome, finansiranje projekta. Neko vrijeme realizacija se odvijala o trošku sredstava Kanade, Japana i Evrope, ali do izgradnje reaktora nikada nije došlo.

Drugi projekat, takođe međunarodni, realizuje se u Francuskoj. Dugotrajno zadržavanje plazme nastaje zbog posebnog oblika magnetnog polja - u obliku boce. Osnovu ove metode postavili su sovjetski fizičari. Prvo Instalacija tipa "Tokamak". treba dati više energije na izlazu nego što se troši na paljenje i zadržavanje plazme.

Instalacija reaktora trebala je biti završena do 2012. godine, ali još nema informacija o uspješnom radu. Možda su ekonomski šokovi posljednjih godina izvršili prilagođavanje planova naučnika.

Poteškoće u postizanju kontrolisane fuzije dalo je povoda za mnoge spekulacije i lažne izvještaje o tzv "hladna" reakcija termonuklearne fuzije. Uprkos činjenici da još nisu pronađene fizičke sposobnosti ili zakoni, mnogi istraživači tvrde da postoji. Uostalom, ulozi su previsoki: od Nobelovih nagrada za naučnike do geopolitičke dominacije države koja je ovladala takvom tehnologijom i dobila pristup energetskom izobilju.

Ali svaki takav izvještaj ispada da je pretjeran ili potpuno lažan. Ozbiljni naučnici su skeptični u pogledu postojanja takve reakcije.

Stvarne mogućnosti savladavanja fuzije i pokretanja industrijskog rada termonuklearnih reaktora guraju se u sredinu 21. vijeka. Do tada će biti moguće odabrati potrebne materijale i razraditi njegov siguran rad. Budući da će takvi reaktori raditi sa plazmom vrlo niske gustine, sigurnost fuzijskih elektrana

bit će mnogo veći od nuklearnih elektrana.

Svaki poremećaj u zoni reakcije će odmah „ugasiti“ termonuklearni plamen. Ali ne biste trebali zanemariti sigurnosne mjere: jedinična snaga reaktora bit će toliko velika da nesreća čak i u krugovima za ekstrakciju topline može dovesti do žrtava i zagađenja okoliša. Ostaje samo jedno: sačekati 30-40 godina i vidjeti eru izobilja energije. Ako živimo, naravno.

1. Uvod

3. Problemi kontrole termonuklearne fuzije

3.1 Ekonomski problemi

3.2 Medicinski problemi

4. Zaključak

5. Reference

1. Uvod

Problem kontrolisane termonuklearne fuzije jedan je od najvažnijih zadataka sa kojima se čovečanstvo suočava.

Ljudska civilizacija ne može postojati, a još manje se razvijati bez energije. Svi dobro razumiju da će razvijeni izvori energije, nažalost, uskoro biti iscrpljeni. Prema Svjetskom energetskom savjetu, na Zemlji je ostalo 30 godina dokazanih rezervi ugljovodoničnih goriva.

Danas su glavni izvori energije nafta, gas i ugalj.

Prema mišljenju stručnjaka, rezerve ovih minerala su na izmaku. Gotovo da nema više istraženih naftnih polja koja se mogu iskoristiti, a naši unuci se već mogu suočiti s vrlo ozbiljnim problemom nestašice energije.

Nuklearne elektrane najbogatije gorivom mogle bi, naravno, snabdjevati čovječanstvo električnom energijom stotinama godina. Predmet studija:

Problemi kontrolisane termonuklearne fuzije. Predmet istraživanja:

Termonuklearna fuzija. Svrha studije:

Riješiti problem kontrole termonuklearne fuzije;

Ciljevi istraživanja:

· Proučite vrste termonuklearnih reakcija. moguće opcije prenose energiju oslobođenu tokom termonuklearne reakcije na osobu.

· Predložite teoriju o pretvaranju energije u električnu energiju.

Pozadinska činjenica:

Nuklearna energija se oslobađa tokom raspada ili fuzije atomskih jezgara. Svaka energija – fizička, hemijska ili nuklearna – manifestuje se njenom sposobnošću da obavlja rad, emituje toplotu ili zračenje. Energija u bilo kojem sistemu je uvijek očuvana, ali se može prenijeti u drugi sistem ili promijeniti oblik.

Postignuće Uslovi za kontroliranu termonuklearnu fuziju otežani su zbog nekoliko glavnih problema:

· Prvo, morate zagrijati plin na vrlo visoku temperaturu.

· Drugo, potrebno je kontrolisati broj reagujućih jezgara tokom dovoljno dugog vremena.

· Treće, količina oslobođene energije mora biti veća od one koja je utrošena na zagrijavanje i ograničavanje gustine plina.

· Sljedeći problem je skladištenje ove energije i njeno pretvaranje u električnu

2. Termonuklearne reakcije na Suncu

Šta je izvor solarna energija? Kakva je priroda procesa koji proizvode ogromne količine energije? Koliko dugo će sunce nastaviti da sija?

Prve pokušaje da odgovore na ova pitanja astronomi su napravili sredinom 19. veka, nakon što su fizičari formulisali zakon održanja energije.

Robert Mayer je sugerirao da Sunce sija zbog stalnog bombardiranja površine meteoritima i meteorskim česticama. Ova hipoteza je odbačena, jer jednostavna računica pokazuje da je za održavanje sjaja Sunca na trenutnom nivou potrebno da na njega svake sekunde padne 2∙10 15 kg meteorske materije. Tokom godine to će iznositi 6∙10 22 kg, a tokom života Sunca, preko 5 milijardi godina – 3∙10 32 kg. Sunčeva masa M

= 2∙10 30 kg, dakle, tokom pet milijardi godina, materija 150 puta veća od mase Sunca trebala je pasti na Sunce.

Drugu hipotezu izneli su Helmholc i Kelvin takođe sredinom 19. veka. Oni su predložili da Sunce zrači zbog kompresije za 60-70 metara godišnje. Razlog kompresije je međusobno privlačenje solarnih čestica, zbog čega se ova hipoteza naziva kontrakcija. Ako izvršimo proračun prema ovoj hipotezi, tada starost Sunca neće biti veća od 20 miliona godina, što je u suprotnosti sa savremenim podacima dobijenim analizom radioaktivnog raspada elemenata u geološkim uzorcima Zemljinog tla i tla. Mjesec.

Treću hipotezu o mogućim izvorima sunčeve energije izneo je Džejms Džins početkom dvadesetog veka. On je sugerisao da dubine Sunca sadrže teške radioaktivne elemente koji se spontano raspadaju i emituju energiju. Na primjer, transformacija uranijuma u torij, a zatim u olovo je praćena oslobađanjem energije. Naknadna analiza ove hipoteze je takođe pokazala njenu nedosljednost; zvijezda koja se sastoji samo od uranijuma ne bi oslobodila dovoljno energije da proizvede uočenu svjetlost Sunca. Osim toga, postoje zvijezde čiji je sjaj mnogo puta veći od svjetla naše zvijezde. Malo je vjerovatno da će te zvijezde imati i veće rezerve radioaktivnog materijala.

Najvjerojatnija hipoteza se pokazala kao hipoteza o sintezi elemenata kao rezultat nuklearnih reakcija u utrobi zvijezda.

Hans Bethe je 1935. godine postavio hipotezu da bi izvor sunčeve energije mogla biti termonuklearna reakcija pretvaranja vodonika u helijum. Za to je Bethe dobila Nobelovu nagradu 1967.

Hemijski sastav Sunca je otprilike isti kao i kod većine drugih zvijezda. Otprilike 75% je vodonik, 25% je helijum i manje od 1% je sve ostalo hemijski elementi(uglavnom ugljenik, kiseonik, azot, itd.). Neposredno nakon rođenja Univerzuma uopšte nije bilo "teških" elemenata. Svi oni, tj. elementi teži od helijuma, pa čak i mnoge alfa čestice, nastali su tokom „sagorevanja“ vodonika u zvezdama tokom termonuklearne fuzije. Karakterističan životni vijek zvijezde poput Sunca je deset milijardi godina.

Glavni izvor energije je proton-protonski ciklus - vrlo spora reakcija (karakteristično vrijeme 7,9∙10 9 godina), jer je posljedica slabe interakcije. Njegova suština je da se jezgro helija formira od četiri protona. U tom slučaju se oslobađa par pozitrona i par neutrina, kao i 26,7 MeV energije. Broj neutrina koje Sunce emituje u sekundi određen je samo luminoznošću Sunca. Pošto se 2 neutrina rađaju kada se oslobodi 26,7 MeV, brzina emisije neutrina je: 1,8∙10 38 neutrina/s. Direktan test ove teorije je posmatranje solarnih neutrina. Visokoenergetski (borovi) neutrini se detektuju u eksperimentima hlor-argon (Davisovi eksperimenti) i dosledno pokazuju nedostatak neutrina u poređenju sa teoretskom vrednošću za standardni model Sunca. Niskoenergetski neutrini koji nastaju direktno u pp reakciji zabilježeni su u eksperimentima galijum-germanijum (GALLEX u Gran Sassu (Italija - Njemačka) i SAGE u Baksanu (Rusija - SAD)); oni takođe "nedostaju".

Prema nekim pretpostavkama, ako neutrini imaju masu mirovanja različitu od nule, moguće su oscilacije (transformacije) različitih tipova neutrina (efekat Mikhejev – Smirnov – Wolfenstein) (postoje tri tipa neutrina: elektronski, mionski i tauonski neutrina) . Jer Budući da drugi neutrini imaju mnogo manje poprečne preseke za interakciju sa materijom od elektrona, uočeni deficit se može objasniti bez promene standardnog modela Sunca, izgrađenog na osnovu celokupnog skupa astronomskih podataka.

Svake sekunde Sunce preradi oko 600 miliona tona vodonika. Zalihe nuklearnog goriva trajat će još pet milijardi godina, nakon čega će se postepeno pretvoriti u bijelog patuljka.

Centralni dijelovi Sunca će se skupljati, zagrijavati, a toplina prenesena na vanjsku ljusku dovest će do njegovog širenja do monstruoznih veličina u odnosu na moderne: Sunce će se toliko proširiti da će apsorbirati Merkur, Veneru i potrošiti “ gorivo” sto puta brže nego sada. To će dovesti do povećanja veličine Sunca; naša zvijezda će postati crveni div, čija je veličina uporediva s udaljenosti od Zemlje do Sunca!

Mi ćemo, naravno, biti svjesni takvog događaja unaprijed, jer će prijelaz u novu fazu trajati otprilike 100-200 miliona godina. Kada temperatura centralnog dela Sunca dostigne 100.000.000 K, helijum će takođe početi da gori, pretvarajući se u teške elemente, a Sunce će ući u fazu složenih ciklusa kompresije i širenja. U posljednjoj fazi, naša zvijezda će izgubiti svoj vanjski omotač, centralno jezgro će imati nevjerovatno veliku gustoću i veličinu, poput Zemljine. Proći će još nekoliko milijardi godina i Sunce će se ohladiti, pretvarajući se u bijelog patuljka.

3. Problemi kontrolirane termonuklearne fuzije

Istraživači iz svih razvijenih zemalja svoje nade u prevazilaženje nadolazeće energetske krize polažu na kontroliranu termonuklearnu reakciju. Takva reakcija - sinteza helijuma iz deuterijuma i tricijuma - odvija se na Suncu milionima godina, a u zemaljskim uslovima pokušavaju da je izvedu već pedeset godina u ogromnim i veoma skupim laserskim instalacijama, tokamacima. (uređaj za izvođenje reakcija termonuklearne fuzije u vrućoj plazmi) i stelaratori (zatvorena magnetna zamka za zadržavanje visokotemperaturne plazme). Međutim, postoje i drugi načini za rješavanje ovog teškog problema, a umjesto ogromnih tokamaka, vjerojatno će biti moguće koristiti prilično kompaktan i jeftin sudarač - akcelerator sudarajućih zraka - za izvođenje termonuklearne fuzije.

Za rad Tokamaku su potrebne vrlo male količine litijuma i deuterijuma. Na primjer, reaktor električne snage od 1 GW sagorijeva oko 100 kg deuterija i 300 kg litijuma godišnje. Ako pretpostavimo da će sve fuzijske elektrane proizvoditi 10 trilijuna. kWh električne energije godišnje, odnosno onoliko koliko danas proizvode sve zemaljske elektrane, tada su svjetske rezerve deuterijuma i litijuma dovoljne da čovječanstvo snabdijeva energijom dugi milioni godina.

Pored fuzije deuterija i litijuma, moguća je i čisto solarna fuzija kada se dva atoma deuterija kombinuju. Ako se ova reakcija savlada, energetski problemi bit će riješeni odmah i zauvijek.

U bilo kom od poznate varijante kontrolisanom termonuklearnom fuzijom (CTF), termonuklearne reakcije ne mogu ući u režim nekontrolisanog povećanja snage, stoga takvi reaktori nisu sami po sebi sigurni.

MINISTARSTVO PROSVETE I NAUKE RUJSKE FEDERACIJE

Federalna agencija za obrazovanje

Državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "Blagoveshchensk State Pedagoški univerzitet"

Fizičko-matematički fakultet

Katedra za opštu fiziku

Kurs

na temu: Problemi termonuklearne fuzije

disciplina: fizika

Izvođač: V.S. Kletchenko

Rukovodilac: V.A. Evdokimova

Blagoveshchensk 2010

Uvod

Projekat ITER

Zaključak

Književnost

Uvod

Trenutno čovječanstvo ne može zamisliti svoj život bez struje. Ona je svuda. Ali tradicionalnim načinima nabavka električne energije nije jeftina: zamislite samo izgradnju hidroelektrane ili reaktora nuklearne elektrane i odmah postaje jasno zašto. Naučnici 20. veka, suočeni sa energetskom krizom, pronašli su način da proizvedu električnu energiju iz supstance čija je količina neograničena. Termonuklearne reakcije se javljaju tokom raspada deuterija i tricijuma. Jedna litra vode sadrži toliko deuterija da termonuklearna fuzija može osloboditi onoliko energije koliko se proizvodi sagorijevanjem 350 litara benzina. Odnosno, možemo zaključiti da je voda neograničen izvor energije.

Kada bi dobivanje energije termonuklearnom fuzijom bilo jednostavno kao korištenje hidroelektrana, onda čovječanstvo nikada ne bi doživjelo energetsku krizu. Za dobijanje energije na ovaj način potrebna je temperatura koja je ekvivalentna temperaturi u centru sunca. Gdje dobiti ovu temperaturu, koliko će biti skupe instalacije, koliko je isplativa takva proizvodnja energije i da li je takva instalacija sigurna? Odgovore na ova pitanja naći ćemo u ovom radu.

Svrha rada: proučavanje svojstava i problema termonuklearne fuzije.

Termonuklearne reakcije i njihove energetske prednosti

Termonuklearna reakcija -sinteza težih atomskih jezgara iz lakših radi dobijanja energije koja je kontrolisane prirode.

Poznato je da je jezgro atoma vodika proton p. U prirodi ima puno takvog vodonika - u zraku i vodi. Osim toga, postoje teži izotopi vodonika. Jezgro jednog od njih sadrži, pored protona p, i neutron n . Ovaj izotop se naziva deuterijum D . Jezgro drugog izotopa sadrži, pored p protona, dva neutrona n i naziva se tricij (tricij) T. Termonuklearne reakcije najefikasnije se odvijaju na ultravisokim temperaturama reda 10 7 – 10 9 K. Tokom termonuklearnih reakcija oslobađa se veoma velika energija, koja premašuje energiju koja se oslobađa tokom fisije teških jezgara. Reakcija fuzije oslobađa energiju koja je na 1 kg tvari znatno veća od energije koja se oslobađa u reakciji fisije uranijuma. (Ovdje se oslobođena energija odnosi na kinetičku energiju čestica nastalih kao rezultat reakcije.) Na primjer, u reakciji fuzije jezgri deuterija 1 2 D i tricijum 1 3 T u jezgro helijuma 2 4 He:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,

Oslobođena energija je približno 3,5 MeV po nukleonu. U reakcijama fisije, energija po nukleonu je oko 1 MeV.

Prilikom sintetiziranja jezgra helija iz četiri protona:

4 1 1 p→ 2 4 Ne + 2 +1 1 e,

oslobađa se još veća energija, jednaka 6,7 MeV po čestici. Energetska korist termonuklearnih reakcija objašnjava se činjenicom da specifična energija vezivanja u jezgri atoma helija značajno premašuje specifičnu energiju vezivanja jezgara izotopa vodika. Tako će, uspješnom implementacijom kontroliranih termonuklearnih reakcija, čovječanstvo dobiti novi moćni izvor energije.

Uslovi za termonuklearne reakcije

Za fuziju lakih jezgara potrebno je savladati potencijalnu barijeru uzrokovanu Kulonovskom odbijanjem protona u slično pozitivno nabijenim jezgrama. Za spajanje jezgara vodonika 1 2 D treba ih zbližiti r , jednako približno r ≈ 3 10 -15 m Da biste to učinili, morate obaviti rad jednak elektrostatičkoj potencijalnoj energiji odbijanja P = e 2 : (4πε 0 r ) ≈ 0,1 MeV. Deuteronova jezgra će moći savladati takvu barijeru ako, nakon sudara, njihova prosječna kinetička energija 3 / 2 kT biće jednak 0,1 MeV. To je moguće pri T=2 10 9 K. U praksi se temperatura potrebna za odvijanje termonuklearnih reakcija smanjuje za dva reda veličine i iznosi 10 7 K.

Temperatura oko 10 7 K je karakterističan za centralni dio Sunca. Spektralna analiza je pokazala da materija Sunca, kao i mnoge druge zvijezde, sadrži do 80% vodonika i oko 20% helijuma. Ugljik, dušik i kisik ne čine više od 1% mase zvijezda. Sa ogromnom masom Sunca (≈ 2 10 27 kg) količina ovih gasova je prilično velika.

Termonuklearne reakcije nastaju na Suncu i zvijezdama i izvor su energije koji obezbjeđuje njihovo zračenje. Svake sekunde Sunce emituje energiju 3,8 10 26 J, što odgovara smanjenju njegove mase za 4,3 miliona tona. Specifično oslobađanje sunčeve energije, tj. Oslobađanje energije po jedinici mase Sunca u sekundi je 1,9 10 -4 J/s kg. Veoma je mali i iznosi oko 10 -3 % specifičnog oslobađanja energije u živom organizmu tokom metaboličkog procesa. Snaga zračenja Sunca ostala je gotovo nepromijenjena tokom mnogo milijardi godina postojanja Sunčevog sistema.

Jedan od načina na koji se termonuklearne reakcije odvijaju na Suncu je ciklus ugljik-azot, u kojem je kombinacija jezgri vodika u jezgro helija olakšana u prisustvu jezgri ugljika. 6 12 Uz djelovanje kao katalizator. Na početku ciklusa, brzi proton prodire u jezgro atoma ugljika 6 12 C i formira nestabilno jezgro izotopa dušika 7 13 N sa γ-kvantnim zračenjem:

6 12 C + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

Sa poluživotom od 14 minuta u jezgru 7 13 N dolazi do transformacije 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e i formira se izotopsko jezgro 6 13 C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 e + 0 0 ν e.

otprilike svakih 32 miliona godina jezgro 7 14 N hvata proton i pretvara se u jezgro kiseonika 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Nestabilno jezgro 8 15 O sa vremenom poluraspada od 3 minute emituje pozitron i neutrino i pretvara se u jezgro 7 15 N:

8 15 O→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Ciklus se završava reakcijom apsorpcije od strane jezgra 7 15 N proton s njegovim raspadom u jezgro ugljika 6 12 C i α čestica. Ovo se dešava nakon otprilike 100 hiljada godina:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 He.

Novi ciklus ponovo počinje sa apsorpcijom ugljenika 6 12 Od protona koji emanira u prosjeku nakon 13 miliona godina. Pojedinačne reakcije ciklusa su vremenski razdvojene intervalima koji su na zemaljskim vremenskim skalama nedovoljno veliki. Međutim, ciklus je zatvoren i odvija se neprekidno. Stoga se različite reakcije ciklusa dešavaju na Suncu istovremeno, počevši u različitim vremenskim trenucima.

Kao rezultat ovog ciklusa, četiri protona se spajaju u jezgro helijuma, proizvodeći dva pozitrona i γ-zrake. Ovome moramo dodati i zračenje koje se javlja kada se pozitroni spajaju sa elektronima plazme. Kada se formira jedan helijum gamatom, oslobađa se 700 hiljada kWh energije. Ova količina energije nadoknađuje gubitak sunčeve energije kroz zračenje. Proračuni pokazuju da će količina vodika prisutna na Suncu biti dovoljna za održavanje termonuklearnih reakcija i sunčevog zračenja milijardama godina.

Izvođenje termonuklearnih reakcija u zemaljskim uslovima

Sprovođenje termonuklearnih reakcija u zemaljskim uslovima stvoriće ogromne mogućnosti za dobijanje energije. Na primjer, kada se koristi deuterij sadržan u jednoj litri vode, u reakciji termonuklearne fuzije oslobodit će se ista količina energije koja će se osloboditi tijekom sagorijevanja približno 350 litara benzina. Ali ako se termonuklearna reakcija odvija spontano, tada će doći do kolosalne eksplozije, jer je energija koja se oslobađa u ovom slučaju vrlo visoka.

Ostvareni su uslovi bliski onima koji su ostvareni u dubinama Sunca hidrogenska bomba. Tu se događa samoodrživa termonuklearna reakcija eksplozivne prirode. Eksploziv je mješavina deuterija 1 2 D sa tricijumom 1 3 T. Visoka temperatura potrebna da bi se reakcija odigrala dobija se eksplozijom obične atomske bombe smještene unutar termonuklearne.

Glavni problemi povezani sa provedbom termonuklearnih reakcija

U termonuklearnom reaktoru reakcija fuzije se mora odvijati sporo i mora biti moguće kontrolisati je. Proučavanje reakcija koje se dešavaju u visokotemperaturnoj deuterijumskoj plazmi je teorijska osnova dobivanje vještačkih kontroliranih termonuklearnih reakcija. Glavna poteškoća je održavanje uslova potrebnih za postizanje samoodržive termonuklearne reakcije. Za takvu reakciju potrebno je da brzina oslobađanja energije u sistemu u kojem se reakcija odvija ne bude manja od brzine oduzimanja energije iz sistema. Na temperaturama od oko 10 8 Termonuklearne reakcije u deuterijumskoj plazmi imaju primjetan intenzitet i praćene su oslobađanjem velike energije. Kada se kombinuju jezgra deuterijuma, oslobađa se snaga od 3 kW/m po jedinici zapremine plazme 3 . Na temperaturama od oko 10 6 K snaga je samo 10-17 W/m3.

Kako praktično iskoristiti oslobođenu energiju? Prilikom sinteze deuterija sa triterijumom, glavni deo oslobođene energije (oko 80%) se manifestuje u obliku kinetičke energije neutrona. Ako se ovi neutroni uspore izvan magnetne zamke, toplina se može proizvesti, a zatim pretvoriti u električnu energiju. Tokom reakcije fuzije u deuteriju, otprilike 2/3 oslobođene energije nose nabijene čestice - produkti reakcije, a samo 1/3 energije - neutroni. A kinetička energija nabijenih čestica može se direktno pretvoriti u električnu energiju.

Koji su uslovi potrebni da bi se odvijale reakcije sinteze? U ovim reakcijama, jezgre se moraju spojiti jedna s drugom. Ali svako jezgro je pozitivno nabijeno, što znači da između njih postoje sile odbijanja, koje su određene Coulombovim zakonom:

, r 2 Z 1 Z 2 e 2 F~

Gdje je Z 1 e – naelektrisanje jednog jezgra, Z 2 e je naelektrisanje drugog jezgra, i e – modul naboja elektrona. Da bi se međusobno spojile, jezgra moraju savladati Kulonove odbojne sile. Ove sile postaju veoma jake kada se jezgra približe. Sile odbijanja bit će najmanje u slučaju jezgri vodika s najmanjim nabojem ( Z =1). Da bi se savladale Kulonove odbojne sile i spojile, jezgra moraju imati kinetičku energiju od približno 0,01 - 0,1 MeV. Ova energija odgovara temperaturi reda 10 8 – 10 9 K. A ovo je više od temperature čak iu dubinama Sunca! Budući da se reakcije fuzije odvijaju na vrlo visokim temperaturama, nazivaju se termonuklearnim reakcijama.

Termonuklearne reakcije mogu biti izvor energije ako oslobađanje energije premašuje troškove. Tada će, kako kažu, proces sinteze biti samoodrživ.

Temperatura na kojoj se to događa naziva se temperatura paljenja ili kritična temperatura. Za reakciju D.T. (deuterijum - triterijum) temperatura paljenja je oko 45 miliona K, a za reakciju DD (deuterijum - deuterijum) oko 400 miliona K. Dakle, da dođe do reakcija D.T. potrebne su mnogo niže temperature nego za reakcije DD . Stoga istraživači plazme preferiraju reakcije D.T. , iako se tricijum ne pojavljuje u prirodi, a za njegovu reprodukciju u termonuklearnom reaktoru potrebno je stvoriti posebne uslove.

Kako zadržati plazmu u nekakvoj instalaciji - termonuklearnom reaktoru - i zagrijati je tako da počne proces fuzije? Gubici energije u visokotemperaturnoj plazmi uglavnom su povezani s gubitkom topline kroz zidove uređaja. Plazma mora biti izolirana od zidova. U tu svrhu se koriste jaka magnetna polja (magnetna toplotna izolacija plazme). Ako se velika električna struja propušta kroz stub plazme u smjeru njegove ose, tada u magnetskom polju te struje nastaju sile koje sabijaju plazmu u plazma kabel odvojen od zidova. Održavanje plazme odvojeno od zidova i borba protiv raznih nestabilnosti plazme su izuzetno složeni problemi čije bi rješavanje trebalo dovesti do praktične implementacije kontroliranih termonuklearnih reakcija.

Jasno je da što je veća koncentracija čestica, to se češće sudaraju jedna s drugom. Stoga se može činiti da je za izvođenje termonuklearnih reakcija potrebno koristiti plazmu velike koncentracije čestica. Međutim, ako je koncentracija čestica ista kao i koncentracija molekula u plinovima u normalnim uvjetima (10 25 m -3 ), tada bi na termonuklearnim temperaturama pritisak u plazmi bio kolosalan - oko 10 12 Pa. Nijedan tehnički uređaj ne može izdržati takav pritisak! Tako da je pritisak oko 10 6 Pa i odgovara čvrstoći materijala, termonuklearna plazma treba biti vrlo razrijeđena (koncentracija čestica bi trebala biti reda veličine 10 21 m -3 ) Međutim, u razrijeđenoj plazmi, sudari čestica međusobno se rjeđe javljaju. Da bi se termonuklearna reakcija održala u ovim uslovima, potrebno je povećati vreme zadržavanja čestica u reaktoru. U tom smislu, kapacitet zadržavanja zamke karakterizira proizvod koncentracije n čestice za vrijeme t držeći ih zarobljenim.

Ispostavilo se da za reakciju DD

nt>10 22 m -3.

sa,

i za reakciju DT

nt>10 20 m -3. With. Iz ovoga je jasno da za reakciju DD na n=10 21 m -3 vrijeme zadržavanja mora biti duže od 10 s; ako

n=10 24 m -3, tada je dovoljno da vrijeme zadržavanja prelazi 0,1 s. Za mješavinu deuterijuma i tricijuma na DD na n=10 21 m -3 n=10 21 m -3 -4 reakcija termonuklearne fuzije može započeti ako je vrijeme zadržavanja plazme duže od 0,1 s, i kada D.T. dovoljno je da ovo vrijeme bude više od 10 DD With. Dakle, pod istim uslovima, potrebno vreme zadržavanja reakcije je D.T. može biti znatno manje nego u reakcijama. U tom smislu, reakcija

lakše implementirati nego reakciju

Fizičari uporno traže načine da zahvate energiju reakcija termonuklearne fuzije. Takve reakcije se već provode u raznim termonuklearnim instalacijama, ali energija koja se u njima oslobađa još ne opravdava trošak novca i rada. Drugim riječima, postojeći fuzijski reaktori još uvijek nisu ekonomski održivi. Među raznim termonuklearnim istraživačkim programima, program zasnovan na reaktorima tokamak trenutno se smatra najperspektivnijim. Prva istraživanja prstenastih električnih pražnjenja u jakom uzdužnom magnetnom polju započela su 1955. godine pod vodstvom sovjetskih fizičara I.N. Golovina i N.A. Yavlinskog. Toroidalna instalacija koju su izgradili bila je prilično velika čak i po modernim standardima: dizajnirana je za pražnjenja jačine struje do 250 kA. I.N. Golovin je predložio naziv "tokamak" (strujna komora, magnetna zavojnica) za takve instalacije. Ovo ime koriste fizičari širom svijeta.

Do 1968. istraživanje tokamaka razvijalo se uglavnom u Sovjetskom Savezu. Sada u svijetu postoji više od 50 instalacija tipa tokamak.

Slika 1 prikazuje tipičan dizajn tokamaka. Uzdužno magnetsko polje u njemu stvaraju namotaji koji nose struju koji okružuju toroidalnu komoru. Prstenasta struja u plazmi se pobuđuje u komori kao u sekundarnom namotu transformatora kada se baterija kondenzatora prazni kroz primarni namotaj 2. Plazma kabl je zatvoren u toroidalnoj komori - oblogi 4, od tankog nerđajućeg čelika. debljine nekoliko milimetara. Obloga je okružena bakrenim kućištem 5 debljine nekoliko centimetara. Svrha kućišta je da stabilizuje spore dugotalasne krivine plazma filamenta.

Eksperimenti na tokamacima omogućili su da se utvrdi da je vrijeme zadržavanja plazme (vrijednost koja karakterizira trajanje plazme koja održava potrebnu visoku temperaturu) proporcionalno površini poprečnog presjeka stuba plazme i indukciji uzdužnog magnetskog polja . Magnetna indukcija može biti prilično velika kada se koriste supravodljivi materijali. Druga mogućnost za povećanje vremena zadržavanja plazme je povećanje poprečnog presjeka filamenta plazme. To znači da je potrebno povećati veličinu tokamaka. U ljeto 1975. u Institutu za atomsku energiju imena I.V. Kurčatov, najveći tokamak, T-10, počeo je sa radom. Dobili su sljedeće rezultate: temperatura jona u centru kabela je 0,6 - 0,8 keV, prosječna koncentracija čestica je 8. 10 19 m -3 nt~(2.4-7.2) .

10 18 m -3. D.T. With. Veće instalacije su takozvani pokazni tokamaci, koji su pušteni u rad prije 1985. godine. Ova vrsta tokamaka je T-20. Ima vrlo impresivne dimenzije: veliki radijus torusa je 5 metara, radijus toroidalne komore je 2 metra, zapremina plazme je oko 400 kubnih metara. Svrha izgradnje ovakvih instalacija nije samo izvođenje fizičkih eksperimenata i istraživanja. Ali i razvoj različitih tehnoloških aspekata problema – izbor materijala, proučavanje promjena njihovih svojstava pod povećanim toplinskim i radijacijskim utjecajima itd. Instalacija T-20 je dizajnirana da dobije reakciju mješavine . Ova instalacija pruža pouzdanu zaštitu od snažnih rendgenskih zraka, fluksa brzih jona i neutrona. Predlaže se korištenje energije fluksa brzih neutrona (10 17 m -2. c), koji će u posebnoj zaštitnoj ljusci (pokrivaču) usporiti i predati svoju energiju rashladnoj tečnosti. Osim toga, ako pokrivač sadrži izotop litija

3 6 Li

, onda će se pod uticajem neutrona pretvoriti u tricijum koji ne postoji u prirodi.

Neutralne čestice ne doživljavaju nikakvo djelovanje magnetskog polja koje ograničava plazmu, pa se stoga mogu lako „ubrizgati“ u plazmu. Ako te čestice imaju visoku energiju, tada se, kada uđu u plazmu, ioniziraju i pri sudaru sa česticama plazme prenose dio svoje energije na njih, a plazma se zagrijava. Danas su metode za proizvodnju strujanja neutralnih čestica (atoma) visoke energije prilično dobro razvijene. U tu svrhu, uz pomoć posebnih uređaja - akceleratora - nabijenim česticama se prenosi vrlo visoka energija. Zatim se ovaj tok nabijenih čestica neutralizira posebnim metodama. Rezultat je mlaz neutralnih čestica visoke energije.

Visokofrekventno zagrijavanje plazme može se izvesti pomoću vanjskog visokofrekventnog elektromagnetnog polja, čija se frekvencija poklapa s jednom od prirodnih frekvencija plazme (rezonantni uvjeti). Kada je ovaj uslov ispunjen, čestice plazme snažno stupaju u interakciju s elektromagnetnim poljem, a energija polja se prenosi u energiju plazme (plazma se zagrijava).

Iako se program tokamaka smatra najperspektivnijim za termonuklearnu fuziju, fizičari ne zaustavljaju istraživanja u drugim oblastima. Dakle, nedavna dostignuća u zatvaranju plazme u direktnim sistemima sa magnetnim ogledalima daju optimistične nade za stvaranje energetskog termonuklearnog reaktora zasnovanog na takvim sistemima.

Za stabilizaciju plazme u zamci pomoću opisanih uređaja stvaraju se uvjeti pod kojima se magnetsko polje povećava od centra zamke prema njenoj periferiji. Zagrijavanje plazme vrši se ubrizgavanjem neutralnih atoma.

I u tokamacima i u zrcalnim ćelijama potrebno je vrlo jako magnetsko polje da bi se plazma zadržala. Međutim, postoje pravci za rješavanje problema termonuklearne fuzije, čija implementacija eliminira potrebu za stvaranjem jakih magnetnih polja. To su takozvana laserska sinteza i sinteza pomoću relativističkih elektronskih zraka. Suština ovih rješenja je da se na čvrstoj „meti“ sastoji od smrznute smjese D.T. , bilo snažno lasersko zračenje ili snopovi relativističkih elektrona usmjereni su sa svih strana. Kao rezultat toga, meta bi se trebala jako zagrijati, ionizirati i u njoj bi trebala nastupiti eksplozivna reakcija fuzije. Međutim, praktična implementacija ovih ideja je puna značajnih poteškoća, posebno zbog nedostatka lasera potrebne snage. Međutim, projekti fuzijskih reaktora zasnovani na ovim smjerovima trenutno se intenzivno razvijaju.

Različiti projekti mogu dovesti do rješenja problema. Naučnici se nadaju da će na kraju biti moguće provoditi kontrolirane reakcije termonuklearne fuzije i tada će čovječanstvo dobiti izvor energije za mnogo miliona godina.

Projekat ITER

Već na samom početku dizajna nove generacije tokamaka postalo je jasno koliko su složeni i skupi. Pojavila se prirodna ideja međunarodne saradnje. Tako je nastao projekt ITER (International Thermonuclear Energy Reactor) u čijem razvoju sudjeluju udruženje Euratom, SSSR, SAD i Japan. ITER supravodljivi solenoid na bazi kositrnog nitrata mora se hladiti tečnim helijumom na temperaturi od 4 K ili tečnim vodonikom na 20 K. Avaj, sanja o "toplijem" solenoidu od supravodljive keramike koji bi mogao raditi na temperaturi tečnog azota ( 73 K) nije se ostvarila. Proračuni su pokazali da će to samo pogoršati sistem, jer će, osim efekta supravodljivosti, doprinijeti i provodljivost njegove bakarne podloge.

ITER solenoid pohranjuje ogromnu energiju - 44 GJ, što je ekvivalentno punjenju od oko 5 tona TNT-a. Općenito, elektromagnetski sistem ovog reaktora nadmašit će najveće operativne instalacije za dva reda veličine po snazi i složenosti. Po električnoj snazi, biće ekvivalentna hidroelektrani Dnjepar (oko 3 GW), a njena ukupna masa biće oko 30 hiljada tona.

Trajnost reaktora određuje prvenstveno prvi zid toroidne komore, koji je u najstresnijim uslovima. Osim toplinskog opterećenja, mora prenositi i djelomično apsorbirati snažan tok neutrona. Prema proračunima, zid napravljen od najprikladnijih čelika može izdržati ne više od 5-6 godina. Dakle, za određeno trajanje rada ITER-a - 30 godina - zid će biti potrebno zamijeniti 5 - 6 puta. Da bi se to postiglo, reaktor će morati biti gotovo potpuno rastavljen pomoću složenih i skupih daljinskih manipulatora - uostalom, samo će oni moći prodrijeti u radioaktivnu zonu.

Ovo je cijena čak i eksperimentalnog termonuklearnog reaktora - šta će zahtijevati industrijski?

Savremena istraživanja plazme i termonuklearnih reakcija

Glavni fokus istraživanja fizike plazme i kontrolirane termonuklearne fuzije koja se provodi na Institutu za nuklearnu fuziju ostaje aktivno učešće u razvoju tehničkog dizajna međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER.

Ovi radovi su dobili novi zamah nakon potpisivanja 19. septembra 1996. od strane predsjednika Vlade Ruske Federacije V.S. Chernomyrdin Rezolucija o odobrenju saveznog ciljnog naučno-tehničkog programa "Međunarodni termonuklearni reaktor ITER i istraživačko-razvojni rad u njegovoj podršci za 1996-1998." Rezolucijom su potvrđene projektne obaveze koje je preuzela Rusija i obrađena pitanja njihove resursne podrške. Grupa zaposlenih je upućena na rad u centralne ITER projektne timove u SAD-u, Japanu i Njemačkoj. U okviru „kućnog“ zadatka, Institut izvodi eksperimentalni i teorijski rad na modeliranju strukturnih elemenata ITER pokrivača, razvija naučnu osnovu i tehničku podršku za plazma sisteme grijanja i neinduktivnog održavanja struje korištenjem elektronskih ciklotronskih valova i neutralnih injekcija.

Godine 1996. u Institutu za nuklearna istraživanja obavljena su klupska ispitivanja prototipova kvazistacionarnih žirotrona razvijenih u Rusiji za ITER ECR sisteme predionizacije i grijanja plazme. U toku su modelna ispitivanja novih plazma dijagnostičkih metoda - sondiranje plazme snopom teških jona (zajedno sa Institutom za fiziku i tehnologiju u Harkovu) i reflektometrija. Proučavaju se problemi osiguranja sigurnosti termonuklearnih energetskih sistema i srodna pitanja razvoja regulatornog okvira. Izvršen je niz modelskih proračuna mehaničkog odgovora blanketnih struktura reaktora na dinamičke procese u plazmi, kao što su prekidi struje, pomaci plazma kabela itd. U februaru 1996. godine u Moskvi je održan tematski sastanak o dijagnostičkoj podršci za ITER, na kojem su učestvovali predstavnici svih strana u projektu.

Već 30 godina (od 1973. godine) aktivno se odvija zajednički rad u okviru rusko (sovjetsko-američke) saradnje na kontrolisanoj fuziji sa magnetnim zatvaranjem. I u današnjim teškim vremenima za rusku nauku, još uvijek je moguće održati naučni nivo postignut proteklih godina i niz zajedničkih istraživanja, usmjerenih prvenstveno na fizičku i naučno-inženjersku podršku projekta ITER. 1996. godine stručnjaci Instituta nastavili su da učestvuju u eksperimentima deuterijum-tricijum na TFTR tokamaku u Laboratoriji za fiziku plazme u Princetonu. Tokom ovih eksperimenata, zajedno sa značajnim napretkom u proučavanju mehanizma samozagrijavanja plazme α-česticama koje nastaju u termonuklearnoj reakciji, pojavila se ideja o poboljšanju zatvorenosti visokotemperaturne plazme u tokamacima stvaranjem magnetne konfiguracije sa tzv. -zvani inverzni smicanje u centralnoj zoni je praktično potvrđeno. Nastavljeno zajedno sa odjelom za fiziku plazme kompanije " GeneralAtomic „Komplementarne studije neinduktivnog održavanja struje u plazmi pomoću mikrotalasnih talasa u opsegu elektronske ciklotronske rezonancije na frekvenciji 110-140 MHz. Istovremeno je izvršena međusobna razmena jedinstvene dijagnostičke opreme. Eksperiment je pripremljena za daljinsku on-line obradu u Institutu za nuklearne nauke rezultata merenja na DIII-tokamaku D u San Dijegu, za šta će Alfa radna stanica biti prebačena u Moskvu, uz učešće Instituta za nuklearnu fuziju U DIII-D se dovršava moćan žirotronski kompleks usmjeren na kvazistacionarni rad. U tokamacima se intenzivno odvija zajednički računski i teorijski rad na proučavanju disruptivnih procesa (jedan od glavnih fizičkih problema ITER-a). ) i modeliranje transportnih procesa uz učešće teoretičara Princeton Laboratory, Univerziteta Teksas i " GeneralAtomic „Nastavlja se saradnja s Argonne National Laboratory na problemima interakcije plazme i zida i razvoju obećavajućih materijala niske aktivacije za energetske termonuklearne reaktore.

U okviru rusko-njemačkog programa za miroljubivo korištenje atomske energije, ostvaruje se višestruka saradnja sa Institutom za fiziku plazme po imenu. Max Planck, Centar za nuklearna istraživanja na Tehničkim univerzitetima u Jülichu, Stuttgartu i Dresdenu. Zaposleni Instituta su učestvovali u razvoju, a sada i u radu žirotronskih kompleksa Wendelstein W7-As stelaratora i ASDEX-U tokamaka na Institutu M. Planck. Zajednički je razvijen numerički kod za obradu rezultata mjerenja energetskog spektra čestica izmjene naelektrisanja u odnosu na tokamake T-15 i ADEX-U. Nastavljen je rad na analizi i sistematizaciji radnog iskustva inženjerskih sistema tokamaka TEXTOR i T-15. Reflektometrijski plazma dijagnostički sistem se priprema za zajedničke eksperimente u TEXTOR-u. U okviru dugogodišnje saradnje sa Tehničkim univerzitetom u Drezdenu prikupljene su značajne informacije na odabiru i analizi materijala niske aktivacije koji obećavaju za dizajn budućih termonuklearnih reaktora. Saradnja sa Univerzitetom u Štutgartu je usmerena na proučavanje tehnoloških problema povećanja pouzdanosti žirotrona velike snage (zajedno sa Institutom za primenjenu fiziku Ruske akademije nauka). Zajedno sa berlinskim ogrankom Instituta M. Planck radi se na poboljšanju metodologije za korištenje dijagnostičke stanice WASA-2 za površinsku analizu materijala izloženih visokotemperaturnoj plazmi. Stanica je razvijena posebno za tokamak T-15.

Saradnja sa Francuskom odvija se na dva pravca. Zajednička eksperimentalna istraživanja fizike izvora jona jake struje, posebno izvora negativnih vodikovih jona, te plazma pogona svemirskih letjelica, provode se sa Odsjekom za fiziku plazme Ecole Polytechnique. Nastavlja se zajednički rad sa istraživačkim centrom De-Gramat na proučavanju procesa velike brzine kompresije provodljivih cilindričnih ljuski ultra jakim magnetnim poljima. Institut je razvio i gradi instalaciju za proizvodnju impulsnih magnetnih polja u submegausovom opsegu (po ugovoru).

Održavaju se konsultacije sa stručnjacima iz Švicarskog centra za istraživanje fizike plazme Suisse Ecole Poytechnique o korištenju metode zagrijavanja plazme elektronskim ciklotronom. Sa Nuklearnim centrom Frascati (Italija) dogovoren je program dugoročne saradnje na CTS-u.

Potpisan je krovni sporazum o međusobnoj naučnoj razmjeni sa Japanskim nacionalnim centrom za istraživanje plazme (Nagoya). Izveden je niz zajedničkih teorijskih i računskih studija o mehanizmima prijenosa u plazmi tokamaka i problemima zatvaranja u stelaratorima (u vezi sa velikim LHD heliotronom koji se gradi u Japanu).

Na Institutu za fiziku plazme Kineske akademije nauka (Hefei) započeli su eksperimenti u punom obimu na supravodljivom tokamaku NT-7, napravljenom na bazi našeg tokamaka T-7. Institut po ugovoru priprema nekoliko dijagnostičkih sistema za NT-7.

Samsung je više puta pozivao stručnjake Instituta da savjetuju o dizajnu velikog START superprovodljivog tokamaka, koji je Južna Koreja planirala izgraditi do 1999. godine. Ovo je najveća termonuklearna instalacija na svijetu u ovom trenutku.

Institut je vodeća organizacija za šest projekata Međunarodnog naučno-tehničkog centra ISTC (tricijumski ciklus fuzionog reaktora, tehnološka primjena ionske implantacije, plazma dijagnostika, lidarski sistem za ekološku kontrolu atmosfere, sistem oporavka za zagrijavanje plazma injekcijom kompleksi u fuzionim sistemima, izvori niskotemperaturne plazme za tehnološke svrhe).

Zaključak

Ideja o stvaranju fuzijskog reaktora nastala je 1950-ih godina. Tada je odlučeno da se od toga odustane, jer naučnici nisu mogli riješiti mnoge tehničke probleme. Prošlo je nekoliko decenija prije nego što su naučnici uspjeli "natjerati" reaktor da proizvede bilo koju količinu termonuklearne energije.

Tokom pisanja rad na kursu Postavio sam pitanja o stvaranju i glavnim problemima termonuklearne fuzije, a kako se pokazalo, stvaranje instalacija za proizvodnju termonuklearne fuzije je problem, ali ne i glavni. Glavni problemi uključuju zadržavanje plazme u reaktoru i stvaranje optimalnih uslova: produkt koncentracije n čestice za vrijeme t hvatajući ih i stvarajući temperature približno jednake temperaturi u središtu sunca.

Uprkos svim poteškoćama stvaranja kontrolisane termonuklearne fuzije, naučnici ne očajavaju i traže rešenja problema, jer Ako se reakcija fuzije uspješno izvede, dobit će se kolosalan izvor energije, po mnogo čemu superiorniji od bilo koje stvorene elektrane.Rezerve goriva za takve elektrane su praktički neiscrpne - deuterijum i tricijum se lako dobijaju iz morske vode. Kilogram ovih izotopa može osloboditi energiju koliko i 10 miliona kg fosilnog goriva.

Budućnost ne može postojati bez razvoja termonuklearne fuzije, čovječanstvu je potrebna električna energija, a u savremenim uvjetima nećemo imati dovoljno naših energetskih rezervi kada je dobijemo iz nuklearnih i elektrana.

Književnost

1. Milantiev V.P., Temko S.V. Fizika plazme: knj. za vannastavne čitanje. VIII–X klasa – 2. izd., dop. – M.: Prosveta, 1983. 160 str., ilustr. – (Svijet znanja).

2. Svirsky M.S. Elektronska teorija materije: udžbenik. priručnik za studente fizike - mat. fak. ped. Institut - M.: Prosveta, 1980. - 288 str., ilustr.

3. Tsitovich V.N. Električna svojstva plazme. M., „Znanje“, 1973.

4. Tehnologija mladih // Br. 2/1991

5. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Referentni vodič za fiziku. – M.: Nauka. – Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1989. – 576 str., ilustr.

2. Termonuklearne reakcije na Suncu

1. Uvod

3. Problemi kontrole termonuklearne fuzije

3.1 Ekonomski problemi

3.2 Medicinski problemi

4. Zaključak

5. Reference

Problem kontrolisane termonuklearne fuzije jedan je od najvažnijih zadataka sa kojima se čovečanstvo suočava.

Ljudska civilizacija ne može postojati, a još manje se razvijati bez energije. Svi dobro shvaćaju da će razvijeni izvori energije, nažalost, uskoro biti iscrpljeni, prema podacima Svjetskog energetskog savjeta, na Zemlji je ostalo 30 godina dokazanih rezervi ugljikovodika.

Danas su glavni izvori energije nafta, gas i ugalj.

Nuklearne elektrane najbogatije gorivom mogle bi, naravno, snabdjevati čovječanstvo električnom energijom stotinama godina.

Predmet studija: Problemi kontrolisane termonuklearne fuzije.

Predmet istraživanja: Termonuklearna fuzija.

Svrha studije: Riješiti problem kontrole termonuklearne fuzije;

Ciljevi istraživanja:

· Proučite vrste termonuklearnih reakcija.

· Razmotriti sve moguće opcije za isporuku energije oslobođene tokom termonuklearne reakcije do osobe.

· Predložite teoriju o pretvaranju energije u električnu energiju.

Originalna činjenica:

Postignuće uslove kontrolisane termonuklearne fuzije ometa nekoliko glavnih problema:

· Prvo, morate zagrijati plin na vrlo visoku temperaturu.

· Drugo, potrebno je kontrolisati broj reagujućih jezgara tokom dovoljno dugog vremena.

· Treće, količina oslobođene energije mora biti veća od one koja se troši na zagrijavanje i ograničavanje gustine plina.

· Sljedeći problem je akumulacija ove energije i njeno pretvaranje u električnu energiju

2. Termonuklearne reakcije na Suncu

Šta je izvor sunčeve energije? Kakva je priroda procesa tokom kojih se proizvode ogromne količine energije? Koliko dugo će sunce nastaviti da sija?

Prve pokušaje da odgovore na ova pitanja astronomi su napravili sredinom 19. veka, nakon što su fizičari formulisali zakon održanja energije.

Robert Mayer je sugerirao da Sunce sija zbog stalnog bombardiranja površine meteoritima i meteorskim česticama. Ova hipoteza je odbačena, jer jednostavna računica pokazuje da je za održavanje sjaja Sunca na trenutnom nivou potrebno da na njega svake sekunde padne 2∙1015 kg meteorske materije. U toku godine to će iznositi 6∙1022 kg, a tokom postojanja Sunca, preko 5 milijardi godina – 3∙1032 kg, dakle, masa Sunca M/> = 2∙1030 kg. tokom pet milijardi godina, supstance 150 puta veće od mase Sunca trebale su pasti na Sunce.

Drugu hipotezu izneli su Helmholc i Kelvin takođe sredinom 19. veka. Pretpostavili su da Sunce zrači zbog kompresije za 60-70 metara godišnje. Razlog kompresije je međusobno privlačenje čestica Sunca, zbog čega je ova hipoteza nazvana />. kontrakcijske. Ako izvršimo proračun prema ovoj hipotezi, tada starost Sunca neće biti veća od 20 miliona godina, što je u suprotnosti sa savremenim podacima dobijenim analizom radioaktivnog raspada elemenata u geološkim uzorcima Zemljinog tla i tla. Mjesec.

Treću hipotezu o mogućim izvorima sunčeve energije izneo je Džejms Džins početkom dvadesetog veka. On je sugerisao da se u dubinama Sunca nalaze teški radioaktivni elementi koji se spontano raspadaju i emituju energiju, na primer, transformacija uranijuma u torijum, a zatim u olovo je praćena oslobađanjem energije. Naknadna analiza ove hipoteze je takođe pokazala njenu nedoslednost da zvezda koja se sastoji samo od uranijuma ne bi oslobodila dovoljno energije da obezbedi posmatrani sjaj Sunca. Osim toga, postoje zvijezde sa sjajem mnogo puta većim od sjaja naše zvijezde. Malo je vjerovatno da će te zvijezde imati i veće rezerve radioaktivnog materijala.

Najvjerojatnija hipoteza se pokazala kao hipoteza o sintezi elemenata kao rezultat nuklearnih reakcija u utrobi zvijezda.

Hans Bethe je 1935. godine postavio hipotezu da bi izvor sunčeve energije mogla biti termonuklearna reakcija pretvaranja vodonika u helijum. Za to je Bethe dobila Nobelovu nagradu 1967.

Hemijski sastav Sunca je otprilike isti kao i kod većine drugih zvijezda. Otprilike 75% je vodonik, 25% je helijum i manje od 1% su svi ostali hemijski elementi (uglavnom ugljenik, kiseonik, azot, itd.). Neposredno nakon rođenja Univerzuma uopšte nije bilo "teških" elemenata. Svi oni, tj. elementi teži od helijuma, pa čak i mnoge alfa čestice, nastali su tokom “sagorevanja” vodonika u zvijezdama termonuklearnom fuzijom. Karakterističan životni vijek zvijezde poput Sunca je deset milijardi godina.

Glavni izvor energije je proton-protonski ciklus – vrlo spora reakcija (karakteristično vrijeme 7,9∙109 godina), jer je uzrokovana slabom interakcijom. Njegova suština je da četiri protona proizvode jezgro helijuma. U ovom slučaju se oslobađa par pozitrona i par neutrina, kao i energija od 26,7 MeV. Broj neutrina koje Sunce emituje u sekundi određen je samo luminoznošću Sunca. Pošto se 2 neutrina rađaju kada se oslobodi 26,7 MeV, brzina emisije neutrina je: 1,8∙1038 neutrina/s. Direktan test ove teorije je posmatranje solarnih neutrina. Visokoenergetski neutrini (bor) su otkriveni u eksperimentima hlor-argon (Davisovi eksperimenti) i dosledno pokazuju nedostatak neutrina u poređenju sa teoretskom vrednošću za standardni model Sunca. Niskoenergetski neutrini koji nastaju direktno u pp reakciji zabilježeni su u eksperimentima galijum-germanijum (GALLEX u Gran Sassu (Italija - Njemačka) i SAGE u Baksanu (Rusija - SAD)); oni takođe „nedostaju“.

Prema nekim pretpostavkama, ako neutrini imaju masu mirovanja različitu od nule, moguće su oscilacije (transformacije) različitih tipova neutrina (efekat Mikheev-Smirnov-Wolfenstein) (postoje tri tipa neutrina: elektronski, mionski i tauonski neutrin) . Jer drugi neutrini imaju mnogo manje poprečne preseke za interakciju sa materijom od elektrona, uočeni deficit se može objasniti bez promene standardnog modela Sunca, izgrađenog na osnovu celokupnog skupa astronomskih podataka.

Svake sekunde Sunce preradi oko 600 miliona tona vodonika. Zalihe nuklearnog goriva trajat će još pet milijardi godina, nakon čega će se postepeno pretvoriti u bijelog patuljka.

Centralni dijelovi Sunca će se skupljati, zagrijavati, a toplina prenesena na vanjsku ljusku dovest će do njegovog širenja do monstruoznih veličina u odnosu na moderne: Sunce će se toliko proširiti da će apsorbirati Merkur, Veneru i potrošiti “ goriva” sto puta brže nego sada. To će dovesti do povećanja veličine Sunca; naša zvijezda će postati crveni div, čija je veličina uporediva s udaljenosti od Zemlje do Sunca!

Mi ćemo, naravno, biti svjesni takvog događaja unaprijed, jer će prijelaz u novu fazu trajati otprilike 100-200 miliona godina. Kada temperatura centralnog dela Sunca dostigne 100.000.000 K, helijum će početi da gori, pretvarajući se u teške elemente, a Sunce će ući u fazu složenih ciklusa kompresije i širenja. U posljednjoj fazi, naša zvijezda će izgubiti svoj vanjski omotač, centralno jezgro će imati nevjerovatno veliku gustoću i veličinu, poput Zemljine. Proći će još nekoliko milijardi godina i Sunce će se ohladiti, pretvarajući se u bijelog patuljka.

3. Problemi kontrolirane termonuklearne fuzije

Istraživači iz svih razvijenih zemalja svoje nade u prevazilaženje nadolazeće energetske krize polažu na kontroliranu termonuklearnu reakciju. Takva reakcija - sinteza helijuma iz deuterija i tricijuma - odvija se na Suncu milionima godina, a u zemaljskim uslovima pokušavaju da je izvedu već pedeset godina u džinovskim i vrlo skupim laserskim instalacijama, tokamacima ( uređaj za izvođenje reakcije termonuklearne fuzije u vrućoj plazmi) i stelaratori (zatvorena magnetna zamka za držanje visokotemperaturne plazme). Međutim, postoje i drugi načini za rješavanje ovog teškog problema, a umjesto ogromnih tokamaka za termonuklearnu fuziju, vjerojatno će biti moguće koristiti prilično kompaktan i jeftin sudarač - akcelerator sudarajućeg snopa.

Za rad Tokamaku su potrebne vrlo male količine litijuma i deuterijuma. Na primjer, reaktor električne snage od 1 GW sagorijeva oko 100 kg deuterija i 300 kg litijuma godišnje. Ako pretpostavimo da će sve termonuklearne elektrane proizvoditi 10 trilijuna kWh električne energije godišnje, odnosno onoliko koliko danas proizvode sve elektrane na Zemlji, tada će svjetske rezerve deuterijuma i litijuma biti dovoljne da opskrbe čovječanstvo energijom za mnogo miliona godina.

Osim fuzije deuterija ili litijuma, moguća je čisto solarna termonuklearna fuzija kada se dva atoma deuterija spoje. Ako se ova reakcija savlada, energetski problemi bit će riješeni odmah i zauvijek.

U bilo kojoj od poznatih varijanti kontrolisane termonuklearne fuzije (CTF), termonuklearne reakcije ne mogu ući u režim nekontrolisanog povećanja snage, pa takvi reaktori nisu sami po sebi sigurni.

Sa fizičke tačke gledišta, problem je jednostavno formulisan. Za samoodrživu reakciju nuklearne fuzije potrebno je i dovoljno ispuniti dva uslova.

1. Energija jezgara uključenih u reakciju mora biti najmanje 10 keV. Da bi došlo do nuklearne fuzije, jezgra koja sudjeluju u reakciji moraju pasti u polje nuklearnih sila, čiji je polumjer 10-12-10-13 cm. Međutim, atomska jezgra imaju pozitivan električni naboj, i slični naboji se međusobno odbijaju. Na pragu djelovanja nuklearnih sila, energija Kulonove odbijanja je reda veličine 10 keV. Da bi se ova barijera savladala, jezgra nakon sudara moraju imati kinetičku energiju barem ne manju od ove vrijednosti.

2. Proizvod koncentracije reagujućih jezgara i vremena zadržavanja tokom kojeg zadržavaju određenu energiju mora biti najmanje 1014 s.cm-3. Ovaj uslov - takozvani Losonov kriterijum - određuje granicu energetske koristi reakcije. Da bi energija oslobođena u reakciji fuzije barem pokrila energetske troškove iniciranja reakcije, atomska jezgra moraju proći mnoge sudare. U svakom sudaru u kojem dolazi do reakcije fuzije između deuterija (D) i tricijuma (T), oslobađa se 17,6 MeV energije, odnosno približno 3,10-12 J. Ako se, na primjer, 10 MJ energije potroši na paljenje, tada se reakcija će biti neisplativa ako u njoj učestvuje najmanje 3.1018 parni D-T. A za to je prilično gusta visokoenergetska plazma potrebno držati u reaktoru prilično dugo. Ovaj uslov je izražen Losonovim kriterijumom.

Ako se oba zahtjeva mogu ispuniti istovremeno, problem kontrolirane termonuklearne fuzije će biti riješen.

Međutim, tehnička implementacija ovog fizičkog problema suočava se sa ogromnim poteškoćama. Na kraju krajeva, energija od 10 keV je temperatura od 100 miliona stepeni. Supstanca se može držati na takvoj temperaturi čak i djelić sekunde samo u vakuumu, izolirajući je od zidova instalacije.

Ali postoji još jedan način rješavanja ovog problema - hladna termonuklearna fuzija. Šta je hladna termonuklearna reakcija To je analog "vruće" termonuklearne reakcije koja se odvija na sobnoj temperaturi?

U prirodi postoje najmanje dva načina promjene materije unutar jedne dimenzije kontinuuma. Možete prokuvati vodu na vatri, tj. termički, ili u mikrotalasnoj pećnici, tj. frekvencija Rezultat je isti - voda ključa, jedina razlika je u tome što je frekvencijski metod brži. Postizanje ultravisokih temperatura takođe se koristi za cepanje jezgra atoma. Termička metoda daje nekontroliranu nuklearnu reakciju Energija hladne termonuklearne fuzije je energija prijelaznog stanja. Jedan od glavnih uslova za projektovanje reaktora za izvođenje hladne termonuklearne reakcije je stanje njegovog piramidalno - kristalnog oblika. Drugi važan uslov je prisustvo rotirajućih magnetnih i torzijskih polja. Ukrštanje polja se dešava u tački nestabilne ravnoteže jezgra vodonika.

Naučnici Ruzi Taleyarkhan iz Nacionalne laboratorije Oak Ridge, Richard Lahey sa Politehničkog univerziteta. Rensilira i akademik Robert Nigmatulin snimili su hladnu termonuklearnu reakciju u laboratoriji.

Grupa je koristila čašu tečnog acetona veličine dvije do tri čaše. Zvučni talasi su se intenzivno prenosili kroz tečnost, stvarajući efekat poznat u fizici kao akustična kavitacija, čija je posledica sonoluminiscencija. Tokom kavitacije u tečnosti su se pojavili mali mehurići koji su se povećali na dva milimetra u prečniku i eksplodirali. Eksplozije su bile praćene bljeskovima svjetlosti i oslobađanjem energije, tj. temperatura unutar mjehurića u trenutku eksplozije dostigla je 10 miliona stepeni Kelvina, a oslobođena energija, prema eksperimentatorima, dovoljna je za izvođenje termonuklearne fuzije.

"Tehnička" suština reakcije je da se kao rezultat kombinacije dva atoma deuterija formira treći - izotop vodika, poznat kao tricij, i neutron, kojeg karakterizira kolosalna količina energije.

3.1 Ekonomski problemi

Prilikom kreiranja CTS-a, pretpostavlja se da će to biti velika instalacija opremljena moćnim računarima. Bit će to cijeli mali grad. Ali u slučaju nesreće ili kvara opreme, rad stanice će biti poremećen.

To nije predviđeno, na primjer, u modernim projektima nuklearnih elektrana. Vjeruje se da je glavna stvar izgraditi ih, a šta će se kasnije dogoditi nije važno.

Ali ako 1 stanica pokvari, mnogi gradovi će ostati bez struje. To se može primijetiti, na primjer, u nuklearnoj elektrani u Jermeniji. Uklanjanje radioaktivnog otpada postalo je veoma skupo. Zbog zelenih zahtjeva nuklearna elektrana je zatvorena. Stanovništvo je ostalo bez struje, oprema elektrane je dotrajala, a novac koji su međunarodne organizacije izdvojile za restauraciju je bačen.

Ozbiljan ekonomski problem predstavlja dekontaminacija napuštenih proizvodnih pogona u kojima se prerađivao uranijum. Na primjer, "grad Aktau ima svoj mali Černobil" nalazi se na području hemijsko-hidrometalurškog postrojenja (HMZ) u fabrici za preradu urana (HMC) na nekim mjestima dostiže 11.000 mikrorentgena. po satu, prosječni pozadinski nivo je 200 mikrorentgena (uobičajena prirodna pozadina od 10 do 25 mikrorentgena na sat, nakon što je postrojenje zaustavljeno, ovdje nije izvršena uopće dekontaminacija, oko petnaest hiljada). tona, već ima neuklonjivu radioaktivnost. Istovremeno, takvi opasni predmeti se skladište na otvorenom, slabo su čuvani i stalno se odvoze sa teritorije KhGMZ-a.

Dakle, budući da nema stalnih proizvodnih kapaciteta, zbog pojave novih tehnologija, TTS može biti zatvoren, a onda će predmeti i metali iz preduzeća završiti na tržištu i stradati lokalno stanovništvo.

UTS sistem za hlađenje će koristiti vodu. No, prema ekolozima, ako uzmemo statistiku iz nuklearnih elektrana, voda iz ovih rezervoara nije pogodna za piće.

Prema riječima stručnjaka, rezervoar je pun teških metala (posebno torija-232), a na nekim mjestima nivo gama zračenja dostiže 50 - 60 mikrorentgena na sat.

Odnosno, sada, prilikom izgradnje nuklearne elektrane, nisu predviđena sredstva koja bi to područje vratila u prvobitno stanje. A nakon gašenja preduzeća niko ne zna kako da zakopa nagomilani otpad i očisti bivše preduzeće.

3.2 Medicinski problemi

Štetni učinci UTS uključuju proizvodnju mutanata virusa i bakterija koje proizvode štetne tvari. Ovo se posebno odnosi na viruse i bakterije koje se nalaze u ljudskom tijelu. Pojava malignih tumora i raka najvjerovatnije će biti česta bolest među stanovnicima sela koji žive u blizini UTS-a. Otpad iz CTS-a će se bacati u rijeke, ispuštati u zrak ili pumpati u podzemne slojeve, što se sada događa u nuklearnim elektranama.

Pored oštećenja koja se javljaju ubrzo nakon izlaganja visokim dozama, jonizujuće zračenje izaziva dugoročne posljedice. Uglavnom karcinogeneza i genetski poremećaji koji se mogu javiti pri bilo kojoj dozi i vrsti zračenja (jednokratno, kronično, lokalno).

Prema izvještajima ljekara koji su evidentirali bolesti radnika nuklearne elektrane, na prvom mjestu su kardiovaskularne bolesti (srčani udari), a zatim rak. Srčani mišić postaje tanji pod uticajem zračenja, postaje mlohav i manje jak. Postoje potpuno neshvatljive bolesti. Na primjer, zatajenje jetre. Ali zašto se to dešava, niko od lekara još uvek ne zna. Ako radioaktivne materije dospeju u respiratorni trakt tokom nesreće, lekari izrezuju oštećeno tkivo pluća i dušnika, a invalid hoda sa prenosivi uređaj, za disanje

4. Zaključak

Čovječanstvu je potrebna energija, a potreba za njom se povećava svake godine. Istovremeno, rezerve tradicionalnih prirodnih goriva (nafta, ugalj, gas, itd.) su ograničene. Postoje i ograničene rezerve nuklearnog goriva - uranijuma i torija, iz kojih se plutonijum može dobiti u reaktorima za razmnožavanje. Rezerve termonuklearnog goriva – vodonika – su praktično neiscrpne.

Godine 1991. po prvi put je bilo moguće dobiti značajnu količinu energije - otprilike 1,7 miliona vati kao rezultat kontrolirane nuklearne fuzije u Zajedničkoj europskoj laboratoriji (Torus). U decembru 1993., istraživači sa Univerziteta Princeton koristili su tokamak fuzijski reaktor za proizvodnju kontrolirane nuklearne reakcije koja je proizvela 5,6 miliona vati energije. Međutim, i reaktor Tokamak i laboratorij Torus potrošili su više energije nego što je primljeno.

Ako proizvodnja energije nuklearne fuzije postane praktično dostupna, ona će osigurati neograničen izvor goriva

5. Reference

1) Časopis “New Look” (Fizika; Za buduću elitu).

2) Udžbenik fizike 11. razred.

3) Akademija energetike (analitika; ideje; projekti).

4) Ljudi i atomi (William Lawrence).

5) Elementi univerzuma (Seaborg i Valence).

6) Sovjetski enciklopedijski rečnik.

7) Encarta 96 Encyclopedia.

8) Astronomija - www.college.ru./astronomy.