Термоядерные электростанции: Что такое термоядерный синтез и почему его так сложно запустить?

Как работает термоядерный реактор и почему его до сих пор не построили — T&P

Иллюстрация: Максим Чатский

Термоядерный реактор, еще не работает и заработает нескоро. Но ученые уже точно знают, как он устроен.

Теория

В качестве топлива для термоядерного реактора может выступать Гелий-3, один из изотопов гелия. Он редко встречается на Земле, но его очень много на Луне. На этом строится сюжет одноименного фильма Дункана Джонса. Если вы читаете эту статью, то фильм вам точно понравится.

Реакция ядерного синтеза — это когда два маленьких атомных ядра слепляются в одно большое. Это реакция, обратная ядерному распаду. Например, можно столкнуть два ядра водорода, чтобы получить гелий.

При такой реакции выделяется огромное количество энергии благодаря разности масс: масса частиц до реакции больше, чем масса полученного большого ядра. Эта масса и превращается в энергию благодаря всем известной формуле E=mc².

Но для того, чтобы произошло слияние двух ядер, надо преодолеть их силу электростатического отталкивания и сильно прижать друг к другу. А на маленьких расстояниях, порядка размера ядер, действуют уже гораздо большие ядерные силы, благодаря которым ядра притягиваются друг к другу и объединяются в одно большое ядро.

Поэтому реакция термоядерного синтеза может проходить только при очень больших температурах, чтобы скорость ядер была такой, что при столкновении им хватило энергии настолько приблизиться друг к другу, чтобы заработали ядерные силы и произошла реакция. Вот откуда в названии взялось «термо-».

Практика

Где энергия, там и оружие. Во время холодной войны СССР и США разработали термоядерные (или водородные) бомбы. Это самое разрушительное оружие, созданное человечеством, в теории оно может уничтожить Землю.

Как раз температура и является основным препятствием использовать термоядерную энергию на практике. Не существует материалов, которые смогут удержать такую температуру и не расплавиться.

Но выход есть, можно удерживать плазму благодаря сильному магнитному полю. В специальных устройствах токамаках плазму могут удержать в форме бублика огромные мощные магниты.

Термоядерная электростанция безопасна, экологически чиста и очень экономична. Она может решить все энергетические проблемы человечества. Дело за малым — научиться строить термоядерные электростанции.

Международный экспериментальный термоядерный реактор

В фильме Назад в будущее доктор Эммет Браун возвращается из 2015 года с компактным термоядерным реактором Mr. Fusion, который вырабатывает энергию из мусора.

Построить термоядерный реактор очень сложно, и очень дорого. Для решения такой грандиозной задачи объединились усилия ученых нескольких стран: России, США, стран ЕС, Японии, Индии, Китая, Республики Корея и Канады.

Сейчас строится экспериментальный токамак во Франции, стоить он будет примерно 15 миллиардов долларов, по планам он будет закончен к 2019 году и до 2037 на нем будут проводиться эксперименты. Если они будут успешными, то, может, мы еще успеем пожить в счастливую эпоху термоядерной энергии.

Так что сосредоточьтесь посильнее и начинайте с нетерпением ждать результатов экспериментов, это вам не второй iPad ждать — на кону будущее человечества.

Игорь Гладкобородов

Теги

#аэс

#магнетизм

#наука

• 45 591

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции

_{Thermonuclear reactions}

    Термоядерные реакции
− реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах.
Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся
в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют,
в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная
суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической
энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот
факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>10⁷–10⁸
К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных
радиусу действия ядерных сил притяжения, т. е. до расстояний ≈10^-13
см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают
кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие
навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно
нагретых сред, либо специально ускоренные.
    Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны
для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро ²Н,
t означает тритон − ядро ³Н.

d + d → ³He + n + 4.0 МэВ,
d + d → t + p + 3.25 МэВ,
t + d → ⁴He + n + 17.6 МэВ,
³He + d → ⁴He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся
в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся
ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое
отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала
при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской
энергии ядер, вступающих в реакцию. Соответствующие эффективные сечения
реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния
от энергии дейтрона.

    Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются
эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно,
так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных
температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных
реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии.
Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см³
и температуре 10⁷ К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения
четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (⁴Не). При каждом
таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая
протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

    На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции
с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени
(10^-7–10^-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной
из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких
взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия
и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2

Н + ³Н
⁴Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
    В настоящее время ведутся работы по созданию
термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных
масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза

См. также

• Термоядерные процессы
• Ядерные реакции в звездах
• Ядерные реакции на Солнце и в
  звездах
• Образование элементов
• Лазерный термоядерный синтез
• Лазерный термоядерный синтез в
  кластерах

ИТЭР во Франции

ИТЭР во Франции

В центре участка ИТЭР площадью 180 га находится научная платформа площадью 42 га, на которой в настоящее время ведутся работы по строительству ИТЭР. Фото: Организация ИТЭР/EJF Riche, май 2021 г.

Решение о размещении проекта ИТЭР на юге Франции было принято членами ИТЭР в июне 2005 г. технические требования для размещения ИТЭР — геологические, гидрологические и сейсмические нормы, доступ к воде и электричеству — и, кроме того, выиграли от богатой научной и промышленной среды.

Принимающая сторона и сосед ИТЭР — исследовательский центр CEA Cadarache — сыграл важную роль в поддержке исследований на месте и в сплочении местных политических деятелей, поддерживающих ИТЭР во Франции.

Когда в конце 2005 года туда прибыла первая команда ИТЭР из шести человек, CEA Cadarache предоставила землю, временные офисы, электрические и гидравлические сети, а также критически важные услуги, такие как транспорт и доступ к столовой и лазарету. Он также учредил специальное агентство Agence Iter France для управления натурой и финансовыми взносами Франции в проект ИТЭР. В дополнение к вкладу в проект ИТЭР в качестве члена Европейского союза Франция взяла на себя и выполнила ряд конкретных обязательств.

Франция предоставила площадку для проекта и выполнила подготовительные работы, включая расчистку и выравнивание, ограждение и сети для воды и электричества. Он создал международную школу для семей сотрудников ИТЭР, адаптировал дороги вдоль маршрута ИТЭР для перевозки компонентов ИТЭР и внес свой вклад (совместно с Европейским внутренним агентством) в строительство штаб-квартиры ИТЭР. По окончании экспериментальной фазы ИТЭР Франция будет нести ответственность за демонтаж и вывод объекта из эксплуатации.

Местные органы власти вокруг ИТЭР также принимали активное участие в проекте, начиная с этапа переговоров по площадке. Генеральные советы шести ближайших к ИТЭР департаментов (Верхние Альпы, Альпы Верхнего Прованса, Приморские Альпы, Воклюз, Вар и Буш-дю-Рон) вместе с Региональным советом Прованс-Альпы-Лазурный Берег и Communauté du Pays d «Экс» вложили в общей сложности 467 миллионов евро.

Действия по ИТЭР во Франции координируются несколькими административными органами. Agence Iter France руководило подготовительными работами на площадке, а также оказывает приветственные услуги сотрудникам ИТЭР, прибывающим из-за границы, и координирует транспортировку исключительных компонентов по маршруту ИТЭР.

Высокий представитель по реализации ИТЭР во Франции координирует реализацию проекта ИТЭР и обеспечивает представительство Франции среди членов ИТЭР, Европейского национального агентства по ИТЭР и Организации ИТЭР.

Промышленный комитет ИТЭР стремится оптимизировать экономические последствия для региона, укрепляя отношения между ИТЭР и местной промышленностью, особенно на этапах строительства и сборки проекта. Научная подготовка к карьере в области термоядерного синтеза продвигается через ассоциацию 12 французских университетов и инженерных школ, которые теперь предлагают степень магистра в области науки о термоядерном синтезе.

Сегодня региональная префектура и региональный совет совместно несут ответственность за разработку долгосрочного стратегического и экономического плана развития района Валь-де-Дюранс вблизи ИТЭР, включая вопрос размещения большого количества рабочих, которые, как ожидается, будут участвовать в ИТЭР. строительство.

Международная школа

Вход в международную школу Прованс-Альпы-Лазурный Берег в Маноске, Франция.

Для международных ученых, инженеров и администраторов проектов, переезжающих в этот район со своими семьями, Франция обязалась обеспечить двуязычное образование от детского сада до средней школы. Программа открыта для семей ИТЭР, а также для местных детей, заинтересованных в международной учебной программе.

Международная школа Прованс-Альпы-Лазурный Берег, расположенная в Маноске , начала свою работу во временном жилье в 2007 году для 130 учащихся в возрасте от 3 до 18 лет; набор в настоящее время составляет 880 (2021-2022). Из 31 национальности, представленной в школе, немногим более 60 процентов учащихся из семей ИТЭР. Международная школа предлагает шесть языковых секций, обучение на одиннадцати языках, помещения для 50 пансионеров. Он также предлагает европейскую секцию.

Международная школа площадью 26 000 квадратных метров, спроектированная отмеченными наградами архитекторами Риччиотти и Баттести, производит электричество с помощью солнечных батарей для 100% своих потребностей в освещении.

В период с 2008 по 2010 год велись работы на постоянных школьных зданиях. Инновационный дизайн и экологическая устойчивость школы, финансируемой Региональным советом Прованс-Альпы-Лазурный берег, были признаны в ноябре 2010 года, когда Международная школа была названа одним из 60 выдающихся учреждений ОЭСР в соответствии с  4-м сборником образцовых учебных заведений. ОЭСР/CELE» (Организация экономического сотрудничества и развития/Центр эффективной среды обучения ).

Посетите веб-сайт Международной школы или загрузите полную брошюру здесь.

Термоядерный реактор | Описание, история, использование и факты

термоядерный реактор

Просмотреть все материалы

Связанные темы:

токамак
термоядерный синтез с инерционным удержанием
компактный тор
электромагнитное волновое отопление
магнитное удержание

Просмотреть весь связанный контент →

термоядерный реактор , также называемый термоядерным реактором или термоядерным реактором , устройство для производства электроэнергии из энергии, выделяемой в реакции ядерного синтеза. Использование реакций ядерного синтеза для производства электроэнергии остается теоретическим.

С 1930-х годов ученые знали, что Солнце и другие звезды генерируют энергию путем ядерного синтеза. Они поняли, что если производство термоядерной энергии можно воспроизвести контролируемым образом на Земле, это вполне может стать безопасным, чистым и неисчерпаемым источником энергии. 1950-е годы ознаменовались началом всемирных исследований по разработке термоядерного реактора. Существенные достижения и перспективы этого продолжающегося усилия описаны в этой статье.

Механизм производства энергии в термоядерном реакторе представляет собой соединение двух легких атомных ядер. Когда два ядра сливаются, небольшое количество массы превращается в большое количество энергии. Энергия ( E ) и масса ( m ) связаны соотношением Эйнштейна, E  =  м c ² , на большой коэффициент преобразования c ² , где c — скорость света (около 3 × 10 ⁸ метров в секунду, или 186,0 миль). Масса может быть преобразована в энергию также путем ядерного деления, расщепления тяжелого ядра. Этот процесс разделения используется в ядерных реакторах.

Реакции синтеза тормозятся электрической силой отталкивания, называемой кулоновской силой, которая действует между двумя положительно заряженными ядрами. Чтобы произошло слияние, два ядра должны приблизиться друг к другу с высокой скоростью, чтобы преодолеть свое электрическое отталкивание и достичь достаточно малого расстояния (менее одной триллионной сантиметра), чтобы преобладало сильное взаимодействие ближнего действия. Для производства полезного количества энергии необходимо слияние большого количества ядер; то есть должен быть произведен газ плавящихся ядер. В газе при чрезвычайно высоких температурах среднее ядро ​​содержит достаточную кинетическую энергию для синтеза. Такая среда может быть получена путем нагревания обычного газа выше температуры, при которой электроны выбиваются из их атомов. В результате получается ионизированный газ, состоящий из свободных отрицательных электронов и положительных ядер. Этот ионизированный газ находится в плазменном состоянии, четвертом состоянии вещества. Большая часть материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.

В основе экспериментальных термоядерных реакторов лежит высокотемпературная плазма. Между ядрами происходит слияние, при этом электроны присутствуют только для поддержания макроскопической нейтральности заряда. Температура плазмы составляет около 100 000 000 кельвинов (К; около 100 000 000 ° C или 180 000 000 ° F), что более чем в шесть раз превышает температуру в центре Солнца. (Более высокие температуры требуются для более низких давлений и плотностей, встречающихся в термоядерных реакторах.) Плазма теряет энергию в результате таких процессов, как излучение, проводимость и конвекция, поэтому для поддержания горячей плазмы требуется, чтобы реакции синтеза добавляли достаточно энергии, чтобы уравновесить потери энергии. Чтобы достичь этого баланса, произведение плотности плазмы на время удержания ее энергии (время, необходимое плазме, чтобы потерять свою энергию, если ее не восполнить) должно превышать критическое значение.

Звезды, включая Солнце, состоят из плазмы, вырабатывающей энергию в результате термоядерных реакций. В этих естественных термоядерных реакторах плазма удерживается под высоким давлением огромным гравитационным полем. Невозможно собрать на Земле плазму, достаточно массивную, чтобы ее можно было удерживать под действием гравитации. Для наземных применений существует два основных подхода к управляемому синтезу, а именно магнитное удержание и инерционное удержание.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

В магнитном удержании плазма низкой плотности удерживается в течение длительного периода времени магнитным полем. Плотность плазмы составляет примерно 10 ²¹ частиц на кубический метр, что во много тысяч раз меньше плотности воздуха при комнатной температуре. При этом время удержания энергии должно быть не менее одной секунды, т. е. энергия в плазме должна обновляться каждую секунду.

При инерционном удержании не предпринимается никаких попыток удерживать плазму сверх времени, необходимого для ее разборки. Время удержания энергии — это просто время, необходимое для расширения плавящейся плазмы. Ограниченная только собственной инерцией, плазма выживает лишь около одной миллиардной доли секунды (одной наносекунды). Следовательно, безубыточность в этой схеме требует очень большой плотности частиц, обычно около 10 ³⁰ частиц на кубический метр, что примерно в 100 раз превышает плотность жидкости. Термоядерная бомба является примером инерционно удерживаемой плазмы. В силовой установке с инерционным удержанием экстремальная плотность достигается за счет сжатия твердой топливной гранулы миллиметрового масштаба с помощью лазеров или пучков частиц. Эти подходы иногда называют лазерным синтезом или синтезом пучков частиц.

Наименее трудная для осуществления реакция синтеза объединяет дейтрон (ядро атома дейтерия) с тритоном (ядро атома трития). Оба ядра являются изотопами ядра водорода и содержат единичную единицу положительного электрического заряда. Таким образом, для синтеза дейтерия-трития (DT) требуется, чтобы ядра имели меньшую кинетическую энергию, чем это необходимо для синтеза более сильно заряженных и более тяжелых ядер. Два продукта реакции — альфа-частица (ядро атома гелия) с энергией 3,5 миллиона электрон-вольт (МэВ) и нейтрон с энергией 14,1 МэВ (1 МэВ — энергетический эквивалент температуры около 10 000 000 000 К). Нейтрон, лишенный электрического заряда, не подвержен влиянию электрических или магнитных полей и может покинуть плазму, чтобы отдать свою энергию окружающему материалу, такому как литий. Тепло, вырабатываемое в литиевом «одеяле», затем может быть преобразовано в электрическую энергию с помощью обычных средств, таких как паровые турбины. Между тем электрически заряженные альфа-частицы сталкиваются с дейтронами и тритонами (путем их электрического взаимодействия) и могут магнитно удерживаться внутри плазмы, тем самым передавая свою энергию реагирующим ядрам. Когда это перераспределение энергии синтеза в плазму превышает мощность, теряемую из плазмы, плазма становится самоподдерживающейся или «зажигается».

Хотя тритий не встречается в природе, тритоны и альфа-частицы образуются, когда нейтроны от реакций DT-синтеза захватываются окружающим литиевым бланкетом. Затем тритоны возвращаются в плазму. В этом отношении термоядерные реакторы DT уникальны, поскольку они используют свои отходы (нейтроны) для производства большего количества топлива. В целом, термоядерный реактор DT использует дейтерий и литий в качестве топлива и генерирует гелий в качестве побочного продукта реакции. Дейтерий можно легко получить из морской воды — примерно одна из каждых 3000 молекул воды содержит атом дейтерия. Литий также распространен и недорог. На самом деле дейтерия и лития в океанах достаточно, чтобы обеспечить мировые потребности в энергии на миллиарды лет. С дейтерием и литием в качестве топлива термоядерный реактор DT был бы фактически неисчерпаемым источником энергии.

Практический термоядерный реактор также будет иметь несколько привлекательных характеристик безопасности и защиты окружающей среды. Во-первых, термоядерный реактор не будет выделять загрязняющие вещества, сопровождающие сжигание ископаемого топлива, в частности, газы, способствующие глобальному потеплению.