Учени от лабораторията по физика на плазмата в Принстън предложиха идеята за най-издръжливото устройство за ядрен синтез, което може да работи повече от 60 години. В момента това е трудна задача: учените се борят да накарат термоядрения реактор да работи за няколко минути - и след това години. Въпреки сложността, изграждането на термоядрен реактор е една от най-обещаващите задачи на науката, която може да донесе големи ползи. Ние ви казваме какво трябва да знаете за термоядрения синтез.

1. Какво е термоядрен синтез?

Не се страхувайте от тази тромава фраза, всъщност всичко е доста просто. Термоядреният синтез е вид ядрена реакция.

По време на ядрена реакция ядрото на атома взаимодейства или с елементарна частица, или с ядрото на друг атом, поради което съставът и структурата на ядрото се променят. Едно тежко атомно ядро ​​може да се разпадне на две или три по-леки - това е реакция на делене. Има и реакция на синтез: това е, когато две леки атомни ядра се сливат в едно тежко.

За разлика от ядреното делене, което може да се осъществи както спонтанно, така и принудително, ядреният синтез е невъзможен без доставка на външна енергия. Както знаете, противоположностите се привличат, но атомните ядра са положително заредени - така че те се отблъскват. Тази ситуация се нарича кулонова бариера. За да се преодолее отблъскването, е необходимо тези частици да се разпръснат до луди скорости. Това може да стане при много високи температури, от порядъка на няколко милиона келвина. Именно тези реакции се наричат ​​термоядрени.

2. Защо имаме нужда от термоядрен синтез?

По време на ядрени и термоядрени реакции се отделя огромно количество енергия, която може да се използва за различни цели - можете да създадете най-мощното оръжие или можете да преобразувате ядрената енергия в електричество и да я доставяте на целия свят. Енергията на ядрения разпад отдавна се използва в атомните електроцентрали. Но термоядрената енергия изглежда по-обещаваща. При термоядрена реакция за всеки нуклон (т.нар. съставни ядра, протони и неутрони) се отделя много повече енергия, отколкото при ядрена реакция. Например, когато деленето на ураново ядро ​​на нуклон представлява 0,9 MeV (мегаелектронволт) и когатоПри синтеза на хелиево ядро ​​от водородните ядра се отделя енергия, равна на 6 MeV. Затова учените се учат да провеждат термоядрени реакции.

Изследванията на термоядрения синтез и изграждането на реактори позволяват разширяване на високотехнологичното производство, което е полезно в други области на науката и високите технологии.

3. Какво представляват термоядрените реакции?

Термоядрените реакции се делят на самоподдържащи се, неконтролирани (използвани при водородни бомби) и контролирани (подходящи за мирни цели).

В интериора на звездите протичат самоподдържащи се реакции. На Земята обаче няма условия за възникване на подобни реакции.

Хората провеждат неконтролиран или експлозивен термоядрен синтез от дълго време. През 1952 г., по време на операция Evie Mike, американците взривяват първото в света термоядрен взривно устройство, което няма практическа стойност като оръжие. И през октомври 1961 г. е изпробвана първата в света термоядрена (водородна) бомба (Цар Бомба, майката на Кузкин), разработена от съветски учени под ръководството на Игор Курчатов. Това беше най-мощното взривно устройство в историята на човечеството: общата енергия на експлозията, според различни източници, варираше от 57 до 58,6 мегатона тротил. За да се взриви водородна бомба, първо е необходимо да се получи висока температура по време на конвенционална ядрена експлозия - едва тогава атомните ядра ще започнат да реагират.

Силата на експлозията при неконтролирана ядрена реакция е много висока, освен това делът на радиоактивното замърсяване е висок. Следователно, за да се използва термоядрената енергия за мирни цели, е необходимо да се научите как да я управлявате.

4. Какво е необходимо за контролирана термоядрена реакция?

Дръжте плазмата!

Неясен? Сега нека обясним.

Първо, атомните ядра. Ядрената енергия използва изотопи - атоми, които се различават един от друг по броя на неутроните и съответно по атомната маса. Водородният изотоп деутерий (D) се извлича от вода. Свръхтежкият водород или тритий (T) е радиоактивен изотоп на водорода, който е страничен продукт от реакциите на разпад, провеждани в конвенционалните ядрени реактори. Също така в термоядрените реакции се използва лек изотоп на водорода, протий: това е единственият стабилен елемент, който няма неутрони в ядрото. Хелий-3 се съдържа на Земята в незначителни количества, но е много изобилен в лунната почва (реголит): през 80-те години НАСА разработи план за хипотетични инсталации за обработка на реголит и извличане на изотопи. От друга страна, друг изотоп, бор-11, е широко разпространен на нашата планета. 80% от бора на Земята е изотоп, необходим за ядрените учени.

Второ, температурата е много висока. Веществото, участващо в термоядрена реакция, трябва да бъде почти напълно йонизирана плазма – това е газ, в който поотделно плуват свободни електрони и йони с различни заряди. За да се превърне веществото в плазма, е необходима температура от 10 7 -10 8 К - това са стотици милиони градуси по Целзий! Такива свръхвисоки температури могат да бъдат получени чрез създаване на електрически разряди с висока мощност в плазмата.

Невъзможно е обаче просто да се нагреят необходимите химически елементи. Всеки реактор незабавно ще се изпари при тези температури. Тук се изисква съвсем различен подход. Към днешна дата е възможно да се държи плазмата в ограничена площ с помощта на тежки електрически магнити. Но все още не е възможно да се използва напълно енергията, получена в резултат на термоядрена реакция: дори под въздействието на магнитно поле, плазмата се разпространява в пространството.

5. Кои реакции са най-обещаващи?

Основните ядрени реакции, планирани да бъдат използвани за контролиран синтез, ще използват деутерий (2H) и тритий (3H), а в дългосрочен план хелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Ето най-интересните реакции.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - реакция на деутерий-тритий.

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% е т. нар. деутериев монопропелант.

Реакции 1 и 2 са изпълнени с неутронно радиоактивно замърсяване. Следователно „безнеутронните“ реакции са най-обещаващи.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - деутерият реагира с хелий-3. Проблемът е, че хелий-3 е изключително рядък. Въпреки това, добивът без неутрони прави тази реакция обещаваща.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - бор-11 реагира с протий, което води до алфа частици, които могат да се абсорбират от алуминиево фолио.

6. Къде да се проведе такава реакция?

Естественият термоядрен реактор е звездата. В него плазмата се задържа под въздействието на гравитацията, а радиацията се абсорбира - по този начин ядрото не се охлажда.

На Земята термоядрените реакции могат да се извършват само в специални съоръжения.

импулсни системи. В такива системи деутерий и тритий се облъчват с лазерни лъчи със свръхвисока мощност или електронни/йонни лъчи. Такова облъчване причинява поредица от термоядрени микроексплозии. Въпреки това е неизгодно да се използват такива системи в промишлен мащаб: много повече енергия се изразходва за ускоряване на атомите, отколкото се получава в резултат на синтез, тъй като не всички ускорени атоми влизат в реакция. Поради това много страни изграждат квазистационарни системи.

Квазистационарни системи. В такива реактори плазмата се задържа от магнитно поле при ниско налягане и висока температура. Има три типа реактори, базирани на различни конфигурации на магнитно поле. Това са токамаци, стеларатори (торсатрони) и огледални капани.

токамакозначава "тороидална камера с магнитни намотки". Това е камера под формата на "поничка" (тор), върху която се навиват намотки. Основната характеристика на токамака е използването на променлив електрически ток, който протича през плазмата, нагрява я и, създавайки магнитно поле около себе си, я задържа.

AT стеларатор (торсатрон)магнитното поле е изцяло задържано от магнитни намотки и за разлика от токамака може да работи непрекъснато.

У огледални (отворени) капаниизползва се принципът на отражение. Камерата е затворена от двете страни с магнитни "тапи", които отразяват плазмата, задържайки я в реактора.

Дълго време огледалните капани и токамаците се бореха за надмощие. Първоначално концепцията за капан изглеждаше по-проста и следователно по-евтина. В началото на 60-те години отворените капани бяха силно финансирани, но нестабилността на плазмата и неуспешните опити да се задържи с магнитно поле принудиха тези инсталации да се усложняват - простите на външен вид дизайни се превърнаха в адски машини и не успяха да се постигнат стабилен резултат. Следователно токамаците излизат на преден план през 80-те години на миналия век. През 1984 г. беше пуснат европейският токамак JET, чиято цена беше само 180 милиона долара и чиито параметри направиха възможно провеждането на термоядрена реакция. В СССР и Франция са проектирани свръхпроводящи токамаци, които почти не изразходват енергия за работата на магнитната система.

7. Кой сега се учи да провежда термоядрени реакции?

Много страни изграждат свои собствени термоядрен реактори. Експериментални реактори има в Казахстан, Китай, САЩ и Япония. Курчатовският институт работи по реактора IGNITOR. Германия пусна стелараторния термоядрен реактор Wendelstein 7-X.

Най-известният международен проект е токамакът ITER (ITER, Международен термоядрен експериментален реактор) в изследователския център Cadarache (Франция). Строителството му трябваше да бъде завършено през 2016 г., но размерът на необходимата финансова подкрепа нарасна, а времето на експериментите се измести към 2025 г. В дейността на ITER участват Европейският съюз, САЩ, Китай, Индия, Япония, Южна Корея и Русия. Основен дял във финансирането има ЕС (45%), останалите участници доставят високотехнологично оборудване. По-специално, Русия произвежда свръхпроводящи материали и кабели, радиотръби за плазмено нагряване (жиротрони) и предпазители за свръхпроводящи намотки, както и компоненти за най-сложната част на реактора - първата стена, която трябва да издържа на електромагнитни сили, неутронно излъчване и плазмено лъчение.

8. Защо все още не използваме термоядрени реактори?

Съвременните инсталации токамак не са термоядрени реактори, а изследователски инсталации, в които съществуването и запазването на плазмата е възможно само за известно време. Факт е, че учените все още не са научили как да задържат плазмата в реактора за дълго време.

В момента едно от най-големите постижения в областта на ядрения синтез е успехът на немски учени, които успяха да нагреят водородния газ до 80 милиона градуса по Целзий и да поддържат облак от водородна плазма за четвърт секунда. А в Китай водородната плазма беше нагрята до 49,999 милиона градуса и задържана за 102 секунди. Руски учени от Института по ядрена физика им. Г. И. Будкер, Новосибирск, успяха да постигнат стабилно нагряване на плазмата до десет милиона градуса по Целзий. Въпреки това, наскоро американците предложиха метод за ограничаване на плазмата за 60 години - и това вдъхва оптимизъм.

Освен това има противоречия относно рентабилността на синтеза в индустрията. Не е известно дали ползите от производството на електроенергия ще компенсират разходите от термоядрения синтез. Предлага се да се експериментира с реакции (например да се изостави традиционната реакция на деутерий-тритий или монопропелант в полза на други реакции), структурни материали - или дори да се изостави идеята за индустриален термоядрен синтез, като се използва само за отделни реакции при делене реакции. Въпреки това учените продължават да експериментират.

9. Безопасни ли са термоядрените реактори?

Относително. Тритият, който се използва в термоядрени реакции, е радиоактивен. Освен това невроните, освободени в резултат на синтез, облъчват структурата на реактора. Самите елементи на реактора са покрити с радиоактивен прах поради излагане на плазма.

Въпреки това, термоядрен реактор е много по-безопасен от ядрения реактор по отношение на радиацията. В реактора има сравнително малко радиоактивни вещества. Освен това дизайнът на самия реактор предполага липсата на "дупки", през които може да изтече радиация. Вакуумната камера на реактора трябва да бъде запечатана, в противен случай реакторът просто не може да работи. При изграждането на термоядрени реактори се използват материали, тествани с ядрена енергия, като в помещенията се поддържа понижено налягане.

Атомът е градивният елемент на Вселената. Има само около сто атома от различни видове. Повечето елементи са стабилни (например кислородът и азотът на атмосферата; въглеродът, кислородът и водородът са основните компоненти на нашето тяло и всички други живи организми). Други елементи, предимно много тежки, са нестабилни, което означава, че спонтанно се разпадат, пораждайки други елементи. Тази трансформация се нарича ядрена реакция.

Ядрени реакции - трансформации на атомни ядра при взаимодействие с елементарни частици, g-кванти или помежду си.

Ядрените реакции са разделени на два вида: ядрено делене и термоядрен синтез.

Ядрената реакция на делене е процес на разделяне на атомно ядро ​​на две (рядко три) ядра с подобни маси, наречени фрагменти на делене. В резултат на деленето могат да се появят и други реакционни продукти: леки ядра (главно алфа частици), неутрони и гама кванти. Делението е спонтанно (спонтанно) и принудително.

Спонтанно (спонтанно) е ядрено делене, по време на което някои доста тежки ядра се разпадат на два фрагмента с приблизително еднакви маси.

Спонтанното делене е открито за първи път за естествен уран. Както всеки друг вид радиоактивен разпад, спонтанното делене се характеризира с период на полуразпад (период на делене). Времето на полуразпад за спонтанно делене варира за различните ядра в много широк диапазон (от 1018 години за 93Np237 до няколко десети от секундата за трансуранови елементи).

Принудителното делене на ядрата може да бъде причинено от всякакви частици: фотони, неутрони, протони, деутрони, b-частици и др., ако енергията, която те допринасят за ядрото, е достатъчна за преодоляване на бариерата на делене. За ядрената енергия деленето, причинено от неутрони, е от по-голямо значение. Реакцията на делене на тежки ядра е проведена за първи път върху уран U235. За да се разпадне ядрото на урана на два фрагмента, му се предава енергия на активиране. Урановото ядро ​​получава тази енергия, като улавя неутрон. Ядрото влиза във възбудено състояние, деформира се, между частите на ядрото се появява "мост" и под въздействието на кулоновите отблъскващи сили ядрото се разделя на два фрагмента с неравна маса. И двата фрагмента са радиоактивни и излъчват 2 или 3 вторични неутрона.

Ориз. четири

Вторичните неутрони се абсорбират от съседните уранови ядра, което ги кара да се разделят. При подходящи условия може да възникне саморазвиващ се процес на масивно ядрено делене, наречен ядрена верижна реакция. Тази реакция е придружена от освобождаване на огромна енергия. Например при пълно изгаряне на 1 g уран се отделя 8,28 1010 J енергия. Ядрената реакция се характеризира с термичен ефект, който представлява разликата между масите на покой на ядрата, влизащи в ядрена реакция, и ядрата, образувани в резултат на реакцията, т.е. енергийният ефект на ядрена реакция се определя главно от разликата в масите на крайното и изходното ядро. Въз основа на еквивалентността на енергията и масата е възможно да се изчисли енергията, освободена или изразходвана в хода на ядрена реакция, ако знаете точно масата на всички ядра и частици, участващи в реакцията. Според закона на Айнщайн:

• ?E=?mc2
• ?E = (mA + mx - mB - my)c2

където mА и mх са масите на целевото ядро ​​и съответно на бомбардиращото ядро ​​(частица);

mB и my са масите и на ядрата, образувани в резултат на реакцията.

Колкото повече енергия се отделя при образуването на ядрото, толкова по-силно е то. Енергията на свързване на ядрото е количеството енергия, необходимо за разлагането на ядрото на атома на съставните му части - нуклони (протони и неутрони).

Пример за неконтролирана верижна реакция на делене е експлозията на атомна бомба; контролирана ядрена реакция се извършва в ядрени реактори.

Термоядрен синтез е обратната реакция на атомното делене, сливането на леки атомни ядра в по-тежки ядра, протичащо при свръхвисоки температури и придружено от освобождаване на огромни количества енергия. Внедряването на контролиран термоядрен синтез ще даде на човечеството нов екологичен и практически неизчерпаем източник на енергия, който се основава на сблъсъка на ядрата на водородни изотопи, а водородът е най-разпространеното вещество във Вселената.

Процесът на синтез протича със забележима интензивност само между леки ядра с малък положителен заряд и само при високи температури, когато кинетичната енергия на сблъскващите се ядра е достатъчна за преодоляване на кулоновската потенциална бариера. Реакциите между тежките изотопи на водорода (деутерий 2H и тритий 3H) протичат с несравнимо по-голяма скорост с образуването на силно свързани хелиеви ядра.

2D + 3T > 4He (3,5 MeV) + 1n (14,1 MeV)

Тези реакции са от най-голям интерес за проблема с контролирания термоядрен синтез. Деутерий се намира в морската вода. Неговите запаси са публично достъпни и много големи: деутерият представлява около 0,016% от общия брой водородни атоми, които изграждат водата, докато световните океани покриват 71% от земната повърхност. Реакцията с участието на тритий е по-привлекателна, тъй като е придружена от голямо освобождаване на енергия и протича със значителна скорост. Тритият е радиоактивен (период на полуразпад 12,5 години) и не се среща естествено. Следователно, за да се осигури работата на предложения термоядрен реактор, използващ тритий като ядрено гориво, трябва да се предвиди възможността за размножаване на тритий.

Реакцията с така наречения лунен изотоп 3He има редица предимства пред най-достижимата реакция на деутерий-тритий при земни условия.

2D + 3He > 4He (3,7 MeV) + 1p (14,7 MeV)

Предимства:

• 1. 3Той не е радиоактивен.
• 2. Десетки пъти по-нисък неутронен поток от реакционната зона, което драстично намалява индуцираната радиоактивност и разграждането на конструктивните материали на реактора;
• 3. Получените протони, за разлика от неутроните, лесно се улавят и могат да се използват за генериране на допълнително електричество.

Естественото изотопно изобилие на 3He в атмосферата е 0,000137%. По-голямата част от 3He на Земята е запазена от нейното образуване. Разтваря се в мантията и постепенно навлиза в атмосферата. На Земята се добива в много малки количества, оценени на няколко десетки грама годишно.

Хелий-3 е страничен продукт от реакциите, протичащи на Слънцето. В резултат на това на Луната, която няма атмосфера, това ценно вещество е до 10 милиона тона (според минималните оценки - 500 хиляди тона). При термоядрен синтез, когато 1 тон хелий-3 реагира с 0,67 тона деутерий, се отделя енергия, която е еквивалентна на изгарянето на 15 милиона тона нефт (но техническата осъществимост на тази реакция в момента не е проучена) . Следователно лунният ресурс на хелий-3 трябва да бъде достатъчен за населението на нашата планета поне за следващото хилядолетие. Основният проблем остава реалността за извличане на хелий от лунната почва. Съдържанието на хелий-3 в реголита е ~1 g на 100 т. Следователно, за да се извлече един тон от този изотоп, трябва да се преработят поне 100 милиона тона почва. Температурата, при която е възможна реакцията на термоядрен синтез, достига стойност от порядъка на 108 - 109 К. При тази температура веществото е в напълно йонизирано състояние, което се нарича плазма. По този начин конструкцията на реактора включва: получаване на плазма, нагрята до температури от стотици милиони градуси; запазване на плазмената конфигурация във времето, за възникване на ядрени реакции.

Термоядрената енергия има важни предимства пред атомните електроцентрали: тя използва абсолютно нерадиоактивен деутерий и изотопа хелий-3 и радиоактивен тритий, но в обеми хиляди пъти по-малки, отколкото в ядрената енергия. И при възможни извънредни ситуации радиоактивният фон в близост до термоядрена централа няма да надвишава естествените показатели. В същото време на единица тегло термоядрено гориво се получава приблизително 10 милиона пъти повече енергия, отколкото от изгарянето на органично гориво и приблизително 100 пъти повече, отколкото от деленето на уранови ядра. При естествени условия термоядрените реакции протичат във вътрешността на звездите, по-специално във вътрешните области на Слънцето, и служат като този постоянен източник на енергия, който определя тяхното излъчване. Изгарянето на водород в звездите протича с ниска скорост, но гигантският размер и плътност на звездите осигуряват непрекъснатото излъчване на огромни енергийни потоци в продължение на милиарди години.

Всички химични елементи на нашата планета и на Вселената като цяло са се образували в резултат на термоядрени реакции, които протичат в ядрата на звездите. Термоядрените реакции в звездите водят до постепенна промяна в химичния състав на звездната материя, което предизвиква преструктурирането на звездата и нейното напредване по еволюционния път. Първият етап на еволюция завършва с изчерпване на водорода в централните области на звездата. След това, след повишаване на температурата, причинено от компресия на централните слоеве на звездата, лишени от енергийни източници, стават ефективни термоядрени реакции на горене на хелий, които се заменят с изгаряне на C, O, Si и следващите елементи - до Fe и Ni. Определени термоядрени реакции съответстват на всеки етап от еволюцията на звездата. Водородните термоядрени реакции са първите във веригата на такива ядрени реакции. Те протичат по два начина в зависимост от началната температура в центъра на звездата. Първият начин е водородният цикъл, вторият е цикълът на CNO.

Водороден цикъл:

• 1H + 1H = 2D + e+ + v +1,44 MeV
• 2D + 1H = 3He + g +5,49 MeV

I: 3He + 3He = 4He + 21H + 12,86 MeV

или 3He + 4He = 7Be + g + 1,59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 MeV или 7Be + 1H = 8B + g + 0,137 MeV

II: 7Li + 1H = 2 4He + 17,348 MeV 8B = 8Be* + e+ + v + 15,08 MeV

III. 8Be* = 2 4He + 2,99 MeV

Водородният цикъл започва с реакция на сблъсък на два протона (1H, или p), за да се образува деутериево ядро ​​(2D). Деутерият реагира с протон, образувайки лек (лунен) изотоп на хелий 3He с излъчване на гама фотон (g). Лунният изотоп 3He може да реагира по два различни начина: две ядра 3He се сблъскват, за да образуват 4He с отделянето на два протона, или 3He се комбинира с 4He и дава 7Be. Последният от своя страна улавя или електрон (e-), или протон и възниква друго разклоняване на протона - протонната верига от реакции. В резултат на това водородният цикъл може да завърши по три различни начина I, II и III. За изпълнението на клон I, първите две реакции на V. c. трябва да се случи два пъти, тъй като в този случай две ядра 3He изчезват наведнъж. Особено енергични неутрино се излъчват в клон III по време на разпада на борното ядро ​​8B с образуването на нестабилно възбудено берилиево ядро ​​(8Be*), което почти моментално се разпада на две ядра 4He. CNO-цикълът е набор от три свързани един с друг или по-точно частично припокриващи се цикъла: CN, NO I, NO II. Синтезът на хелий от водород в реакциите на този цикъл протича с участието на катализатори, ролята на които играят малки примеси на изотопи C, N и O в звездната материя.

Основният път на реакция на цикъла на CN:

• 12C + p = 13N + g +1,95 MeV
• 13N = 13C + e+ + n +1,37 MeV
• 13C + p = 14N + g +7,54 MeV (2,7 106 години)
• 14N + p = 15O + g +7,29 MeV (3,2 108 години)
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV (82 секунди)
• 15N + p = 12C + 4He +4,96 MeV (1,12 105 години)

Същността на този цикъл е индиректният синтез на b-частица от четири протона при тяхното последователно улавяне от ядра, започвайки от 12C.

При реакцията с улавяне на протон от ядрото 15N е възможен още един изход - образуването на ядрото 16O и се ражда нов NO I-цикъл.

Той има точно същата структура като цикъла на CN:

• 14N + 1H = 150 + g +7.29 MeV
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV
• 15N + 1H = 16O + g +12.13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 14N + 4He +1.19 MeV

Цикълът на NO I увеличава скоростта на освобождаване на енергия в цикъла на CN чрез увеличаване на броя на ядрата на катализатора на CN цикъл.

Последната реакция от този цикъл също може да има различен резултат, което води до друг цикъл на NO II:

• 15N + 1H = 16O + g +12.13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 18F + g +5.61 MeV
• 18O + 1H = 15N + 4He +3.98 MeV

По този начин циклите CN, NO I и NO II образуват троен CNO цикъл.

Има още един много бавен четвърти цикъл, цикълът OF, но неговата роля в производството на електроенергия е незначителна. Този цикъл обаче е много важен за обяснението на произхода на 19F.

• 17O + 1H = 18F + g + 5.61 MeV
• 18F = 18O + e+ + n + 1,656 MeV
• 18O + 1H = 19F + g + 7,994 MeV
• 19F + 1H = 16O + 4He + 8,114 MeV
• 16O + 1H = 17F + g + 0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n + 2,76 MeV

По време на експлозивното изгаряне на водород в повърхностните слоеве на звездите, например по време на експлозии на свръхнови, могат да се развият много високи температури и естеството на цикъла на CNO се променя драстично. Превръща се в така наречения горещ CNO цикъл, в който реакциите са много бързи и сложни.

Химически елементи, по-тежки от 4He, започват да се синтезират едва след пълното изгаряне на водорода в централната област на звездата:

4He + 4He + 4He > 12C + g + 7,367 MeV

Реакции на изгаряне на въглерод:

• 12C + 12C = 20Ne + 4He +4,617 MeV
• 12C + 12C = 23Na + 1H -2,241 MeV
• 12C + 12C = 23Mg + 1n +2,599 MeV
• 23Mg = 23Na + e+ + n + 8,51 MeV
• 12C + 12C = 24Mg + g +13,933 MeV
• 12C + 12C = 16O + 24He -0,113 MeV
• 24Mg + 1H = 25Al + g

Когато температурата достигне 5·109 K, в звездите протичат голям брой различни реакции при условия на термодинамично равновесие, което води до образуването на атомни ядра до Fe и Ni.

А способността да се използва ядрената енергия както за конструктивни (атомна енергия), така и за разрушителни (атомна бомба) цели се превърна може би в едно от най-значимите изобретения на миналия двадесети век. Е, в основата на цялата тази страшна сила, която се крие в недрата на малък атом, са ядрените реакции.

Какво представляват ядрените реакции

Във физиката под ядрените реакции се разбира процесът на взаимодействие на атомно ядро ​​с друго подобно на него ядро ​​или с различни елементарни частици, в резултат на което се променя съставът и структурата на ядрото.

Малко история на ядрените реакции

Първата ядрена реакция в историята е направена от великия учен Ръдърфорд през 1919 г. по време на експерименти за откриване на протони в продуктите на разпада на ядрата. Ученият бомбардирал азотните атоми с алфа-частици и когато частиците се сблъскали, настъпила ядрена реакция.

И ето как изглеждаше уравнението на тази ядрена реакция. На Ръдърфорд се приписва откриването на ядрени реакции.

Това беше последвано от многобройни експерименти на учени по прилагането на различни видове ядрени реакции, например ядрена реакция, причинена от бомбардирането на атомни ядра от неутрони, която беше извършена от изключителния италиански физик Е. Ферми, беше много интересна и значимо за науката. По-специално, Ферми открива, че ядрените трансформации могат да бъдат причинени не само от бързи неутрони, но и от бавни, които се движат с топлинни скорости. Между другото, ядрените реакции, причинени от излагане на температура, се наричат ​​термоядрени. Що се отнася до ядрените реакции под въздействието на неутрони, те много бързо получиха своето развитие в науката и какво друго, прочетете за това по-нататък.

Типична формула за ядрена реакция.

Какви ядрени реакции има във физиката

Най-общо познатите в момента ядрени реакции могат да бъдат разделени на:

• ядрено делене
• термоядрени реакции

По-долу пишем подробно за всеки от тях.

делене на атомни ядра

Реакцията на делене на атомните ядра включва разпадането на действителното ядро ​​на атома на две части. През 1939 г. немските учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват атомно делене, като продължават изследванията на своите научни предшественици, те откриват, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, възникват елементи от средната част на периодичната таблица на Менделеев, а именно радиоактивни изотопи на барий, криптон и някои други елементи. За съжаление първоначално това знание е използвано за ужасяващи, разрушителни цели, тъй като започва Втората световна война и немски, а от друга страна, американски и съветски учени се надпреварват да разработват ядрени оръжия (на базата на ядрената реакция на урана), което завършва в печално известните "ядрени гъби" над японските градове Хирошима и Нагасаки.

Но да се върнем към физиката, ядрената реакция на урана по време на разделянето на ядрото му има точно същата колосална енергия, която науката е в състояние да й постави на служба. Как протича такава ядрена реакция? Както писахме по-горе, това се дължи на бомбардирането на ядрото на урановия атом от неутрони, от които ядрото се разделя и възниква огромна кинетична енергия от порядъка на 200 MeV. Но най-интересното е, че като продукт на ядрената реакция на делене на урановото ядро ​​от сблъсък с неутрон има няколко свободни нови неутрона, които от своя страна се сблъскват с нови ядра, разделят ги и т.н. В резултат на това има още повече неутрони и още повече уранови ядра, разцепени от сблъсъци с тях - настъпва истинска ядрена верижна реакция.

Ето как изглежда на диаграмата.

В този случай коефициентът на размножаване на неутроните трябва да бъде по-голям от единица, това е необходимо условие за ядрена реакция от този вид. С други думи, във всяко следващо поколение неутрони, образувани след разпадането на ядрата, трябва да има повече от тях, отколкото в предишното.

Струва си да се отбележи, че според подобен принцип ядрените реакции по време на бомбардиране могат да се проведат и по време на деленето на ядрата на атомите на някои други елементи, с нюансите, че ядрата могат да бъдат бомбардирани от различни елементарни частици и продуктите на такива ядрени реакции ще се различават, за да ги опишем по-подробно. , имаме нужда от цяла научна монография

термоядрени реакции

Термоядрените реакции се основават на реакции на синтез, тоест всъщност процесът е обратен на деленето, ядрата на атомите не се разделят на части, а по-скоро се сливат помежду си. Освен това освобождава много енергия.

Термоядрените реакции, както подсказва името (термо - температура) могат да се проведат само при много високи температури. В крайна сметка, за да се слеят две атомни ядра, те трябва да се приближат на много близко разстояние един до друг, като същевременно преодоляват електрическото отблъскване на техните положителни заряди, това е възможно, когато има голяма кинетична енергия, която от своя страна, е възможно при високи температури. Трябва да се отбележи, че термоядрени реакции не се случват обаче не само върху него, но и върху други звезди, дори може да се каже, че именно това лежи в основата на тяхната природа на всяка звезда.

Видео за ядрени реакции

И накрая, образователен видеоклип по темата на нашата статия, ядрени реакции.

Ядрена верижна реакция- самоподдържаща се реакция на делене на тежки ядра, при която неутроните се възпроизвеждат непрекъснато, разделяйки все повече и повече нови ядра.Ядрото на уран-235 под въздействието на неутрон се разделя на два радиоактивни фрагмента с неравна маса, разлитащи се при висока скорости в различни посоки и два или три неутрона. Контролирани верижни реакцииизвършва в ядрени реактори или ядрени котли. Понастоящем контролирани верижни реакциисе извършват върху изотопите на уран-235, уран-233 (изкуствено получен от торий-232), плутоний-239 (изкуствено получен от рана-238), както и плутоний-241. Много важна задача е да се изолира неговият изотоп, уран-235, от естествен уран. Още от първите стъпки в развитието на атомната технология използването на уран-235 беше от решаващо значение, но получаването му в чиста форма обаче беше технически трудно, тъй като уран-238 и уран-235 са химически неразделни.

50. Ядрени реактори. Перспективи за използване на термоядрена енергия.

Ядрен реактор- Това е устройство, в което се осъществява контролирана ядрена верижна реакция, придружена от освобождаване на енергия. Първият ядрен реактор е построен и пуснат през декември 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. Първият реактор, построен извън Съединените щати, е ZEEP, пуснат в Канада на 25 декември 1946 г. В Европа първият ядрен реактор е инсталацията Ф-1, която стартира на 25 декември 1946 г. в Москва под ръководството на И. В. Курчатов.До 1978 г. в света вече работят около сто ядрени реактора от различни типове. Компонентите на всеки ядрен реактор са: активна зона с ядрено гориво, обикновено заобиколена от неутронен рефлектор, охлаждаща течност, система за управление на верижна реакция, радиационна защита, система за дистанционно управление. Корпусът на реактора е подложен на износване (особено под въздействието на йонизиращо лъчение). Основната характеристика на ядрения реактор е неговата мощност. Мощност от 1 MW съответства на верижна реакция, при която се случват 3·10 16 събития на делене за 1 сек. Изследванията във физиката на високотемпературната плазма се извършват главно във връзка с перспективата за създаване на термоядрен реактор. Най-близки по параметри до реактора са инсталации от типа токамак. През 1968 г. беше обявено, че съоръжението Т-3 е достигнало плазмена температура от десет милиона градуса и усилията на учени от много страни са концентрирани върху развитието на това направление през последните десетилетия. Първата демонстрация на себе си - поддържането на термоядрена реакция трябва да се проведе на токамак, който се строи във Франция ITER. Пълномащабното използване на термоядрените реактори в енергетиката се очаква през втората половина на 21 в. Освен токамаците има и други видове магнитни уловители за ограничаване на високотемпературна плазма, например т.нар. капани. Поради редица характеристики те могат да съдържат плазма под високо налягане и следователно имат добри перспективи като мощни източници на термоядрени неутрони, а в бъдеще и като термоядрени реактори.

Успехите, постигнати през последните години в Института по ядрена физика на Сибирския клон на Руската академия на науките в изследването на съвременните осесиметрични отворени капани, показват обещанието на този подход. Тези проучвания са в ход, а в същото време БНП работи по проект за съоръжение от следващо поколение, което вече ще може да демонстрира параметри на плазмата, близки до тези на реактор.

От четирите основни източника на ядрена енергия, само два вече са въведени в промишлена реализация: енергията на радиоактивния разпад се използва в настоящите източници, а верижната реакция на делене се използва в ядрените реактори. Третият източник на ядрена енергия - унищожаването на елементарните частици все още не е напуснало сферата на фантазията. Четвъртият източник контролиран термоядрен синтез, UTS,е на дневен ред. Въпреки че този източник е по-малък от третия по своя потенциал, той значително превъзхожда втория.

Термоядрен синтез в лабораторни условия е доста лесен за изпълнение, но досега не е било възможно да се постигне възпроизвеждане на енергия. Въпреки това се работи в тази посока и се разработват радиохимични методи, на първо място технологии за производство на тритиево гориво за UTS инсталации.

Тази глава разглежда някои радиохимични аспекти на термоядрения синтез и обсъжда перспективите за използване на съоръжения за CTS в ядрената енергетика.

Контролиран термоядрен синтез- реакцията на сливане на леки атомни ядра в по-тежки ядра, протичаща при свръхвисоки температури и придружена от освобождаване на огромно количество енергия. За разлика от експлозивния термоядрен синтез (използван във водородната бомба), той се контролира. В основните ядрени реакции, които се планира да се използват за осъществяване на контролиран термоядрен синтез, ще се използват -H и 3 H, а в по-далечно бъдеще - 3 He и "B".

Надеждите за контролиран термоядрен синтез са свързани с две обстоятелства: i) смята се, че звездите съществуват поради стационарна термоядрена реакция, и 2) неконтролиран термоядрен процес е съвсем просто осъществен при експлозията на водородна бомба. Изглежда, че няма фундаментални пречки за поддържане на контролирана реакция на ядрен синтез. Въпреки това, интензивните опити за прилагане на CTS в лабораторни условия с усилване на енергия завършват с пълен провал.

Въпреки това, TCF сега се разглежда като важно технологично решение за замяна на изкопаемите горива в производството на енергия. Световната нужда от енергия, изискваща увеличаване на производството на електроенергия, и изчерпаемостта на невъзобновяемите суровини стимулират търсенето на нови решения.

Термоядрените реактори използват енергията, освободена по време на синтеза на леки атомни ядра. Напомня за:

Реакцията на синтез на тритиеви и деутериеви ядра е обещаваща за осъществяване на контролиран термоядрен синтез, тъй като напречното й сечение е доста голямо дори при ниски енергии. Тази реакция осигурява специфична калоричност от 3,5-11 J/g. Основната реакция D+T=n+a има най-голямо напречно сечение о т ах=5 барн при резонанс при деутронна енергия E pSh x= 0,108 MeV, в сравнение с реакциите D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 barn; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T о тах = 0,09 плевня; E max = 2,0 MeV, както и с реакцията 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotax= 0,4 MeV. При последната реакция се отделят 18,4 MeV. В реакция (3) сумата от енергии n+aе равна на 17,6 MeV, енергията на получените неутрони?n = 14,1 MeV; и енергията на получените a-частици е 3,5 MeV. Ако в реакциите T(d,n)a и:) He(d,p)a резонансите са доста тесни, то в реакциите D(d,n)3He и D(d,p)T има много широки резонанси с големи стойности на сечения в областта от 1 до 10 MeV и линеен растеж от 0,1 MeV до 1 MeV.

Коментирайте. Проблемите с лесно запалимото DT гориво са, че тритият не се среща в природата и трябва да бъде получен от литий в размножителя на термоядрен реактор; тритият е радиоактивен (Ti/ 2 =12,6 години), системата DT-реактор съдържа от 10 до 10 kg тритий; 80% от енергията в DT реакцията се освобождава с 14-MeV неутрони, които индуцират изкуствена радиоактивност в структурите на реактора и причиняват радиационно увреждане.

На фиг. 1 са показани енергийните зависимости на сеченията на реакцията (1 - h). Графиките за напречните сечения на реакции (1) и (2) са практически еднакви – с увеличаване на енергията сечението се увеличава и при високи енергии вероятността за реакцията клони към постоянна стойност. Напречното сечение за реакция (3) първо се увеличава, достига максимум 10 barn при енергии от порядъка на 90 MeV и след това намалява с увеличаване на енергията.

Ориз. 1. Напречни сечения на някои термоядрени реакции като функция от енергията на частиците в системата на центъра на масата: 1 - ядрена реакция (3); 2 - реакции (1) и (2).

Поради голямото напречно сечение на разсейване по време на бомбардирането на тритиеви ядра от ускорени дейтрони, енергийният баланс на процеса на термоядрен синтез според D - T реакцията може да бъде отрицателен, т.к. повече енергия се изразходва за ускоряване на дейтроните, отколкото се отделя по време на синтез. Положителен енергиен баланс е възможен, ако бомбардиращите частици след еластичен сблъсък са в състояние отново да участват в реакцията. За да преодолеят електрическото отблъскване, ядрата трябва да имат голяма кинетична енергия. Тези условия могат да бъдат създадени във високотемпературна плазма, в която атомите или молекулите са в напълно йонизирано състояние. Например, D-T реакцията започва да протича само при температури над 10 8 K. Само при такива температури се отделя повече енергия за единица обем и за единица „време, отколкото е изразходвано. CTS се състои в решаването на два проблема: нагряване на веществото до необходими температури и задържането му за достатъчно време, за да „изгори“ значителна част от термоядреното гориво.

Смята се, че контролиран термоядрен синтез може да се осъществи, ако е изпълнен критерият на Лоусън (lt>10'4 s cm-z, където P -плътност на високотемпературна плазма, t - време на нейното задържане в системата).

Когато този критерий е изпълнен, енергията, освободена по време на CTS, надвишава енергията, въведена в системата.

Плазмата трябва да се държи в даден обем, тъй като в свободното пространство плазмата моментално се разширява. Поради високите температури плазмата не може да се постави в резервоар от никой

материал. За задържане на плазмата е необходимо да се използва магнитно поле с висока якост, което се създава с помощта на свръхпроводящи магнити.

Ориз. 2. Схематична схема на токамак.

Ако не си поставите за цел да получите енергийна печалба, тогава в лабораторни условия е доста лесно да приложите CTS. За да направите това, достатъчно е да спуснете ампула с литиев деутерид в канала на всеки бавен реактор, работещ на реакцията на делене на уран (можете да използвате литий с естествен изотопен състав (7% 6 Li), но е по-добре, ако той е обогатен със стабилен изотоп 6 Li). Под действието на топлинни неутрони протича следната ядрена реакция:

В резултат на тази реакция има "горещи" тритиеви атоми. Енергията на атома на отката на тритий (~3 MeV) е достатъчна за реакцията на взаимодействие на тритий с деутерий, разположен в LiD:

За енергийни цели този метод не е подходящ: енергийните разходи на процеса надвишават освободената енергия. Следователно трябва да се търсят други възможности за прилагане на CTS, варианти, които осигуряват голяма печалба на енергия.

Те се опитват да внедрят CTS с енергийна печалба или в квазистационарни (t > 1 s, tg>ю вижте „О, или в импулсни системи (t * io -8 s, n>u 22 cm*h). При първите (токамак, стеларатор, огледален капан и др.) плазмата е затворена и термично изолирана в магнитни полета с различни конфигурации. В импулсните системи плазмата се създава чрез облъчване на твърда мишена (зърна от смес от деутерий и тритий) с фокусирано лъчение от мощен лазер или електронни лъчи: когато лъч от малки твърди цели удари фокуса, последователна серия от термоядрени микроексплозии възниква.

Сред различните камери за ограничаване на плазмата, една камера с тороидална конфигурация е обещаваща. В този случай плазмата се създава вътре в тороидалната камера с помощта на безелектроден пръстенен разряд. В токамак токът, индуциран в плазмата, е като че ли вторичната намотка на трансформатора. Магнитното поле, докато задържа плазмата, се създава както от тока, протичащ през намотката около камерата, така и от тока, индуциран в плазмата. За да се получи стабилна плазма, се използва външно надлъжно магнитно поле.

Термоядрен реактор е устройство за генериране на енергия поради реакции на синтез на леки атомни ядра, протичащи в плазмата при много високи температури (> 0 8 K). Основното изискване, на което термоядрен реактор трябва да отговаря, е отделянето на енергия в резултат на

термоядрените реакции повече от компенсираха разходите за енергия от външни източници за поддържане на реакцията.

Ориз. з. Основните компоненти на реактора за контролиран термоядрен синтез.

Термоядрен реактор от типа TOKAMAK (Тороидална камера с магнитни намотки) се състои от вакуумна камера, образуваща канал, където плазмата циркулира, магнити, които създават поле и плазмени отоплителни системи. Това е придружено от вакуумни помпи, които постоянно изпомпват газове от канала, система за подаване на гориво, докато изгаря, и отклонител - система, чрез която енергията, получена в резултат на термоядрена реакция, се отстранява от реактора. Тороидалната плазма е във вакуумна обвивка. a-Частиците, образувани в плазмата в резултат на термоядрен синтез и разположени в нея, повишават нейната температура. Неутроните проникват през стената на вакуумната камера в зоната на одеяло, съдържащо течен литий или литиево съединение, обогатено с 6 Li. При взаимодействие с литий кинетичната енергия на неутроните се превръща в топлина и едновременно с това се генерира тритий. Одеялото е поставено в специална обвивка, която предпазва магнита от излъчени неутрони, y-лъчение и топлинни потоци.

В устройствата от типа токамак плазмата се създава вътре в тороидална камера с помощта на безелектроден пръстенен разряд. За целта в плазмения сноп се създава електрически ток, като в същото време той има собствено магнитно поле – самият плазмен сноп се превръща в магнит. Сега, използвайки външно магнитно поле с определена конфигурация, е възможно да се суспендира плазмен облак в центъра на камерата, предотвратявайки докосването му до стените.

Дивертор - набор от устройства (специални полоидни магнитни намотки; панели в контакт с плазма - плазмени неутрализатори), с помощта на които зоната на директен контакт на стената с плазмата се отстранява максимално от основната гореща плазма. Той служи за отвеждане на топлината от плазмата под формата на поток от заредени частици и за изпомпване на неутрализираните върху диверторните плочи реакционни продукти: хелий и протий. Пречиства плазмата от замърсители, които пречат на реакцията на синтез.

Термоядрен реактор се характеризира с коефициент на усилване на мощността, равен на съотношението на топлинната мощност на реактора към мощността на разходите за неговото производство. Топлинната мощност на реактора се сумира:

• - от мощността, освободена по време на термоядрена реакция в плазмата;
• - от мощността, която се въвежда в плазмата за поддържане на температурата на горене на термоядрена реакция или стационарен ток в плазмата;
• - от мощността, освободена в бланкета - обвивка, обграждаща плазмата, в която се оползотворява енергията на термоядрените неутрони и която служи за защита на магнитните намотки от излагане на радиация. Бланкетен термоядрен реактор - една от основните части на термоядрен реактор, специална обвивка, обграждаща плазмата, в която протичат термоядрени реакции и която служи за оползотворяване на енергията на термоядрените неутрони.

Одеялото покрива плазмения пръстен от всички страни, а основните енергийни носители, родени по време на синтез на D-T - 14-MeV неутрони - го дават на одеялото), нагряват го. Одеялото съдържа топлообменници, през които преминава вода. Парата от електроцентралата се върти парната турбина, а тя - ротора на генератора.

Основната задача на покривалото е да събира енергия, да я трансформира в топлина и да я прехвърля към системите за генериране на енергия, както и да предпазва операторите и околната среда от йонизиращо лъчение, генерирано от термоядрен реактор. Зад бланката в термоядрен реактор има слой радиационна защита, чиито функции са да отслаби допълнително неутронния поток и y-квантите, образувани по време на реакции с материята, за да се осигури работоспособността на електромагнитната система. Следва биологична защита, за която може да работи персоналът на станцията.

"Активно" одеяло - размножител, предназначен да произвежда един от компонентите на термоядреното гориво. В реакторите, които консумират тритий, бланкетът включва размножителни материали (литиеви съединения), предназначени да осигурят ефективно производство на тритий.

При работа на термоядрен реактор на деутерий-тритиево гориво е необходимо да се попълни количеството гориво (D + T) в реактора и да се отстрани 4He от плазмата. В резултат на реакциите в плазмата тритият изгаря и основната част от енергията на синтеза се прехвърля на неутрони, за които плазмата е прозрачна. Това води до необходимостта от поставяне на специална зона между плазмата и електромагнитната система, в която се възпроизвежда горимият тритий и се абсорбира основната част от неутронните енергии. Тази зона се нарича одеяло на развъдника. Той възпроизвежда тритий, изгорен в плазмата.

Тритий в бланкет може да се получи чрез облъчване на литий с неутронни потоци според ядрените реакции: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV и 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.

При производството на тритий от литий трябва да се има предвид, че естественият литий се състои от два изотопа: 6 Li (7,52%) и 7 Li (92,48%). Напречното сечение на абсорбция на топлинни неутрони с чист 6 Li 0 = 945 barn, а напречното сечение на активиране за реакцията (p, p) е 0,028 barn. В естествения литий напречното сечение за отстраняване на неутроните, получени при деленето на уран, е 1,01 барн, а напречното сечение за абсорбиране на топлинни неутрони е около a = 70,4 barn.

Енергийните спектри на y-лъчението при радиационно улавяне на топлинни неутрони 6 Li се характеризират със следните стойности: .94 MeV. обща енергия

В термоядрен реактор, работещ на D-T гориво, в резултат на реакцията:

y-лъчение на улавяне на неутрон е равно на 1,45 MeV. За 7 Li, напречното сечение на абсорбция е 0,047 barn, а напречното сечение на активиране е 0,033 barn (при неутронна енергия над 2,8 MeV). Напречното сечение за извличане на неутрони на делене LiH с естествен състав = 1,34 barn, метален Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.

образуват се термоядрени неутрони, които, напускайки обема на плазмата, попадат в бланкетната област, съдържаща литий и берилий, където протичат следните реакции:

Така термоядрен реактор ще изгори деутерий и литий и в резултат на реакциите ще се образува инертният газ хелий.

По време на D-T реакцията в плазмата тритият изгаря и се образува неутрон с енергия 14,1 MeV. В бланкет този неутрон трябва да генерира поне един тритиев атом, за да покрие загубите си в плазмата. Скорост на възпроизвеждане на тритий да се(„количеството тритий, образуван в бланкета за един падащ термоядрен неутрон“) зависи от неутронния спектър в бланкетта, величината на абсорбцията и изтичането на неутрони. k> 1,05.

Ориз. Фиг. 4. Зависимости на напречното сечение на ядрените реакции на образуване на тритий от енергията на неутроните: 1 - реакция 6 Li (n, t) ‘» He, 2 – реакция 7 Li (n, n’, 0 4 He.

За ядрото 6 Li, напречното сечение на абсорбция на топлинните неутрони с образуването на тритий е много голямо (953 барна при 0,025 eV). При ниски енергии напречното сечение на абсорбция на неутрони в Li следва закона (l/u) и в случай на естествен литий достига 71 барна за топлинни неутрони. За 7 Li напречното сечение за взаимодействие с неутрони е само 0,045 barn. Следователно, за да се повиши производителността на селекционера, естественият литий трябва да бъде обогатен с изотопа 6 Li. Въпреки това, увеличаването на съдържанието на 6 Li в смес от изотопи има малък ефект върху съотношението на размножаване на тритий: има увеличение с 5% с увеличаване на обогатяването на изотопа 6 Li до 50% в сместа. В реакцията 6 Li(n, T)» Не всички забавени неутрони се абсорбират. В допълнение към силната абсорбция в термичната област има малка абсорбция (

Зависимостта на напречното сечение за реакцията 6 Li(n,T) 4 He от неутронната енергия е показана на фиг. 7. Както е типично за много други ядрени реакции, напречното сечение на реакцията 6 Li(n,f) 4 He намалява с увеличаване на енергията на неутроните (с изключение на резонанса при 0,25 MeV).

Реакцията с образуване на тритий върху изотопа ?Li протича с бързи неутрони при енергия ?n>2.8 MeV. В тази реакция

се произвежда тритий и няма загуба на неутрон.

Ядрената реакция за 6 Li не може да даде разширено възпроизвеждане на тритий и само компенсира изгорелия тритий

Реакцията на ?1l води до появата на едно тритиево ядро ​​за всеки погълнат неутрон и регенерацията на този неутрон, който след това се абсорбира при забавяне и дава още едно тритиево ядро.

Коментирайте. В естествения Li, коефициентът на възпроизвеждане на тритий да се„2. За Li, LiFBeF 2 , Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1.1; 1.05 и i.6, съответно. Разтопената сол LiF (66%) + BeF 2 (34%) се нарича flyb ( FLiBe), използването му е за предпочитане от гледна точка на безопасност и намаляване на загубите на тритий.

Тъй като не всеки неутрон от D-T реакцията участва в образуването на тритиев атом, е необходимо първичните неутрони (14,1 MeV) да се умножат с помощта на реакцията (n, 2n) или (n, cn) върху елементи, които имат достатъчно голямо напречно сечение по време на взаимодействието на бързи неутрони, например върху y Be, Pb, Mo, Nb и много други материали с Z> 25. За берилий прагът (n, 2 п)реакции 2,5 MeV; при 14 MeV 0=0,45 барн. В резултат на това при версиите на одеялото с течен или керамичен литий (LiA10 2) е възможно да се постигне да се* 1.1+1.2. Ако камерата на реактора е заобиколена от ураново покритие, размножаването на неутроните може да се увеличи значително поради реакциите на делене и (n, 2n), (n, zl) реакции.

Забележка 1. Индуцираната активност на лития при облъчване с неутрони практически отсъства, тъй като полученият радиоактивен изотоп 8Li (cr-лъчение с енергия 12,7 MeV и /?-лъчение с енергия ~6 MeV) има много къса половина -живот - 0,875 s. Ниското активиране на лития и краткият полуживот улесняват биологичната защита на растението.

Забележка 2. Активността на трития, съдържащ се в бланкет на термоядрен DT-реактор е ~*10 6 Ci, следователно използването на DT-гориво не изключва теоретичната възможност за авария в мащаб от няколко процента от Чернобил един (пускането беше 510 7 Ci). Освобождаването на тритий с образуването на T 2 0 може да доведе до радиоактивни утайки, навлизане на тритий в подземните води, водни тела, живи организми, растения с натрупване, в крайна сметка, в храната.

Изборът на материално и агрегатно състояние на селекционера е сериозен проблем. Материалът на размножителя трябва да осигурява висок процент на превръщане на литий в тритий и лесно извличане на последния за последващо прехвърляне към системата за приготвяне на гориво.

Основните функции на одеялото за размножаване включват: образуване на плазмена камера; производство на тритий с коефициент k>i; превръщане на кинетичната енергия на неутрона в топлина; оползотворяване на топлината, генерирана в бланкет по време на работа на термоядрен реактор; радиационна защита на електромагнитната система; биологична радиационна защита.

Термоядрен реактор на D-T-гориво, в зависимост от материала на одеялото, може да бъде "чист" или хибриден. Бланкетът на "чист" термоядрен реактор съдържа Li, в който под действието на неутрони се получава тритий и термоядрената реакция се засилва от 17,6 MeV до 22,4

MeV. В бланкетът на хибриден („активен“) термоядрен реактор не само се произвежда тритий, но има и зони, в които се поставят отпадъци 2 s 8 за получаване на 2 39Pu. В този случай в бланкетът се отделя енергия, равна на 140 MeV на неутрон. Енергийната ефективност на хибриден термоядрен реактор е шест пъти по-висока от тази на чистия. В същото време се постига по-добро усвояване на термоядрени неутрони, което повишава безопасността на инсталацията. Въпреки това, наличието на делящи се радиоактивни вещества създава радиационна среда, подобна на тази в ядрените реактори на делене.

Ориз. 5.

Има две чисти концепции за размножаване, базирани на използването на течни материали, плодородни с тритий, или на използването на твърди материали, съдържащи литий. Опциите за дизайн на одеялото са свързани с вида на избраните охлаждащи течности (течен метал, течна сол, газ, органични, вода) и класа на възможните конструктивни материали.

В течната версия на одеялото литият е охлаждащата течност, а тритият е плодородният материал. Секцията на одеялото се състои от първата стена, зона за размножаване (разтопена литиева сол, рефлектор (стомана или волфрам) и светлинен екраниращ компонент (например титаниев хидрид). Основната характеристика на самоохлаждащото се литиево одеяло е отсъствието на допълнителен модератор на неутрони и размножител на неутрони използвайте следните соли: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (T wx .=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Сред дадените соли Li 2 BeF 4 има най-нисък вискозитет, но най-висок Twl.Перспектива е Pb-Li евтектиката и стопилката FLiNaBe, която също действа като самоохладител. Размножителите на неутрони в такъв размножител са сферични Be гранули с диаметър 2 mm.

В одеяло с твърд размножител се използва керамика, съдържаща литий, като материал за размножаване, а берилият служи като размножител на неутрони. Съставът на такова одеяло включва такива елементи като първата стена с колектори за охлаждаща течност; зона на размножаване на неутрони; зона за размножаване на тритий; канали за охлаждане на зоните за размножаване и размножаване на тритий; защита от желязо; елементи за закрепване на одеяло; тръбопроводи за вход и изход на охлаждаща течност и тритиев газ-носител. Конструктивни материали - ванадиеви сплави и стомана от феритен или феритно-мартензитен клас. Радиационната защита е изработена от стоманени листове. Използваната охлаждаща течност е газообразен хелий под налягане UMPA с температура на вход 300 0 и изходяща температура на охлаждащата течност 650 0 .

Радиохимичната задача е да изолира, пречисти и върне трития в горивния цикъл. В същото време изборът на функционални материали за системите за регенерация на горивните компоненти (материали за размножаване) е важен. Материалът на размножителя (селекционера) трябва да осигурява отстраняването на енергията на термоядрен синтез, генерирането на тритий и ефективното му извличане за последващо пречистване и превръщане в реакторно гориво. За целта е необходим материал с висока температура, радиация и механична устойчивост. Също толкова важни са дифузионните характеристики на материала, които осигуряват висока подвижност на тритий и като следствие, добра ефективност на извличане на тритий от размножителния материал при относително ниски температури.

Работните вещества на покривалото могат да бъдат: керамика Li 4 Si0 4 (или Li 2 Ti0 3) - възпроизвеждащ материал и берилий - размножител на неутрони. Както селекционерът, така и берилият се използват под формата на слой от монодисперсни камъчета (гранули с форма, близка до сферична). Диаметрите на гранулите Li 4 Si0 4 и Li 2 Ti0 3 варират съответно в диапазона от 0,2–10,6 mm и 0,8 mm, докато берилиевите гранули са с диаметър 1 mm. Делът на ефективния обем на слоя гранули е 63%. За отглеждане на тритий, керамичният селекционер се обогатява с 6 Li изотоп. Типично ниво на обогатяване за 6 Li: 40% за Li 4 Si0 4 и 70% за Li 2 Ti0 3 .

Понастоящем литиевият метатитанат 1l 2 TiO 3 се счита за най-обещаващ поради относително високата скорост на отделяне на тритий при относително ниски температури (от 200 до 400 0), радиационна и химическа устойчивост. Доказано е, че гранулите от литиев титанат, обогатени до 96% 6 Li в условия на интензивно неутронно облъчване и термични ефекти, дават възможност за генериране на литий с практически постоянна скорост в продължение на две години. Извличането на тритий от неутронно облъчена керамика се извършва чрез програмирано нагряване на размножителния материал в режим на непрекъснато изпомпване.

Предполага се, че в ядрената индустрия съоръженията за термоядрен синтез могат да се използват в три области:

• - хибридни реактори, в които бланкетът съдържа делящи се нуклиди (уран, плутоний), чието делене се контролира от мощен поток от високоенергийни (14 MeV) неутрони;
• - инициатори на горене в електроядрени подкритични реактори;
• - трансмутация на дългоживеещи опасни за околната среда радионуклиди с цел неутрализиране на радиоактивни отпадъци.

Високата енергия на термоядрените неутрони предоставя големи възможности за разделяне на енергийните групи на неутроните за изгаряне на определен радионуклид в резонансната област на напречните сечения.