Принстон плазма физикасы зертханасының ғалымдары 60 жылдан астам жұмыс істей алатын ең ұзақ жұмыс істейтін ядролық синтез құрылғысының идеясын ұсынды. Қазіргі уақытта бұл қиын міндет: ғалымдар термоядролық реакторды бірнеше минут, содан кейін жылдар бойы жұмыс істеу үшін күресуде. Күрделілігіне қарамастан, термоядролық реактордың құрылысы ғылымдағы ең перспективалы міндеттердің бірі болып табылады, ол орасан зор пайда әкелуі мүмкін. Біз сізге термоядролық синтез туралы не білу керектігін айтамыз.

1. Термоядролық синтез дегеніміз не?

Бұл ауыр сөзден қорықпаңыз, бұл өте қарапайым. Фьюзия – ядролық реакцияның бір түрі.

Ядролық реакция кезінде атомның ядросы не элементар бөлшекпен, не басқа атомның ядросымен әрекеттеседі, соған байланысты ядроның құрамы мен құрылымы өзгереді. Ауыр атом ядросы екі немесе үш жеңілірекке ыдырауы мүмкін - бұл бөліну реакциясы. Сондай-ақ синтез реакциясы бар: бұл екі жеңіл атом ядросы бір ауырға біріктірілген кезде.

Өздігінен немесе еріксіз пайда болуы мүмкін ядролық ыдыраудан айырмашылығы, ядролық синтез сыртқы энергиясыз мүмкін емес. Өздеріңіз білетіндей, қарама-қарсылықтар тартады, бірақ атом ядролары оң зарядталған - сондықтан олар бір-бірін итереді. Бұл жағдай кулондық тосқауыл деп аталады. Итеруді жеңу үшін бұл бөлшектерді ессіз жылдамдыққа дейін жеделдету керек. Мұны өте жоғары температурада - бірнеше миллион Кельвин тәртібінде жасауға болады. Дәл осы реакциялар термоядролық деп аталады.

2. Неліктен бізге термоядролық синтез қажет?

Ядролық және термоядролық реакциялар кезінде орасан зор энергия бөлінеді, оны әртүрлі мақсаттарға қолдануға болады - қуатты қару жасауға болады немесе атом энергиясын электр энергиясына айналдырып, оны бүкіл әлемге жеткізуге болады. Ядролық ыдырау энергиясы атом электр станцияларында бұрыннан қолданылған. Бірақ термоядролық энергия перспективалы болып көрінеді. Термоядролық реакцияда әрбір нуклонға (құрамдас ядролар, протондар мен нейтрондар деп аталатын) ядролық реакцияға қарағанда әлдеқайда көп энергия бөлінеді. Мысалы, қашан Уран ядросының бір нуклонға ыдырауы 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт) түзеді және қашанГелий ядроларының қосылуы кезінде сутегі ядроларынан 6 МэВ-ке тең энергия бөлінеді. Сондықтан ғалымдар термоядролық реакцияларды жүргізуді үйренуде.

Термоядролық синтезді зерттеу және реактор құрылысы ғылым мен жоғары технологияның басқа салаларында пайдалы жоғары технологиялық өндірісті кеңейтуге мүмкіндік береді.

3. Термоядролық реакциялар дегеніміз не?

Термоядролық реакциялар өзін-өзі қамтамасыз ететін, бақыланбайтын (сутегі бомбаларында қолданылады) және басқарылатын (бейбіт мақсатта жарамды) болып бөлінеді.

Өздігінен жүретін реакциялар жұлдыздардың ішкі бөлігінде жүреді. Алайда мұндай реакциялардың жүруі үшін Жерде ешқандай жағдай жоқ.

Адамдар ұзақ уақыт бойы бақыланбайтын немесе жарылғыш термоядролық синтезді жүргізді. 1952 жылы «Айви Майк» операциясы кезінде американдықтар қару ретінде практикалық мәні жоқ әлемдегі алғашқы термоядролық жарылғыш құрылғыны жарып жіберді. Ал 1961 жылдың қазан айында Игорь Курчатовтың жетекшілігімен кеңес ғалымдары жасап шығарған әлемдегі алғашқы термоядролық (сутегі) бомбасы («Царь Бомба», «Кузканың анасы») сынақтан өтті. Бұл бүкіл адамзат тарихындағы ең қуатты жарылғыш құрылғы болды: жарылыстың жалпы энергиясы, әртүрлі көздер бойынша, тротил 57-ден 58,6 мегатоннаға дейін болды. Сутегі бомбасын жару үшін алдымен қалыпты жағдайда қажет ядролық жарылысжоғары температураны алыңыз - сонда ғана атом ядролары әрекет ете бастайды.

Бақыланбайтын ядролық реакция кезіндегі жарылыстың күші өте жоғары, сонымен қатар радиоактивті ластану үлесі де жоғары. Сондықтан термоядролық энергияны бейбіт мақсатта пайдалану үшін оны бақылауды үйрену керек.

4. Басқарылатын термоядролық реакция үшін не қажет?

Плазманы ұстаңыз!

Түсініксіз? Енді түсіндіріп көрейік.

Біріншіден, атом ядролары. Ядролық энергетикада изотоптар – бір-бірінен нейтрондар саны және сәйкесінше атомдық массасы бойынша ерекшеленетін атомдар қолданылады. Сутек изотопы дейтерий (D) судан алынады. Аса ауыр сутегі немесе тритий (Т) – кәдімгі ядролық реакторларда жүргізілетін ыдырау реакцияларының жанама өнімі болып табылатын сутегінің радиоактивті изотопы. Сондай-ақ термоядролық реакцияларда сутегінің жеңіл изотопы – протий қолданылады: бұл ядрода нейтрондары жоқ жалғыз тұрақты элемент. Гелий-3 Жерде шамалы мөлшерде кездеседі, бірақ оның көп мөлшері Ай топырағында (реголит) бар: 80-жылдары NASA реголиттерді өңдеуге және құнды изотопты шығаруға арналған гипотетикалық қондырғылардың жоспарын жасады. Бірақ біздің планетада тағы бір изотоп кең таралған - бор-11. Жердегі бордың 80%-ы ядролық ғалымдарға қажетті изотоп болып табылады.

Екіншіден, температура өте жоғары. Термоядролық реакцияға қатысатын зат толығымен дерлік иондалған плазма болуы керек - бұл бос электрондар мен әртүрлі зарядтардың иондары бөлек қалқып жүретін газ. Заттың плазмаға айналуы үшін 10 7 – 10 8 К температура қажет – бұл Цельсий бойынша жүздеген миллион градус! Мұндай өте жоғары температураға плазмада жоғары қуатты электр разрядтарын жасау арқылы қол жеткізуге болады.

Дегенмен, қажетті қыздыру жеткілікті химиялық элементтертыйым салынған. Кез келген реактор мұндай температурада бірден буланып кетеді. Бұл мүлдем басқа көзқарасты қажет етеді. Бүгінгі таңда ультра қуатты электр магниттерінің көмегімен плазманы шектеулі аумақта ұстауға болады. Бірақ термоядролық реакция нәтижесінде алынған энергияны әлі толық пайдалану мүмкін болмады: тіпті әсерінен де. магнит өрісіплазма кеңістікте таралады.

5. Қандай реакциялар ең перспективалы?

Басқарылатын синтез үшін пайдаланылуы жоспарланған негізгі ядролық реакциялар дейтерий (2Н) және тритий (3Н), ал ұзақ мерзімді перспективада гелий-3 (3He) және бор-11 (11В) қолданылады.

Міне, ең қызықты реакциялар қалай көрінеді.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ) - дейтерий-тритий реакциясы.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 МэВ) + p (3,02 МэВ) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ) 50% - бұл дейтерий монопропелланты деп аталады.

1 және 2 реакциялар нейтронды радиоактивті ластануға толы. Сондықтан «нейтронсыз» реакциялар ең перспективалы болып табылады.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 МэВ) + p (14,7 МэВ) - дейтерий гелий-3пен әрекеттеседі. Мәселе мынада, гелий-3 өте сирек кездеседі. Дегенмен, нейтронсыз кірістілік бұл реакцияны перспективалы етеді.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 МэВ - бор-11 протиймен әрекеттеседі, нәтижесінде алюминий фольгасы сіңіретін альфа бөлшектері пайда болады.

6. Мұндай реакцияны қайда жүргізу керек?

Табиғи термоядролық реактор - бұл жұлдыз. Онда плазма гравитацияның әсерінен ұсталады, ал радиация жұтылады - осылайша өзек суымайды.

Жер бетінде термоядролық реакцияларды тек арнайы қондырғыларда жүргізуге болады.

Импульстік жүйелер. Мұндай жүйелерде дейтерий мен тритий өте қуатты лазер сәулелерімен немесе электронды/иондық сәулелермен сәулеленеді. Мұндай сәулелену термоядролық микрожарылыстардың реттілігін тудырады. Дегенмен, мұндай жүйелерді өнеркәсіптік масштабта пайдалану тиімсіз: синтез нәтижесінде алынғаннан гөрі атомдарды үдетуге көп энергия жұмсалады, өйткені барлық үдетілген атомдар реакцияға түспейді. Сондықтан көптеген елдер квазистационарлық жүйелерді құруда.

Квазистационарлық жүйелер. Мұндай реакторларда плазманы төмен қысымда және жоғары температурада магнит өрісі ұстайды. Магнит өрісінің әртүрлі конфигурацияларына негізделген реакторлардың үш түрі бар. Бұл токамактар, жұлдызшылар (торсатрондар) және айна тұзақтары.

Токамак«магниттік катушкалар бар тороидальды камера» дегенді білдіреді. Бұл катушкалар оралған «пончик» (торус) тәрізді камера. Токамактың негізгі ерекшелігі - плазма арқылы өтетін, оны қыздыратын және айналасында магнит өрісін жасап, оны ұстап тұратын айнымалы электр тогын пайдалану.

IN жұлдызшы (торсатрон)магнит өрісі толығымен қамтылған магниттік катушкаларжәне токамактан айырмашылығы, үздіксіз жұмыс істей алады.

z жылы айна (ашық) тұзақтарРефлексия принципі қолданылады. Камера екі жағынан плазманы шағылыстыратын, оны реакторда ұстайтын магнитті «тығындармен» жабылған.

Ұзақ уақыт бойы айна тұзақтары мен токамактар ​​біріншілік үшін күресті. Бастапқыда тұзақ тұжырымдамасы қарапайым, сондықтан арзанырақ көрінді. 60-шы жылдардың басында ашық қақпандар көп қаржыландырылды, бірақ плазманың тұрақсыздығы және оны магнит өрісімен ұстаудың сәтсіз әрекеттері бұл қондырғыларды күрделендіруге мәжбүр етті - қарапайым болып көрінетін құрылымдар тозақ машиналарына айналды және оған қол жеткізу мүмкін болмады. тұрақты нәтиже. Сондықтан 80-жылдары тоқамақтар алдыңғы орынға шықты. 1984 жылы еуропалық JET токамак іске қосылды, оның құны небәрі 180 миллион долларды құрайтын және параметрлері термоядролық реакцияға мүмкіндік берді. КСРО мен Францияда магниттік жүйенің жұмысына энергияны дерлік жұмсамайтын асқын өткізгіш токамактар ​​әзірленді.

7. Қазір кім термоядролық реакцияларды жүргізуді үйреніп жатыр?

Көптеген елдер өздерінің термоядролық реакторларын салуда. Қазақстан, Қытай, АҚШ және Жапонияның өздерінің тәжірибелік реакторлары бар. Курчатов институты IGNITOR реакторында жұмыс істеуде. Германия Wendelstein 7-X синтездік жұлдыз реакторын іске қосты.

Ең танымал халықаралық жоба tokamak ITER (ITER, халықаралық термоядролық тәжірибелік реактор) Кадараш зерттеу орталығында (Франция). Оның құрылысы 2016 жылы аяқталуы керек еді, бірақ қажетті қаржылық қолдау көлемі артып, эксперименттер мерзімі 2025 жылға ауыстырылды. ITER іс-шараларына Еуропалық Одақ, АҚШ, Қытай, Үндістан, Жапония, Оңтүстік Корея және Ресей қатысады. Қаржыландыруда негізгі үлесті ЕО алады (45%), ал қалған қатысушылар жоғары технологиялық жабдықты жеткізеді. Атап айтқанда, Ресейде асқын өткізгіш материалдар мен кабельдер, плазманы қыздыруға арналған радиотүтіктер (гиротрондар) және асқын өткізгіш катушкаларға арналған сақтандырғыштар, сондай-ақ реактордың ең күрделі бөлігі - электромагниттік күштерге, нейтрондық сәулеленуге және электр энергиясының әсеріне төтеп беретін бірінші қабырғаға арналған құрамдас бөліктер шығарылады. плазмалық сәулелену.

8. Неліктен біз әлі де синтездік реакторларды қолданбаймыз?

Заманауи токамак қондырғылары термоядролық реакторлар емес, плазманың болуы және сақталуы біраз уақытқа ғана мүмкін болатын зерттеу қондырғылары болып табылады. Ғалымдар реакторда плазманы ұзақ уақыт бойы қалай ұстау керектігін әлі білмеген.

Қазіргі уақытта ең бірі үлкен жетістіктерЯдролық синтез саласында сутегі газын Цельсий бойынша 80 миллион градусқа дейін қыздырып, сутегі плазмасының бұлтын секундтың төрттен бірін сақтай алған неміс ғалымдарының жетістігі қарастырылады. Ал Қытайда сутегі плазмасы 49,999 миллион градусқа дейін қызып, 102 секунд ұсталды. Новосібірдегі Г.И. Будкер атындағы ядролық физика институтының ресейлік ғалымдары плазманы Цельсий бойынша он миллион градусқа дейін тұрақты қыздыруға қол жеткізді. Дегенмен, жақында американдықтар плазманы 60 жыл бойы сақтау әдісін ұсынды - бұл жігерлендіреді.

Сонымен қатар, өнеркәсіпте ядролық синтездің пайдалылығы туралы пікірталастар бар. Электр энергиясын өндірудің пайдасы ядролық синтез шығындарын өтей ме, жоқ па белгісіз. Реакциялармен тәжірибе жасау ұсынылады (мысалы, дәстүрлі дейтерий-тритий реакциясынан бас тарту немесе басқа реакциялардың пайдасына монопропеллант), құрылыс материалдары - немесе тіпті өнеркәсіптік термоядролық синтез идеясынан бас тарту, оны тек ыдыраудағы жеке реакциялар үшін пайдалану ұсынылады. реакциялар. Дегенмен, ғалымдар әлі де эксперименттерді жалғастыруда.

9. Термоядролық реакторлар қауіпсіз бе?

Салыстырмалы түрде. Термоядролық реакцияларда қолданылатын тритий радиоактивті. Сонымен қатар, синтез нәтижесінде бөлінген нейрондар реактор құрылымын сәулелендіреді. Реактор элементтерінің өзі плазма әсерінен радиоактивті шаңмен жабылады.

Дегенмен, термоядролық реактор радиация тұрғысынан ядролық реакторға қарағанда әлдеқайда қауіпсіз. Реакторда салыстырмалы түрде аз радиоактивті заттар бар. Сонымен қатар, реактордың дизайнының өзі радиацияның ағып кетуі мүмкін «тесіктердің» жоқтығын болжайды. Реактордың вакуумдық камерасы тығыздалуы керек, әйтпесе реактор жай ғана жұмыс істей алмайды. Термоядролық реакторларды салу кезінде дәлелденген ядролық энергияматериалдар, ал бөлмелерде төмен қысым сақталады.

Атом – Әлемнің құрылыс материалы. Тек жүзге жуық атом бар әртүрлі түрлері. Көптеген элементтер тұрақты (мысалы, атмосферадағы оттегі мен азот; көміртегі, оттегі және сутегі біздің денеміздің және барлық басқа тірі организмдердің негізгі компоненттері). Басқа элементтер, негізінен өте ауыр, тұрақсыз, яғни олар өздігінен басқа элементтерге ыдырайды. Бұл түрлендіру ядролық реакция деп аталады.

Ядролық реакциялар – түрлендірулер атом ядроларыэлементар бөлшектермен, g-кванттармен немесе бір-бірімен әрекеттескенде.

Ядролық реакциялар екі түрге бөлінеді: ядролық бөліну және термоядролық синтез.

Ядролық бөліну реакциясы - атом ядросының бөліну фрагменттері деп аталатын массалары ұқсас екі (жиі үш) ядроға бөліну процесі. Бөліну нәтижесінде басқа реакция өнімдері де пайда болуы мүмкін: жеңіл ядролар (негізінен альфа бөлшектері), нейтрондар және гамма сәулелер. Бөліну өздігінен (стихиялы) және мәжбүрлі болуы мүмкін.

Спонтанды (стихиялы) - ядролық бөліну, оның барысында біршама ауыр ядролар шамамен бірдей массалары бар екі фрагментке ыдырайды.

Табиғи уран үшін өздігінен бөліну алғаш рет ашылды. Радиоактивті ыдыраудың кез келген басқа түрі сияқты, өздігінен бөліну жартылай ыдырау кезеңімен (бөлу кезеңі) сипатталады. Өздігінен бөлінудің жартылай шығарылу кезеңі әртүрлі ядролар үшін өте кең шектерде өзгереді (93Np237 үшін 1018 жылдан трансуран элементтері үшін секундтың бірнеше оннан бір бөлігіне дейін).

Ядролардың еріксіз бөлінуі кез келген бөлшектердің әсерінен болуы мүмкін: фотондар, нейтрондар, протондар, дейрондар, b-бөлшектер және т.б., егер олардың ядроға беретін энергиясы бөліну кедергісін жеңуге жеткілікті болса. Ядролық энергия үшін нейтрондардың бөлінуі маңыздырақ. Ауыр ядролардың бөліну реакциясы U235 уранында алғаш рет жүргізілді. Уран ядросы екі фрагментке ыдырауы үшін оған активтену энергиясы беріледі. Уран ядросы бұл энергияны нейтронды ұстау арқылы алады. Ядро қозған күйге түседі, деформацияланады, ядро ​​бөліктері арасында «көпір» пайда болады және кулондық итеруші күштердің әсерінен ядро ​​массасы тең емес екі фрагментке бөлінеді. Екі фрагмент де радиоактивті және 2 немесе 3 екінші реттік нейтрон шығарады.

Күріш. 4

Екінші реттік нейтрондар көрші уран ядроларымен жұтылып, олардың бөлінуіне әкеледі. Тиісті жағдайларда ядролық тізбекті реакция деп аталатын жаппай ядролық бөлінудің өздігінен дамитын процесі жүруі мүмкін. Бұл реакция орасан зор энергияның бөлінуімен бірге жүреді. Мысалы, 1 г уран толық жанғанда 8,28·1010 Дж энергия бөлінеді. Ядролық реакция жылу эффектісімен сипатталады, бұл ядролық реакцияға түсетін ядролардың тыныштық массалары мен реакция нәтижесінде пайда болған массаларының айырмашылығы, т. Ядролық реакцияның энергетикалық эффектісі негізінен соңғы және бастапқы ядролардың массаларының айырмашылығымен анықталады. Энергия мен массаның эквиваленттілігіне сүйене отырып, егер реакцияға қатысатын барлық ядролар мен бөлшектердің массасын нақты білсек, ядролық реакция кезінде бөлінетін немесе жұмсалған энергияны есептеуге болады. Эйнштейн заңы бойынша:

• ?E=?ms2
• ?E = (mA + mx - mB - my)c2

мұндағы mA және mx тиісінше нысана ядросының және бомбалаушы ядроның (бөлшек) массалары;

mB және my - реакция нәтижесінде түзілген ядролардың массалары.

Ядроның пайда болуы кезінде қанша энергия бөлінсе, соғұрлым ол күшті болады. Ядролық байланыс энергиясы – атом ядросын оның құрамдас бөліктеріне – нуклондарға (протондар мен нейтрондарға) ыдыратуға қажетті энергия мөлшері.

Бақыланбайтын тізбекті бөлу реакциясының мысалы ретінде атом бомбасының жарылысы ядролық реакторларда басқарылатын ядролық реакцияны алуға болады;

Термоядролық синтез – атомдық ыдырауға кері реакция, жеңіл атомдық ядролардың ауыр ядроларға қосылу реакциясы, өте жоғары температурада жүретін және бөлінуімен бірге жүреді. орасан зор мөлшерлерэнергия. Бақыланатын термоядролық синтезді жүзеге асыру адамзатқа сутегі изотоптарының ядроларының соқтығысуына негізделген жаңа экологиялық таза және іс жүзінде сарқылмайтын энергия көзін береді, ал сутегі Әлемдегі ең көп таралған зат.

Біріктіру процесі айтарлықтай қарқындылықпен тек шағын оң заряды бар жеңіл ядролар арасында және тек жоғары температурада, соқтығысушы ядролардың кинетикалық энергиясы кулондық потенциалдық тосқауылдан өту үшін жеткілікті болғанда жүреді. Сутегінің ауыр изотоптары (дейтерий 2Н және тритий 3Н) арасындағы реакциялар күшті байланысқан гелий ядроларының түзілуімен салыстыруға келмейтін жоғары жылдамдықпен жүреді.

2D + 3T > 4He (3,5 МэВ) + 1н (14,1 МэВ)

Бұл реакциялар басқарылатын термоядролық синтез мәселесі үшін үлкен қызығушылық тудырады. Дейтерий кездеседі теңіз суы. Оның қорлары жалпыға қолжетімді және өте үлкен: дейтерий шамамен 0,016% құрайды. жалпы санысуды құрайтын сутегі атомдары, ал дүниежүзілік мұхиттар жер бетінің 71% алып жатыр. Тритийдің қатысуымен өтетін реакция анағұрлым тартымды, өйткені ол энергияның үлкен бөлінуімен бірге жүреді және айтарлықтай жылдамдықпен жүреді. Тритий радиоактивті (жартылай ыдырау периоды 12,5 жыл) табиғатта кездеспейді. Демек, тритийді ядролық отын ретінде пайдаланатын ұсынылып отырған термоядролық реактордың жұмысын қамтамасыз ету үшін тритийді көбейту мүмкіндігін қамтамасыз ету қажет.

Ай изотопымен 3He деп аталатын реакцияның жер бетіндегі жағдайларда ең қол жеткізуге болатын дейтерий-тритий реакциясымен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар.

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

Артықшылықтары:

• 1. 3Ол радиоактивті емес.
• 2. Индукцияланған радиоактивтілікті және реактордың құрылымдық материалдарының деградациясын күрт төмендететін реакция аймағынан нейтрондар ағынының ондаған есе азаюы;
• 3. Алынған протондар нейтрондарға қарағанда оңай ұсталады және оларды қосымша электр энергиясын өндіруге пайдалануға болады.

Атмосферадағы 3He табиғи изотоптық көптігі 0,000137% құрайды. Жердегі 3He-нің көп бөлігі пайда болғаннан бері сақталған. Ол мантияда ериді және бірте-бірте атмосфераға енеді. Жерде ол жылына бірнеше ондаған граммды құрайтын өте аз мөлшерде өндіріледі.

Гелий-3 - Күнде болатын реакциялардың жанама өнімі. Нәтижесінде, атмосферасы жоқ Айда бұл құнды заттың 10 миллион тоннаға дейін (ең аз есептеулер бойынша - 500 мың тонна) бар. Термоядролық синтезде 1 тонна гелий-3 0,67 тонна дейтериймен әрекеттескенде, 15 миллион тонна мұнайдың жануына эквивалентті энергия бөлінеді (бірақ, қазіргі уақыттаБұл реакцияның техникалық мүмкіндігі зерттелмеген). Демек, гелий-3 ай ресурсы кем дегенде келесі мыңжылдықта планетамыздың тұрғындары үшін жеткілікті болуы керек. Негізгі мәселе - ай топырағынан гелий алудың шындығы. Реголиттегі гелий-3 мөлшері 100 тоннаға ~1 г құрайды, сондықтан бұл изотоптың бір тоннасын алу үшін кем дегенде 100 миллион тонна топырақ өңдеу керек. Термоядролық синтез реакциясы жүруі мүмкін температура 108 - 109 К реттік мәнге жетеді. Бұл температурада зат толығымен иондалған күйде болады, ол плазма деп аталады. Осылайша, реактордың құрылысы мыналарды қамтиды: жүздеген миллион градус температураға дейін қыздырылған плазманы алу; ядролық реакциялардың пайда болуы үшін уақыт бойынша плазма конфигурациясын сақтау.

Термоядролық энергия атом электр станцияларына қарағанда маңызды артықшылықтарға ие: ол абсолютті радиоактивті емес дейтерий мен гелий-3 изотопын және радиоактивті тритийді пайдаланады, бірақ атом энергиясына қарағанда мыңдаған есе аз көлемде. Ал ықтимал төтенше жағдайларда термоядролық электр станциясының маңындағы радиоактивті фон табиғи көрсеткіштерден аспайды. Сонымен бірге термоядролық отынның салмағы бірлігіне органикалық отынның жануы кезіндегіден шамамен 10 миллион есе, ал уран ядроларының ыдырауы кезіндегіден шамамен 100 есе көп энергия алынады. IN табиғи жағдайлартермоядролық реакциялар жұлдыздардың тереңдігінде, атап айтқанда Күннің ішкі аймақтарында жүреді және олардың сәулеленуін анықтайтын тұрақты энергия көзі қызметін атқарады. Жұлдыздарда сутегінің жануы төмен жылдамдықпен жүреді, бірақ жұлдыздардың үлкен мөлшері мен тығыздығы миллиардтаған жылдар бойы үлкен энергия ағындарының үздіксіз шығарылуын қамтамасыз етеді.

Біздің планетамыздың және жалпы Әлемнің барлық химиялық элементтері жұлдыздардың өзектерінде болатын термоядролық реакциялар нәтижесінде пайда болды. Жұлдыздардағы термоядролық реакциялар бірте-бірте өзгерістерге әкеледі химиялық құрамыжұлдыздың қайта құрылуына және оның эволюциялық жолмен алға жылжуына себепші болатын жұлдыздық материя. Эволюцияның бірінші кезеңі жұлдыздың орталық аймақтарында сутегінің азаюымен аяқталады. Содан кейін, энергия көздерінен айырылған жұлдыздың орталық қабаттарының қысылуынан туындаған температураның жоғарылауынан кейін гелийдің жануының термоядролық реакциялары тиімді болады, олар C, O, Si және кейінгі элементтердің жануымен ауыстырылады - Fe дейін. және Ни. Жұлдыздық эволюцияның әрбір кезеңі белгілі бір термоядролық реакцияларға сәйкес келеді. Мұндай ядролық реакциялар тізбегінде бірінші болып сутегі термоядролық реакциялар табылады. Олар жұлдыздың ортасындағы бастапқы температураға байланысты екі жолмен жүреді. Бірінші жол – сутегі циклі, екінші жол – CNO циклі.

Сутегі айналымы:

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

I: 3He + 3He = 4He + 21H + 12,86 МэВ

немесе 3He + 4He = 7Be + g + 1,59 МэВ

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 МэВ немесе 7Бе + 1Н = 8В + г +0,137 МэВ

II: 7Li + 1H = 2 4He + 17,348 МэВ 8В = 8Бе* + e+ + v + 15,08 МэВ

III. 8Be* = 2 4He + 2,99 МэВ

Сутегі циклі дейтерий ядросын (2D) түзу үшін екі протонның (1Н немесе р) соқтығысуынан басталады. Дейтерий протонмен әрекеттесіп, гелий 3He-нің жарық (ай) изотопын түзеді, гамма фотонды (g) шығарады. Ай изотопы 3He екі түрлі әрекет ете алады: екі 3He ядросы соқтығысып, екі протонның жойылуымен 4He түзеді немесе 3He 4He-мен қосылып, 7Be береді. Соңғысы, өз кезегінде, не электронды (е-) не протонды ұстайды және протон-протондық реакциялар тізбегінің басқа тармақталуы жүреді. Нәтижесінде сутегі айналымы I, II және III деп үш түрлі жолмен аяқталуы мүмкін. I тармақты жүзеге асыру үшін V. с.-ның алғашқы екі реакциясы. екі рет пайда болуы керек, өйткені бұл жағдайда екі 3He ядросы бірден жоғалады. ІІІ тармақта 8В бор ядросының ыдырауы кезінде әсіресе энергетикалық нейтринолар қозғалған күйде (8Be*) тұрақсыз бериллий ядросының пайда болуымен шығарылады, ол бірден екі 4He ядросына ыдырайды. CNO циклі үш байланыстырылған немесе дәлірек айтқанда, ішінара қайталанатын циклдардың жиынтығы: CN, NO I, NO II. Бұл цикл реакцияларында сутектен гелий синтезі катализаторлардың қатысуымен жүреді, олардың рөлін жұлдыздық заттағы С, N және О изотоптарының шағын қоспалары атқарады.

CN циклінің негізгі реакция жолы:

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

Бұл циклдің мәні 12С-тен бастап ядролармен бірізді тұтқындау кезінде төрт протоннан а б бөлшектің жанама синтезі болып табылады.

Протонды 15Н ядромен ұстау реакциясында тағы бір нәтиже болуы мүмкін - 16O ядросының пайда болуы және жаңа NO I циклі туады.

Ол CN циклімен бірдей құрылымға ие:

• 14N + 1H = 15O + g +7,29 МэВ
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 МэВ
• 15N + 1H = 16O + g +12,13 МэВ
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 МэВ
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 МэВ
• 17O + 1H = 14N + 4He +1,19 МэВ

NO I циклі CN цикліндегі энергияның бөліну жылдамдығын арттырады, CN цикліндегі катализатор ядроларының санын арттырады.

Бұл циклдің соңғы реакциясы басқа NO II циклін тудыратын басқа нәтижеге ие болуы мүмкін:

• 15N + 1H = 16O + g +12,13 МэВ
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 МэВ
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 МэВ
• 17O + 1H = 18F + g +5,61 МэВ
• 18O + 1H = 15N + 4He +3,98 МэВ

Осылайша, CN, NO I және NO II циклдері үштік CNO циклін құрайды.

Тағы бір өте баяу төртінші цикл бар, OF циклі, бірақ оның энергия өндірудегі рөлі шамалы. Дегенмен, бұл цикл 19F шығу тегін түсіндіруде өте маңызды.

• 17O + 1H = 18F + g + 5,61 МэВ
• 18F = 18O + e+ + n + 1,656 МэВ
• 18O + 1H = 19F + g + 7,994 МэВ
• 19F + 1H = 16O + 4He + 8,114 МэВ
• 16O + 1H = 17F + g + 0,60 МэВ
• 17F = 17O + e+ + n + 2,76 МэВ

Жұлдыздардың беткі қабаттарында сутегінің жарылыс күйінде жануы кезінде, мысалы, супернованың жарылыстары кезінде өте жоғары температура дамуы мүмкін және CNO циклінің сипаты күрт өзгереді. Ол реакциялар өте жылдам және шатастыратын ыстық CNO цикліне айналады.

4He-ден ауыр химиялық элементтер жұлдыздың орталық аймағында сутегі толық жанғаннан кейін ғана синтезделе бастайды:

4He + 4He + 4He > 12C + g + 7,367 МэВ

Көміртектің жану реакциялары:

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

Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында жұлдыздарда температура 5·109 К-ге жеткенде, көптеген әртүрлі реакциялар жүреді, нәтижесінде Fe және Ni-ге дейін атом ядролары пайда болады.

Ал шығармашылықтағыдай атом энергиясын пайдалана білу ( атомдық энергия) және деструктивті ( атом бомбасы) мақсаттар соңғы ХХ ғасырдың ең маңызды өнертабыстарының бірі болды. Кішкентай атомның тереңдігінде жатқан барлық күшті күштің негізінде ядролық реакциялар жатыр.

Ядролық реакциялар дегеніміз не

Физикадағы ядролық реакциялар деп атом ядросының басқа ұқсас ядромен немесе әртүрлі элементар бөлшектермен әрекеттесу процесін білдіреді, нәтижесінде ядроның құрамы мен құрылымы өзгереді.

Ядролық реакциялардың кішкене тарихы

Тарихтағы алғашқы ядролық реакцияны ұлы ғалым Резерфорд сонау 1919 жылы ядролық ыдырау өнімдеріндегі протондарды анықтау бойынша эксперименттер кезінде жасады. Ғалым азот атомдарын альфа бөлшектерімен бомбалады, ал бөлшектер соқтығысқан кезде ядролық реакция пайда болды.

Бұл ядролық реакцияның теңдеуі осылай болды. Ядролық реакциялардың ашылуына себепкер болған Рутерфорд болды.

Осыдан кейін ғалымдардың ядролық реакциялардың әртүрлі түрлерін жүргізудегі көптеген тәжірибелері болды, мысалы, ғылым үшін өте қызықты және маңызды нәрсе атом ядроларының нейтрондармен бомбалануынан туындаған ядролық реакция болды, оны көрнекті итальян физигі жүргізді. Э.Ферми. Атап айтқанда, Ферми ядролық түрлендірулер тек жылдам нейтрондармен ғана емес, сонымен қатар жылулық жылдамдықпен қозғалатын баяулармен де болатынын анықтады. Айтпақшы, температура әсерінен болатын ядролық реакциялар термоядролық реакциялар деп аталады. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакцияларға келетін болсақ, олар ғылымда өз дамуын өте тез алды және қандай реакциялар, бұл туралы толығырақ оқыңыз.

Ядролық реакцияның типтік формуласы.

Физикада қандай ядролық реакциялар бар?

Жалпы, бүгінгі күні белгілі ядролық реакцияларды келесідей бөлуге болады:

• атом ядроларының бөлінуі
• термоядролық реакциялар

Төменде олардың әрқайсысы туралы егжей-тегжейлі жазамыз.

Ядролық бөліну

Атом ядроларының бөліну реакциясы атомның нақты ядросының екі бөлікке ыдырауын қамтиды. 1939 жылы неміс ғалымдары О.Ган мен Ф.Штрасман атом ядроларының бөлінуін ашты, олар өздерінің ғылыми ізашарларының зерттеулерін жалғастыра отырып, уранды нейтрондармен бомбалағанда ортаңғы бөліктің элементтері пайда болатынын анықтады. мерзімді кестеМенделеев, атап айтқанда барийдің, криптонның және кейбір басқа элементтердің радиоактивті изотоптары. Өкінішке орай, бұл білім бастапқыда екінші сияқты жан түршігерлік, деструктивті мақсаттарда қолданылды Дүниежүзілік соғысжәне неміс, ал екінші жағынан, американдық және кеңес ғалымдары даму үшін жарысты ядролық қару(ол уранның ядролық реакциясына негізделген), ол Жапонияның Хиросима мен Нагасаки қалаларының үстінде атышулы «ядролық саңырауқұлақтармен» аяқталды.

Бірақ физикаға қайта оралсақ, уранның ядросының ыдырауы кезіндегі ядролық реакциясы ғылымның өз қызметіне бере алатын орасан зор энергияға ие. Мұндай ядролық реакция қалай жүреді? Жоғарыда жазғанымыздай, ол уран атомының ядросын нейтрондармен бомбалау нәтижесінде пайда болады, бұл ядроның бөлінуіне әкеліп соғады, 200 МэВ ретті үлкен кинетикалық энергияны тудырады. Бірақ ең қызығы, нейтронмен соқтығысқан кезде уран ядросының ядролық бөліну реакциясының өнімі ретінде бірнеше бос жаңа нейтрондар пайда болады, олар өз кезегінде жаңа ядролармен соқтығысады, оларды ыдыратады және т.б. Нәтижесінде нейтрондар одан да көп және олармен соқтығысудан одан да көп уран ядролары бөлінеді - нақты ядролық тізбекті реакция пайда болады.

Бұл диаграммада осылай көрінеді.

Бұл жағдайда нейтронды көбейту коэффициенті бірліктен үлкен болуы керек, бұл осы типтегі ядролық реакция үшін қажетті шарт; Басқаша айтқанда, ядролардың ыдырауынан кейін пайда болған нейтрондардың әрбір келесі ұрпағында олардың алдыңғысына қарағанда көбірек болуы керек.

Айта кету керек, ұқсас принцип бойынша бомбалау кезіндегі ядролық реакциялар кейбір басқа элементтер атомдарының ядроларының ыдырауы кезінде де орын алуы мүмкін, ядролардың әртүрлі элементар бөлшектермен бомбалануы мүмкін нюанстары бар және мұндай ядролық реакциялардың өнімдері әртүрлі болады, сондықтан біз оларды толығырақ сипаттай аламыз, бізге тұтас ғылыми монография қажет.

Термоядролық реакциялар

Термоядролық реакциялар синтез реакцияларына негізделген, яғни шын мәнінде бөлінуге қарама-қарсы процесс жүреді, атомдардың ядролары бөліктерге бөлінбейді, керісінше бір-бірімен қосылады. Бұл сонымен қатар энергияның көп мөлшерін шығарады.

Термоядролық реакциялар, аты айтып тұрғандай (термо - температура) тек өте жоғары температурада жүруі мүмкін. Өйткені, екі атом ядросы қосылуы үшін олардың электрлік тебілуін жеңе отырып, бір-біріне өте жақын қашықтыққа жақындауы керек. оң зарядтар, бұл үлкен болса мүмкін кинетикалық энергия, бұл, өз кезегінде, жоғары температурада мүмкін. Айта кету керек, термоядролық реакциялар тек онда ғана емес, сонымен қатар басқа жұлдыздарда да болмайды.

Ядролық реакциялар, бейне

Соңында, біздің мақаламыздың тақырыбы бойынша танымдық бейне, ядролық реакциялар.

Ядролық тізбекті реакция- ауыр ядролардың өздігінен жүретін бөліну реакциясы, онда нейтрондар үздіксіз өндіріліп, барған сайын көбірек жаңа ядролар бөлінеді. ішіне әртүрлі жақтары, және екі немесе үш нейтрон. Басқарылатын тізбекті реакцияларядролық реакторларда немесе ядролық қазандықтарда жүзеге асырылады. Қазіргі уақытта бақыланатын тізбекті реакцияларуран-235, уран-233 (торий-232-ден жасанды алынған), плутоний-239 (урий-238-ден жасанды түрде алынған), сондай-ақ плутоний-241 изотоптары бойынша жүзеге асырылады. Өте маңызды міндет – оның уран-235 изотопын табиғи ураннан бөліп алу. Ядролық технология дамуының алғашқы қадамдарынан-ақ уран-235-ті оның таза күйінде алудың шешуші маңызы болды, алайда, уран-238 мен уран-235 химиялық жағынан бір-бірінен ажырамайды;

50.Ядролық реакторлар. Термоядролық энергияны пайдалану перспективалары.

Ядролық реакторэнергияның бөлінуімен қатар жүретін басқарылатын ядролық тізбекті реакция жүретін құрылғы. Бірінші ядролық реактор 1942 жылы желтоқсанда АҚШ-та Э.Фермидің жетекшілігімен салынып, іске қосылды. Америка Құрама Штаттарынан тыс жерде салынған алғашқы реактор 1946 жылы 25 желтоқсанда Канадада іске қосылған ZEEP болды. Еуропадағы алғашқы ядролық реактор 1946 жылы 25 желтоқсанда Мәскеуде И.В. Курчатовтың басшылығымен жұмыс істей бастады. Кез келген ядролық реактордың құрамдас бөліктері: әдетте нейтронды шағылыстырғышпен қоршалған ядролық отыны бар ядро, салқындатқыш, тізбекті реакцияны басқару жүйесі, радиациядан қорғау және қашықтан басқару жүйесі. Реактор ыдысы тозуға ұшырайды (әсіресе иондаушы сәулеленудің әсерінен). Ядролық реактордың негізгі сипаттамасы оның қуаты болып табылады. 1 секундта 3·1016 бөліну оқиғасы болатын тізбекті реакцияға 1 МВт қуат сәйкес келеді. Жоғары температуралы плазма физикасы бойынша зерттеулер негізінен термоядролық реакторды құру перспективасына байланысты жүргізіледі. Реакторға ең жақын параметрлер токамак типті қондырғылар болып табылады. 1968 жылы Т-3 қондырғысының плазмалық температурасы он миллион градусқа жеткені жарияланды, бұл көптеген елдердің ғалымдары соңғы онжылдықтарда өз күштерін шоғырландырды - Францияда салынып жатқан нысанда термоядролық реакцияны тұрақты түрде жүргізу керек. әртүрлі елдертокамак ITER. 21 ғасырдың екінші жартысында энергетикалық секторда термоядролық реакторларды толық көлемде пайдалану күтілуде, токамактардан басқа, жоғары температуралы плазманы шектеуге арналған магниттік тұзақтардың басқа түрлері бар, мысалы, ашық тұзақтар. Бірқатар ерекшеліктеріне байланысты олар жоғары қысымды плазманы ұстай алады, сондықтан термоядролық нейтрондардың қуатты көздері ретінде, ал болашақта термоядролық реакторлар ретінде жақсы перспективаға ие.

жылы қол жеткізілді Соңғы жылдарыРҒА SB Ядролық физика институтында заманауи осьтік симметриялы ашық тұзақтарды зерттеуде бұл тәсілдің болашағын көрсетеді. Бұл зерттеулер жалғасуда және сонымен бірге BINP реакторға жақын плазма параметрлерін көрсете алатын жаңа буын қондырғысының дизайнымен жұмыс істеуде.

Атом энергиясының төрт негізгі көзінің тек екеуі ғана өнеркәсіптік қолданысқа енгізілді: радиоактивті ыдырау энергиясы ағымдағы көздерде пайдаланылады және тізбекті реакциябөлімшелер - в ядролық реакторлар. Ядролық энергияның үшінші көзі – аннигиляция элементар бөлшектерол қиял әлемінен кеткенше. Төртінші дереккөз бақыланатын термоядролық синтез, басқарылатын термоядролық синтез,күн тәртібінде тұр. Бұл көздің әлеуеті үшіншіден аз болса да, екіншісінен айтарлықтай асып түседі.

Зертханалық жағдайда термоядролық синтезді жүзеге асыру өте қарапайым, бірақ энергияның қайта өндірілуіне әлі қол жеткізілген жоқ. Дегенмен, бұл бағытта жұмыс жүргізілуде, радиохимиялық әдістемелер, ең алдымен, КТҚ қондырғылары үшін тритий отын алу технологиялары әзірленуде.

Бұл тарауда термоядролық синтездің кейбір радиохимиялық аспектілері қарастырылады және атом энергетикасында басқарылатын синтез үшін қондырғыларды пайдалану перспективалары талқыланады.

Басқарылатын термоядролық синтез- жеңіл атом ядроларының аса жоғары температурада жүретін және үлкен энергияның бөлінуімен жүретін ауыр ядроларға қосылу реакциясы. Жарылғыш термоядролық синтезден (сутегі бомбасында қолданылады) айырмашылығы, ол басқарылады. Басқарылатын термоядролық синтезді жүзеге асыру үшін пайдалану жоспарланған негізгі ядролық реакцияларда -H және 3 H, ал ұзақ мерзімді перспективада 3 He және «B» пайдаланылады.

Басқарылатын термоядролық синтезге деген үміт екі жағдаймен байланысты: i) жұлдыздар стационарлық термоядролық реакцияның нәтижесінде пайда болады деп есептеледі және 2) бақыланбайтын термоядролық процесс сутегі бомбасының жарылуында өте қарапайым жүзеге асырылды. Бақыланатын ядролық синтез реакциясын қолдауға ешқандай іргелі кедергі жоқ сияқты. Дегенмен, энергияны жоғарылату арқылы зертханалық жағдайларда CTS-ті енгізудің қарқынды әрекеттері толығымен сәтсіз аяқталды.

Дегенмен, CVT қазір энергия өндірісінде қазба отындарын ауыстыруға бағытталған маңызды технологиялық шешім ретінде қарастырылады. Электр энергиясын өндіруді ұлғайту мен қалпына келмейтін шикізаттың таусылуын талап ететін энергияға әлемдік сұраныс жаңа шешімдерді іздеуді ынталандырады.

Термоядролық реакторлар жеңіл атом ядроларының қосылуы нәтижесінде бөлінетін энергияны пайдаланады. Напоимео:

Тритий және дейтерий ядроларының синтез реакциясы басқарылатын термоядролық синтез үшін перспективалы болып табылады, өйткені оның көлденең қимасы тіпті төмен энергияларда да айтарлықтай үлкен. Бұл реакция ерекшелікті қамтамасыз етеді калориялық құндылығы 3,5-11 Дж/г. Негізгі реакция D+T=n+a ең үлкен көлденең қимаға ие о т а=5 Дейтрон энергиясы бойынша резонанстағы сарай E pSh x= 0,108 МэВ, реакциялармен салыстырғанда D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 сарай; E max = 1,9 МэВ, D+D=p+T шамамен tah = 0,09 сарай; E max = 2,0 МэВ, сондай-ақ реакциямен 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotah = 0,4 МэВ. Соңғы реакция 18,4 МэВ бөледі. Реакцияда (3) энергиялардың қосындысы p+aтең 17,6 МэВ, пайда болған нейтрондардың энергиясы?„=14,1 МэВ; ал пайда болған альфа-бөлшектердің энергиясы 3,5 МэВ. Егер T(d,n)a және:) He(d,p)a реакцияларында резонанс айтарлықтай тар болса, D(d,n)3He және D(d,p)T реакцияларында өте кең. 1-ден 10 МэВ-қа дейінгі аймақтағы қималары үлкен мәндері бар резонанстар және 0,1 МэВ-ден 1 МэВ-ке дейін сызықтық өсу.

Пікір. Оңай тұтанатын DT отынына қатысты мәселелер мынада: тритий табиғи түрде болмайды және термоядролық реактордың селекциялық көрпедегі литийден алынуы керек; тритий радиоактивті (Ti/ 2 =12,6 жыл), ДТ реактор жүйесінде 10-нан 10 кг-ға дейін тритий бар; ДТ реакциясындағы энергияның 80%-ы 14 МэВ нейтрондармен бөлініп, реактор құрылымдарында жасанды радиоактивтілікті тудырып, радиациялық зақымдануды тудырады.

Суретте. 1-суретте реакция қималарының энергетикалық тәуелділіктері көрсетілген (1 - с). (1) және (2) реакциялардың көлденең қималарының графиктері іс жүзінде бірдей - энергия өскен сайын қима өседі және жоғары энергияларда реакция ықтималдығы тұрақты мәнге ұмтылады. Реакцияның көлденең қимасы (3) алдымен ұлғаяды, 90 МэВ ретті энергияларда максимум 10 сарайға жетеді, содан кейін энергия өскен сайын азаяды.

Күріш. 1. Массалар жүйесінің центріндегі бөлшектер энергиясының функциясы ретінде кейбір термоядролық реакциялардың көлденең қималары: 1 - ядролық реакция (3); 2 - реакциялар (1) және (2).

Үдемелі дейтерондармен тритий ядроларын бомбалау кезінде шашырау қимасы үлкен болғандықтан, D - T реакциясындағы термоядролық синтез процесінің энергетикалық балансы теріс болуы мүмкін, өйткені Дейтрондарды жеделдету үшін синтез кезінде бөлінетін энергиядан көбірек энергия жұмсалады. Оң энергия балансы, егер бомбалаушы бөлшектер серпімді соқтығысудан кейін реакцияға қайтадан қатыса алатын болса мүмкін болады. Электрлік тебілуді жеңу үшін ядролардың кинетикалық энергиясы жоғары болуы керек. Бұл жағдайлар атомдар немесе молекулалар толық иондалған күйде болатын жоғары температуралы плазмада жасалуы мүмкін. Мысалы, D-T реакциясы 100 8 К-ден жоғары температурада ғана бола бастайды. Тек осындай температураларда бірлік көлемде және уақыт бірлігінде жұмсалған энергиядан көп энергия бөлінеді, өйткені бір D-T синтез реакциясы ~105 қарапайым ядролық соқтығысты құрайды CTS мәселесі екі мәселені шешуден тұрады: затты қажетті температураға дейін қыздыру және оны термоядролық отынның елеулі бөлігін «жану» үшін жеткілікті уақыт ішінде ұстау.

Басқарылатын термоядролық синтез, егер Лоусон критерийі орындалса (m>10'4 с см-3, мұнда) жүзеге асады деп саналады. P -жоғары температуралы плазманың тығыздығы, t – оның жүйеде сақталуы уақыты).

Бұл критерий орындалғанда, CTS кезінде бөлінетін энергия жүйеге енгізілген энергиядан асып түседі.

Плазма берілген көлемде сақталуы керек, өйткені бос кеңістікте плазма бірден кеңейеді. Жоғары температураға байланысты плазманы резервуарға кез келген жерден салу мүмкін емес

материал. Плазманы ұстау үшін асқын өткізгіш магниттер арқылы жасалған жоғары қарқынды магнит өрісін пайдалану қажет.

Күріш. 2. Токамактың схемалық схемасы.

Егер сіз қуат алуды мақсат етпесеңіз, зертханалық жағдайларда CTS-ті енгізу өте оңай. Ол үшін литий дейтеридінің ампуласын уранның бөліну реакциясында жұмыс істейтін кез келген баяу реактордың арнасына түсіру жеткілікті (табиғи изотоптық құрамы бар литийді қолдануға болады (7% 6 Li), бірақ жақсырақ ол тұрақты 6 Li изотопымен байытылған). Жылулық нейтрондардың әсерінен келесі ядролық реакция жүреді:

Бұл реакция нәтижесінде «ыстық» тритий атомдары пайда болады. Тритийдің кері айналу атомының энергиясы (~3 МэВ) тритийдің LiD құрамындағы дейтериймен әрекеттесуі үшін жеткілікті:

Бұл әдіс энергетикалық мақсаттарға жарамайды: процеске арналған энергия шығындары бөлінген энергиядан асып түседі. Сондықтан бізге CTS-ті енгізудің басқа нұсқаларын, үлкен энергия алуын қамтамасыз ететін нұсқаларды іздеу керек.

Олар не квазистационарлық (t>1 с, тг>yu қараңыз «О, немесе импульстік жүйелерде (t*io -8 с, n>u 22 см*z). Біріншісінде (токамак, stellarator, айна тұзағы және т. Импульстік жүйелерде плазма қатты нысананы (дейтерий мен тритий қоспасының түйіршіктері) күшті лазер немесе электронды сәулелердің фокусталған сәулеленуімен сәулелендіру арқылы жасалады: шағын қатты нысаналар сәулесі фокусқа тигенде, термоядролық микрожарылыстардың дәйекті сериясы пайда болады. орын алады.

Плазманы ұстауға арналған әртүрлі камералардың арасында тороидты конфигурациясы бар камера перспективалы болып табылады. Бұл жағдайда плазма тороидты камераның ішінде электродсыз сақина разряды арқылы жасалады. Токамакта плазмада индукцияланған ток трансформатордың екінші реттік орамасына ұқсайды. Плазманы ұстайтын магнит өрісі камераның айналасындағы орам арқылы өтетін ток есебінен де, плазмада индукцияланған ток есебінен де жасалады. Тұрақты плазманы алу үшін сыртқы бойлық магнит өрісі қолданылады.

Термоядролық реактор - өте жоғары температурада (> 10 8 К) плазмада жүретін жеңіл атомдық ядролардың синтез реакциялары арқылы энергия алуға арналған құрылғы. Термоядролық реактор қанағаттандыруы тиіс негізгі талап – нәтижесінде бөлінетін энергия

Термоядролық реакциялар реакцияны қолдау үшін сыртқы көздерден алынатын энергия шығындарын өтейді.

Күріш. h. Басқарылатын термоядролық синтезге арналған реактордың негізгі компоненттері.

TO-CAMAK типті термоядролық реактор (магниттік катушкалары бар тороидальды камера) плазма айналатын арнаны құрайтын вакуумдық камерадан, өріс тудыратын магниттерден және плазмалық жылыту жүйелерінен тұрады. Бұған тұрақты түрде арнадан газдарды айдайтын вакуумдық сорғылар, ол жанып жатқанда отын беру жүйесі және дивертор – термоядролық реакция нәтижесінде алынған энергия реактордан шығарылатын жүйе қосылды. Тороидальды плазма вакуумдық қабықшада. а-Термоядролық синтез нәтижесінде плазмада пайда болған және онда орналасқан бөлшектер оның температурасын жоғарылатады. Нейтрондар вакуумдық камераның қабырғасы арқылы сұйық литий немесе 6 Ли байытылған литий қосылысы бар көрпе аймағына енеді. Литиймен әрекеттесу кезінде нейтрондардың кинетикалық энергиясы жылуға айналады, ал тритий бір мезгілде пайда болады. Көрпе магнитті нейтрондардан, у-сәулеленуден және жылу ағындарынан қорғайтын арнайы қабықшаға салынған.

Токамак типті қондырғыларда плазма тороидты камераның ішінде электродсыз сақина разряды арқылы жасалады. Осы мақсатта плазмалық тромб жасалады электр тоғы, және сонымен бірге оның өзіндік магнит өрісі бар - плазма ұйығышының өзі магнитке айналады. Енді белгілі бір конфигурацияның сыртқы магнит өрісін пайдаланып, плазмалық бұлтты қабырғалармен жанасуына жол бермей, камераның ортасында тоқтата тұруға болады.

Ауыстырушы – құрылғылар жиынтығы (арнайы полоидты магниттік катушкалар; плазмамен жанасатын панельдер - плазмалық бейтараптандырғыштар), олардың көмегімен қабырғаның плазмамен тікелей жанасу аймағы негізгі ыстық плазмадан максималды түрде жойылады. Ол зарядталған бөлшектер ағыны түріндегі плазмадан жылуды кетіру және диверторлық пластиналардағы бейтараптандырылған реакция өнімдерін: гелий мен протийді сорып шығару үшін қолданылады. Синтез реакциясына кедергі келтіретін ластаушы заттардың плазмасын тазартады.

Термоядролық реактор реактордың жылу қуатының оны өндіруге кететін қуат құнына қатынасына тең қуатты күшейту коэффициентімен сипатталады. Реактордың жылу қуаты қосылады:

• - плазмадағы термоядролық реакция кезінде бөлінетін қуаттан;
• - термоядролық реакцияның жану температурасын немесе плазмадағы стационарлық токты ұстап тұру үшін плазмаға енгізілген қуаттан;
• - көрпеде бөлінетін қуаттан - термоядролық нейтрондардың энергиясы пайдаланылатын және магниттік катушкаларды сәулелену әсерінен қорғауға қызмет ететін плазманы қоршап тұрған қабық. Термоядролық реактордың жамылғысы - термоядролық реактордың негізгі бөліктерінің бірі, термоядролық реакциялар жүретін плазманы қоршап тұрған және термоядролық нейтрондардың энергиясын пайдалану үшін қызмет ететін арнайы қабық.

Көрпе барлық жағынан плазма сақинасын жабады, ал D-T синтезі кезінде пайда болатын негізгі энергия тасымалдаушылары - 14-МэВ нейтрондар - оны көрпеге жібереді, оны қыздырады жұмыс істеп тұрған кезде оның құрамында электр станциясында бу бу турбинасын айналдырады және ол генератор роторын айналдырады.

Көрпенің негізгі міндеті - энергияны жинау, оны жылуға айналдыру және энергия өндіруші жүйелерге беру, сондай-ақ операторларды қорғау және қоршаған ортатермоядролық реактор жасаған иондаушы сәулеленуден. Термоядролық реактордағы көрпенің артында радиациялық қорғаныс қабаты бар, оның функциялары электромагниттік жүйенің жұмыс қабілеттілігін қамтамасыз ету үшін затпен реакциялар кезінде пайда болатын нейтрондар мен у-кванттардың ағынын одан әрі әлсірету болып табылады. Одан кейін биологиялық қорғау жүргізіледі, оны зауыт персоналы жалғастыра алады.

«Белсенді» көрпе селекционер термоядролық отынның құрамдастарының бірін өндіруге арналған. Тритийді тұтынатын реакторларда тритийді тиімді өндіруді қамтамасыз ету үшін селекционерлік материалдар (литий қосылыстары) төсемге кіреді.

Дейтерий-тритий отынын пайдаланатын термоядролық реакторды пайдалану кезінде реактордағы отын мөлшерін (D+T) толықтырып, плазмадан 4He алып тастау қажет. Плазмадағы реакциялар нәтижесінде тритий күйіп кетеді де, синтез энергиясының негізгі бөлігі нейтрондарға ауысады, олар үшін плазма мөлдір болады. Бұл плазма мен электромагниттік жүйе арасында өртенген тритий қайта өндірілетін және нейтрондық энергияның негізгі бөлігі жұтылатын арнайы аймақты орналастыру қажеттілігіне әкеледі. Бұл аймақ селекционер көрпе деп аталады. Ол плазмада күйген тритийді шығарады.

Көрпедегі тритийді ядролық реакциялар арқылы нейтрондық ағындармен литийді сәулелендіру арқылы алуға болады: 6 Li(n,a)T+4,8 МэВ және 7 Li(n,n’a) - 2,4 МэВ.

Литийден тритий өндіру кезінде табиғи литийдің екі изотоптан тұратынын ескеру керек: 6 Li (7,52%) және 7 Li (92,48%). Таза 6 Li 0 = 945 сарайдың термиялық нейтронды сіңіру қимасы, ал реакция үшін активтендіру қимасы (p, p) 0,028 сарай. Табиғи литий үшін уранның ыдырауы кезінде пайда болған нейтрондарды жоюға арналған қимасы 1,01 сарайға тең, ал термиялық нейтрондарды сіңіру қимасы а = 70,4 сарайға тең.

Жылулық нейтрондардың 6 Li сәулеленуі кезінде у-сәулеленуінің энергетикалық спектрлері келесі мәндермен сипатталады: жұтылған нейтронға шығарылатын у-кванттардың орташа энергиясы, энергетикалық диапазондағы 6^-7 МэВ = 0,51 МэВ, энергияда диапазоны 7-r8 МэВ - 0,94 МэВ. Жалпы энергия

D-T отынында жұмыс істейтін термоядролық реакторда реакция нәтижесінде:

Нейтронды ұстаудағы у-сәулеленуі 1,45 МэВ. 7 Li үшін сіңіру қимасы 0,047 сарай, ал активтендіру қимасы 0,033 сарай (нейтрондық энергия 2,8 МэВ жоғары болғанда). Табиғи құрамды LiH бөлінетін нейтрондарды жоюға арналған қимасы = 1,34 сарай, металдық Li - 1,57 сарай, LiF - 2,43 сарай.

Термоядролық нейтрондар түзіледі, олар плазма көлемінен шығып, құрамында литий мен бериллий бар көрпе аймағына енеді, онда келесі реакциялар жүреді:

Осылайша, термоядролық реактор дейтерий мен литийді жағады, ал реакциялар нәтижесінде инертті газ гелий түзіледі.

Сағат D-T реакцияларыПлазмада тритий жанып, энергиясы 14,1 МэВ нейтрон түзіледі. Көрпеде бұл нейтрон плазмадағы шығындарын жабу үшін кем дегенде бір тритий атомын жасауы керек. Тритийдің көбею жылдамдығы Кімге(«Тритийдің бір түскен термоядролық нейтронға көрпеде түзілетін мөлшері) жамылғыдағы нейтрондардың спектріне, нейтрондардың жұтылу және ағып кету шамасына байланысты. Плазманың 0% жамылғымен жабылуымен, мәні k> 1,05.

Күріш. 4-сурет. Тритий түзілу ядролық реакцияларының көлденең қимасының нейтрондық энергияға тәуелділігі: 1 - реакция 6 Li(n,t)'»He, 2 - реакция 7 Li(n,n',0 4 He.

6 Li ядросы тритий түзілетін термиялық нейтрондар үшін өте үлкен сіңіру қимасына ие (0,025 эВ кезінде 953 сарай). Төмен энергиялар кезінде Li-дегі нейтронды сіңіру қимасы (l/u) заңына сәйкес келеді және табиғи литий жағдайында термиялық нейтрондар үшін 71 сарай мәніне жетеді. 7 Li үшін нейтрондармен әрекеттесу үшін көлденең қима тек 0,045 сарайды құрайды. Сондықтан селекционердің өнімділігін арттыру үшін табиғи литийді 6 Li изотопымен байыту керек. Бірақ изотоптар қоспасындағы 6 Li мөлшерінің жоғарылауы тритийдің көбею коэффициентіне аз әсер етеді: қоспадағы 6 Li изотопының байытылуының 50%-ға дейін ұлғаюымен 5%-ға жоғарылау байқалады. Реакцияда 6 Li(n, T) «Барлық баяулаған нейтрондар жұтылмайды. Термиялық аймақта күшті сіңіруден басқа, аздап сіңіру бар (

6 Li(n,T) 4 He реакциясы үшін көлденең қиманың нейтрон энергиясына тәуелділігі суретте көрсетілген. 7. Көптеген басқа ядролық реакцияларға тән сияқты, 6 Li(n,f) 4 He реакциясының көлденең қимасы нейтрон энергиясы артқан сайын азаяды (0,25 МэВ энергиядағы резонансты қоспағанда).

Ли изотопында тритийдің түзілу реакциясы >2,8 МэВ энергияда жылдам нейтрондармен жүреді. Бұл реакцияда

тритий түзіледі және нейтронды жоғалту болмайды.

6 Li-ге дейінгі ядролық реакция кеңейтілген тритий өндірісін жасай алмайды және тек күйіп кеткен тритийді өтейді.

?1l реакциясы әрбір жұтылған нейтрон үшін бір тритий ядросының пайда болуына және осы нейтронның регенерациясына әкеледі, содан кейін ол тежелген кезде жұтылып, басқа тритий ядросын шығарады.

Пікір. Табиғи Li-де тритийдің көбею жылдамдығы Кімге«2. Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz үшін k= 2,0; 0,95; 1.1; тиісінше 1.05 және i.6. Балқытылған тұз LiF (66%) + BeF 2 (34%) flyb ( FLiBe), оны пайдалану қауіпсіздік жағдайларына және тритийдің жоғалуын азайтуға байланысты қолайлы.

D-T реакциясының әрбір нейтроны тритий атомының түзілуіне қатыспайтындықтан, жеткілікті үлкен крестке ие элементтерге (n, 2n) немесе (n, sn) реакциясын пайдаланып, бастапқы нейтрондарды (14,1 МэВ) көбейту қажет. жылдам нейтрондардың әрекеттесу бөлімі, мысалы, Be, Pb, Mo, Nb және басқа да көптеген материалдармен Z> 25. Бериллий шегі үшін (n, 2 P)реакциялар 2,5 МэВ; 14 МэВ кезінде 0=0,45 сарай. Нәтижесінде сұйық немесе керамикалық литий (LiA10 2) бар көрпе нұсқаларында қол жеткізуге болады. Кімге* 1,1+1,2. Реактор камерасын уран жамылғысымен қоршаған жағдайда нейтрондардың көбеюі бөліну реакциялары мен (n, 2n), (n, zl) реакцияларының есебінен айтарлықтай артуы мүмкін.

Ескерту 1. Нейтрондармен сәулелендіру кезінде литийдің индукцияланған белсенділігі іс жүзінде жоқ, өйткені алынған радиоактивті изотоп 8 Li (энергиясы 12,7 МэВ cr-сәулелену және энергиясы ~6 МэВ сәулелену) өте қысқа жартысы бар. -өмір - 0,875 с. Литийдің төмен активтенуі және қысқа жартылай шығарылу кезеңі өсімдіктердің биоқорғауын жеңілдетеді.

Ескерту 2. Термоядролық ДТ реакторының жамылғысындағы тритийдің белсенділігі ~*10 6 Ci құрайды, сондықтан DT отынын пайдалану Чернобыль АЭС-інің бірнеше пайыздық масштабындағы апаттың теориялық мүмкіндігін жоққа шығармайды. шығарылымы 510 7 Ci болды). Т 2 0 түзілуімен тритийдің бөлінуі радиоактивті жауын-шашынға, тритийдің жер асты суларына, су қоймаларына, тірі организмдерге, өсімдіктерге жинақталуына, сайып келгенде, тамақ өнімдеріне түсуіне әкелуі мүмкін.

Материалды таңдау және біріктіру жағдайыселекционер күрделі проблеманы білдіреді. Селекционер материалы литийдің тритийге айналуының жоғары пайызын қамтамасыз етуі керек және кейіннен отынды дайындау жүйесіне беру үшін соңғысының оңай алынуы керек.

Селекционер көрпенің негізгі функцияларына мыналар жатады: плазмалық камераны қалыптастыру; k>i коэффициентімен тритий өндіру; нейтронның кинетикалық энергиясын жылуға айналдыру; термоядролық реакторды пайдалану кезінде көрпеде пайда болатын жылуды қалпына келтіру; электромагниттік жүйені радиациядан қорғау; радиациядан биологиялық қорғау.

D-T отын пайдаланатын термоядролық реактор, көрпе материалына байланысты «таза» немесе гибридті болуы мүмкін. «Таза» термоядролық реактордың жамылғысында нейтрондардың әсерінен тритий түзілетін және термоядролық реакция 17,6 МэВ-тан 22,4-ке дейін күшейетін Li бар.

МэВ. Гибридті («белсенді») термоядролық реактордың жамылғысында тритий өндіріліп қана қоймайды, сонымен қатар 2 39Pi қалдықтары орналасатын және 2 39Pi өндіретін аймақтар да бар. Бұл жағдайда көрпеде бір нейтронға 140 МэВ тең энергия бөлінеді. Гибридті термоядролық реактордың энергия тиімділігі таза реакторға қарағанда алты есе жоғары. Бұл ретте термоядролық нейтрондардың жақсырақ сіңірілуіне қол жеткізіледі, бұл қондырғының қауіпсіздігін арттырады. Дегенмен, ыдырайтын радиоактивті заттардың болуы ядролық ыдырау реакторларында бар радиациялық ортаны тудырады.

Күріш. 5.

Сұйық тритий асыл тұқымды материалдарды қолдануға немесе құрамында қатты литий бар материалдарды пайдалануға негізделген екі таза селекционерлік көрпе тұжырымдамасы бар. Көрпелердің дизайн нұсқалары таңдалған салқындатқыштың түріне (сұйық металл, сұйық тұз, газ, органикалық, су) және ықтимал құрылымдық материалдардың класына байланысты.

Көрпенің сұйық нұсқасында литий - салқындатқыш, ал тритий - репродуктивті материал. Көрпе бөлімі бірінші қабырғадан, селекциялық аймақтан (балқытылған литий тұзы, рефлектордан (болат немесе вольфрам) және жарықтан қорғайтын құрамдас бөліктен (мысалы, титан гидридінен) тұрады. Литийді өздігінен салқындататын көрпенің негізгі ерекшелігі - оның болмауы. қосымша модератордың және нейтрондық көбейткіштің сұйық селекционері бар көрпеде келесі тұздарды қолдануға болады: Li 2 BeF 4 (. T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Жоғарыда аталған тұздардың ішінде Li 2 BeF 4 ең төмен тұтқырлыққа ие, бірақ ең жоғары Twl. Prospect Pb-Li эвтектикасы және FLiNaBe балқымасы, ол сонымен қатар өзін-өзі салқындатқыш ретінде әрекет етеді. Мұндай селекционердегі нейтрондық көбейткіштер диаметрі 2 мм болатын сфералық Be түйіршіктері болып табылады.

Қатты селекционері бар көрпеде селекциялық материал ретінде құрамында литий бар керамика пайдаланылады, ал бериллий нейтронды көбейткіш ретінде қызмет етеді. Мұндай көрпенің құрамына салқындатқыш коллекторлары бар бірінші қабырға сияқты элементтер кіреді; нейтрондардың көбею аймағы; тритий өндіру аймағы; тритий өсіру және көбейту аймақтары үшін салқындату арналары; темір судан қорғау; Көрпелерді бекіту элементтері; салқындатқышты және тритийді тасымалдаушы газды жеткізу және ағызу желілері. Құрылымдық материалдарға ванадий қорытпалары және ферриттік немесе феррит-мартенситтік класты болат жатады. Радиациялық қорғаныс болат парақтардан жасалған. Пайдаланылатын салқындатқыш сұйықтың кіріс температурасы 300 0 және шығу температурасы 650 0 болатын yMPa қысымындағы гелий газы.

Радиохимиялық тапсырма тритийді оқшаулау, тазарту және отын айналымына қайтару болып табылады. Бұл жағдайда отын компоненттерін регенерациялау жүйелеріне (селекционерлік материалдар) функционалдық материалдарды таңдау маңызды. Селекциялық материал термоядролық синтез энергиясын жоюды, тритийдің генерациясын және оны кейіннен тазарту және реакторлық отынға айналдыру үшін тиімді экстракциялауды қамтамасыз етуі керек. Ол үшін жоғары температураға, радиацияға және механикалық төзімділікке ие материал қажет. Тритийдің жоғары қозғалғыштығын қамтамасыз ететін материалдың диффузиялық сипаттамаларының маңыздылығы кем емес және соның салдары ретінде салыстырмалы түрде төмен температурада селекционер материалдан тритийді алудың жақсы тиімділігі.

Көрпенің жұмыс заттары болуы мүмкін: керамика Li 4 Si0 4 (немесе Li 2 Ti0 3) - репродукциялық материал және бериллий - нейтронды көбейткіш. Селекционер де, бериллий де монодисперсті малтатас қабаты (пішіні сфераға жақын түйіршіктер) түрінде қолданылады. Li 4 Si0 4 және Li 2 Ti0 3 түйіршіктерінің диаметрлері сәйкесінше 0,2-10,6 мм және шамамен 8 мм диапазонында өзгереді, ал бериллий түйіршіктерінің диаметрі 1 мм. Түйіршік қабатының тиімді көлемінің үлесі 63% құрайды. Тритийді көбейту үшін керамикалық селекционер 6 Li изотопымен байытылған. Әдеттегі 6 Li байыту деңгейі: Li 4 Si0 4 үшін 40% және Li 2 Ti0 3 үшін 70%.

Қазіргі уақытта литий метатитанаты 1L 2 TIu 3 салыстырмалы түрде төмен температурада (200-ден 400 0-ге дейін), радиацияға және химиялық төзімділікке тритийдің салыстырмалы жоғары бөліну жылдамдығына байланысты ең перспективалы болып саналады. Қарқынды нейтрондық сәулелену және термиялық әсерлер жағдайында 96% 6 Li дейін байытылған литий титанатының түйіршіктері екі жыл бойы тұрақты дерлік жылдамдықпен литий өндіруге мүмкіндік беретіні көрсетілді. Тритий нейтронды сәулеленген керамикадан селекционер материалды үздіксіз айдау режимінде бағдарламаланған қыздыру арқылы алынады.

Атом өнеркәсібінде термоядролық термоядролық термоядролық қондырғыларды үш бағытта қолдануға болады деп болжануда:

• - жамылғысында бөлінетін нуклидтер (уран, плутоний) бар гибридті реакторлар, олардың бөлінуі жоғары энергиялы (14 МэВ) нейтрондардың қуатты ағынымен басқарылады;
• - электронды ядролық субкритикалық реакторлардағы жану инициаторлары;
• - радиоактивті қалдықтарды кәдеге жарату мақсатында ұзақ өмір сүретін экологиялық қауіпті радионуклидтерді трансмутациялау.

Термоядролық нейтрондардың жоғары энергиясы көлденең қималардың резонанстық аймағында нақты радионуклидті жағу үшін нейтрондардың энергетикалық топтарын бөлуге үлкен мүмкіндіктер береді.